21.6 Energieffektivitet i smältningsprocessen av järn

21.6 Energieffektivitet i smältningsprocessen av järn

Smält- och varmhållningsprocessen är den i särklass mest energikrävande processen i ett gjuteri och dessutom den process som genererar störst förluster.

Skriv ut
Innehållsförteckning

    21.6.1 Energieffektivitet i smältningsprocessen av järn

    I praktiken kommer cirka 40 till 60 procent av den tillförda energin till nytta i form av värme i smältan. Resterande procentandel är förluster om energin inte återvinns eller återanvänds på något sätt. Vissa förluster är givetvis ofrånkomliga, men det finns många små och stora åtgärder som kan minska förlusterna och därmed ge en lägre energianvändning per ton smälta.

    21.6.2 Råmaterialhantering

    Under denna rubrik presenteras energibesparande åtgärder som kan göras i samband med materialhanteringen inför chargering.

    Torrt chargeringsmaterial är en säkerhetsfråga samtidigt som det krävs energi för att koka bort vattnet. För att värma ett kilo (1 liter) vatten från rumstemperatur till 100ºC och omvandla det till ånga åtgår ca 0,7 kWh. Om ugnen behöver köras med låg effekt eller tillfälligt stängas av på grund av fuktigt chargeringsmaterial så ökar energiåtgången vid smältningen kraftigt.

    Rost bildas snabbt på fuktigt järn och stål. Rosten förslaggas vid smältning vilket medför ökad energianvändning. Kostnader för att deponera slagg samt ökat slitage på ugnsinfodringen bör vägas in i kostnadsberäkningen. Se även punkten om blästrat chargeringsmaterial nedan. Stora rostmängder kan ge problem vid tillverkning av segjärn och kompaktgrafitjärn (CGI).

    Handfasta tips:

    • Ett tak över materialgården minskar problem med blött skrot.
    • Tak på lastbilarna vid transport av chargeringsmaterial minskar problem med blött skrot.
    • Utnyttja spillvärme från ugnsventilation, kylvattnet från ugnar eller kompressorer för att värma och torka råmaterialet. Gjuterier med inbyggd materialgård med värmeslingor i golv och materialfickor upplever att detta fungerar mycket bra. Det åtgår cirka 4,9 kWh/ton för att värma järn från en vintertemperatur på -15ºC till +20ºC. Med ett energiåtervinningssystem så kan chargeringsmaterialet värmas upp på ett billigt sätt till betydligt över rumstemperatur före chargering av ugn.
    • Spån från bearbetning kan förtorkas med exempelvis centrifug.
    • Retur av återgång direkt från urslagning-bläster till ugn medför att viss energi, i och med att materialet fortfarande är varmt, kan utnyttjas.
    • Samarbete med skrotleverantör för att pressade plåtbalar etcetera skall vara så torra som möjligt. Skrot och plåtbalar hanteras på ett sådant sätt att de inte utsätts för regn och väta vid leverans/förvaring till gjuteriet.

    Råd och tips vid krossning:

    • Krossa skrot och återgång i fragmenteringsanläggning.
    • Krossingen kan minska mängden sand som följer med ner i ugnen, sanden kräver lika mycket energi för att värmas upp som järnet. Slaggmängden minskar, liksom kostnaderna för slagghantering och deponi.
    • Krossningen bidrar till att eventuellt vatten som fastnat i fickor i råmaterialet kan rinna ut.
    • Krossningen gör att mer material kan lyftas av magneter vilket ger kortare chargeringstid.
    • Krossningen möjliggör bättre packning av chargeringsmaterialet i ugnen så att smältningen går snabbare och med lägre energianvändning.
    • Krossning kan motverka att råmaterialet hänger sig och bildar bryggor. Bryggbildning medför snabb överhettning av smältan, vilket är energikrävande och dessutom direkt farligt.

    Ett försök har gjorts i ett spanskt gjuteri där företaget investerat i en så kallad käftkross, en runner breaker. Figuren visar en”runner breaker” från EURO EQUIP.

    Figur 3. Runner Breaker från EURO EQUIP.

    Olika parametrar mättes före och efter installationen och resultatet visade bland annat:

    • Smältugnarnas energieffektivitet ökade med 8,7 procent (kW/ton).
    • 4,5 procents reduktion av energianvändning hos anläggningens ugnar, främst tack vare en lägre produktion av slagg (45 procent mindre) och den kortare tid som locket behövde vara öppet för att exempelvis ta bort slagg.
    • Packdensiteten i krossat material ökade från 0,7 till 1,35 ton/m3 (93 procent) vilket innebar 50 procent mindre transporttid för truckföraren.
    • 50 procent högre sandavskiljning.
    • Minskad bryggbildning i smältugnarna.

    Återgång

    Den vidhäftande form- och kärnmassan medför följande:

    • Nödvändigt med regelbunden och dyrbar rengöring av platsen för skrotlagring.
    • Högre energianvändning vid smältning på grund av nödvändigheten för tätare avslaggning.

    Följderna av låg packningstäthet hos återgångsmaterialet är bland annat följande:

    • Minskning av ugnens energimässiga verkningsgrad.
    • Högre energianvändning hos ugnen på grund av nödvändigheten att ha locket avlyft under en längre tid.
    • Minskad smältkapacitet och därigenom minskad produktionskapacitet.

    Krossning och sönderbrytning ger fördelar:

    • Genom att form- och kärnmassor avlägsnas från återgångsmaterialet minskar behovet av städning av upplagsplatser. Vidare minskar mängden slagg i ugnen med 45 procent, vilket i sin tur minskar behovet av avslaggning av ugnen.
    • Höjningen av skrymdensiteten minskar trucktransporterna och rörelsen hos lyftanordningen vid ugnen med en tredjedel. Vidare ökar ugnens verkningsgrad med fem till tio procent. Tiden för chargering av ugnen minskas med 20 till 25 procent. Dessutom erhålls ett mer optimalt utnyttjande av området för skrotupplag.

    Blästrat chargeringsmaterial

    • Sandrester är massa som måste värmas. Ett kilo sand kräver ungefär samma energi att värmas till slagg som ett kilo järn kräver för att bli smälta, cirka 500kWh/ton.
    • Kostnader för att deponera extra slagg som uppstår samt det ökade slitage på ugnsinfodringen som uppstå vid smältning av sandigt och rostigt chargeringsmaterial bör vägas in i kostnadsberäkningen för blästring.
    • Blästring av chargeringsmaterial bör avgöras från fall till fall. Ingen ensidig rekommendation kan göras. Blästringsoperationen kräver extra personal och energi. Blästringen tar även bort oxider som kan fungera som kärnbildningspunkter. Kärnbildningspunkterna höjer smältans kvalitet.
    • Jämför blästring med krossning för att se om fördelar kan uppkomma i det egna gjuteriet.

    21.6.3 Chargering

    Under denna rubrik presenteras energibesparande åtgärder som kan göras i samband med chargeringen.

    Packningen av råmaterialet är ett viktigt steg i chargeringen för att uppnå en lägre energianvändning per ton smälta.

    • Tiden för smältförloppet påverkar energiåtgången på ugnarna. En kort smälttid, snabb överhettning och omedelbar tappning utan onödig hålltid är det som ger mest energieffektivitet. För att uppnå en god energieffektivitet bör rutiner användas som minskar tiden som ugnen är påslagen.
    • Rätt kolhalt från början. Att lösa in mer kol i redan smält material tar tid och kräver ofta en förhöjd temperatur. Båda faktorerna påverkar energianvändningen negativt.  Håll ordning på kolhalten i de olika råvarusorterna. Använd ett datorprogram för att räkna ut vilken blandning som ger rätt kolhalt i smältan.
    • Packa råmaterialet så tätt som möjligt utan att det kan bildas sprängkrafter när chargeringsmaterial kilats fast på tvärs i ugnen och expanderar av värmen.  En gammal tumregel anger maximal längd på chargerat material till en tredjedel av ugnens diameter. Ett väl packat råmaterial är viktigast vid starten så att ugnens induktionsfält kan tas upp av råmaterialet. När en sump bildats så ska storleken och utformningen på råmaterialet motverka bryggbildning och häng. Hög packningsgrad och rent och torrt råmaterial minskar tids- och energiåtgången i ugnen. Ett försök kring detta finns redovisat i kapitel 9.2.2rapporten IPK224_energieffektiv smältning.
    • Chargera i rätt ordningsföljd. Lägg lättsmält material som exempelvis tackjärn i botten. Ugnens energieffektivitet ökar när den har en smälta att arbeta med. Om tackjärnet är rostigt och fuktigt är det även en säkerhetsfråga att inte släppa ner det i en smälta.
    • Chargeringsvagn med skakpackning ger snabb chargering och god packning av råmaterialet. Om ugnslocket delvis kan vara påsatt vid chargeringen är detta givetvis bra.
    • Pressa briketter av spån från bearbetning. Briketterna minskar chargeringstiden jämfört med löst spån och ger även en viss sänkning av energianvändningen vid smältning.
    • Kontrollera att chargen inte hänger sig och bildar ett lock. Under locket blir smältan snabbt överhettad vilket sliter på ugnens infodring och kostar energi samtidigt som det är direkt livsfarligt ur arbetsmiljösynpunkt.
    • Chargera på sådant sätt att restvärmen tas tillvara i ugnen. Fyll varm ugn vid skiftets slut, exempelvis på kvällen. När nästa skift börjar så är ugnen fortfarande varm och chargen varm och torr. Det nya skiftet kan starta smältningen snabbare. Ungsinfodringen visar ofta ett lägre slitage om ugnen hålls varm.
    • Chargering för hand och med magnet tar förhållandevis lång tid jämfört med att använda chargeringsvagn eller liknande och leder till värmeförluster om ugnslocket (om sådant finns) måste öppnas varje gång chargeringsmaterial skall laddas i ugnen.
    • Det rekommenderas att blanda smältan så att den får lägsta möjliga smältpunkt under hela smältförloppet. En järn-kol legering har en lägsta smältpunkt vid 4,3 procent kol. Erfarenheten visar att främst kol, kisel- och fosfor-innehållet påverkar smältpunkten.  Kolekvivalenten (C ekv) tar hänsyn till detta i formeln:

    ekv = Kolhalten i procent + Kiselhalten i procent/4 + fosforhalten i procent/2

    Eller formeln skriven på annat sätt:

    • Vid en kolekvivalent på 4,3 procent smälter gjutjärnet vid lägst temperatur. Om kolhalten ökas eller minskas från denna kemiska sammansättning så stiger smältpunkten.
    • Det går att beräkna hur råmaterialet skall tillsättas i ugnen för att under hela smältförloppet, fram till den sista chargeringen hålla ugnsinnehållet på en kolekvivalent på 4,3 procent. Den sista chargeringen bestämmer den slutliga ekvivalenten.  Den intresserade läsaren finner en ingående instruktion av detta på sidorna 25 -29, i rapporten ”Energieffektiv smältning av järn i induktionsugn” av Rikard Källbom.

    21.6.4 Smältning i induktionsugn

    Under denna rubrik presenteras energibesparande åtgärder som kan göras i samband med smältning i induktionsugn.

    • Om personalen är medvetna om hur de kan påverka energiåtgången både positivt och negativt och de handlar därefter, kan stora besparingar göras. Arbeta fram arbetsrutiner som ger låg energiåtgång. Se mer i kapitel 8 i rapporten IPK224_energieffektiv smältning.
    • Det som har störst inverkan på energiåtgång vid smältning med en induktionsugn är tiden för smältning och varmhållning. Tumregeln är att använda så kort tid som möjligt för detta. Full ugnseffekt så tidigt som möjligt och därefter under hela smältförloppet ger det snabbaste och mest energieffektiva smältförloppet. Värt att notera är att om inte råvaran som chargerats i ugnen kan utnyttja all den tillförda effekten så kommer värmen till största del försvinna i form av varmvatten genom ugnens kylslingor. Faktorer som påverkar hur mycket effekt chargen kan tillgodogöra sig är bland annat storlek och form på råmaterialet, packningsgraden, renhet och torrhet på råvaran, tempot vid chargeringen och råmaterialets temperatur.
    • Mätning av ugnens energianvändning kan göras. Finns det inte en lättanvänd energimätare i ugnens styrsystem så kan en sådan installeras i efterhand. Energiåtgången för varje smälta bör noteras. Se nästa punkt nedan.
    • Personalen i smältverket bör få veta energianvändning, temperatur och chargevikt för varje smälta. Om jämförelse görs med föregående smältor kan operatörerna själva upptäcka variationer i energianvändningen. De kan då bygga upp en erfarenhet om orsaker till skillnader i energiåtgång. Med ökat medvetande och erfarenhet kan energianvändningen sänkas. Exempelvis kan lättavlästa diagram ge en snabb indikation på om det finns någon trend på energiåtgången.
    • Använd rätt frekvens på ugnen. En del induktionsugnar kan växla frekvens med hänsyn till vikten på smältan, storleken på chargerat material samt önskad styrka på badrörelsen.
    • Övertemperering av smältan bör undvikas. Ibland görs det exempelvis för att få in kol i smältan, för att få en mer lättflytande slagg eller av metallurgiska orsaker. Men åtgärder bör sättas in för att undvika överhettning.
      • Gör praktiska försök på det egna gjuteriet för att ta reda på vad det kostar att övertemperera smältan kWh/grad/ton. Tillverka diagram eller skalor så att alla blir medvetna om energiåtgången vid övertemperering.
      • Övertemperering bränner bort legeringsämnen och kärnbildningspunkter och ger därmed metallurgisk försämring. Övertemperering minskar livslängden på infodringen.  Det tar även tid för en övertempererad smälta att gå ner till lämplig avgjutningstemperatur.
      • Om övertemperering inte kan undvikas – använd full effekt på ugnen samt ugnslock.
      • Behovet av förvärmning kan minskas med skänkar förvärmda till rätt temperatur eller användning av välisolerade skänkar.
    • Om lock används på smältugnar minskar det energianvändningen. Mät energiåtgång på de egna ugnarna med och utan användning av lock. Även tiden från smältning till tapptemperatur minskar. Besparingen av energi och tid bör vägas mot risken för bryggbildning som ökar om inte smältverkspersonalen kan se smältan.
    • Mät temperaturen ofta. Smältverkspersonal som försöker använda tiden eller smältans utseende för att bedöma smältans temperatur övertempererar ofta smältan före provtagningstemperaturen. Mät temperaturen istället för att gissa. Efter användningen av temperaturlans – byt mätspets och låt instrumentet svalna före nästa mätning.
    • Många gjuterier fyller på råmaterial i ugnen tills smältans yta når den slaggrand som sitter kvar på ugnsväggen sen tidigare smältor. Men infodringens tjocklek är olika beroende på graden av slitage, så uppskattningen av smältans vikt varierar avsevärt med denna metod. För att kunna bestämma energianvändningen per ton smälta och hitta energieffektiva rutiner behöver råmaterialet vägas. Det är även bra att väga tappad mängd smälta samt slaggvikten. Stor mängd slagg indikerar att förbättringar kan göras, både med avseende på energiåtgång och på metallutbytet.

    21.6.5 För- och nackdelar med hållugn (Twin Power)

    Det är möjligt att använda ugnar Twin Power-modell med en styrning och två ugnskroppar där en ugnskropp kan användas som hållugn när den andra ugnen används till smältning.

    Fördelar:

    • Flexibilitet i avgjutningen.
    • Ökar mängden tillgänglig smälta vid små smältugnar.
    • Smältugnarna kan användas på natten med lägre elpris, smältan används sedan på dagen ur hållugnen.
    • Kan sänka den ur elnätet uttagna maxeffekten.
    • Om stor smältugn används så kan den stora momentana smältamängden portioneras ut till avgjutningen efter behov.

    Nackdelar:

    • Gjuteri med hållugnar använder många kWh för att hålla smältan varm.
    • Kan ge lägre metallurgisk kvalitet på smältan.
    • Höjer den av gjuteriet använda lägstanivån på elanvändningen.
    • Drift och underhållskostnader.

    21.6.6 Avtappning/övertemperering

    Vid tappning från ugn till skänk förloras energi till omgivningen, dels via strålning och dels i form av absorption av energi till skänkens infordringsmaterial. Avgjutning bör ske vid en bestämd temperatur och för att kunna erhålla önskad temperatur efter förlusterna, måste man övertemperera.

    Nackdelen med övertemperering är inte enbart att det behövs mer energi. Det gör också  att man går miste om vissa kemiska föreningar som senare kan vara av värde att ha kvar, så kallade Kärnbildningspunkter, då dessa antingen löses upp eller förpassas till slaggen på ytan.

    Frånvaron av dessa föreningar kan i ett senare skede leda till en sämre stelningsreaktion – med andra ord ett sämre gjutgods.

    Av denna anledning förvärms skänkar i möjligaste mån, men då förlusterna är ofrånkomliga måste övertemperering ske i viss grad. Gjuterierna är medvetna om detta och på de flesta håll har processen optimerats eftersom energi kostar pengar. Även skänkförvärmningen kostar naturligtvis, och var minimiläget för totalkostnaden är måste provas fram lokalt.

    Kostnad för övertemperering

    Övertemperering påverkar energianvändningen och därmed kostnaden. I ett generellt exempel blir den teoretiska energianvändningen (exklusive förluster) 18,25 kWh högre då ett ton järn övertempereras från 1534ºC till 1680ºC.
    Vid en årsproduktion på 20 000 ton smält gods skulle kostnaden för övertemperering i så fall landa på 255 000 kronor. Om energipriset skulle komma att öka med två procent per år skulle motsvarande kostnad år 2017 bli drygt 282 000 kronor.

    Antas en ugnsverkningsgrad på 50 procent, vilket är rimligt, ökar kostnaderna till det dubbla. Bevisligen är övertemperering en betydande kostnad. För att ge ett adekvat svar på de specifika kostnaderna för de egna ugnarna krävs praktiska prov.