Sulatuksen ja valun laaduntuoton ja kannattavuuden parantaminen

Abstract

Alumiinin tulevaisuudennäkymät monessa eri käyttökohteessa ovat valoisat. Metallirakenteista halutaan alati valmistaa kevyempiä, johon alumiini tarjoaa metallina hyvän vaihtoehdon. Alumiinituotteita voidaan valmistaa primääri- tai sekundäärialumiinista valmistetuista aihioista. Erona näillä kahdella alumiinityypillä on, että primäärialumiini valmistetaan malmista, bauksiitista ja sekundäärialumiini valmistetaan kierrätetystä alumiinista.

Primäärialumiinin ja sekundäärialumiinin valmistustavat ja haasteet eroavat toisistaan merkittävästi. Suurimpana primäärialumiinin tuotannon haasteena on tuotantoprosessin sivutuotteena syntyvä punaliete, joka on ympäristölle haitallista. Vastaavia ympäristöongelmia ei sekundäärialumiinin tuotannossa ole, mutta sekundäärialumiinin epäpuhtaus asettaa haasteita tuotteille asetetuille koostumusvaatimuksille. Sekundäärialumiinin raaka-aine eli alumiiniromu voi olla monesta eri lähteestä peräisin, jolloin koostumukset ja puhtausasteet voivat vaihdella paljon.

Sekundäärialumiini jaetaan edelleen erilaisiin luokkiin, joiden mekaanisten ominaisuudet ovat toisiinsa nähden erilaiset. Mekaanisten ominaisuuksien ero on peräisin seosaineista, joita puhtaaseen alumiiniin lisätään, kun tavoitellaan tuotteen käyttötarkoitusta varten tiettyjä mekaanisia ominaisuuksia. Tässä opinnäytetyössä keskityttiin 6000-sarjan alumiineihin, joiden pääseosaineet ovat pii ja magnesium. Seostamalla alumiiniin piitä ja magnesiumia saadaan hyvä lujuus, hitsattavuus, korroosionkesto sekä muovattavuus jatkoprosessointia ajatellen. Hyvät mekaaniset ominaisuudet ovat peräisin Mg2Si-erkaumista, jotka saadaan valmistusprosessin aikana muodostettua alumiinimatriisiin.

Pitkien lieriömäisten sekundäärialumiiniaihioiden eli billettien valmistuksessa on monia vaiheita, joista tässä opinnäytetyössä keskityttiin sulatukseen ja valuun. Nämä prosessivaiheet ovat peräkkäin ja vaikuttavat paljon toisiinsa. Sulatuksen voidaan katsoa alkavan romun käsittelystä panostamisesta sulatusuuniin ja loppuvan valun aloitukseen, jossa sula johdetaan valukuilua pitkin pois uunista. Sulatus pitää prosessina monta vaihetta sisällään. Sulatus alkaa panostuksella, jossa romu lisätään uuniin. Seuraavaksi romun annetaan sulaa ja siitä otetaan näyte alkuaineanalyysia varten, jonka perusteella lisätään tarvittava määrä seosaineita sulaan. Ennen valun aloitusta sulan lämpötilajakauma tasoitetaan vielä mekaanisesti sekoittamalla.

Sulatuksen jälkeen sula alumiini valetaan aihioiksi jatkoprosessointiin. Aivan kuten sulatus, myös valaminen pitää sisällään monta prosessivaihetta. Sulatusuunista virtaavalle alumiinisulalle tehdään aluksi kaasunpoisto ja suodatus. Sula johdetaan valupöydälle, jonka jälkeen valutapahtuma voi alkaa. Valupöydällä oleva sula jähmetetään hallitusti tietyllä tavalla samalla, kun valupöydän alla oleva pohja liikkuu vakionopeudella alaspäin. Valu loppuu, kun pohja saavuttaa tietyn korkeuden. Viimeisenä vaiheena billetit nostetaan pois valumontusta.

Opinnäytetyön tarkoituksena on määrittää keinoja parantaa sulatuksen ja valun laaduntuottoa aiheuttamatta haittaa kokonaisprosessin tuottavuudelle. Kehitystyöllä halutaan varautua tulevaisuuden haasteisiin romun epäpuhtauden kasvaessa. Epäpuhtauksien kasvun myötä myös laaduntuoton keinojen pitää kyetä vastaamaan uusiin haasteisiin, jotta valmistusprosessi on kykeneväinen tuottamaan hyväksyttävää laatua. Toisena tavoitteena on löytää keinoja vähentää tai hillitä palohäviötä. Palohäviöllä tarkoitetaan sulatuksen ja valun aikana tapahtuvaa massahäviötä. Palohäviön minimoimisella sulaton kannattavuutta parannetaan suoraan, sillä palohäviöksi luettavaa kuonaa ja savukaasuina poistuvaa materiaalia ei voida hyödyntää.

Tulokset peilaavat muiden sulattojen käytössä olevia ratkaisuja sekä nykyteknologian soveltuvuutta. Ratkaisuista valitaan parhaimmat toteutuksen realistisuuden ja suorituskyvyn perusteella. Käytännön kokeita tehtiin muokkaamalla vanhaa sulatyöstötyökalua erilaiseksi ja mittaamalla suorituskykyä sekä testattiin uudenaikaista käsikäyttöistä XRF-analysaattoria.

The future prospects of aluminum materials seem bright. It is a key interest to make the metal structures lighter and aluminum is a good option for it. Aluminum products can be manufactured from primary aluminum or secondary aluminum. The difference between the two aluminum types is that the primary aluminum is manufactured from bauxite ore and secondary aluminum is manufactured from recycled aluminum.

The manufacturing and production issues differ from each other. The biggest downside of primary aluminum production is the red mold that forms as a byproduct of the Bayer-process that is used to manufacture separate the aluminum oxide from the ore. Red mold is harmful for the environment. There are no similar environmental problems in secondary aluminum manufacturing. Secondary aluminum has no such environmental problems but the impurity of the raw material aluminum scrap sets challenges for the alloying composition limits. Aluminum scrap is collected from multiple sources which means that the compositions and purity levels tend to differ a lot.

Secondary aluminum is divided into grades based on the mechanical properties. The mechanical properties differ from each other because of the different alloying elements that are added to aluminum melt. The addition of alloying elements is necessary because the planned use requires them. This thesis focuses on 6000-series aluminum that are mainly alloyed with silicon and magnesium. By alloying these two elements with aluminum, good strength, weldability, corrosion resistance and formability for further processing is achieved. The properties originate from the Mg2Si-precipitates that form to aluminum matrix during the manufacturing process.

Long cylindrical secondary billets have many process phases, but this thesis focuses solely on melting and casting aluminum. These processes are one after the other and affect each other a lot. The melting starts with the scrap handling and ends with starting the casting as the melt is led to casting table with launder. Melting consists of many process steps. It starts with charging the scrap to the furnace. Then the scrap is left to melt. Before casting samples are taken from the melt to adjust the alloying composition to desired level. The last step is mixing the melt to even out the temperature distribution with mechanical or magnetic stirring device.

After melting the scrap, it is cast to billets for further processing. Just like melting, casting also consists of multiple process steps. The melt is first led to degassing and filtration. Then the melt is channeled to the casting table. On the casting table the melt is solidified in a controlled manner. Then the casting starts, and the melt is solidified as the plateau under the table moves down at constant speed. The cast ends when the plateau reaches end height and then the billets are removed from the casting pit.

The purpose of this theses is to find solutions that improve the quality of the melting and casting without hindering manufacturing process’ producibility. In the future the scrap impurities will create even more issues, so quality ensuring is necessary to make sure the production is able to manufacture billets with correct composition. The other purpose is to decrease the melting loss. Melting loss is the mass loss that occurs during the melting. By minimizing melting loss, the profitability of the foundry also increases because the slag and burning gases cannot be used.

The results mirror solutions that other foundries utilize and modern technology. The best solutions are ranked by how easy they are to implement and by performance. Practical tests were done by modifying the old melting tools dimensions and measuring the performance of handheld XRF-analysator.