Kronikker gir uttrykk for skribentens meninger. Dette innlegget ble først publisert i Teknisk Ukeblad og gjengis her med TUs tillatelse.
Du vet det antakelig ikke. Men de fysiske lovene som gjør enkelte klær vanntette mens andre plagg fungerer omtrent som trekkpapir, er virksomme også i metallindustriens smelteovner.
Ved å gjøre eksperimenter i en forsøksovn, har vi i SINTEF fått ny innsikt i hvordan denne delen av fysikken påvirker smelteovnsprosesser. Nærmere bestemt de prosessene som forvandler råstoffet (malm) til metallegeringen ferromangan.
Dette blikket inn i smeltede materialers – til nå – hemmelige liv, kan om litt både spare produsentene av ferromangan for et betydelig inntektstap og kutte CO2-utslippet fra ovnene deres.
Usynlig, men uunnværlig
Som produkt er ferromangan usynlig i hverdagen. Men det er like fullt uunnværlig.
Materialet stammer fra malmårer som inneholder både mangan og jern. Ferdig utvunnet brukes det som legeringselement i stål. Nærmere bestemt til å øke stålets styrke og seighet og til å gjøre stål mer egnet for varmebehandling.
Ferromangan produseres i elektriske smelteovner, blant annet i Norge. Ved tapping fra ovnene skjer noe uønsket: Så mye som seks prosent av metallet fanges i biproduktet slagg.
Det koster produsentene dyrt.
Dråpenes gåtefulle liv
I vår jakt etter en løsning på problemet, har vi studert den delen av fysikken som handler om fenomenet fukting. «Wetting» på engelsk. På godt norsk: Kunnskapen om hvordan en dråpe oppfører seg når den møter en overflate.
Vil dråpen bre seg ut over overflaten og dermed binde seg til den? Eller vil den beholde sin opprinnelige form og prelle av, slik vanndråper gjør når de møter «vanntette» klær?
Kanskje har du en gang sett en vanndråpe lande på veldig rent glass. Da vet du at dråpen «siger» utover glassets overflate. Det betyr at betingelsene for fukting er gode. Når forholdene er slik, vil sterke krefter binde dråpen til overflaten den har møtt – enten overflaten er fast eller tilhører et flytende stoff.
Men om den samme vanndråpen treffer er en bærepose av plast, forblir dråpen omtrent uendret. I dette tilfellet er betingelsene for fukting dårlig, og bindingen mellom dråpe og overflate blir svak.
Når flytende materialer møtes
Denne delen av fysikken gjør seg altså gjeldende også i smelteovner. I studien vår så vi på den gjensidige fuktingen som finner sted i møtet mellom to flytende materialer: smeltet ferromangan og smeltet slagg.
Gjennom studiene våre – som er finansiert av Forskningsrådet og SINTEF – fant vi svar. Vi så hva som skal til for at smeltet ferromangan skal prelle av fra smeltet slag i smelteovnens indre, og ikke trekkes inn i slagget i samme grad som i dag.
Det vi oppdaget var at betingelsene for fukting – og dermed også for bindinger mellom de to stoffene – ble dårligere når vi reduserte svovelinnholdet i metall og slagg, og samtidig unngår at temperaturen i ovnen var mellom 1277 og 1427°C.
Vi fant altså en konkret oppskrift på hvordan metallutbyttet fra ovnene kan økes.
Bra for inntjeningen – og klimaet
I 2023 kostet et tonn ferromangan av en gitt kvalitet 1 200 euro. Det vil si over 14 000 kroner med dagens eurokurs. Eramet-konsernet, som produserer ferromangan også i Norge, framstilte 61 000 tonn av dette metallet i fjor rundt om i verden.
Dette betyr at om vi kan spare smelteverkene for et metalltap på bortimot seks prosent, slik vi nå tror at vi kan, vil inntjeningen øke betydelig i denne næringen.
Siden mindre råstoff da vil trengs til hvert tonn ferdig produsert metall, vil også CO2-utslippet fra smelteovnene synke i merkbar grad.
A-ha-oppdagelse i Berkeley
Matematikken som beskriver fukting av faste overflater, har eksistert lenge. Men tidlig ble det klart at dette likningssettet ikke fanget opp hva som skjer når varme flytende stoff fester seg til flater som varmes opp.
Nytt lys over slike fuktingsprosesser kom da forskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory i California gjorde en a-ha-oppdagelse ved inngangen til 2000-tallet. I en forsøksovn med hurtigkamera, så de at dråper av smeltet metall lagde ørsmå riller i faste overflater som dråpene kom i kontakt med.
Rillene viste seg å kunne bremse, ja faktisk stoppe, spredningen av det flytende stoffet på den faste overflaten.
Skuer inn i mange fenomener
I våre egne studier har vi i SINTEF brukt en liknende ovn. Den har gitt oss mange muligheter til å studere en lang rekke metallurgiske fenomener visuelt, ved høye temperaturer. Ikke bare fuktingsprosesser mellom flytende stoffer. Men også oksidering av metaller og reduksjon av oksider – altså opptak av elektroner. Pluss fase-endringer, termisk utvidelse og mykgjøring/smelting.
Alt dette gir oss en sjanse til å høste kunnskap som kan bidra til å gjøre norsk metallindustri både mer konkurransedyktig og mer klima- og miljøvennlig.
