Koldioxidneutralt stål i en cirkulär ekonomi

Stålindustrin står inför en nödvändig omställning mot klimatneutralitet, där ökad användning av återvunnet stål är en nyckelfaktor. En central utmaning är att hantera variationer i legeringsämnen utan att kompromissa med materialets kvalitet. Detta projekt, lett av Luleå Tekniska Universitet, syftar till att utveckla kunskap och metoder för att optimera skrothantering och tillverkningsprocesser. Målet är att möjliggöra en mer resurseffektiv och hållbar stålproduktion inom en cirkulär ekonomi.

Projektet fokuserar på att utvärdera skrotsorteringens effekt på stålets egenskaper, utveckla snabba metoder för materialvalidering, samt designa robusta tillverkningsprocesser som kan hantera större variation i materialkvalitet. Hållbarhetsaspekten säkerställs genom livscykelanalyser för att minimera negativa miljöeffekter.

Projektet finansieras av Fonden för en rättvis omställning, med en total budget på 15,5 miljoner kronor. Projektet sker i nära samverkan med industrin, vilket säkerställer en nära koppling till tillämpad forskning och praktisk implementering.

Arbetet är organiserat i tre delar: projektledning och samverkan, resurseffektiva stålvärdekedjor samt implementering av koldioxidneutrala material. Det omfattar forskning, industriellt samarbete och regelbundna externa utvärderingar.

Förväntade resultat innefattar nya metoder för materialvalidering, förbättrade återvinningsprocesser och kunskapsspridning genom publikationer och konferenser. Projektet stödjer industrins omställning till fossilfritt stål, särskilt inom fordonssektorn, och bidrar till FN:s globala hållbarhetsmål för hållbar industri, resurseffektivitet och kompetensutveckling.

Projektet löper från februari 2025 till januari 2028 och förväntas ge avgörande insikter för en mer hållbar och cirkulär stålproduktion.

Projektorganisation och arbetspaket

Arbetspaket 1: Ledning och koordinering

Arbetet inom Arbetspaket 1 kommer att bestå av ledningsfunktion för projektet med
projektledare samt koordinator.
Inom detta arbetspaket kommer verksamheten att styras, avrapporteras till Tillväxtverket,
samt följas upp för måluppfyllelse. Projektets disseminering av resultat och kontakt med
industriella intressenter kommer även att skötas inom detta paket.
Inom arbetspaketet anordnas kurser och workshops för kunskapsöverföring och dialog med
parter utanför projektorganisationen. Eftersom projektet kommer att bidra till
spetskompetens för den gröna omställningen är det av största vikt att kunskap dissemineras
och sprids också utanför traditionella kanaler

1.1 Ledning- och koordineringsaktiviteter

Denna aktivitet innefattar rapportering, samordning, styrgruppsmöten och ekonomiuppföljning. Organisation av workshoppar med externa intressenter samt projektets disseminering av resultat och kontakt med industriella intressenter. Kurser och workshops för kunskapsöverföring och dialog med parter utanför projektorganisationen ingår också.

Arbetspaket 2: Resurseffektiva och resilienta stålvärdekedjor

Målet är att förbättra stålets cirkularitet och resurseffektivitet genom att förbättra
hanteringen av stålresurser med avseende på återvinning och hållbarhet.
I och med omställningen till ett fossilfritt samhälle kommer stål och andra metaller och
mineraler att spela en avgörande roll. Idag ligger fokus på att ersätta fossilt kol i
järnframställningen från malm, men även om vi lyckas producera fossilfritt stål, så behöver vi
öka resurseffektiviteten i återvinningen av stål.
Stål har redan idag en hög återvinningsgrad, men tyvärr innebär mycket av återvinningen en
form av nedgradering (downcycling), där det återvunna stålet har lägre kvalitet än det
ursprungliga. Detta beror på den stora variationen i sammansättning hos de inkommande
stålresurserna. En annan problematik är ackumulering av legeringsämnen, särskilt de som är
ädlare och mindre flyktiga än järn, eftersom dessa är svårare att ta bort.
Detta arbetspaket syftar till att effektivisera återvinningen av stål, undvika värdeminskning i
återvinningscykeln och skapa en övergripande förståelse för hur olika åtgärder påverkar hela
värdekedjan.

2.1 Effektiv hantering av resurser (skrot)

Målet är att bibehålla och förbättra det sekundära stålets (skrotets) värde genom optimerad
sortering och karakterisering.
Skrot som används i återvinning delas upp i två eller tre huvudkategorier. Den första
kategorin, genererad av industrin själva, är Home and Prompt scrap. Skrot i denna kategori är
relativt enkelt att återvinna eftersom dess sammansättning är välkänd, det hanteras endast av
företag och kan behållas inom samma specialiserade värdekedja. Den andra kategorin är
Obsolete scrap, skrot som består av använda produkter, vilket är mer utmanande att
återvinna. Detta skrot samlas in från olika källor, t.ex. från bygg- och bilindustrin, och kommer
generellt in i återvinningssystemet utan specifika materialdata och har använts i en mängd
olika applikationer. De olika applikationerna bidrar med olika föroreningar (tramp elements),
såsom organiska ämnen (t.ex. olja, fett, plast), samt metaller som t.ex. zink och koppar.
I denna aktivitet kommer vi att försöka kartlägga industrins rutiner för återvinning. Det gäller
både internt skrot från ståltillverkande företag och deras interna rutiner samt insamling och
hantering av obsolete scrap, dvs skrot som samlas in efter produktens livstid. Det kan till
exempel vara stål från byggindustrin, bilindustrin och annat. Vidare så kommer även olika
möjliga sorterings- och karakteriseringsmetoder att utvärderas. Optimeringen av
återvinningsprocessen, dvs genom optimerad sortering och förbättrad karakterisering,
kommer att baseras på denna kartläggning.

2.2 Ackumulering av legeringsämnen

Målet är att förstå hur ackumulerade legeringsämnen påverkar stålets egenskaper., med
särskilt fokus på ackumulering efter flera återvinningscykler. Detta är ett område som idag är
relativt outforskat. Ackumulerade ämnen kan få oväntade och oönskade effekter på stålets
mikrostruktur vilket i sin tur påverkar stålets kvalité och egenskaper.
Denna aktivitet syftar till att utveckla strategier för att undvika negativa effekter av
ackumulerade legeringsämnen. Exempel på sådana strategier inkluderar raffinering av stålets
och/eller skräddarsydda termomekaniska behandlingar som kan anpassas och optimeras
utifrån stålets faktiska sammansättning.
Det första steget blir att identifiera de legeringsämnen som utgör störst risk för orsaka
betydande kvalitetssänkningar. För varje legeringsämne eller grupp av legeringsämnen
kommer en rekommenderad strategi att utformas. Resultat av denna aktivitet kommer att
återkopplas till Aktivitet 2.1 och kan därmed även utgöra en grund även för framtida
återvinningsförfaranden. På samma sätt kommer kartläggningen som genomförs i Aktivitet
2.1 att bidra till prioriteringen av vilka legeringsämnen som först beaktas i denna aktivitet.
Vidare så ses ett tätt samarbete med Arbetspaket 3 där effekten av dessa legeringsämnen
kvantifieras och hanteras.

2.3 Livscykelanalys av stålets värdekedja

Aktiviteten syftar till att främja ett främja och tillvarata ett holistiskt perspektivet på hela
stålets värdekedja, med hänsyn till både industrin och samhället i stort.
Denna aktivitet består huvudsakligen av en livscykelanalys, med fokus på en jämförande
(komparativ) analys där olika scenarier jämföras med varandra. Scenarierna kommer att
baseras på resultaten från projektets övriga aktiviteter. Målet med livscykelanalysen är att
undvika rekyleffekter och problemförflyttning, samt att ge rekommendationer som förbättrar
projektets tekniska aktiviteter och främjar en effektiv framtida implementering av projektets
resultat.

Arbetspaket 3: Implementering av koldioxidneutrala stålmaterial

För att kunna påskynda implementeringen av koldioxidneutrala stål finns det utmaningar
med acceptans med nya material hos slutanvändare samt krav på robustare
tillverkningsprocesser för material med större spridning i ingående egenskaper på grund av
ökad skrothalt. Speciellt gäller detta fordonsindustrin då det är ledtider på flera år från att ett
nytt stål finns på marknaden tills att det är i slutanvändarens produktion. Fordonsindustrin
bedöms även vara den viktigaste användaren, i alla fall initialt, av de nya stålen producerade i
norra Sverige vilket gör denna utmaning ännu mer aktuell att lösa.
Arbetspaket adresserar denna utmaning genom att ta fram metoder för snabb
materialkarakterisering relevant för den spridning som ses i egenskaper på grund av ökad
skrothalt. Vidare kommer det studeras hur olika tillverkningsprocesser såsom formning och
stansning kan designas robust för att acceptera ett större span i ingående legeringsämnen
med en försumbar reduktion i slutegenskaper. Ett speciellt fokus kommer riktas i en av
aktiviteterna på stålmaterialets ytegenskaper såsom ytfinhet och oxidskikt. Vidare som
kommer olika ytbeläggningar att undersökas då dessa dess interaktion med olika
legeringselement i stålet inte är utrett men också att ytbeläggningar i sig påverkar
återvinnbarheten.
Forskningen i Arbetspaket 3 kommer både att ge stålindustrin nya metoder för att för att
validera kvaliteten hos stålet mot slutanvändare men även ge slutanvändarna processer för
att acceptera material med en större variabilitet.

3.1 Validering av materialegenskaper

Den ökande skrotinblandningen som en effekt av fossilfri ståltillverkning leder till en
förändring och större variabilitet i stålets egenskaper på grund av en större variation av
ingående legeringsämnen. Exempelvis så kan formbarhet, svetsbarhet samt mekaniska
egenskaper som brottseghet och utmattningshållfasthet ändras.
I dagsläget så behöver stålindustrin genomföra en stor mängd provning enligt olika
standarder för varje stålsort för att säkerställa dessa egenskaper innan slutanvändare såsom
fordonsindustrin köper in stålet för sin tillverkning. Detta leder till ledtider på flera år för nya
material att ta sig ut på marknaden och kommer försena användandet av de nya stålen. Därför
syftar denna aktivitet till att ta fram nya effektiva provmetoder för att säkerställa att de nya
stålens egenskaper motsvarar slutanvändarnas krav.
Effektiva provmetoder såsom brottmekaniska prov, hårdhetsprov samt olika former av
dragprov, ska undersökas tillsammans med vad som kan ses via mikrostrukturella
undersökningar. Målet är både att kvantifiera materialets egenskaper men även spridningen i
dessa egenskaper. Förutom design av nya provmetoder så kommer en viktig frågeställning att
vara hur många prov man behöver utföra och hur stor materialvolym som behöver
undersökas för att få representativa värden på de mekaniska egenskaperna och deras
spridning. Aktiviteten ska leda fram till ett underlag för att ta fram en ny standard för
validering av materialegenskaper.

3.2 Processkrav och slutegenskaper

Dagens tillverkningsprocesser är optimerade mot så goda slutegenskaper som möjligt.
Exempel som kommer behandlas i detta arbetspaket är varm- och kallformning samt
klippning och stansning av plåt vilket är vanliga tillverkningsprocesser i fordonsindustrin. En
utmaning när dessa processer är hårt optimerade är att de blir störningskänsliga och en tydlig
försämring av slutegenskaperna kan ses om det exempelvis finns en variabilitet i
inkommande materials egenskaper. Detta är precis fallet med de nya stålen med en högre
skrotinblandning där en större variabilitet i legeringsämnen och därav en större variabilitet i
exempelvis flytspänning och duktilitet kommer ses.
För termomekaniska processer såsom presshärdning så är denna variabilitet extra
bekymmersam. Olika legeringselement i kombination styr härdbarheten och en lokal
variation i legeringselement kan därför leda till lokalt svara områden i komponenten.
I denna aktivitet så ska de ovan nämnda tillverkningsprocesserna optimeras med avseende på
robusthet, med andra ord att en variation i ingående materials egenskaper leder till små
variationer i utgående kvalitet hos färdiga komponenter. Exempel på parametrar att studera
är inverkan på klippverktygens utformning på klippkantens kvalitet vilket vidare styr
komponentens hållfasthet i utmattning och krock. Även så ska processernas krav på spridning
i egenskaper, och därav legeringsämnen, definieras för att ge lämpliga specifikationer för
stålproducerande industri.

3.3 Ytkvalitet och beläggning

Stålproduktens ytkvalitet efter att ha genomgått olika tillverkningsprocesser och huruvida eventuella ytbeläggningar används har en stor inverkan på produktens slutegenskaper. Till exempel kommer oxidskikt, defekter som sprickor och intryck, samt ytfinheten att negativt påverka utmattningsegenskaper såväl som de visuella egenskaperna vilket påverkar möjligheten att använda stålmaterialet i vissa tillämpningar. Med omställningen till mer skrotbaserad stålframställning kommer toleransvidderna för olika legeringsämnen att variera mer vilket även kommer att påverka ytkvaliteten på stålet p.g.a. att oxidsammansättningen ändras men även mekaniska egenskaper som har en inverkan på stålets beteende under formning och bearbetning. Detta gäller även möjligheterna att belägga stålet med olika ytskikt där frågor som vidhäftning och lämplig sammansättning behöver utredas. Dels kommer beläggningarnas innehåll att spela stor roll för produktens slutegenskaper men även för återvinningen av produkterna. Arbetet i denna aktivitet kommer att fokusera på att kartlägga mekaniska egenskaper, kemisk sammansättning och samspelet mellan dessa på till exempel oxidskikt som bildas när stålet bearbetas eller ytbeläggningar som tillförs genom separat process och hur dessa interagerar med verktyg inom olika tillverkningsprocesser. Genom att skapa en ökad kunskap kring detta, och dess koppling till ytdefekter, kan processfönster optimeras för olika tillverkningsprocesser med målet att minimera inverkan av eventuella variationer på inkommande stålmaterial. Ett långsiktigt mål är att kunna bidra med den data och information som behövs för att kunna skapa en ökad robusthet för tillverkningsprocesser med avseende på variationer på inkommande material gällande sammansättning och tidigare processhistorik.