Possibilities of Reducing Internal Scrap Rates and Increase Scrap Recyclability of Dilute Copper Alloys from Vertical Upwards Continuous Cast (VUCC) Process
(2023) KASM10 20222Centre for Analysis and Synthesis
- Abstract
- Copper and copper alloys are important material systems for the electrification of society. The high workability of the materials makes them appropriate in numerous different applications which require highly conductive properties. One main advantage of Cu and Cu-bearing alloys is the eminent ability to be repeatedly recycled without losing the advantageous properties. This raises the question whether scrap alloys from secondary copper production can be reintroduced into continuous copper casting processes to increase the overall recyclability. The primary goal was to identify current scrap rates from the Vertical Upwards Continuous Cast (VUCC) process and assess methods to increase scrap recyclability. Scrap from the VUCC process was... (More)
- Copper and copper alloys are important material systems for the electrification of society. The high workability of the materials makes them appropriate in numerous different applications which require highly conductive properties. One main advantage of Cu and Cu-bearing alloys is the eminent ability to be repeatedly recycled without losing the advantageous properties. This raises the question whether scrap alloys from secondary copper production can be reintroduced into continuous copper casting processes to increase the overall recyclability. The primary goal was to identify current scrap rates from the Vertical Upwards Continuous Cast (VUCC) process and assess methods to increase scrap recyclability. Scrap from the VUCC process was found to constitute of 16% of the total monthly production volume of CuMg0.49 alloy with a diameter of 30 mm at Elcowire AB. Scrap originated mainly from the process start-up phase and also from process related issues. Studies were carried out to evaluate if additional 400 ppm Mg decreased the start-up time and scrap rate. The method showed no beneficial results to decreasing the start-up time and further assessments are needed. No negative effect was observed regarding coil composition, but instead indicated the difficulties to control the Mg content in the melt throughout production. Mg losses to slag were found by the means of SEM and XEDS as MgO particles. The exposed Cu melt must therefore be more sufficiently protected, where an inert Ar gas flux may be applied. There is currently no feasible method to incorporate scrap into the VUCC process without redesigning the entire process. Produced scrap may instead be used in the SCR® rolling mill during ETP copper production, where results showed that the impurity content must be controlled, and Mg content is the main limiting factor. Further assessments are needed in terms of contaminant contribution to slag formation, effect on finished ETP copper and economic viability. The method does, however, show great promise and can be applied to various Cu-bearing alloys. (Less)
- Popular Abstract (Swedish)
- Med det ökande behovet att minska användandet av fossila bränslen så är metaller ett utmärkt alternativ för att elektrifiera samhället. Koppar är en av de viktigaste metallerna på grund av de stora mängder som förekommer naturligt på vår planet. Det är även på grund av dess utmärkta egenskaper. Sedan koppar upptäckes för flera århundraden sedan har användandet fortsatt att öka. Koppar och dess egenskaper kan ändras för att passa flertalet olika tillämpningar och produkter. Detta görs genom att tillsätta andra grundämnen eller genom att bearbeta metallen genom olika tillverkningsprocesser. Koppar kan även återvinnas om och om igen utan att förlora dess goda egenskaper. Detta projekt fokuserade på återvinning av kopparskrot från en... (More)
- Med det ökande behovet att minska användandet av fossila bränslen så är metaller ett utmärkt alternativ för att elektrifiera samhället. Koppar är en av de viktigaste metallerna på grund av de stora mängder som förekommer naturligt på vår planet. Det är även på grund av dess utmärkta egenskaper. Sedan koppar upptäckes för flera århundraden sedan har användandet fortsatt att öka. Koppar och dess egenskaper kan ändras för att passa flertalet olika tillämpningar och produkter. Detta görs genom att tillsätta andra grundämnen eller genom att bearbeta metallen genom olika tillverkningsprocesser. Koppar kan även återvinnas om och om igen utan att förlora dess goda egenskaper. Detta projekt fokuserade på återvinning av kopparskrot från en gjutningsprocess som tillverkar koppartråd till produkter som är överallt runtomkring oss, exempelvis till kontaktledningar och vindkraftverk. För att utvärdera återvinningsmöjligheter är det också viktigt att fastställa nuvarande skrotmängder.
Koppar och kopparlegeringar som tråd tillverkas vanligen i stränggjutningsprocesser. Detta möjliggör att tillverka tråd av önskad längd. Egenskaper som hållfasthet och elektrisk konduktivitet är viktiga. Vertikala stränggjutningsprocesser används vanligtvis för att producera syrefritt koppar. Syrefritt koppar har ett väldigt lågt syreinnehåll, vilket bibehåller trådens renhet och höga konduktans. Den höga konduktiviteten kan bevaras genom att låglegera koppar, vilket samtidigt gör materialet starkare och mer hållfast. Exempel på legeringsämnen som kan tillsättas till koppar är magnesium, silver och tenn.
Vid vertikal stränggjutning av syrefritt koppar med låga tillsatser av magnesium så uppstod 16% (nästan 30 ton) skrot under en månad. Skrotet kommer främst från uppstartsfasen, men även på grund av processproblem. Ett försök gjordes att minska uppstartsskrot genom att tillsätta extra magnesium innan processens helgstillestånd. Den extra tillsatsen skulle fungera som en buffert, då en del magnesium förväntas försvinna och brännas av på grund av dess låga densitet och låga koktemperatur.
Det fastställdes att magnesium går förlorat till slagg i processen. Detta gör det svårt att bibehålla korrekta magnesiumnivåer i kopparsmältan och i den färdiga tråden. Detta är på grund av att magnesium lätt reagerar med syre. Därför är det viktigt att skydda kopparsmältan från oxidering. Förebyggande åtgärder tillämpas redan, men det finns alltid utrymme för förbättring. Ett exempel hade varit att använda argongas för att skydda blottad kopparsmälta genom att minska kontaktytan mellan smälta och omgivande syre i miljön. Argon är ett inert grundämne, vilket innebär att det mindre lätt deltar i kemiska reaktioner.
Skrotspolar är svåra att direkt återvinna i stränggjutningsprocessen. Istället kan uppstått skrot användas i en annan gjutningsprocess som är utrustad med ett valsverk för att producera tunnare tråd. Det är viktigt att utvärdera hur andra grundämnen som finns i skrotet som orenheter påverkar tråden och dess egenskaper. Som exempel så bidrar en förhöjd magnesiumhalt till att tråden blir mer skör.
Detta projekt kommer fungera som en guide för att fortsätta undersöka vilka metoder som kan användas för att minska producerat skrot och öka återvinningsgraden av skrot. Ett naturligt nästa steg vore att smälta ned blandat skrot och testa den slutliga kompositionen med hjälp av diverse analysmetoder. Sedan jämföra faktiska värden med de teoretiska beräkningarna som presenterats i denna rapport. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9111681
- author
- Olsson, Minna LU
- supervisor
- organization
- course
- KASM10 20222
- year
- 2023
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- keywords
- metallurgy, copper, alloy, continuous casting, materials chemistry
- language
- English
- id
- 9111681
- date added to LUP
- 2023-03-08 13:20:04
- date last changed
- 2023-03-08 13:20:04
@misc{9111681,
abstract = {{Copper and copper alloys are important material systems for the electrification of society. The high workability of the materials makes them appropriate in numerous different applications which require highly conductive properties. One main advantage of Cu and Cu-bearing alloys is the eminent ability to be repeatedly recycled without losing the advantageous properties. This raises the question whether scrap alloys from secondary copper production can be reintroduced into continuous copper casting processes to increase the overall recyclability. The primary goal was to identify current scrap rates from the Vertical Upwards Continuous Cast (VUCC) process and assess methods to increase scrap recyclability. Scrap from the VUCC process was found to constitute of 16% of the total monthly production volume of CuMg0.49 alloy with a diameter of 30 mm at Elcowire AB. Scrap originated mainly from the process start-up phase and also from process related issues. Studies were carried out to evaluate if additional 400 ppm Mg decreased the start-up time and scrap rate. The method showed no beneficial results to decreasing the start-up time and further assessments are needed. No negative effect was observed regarding coil composition, but instead indicated the difficulties to control the Mg content in the melt throughout production. Mg losses to slag were found by the means of SEM and XEDS as MgO particles. The exposed Cu melt must therefore be more sufficiently protected, where an inert Ar gas flux may be applied. There is currently no feasible method to incorporate scrap into the VUCC process without redesigning the entire process. Produced scrap may instead be used in the SCR® rolling mill during ETP copper production, where results showed that the impurity content must be controlled, and Mg content is the main limiting factor. Further assessments are needed in terms of contaminant contribution to slag formation, effect on finished ETP copper and economic viability. The method does, however, show great promise and can be applied to various Cu-bearing alloys.}},
author = {{Olsson, Minna}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Possibilities of Reducing Internal Scrap Rates and Increase Scrap Recyclability of Dilute Copper Alloys from Vertical Upwards Continuous Cast (VUCC) Process}},
year = {{2023}},
}