Erikoisluja teräs on ilmastoystävällistä

Oulun yliopiston Terästutkimuskeskuksen painopisteenä ovat erikoislujat teräkset. Ne liittyvät toiseen tärkeään teemaan, ilmastotavoitteisiin. 

”Tavallinen teräs kestää noin 20 kilon painon neliömillimetriä kohti. Erikoisluja teräs on sellaista, että minä voisin roikkua neliömillimetrin palasessa”, luonnehtii Terästutkimuskeskuksen (CASR) johtaja, professori Jukka Kömi.

Kyseessä on yleistys, sillä erikoislujalle teräkselle ei ole yhtä selkeää määritelmää. Teollisuudessa sen vetolujuus alkaa runsaasta 500 megapascalista (MPa), ja Kömin kuvailemalle noin 1000 MPa:lle etsitään sovelluksia. CASR:ssa 1000 MPa:n lujuusluokka on sen sijaan vanhastaan tuttu; tavoitteet ovat yli 2000 MPa:ssa. Keinoina ovat sekä perus- että soveltava tutkimus.

”Soveltavaa teemme yhdessä teollisuuden kanssa, ja yhteistyö määrittelee sovellukset. Perustutkimus taas on hyvin lähellä fysiikkaa, ja siinä pääpaino on atomirakenteen käyttäytymisen ymmärtämisessä”, Kömi sanoo.

Teräsmiehet Sakari Pallaspuro (vas.), Timo Fabritius ja Jukka Kömi esittelevät huippuvahvaa 2000 megapascalin lujuusluokan terästä, joka on kehitetty Oulun yliopiston Terästutkimuskeskuksessa. Erilaisia kaupallisia teräksiä on nelisenkymmentätuhatta, mutta 2000 MPa:a on vielä lähinnä tieteen tavoite. Erikoislujien terästen tutkimuksessa Oulun yliopisto on tieteen mittareilla maailman kolmen parhaan joukossa, Jukka Kömi sanoo. 

Teräksen ominaisuudet nimittäin määräytyvät atomi- ja molekyylitasolla, vaikka sovelluksissa kokoluokka voikin kasvaa tonneihin. Myös lujuus kumpuaa samasta lähteestä. Tämä näkyy erikoislujien terästen valmistustavoissa: päätrendeinä ovat eri alkuaineiden hyödyntäminen seostuksessa sekä teräksen sisäisen rakenteen ja epäpuhtauksien hallinta. CASR keskittyy ennen kaikkea kahteen viimeksi mainittuun alueeseen.

Suurempaa tarkkuutta ja vähäisempiä epäpuhtauksia

Sisäisen rakenteen tutkimus on kehittynyt viime vuosina entistä tarkemmaksi, kertoo tutkija Sakari Pallaspuro.

”Isojen kappaleiden ominaisuuksien hallitsemiseksi on mentävä pienimpiin yksityiskohtiin. Ennen puhuttiin mikrometrien rakenneyksiköistä, nyt nanometreistä. Jotta ymmärrettäisiin, miten nanokoon rakenneosaset koostuvat ja millaisia ominaisuuksia ne teräkselle tuottavat, tarvitaan mikroskopiaa, jonka erotuskyky on lähes atomin kokoluokkaa. Teräksen atomirakenne voidaan nykyään kuvata myös 3D:nä.”

Mitä taas epäpuhtauksien hallintaan tulee, sen kannalta kriittisin vaihe ja tärkein tutkimuskohde on sula teräs.

”Seosaineiden mukana teräkseen menee väistämättä muutakin”, selittää prosessimetallurgian professori Timo Fabritius.

”Kyse on vain miljoonasosista (ppm), mutta rajat ovat hyvin tarkkoja. Puhtaudesta riippuu, kestääkö teräs.”

Prosessien valtava koko ja kuumuus tekee mittaamisesta kuitenkin vaikeaa. Yhtenä ratkaisuna on simulointi ja mallintaminen, Oulun yliopiston leipälaji, jossa tehdään pienessä mittakaavassa se, mitä teollisuus voi soveltaa suuressa. Sulan teräksen ilmiöitä simuloidaan paitsi kokeellisesti, myös laskennallisesti.

”Kun terästä on tonnikaupalla, kaikkea ei voi laskea, vaan on käytettävä riittävän tehokkaita yksinkertaistuksia. Olemme kehittäneet tähän menetelmiä. Sulan teräksen ilmiöiden kuvaamisessa meillä on osaamista, jota ei ole muualla”, Fabritius sanoo.

Yksi virstanpylväs on sulatusuunin valokaaren säteilemän valon analysointi, joka on tuottanut spinoff-yrityksenkin, Luxmetin.

”Valokaariuunilla sulatettaessa ei täysin tiedetä, mitä raaka-aineita uuniin laitetaan, vaan kyseessä on arvaus. Tällä menetelmällä koostumus pystytään määrittelemään tarkemmin.” Lisäksi Fabritius nostaa esiin kehitysasteella olevan ”nopean sulkeuma-analytiikan”.

”Sulkeumat ovat epäpuhtauksia, ja analytiikan avulla teräksen puhtauden kehitystä voidaan seurata prosessin aikana. Tähän asti se on onnistunut vain jälkikäteen.”

Epäpuhtauksien hallinnan tarvetta lisää kierrätysteräksen käyttö. Suomessa teräs kiertää liki sataprosenttisesti. Maailmanlaajuinen kierrätysaste on jo 80 prosenttia. Kyseessä on yksi keino hillitä terästuotannon energiankulutusta ja hiilidioksidipäästöjä.

Kevyemmät teräsrakenteet ja uudet tuotantotavat vähentävät päästöjä

Ilmastotavoitteet ovat keskeisellä sijalla myös CASR:ssa ja liittyvät sen painopistealueeseen, erikoislujiin teräksiin. ”Näiden käyttö pienentää hiilijalanjälkeä painonhallinnan kautta”, sanoo Kömi.

”Mitä kevyempi rakenne, sitä vähemmän energiaa kuluu esimerkiksi sen siirtämiseen. Jos teräksen lujuus vaikkapa kolminkertaistuu, liikkuvan kaluston (autot, junat, laivat jne.) paino ja päästöt pienenevät samassa suhteessa.”

Suomalainen nostolavavalmistaja Bronto Skylift on kehittänyt erikoislujasta teräksestä valmistetun lavanostimen, joka mahdollistaa turvallisen työskentelyn jopa 112 metrin korkeudessa. Puomeissa käytetyn teräksen lujuus on 650-900 MPa:a (kuva Santeri Keränen/Bronto Skylift).

Tältä osin CASR:n tärkein yhteistyökumppani on auto- ja kuljetusvälineteollisuus, ei merkkikohtaisesti, vaan yhteistyöverkostojen välityksellä. Oulun yliopiston erikoisaluetta ovat mm. autojen turvaosat, kuten puskurirakenteet ja törmäyssuojat.

Toki teräksen tuotantotavallakin on suuri vaikutus päästöihin. Sen osalta CASR:n pyrkimykset kohdistuvat kahtaalle: valmistusprosessin energiatehokkuuteen sekä raudan pelkistyksessä – eli hapen poistamisessa – käytettävän hiilen korvaamiseen.

”Valmistuslämpötilaa pyritään koko ajan laskemaan ja prosessia nopeuttamaan”, Timo Fabritius kertoo. ”Osa pelkistyksestä voidaan tehdä jo kiinteässä olomuodossa. Pelkistykseen käytetään kuitenkin hiiltä, jolloin tuloksena on hiilidioksidia. Tutkimuskohteeksi on noussut vedyn käyttö: missä määrin se voi korvata hiilen nykyisissä pelkistysprosesseissa.”

Laboratorioissa pelkistys pystytään tekemään jo kokonaan vedyllä, mutta prosessi on aivan erilainen. Asiaan liittyy myös muita suuren mittakaavan haasteita vedyn tuottamistavasta ja varastoinnista alkaen.

”Vedyn käyttö muuttaisi teräksen tuotannossa kaiken. Siihen siirtyminen vie vähintään 20 vuotta”, Fabritius toteaa.

Kömin mukaan vetypohjainen tuotanto vähentäisi Suomen hiilidioksidipäästöjä seitsemän prosenttia. Toiset 7–8 prosenttia nipistettäisiin, jos pelkästään rekka-autoissa siirryttäisiin erikoislujiin teräksiin. CASR:n kokonaistavoite on 15 prosenttia.

Entistä kylmänkestävämpää terästä, entistä energiatehokkaammin

CASR:n tuoreimpiin saavutuksiin kuuluu 2000 megapascalin lujuusluokan teräs, joka säilyttää sitkeytensä jopa -100 asteen kylmyydessä. Kullakin teräslaadulla on nimittäin lämpötilaraja, jonka alapuolella se muuttuu hauraaksi. Vaikka jotkin teräkset pysyvät sitkeinä tätä alemmissa lämpötiloissa, ne ovat pehmeämpiä.

Uusien terästen lujuus ja sitkeys ovat muokattavuuden rinnalla terästutkimuksen keskiössä. Kuvassa testattavana olevaan terässauvaan voidaan vetokoneella kohdistaa kymmenien tonnien painoa vastaava kuormitus.

Ratkaisevassa asemassa ovat Oulun yliopiston tutkimat lämpökäsittely- ja kuumavalssaustekniikat. ”Ilman niitä teräkset käyttäytyvät sitkeästi ainoastaan nollan yläpuolella”, Pallaspuro sanoo.

”Olennaista on, että -50 asteen tasoon päästään kustannus- ja energiatehokkaammilla menetelmillä kuin kilpailijoilla.”

Jäätäviin olosuhteisiin sopiva teräs on jatkoa Suomen markkinajohtajuudelle arktisten terästen saralla; CASR:n yhteistyökumppaneihin kuuluu mm. johtava jäänmurtajien suunnittelija Aker Arctic. Kylmänkestävyys on arktisen meritekniikan suurin haaste, mutta siinä ei ole kyse vain lämpötilasta.

”Kylmissä ja kosteissa olosuhteissa uhkana on myös vetyhauraus. Vety riittävinä pitoisuuksina haurastuttaa teräksen, ja arktisissa meriolosuhteissa läsnä ovat sekä kylmyys että vedyn lähde. Tutkimme, miten terästen vastustuskykyä vedylle voi lisätä, ja olemme osoittaneet vetyhaurauden olevan mahdollista myös pakkasen puolella. Aiemmat tutkimukset ovat keskittyneet alimmillaan noin neliasteisen meriveden lämpötiloihin.”

Vetyhauraudenkin hallinnassa ratkaisevat miljoonasosien pitoisuudet. Haastavan tehtävän ratkaisu kannattaa, sillä arktisen merialueen hyödyntäminen – esimerkiksi öljynporaus – lisää kylmänkestävän teräksen kysyntää.

Käyttöönoton haasteena tuotantoketjujen muuttaminen

Erikoislujien terästen käyttötarpeet ovat siis moninaisia, eikä korvaavaa materiaalia ole näköpiirissä. Niiden käyttö kuitenkin edellyttää muutoksia tuotannon eri vaiheisiin, jolloin avainasemaan nousevat teollisuuden rajoitteet.

”Suunnittelu, muovaaminen ja liittäminen menevät kokonaan uusiksi. Käytön esteet johtuvat 80-prosenttisesti suunnitteluongelmista. Pelkkä erikoislujien terästen tekeminen ei auta, vaan pitää myös miettiä, miten ne saadaan lopputuotteeseen.”, Kömi sanoo.

Termomekaanisella Gleeble-simulaattorilla voidaan simuloida metallisten materiaalien valmistus- ja lämpökäsittelyprosesseja, kuten kuumavalssausta ja hitsausta.

Yksi hankaloittava tekijä on se, että erikoislujilta teräksiltä puuttuvat standardit. Tämän vuoksi suunnittelija kantaa vastuun mm. turvallisuudesta. Esimerkiksi käyvät CASR:n yhteistyökumppanin, Bronto Skyliftin suunnittelemat 112 metriin nousevat palotikkaat.

”Silloin suunnittelijan pitää tietää, että teräs kestää.”

Lujuuden rajaa ei kuitenkaan ole lähimainkaan saavutettu: raudan atomisidosten vahvuudesta on vielä 80 prosenttia hyödyntämättä. Niinpä erikoislujien terästen kehitystyö jatkuu. Sakari Pallaspuro viittaa kollegoihinsa.

”Tavoitteena on, että me kaikki voimme roikkua neliömillimetrin kokoisessa palasessa.”

TERÄSTUTKIMUSKESKUS CASR (Centre for Advanced Steels Research)

  • Terästutkimus on yksi Oulun yliopiston profiloitumisalueista. Profiloituminen tapahtuu Suomen Akatemian rahoittaman Genome of Steel -profilaatiohankkeen avulla.
  • Tutkimusta tehdään Oulun yliopiston Terästutkimuskeskuksessa (Centre for Advanced Steels Research, CASR).
  • Vuonna 2006 perustettu CASR on noin sadan tutkijan monitieteinen tutkimusyhteisö, alallaan pohjoismaiden suurin.
  • CASR:ssa on mukana kahdeksan tutkimusryhmää Oulun yliopistosta, Lappeenrannan–Lahden teknillinen yliopisto LUT sekä SSAB, Outokumpu, Outotec ja Ovako.
  • Arviolta kolme neljäsosaa suomalaisesta terästutkimuksesta tapahtuu Oulussa. Noin 70 prosenttia tutkimuksesta on teollisuusyhteistyötä.
  • CASR edustaa Suomea Euroopan terästeknologiayhteisö ESTEPissä ja tähtää kansainvälisesti keskeiseksi tutkimusyhteisöksi.
  • CASR:n painopistealueena ovat erikoislujat teräkset keveissä ja kestävissä rakenteissa. Tähän liittyy toinen tavoite, teräksen tuotannon ja käytön hiilijalanjäljen pienentäminen.
  • CASR:n tavoitteena on teräsosaamisella saavutettava 15 prosentin vähennys Suomen kasvihuonepäästöissä.
  • Myös Intelligent Steel Applications (ISA) -yhteishanke tavoittelee 15 prosentin päästövähennystä tietyissä sovelluksissa. ISA pyrkii kestävään terästeknologiaan mm. erikoislujien terästen avulla.
  • ISA:ssa ovat mukana Oulun yliopisto, Tampereen yliopisto, Aalto- ja LUT-yliopisto sekä VTT ja yhdeksän suomalaisyritystä.

Teksti: Jarno Mällinen

Kuvat: Juha Sarkkinen

Viimeksi päivitetty: 22.1.2020