Miljøprojekt, 1039 – Mapping and development of alternatives to chlorinated lubricants in the metal industry (KLORPARAFRI)

Mapping and development of alternatives to chlorinated lubricants in the metal industry (KLORPARAFRI)

Sammenfatning og konklusioner

Baggrund

Mellemkædede klorparaffiner bruges i betydelige mængder som højtryksadditiver i smøremidler til metalbearbejdning. Klorparaffiner er persistente og bioakkumulerende stoffer. De forekommer vidt spredt i det eksterne miljø og økosystemer, herunder i fødevarer og mennesker. Stofferne er giftige for organismer, der lever i vand og kan medføre skadelige effekter på menneskers sundhed. EU-kommissionen har gennemført en miljø- og sundhedsmæssig risikovurdering af kortkædede klorparaffiner, mens en risikovurdering af mellemkædede klorparaffiner er under udarbejdelse. Kort-, mellem- og langkædede klorparaffiner er opført på Listen over uønskede stoffer 2004 fra Miljøstyrelsen idet stoffernes anvendelse anses for at være sundheds- og miljømæssigt betænkelig.

Indenfor de seneste 10 år er der blevet gennemført en række projekter i den danske metalindustri med det formål at finde alternativer til klorerede smøremidler til metalbearbejdning. Det har ført til en væsentlig reduktion i brugen af klorerede smøremidler hos større danske virksomheder i metalindustrien. Klorerede smøremidler til brug ved skærende operationer såsom fræsning, gevindskæring og boring er gradvist blevet fuldstændig substitueret. Ved ikke-skærende operationer, især krævende processer som formgivning af rustfrit stål og titanium, bruges klorerede smøremidler dog stadig i vidt omfang. Dette skyldes, at der i dag ikke findes teknisk tilfredsstillende alternativer. Samtidig er der et voksende behov for smøremidler til brug under meget krævende produktionsforhold på grund af krav om materiale- og energibesparelser, øget produktivitet og forbedret kvalitet.

Formål

Det overordnede formål med projektet ”Kortlægning og udvikling af alternativer til mellemkædede klorparaffiner i smøremidler i metalindustrien (KLORPARAFRI)” er at fremme substitutionen af klorerede smøremidler til metalbearbejdning. Projektets fokus er på alternative smøresystemer til krævende spånløs metalbearbejdning herunder dybtrækning, stansning og ekstrudering i rustfrit stål og titanium, hvor brugen af klorerede smøremidler stadigvæk fastholdes. Projektets specifikke formål er at kortlægge eksisterende alternative ikke-klorerede smøremidler til krævende spånløs metalbearbejdning, at teste udvalgte alternative smøremidlers smøreevne, at vurdere alternative smøremidlers miljø- og sundhedsmæssige egenskaber samt, hvis muligt, at produktionsmodne lovende smøremiddelalternativer.

Kortlægning af ikke-klorerede smøresystemer

Der er sket en kortlægning af eksisterende ikke-klorerede smøresystemer til krævende spånløs metalbearbejdning ved kontakt til internationale leverandører af smøremidler, både store virksomheder og mindre, højt specialiserede firmaer. Omkring 50 smøresystemer er blevet foreslået som alternativer til specificerede spånløse metalbearbejdningsoperationer.

Tre typer smøresystemer er blevet kortlagt i dette projekt. Den dominerende type er traditionelle oliebaserede våd-smøremidler tilsat højtryksadditiver. Klorerede smøremidler er normalt af denne type. Våd-smøremidler påføres metaloverfladen uden nogen form for tørring forud for bearbejdningsprocessen.

En anden type alternative smøremidler er de såkaldte tør-smøremidler, som også påføres metaloverfladen, men de kræver en tørring forud for bearbejdningsprocessen. Tør-smøremidler er vandbaserede emulsioner og kan indeholde polymerer. Højtryksadditiverne i ikke-klorerede våd- og tør-smøremidler er typisk kombinationer af svovl og/eller fosforforbindelser. Nogle ikke-klorerede smøremidler kan indeholde uorganiske forbindelser som højtryksadditiver.

Mens de ovennævnte våd- og tør-smøresystemer indbefatter et enkelt smørelag på metaloverfladen, er en tredje type smøresystem blevet kortlagt, som omfatter to smørelag på metaloverfladen: Et bærelag og et smørelag. Før påføringen af et smøremiddel påføres metaloverfladen et bærelag ved en fosfatering eller oxalatering af metaloverfladen. Smøremidlet, som herefter påføres på bærelaget, kan være enten et våd- eller et tør-smøremiddel, som nævnt ovenfor, eller det kan være sæber.

Kortlægning af ikke-klorerede smøremidler til krævende spånløs metalbearbejdning har vist, at substitution af klorparaffiner i smøremidler til spånløs metalbearbejdning forudsætter en fuldstændig reformulering af smøremidlet. Det er ikke muligt at substituere klorparaffinen i smøremidler med et enkelt komponent. Som oftest bliver smøremidlets sammensætning væsentligt mere kompleks end de traditionelle klorerede smøremidler.

Teknisk afprøvning af ikke-klorerede smøresystemer

Smøreevnen af 19 af de foreslåede ikke-klorerede smøremidler er testet i simulerings- og procestekniske prøver udviklet af Danmarks Tekniske Universitet (DTU). Fire af smøremidlerne viste lovende smøreegenskaber i disse test og blev efterfølgende afprøvet i en fuld produktionstest hos Danfoss A/S. Her viste ingen af de fire smøremidler tilstrækkelige smøreegenskaber. Produktionstesten omfattede en fler-trins pladebearbejdning af et emne rustfrit stål herunder dybtræknings-, stansnings- og ekstruderingsprocesser.

Ikke alle de foreslåede smøresystemer er blevet teknisk testet i dette projekt. Dette skyldes enten, at smøremidlerne ikke overholdt de tekniske eller sundheds- og miljømæssige kriterier, som blev fastsat i projektet, eller at smøremidlernes krav til påføring ikke kunne opfyldes i testsystemet. De sidstnævnte inkluderer smøresystemer, som forudsætter en indledende fosfatering eller oxalatering af metaloverfladen forud for testen.

Sundheds- og miljøvurdering af ikke-klorerede smøremidler

Der er gennemført en sundheds- og miljøvurdering af udvalgte komponenter, som typisk forekommer i ikke-klorerede smøremidler. Dette med henblik på at få en vurdering af de iboende sundheds- og miljømæssige egenskaber af ikke-klorerede smøremiddelkomponenter samt at få et overblik over mængden og kvaliteten af data for stofferne.

Da der ved substitution af klorparaffiner i smøremidler normalt sker en fuldstændig reformulering af smøremidlet, blev det vurderet i projektet, at den bedste referenceramme til sammenligning af sundheds- og miljømæssige egenskaber af henholdsvis klorerede og ikke-klorerede smøremidler er en sammenligning af totale smøremidler. Derfor har sundheds- og miljøvurderingen af smøremiddelkomponenterne omfattet ikke bare komponenter med en primær funktion som højtryksadditiver, men også komponenter med en funktion som eksempelvis smøreforbedrende additiv.

Resultatet af sundheds- og miljøvurderingen af ikke-klorerede smøremidler viser, at specielt højtryksadditiverne alkylsulphider (polysulphider) og fosforforbindelser inkluderer stoffer med uønskede sundheds- og miljøeffekter. Resultatet viser også, at substitution af klorerede smøremidler til krævende spånløs metalbearbejdning indebærer et skift fra en rimelig dataplatform vedrørende potentielle sundheds- og miljømæssige effekter til en væsentlig ringere dataplatform.

En screening af de samlede sundheds- og miljøeffekter af ikke-klorerede smøremidler er gennemført for 14 af de 19 produkter, som blev testet i simulerings- og procestekniske test. Dette med henblik på at få et overblik smøremidlernes sundheds- og miljømæssige egenskaber på et screeningsniveau, samt at identificere og eventuelt frasortere smøremidler med umiddelbart uønskede sundheds- og miljømæssige egenskaber før en produktionstest.

Resultatet af screeningen, baseret på sparsomme tilgængelige data, er, at ikke-klorerede smøremidler tilsyneladende er bedre smøremidler i miljø- og sundhedsmæssig henseende end klorerede smøremidler. Dog indeholder nogle af de foreslåede smøremidler potentielt allergifremkaldende komponenter. Samtidig indeholder flere af smøremidlerne stoffer, som er potentielt ligeså miljøskadelige som klorparaffiner. Dog forekommer stofferne i væsentlig lavere koncentrationer end klorparaffiner i klorerede smøremidler.

Flere af de foreslåede smøremidler indeholder stoffer, hvor der ikke er fundet data, eller kun meget få data, om potentielle sundheds- og miljøeffekter.

Der er gennemført worst-case eksponeringsvurderinger og risikokarakterisering i arbejdsmiljøet på et screeningsniveau for to polysulphider og to fosforforbindelser, som vurderes at repræsentere de mest kritiske stofgrupper i ikke-klorerede smøremidler med hensyn til sundheds- og miljøeffekter. Resultatet af denne vurdering indikerer, at worst-case hudeksponering eller indånding af dampe kan medføre en risiko for uønskede effekter på helbredet. Risikoen for uønskede effekter på helbredet ved hudeksponering kan dog forholdsvis let minimeres ved brug af personlige værnemidler, specielt handsker.

Diskussion og konklusion

Fire ikke-klorerede smøremidler har udvist lovende smøreegenskaber i en indledende simuleringstest og en procesteknisk test, som omfatter dybtrækning og stansning i rustfrit stål. Ingen af de fire smøremidler viste dog tilfredsstillende smørende egenskaber i en fuld produktionstest, som omfatter en flertrins pladebearbejdning af et emne rustfrit stål, herunder dybtrækning, ekstrudering og stansning. Det var, under de givne testforhold, således ikke muligt at identificere ikke-klorerede smøremidler, som kan erstattet klorerede smøremidler i fuld produktion ved krævende flertrins pladebearbejdning i rustfrit stål.

Produktion af emner i metalindustrien omfatter meget ofte flertrins operationer, herunder forskellige typer af operationer som i den fulde produktionstest. Kravene til et smøremiddels smørende egenskaber kan dog variere en del i forskellige spånløse metalbearbejdningsprocesser. Det vides, at der findes ikke-klorerende smøresystemer, som fungerer med tilfredsstillende smøreegenskaber i individuelle bearbejdningsprocesser. Disse smøremidlers begrænsning er dog, at de er udviklet til en speciel bearbejdningsproces og ofte endog til en speciel kunde. Derfor fungerer disse smøremidler kun under begrænsede produktionsforhold.

Ikke alle alternative smøresystemer, som er foreslået, er teknisk testede i projektet. Det skyldes i nogle tilfælde, at smøremidlernes krav til påføring ikke kunne opfyldes under projektets tekniske testforhold. Danfoss A/S har tidligere udviklet et smøresystem – Extreme Pressure Lubricant System (EPL) – til massiv formgivning af rustfrit stål. Massiv formgivning stiller store krav til smøremidlers smøreegenskaber på grund høje plastiske deformeringsforhold med store energifrigivelser. EPL-systemet er et to-lags smøresystem, som består af et bærelag og et smøremiddel. Den nye teknologi i systemet er påføring af et fosforbærelag på rustfrit stål. En almindelig sæbe påføres derefter på metaloverfladen som smøremiddel. EPL-teknikken har vist gode resultater i produktionsforsøg på Danfoss A/S ved fremstilling af bælgrør i rustfrit stål. Danfoss A/S har af økonomiske årsager ikke implementeret EPL metoden som standardteknik i deres produktion, idet deres produktion vurderes at være for lille til at etablere det nødvendige produktionsudstyr. En markedsundersøgelse af salg af fosfateret rustfrit stål viste en overraskende lav interesse.

Der kan således være teknisk tilfredsstillende alternativer til klorerede smøremidler i krævende bearbejdningsprocesser i rustfrit stål, men de involverer store omkostninger på grund af store investeringer i produktionsudstyr.

Samtidig er klorerede smøremidler multi-funktionelle og kan med stor succes anvendes i de fleste spånløse metalbearbejdningsprocesser. De har veldokumenterede smøreegenskaber og er billige.

Sundheds- og miljøvurderingen af komponenter i ikke-klorerede smøremidler og screeningen af foreslåede alternative smøremidler viser, at ikke-klorerede smøremidler tilsyneladende har forbedrede iboende sundheds- og miljømæssige egenskaber. De kan dog indeholde stoffer, som er potentielt allergifremkaldende og stoffer med potentielt miljøskadelige effekter på et niveau svarende til klorerede paraffiner, dog i væsentligt lavere koncentrationer. Resultatet viser også, at substitution af klorerede smøremidler til krævende spånløs metalbearbejdning indebærer et skift fra en rimelig sundheds- og miljømæssig dataplatform til en væsentligt ringere dataplatform.

Projektets overordnede konklusion er, at yderligere udvikling af ikke-klorerede smøresystemer til krævende spånløs metalbearbejdning forestår for at opnå teknisk tilfredsstillende alternativer og samtidig forbedre de sundheds- og miljømæssige egenskaber.