Grundstof udsætter stålets udløbsdato

Det er tyndere end bagepapir, men det virker som et ugennemtrængeligt panser mod angreb udefra.

Et kun 0,05 mm tyndt lag glasur af grundstoffet tantal er efter mere end 25 års forskning blevet det tykhudede værn mod rustangreb. Et værn, der kan forlænge holdbarheden af produktionsudstyr i en lang række tunge industrisektorer.

Grundstoffet tantal er så modstandsdygtigt, at det kan holde til produktionsprocesser med stærke koncentrationer af krasse syrer i høje temperaturer. Metallet er dog tungere end bly, har ringe styrke og er dertil meget dyrt. Derfor er det generelt udsigtsløst at fremstille massivt udstyr af det ekstremt rustafvisende grundstof.

Men nu har intensiv forskning resulteret i en kommercielt tilgængelig teknologi, der sikrer, at procesudstyr som reaktorer, varmevekslere, ventiler, pumpetermometre, samlinger og trykmålere kan belægges fuldstændigt med et ultratyndt lag tantal.

Gennem flere danske og internationale forskningsprojekter har forskere fra DTU og virksomheden Danfoss båret udviklingen så langt frem, at teknologien blev kommercialiseret tilbage i midten af 00’erne af Danfoss og efterfølgende blev udskilt i firmaet Tantaline i 2007. Siden har Tantaline etableret sig med produktion i Sønderjylland og en salgsafdeling i USA. Og i dag har virksomheden store kunder inden for blandt andet den kemiske industri, medicinalindustrien og den petrokemiske industri, der alle er kendetegnede ved at arbejde med aggressive processer, som kan være barske ved produktionsudstyret. I den slags industrier kan levetider for udsatte ventiler og pumper ellers være få måneder eller endda uger.

Ph.d.-projekt ligger bag

Udviklingschef i virksomheden, kemiingeniør Søren Eriksen har været med siden han som studerende på DTU i midten af 90’erne kastede sit vordende forskerblik på det bestandige grundstof. Han skrev en ph.d.-afhandling om en metode til udfældning af tantalen ved hjælp af den kemiske proces, der hedder Chemical Vapour Deposition (CVD). Afhandlingen handlede populært sagt om, hvordan et emne kunne belægges med et tyndt lag tantal ved at blæse en tantalholdig gasblanding mod emnet ved 850 grader C. Metoden var et afgørende skridt på vejen mod den praktiske kommercielle anvendelse, fordi den sikrer et ensartet overfladelag af tantal overalt på emnet, uanset om det har en kringlet form og overflade som for eksempel en ventil eller en trykmåler. ”Fordelene ved tantal er længere levetid, et større procesvindue at arbejde i for virksomhederne samt mindre opsyn og vedligeholdelse. Kombinationen af stål og tantal er optimal, fordi stålet giver styrken og tantalen holdbarheden gennem beskyttelse mod korrosion. Selvom emnerne kun påføres et meget tyndt lag tantal, binder tantalen sig så stærkt til stålet, at det svarer til en beskyttelse som massiv tantal,” siger Søren Eriksen.

Drømmen om vidunderventilen

Ifølge udviklingschefen var en gammel drøm medvirkende til, at Danfoss fattede interesse for forskningen i det korrosionshæmmende grundstof. ”Arbejdet med tantalbeskyttelse har delvist sin baggrund i en vision på Danfoss om at producere vidunderventilen, der ikke var til at slide eller æde op. Den drøm blev dog droppet, men arbejdet med rustbeskyttelses-teknologien fik ny vind i sejlene, da den amerikanske industrikoncern General Atomics henvendte sig til os i 2005,” siger Søren Eriksen.

”En forsker fra virksomheden, Ben Russ, ville lave forsøg med at producere brint ved hjælp af den såkaldte svovljod- cyklus, hvor aggressive kemikalier som jod opløst i svovlsyre og fosforsyre ved 120-270 grader C indgår i en særlig proces. Men forsøgene løb ustandselig ind i en mur, fordi procesudstyr blev ædt op i løbet af få dage, selvom der blev anvendt nikkellegeringer, som er langt mere bestandige end rustfrit stål. Vi løste problemet ved at udvikle kugleventiler og rørsamlinger i tæt samarbejde med kunden. General Atomics byggede deres testudstyr af 40 tantalbehandlede ventiler og tyndvæggede tantalrør forbundet med flere hundrede tantalbehandlede samlinger og forgreninger og fik gennemført deres forsøg. Vi kunne høste nyttige erfaringer fra forsøget, der foregik under ekstreme forhold og fik samtidig udviklet nogle nye produkter, som igen krævede udvikling af nye fremstillingsprocesser,” siger Søren Eriksen.

Lang vej til kommercialisering

Vejen fra litteraturstudier og universitetets laboratorier til en voksende industrivirksomhed med knap en snes ansatte har været lang, trang og i et vist omfang præget af vildspor. Undervejs har samarbejdet om teknologien mellem DTU og Danfoss dog været tålmodigt fastholdt af Hans Jørgen Pedersen og John Christensen fra virksomhedens udviklingsafdeling samt forskere fra DTU, professor Niels Bjerrum, lektor Jens Von Barner og seniorforsker Erik Christensen, der har været DTU’s ankermand på feltet.

Om den beskyttende effekt af grundstoffet, der nu er blevet kommercielt attraktiv, siger Erik Christensen: ”Det er egentlig ikke selve tantalen, der giver den effektive beskyttelse mod korrosion, men derimod det lag af tantaloxid, der omgiver tantalen. Mekanismen er, at laget lapper sig selv med det samme, hvis der skulle gå hul på det. Det giver en beskyttelse, der er så stærk, at man kan koge beskyttede emner i saltsyre, uden der sker noget,” siger Erik Christensen. Han peger også på grundstoffets begrænsninger. ”Det er et ret blødt og ikke særlig slidstærkt materiale, og der er grænser for, hvor høj varme det kan tåle. Hvis lufttemperaturen bliver højere end 300- 350 grader C, kan det skalle af,” siger Erik Christensen.

Skulle bruges til flowmålere

DTU-forskeren tog fat på forskningen allerede i 1987, da Erik Christensen som led i et EU-forskningsprogram blev involveret i et fireårigt projekt, der fokuserede på, hvordan metaller kunne udfældes ved hjælp af en elektrolyseproces i smeltede salte, altså en anden metode end den CVD-proces, som endte med at danne grundlaget for Tantalines virksomhed. Arbejdet fortsatte med forskning under et andet EU-program, hvor målet var at udvikle metoder til i større skala at belægge en flowmåler med tantal.

”Vi kom frem til, at det kunne lade sig gøre at beskytte flowmålerne med en tantalbelægning. Men kort efter stoppede fabrikken produktionen af de flowmålere, vi havde benyttet. I stedet sendte de nye målere på markedet med et grundlæggende andet design, hvor tantalbelægning ikke var relevant. Så vi fik et fint forskningsresultat, men ikke umiddelbart udsigt til en kommerciel anvendelse på flowmålere,” fortæller Erik Christensen.

Historien gentog sig i et vist omfang, da forskerne skiftede fokus fra flowmålere til implantater. ”Vi afprøvede i dyreforsøg om tantalbelagte stålskruer til fastgørelse af stifttænder kunne være et alternativ til titanskruer. Og vi kom frem til, at tantalskruerne var lige så gode som titanskruerne, men ikke bedre. Der var med andre ord ikke den store gevinst at hente her,” siger Erik Christensen.

Tilbage til rødderne

Ifølge DTU-forskeren blev indsatsen herefter rettet tilbage mod rødderne, som er brugen af teknologien til beskyttelse af industriudstyr. Samtidig skiftede forskerne fokus fra udfældning af tantal ved hjælp af saltsmelteprocessen til den gasbaserede CVDproces, som endte med at blive den foretrukne af først det daværende Danfoss Tantalum Technologies og nu det selvstændige Tantaline, der har Vækstfonden og Danfoss blandt investorerne.

Og virksomheden er i vækst – til trods for at den kom til verden i 2007, før finanskrisen satte ind med sin lammende effekt. ”Siden starten har vi haft vækstrater på over 100 procent årligt, også gennem krisen. Vi er efterhånden kommet ind hos alle de store kemikoncerner som BASF, Dow Chemicals og Bayer. Typisk kommer vi ind med en komponent, og så spreder det sig derfra,” tilføjer vicedirektør og medstifter af Tantaline Bo Gillesberg