Megan Kendall, myfyriwr EngD Defnyddiau a Gweithgynhyrchu, a Dr Hollie Cockings, Uwch-ddarlithydd mewn Meteleg, sy’n trafod tirwedd y diwydiant dur yng Nghymru a sut mae eu hymchwil ym Mhrifysgol Abertawe yn cyfrannu ato.
Mae’r diwydiant dur yn wynebu’r un argyfwng â gweddill y byd: argyfwng hinsawdd. Yng Nghymru, gweithfeydd dur yw’r cyfranwyr mwyaf at allyriadau carbon. Serch hynny, mae’r diwydiant yn cyfrannu cymaint yn economaidd. TATA yw cynhyrchwr mwyaf y sector yng Nghymru ac amcangyfrifwyd bod ganddo effaith economaidd cyfan blynyddol o £3.2 biliwn gan gyflogi tua 10,000 o bobl. Mae rôl dur mor bwysig fel ei fod yn cynnal bron â bod pob agwedd o’n bywyd cyfoes, gyda’r Deyrnas Unedig (DU) yn defnyddio dros 8 miliwn tunnell o gynnyrch dur yn 2019. Hefyd, bydd dur yn chwarae rhan annatod mewn cynlluniau uchelgeisiol Llywodraethau Cymru i sicrhau rhwydwaith ynni glân a chynaliadwy e.e. datblygiad gwynt alltraeth.
Her Cen Ocsid
Mae’r diwydiant dur yn amrywiol a chymhleth. Yng Nghymru, yn ogystal â safle Port Talbot sy’n cynhyrchu slabiau a stribedi, mae yna ganghennau eraill ar draws y wlad sy’n cynhyrchu dur pecynnu, modurol, trydanol, a dur wedi’i alfanu. Gydag amrywiaeth mor eang o gynnyrch, gellir disgwyl dewis eang o brosesau gweithgynhyrchu. Ond mae un peth yn gyffredin gan y mwyafrif o’r prosesau – tymheredd uchel.
Metel aloi yw dur (defnydd a wneir o fwy nag un metel) ac mae metelau’n gryf, hyblyg, a hydwyth, yn enwedig mewn amgylchiadau eithafol (fel tyrbinau gwynt alltraeth dan wyntoedd cryfion a chyflym, tymheredd isel, a halwynedd uchel). Serch hynny, er mwyn newid siâp, nodweddion, neu ymddangosiad dur, rhaid ei wthio y tu hwnt i’w gyfyngiadau gan ei dwymo at dymheredd uchel iawn. Gelwir y dechneg hon yn ‘driniaeth cynhesu’ ac mae’n caniatáu i’r gronynnau dur newid safle, siâp, neu faint ac yna newid nodweddion y defnydd cyfan. Yn ogystal â thymheredd, bydd yr adwaith hylosgi rhwng aer a’r tanwydd (nwy fel arfer) yn magu atmosffer eithafol o gemegion ymosodol.Mae’r cyfuniad o wres a rhywogaethau ymosodol yn creu’r amgylchedd perffaith ar gyfer adwaith ocsideiddio rhwng ocsigen a dur sy’n ffurfio haen weladwy o haearn (prif ansoddyn dur) ocsid (‘cen’) ar arwyneb y dur. Enghraifft debyg o adwaith annymunol o’r fath byddai’r broses rhydu, ond mae cen yn wahanol yn gemegol i rwd ac yn ffurfio’n gyflymach.
Mae cen yn effeithio’n negyddol ar gynnyrch dur mewn sawl ffordd. Un broblem fawr yw gallu’r gwahaniaeth thermol y dur a chen i darfu ar effeithlonedd y ffwrnais. Gan fod y cen yn allyrru a dargludo llai o wres na’r dur, ni fydd y dur yn derbyn yr holl wres sydd ar gael a bydd rhaid defnyddio mwy o danwydd i gynhesu’r dur i’w dymheredd targed. Dyma ganlyniad annymunol i’r cwmni a’r amgylchedd. Hefyd, gall camau prosesu thermofecanyddol, lle bydd y dur a chen yn anffurfio dan ddiriant, effeithio ar gyflwr a pherfformiad cynnyrch. Bydd diffygion yn ymddangos sy’n arwain at fethiannau cynamserol, colled defnydd, ymddangosiad arwyneb anghyson, ac anfodlondeb cwsmeriaid.
Byddai’n ddelfrydol deall ymddygiad y cen digon i’w reoli ond mae’r broses ocsideiddio mor gymhleth â’r broses weithgynhyrchu dur gan ddibynnu ar ffactorau niferus megis cyfansoddiad cemegol y dur, cylchred thermol, amgylchiadau atmosfferig y ffwrnais, cyflwr arwynebol cychwynnol, a rhyngweithiadau mecanyddol ag offer gweithgynhyrchu.
Sut mae ymdrin â her cen ocsid?
Mae astudiaethau ocsideiddio dur yn ganolbwynt i ymchwil peirianneg defnyddiau ym Mhrifysgol Abertawe, gan gydweithio’n uniongyrchol â diwydiant. Wrth gyfuno technegau megis ffyrdd cynhyrchu newydd, arbrofion ail-greu ocsideiddio, efelychu ocsideiddio cyfrifiadurol, a modelu arwyneb, gellir datrys problemau diwydiannol a galluogi ymchwil sylfaenol ar yr un pryd.
Manteisio ar Dechnoleg Newydd
Technoleg Gweithgynhyrchu
Mae ymchwil Prosperity Partnership yn archwilio effeithiau ocsideiddio gan fanteisio ar dechnoleg gweithgynhyrchu newydd argraffu 3D (‘rapid alloy prototyping (RAP)’). Mae RAP yn caniatáu i aloion fel dur gael eu cynhyrchu ar raddfa lai (200g yn hytrach na 300t) gan arbed arian, allyriadau CO2, amser, a defnyddiau sylfaenol. Gan gynhyrchu maint bach o ddur, gellir archwilio newidiadau bach o ran cyfansoddiad, amser, tymheredd, trefn rolio, ac awyrgylch ffwrnais. Y gobaith yw y bydd dealltwriaeth ddyfnach o’r ffactorau pwysig hyn yn cyflymu arloesedd wrth ddatblygu cynnyrch ‘cenhedlaeth nesaf’ newydd.
Yn benodol, mae’r rhaglen ymchwil hon yn edrych ar ddangos y galluoedd newydd hyn ar gyfer gradd dur modurol (DP800) a ddatblygwyd i wella effeithlonedd cerbydau trwy leihau pwysau. Yn ogystal ag archwilio effaith paramedrau prosesu, mae angen cynyddol i ddeall effaith ‘elfennau sbaryn’ (meintiau bach o fetel yn y dur sydd ddim yn haearn) ar ocsideiddio, ymysg problemau gweithgynhyrchu eraill, a fydd yn fwy perthnasol wrth i’r byd symud tuag at Economi Cylchol trwy ailgylchu dur sgrap. Bydd angen parhau i sicrhau cynnyrch dur o ansawdd a bydd dealltwriaeth o’r ffactorau sy’n effeithio ar ocsideiddio yn hanfodol yn sgil hyn.
Technoleg Gyfrifiadurol
Mae ymchwil yn Abertawe hefyd yn canolbwyntio ar gynnyrch dur penodol: tiwbiau dur trawsgludo. Mae’r tiwbiau yn symud sylweddau megis dŵr, tanwydd, a stêm dan dymereddau neu wasgeddau sylweddol. I greu tiwb cryf, gwydn, ac sy’n apelio’n weledol, mae’r broses weithgynhyrchu yn cynnwys ffurfio, weldio, ailgynhesu, ac ymestyn y dur. Gall cen dyfu ar hyd y llinell weithgynhyrchu, ond arsylwir y cen mwyaf trwchus ar ôl y driniaeth ailgynhesu o’r enw ‘normaleiddio’. Ar ben hynny, bydd y broses ymestyn ôl-normaleiddio, sydd yna i fwyhau hyd a lleihau trwch waliau’r tiwb, yn gwaethygu effaith y cen gan gyflymu datblygiad diffygion.
Mae corff sylweddol o waith ymchwil arbrofol yn bodoli, gan nodweddu tri agwedd pwysicaf y cen: cineteg (pa mor gyflym mae’n tyfu), morffoleg (ei siâp a nodweddion corfforol), a chyfansoddiad (pa gemegion sydd oddi ei fewn). Er bod canfyddiadau’r ymchwil hwn yn berthnasol i bob sefyllfa tyfu cen, mae cymhlethdodau o ran siâp silindrog y tiwb yn ogystal â thechneg cynhesu wahanol (trydanol yn lle cemegol) angen sylw penodol. Gall rhedeg digon o arbrofion i archwilio’r sefyllfa tiwbiau’n gynhwysfawr fod yn gostus ac araf.
Modelu cyfrifiadurol yw un ymateb posibl i gymhlethdod cynyddol gweithgynhyrchu modern. Mae gennym fwy o bŵer ac offer cyfrifiadurol nag erioed i symleiddio’r problemau peirianneg mwyaf cymhleth gan dorri systemau i lawr i rannau bach iawn a gwneud amcangyfrifon am beth sy’n digwydd yn y byd go iawn. Nod yr ymchwil presennol yw deall sefyllfa benodol tiwbiau o ran cineteg, morffoleg, a chyfansoddiad y cen gan fanteisio ar fodelu cyfrifiadurol i arbed amser ac arian.
Beth yw dyfodol dur yng Nghymru?
Mae dur yn gwneud cyfraniad diwydiannol, economaidd, a chymdeithasol at Gymru. Er hyn, mae angen i’r byd symud yn gyflym tuag at sefyllfa o ddiwydiant glân, adnewyddadwy, a chynaliadwy. Mae cyflawni hynny yn her sylweddol i’r diwydiant dur ond yn ffodus mae’r adnoddau technolegol yn bodoli sy’n cynnig cyfle i ddur fod o gymorth yn lle rhwystr i ddyfodol gwyrddach Cymru.
Porwch drwy Gwerddon Fach am lu o erthyglau tebyg i hon, neu ewch i wefan Gwerddon i ddarllen yr erthyglau ymchwil diweddaraf a’r archif o erthyglau ers 2007.
