Koksin tutkimus ja analysointimenetelmät Ruukki Metals:ssa. Olli Mattila Koksiseminaari Oulun yliopisto

Transkriptio

1

2 Koksin tutkimus ja analysointimenetelmät Ruukki Metals:ssa Olli Mattila Koksiseminaari Oulun yliopisto

3 Sisällys Yleistä koksista ja sen ominaisuuksista Koksille tulevat rasitteet Ruukilla Koksin standardilaatutestit Kokojakauma Irsid Micum CSR & CRI Kemiallinen koostumus Koksin tutkimusvälineet ja kohteet SEM Kuva-analyysi Kivihiilten koksautuvuuden tutkimusvälineet Koekoksaus, dilataatio, Fluiditeetti, FSI, GrayKing, Hardgrove, petrografia Eri koksijakeiden hyödyntäminen Yhteenveto 3

4 Yleistä koksista ja sen ominaisuuksista Koksi ja sen ominaisuudet optimoidaan Käyttökohteessa merkityksellisten rasitteiden ja Käyttökohteeseen kuljettamisen aikana kohdistuvien rasitteiden kompromissina Kuljetuksen aikaiset laatupoikkeamat nähdään usein suoraan silmillä (hienoainekset, pölyongelmat), mutta prosessien sisäiset laatupoikkeamat hankalampia erottaa Rasitteita simuloidaan kutakin rasitetyyppiä varten kehitetyllä mittausmenetelmällä => laatutestit Testitulosten tulkinnassa tulee muistaa mitä rasitetta mikäkin testi kuvaa! Uuden tiedon kehittymisen myötä laatutestejäkin tulee aika ajoin virittää noudattamaan paremmin sen simuloimaa rasitetta! Esim:RFCS EN New characterisation tests of the coke behaviour at high temperature

5 Dry quenching 3,50 m Hand sampling 5 Koksille tulevat rasitteet -lämpöshokit ja mekaaniset rasitteet 4,00 m 5,00 m Shaker 3,00 m 2,50 m Kuljetusten aiheuttamat rasitetyypit: Automatic sampling Coke Plant H60 (1200 m) Iskumaiset Kappalekoko Hiertävät Hienoaines Kuva: O.Kerkkonen 2006 Koksi putoaa: 37.5 m H3 3,70 m 2,50 m ,50 m BF 1 Coke Silo Shaker H61 (110 m) 2,00 m + 4,00 m 44 (55 m) Hand sampling 2,00 m 32A Uunin tyhjennyksen ja sammutuksen aiheuttamat rasitteet: Lämpöshokki Säröjä Palaminen Hävikkiä 4,20 m 32 (35 m) 2,00 m Kuva: Koksaamon esittelymateriaali

6 Koksille tulevat rasitteet Kuljetuksen aiheuttamat mekaaniset rasitteet merkittäviä myös muualla Taulukko: Research Report #693300/0060/RR/07 6

7 Koksille tulevat rasitteet Seurauksena kuljetusten aiheuttamasta rasitteesta mm. hienoaineksen määrän kasvu loppukäyttökohteessa Irsid 10 Laatutesti Masuuneilla seulottu hienoaines Kuva: O.Kerkkonen

8 Koksille tulevat rasitteet loppukäyttökohteessa Case: Masuuni Masuuni prosessina tarjoaa uniikkeja rasitteita, joita koksin täytyy kestää riittävästi Lähtötila Masuunista läpitullut koksi Kuva: Hearth efficinecy Final report Kuva: McMaster

9 Koksin standardilaatutestit - Kokojakauma Tuotetun koksin kokojakaumaa mitataan säännöllisesti Pellettiajon myötä keskusteluissa on ollut kokojakauman ja keskimääräisen kappalekoon vaikutus pellettien ja koksien sekoittumistaipumukseen. Laatuvaatimukset eivät ole vakioita Kappalekokojakaumissa eroja pellettimasuunien kesken mm FNSteel Kuva: Ruukki esittelymateriaali 9

10 Koksin standardilaatutestit - Kokojakauma Esimerkki koksin kokojakaumasta Koksin kappalekokojakauma Määrä [%] Kappalekoko [mm] 10

11 Koksin standardilaatutestit - Irsid & Micum indeksit (ISO ) 11 Irsid ja Micum testillä mitataan koksin kylmälujuutta (ts kuljetus- ja käsittelykestävyyttä) Hienoaines (alle 10 mm kuvaa kappaleiden hiertymisen kestoa Yli 40 mm kuvaa kappaleiden särörakennetta Rumpua pyöritetään Micum testissä 100 ja Irsid testissä 500 kertaa. Jonka jälkeen näyte seulotaan. Indeksit I10 ja M10 = 10 mm seulan alitteen määrä-% Indeksit I40 ja M40 = 40 mm seulan ylitteen määrä-% Testiin valitaan näyte tuotantoa edustavasti (kokojakauma) Lähtökohtaisesti erilaisen kokojakauman omaavat koksit tuottavat erilaisen tuloksen vaikka koksissa itsessään ei olisi mitään eroa!!

12 Koksin standardilaatutestit - Irsid & Micum johdannainen stabiilisuustesti Periaate sama, kuin rumputestillä, mutta jatketaan pidemmälle seuloen aina välillä. Tuloksena saadaan mm. stabiilisuusarvo joka kuvaa säröttömän koksikappaleen keskimääräistä kappalekokoa (leikkauskohta y-akselilla) suhteessa tuotetun koksin keskimääräiseen kappalekokoon Mean Coke Size^-2*10-4 Kuva: Research Report #693300/0060/RR/ Number of Revolutions 12

13 Koksin standardilaatutestit - CSR & CRI (ASTM D ) Approksimoi masuunin kuilussa koksiin kohdistuvaa kemiallista ja mekaanista rasitetta. 1. Koksia murskataan ja seulotaan - 22, mm testiin 200g 2. Uunin lämpötila 1100 C 3. Kaasutus 100% CO2 & 120 min & 5l/min 4. Kaasuuntunut massa-% = CRI 13

14 Koksin standardilaatutestit - CSR & CRI (ASTM D ).. Approksimoi masuunin kuilussa koksiin kohdistuvaa kemiallista ja mekaanista rasitetta. 1. Kaasutuksesta saatu näyte laitetaan sylinteriin pyöräytystä 30 minuutissa 3. Seulonta 9,5mm seulalla 4. 9,5 mm ylitteen %-osuus kaasutuksen jälkeisestä massasta = CSR Samanaikaista kaasutusta ja rummutusta tutkittu mm. Esim:RFCS EN

15 Koksin standardilaatutestit - Kemiallinen koostumus Koksin kemiallinen koostumus jatkuvassa seurannassa Räätälöity raudan- ja teräksenvalmistuksen tarpeisiin Kemiallinen koostumus luonnollisesti peräisin kivihiilten koostumuksesta Seurattavia asioita mm. Tuhkapitoisuus => yleinen lämpöarvo, kuonanmuodostus Haihtuvapitoisuus => riittävä koksausaika, lämpöjakauma Masuunille kriittiset aineet S, alkalit, SiO2 jne.. => kiertokuormat Teräksenvalmistusketjussa tärkeät laatuun vaikuttavat alkuaineet Cr, V, P, => koostumustähtäys 15

16 Koksin standardilaatutestit - Kemiallinen koostumus.. Esimerkki tuotannon seuraamista analyyseistä Koksilla on mitattujen ominaisuuksien lisäksi ääretön määrä muita ominaisuuksia, joiden merkitys muissa kohteissa on teräksenvalmistusta suurempi esim. Sisäiset ominaisuudet: sähkönjohtavuus, mikrohuokoisuus tuhkajakauma, haihtuvapitoisuus jne Ulkoiset ominaisuudet: bulkkitiheys, muoto, vierintäkulma jne. 16

17 Koksin tutkimusvälineet ja kohteet Pääpaino koksitutkimuksessa on evaluoida sen toimintaa masuunissa joko Selvittämällä koksin käyttäytymisen parannusmahdollisuuksia raakaainevalinnoilla (kivihiilet) tai Selvittämällä muuttuvan raaka-ainepohjan mahdollisia haittaavia vaikutuksia sen käyttäytymiseen prosessissa. Näitä voidaan selvittää mittaamalla koksia standardilaatutestein ja/tai seuraamalla prosessin vastetta muutokselle. Kuva: Horna hormikaira - Ruukki Metals 17

18 Koksin tutkimusvälineet - SEM Kemialliset analyysit joko pistemäisistä kohteista tai alueista Mahdollistaa koksin lähtömineraalien muuttumispolun määrittämisen prosessissa Mineraalit hiilimatriisin ympäröimiä -> lämpötila ja aika määräävät muutokset Masuunissa koostumusta muuttavat myös kiertävät komponentit Kuona/metallitunkeuma Kuva: Hearth efficiency 18

19 Koksin tutkimusvälineet - Kuva-analyysi Edellyttää pintahiettä ja soveltuvaa mikroskooppia Polarisaattori, analysaattori Lambda-levy Kuvasta saatavaa tietoa on mm. huokoisuus, huokosmuodot tekstuurit, inerttien jakauma ja kiinnipysyvyys, Särörakenne Koksin sisäinen reagointi Tuhkan sulaminen 19

20 Kivihiilten koksautuvuuden tutkimusvälineet Erottamaton osa koksintutkimusta miten kivihiilten eri ominaisuudet vaikuttavat valmistettavan koksin ominaisuuksiin niiden koksautuvuuden kautta Eri kivihiilten sekoittaminen sopivassa suhteessa on oma tieteensä johon tässä ei tarkemmin syvennytä. Mahdollistanut siirtymisen yksittäisestä koksautuvasta kivihiilestä halvempien yhdessä toistensa kanssa koksautuvien hiilten käyttöön Hiilivetyjen kulkeutuminen koksauksessa Vesihöyryn kulkeutuminen koksauksessa Kuva: P.Arendt

21 Kivihiilten koksautuvuuden tutkimusvälineet Kivihiilten koksautuvuutta mitataan useilla toisiaan tukevilla menetelmillä Koekoksaus, dilataatio, Fluiditeetti, FSI, GrayKing, Hardgrove, petrografia, raekokojakauma Antaa tietoa kuinka hyvin ja missä lämpötilassa eri kivihiililaadut plastisoituvat, tarttuvat toisiinsa ja jähmettyvät Tekniset mittaukset: kosteus, haihtuvat aineet, tuhka- ja hiilipitoisuus sekä kemialliset määritykset tuhkakomponenteista, raskasmetalleista yms. Vaikuttavat prosessiketjun myöhempiin osiin ja Koksin valmistettavuuteen (koksauspaine yms) Kuva: Ruukki esittelymateriaali 21 Kuva: Mattila -05 Kuva: Kashiwaya -91 Kuva: Rouzaud -94

22 Kivihiilten koksautuvuuden tutkimusvälineet Koekoksaus 7kg panos, 8% kosteus Uunin asetuslämpö 1100C Panostuslämpö 800C Purkulämpö 1010C Sammutus N2 Kehitetty laatuindeksi SOK = Sauli-Olavi-Kari Koeuunin dimensiot ja koksausajat poikkeavat tuotantouunista => eroavaisuus normaaleissa laatuindekseissä Kuva: Ruukki esittelymateriaali 22

23 Kivihiilten koksautuvuuden tutkimusvälineet Dilataatio ISO 349:1975, ISO 8264:1989(E) ja DIN Mitataan tietyllä paineella kuormitetun hiilipuristeen pituuden muutosta lämpötilan funktiona jatkuvassa kuumennuksessa kontrolloiduissa olosuhteissa. => DT1 (=pehmenemislämpötila), DT2 (=kutistuman maksimi lämpötila), DT3 (=laajentuman eli dilataation maksimi lämpötila), CON (kutistumaprosentti) ja DIL (dilataation maksimi prosentti). Fluiditeetti ASTM Mitataan vakiovääntömomentin omaavan sekoittimen pyörimisnopeutta lämmitettäessä kivihiiliseosta vakionopeudella => Max rpm, pyörimisen alkamis- ja loppumislämpötilat Kuva: Ruukki esittelymateriaali 23

24 Kivihiilten koksautuvuuden tutkimusvälineet FSI (free swelling index) ISO , DIN Mittaus tapahtuu kuumentamalla näyte nopeasti 820 ± 5 C lämpötilaan suljetussa upokkaassa. Tällöin koksautuva hiili tulee plastiseksi ja paisuu. Paisumisluvun arvo (0-9) määritetään vertaamalla syntyneen koksausjäännöksen profii-lia standardiprofiileihin. GrayKing ISA Hiilinäyte kuumennetaan hitaasti, 5 C/min, aloituslämpötilasta 325 C loppulämpötilaan 600 C. Muodostunut koksikakku arvostellaan visuaalisesti ja kokeellisesti. Jos hiili on voimakkaasti paisuva ja täyttää koko retortti-putken, määritys uusitaan seoksella, johon on lisätty tietty grammamäärä standardi -elektrodihiiltä. Näillä hiilillä GRAY-KING -tyyppi määritetään tarvittavan pienimmän elektrodihiilimäärän mukaan, jolla aikaansaadaan standardikoksi G. 24

25 Kivihiilten koksautuvuuden tutkimusvälineet Hardgrove ISO Testissä vertaillaan raekokojakautumaa, joka saadaan murs-kaamalla tietty määrä testattavaa kivihiiltä standardilait-teessa raekokojakautumaan, joka on saatu murskaamalla tunnettuja kalibrointihiiliä samoissa olosuhteissa samassa laitteessa. => mahdollistaa jauhatuslinjan valinnan hiililaatujen mukaan jos se tuotannossa muutoin on mahdollista Petrografia kivihiilen mikroskooppisen rakenteen analysointia valomikroskoopilla Luokittelu heijastuskyvyn mukaan vitriniitit, liptiniitit, inertiniitit Peräisin eri osista kasveja omaavat erilaiset koksautumisominaisuudet Kuva: Ruukki esittelymateriaali 25

26 Eri koksijakeiden hyödyntäminen Koksaamon sivutuotteet Masuunin käyttämän priimakoksin lisäksi syntyy jakeita seulonnoista ja karisteista Osa sivujakeista voidaan hyödyntää masuunissa, mutta osaa ei. 26

27 Eri koksijakeiden hyödyntäminen Kohde: Senkkojen lämmitys Laatuvaatimus: tasakokoinen, ilmassa palava Hiiliseostus Sintraamo Vedytön (kuiva), rautaan liukeneva, pieni tuhkapitoisuus Palaa ilma-atmosfäärissä, raekoko pieni(vakio), haihtuvaainespitoisuus kontrolloitu Uudet käyttömahdollisuudet Kuivia tasalaatuisia jakeita puolikoksia muutama perusjae 27

28 Yhteenveto Koksin tutkimus- ja analysointimenetelmät: - Painottuneet Ruukilla omien tarpeiden mukaan - Masuunin ominaisuusvaatimukset - Käsittelyiden asettamat vaatimukset - Valmistettavuuden asettamat vaatimukset - Testit ja mitattavat laatuarvot simuloivat raudanvalmistuksessa tulevia rasitteita. - Jokaiselle käyttökohteelle määrättävä omat kriittiset ominaisuudet, jonka koksi/hiili tulee täyttää Testit räätälöitävä käyttökohteen tarpeita simuloiviksi! 28