3. Polttoaineuunit. 3.1 Kylmäilmakupoliuunit. Raimo Keskinen Pekka Niemi - Tampereen ammattiopisto

Transkriptio

1 3. Polttoaineuunit Raimo Keskinen Pekka Niemi - Tampereen ammattiopisto 3.1 Kylmäilmakupoliuunit Kylmäilmakupoliuuni on vanhin valuraudan sulattamiseen käytetty uunityyppi. Nimitys kylmäilmakupoliuuni johtuu siitä, että uunin puhalletaan esilämmittämätöntä, siis kylmää ilmaa. Toimintaperiaate on ahjon kaltainen, koska tarvittava lämpötila saadaan kummassakin aikaan polttamalla hiiltä ilmavirrassa. Kylmäilmakupoliuuni on rakenteeltaan melko yksinkertainen. Uunin muodostaa teräslieriö, joka seisoo neljän pilarin varassa (katso viereinen kuva). Kuva. Kupoliuunin halkileikkaus Kuva. Kupoliuuni pienoiskoossa esittelyssä Raimo Keskinen, Pekka Niemi Polttoaineuunit - 1

2 Kuva. Kylmäilmakupoliuunin rakenne Lieriö on sisäpuolelta vuorattu tulenkestävällä tiilillä tai massalla. Puhallusilma johdetaan uuniin putkistoa pitkin. Ilma puhalletaan uuniin hormien kautta, jotka sijaitsevat 1 1,5 metrin korkeudella pohjasta. Kuva. Puhallusilmajärjestelmä Kuva. Kupoliuunin toimintakuva pienoismallissa Raimo Keskinen, Pekka Niemi Polttoaineuunit - 2

3 Kuva. Hormirakenne kupoliuunissa Tuleva ilma jaetaan hormeihin puhallusrenkaan eli tuulikaapin kautta, joka mahdollistaa tasaisen puhalluksen kaikista hormeista. Jotta sulatuksen kulkua voitaisiin seurata, on tuulikaapissa hormien kohdalla pienet tulenkestävällä lasilla varustetut aukaistavat tähystysluukut. Uunin yläosassa olevan panostusaukon kautta sinne panostetaan vuoroin rauta- ja koksikerroksia. Kuva. Panostusaukko ja panostusta kupoliuunissa Sulatuksen jatkuessa, koksin palaessa ja raudan sulaessa kerrokset painuvat alaspäin. Hormien yläpuolelle painuva koksikerros sulattaa aina yläpuolellaan olevan rautakerroksen. Panoksien painuessa alaspäin panostusaukosta lisätään rautaa ja koksia, jotta uuni olisi aina täynnä. Alin uunin pohjalla oleva koksikerros, pohjakoksi, ei pala, koska puhallusilman suunta on ylöspäin. Pohjakoksin tehtävänä on kannattaa yläpuolellaan olevia rauta- ja koksipanoksia siten, että palaminen tapahtuisi koko sulatuksen ajan oikealla kohdalla. Pohjakoksin tulee olla mekaanisilta ominaisuuksiltaan niin lujaa että se murskautumatta kestää sen yläpuolella olevan massan Raimo Keskinen, Pekka Niemi Polttoaineuunit - 3

4 Sulatusuunin rakenne 1.Savitulppa 2.Laskukouru 3.Hiekkakerros 4. Pohjaluukku Kuva. kaaviokuva kupoliuunin alapäästä Kuva. Halkileikkaus kupoliuunin pohjasta Hormien yläpuolella sulava rauta valuu pisaroina pohjakoksin läpi uunin pohjalle, josta se aika ajoin lasketaan pois laskureiän kautta. Laskureikä on suljettu savitulpalla, jonka sulattaja rikkoo teräväpäisellä kangella raudan laskun ajaksi. Kun valusanko on täynnä, suljetaan laskureikä työntämällä siihen pitkän tangon päässä oleva uusi savitulppa, ellei sulaa lasketa keräyssenkkaan tai etusäiliöön Sulatuksen yhteydessä muodostuu aina myös kuonaa koksin tuhkasta, palaneesta raudasta, uuniin lisättävästä kalkkikivestä ym. Kalkkikiven päätarkoitus on tehdä koksista syntyvä kuona helppojuoksuiseksi. Koska kuona on metallia kevyempää, nousee se pintaan. Kuonaa varten on raudanlaskureiän yläpuolella oma laskureikänsä. Kuva. Kuonanlasku astiaan Raimo Keskinen, Pekka Niemi Polttoaineuunit - 4

5 Sulatuksen päätyttyä saadaan uuni tyhjennettyä avaamalla sen pohjaluukku. Tällöin putoavat pohjakoksi, kuona ym. palamisjätteet pois. Jotta luukku avautuisi helposti, on uunin pohjalle vuorauksen sijasta sullottu vain hiekkakerros. Kuva. Pohjaluukun avaus Nykyisin on käytössä kylmäilmakupoliuuneja, joissa on kaksi tuulikaappia. Tällaisella ns. kaksihormirivisellä uunityypillä saadaan uunin hyötysuhde jonkin verran paranemaan. Hyötysuhteen parantuminen johtuu lähinnä siitä, että sula rauta joutuu tippumaan pitemmän matkan kuumassa palamisvyöhykkeessä ja saavuttaa korkeamman lämpötilan. Kuva. Kaksihorminen kupoliuuni Etusäiliöllisessä kupoliuunissa virtaa sula rauta ja kuona uunin kaltevaa pohjaa sekä välikanavaa pitkin tulenkestävästi vuorattuun säiliöön. (oheinen kuva) Raimo Keskinen, Pekka Niemi Polttoaineuunit - 5

6 Kuva. Etusäiliöllinen kupoliuuni Kuva. Kupoliuunin sulan laskuränni ja etusäiliö Etusäiliöön voidaan varastoida rautaa suurempia määriä kuin etusäilöttömän uunin pohjalle. Koska rauta ei saa uunista lämpöä, jäähtyy se myös nopeammin etusäiliössä, mistä on omat haittansa. Etusäiliö voi olla myös kallistettava. Sula rauta juoksee tällöin jatkuvana virtana kourua pitkin etusäiliöön, missä se tarvittaessa kaadetaan valusankoon. Kuva. Uunin kaatorännin alla kallistettava etusäiliö Kourut rakennetaan usein sellaisiksi, että ne samalla erottavat kuonaa. Alla olevassa kuvassa on painesifonikouru. Sifonipesässä kuona erottautuu rautaa kevyempänä pintaan. Kuona johdetaan pois ylempänä olevasta laskuaukostaan puhtaan raudan virratessa etusäiliöön. Sifoni suljetaan päältä tiiviisti, jolloin sen sisällä vallitsee jatkuvasti sama paine kuin uunissakin. Koska kallistettaessa etusäiliössä raudan lämpötila saattaa laskea 50 C alemmaksi kuin kiinteässä, kallistettavissa etusäiliöissä on öljypolttimet tai induktiokourut lisälämmön kehittämistä varten Raimo Keskinen, Pekka Niemi Polttoaineuunit - 6

7 rauta kuona Kuva. Painesifonikouru. Kupoliuunissa voidaan sulattaa ainoastaan valurautaa. Vaikka panostuksen käytettäisiinkin niukkahiilistä teräsromua, muuttuu sula kuitenkin valuraudaksi. Tämä johtuu panoskoksin hiilettävästä vaikutuksesta. Uunissahan ovat, sekä sula rauta että polttoaineena toimiva koksi, toistensa kanssa kosketuksissa. Hiilettymistaipumukseen vaikuttavat mm. panoskoksimäärä ja sen koostumus sekä sulan sisältämät aineet, kuten rikki ja fosfori. Näiden määrän kasvaessa hiilettymistaipumus pienenee. Kupoliuunikoksin yhtenä tehtävänä on hiilettää niukkahiilistä panosta, jotta rauta saisi toivotun hiilipitoisuuden. Koksin pitää olla myös lujaa, jotta se muodostaisi panospilarin alle kestävän petin. Sen on oltava sekä kaasuja että sulaa rautaa ja kuonaa läpäisevä. Tarvittavan lämpömäärän lisäksi koksin on kehitettävä myös pelkistävää kaasua, joka suojaa rautaa hapettumiselta. Kuva. Kuumailmakupoliuuni ja vuoraukseton kuumailmakupoliuuni Raimo Keskinen, Pekka Niemi Polttoaineuunit - 7

8 3.2 Kuumailmakupoliuuni Kylmäilmakupoliuunilla on varsin huono hyötysuhde. Vain noin 30 % koksin palamisesta syntyneestä lämmöstä saadaan hyödynnettyä. 70 % lämmöstä menee hukkaan, suurin osa palokaasujen mukana. Kuumailmakupoliuunissa palokaasujen sisältämä lämpö hyödynnetään lämmittämällä sillä uuniin johdettava puhallusilma. Tällä toimenpiteellä saadaan uunin hyötysuhde nousemaan yli 40 %:iin. Puhallusilman lämmittäminen tapahtuu lämmönvaihtimen eli rekuperaattorin avulla. Kuumat palokaasut, jotka imetään uunin yläosasta, johdetaan rekuperaattoriin, josta lämpö osittain siirtyy puhallusilmaan. Puhallusilman lämpötila voi olla C. Periaatetta voidaan verrata auton lämmityslaitteeseen. Lämpöä sisältävän veden sijasta rekuperaattorissa uunin palokaasut. Kuva. Lämmityslaitteen kenno Nykyisin otetaan palokaasujen fysikaalisen lämmön lisäksi myös niiden kemiallisesti sidottu lämpö talteen. Öljypoltinta apuna käyttäen poltetaan palokaasujen sisältämä CO-kaasu eli hiilimonoksidi, jolloin niiden lämpö saadaan nousemaan. Palokaasut Kuumailma Kylmäilma Putkisto Ohitus Kuilukaasut Apupoltin Ilma Kuva. Rekuperaattori Raimo Keskinen, Pekka Niemi Polttoaineuunit - 8

9 Varsinainen uuniosuus ei rakenteellisesti kovinkaan paljon eroa kylmäilmakupoliuunin rakenteesta. Suurin ero on tuulikaapin rakenteessa. Kuumailmakupoliuunissa tuulikaappina vaipasta erillään oleva rengas, johon jokainen hormi omalla yhdysputkellaan on liitetty kiinni. Rakenne mahdollistaa uunin vaipan ulkopuolisen vesijäähdytyksen sulamisvyöhykkeen kohdalta. Jäähdytys on tarpeen, koska sulamisvyöhyke toimii kuumempana kylmäilmakupoliuunissa. Joissakin kuumailmakupoliuuneissa on vuorauskustannusten pienentämiseksi jätetty sulamisvyöhykkeen kohdalta ja sen yläpuolelta vuoraus kokonaan pois. Uunissa on näissä kohdissa paljas teräsvaippa, jota tehokkaasti jäähdytetään ulkopuolelta vedellä (oheinen kuva). Uuni on kartiomainen, mikä edistää veden ja vaipan pinnan kosketusta. Kartiokkuuden vuoksi ei tippuva sula rauta pääse myöskään koskettamaan kylmää seinämää eikä näin ollen pääse jäähtymään. Tällainen uunin hyötysuhde laskee, mistä on seurauksena suurempi koksin kulutus Kupoliuunin vuoraus Kupoliuunien sulamis- ja palamisvyöhykkeellä vallitsee sulatuksen aikana C lämpötila. Tämän vuoksi uunit on vuorattava aineilla, jotka kestävät nämä lämpötilat. Vuorausmateriaalista riippuen uunit voivat olla joko happamia tai emäksisiä. Jos sulatus tapahtuu hapanta kuonaa apuna käyttäen, on vuorauksen oltava hapan. Kuonan laatu vaikuttaa sulatettavan raudan koostumukseen. Hapanta kuonaa käytettäessä on esim. raudan hiillettyminen vähäisempää mutta rikkipitoisuus korkeampi. Emäksisesti vuoratussa kupoliuunissa voidaan kuona muuttaa emäksiseksi lisäämällä siihen kalkkikiveä. Emäksisen sulatuksen etuja ovat raudan voimakas hiilettyminen sekä pieni rikkipitoisuus Raimo Keskinen, Pekka Niemi Polttoaineuunit - 9

10 Sullottu vuoraus Emäksiset tulenkestävät aineet imevät seisoessaan kylmänä ilmasta kosteutta ja hiilidioksidia pyrkien samalla murentumaan. Ne sopivat tästä syystä parhaiten jatkuvakäyttöisiin kupoliuuneihin. Vuorausmateriaalina voidaan käyttää joko tiiliä tai uunimassaa. Vuorauksen paksuus vaihtelee mm uunin koosta riippuen. Tiilinä käytetään holvitiiliä, joiden säde vastaa vuorattavan uunin kuilun sädettä. Malline Kuva. Kupoliuunia vuorataan Usein käytetään kahta tiilikerrosta, ulompana ohut vaippatiili ja sisempänä paksu tiili. Uunimassaa käyttämällä saadaan saumaton vuoraus. Uunimassa sullotaan ilmasurvimen tai uunimassaruiskun avulla. Apuna voidaan käyttää esim. puusta tehtyä sylinterimäistä mallinetta (ks. oheinen kuva). Malline sijoitetaan kuilun alapäähän ja vuorausmassa sullotaan tiukkaan mallineen ja seinämän väliin. Mallinetta nostetaan sitä mukaan ylöspäin kuin työ edistyy, kunnes koko kuilu on vuorattu. Uunimassaruiskua käytetään myös vuorauksen korjaamiseen, esim. uunin nopeasti kuluvan sulatusvyöhykkeen kohdalta. Kuva. Uunimassaruiskun käyttö vuorauksen korjaamiseen Raimo Keskinen, Pekka Niemi Polttoaineuunit - 10

11 Kun kupoliuuni on vuorattu, se on kuivattava varovasti, jotta vuoraus ei halkeilisi. Kuivaaminen voi tapahtua esim. puita polttamalla ja se saattaa kestää useita päiviä. (kuivaus kestää kaikkia polttoaineita käytettäessä useita päiviä.) Kuva. Uunimassaruisku KERTAUSKYSYMYKSIÄ 1. Millä tavoin voidaan sulatuksen raaka-aineet jakaa? 2. Mainitse teräksen tyypillisimmät seosaineet 3. Mitkä ovat kupoliuunin pohjakoksin tehtävät? 4. Mitä tarkoitetaan sulatusuunin hyötysuhteella? 5. Mainitse etusäiliöisen kupoliuunin edut ja haitat. 6. Selvitä painesifonikourun toimintaperiaate. 7. Mitä voidaan sanoa kulmailmakupoliuunin hyötysuhteesta? 8. Mikä on rekuperaattori? 9. Miksi vuokrauksettoman kupoliuunin muoto on kartiokas? 10. Miten kupoliuuni vuokrataan mallineen avulla? Raimo Keskinen, Pekka Niemi Polttoaineuunit - 11