Korkealämpötilaprosessit

Transkriptio

1 Korkealämpötilaprosessit Metallurgiset yksikköprosessit klo SÄ114 Tavoite Tutustua metallurgian käsitteeseen (Oppia tunnistamaan keskeisimmät hydrometallurgiset yksikköprosessit) - Liuotus liuospuhdistus talteenotto Oppia tuntemaan pyrometallurgiset yksikköprosessit - Mekaaniset, kemialliset ja termiset esikäsittelyprosessit - Pelkistysprosessit - Sulatusprosessit - Raffinointiprosessit - Jalostusprosessit - Valuprosessit - Lämpökäsittelyprosessit Teräksenvalmistusta Nykroppassa, Värmlannissa, Kuva: Jernkontoret. 1

2 Sisältö Mitä on metallurgia? - Metallurgia Prosessimetallurgia Fysikaalinen metallurgia - Hydrometallurgia OT: Hydrometallurgiset yksikköprosessit - Liuostus Liuospuhdistus Talteenotto Pyrometallurgiset yksikköprosessit - Mekaaniset, kemialliset ja termiset esikäsittelyprosessit - Pelkistysprosessit - Sulatusprosessit - Raffinointiprosessit - Jalostusprosessit - Valuprosessit - Lämpökäsittelyprosessit Teräksenvalmistusta Nykroppassa, Värmlannissa, Algot Ringströmin akvarelli. Kuva: Jernkontoret. Metallurgia Kielitoimiston sanakirjan mukaan: - oppi metallien valmistus- ja jalostusmenetelmistä sekä siihen perustuva tekniikka Wikipedia peesaa, mutta tarkentaa: - luonnontieteisiin ja teknisiin tieteisiin kuuluva tieteenala/oppi, joka käsittelee metallien (tai laajemmin käsitettynä myös muiden epäorgaanisten materiaalien) valmistus- ja jalostusmenetelmiä sekä tutkii niiden elinkaarta ja sen aikana tapahtuvia muutoksia usein metallien kiderakenteen näkökulmasta Summa summarum: Kuonan kaato valokaariuunista Ovakon tehtailla Hoforsissa, Gästriklandissa, Kuva: Pia & Hans Nordlander (Jernkontoretin arkisto). - metallien ja muiden epäorg. materiaalien valmistus/jalostus - sis. menetelmät ja tekniikat - perustuu luonnon- ja teknisiin tieteisiin - metallien elinkaari ja sen aikana metallissa (kiderakenteessa) tapahtuvat muutokset - rakennenäkökulma 2

3 Metallurgia Sanoi seppo Ilmarinen: 'Ellös olko milläskänä! Tuli ei polta tuttuansa, herjaele heimoansa. Kun tulet tulen tuville, valkean varustimille, siellä kasvat kaunihiksi, ylenet ylen ehoksi: miesten miekoiksi hyviksi, naisten nauhan päättimiksi. Senp' on päivyen perästä rauta suosta sotkettihin, vetelästä vellottihin, tuotihin sepon pajahan. Tuon seppo tulehen tunki, alle ahjonsa ajeli. Lietsoi kerran, lietsoi toisen, lietsoi kerran kolmannenki: rauta vellinä viruvi, kuonana kohaelevi, venyi vehnäisnä tahasna, rukihisna taikinana sepon suurissa tulissa, ilmivalkean väessä. - Kalevala, 9. runo - Käytäntönä yksi keskeisimpiä aloja läpi ihmiskunnan historian - Monet keskeiset keksinnöt liittyvät uusien metallien ja materiaalien hyödyntämieen - Kokonaisten ajanjaksojen nimeäminen niiden aikana hyödynnettyjen metallien mukaan - Pronssikausi, rautakausi - Ensimmäiset yritykset käytäntöjen teorisoinniksi ja kirjalliseksi kuvaamiseksi renesanssin aikana/jälkeen - Vannoccio Biringuccion (1480-n. 1539) De la pirotechnia ( Metallurgiasta ) vuodelta Georgius Agricolan ( ) De re metallica ( Kaivostoiminnasta ) vuodelta 1556 Luonnontieteitä hyödyntävänä tieteenalana suhteellisen nuori - Yhteydet matemaattis-luonnontieteellisten alojen lisäksi yleiseen prosessi-/kemiantekniikkaan sekä materiaalitieteisiin - Kemiantekniikka omana tieteenalana 1900-luvun alusta - Materiaalitekniikka omana tieteenalana luvulta lähtien Metallurgia Mitä metallurgia pitää sisällään? - Chipman: Metals transactions 185(1949) Kemian-/ prosessitekniikka Metallien jalostus Metallin tuotteistus Konetekniikka Muokkaus Valimot Metallit Sähkökemia Pintakäsittelyt Lämpökäsittelyt Kaivostekniikka Tuotantotalous Valmistustekniikka Mineraali- ja rikastustekniikka Prosessimetallurgia Materiaalija pintakemia Mekaaninen metallurgia Kemiallinen metallurgia Metallien fysiikka Metallografia Kemia Fysikaalinen metallurgia Fysikaalinen kemia Fysiikka 3

4 Metallurgia Mitä metallurgia pitää sisällään? - Holappa & Taskinen: Kemia-Kemi 10(1983)5, Jaottelu osa-alueisiin - (a) tiedepohjan mukaisesti - (b) sovelluskohteiden mukaisesti Fysikaalinen metallurgia Mitä fysikaalinen metallurgia pitää sisällään? - Bensaude-Vincent & Hessenbruch: Nature materials. 3(2004)6, Taskinen: Materia. 67(2009)2, Merton Flemingsin esittämä yhteys - rakenteen (engl. structure), - ominaisuuksien (engl. properties), - (suunnittelun ja) valmistustekniikan (engl. process) - sekä suorituskyvyn (engl. performance) - välillä Ominaisuudet, joiden välisten vuorovaikutusten ymmärtäminen on keskeistä materiaalitekniikassa - Keskeintä rakenteet, jotka luovat perustan koko materiaalitekniikalle (Miekk ojan metallioppi) - Taskisen mukaan: - mitään kaikille materiaaleille yhteistä teoreettista tai tieteellistä pohjaa ei kuitenkaan ole olemassa, minkä vuoksi materiaalitekninen tutkimus käytännössä keskittyy liikkumaan pääasiassa kuvion tetraedrin särmiä pitkin poikkeamatta juuri lainkaan edes sivukolmioille tetraedrin sisustasta puhumattakaan. 4

5 Prosessimetallurgia Mitä prosessimetallurgia pitää sisällään? - Heikkinen et al: Met. & Mat. trans. 41B(2010)4, Prosessimetallurgia Tekniikan ala, joka keskittyy metallien tuotantoon ja valmistusprosesseihin - Naapurialoja fysikaalinen metallurgia, materiaalitekniikka, kemiantekniikka - engl. process metallurgy tai extractive metallurgy Metallien valmistus perustuu yleensä joko - korkeiden lämpötilojen hyödyntämiseen - Oksidien pelkistys hiilellä on helpompaa korkeissa lämpötiloissa - Reaktiot, siirtoilmiöt, jne. nopeutuvat korkeissa lämpötiloissa - PYROMETALLURGIA tai - soveltuvien liuotinten hyödyntämiseen huoneenlämpötilassa - vesi, hapot, emäkset - HYDROMETALLURGIA Raakateräksen panostus AOD-konvertteriin AB Sandvik Materials Technologyn tehtailla Sandvikenissä, Gästriklandissa, Kuva: Pia & Hans Nordlander (Jernkontoretin arkisto). 5

6 Metallien valmistuksen vaiheet Raaka-aineiden hankinta - Primääriset ja sekundääriset raaka-aineet Esikäsittelyt Metallin valmistus Pyro- tai hydrometallurgia Prosessimetallurgia Metallin jalostus Ominaisuuksien säätö Metallituotteiden valmistus Metallurgiset yksikköprosessit Kaivos- ja rikastusprosessit Esikäsittelyprosessit - Termiset, mekaaniset, kemialliset Prosessimetallurgia Metallurgiset prosessit - Hydrometallurgiset yksikköprosessit - Liuotus, liuospuhdistus, talteenotto - Pyrometallurgiset yksikköprosessit - Pelkistys, sulatus, raffinointi, jalostus - Sähkökemialliset yksikköprosessit - Elektrolyysi Valuprosessit Lämpökäsittely- ym. prosessit 6

7 Prosessien valinta Energia Kuljetukset Markkinat Raaka-aineet Metallien valmistusketju Tuotteet Jäähdytysvesi Pyromet. yksikköprosessit Hydromet. yksikköprosessit Sähkökem. yksikköprosessit Poisteet Hydrometallurgia (Raaka-aineiden esikäsittely) - esim. raekoon, kemiallisen ja faasikoostumuksen sekä fysikaalisten ominaisuuksien säätö - Voi olla pyro- tai hydrometallurginen 1) Liuotus (engl. leaching) - Raaka-aineen liuotus soveltuvaan liuottimeen 2) Liuospuhdistus (engl. purification) - Epäpuhtauksen poisto liuottimesta - Usein monivaiheinen prosessi 3) Talteenotto (engl. metal extraction) - Terminen, kemiallinen (saostus) tai sähkökemiallinen (elektrolyysi) (Viimeistelyprosessit) 7

8 Hydrometallurgia Sivutuotteet Jätteet Hydrometallurginen Pyrometallurginen Jäte Epäpuhtaat raakaaineet Raaka-aine Köyhät raakaaineet Aktivointi Liuotus Liuospuhdistus Jätteenkäsittely Sivutuote Liuottimen puhdistus ja regenerointi Saostus Sähkökemiallinen Kemiallinen Tuote Hydrometallurgia Liuostusprosessit Edellyttää usein esikäsittelyä - Jauhatus, rikastus, aktivointi Liuottimia - Vesi (sulfaateille ja klorideille) - Hapot (Yleisin rikkihappo, typpi- ja suolahappo kalliimpia ja korrodoivia) - Emäkset (esim. ammoniakin vesiliuos) - Orgaaniset liuottimet Suoraliuotus - Köyhille malmeille ja poisteille - Liuoksen syöttö paikallaan olevan materiaalin läpi Tankkiliuotus (normaalipaineessa) - Rikkaille malmeille ja rikasteille - Pienemmät reaktorikoot ja lyhyemmät liuostusajat - Sekoitus Autoklaaviliuotus edellisen erikoistapaus - Reaktionopeuden nosto kohottamalla lämpötila yli liuoksen kiehumispisteen (ylipaine) 8

9 Hydrometallurgia Liuospuhdistusprosessit Selektiivisen liuotuksen ja talteenoton välissä liuokselle suoritettavat toimenpiteet Liukenemattoman kiintoaineen poisto fysikaalisesti - Sakeutus, suodatus Haitallisten epäpuhtauksien poisto liuoksesta - Osin samat menetelmät kuin metallien talteenotossa - Ioninvaihto - Neste-neste-uutto - Sementaatio - Menetelmään valintaan vaikuttavat epäpuhtauden luonne, vaikutus muihin aineisiin ja pitoisuus sekä vaadittava puhtaustaso - Usein erilliset käsittelyvaiheet eri epäpuhtauksille Hydrometallurgia Liuospuhdistusprosessit Ioninvaihto - Pienten epäpuhtausmäärien poistoon suurista liuosmääristä - Soveltuu parhaiten hyvin laimeille liuoksille (< 10 ppm) - Mahdollisuus erittäin alhaisiin epäpuhtaustasoihin - Hartsi, johon metallli-ionit siirtyvät liuoksesta (selektiivisyys) - Kyllästyneen hartsin elvytys sopivalla liuoksella, johon metalliionit siirtyvät - Saostus kloridina, sulfaattina, jne. Neste-neste-uutto - Vesiliuoksessa olevien metalli-ionien talteenotto orgaanisella uuttoaineella - Kaksi toisiinsa liukenematonta nestefaasia - Reaktiopinnan kasvattaminen tehokkaalla sekoituksella - Kompleksien muodostuminen - Selkeytys nesteiden erottamiseksi toisistaan - Arvometallien talteenotto komplekseista takaisinuutolla - Selektiivisyys Sementaatio - Liuoksessa olevan metalli-ionin korvaaminen vähemmän jalolla metallilla - Me(s) + M + (aq) = Me + (aq) + M(s) - Tehokkuus riippuu metallien jalousasteiden erosta 9

10 Hydrometallurgia Talteenottoprosessit Terminen saostus - Liuoksen lämpötilaa lasketaan, jolloin liukoisuudet laskevat - Saostettava aine erkautuu omaksi kiinteäksi faasikseen liukoisuusrajan ylittyessä (liuoksen kyllästyminen) - Kiteytyminen metallina - Kiteytyminen yhdisteenä (sulfidi, oksidi, kloridi, sulfaatti,...) Kemiallinen saostus - Anioni- tai kationilisäys niukkaliukoisen yhdisteen muodostamiseksi (selektiivisyys) - Kaasut (H 2 S, H 2, SO 2, CO) tehokkaita saostajia Sähkökemiallinen saostus elektrolyysi - Sähkövirralla aikaansaatu hapetus-pelkistys-reaktio - Anionien (-) kulkeutuminen anodille (+) hapettuminen - Kationien (+) kulkeutuminen katodille (-) pelkistyminen - Talteenottoelektrolyysin lisäksi raffinointielektrolyysi - Hydrometallurgisia tai pyrometallurgisia (suolasulat) Elektrolyysiprosessit Talteenottoelektrolyysi Hydrometallurgisen metallin valmistuksen viimeinen vaihe (esim. Ni, Zn) - Liukenemattomat anodit (esim. Pb) - Pääreaktion hapen kehitys - Epäjalommilla metalleilla myös vedyn kehitys - Vetyionien määrä elektrolyytissä kasvaa - Liuoksessa olevan arvometalli-ionin saostus katodille - Metalli-ionien määrä elektrolyyttiliuoksessa vähenee - Metalliköyhän elektrolyyttiliuoksen palautus liuotusprosessiin Raffinointielektrolyysi - Liukenevat anodit (epäpuhdas raffinoitava metalli) - Haluttu metalli ja sitä epäjalommat aineet liukenevat - Jalommat metallit muodostavat anodilietteen/-liejun (eivät liukene) - Katodille halutun metallin saostuminen puhtaampana - Epäjalommat aineet jäävät elektrolyyttiliuokseen talteenotto Valmistettaessa metalleja erittäin Suolasulate-elektrolyysi korkean sulamispisteen omaavista raaka-aineista (esim. Al, Mg, Be, - Elektrolyyttinä suolasula Ce, Li, K, Ca) - Periaate sama kuin hydrometallurgisissa elektrolyyseissä - Korkeammat lämpötilat - Laitteistojen tulenkestävyys Pyrometallurgisesti valmistetun metallin puhdistus (esim. Cu) 10

11 Pyrometallurgia Esikäsittelyillä saatetaan raaka-aine metallinvalmistusprosessin kannalta optimaaliseen muotoon - Kuivaus, sintraus, pelletointi, kalsinointi, pasutus, koksaus Raaka-aineessa esiintyvien yhdisteiden hajottaminen (pelkistys) Primääriuunit Primäärimetallurgia - Konvertterit, valokaariuunit, jne. - Usein keskeistä tuotantotehokkuus Sekundäärimetallurgia - Eri tuotteiden (esim. eri teräslajit) valmistus erkautuu toisistaan - Aikaavievien prosessivaiheiden erottaminen primääriuunista - Ei tarpeen, jos raaka-aine on metallisena (romu) Materiaalin sulatus - Voi olla samassa prosessissa pelkistyksen kanssa (masuuni) Metallin raffinointi ja jalostus - Epäpuhtauksien poisto - Lämpötilan ja koostumuksen hallinta - Tasalaatuisuus Metallin valu Tuotantoprosessien muodostuminen osaprosesseista a) Malmipohjainen teräksenvalmistus (Raaka-aineiden esikäsittely) - Rautarikasteen sintraus tai pelletointi - Koksaus Pelkistys ja sulatus: Masuuni - Rautaoksidien pelkistys - Hiilen liukeneminen pelkistyneeseen rautaan, sulaminen Primääriuuni: LD-KG-konvertteri - Piin ja hiilen poisto happipuhalluksella (mellotus) Sekundäärimetallurgia: Senkkakäsittelyt - Teräksen koostumuksen ja lämpötilan säätö - Tasalaatuisuuden varmistaminen Happipuhallus LD-konvertterissa SSAB:n Oxelösundin tehtailla Södermanlandissa, Kuva: Stig-Göran Nilsson (Jernkontoretin arkisto). Jatkuvavalu - Teräksen jähmettyminen 11

12 Tuotantoprosessien muodostuminen osaprosesseista b) Romupohjainen teräksenvalmistus (Raaka-aineiden esikäsittely) - Romun luokittelu ja kuivaus - (Koksaus) Sulatus: Valokaariuuni (primääriuuni) - Romun sulatus, ei pelkistystarvetta - Suuri sähkönkulutus Sekundäärimetallurgia: Senkkakäsittelyt - Teräksen koostumuksen ja lämpötilan säätö - Tasalaatuisuuden varmistaminen Romun sulatus valokaariuunissa Scana Steelin tehtailla Björneborgissa, Värmlannissa, Kuva: Pia & Hans Nordlander (Jernkontoretin arkisto). Jatkuvavalu - Teräksen jähmettyminen Tuotantoprosessien muodostuminen osaprosesseista c) Ruostumattoman teräksen valmistus (Raaka-aineiden esikäsittely) - Rauta- ja kromirikasteen sintraus tai pelletointi - Koksaus Pelkistys ja sulatus: Uppokaariuuni - Rauta- ja kromioksidien pelkistys, materiaalin sulatus - Suuri sähkönkulutus Primääriuuni: AOD- (tai VOD-)konvertteri - Epäpuhtauksien poisto happipuhalluksella Sekundäärimetallurgia: Senkkakäsittelyt - Teräksen koostumuksen ja lämpötilan säätö - Tasalaatuisuuden varmistaminen AOD-konvertterin panostus Outokummun Tornion tehtailla, Kuvalähde: Juha Roininen, Pentti Kupari & Timo Parviainen. Jatkuvavalu - Teräksen jähmettyminen 12

13 Esikäsittelyprosessit Termiset esikäsittelyprosessit - Kuivaus Mekaaniset esikäsittelyprosessit - Agglomerointiprosessit - Sintraus - Pelletointi - Briketöinti - Jauhatus, seulonta, ym. mekaaniset yksikköprosessit Kemialliset esikäsittelyprosessit - Pasutus - Kalsinointi - Koksaus kivihiilen kuivatislaus Esikäsittelyprosesseja käsitellään tarkemmin omalla luentokerrallaan. Tietyt prosessit voivat sisältää termisiä, kemiallisia ja mekaanisia ilmiöitä - Yksiselitteinen jaottelu ei mahdollista Varsinaiset metallinvalmistusprosessit Pelkistysprosessit - Masuuni - Muut raudan valmistusprosessit - Muut pelkistysprosessit värimetallit Sulatusprosessit - Valokaariuuni teräsromun sulatusprosessit - Valimoiden sulatusuunit - Liekkisulatus sulfidikiven sulatusprosessi - Värimetallien sulaturprosessit Raffinointiprosessit - Konvertteriprosessit teräksen valmistuksessa - Päältä-, pohja- ja yhdistelmäpuhalluskonvertterit - Muut konvertteriprosessit värimetallit Pyörivät uunit 13

14 Pelkistys korkeissa lämpötiloissa Pelkistys tarvitaan, koska monet metallit esiintyvät luonnossa yhdisteinä (oksidit, sulfidit, jne.) MeO + R = Me + RO - R on pelkistin (alkuaine tai yhdiste, jonka muodostama oksidi on pelkistyslämpötilassa stabiilimpi kuin MeO) Korkeat lämpötilat helpottavat oksideiden pelkistämistä - Korostuu hiilellä pelkistettäessä - vrt. Ellinghamin diagrammi Pelkistys korkeissa lämpötiloissa Hiili- eli karboterminen pelkistys MeO + C = Me + CO - Käytännössä kaasufaasin välityksellä: - MeO + CO = Me + CO 2 - C + CO 2 = 2 CO (Boudouardin reaktio) Metalloterminen pelkistys MeO + M = Me + MO - Pelkistimenä suuremman happiaffiniteetin omaava metalli Kaasupelkistys MeO + CO = Me + CO 2 MeO + H 2 = Me + H 2 O - Yleisimmät vety ja häkä (seoksena tai erikseen) Masuuni SSAB:n tehtailla Oxelösundissa, Södermanlandissa, Kuva: Stig-Göran Nilsson (Jernkontoretin arkisto). 14

15 Masuuni Vastavirtaperiaatteella toimiva kuilu-uuni raudan valmistamiseksi - Ylhäältä panostetaan - pelletit tai sintterit - briketit - koksi - mahdolliset muut kiinteät lisäaineet - Alhaalta - puhalletaan esilämmitettyä, happirikastettua ilmaa - injektoidaan öljyä, hiiltä tai muuta koksia korvaavaa ainetta Kuuma ilma polttaa koksia ja muita polttoaineita - Syntyy pelkistäviä kaasuja häkä ja vety - Kaasun noustessa ne pelkistävät raudan oksideja ja hapettuvat hiilidioksidi ja vesihöyry - Koksikerroksessa muodostuu häkäkaasua - Syntyvä metallinen rauta liuottaa hiiltä ja sulaa Masuunia käsitellään tarkemmin pelkistystä käsittelevällä luennolla. Tuotteet - Raakarauta (C 4,5 %, Si 0,45 %), kuona, masuunikaasu Muut raudan pelkistysprosessit Suorapelkistetyn raudan tuotanto prosesseittain (2006) Perusteluja vaihtoehtoiselle raudanvalmistusmenetelmälle - Mahdollisuus päästä eroon koksista - Hienojakoisen rautarikasteen käyttö raaka-aineena ilman agglomerointia - Hiilidioksidipäästöjen vähentäminen Vaihtoehtoisia menetelmiä - Kuilu-uunit - Leijupetisovellukset - Suorapelkistys kiinteässä tilassa - Erilaiset sulapelkistysprosessit Vaihtoehtoisia raudanvalmistusprosesseja käsitellään tarkemmin omalla luennollaan. Kuva: Tanaka, Miyagawa, Harada: Fastmet, Fastmelt and ITmk3: Development of new coal-based ironmaking process. 15

16 Muut pelkistysprosessit Myös värimetalleja voidaan raudan tapaan pelkistää masuunityyppisissä kuiluuuneissa Värimetallien valmistuksen raaka-aineet usein sulfidisia - Ongelmana sulfidisen materiaalin pelkistys hiilellä - Pelkistysreaktioissa tasapaino lähtöaineiden puolella - Tuotteena ongelmallisia yhdisteitä kuten CS, CS 2, H 2 S, COS - Käytännössä sulfidiset materiaalit pasutetaan oksidiseen muotoon ennen pyrometallurgista pelkistystä - Metallien valmistus sulfidisista materiaaleista hydrometallurgisesti tai liekkisulatusmenetelmällä Valokaariuuni Romun sulatus sähköä käyttäen Mellotus (hiilenpoisto) on tarvittaessa mahdollista happipuhallusta hyödyntäen Vuoraus täytyy suojata kuohuvalla kuonalla - Kuonan viskositeetin ja pintaominaisuuksien optimointi - Hiili-injektio kaasun muodostamiseksi Sekoitusta ja lämmönsiirtoa voidaan tehostaa pohjapuhalluksella (Ar, N 2 ) Valokaariuunia käsitellään tarkemmin sulatusta käsittelevällä luennolla. 16

17 Valimoiden sulatusuunit Induktiouunit - Yleisin uunityyppi suomalaisissa valimoissa - Voidaan sulattaa kaikkia metalleja - Käyttö perusteltua alle 10 tonnin uuneissa - Perustuu upokkaan ympärillä olevassa induktiokelassa kulkevaan vaihtovirtaan ja sen sulatettavaan metalliin indusoimiin pyörrevirtoihin - Sähkösulatus Ei tarvetta fossiilisiin polttoaineisiin - Induktioupokasuunit - Induktiokouru-uunit - Kuparin ja kevytmetallien sulatus, valuraudan kuumanapito Lähde: Meskanen&Toivonen: Sulatto valimoprosessin osana. Valimotekniikan perusteet. Valokaariuunit - Perustuu grafiittielektrodin ja sulatettavan panoksen välille muodostettavaan valokaareen - Käyttö lähinnä terästen sulatuksessa - Hyötysuhde heikkenee panoskoon pienentyessä - Saavutettava laatu parempi kuin induktiouuneissa - Ongelmana savunmuodostus Valimoiden sulatusuunit Kupoliuunit - Käytetty aiemmin paljon valurautojen sulatuksessa - Suomessa korvattu enenevässä määrin induktiouuneilla - Maailmalla 60 % valuraudasta sulatetaan kupoliuuneissa - Ongelmana pölypäästöt - Mahdollisuus parantaa tuottavuutta ja laatutasoa polttoilman happirikastuksella, siirtymällä vesijäähdytettyihin uunityyppeihin sekä käyttämällä yhdessä induktiouunien kanssa - Etuina alhaiset investointikustannukset, käyttövarmuus, alhaiset sulatus- ja työvoimakustannukset sekä yksinkertainen toimintaperiaate - Haittana em. päästöjen lisäksi riippuvuus koksista sekä sulatetun metallin alhainen lämpötila - Ei mahdollisuuksia pitkäkestoisiin senkkakäsittelyihin Lähde: Meskanen&Toivonen: Sulatto valimoprosessin osana / Sulaton laitteistot. Valimotekniikan perusteet. 17

18 Liekkisulatus Sulfidisia raaka-aineita käytettäessä - Rikin hapettumisessa ( SO 2 ) vapautuvan lämmön hyödyntäminen materiaalin sulattamisessa - Erityisesti kuparin, mutta myös esim. nikkelin ja lyijyn valmistuksessa Tavoitteena erottaa sulfidisessa raakaaineessa oleva arvometalli muista metalleista - Arvoton metalli hapettuu Oksidinen kuona - Vaatii kuonanmuodostajia koostumuksen ohjaukseen - Arvometalli jää sulfidiksi Sulfidikivi eli matte - Osittain metallisessa muodossa - Jalostetaan edelleen metalliseksi - esim. kuparin valmistuksessa - osa kuparisulfidin rikistä hapettuu rikkidioksidiksi - 2 CuS + O 2 = Cu 2 S + SO 2 - FeS 2 + O 2 = FeS + SO 2-2 FeS + 3 O 2 + SiO 2 = Fe 2 SiO SO 2 Liekkisulatusta käsitellään tarkemmin sulatusta käsittelevällä luennolla. - Sulfidit kiveen, oksidit kuonaan (kvartsi kuonanmuodostajana), rikkidioksidi lämmön talteenoton jälkeen rikkihappotehtaalle Muut värimetallien sulatusprosessit Lieskauunit - Polttimet Sähköuunit - Elektrodit - Käytetään myös kuonien talteenottamiseksi kuonista Liekkikonvertointi - Liekkisulatusuuniin ja sitä seuraavan konvertoinnin yhdistävä prosessi esim. kuparin valmistuksessa Valmistettaessa metalleja erittäin korkean sulamispisteen omaavista raaka-aineista käytetään usein suolasulate-elektrolyysiä - esim. Hall-Héroult prosessi alumiinin valmistuksessa Kuvalähde: Andersson, Sjökvist & Jönsson: Processmetallurgins grunder, KTH. 18

19 Kuvalähde: Turkdogan: Fundamentals of steelmaking Mellotus Mellotus = Hiilenpoisto - Hiilipitoinen raakarauta matalahiiliseksi raakateräkseksi - Erilaisten teräslajien valmistus konvertteriprosessin jälkeen toisistaan poikkeavilla käsittelyillä - Mellotukseen asti tuotetaan samaa terästä - Toteutus happipuhalluksen avulla konvertteriprosessissa - Samalla hapettuu muita epäpuhtauksia (Si, Mn, P) - Hapettumistuotteet savukaasuun (CO, CO 2 ) ja kuonaan - Hapetusreaktiot nostavat lämpötilaa voidaan hyödyntää romun sulattamiseksi - Voidaan tehostaa hiilimonoksidin osapainetta laskemalla - Erittäin matalahiiliset lajit tyhjökäsitellään - Terästä ei tiivistetä konvertterin jälkeen - Hiilen poisto jatkuu, kun painetta alennetaan Raakaraudan panostus konvertteriin. Kuva: SSAB, Raahe. Konvertterit teräksen valmistuksessa Tavoitteena hiilenpoisto mellotus Päältäpuhalluskonvertteri - Kehitetty Itävallassa 1950-luvulla - Manner-Euroopassa LD Linz-Donawitz - Brittein saarilla BOS Basic Oxygen Steelmaking - Yhdysvalloissa/Kaukoidässä BOF Basic Oxygen Furnace - US Steelillä BOP Basic Oxygen Process Pohjapuhalluskonvertteri - Kehitetty Kanadassa ja Saksassa 1970-luvulla - Euroopassa OBM Oxygen Bottom/Bodenblasen Maxhütte - Muualla Q-BOP Quick Basic Oxygen Process Yhdistelmäpuhalluskonvertteri Konvertteriprosesseja käsitellään tarkemmin raffinointia käsittelevällä luennolla. - Kehitetty edelleen päältä- ja pohjapuhalluskonverttereista - LD-KG Linz-Donawitz-Kawasaki Gas - K-BOP 19

20 Kuvalähde: Vierula A. Paksuseinäisten valujen pinnanlaadun parantaminen. Tampereen Ammattikorkeakoulu. Kone- ja tuotantotekniikan koulutusohjelma Konvertterit teräksen valmistuksessa Arvometallien hapettumisen ehkäisy - Hiilenpoisto ilman metalliin haluttujen alkuaineiden hapettumista - Tyypillistä esim. ruostumattomien terästen valmistuksessa, jossa ehkäistään kromin hapettumista ja kuonautumista - Kilpailevat reaktiot: 2 C + O 2 = 2 CO 4/3 Cr + O 2 = 2/3 Cr 2 O 3 - Molempia voidaan edistää lisäämällä hapen määrää/osapainetta - Hiilimonoksidin osapainetta laskemalla voidaan edistää mellotusta ilman, että kromin hapettuminen tehostuu - Keinot hiilimonoksidin osapaineen laskemiseksi - Kokonaispaineen alentaminen kaikki osapaineetkin laskevat - CO:n osapaineen laskeminen lisäämällä muiden kaasukomponenttien osuutta Konvertteriprosesseja käsitellään tarkemmin raffinointia käsittelevällä luennolla. - AOD Argon Oxygen Decarburization - Perustuu CO:n osapaineen laskemiseen argonin avulla - VOD(C) Vacuum Oxygen Decarburization (Converter) - Perustuu kokonaispaineen laskuun ( Tyhjökonvertteri ) Konvertointi Kaldokonvertteri Kuvalähde: Björkman: Process metallurgy, part I, LTU. Konvertteri-nimikettä käytetään myös muista kuin teräksen valmistuksessa käytettävistä uuneista - Yleisnimike uunille, jossa raffinoidaan metallia konvertoidaan parempilaatuiseksi Peirce-Smith konvertteri - Liekkisulatusuunista saatavan kuparikiven konvertointi metalliseksi kupariksi - esim. Bolidenin Harjavallan tehtaalla Kaldo konvertteri (Kalling Domnarvet) Peirce-Smithkonvertteri - Professori Bo Kalling / Domnarvets Jernverk - Pyörivä päältäpuhalluskonvertteri - TBRC Top Blown Rotary Converter - Kehitetty alunperin teräksen valmistukseen - Nykyisin käytössä värimetallien valmistuksessa - esim. Bolidenin Rönnskärin (Skellefteå) tehtaalla Kuvalähde: Andersson, Sjökvist & Jönsson: Processmetallurgins grunder, KTH. 20

21 Pyörivät uunit Kuvalähde: MetsäFibre. Pyörivät rumpu-uunit - Rotary Furnace tai Rotary Kiln - Käytetään kiinteän tilan prosessointiin ja sulatukseen - Pyörimisellä saadaan aikaan parempi sekoitus - Suoraan tai epäsuorasti lämmitettävät - poltin rummun sisällä tai ulkona - Käyttö esim.: sementin valmistus, meesauunit, lämpökäsittelyt faasirakenteen muuttamiseksi, jne. Pyörivät arinauunit - RHF Rotary Hearth Furnace - Käytetään kiinteän tilan prosessointiin - esim. hienojakoisten poisteiden käsittelyyn haitallisten aineiden poisto kaasufaasin kautta, pelkistys, sintraus Kuvalähde: Daiga, Horne & Thorntonin sekä McClellandin esitykset. 61 st Ironmaking conference. Nashville, Tennessee, USA Jalostusprosessit Primääriuuniin/raffinointiprosessiin asti metallin valmistus on samanlaista kaikille lajeille - Keskeistä tuotantotehokkuus Senkkakäsittelyjä käsitellään tarkemmin jalostusta käsittelevällä luennolla. RH-tyhjökäsittely SSAB:n tehtailla Luleåssa, Norrbottenissa, Kuva: Stig-Göran Nilsson (Jernkontoretin arkisto). Erilaisten metallilajien valmistus ja laadun luominen sekundäärimetallurgiassa eli jalostusprosesseissa - Vaihtelevat eri metallilajeille Tiivistys Kaasumaisten epäpuhtauksien poisto Rikinpoisto Seostus ja koostumuksen hallinta Homogenisointi ja sekoitus Kuumennus ja lämpötilan hallinta 21

22 Valuprosessit Tavoitteena valmistetun metallin saattaminen - sulasta kiinteään muotoon - haluttuun mittoihin Pyrometallurgisten sulaprosessien viimeinen vaihe - Casting is the final frontier where process metallurgists can still do something for the steel. Hydrometallurgisesti valmistetutkin metallit voidaan sulattaa ja valaa haluttuun muotoon - esim. sinkin valmistus Bolidenin Kokkolan tehtailla Teräksen jatkuvavalu AB Sandvik Materials Technologyn tehtailla Sandvikenissä, Gästriklandissa, Kuva: Pia & Hans Nordlander (Jernkontoretin arkisto). Valuprosesseja käsitellään tarkemmin omalla luennolla. Lämpökäsittelyt Valettujen aihioiden ja muiden valukappaleiden kuumennus ja lämpökäsittelyt kiinteässä tilassa Lämpökäsittelyprosesseja käsitellään tarkemmin omalla luennolla. Valukappaleiden lämpökäsittelyhehkutus. Kuva: Pekka Niemi, Lämpökäsittely, ValuAtlas. Teräsaihio matkalla aihionkuumennusuunista valssaukseen SSAB:n Borlängen tehtailla, Taalainmaalla, Kuva: Stig-Göran Nilsson (Jernkontoretin arkisto). 22

23 Yhteenveto Metallurgia käsittelee metallien valmistusta ja ominaisuuksia - Prosessimetallurgia keskittyy valmistusprosesseihin - Fysikaalinen metallurgia lähtee liikkeelle rakenteesta Hydrometallurgiset prosessit - Liuotus Liuospuhdistus Talteenotto Pyrometallurgiset prosessit - Esikäsittelyprosessit - Pelkistysprosessit - Sulatusprosessit - Raffinointi- ja jalostusprosessit - Valuprosessit 23