Korkealämpötilaprosessit

Transkriptio

1 Korkealämpötilaprosessit Esikäsittelyprosessit klo SÄ114 Tavoite Tutustua (pyro)metallurgisen metallien valmistuksen esikäsittelyprosesseihin - Keskeisimmät esikäsittelyprosessit Suomessa käytössä olevissa metallinvalmistusketjuissa - Raudan ja teräksen valmistus - Ruostumattoman teräksen valmistus - Kuparin valmistus - Nikkelin valmistus - Sinkin valmistus - Esikäsittelyprosessien rooli ja tehtävät metallien valmistusketjuissa Kuva: Hienojakoisen savukaasupölyn pelletointi Fundia Special Barin Smedjebackenin tehtaalla Taalainmaalla, (Stig-Görna Nilsson, JK:n arkistot). 1

2 Sisältö Termiset esikäsittelyprosessit - Kuivaus Mekaaniset esikäsittelyprosessit - Agglomerointiprosessit - Sintraus - Pelletointi - Briketöinti - Jauhatus, seulonta, ym. mekaaniset yksikköprosessit Kemialliset esikäsittelyprosessit - Pasutus - Kalsinointi - Koksaus kivihiilen kuivatislaus Tietyt prosessit voivat sisältää termisiä, kemiallisia ja mekaanisia ilmiöitä Kuva: Brikettejä (SSAB Raahe). Timo Paananen esitys POHTOssa, Yksiselitteinen jaottelu ei mahdollista Tuotantoketju Esikäsittelyt Pelkistys Sulatus Raffinointi Jalostus Valu Lämpökäsittelyt Malmipohjainen rauta/teräs Jatkuvavalu Aihionkuumennus Romupohjainen rauta/teräs Jatkuvavalu Aihionkuumennus Ruostumaton teräs Sintraus Pelletointi Koksaus Kuivaus Lajittelu Pelletointi Sintraus Masuuni Masuuni LD-KG Senkkakäsittelyt Uppokaariuuni CRK AOD Kupari Kuivaus Liekkisulatus Liekkisulatus PSkonvertteri Valokaariuuni Senkkakäsittelyt Uppo- ja valokaariuunit Senkkakäsittelyt Anodiuuni Elektrolyysi Nikkeli Kuivaus Liekkisulatus Liekkisulatus Hydrometallurgiaa Hydrometallurgiaa Sinkki Pasutus Hydrometallurgiaa Hydrometallurgiaa Hydrometallurgiaa Jatkuvavalu Aihionkuumennus Anodivalu Tuotteiden valmistus Katodien sulatus/valu 2

3 Kuivaus Miksi kuivaus ennen varsinaista prosessia? - Tehostaa pääprosessin toimintaa ja energiatehokkuutta - Turvallisuusriskit panostettaessa kosteita materiaaleja korkeisiin lämpötiloihin - Materiaalin sallittu kosteus-% riippuu jatkoprosessista - Suomessa erityishaasteena talvella ulkoa panostettavat materiaalit, joissa voi olla lunta/jäätä Toteutustavat - Mekaaninen veden poisto esim. puristamalla - Ei täydellinen kuivaus, mutta kuluttaa vähemmän energiaa - Terminen kuivaus kuumentamalla - Täydellisempi kuivaus, mutta kuluttaa enemmän energiaa - Vastavirtaperiaatteella toimiva rumpu-uuni hyvin yleinen metallurgisessa teollisuudessa Energialähteet - Heikompilaatuiset (halvemmat) polttoaineet - Prosessien jäte-/hukkalämmön hyödyntäminen Mekaaniset yksikköprosessit Murskaus Jauhatus Luokittelu ja seulonta Rikastus Varastointi Sekoitus Kuljetus Esitellään kattavasti kandidaatinvaiheen opinnoissa - Partikkelitekniikka - Jauheiden ja suspensioiden käsittely Kuva: Jouko Niinimäki esitys POHTOssa,

4 Romun luokittelu Kuva: Teräsromua, Uddeholms AB:n Hagforsin tehtailla Värmlannissa, 2015 (Pia Nordlander, JK:n arkistot). Käytettäessä teräsromua raaka-aineena on tunnettava sen koostumus - Tärkeää erityisesti romupohjaisessa teräksenvalmistuksessa (VKUt) ja korostuneesti ruostumattomia teräksiä valmistettaessa (suuremmat seosainepitoisuudet Cr, Ni) - Romun sisältämät seosaineet huomioidaan seostustarpeessa - Epäpuhtaudet voivat olla kriittisiä tietyille teräslajeille - Sisäisen romun koostumus luonnollisesti tunnetaan - Sisäisen romun luokittelu Outokummun Tornion tehtaalla: - Ruostumattomat kierrätysteräkset (Cr, Ni) - Haponkestävät kierrätysteräkset (Cr, Ni, Mo) - Ferriittiset kierrätysteräkset (Cr) - Mangaaniseosteiset kierrätysteräkset (Cr, Mn) - Hankitun romun jokaista romupalaa ei analysoida, mutta jokaisesta romuerästä otetaan näyte analysoitavaksi - Ulkoa ostettavan romun luokittelu Tornion tehtaalla: - Ruostumattomat kierrätysteräkset - Haponkestävät kierrätysteräkset - Hiiliteräkset (ei-ruostumattomat) Aineistolähteet: Henna Alavuokila, TkK-työ,, & Jenni Räisänen, TkK-työ,, Romun luokittelu Kuva: Umpinainen romukappale (Alavuokila, TkK-työ). Romun luokitteluun kuuluu myös erotella romun seasta materiaalit, joita ei haluta sulatukseen - Sulatukseen päätyessään heikentävät teräksen laatua, aiheuttavat ongelmia prosessissa ja/tai aiheuttavat turvallisuus- tai ympäristöriskejä - Näkyvät ongelmat - Panostuksen kannnalta liian suuret romunkappaleet - Valurautaromu - Radioaktiivinen romu - Umpinaiset kappaleet - Kosteat kappaleet - Näkymättömät ongelmat - Tiettyjen haitta-aineiden kumuloituminen teräkseen - Ruostumattomien terästen valmistuksessa erityisesti Cu Kuva: Romun panostus valokaariuuniin, Ovakon Hoforsin tehtailla Gästriklandissa, 2015 (Pia & Hans Nordlander, JK:n arkistot). Aineistolähde: Henna Alavuokila, TkK-työ,,

5 Agglomerointiprosessit Agglomerointi = Kappalekoon kasvattaminen - Jaottelu kasvumekanismin perusteella Sintraus Terminen agglomerointi - Kappaleiden liittyminen yhteen osittaissulamisen kautta - Sintrausta käytetään myös pellettien mekaanisten ominaisuuksien parantamiseksi Briketöinti Puristava agglomerointi - Hienoaines puristetaan yhteen suuremmiksi kappaleiksi Pelletöinti Kerrostava agglomerointi - Hienoaines saatetaan pyörivään liikkeeseen, joka aikaansaa partikkelikoon kasvun ydinten ympärille Lumipalloefekti Vrt. sulan rakeistus - Sulan materiaalin virtaus rikotaan ja samalla suoritetaan nopea jäähdytys sulapisarat jähmettyvät rakeiksi Sintraus Terminen agglomerointi - Osittainen sulaminen - Pintoihin sitoutuneen energian minimointipyrkimys toimii ajavana voimana kappalekoon kasvulle Ei pelkästään kappalekoon muutos, vaan kuumennus/jäähdytys saavat lisäksi aikaan - mineralogisia muutoksia - Kiinteän tilan kiderakenteen muutokset - Sulaneen materiaalin uudelleen jähmettyminen - kemiallisia muutoksia - Voidaan vaikuttaa sintrauslämpötilalla ja jäähdytysnopeudella Toteutustavat - Pyörivä arinauuni, panosprosessi tai nauhasintraus Oli aiemmin käytössä Raahen terästehtaalla 5

6 Pelletointi Kuva: Åsa Partapuoli, LKAB esitys POHTOssa, Kerrostava agglomerointi - Rikaste syötetään sideaineiden ja veden kanssa alustalle, jossa se saatetaan pyörivään liikkeeseen - Pyörivä ja kaltava rumpu tai lautanen - Koossapitävänä voimana kosteuden aiheuttamat kapillaarivoimat - Seulonta, josta liian pienet pelletit palautetaan kasvualustoiksi ja liian suuret pelletit murskataan Yleensä ns. raakapelletin ominaisuudet eivät ole riittävän hyvät jatkokäsittelyyn - Mekaanisten ominaisuuksien parantaminen kuumentamalla - Nauhasintraus - Kuilu-uuni Pelletointi Case LKAB Kuva: Åsa Partapuoli, LKAB esitys POHTOssa,

7 Pelletointi Case LKAB Kuva: Åsa Partapuoli, LKAB esitys POHTOssa, Pelletointi Case LKAB Kuvat: Åsa Partapuoli, LKAB esitys POHTOssa,

8 Kromiittipellettien sintraus Tornio Hienojakoinen kromiittirikaste pelletoidaan suuremmiksi kappaleiksi SISÄÄN: Koksipöly Kromiittirikaste Bentoniitti Vesi Happi Energia (sähkö) ULOS: Kromiittipelletti Lämpö CO 2 H 2 O -höyry Tuore- eli raakapelletit sintrataan lujuuden ja reaktiivisuuden optimoimiseksi - Jatkuvatoiminen sintrausprosessi - Seitsemän vyöhykettä - Kuivausvyöhyke 350 C - Kuumennusvyöhyke 1150 C - Sintrausvyöhyke 1350 C - Tasausvyöhyke - Kolme jäähdytysvyöhykettä 1250 C, 1150 C, 400 C - Pelletit noin 40 cm korkeana patjana - Pelletin halkaisija noin 12 mm - Jäähdytyskaasujen sisältämän energian hyödyntäminen uunin alkupäässä kuivauksessa, kuumennuksessa ja sintrauksessa Lähde: Marianne Laitakari, Diplomityö,, Briketöinti Puristava agglomerointi - Ulkoinen paine puristaa hienoaineksen partikkelit tiiviimmin kiinni toisiinsa - Erilaisten sideaineiden käyttö (sementti, kuonat) Käytetään rautaa sisältävien hienojakoisten poisteiden (pölyt ym.) esikäsittelyprosessina ennen panostusta takaisin raudantuotantoon - ns. masuunibriketit (panostus pellettien kanssa masuuniin) Lähde: Timo Paananen, SSAB esitys POHTOssa, Brikettien laatuun/ominaisuuksiin vaikuttavia tekijöitä - Raaka-aineet: raekokojakauma, koostumus, ominaisuudet - Sekoitus: materiaalin tasalaatuisuus veden ja sementin jakautuminen, lajittuminen, lämpötila - Kosteus - Sementti: laatu ja määrä - Briketöintilaite: tärytys- ja puristusvoima, tärytystaajuus ja - aika 8

9 Briketöinti Case Raahe Mahdollistaa rauta- ja hiilipitoisten pölyjen, hilseiden ja lietteiden kierrätyksen masuuniin Brikettien lujuuteen vaikuttaa erityisesti pakkautuvuus, joka puolestaan riippuu eniten raaka-aineiden raekokojakaumasta Tavoitteena brikettien käyttä 100 kg/trr - Korvaa pellettejä Lähde: Timo Paananen, SSAB esitys POHTOssa, Briketöinti Case Raahe Lähde: Timo Paananen, SSAB esitys POHTOssa,

10 Briketointi Brikettien valmistus hienojakoisista poisteista. SSAB, Luleå, Norrbotten, Kuvat: Stig-Göran Nilsson (JK:n arkistot). Brikettien valmistus hienojakoisista poisteista. SSAB, Oxelösund, Södermanland, Kuva: Stig-Göran Nilsson (JK:n arkistot). Pasutus Pasutus = Kiinteän yhdisteen anioninvaihtoprosessi, jossa kationin hapetusaste ei muutu (ei hapetu/pelkisty) Usein esikäsittelynä hydro- tai pyrometallurgisille prosesseille - Raaka-aine helpommin liukenevaan muotoon (hydro) - mm. sulfidirikasteiden korkealämpötilakäsittely ilman agglomeroitumista - esim. sinkkisulfidin pasutus oksidiseksi (Boliden Kokkola) - Raaka-aine helpommin pelkistettävään muotoon (pyro) - mm. sulfidirikasteiden korkealämpötilakäsittely + sintraus - esim. sinkkisulfidin pasutus oksidiseksi (Imperial Smelting) 10

11 Pasutus Erilaisia toteutustapoja - Jos jatkokäsittely on hydrometallurginen (liuotus), niin tavoitteena hienojakoinen materiaali - Leijupetipasutus - Jos jatkokäsittely on pyrometallurginen (sulatus), niin tavoitteena kaasua läpäisevä ja huokoinen kappalemainen materiaali - Sintrauspasutus - Leijupedin ja sintrauksen lisäksi muita vaihtoehtoja: - Pyörivä arinauuni - Rumpu-uuni Erilaisia pasutusmuotoja - Hapettava (oikeastaan oksidoiva) pasutus - Sulfatoiva pasutus - Alkalipasutus - jne. Kuva: Outotec Roasting Solutions esite. Pasutus Hapettava pasutus - Erityisesti sulfidimalmien saattaminen jatkoprosessien kannalta helpommin käsiteltävään muotoon - Sulfidien pelkistys hiilellä ongelmallista - esim. 2 ZnS + C = 2 Zn + CS 2 tai ZnS + CO = Zn + COS - tasapaino voimakkaasti lähtöaineiden puolella - Sulfidien reagointi oksideiksi - MeS + 3/2 O 2 = Me + SO 2 - esim. lyijyn, kuparin, sinkin, koboltin ja nikkelin valmistuksessa sulfidimateriaaleista - SO 2 SO 3 H 2 SO 4 - Leijupeti- tai sintraava pasutus Sulfatoiva pasutus - Metallien erottaminen toisistaan kompleksisista materiaaleista - Osa reagoi vesiliukoisiksi sulfaateiksi - MeS + 3/2 O2 = MeO + SO2 - SO2 + 1/2 O2 = SO3 - MeO + SO3 = MeSO4 - Osa jää liukenemattomaan muotoon (oksidit) - Raudan erotus arvometalleista (Cu, Ni, Zn, Co) - Edeltää hydrometallurgisia prosessivaiheita - Usein leijupetipasutus 11

12 Pasutus Case Boliden Kokkola Sinkkirikasteen pasutus ennen hydrometallurgista sinkin valmistusta Happirikastetun ilman puhallus rikastepatjan läpi leijupetiuunissa - T = C Tavoitteena huonosti liukenevan sulfidin (ZnS) pasutus oksidiseksi (ZnO) - Oksidi liukenee nopeammin rikkihappoon Rikasteen sisältämä rauta reagoi sinkkiferriitiksi (ZnO Fe 2 O 3 ) - Huonosti liukeneva aiheuttaa sinkkitappioita Kuva: Pihkala J & Salminen R (1992) Prosessitekniikan kokonaisprosessit. Helsinki, Opetushallitus. 148 s. Mahdollistaa raaka-aineen sisältämän rikin hyödyntämisen rikkihapon valmistuksessa Tuotteena saatavan pasutteen Zn-pitoisuus on noin 60 % (rautaa n. 10 %) Pasutus Case Boliden Kokkola Kuva: Pihkala J & Salminen R (1992) Prosessitekniikan kokonaisprosessit. Helsinki, Opetushallitus. 148 s. 12

13 Kalsinointi Kalsinointi = Yhdisteen terminen hajoittaminen siten, että erkaantuu kaasumaista hajoamistuotetta - Erkautuva kaasu usein CO 2 tai H 2 O - Rajoittavana tekijänä usein lämmön johtuminen reaktiopinnalle (endotermiset reaktiot) sekä muodostuvan kaasun kulkeutuminen pois reaktiopinnalta Yleisin on kalkkikiven hajoittaminen poltetuksi kalkiksi - CaCO 3 = CaO + CO 2 H R > 0 - Vastavirtainen kuilu-uuni tai pyörivä rumpu-uuni - Poltetun kalkin käyttä mm. kuonanmuodostajana Muita kalsinointiprosesseja Taulukkoarvot: HSC Chemistry for Windows Dolomiitin (CaMg(CO 2 ) 2 ) hajottaminen - Alumiinihydroksidin (Al(OH) 2 ) hajottaminen Koksaus Koksaus = Kivihiilen kuivatislaus - Tavoitteena saataa kivihiili metallurgisiin prosesseihin paremmin sopivaan muotoon - Huokoinen kappalemateriaali - Toteutus ilmatiiviissä uunissa - Lämpöenergia polttamalla koksikaasua Ilmiöt koksauksessa - Veden ja muiden haihtuvien aineiden poistuminen - Haihtuvien osuus % - Kivihiilipartikkelien yhtyminen suuremmiksi kappaleiksi - Hiilen rakenteen muuttuminen - Tuhkafaasissa tapahtuvat mineralogiset muutokset Lukuisia sivutuotteita - Koksikaasu hyödynnetään polttoaineena - H 2 58 %, CH 4 24 %, CO 5 %, CO 2, N 2, jne. - Kemianteollisuuden raaka-aineita 13

14 Koksaus Koksausprosessi - T = 1300 C - Koksautuminen kestää n. 15 h Koksausprosessin vaiheet - Hiilen esikäsittely - Esimurskaus, annostelu, lopullinen murskaus, homogenisointi - Varsinainen koksaus eli kuivatislaus koksipattereissa - Koksin kuiva- tai märkäsammutus - Koksikaasun puhdistus terva-aineista, ammoniakista, rikistä, bentseenistä ja naftaleenista sivutuotelaitoksella Sivutuotelaitos Kuva: Koksaamo SSAB:n tehtaat, Luleå, Norrbotten, 2002 (Stig-Göran Nilsson, JK:n arkistot). - Kaasun jäähdytys ja tervan erotus kondensointilaitoksella - Ammoniakin ja rikkivedyn pesu ammoniakkiliuoksella - Bentseenin ja naftaleenin pesu bentseenilaitoksella - Biologinen puhdistamo jätevesien käsittelyyn Koksaus 14

15 Koksaus Kuvat: Koksaamo SSAB:n tehtaat, Luleå, Norrbotten, 2002 (Stig-Göran Nilsson, JK:n arkistot). Yhteenveto Esikäsittelyprosessien tavoitteena on saada raaka-aine jatkoprosessoinnin kannalta käyttökelpoisempaan muotoon - Kemiallinen ja mineraloginen koostumus - Kosteus - Raekokojakauma - Huokoisuus - Muut ominaisuudet Voidaan jaotella karkeasti kolmeen ryhmään - Termiset - Mekaaniset - Kemialliset 15