Korkealämpötilaprosessit

Transkriptio

1 Korkealämpötilaprosessit Pyrometallurgiset sulatusprosessit klo 8-10 PR126A Tavoite Tutustua keskeisimpiin pyrometallurgisiin sulatusprosesseihin - Erityisesti teräksen ja kuparin valmistus - Sulatusprosessien rooli ja tehtävät metallien valmistusketjuissa Tutustua tarkemmin valokaariuuni- ja liekkisulatusprosesseihin - Tehtävät - Raaka-aineet ja tuotteet - Keskeisimmät ilmiöt - Kuonat - Päästöt ja ympäristövaikutukset Kuva: Helena Kumpulainen & Reima Väinölä, Esitys, POHTO,

2 Sisältö Sulatuksesta yleisesti Valokaariuuni teräsromun sulatuksessa - Yleistä - Case Ovako - Case Outokumpu Liekkisulatus - Case Boliden Harjavalta - Kupari- ja nikkelirikasteiden sulatus Muut sulatusprosessit - Muut värimetallien valmistuksen sulatusprosessit - Valimoiden sulatusprosessit 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 Perustelu tämän kurssin puitteissa esiteltäville sulatus-, raffinointi- ja valuprosesseille Valokaariuuni, LD-KG-konvertteri ja jatkuvavalu Sulatuksesta Malmi- ja rikastepohjaisessa metallien valmistuksessa sulatus toteutetaan yleensä samassa prosessivaiheessa jonkin muun vaiheen kanssa - Yleensä pelkistys tai jokin muu kemiallinen reaktio - Esimerkkinä edellisen luennon masuuni tai tällä luennolla esiteltävä liekkisulatus Romupohjaisessa metallien valmistuksessa sulatus toteutetaan omana prosessinaan - Tällöinkin sulatusreaktorissa tehdään myös muita toimenpiteitä, mutta sulatus on prosessin primäärifunktio - Esimerkkinä tällä luennolla valokaariuuni Kuva: Helena Kumpulainen & Reima Väinölä, Esitys, POHTO,

4 Valokaariuuni Romun sulatus sähköä käyttäen - Joissain uuneissa on lisäksi polttimet Mellotus (hiilenpoisto) on tarvittaessa mahdollista happipuhallusta hyödyntäen - Myös piin hapettaminen pois terässulasta Vuoraus täytyy suojata kuohuvalla kuonalla - Kuonan viskositeetin ja pintaominaisuuksien optimointi - Hiili-injektio kaasun muodostamiseksi Sekoitusta ja lämmönsiirtoa voidaan tehostaa pohjapuhalluksella (Ar, N 2 ) Valokaariuuni Vaihtovirtauuni - AC EAF = Alternating Current Electric Arc Furnace - Perustuu Héroultin patenttiin vuodelta Valokaari elektrodien ja panoksen välissä - Käytössä lähinnä metalliromun sulatuksessa - Käytössä esim. Ovakon Imatran tehtaalla ja Outokummun Tornion tehtaalla Tasavirtauuni Kuva: - DC EAF = Direct Current Electric Arc Furnace - Kehitettiin 1980-luvun lopulla kaupalliseen käyttöön 1990-luvulla - Yksi grafiittielektrodi, joka toimii katodina - Uunin pohja toimii anodina - Käytössä esim. pölyjen käsittelyssä - Suomessa ei käytössä teollisessa mittakaavassa Lähde: Helena Kumpulainen & Reima Väinölä, Esitys, POHTO,

5 VKU Raaka-aineet ja tuotteet Raaka-aineet - Teräsromu - Kuonanmuodostajat (CaO, CaCO 3 ) - Seosaineet (esim. MoO x, Ni, FeCr / Tornio) - Pölyt - Koksi - Sähkö Tuotteet - Terässula - Kuonasula - CO 2 - Pölyt - Lämpö VKU Sulatuksen vaiheet Romun panostus Sytytys Elektrodien porautuminen panokseen Sulatus Kuumennus Kaato Kuvat: Matti Aula, Esitys, POHTO,

6 VKU Ainetase Lähteet: H. Pfeifer & M. Kirschen: Thermodynamic analysis of EAF energy efficiency and comparison with a statistical model of electric energy demand. 7th European Electric Steelmaking Conference, Venice, Italy, s Integrated pollution prevention and control (IPPC) BAT-reference document on the production of iron and steel, VKU Energiatase 6

7 VKU Kehitys VKU Kuohuva kuona Kuohuvan kuonan edellytyksenä ovat kaasua muodostavat reaktio esim.: - C + O = CO(g) - C + (FeO) = CO(g) + Fe(l) - etc. Keskeisiä ovat myös kuonan emäksisyys ja viskositeetti sekä pintaominaisuudet Kuohuva kuona suojaa vuorausmateriaaleja ja mahdollistaa toiminnan pitemmällä valokaarella - On arvioitu että kuohuva kuona vähentää energiankulutusta noin kwh/t Lähde: Ville Fomkin, Esitys, POHTO,

8 Valokaariuuni Case Imatra Romupohjainen teräksen valmistus Imatralla Kuva: Ville Fomkin, Esitys, POHTO, Valokaariuuni Case Imatra Valokaariuuni - Vaihtovirta - Muuntajan teho 50 MVA - Panoskoko 75 t - Kalkin- (2 kpl) ja hiilen- (1 kpl) injektointimahdollisuus - Happi-maakaasupolttimet (3 kpl) - Sivusta kaadettava - Romun esikuumennus Lähde: Ville Fomkin, Esitys, POHTO,

9 Valokaariuuni Case Imatra Valokaariuunin raaka-aineet - Ostoromu - Luokiteltu kappalekoon ja alkuperän mukaan - Oma kiertoromu - n. 15 % käytetystä romusta - Luokiteltu viiteen luokkaan seostuksen pohjalta - Tuotantoprosessin jätemateriaalien sisäinen kierrätys - Kuonaromua - Aihioiden hiomajätettä - Valssihilsettä - Koksia - Kuonanmuodostajia - Tulenkestävien purkujätettä (MgO) - Kalkkia Lähde: Helena Kumpulainen & Reima Väinölä, Esitys, POHTO, Valokaariuuni Case Imatra Lähteet: Helena Kumpulainen & Reima Väinölä, Esitys, POHTO, 2011 & Ville Fomkin, Esitys, POHTO, Sulatustoimenpiteet - Romun sulatus - Happipuhallus - Hiilenpoisto / mellotus - Aloitetaan romupanoksen laskeutuessa - Kuohuva kuona - Hapettuvien epäpuhtauksien sekä kaasujen (N, H) poisto - Myös rautaa, mangaania ja kromia kuonautuu - Hiilen ja kalkin injektointi kuohuvan kuonan ylläpitämiseksi - Kuona alkaa virrata uunista kuonaluukun kautta - Fosforinpoisto - Fosforin poistumista edistävät emäksinen kuona, hapettavat olosuhteet, terässulan korkea happipitoisuus, kuonan korkea FeO-pitoisuus ja matala lämpötila - Sekoituksen ja lämmönsiirron parantaminen pohjapuhalluksella (Ar ja/tai N 2 ) - Kaato - Tarkasti määritetty kallistusohjelma uunikuonan pitämiseksi uunissa (senkkaan päätynyt kuona poistetaan tarvittaessa) - Kaatoreikä suljetaan lopuksi sulkutangolla tai liukusulkimella - Esitiivistys + saostus kaadon yhteydessä - Lisäksi senkkakuonanmuodostajat 9

10 Valokaariuuni Case Imatra VKU-kuona - Happipuhalluksella ja hiili-injektiolla saadaan aikaan kaasunmuodostusta, joka saa aikaan kuohuvan kuonan - Terässulan kaadon yhteydessä kuonan tulisi pysyä uunissa - FeO-pitoinen hapettava kuona haitaksi senkkakäsittelyissä - Sulan kuonan virtaus uunista kuonamurskepedille tai kuonapataan - Kuonan jähmettyminen - Nopeassa jäähdytyksessä kaasukuplat jäävät syntyvän kiviaineksen sisään huokoinen materiaali - Kuonatuotteen ominaisuuksiin vaikuttaa - Kemiallinen koostumus - Rakenne (kappalekoko, huokoisuus) - Kromin ja molybdeenin saattaminen niukkaliukoiseen muotoon Lähde: Helena Kumpulainen & Reima Väinölä, Esitys, POHTO, Valokaariuuni Case Tornio Ruostumattoman teräksen valmistus Torniossa Seostamaton kierrätysteräs, ferriittinen sisäinen kierrätysteräs ja ferrokromi Ferriittiset ruostumattomat teräkset + Tuotantomääriltään pienemmät austeniittiset ruostumattomat teräkset (Seostamaton ja) seostettu kierrätysteräs, austeniittinen sisäinen kierrätysteräs Austeniittiset ja haponkestävät ruostumattomat teräkset 10

11 Valokaariuuni Case Tornio Valokaariuuni 1 - Panoskoko 95 t - Kolme grafiittielektrodia Valokaariuuni 2 - Panoskoko 150 t - Halkaisija 8160 mm ja korkeus 5500 mm - Panostilavuus 200 m 3 - Kolme grafiittielektrodia - Halkaisija 710 mm - Kääntyvä holvi - Kippauslaitteisto - Ei erillistä kuonaluukkua - Kuona kaadetaan kaatonokan kautta Kaatoaukko valokaariuunissa Lähteet: Niko Hyttinen, Diplomityö,, Sami Oinas, Opinnäytetyö, Lapin AMK, 2016 (kuva). Valokaariuuni Case Tornio Valokaariuuni 2:n raaka-aineet - Romut ja seosaineet 1069 kg/tte - Kuonanmuodostajat 43 kg/tte - Koksi 3,6 kg/tte - Elektrodien kulutus 2,7 kg/tte - Vuorauksen kulutus 1 kg/tte - Pöly Kuonamäärä 79 kg/tte Kuvat: Sami Oinas, Opinnäytetyö, Lapin AMK,

12 Valokaariuuni Case Tornio Valokaariuuni 2:n energiatase Sisään n kwh/t - Sähköenergia % - Metallien hapettuminen % - Hiilen palaminen 3 5 % - Kaasupolttimet 0 5 % Ulos n kwh/t Lähteet: Karassaari, Diplomityö,, 2008; Karppanen, Diplomityö,, 2015 & Oinas, Opinnäytetyö, Lapin AMK, 2016 (kuva). - Teräs n. 57 % - Vesijäähdytys n. 10 % - Säteily ja konvektio n. 2 % - Savukaasut, pölyt, roiskeet n. 19 % - Sähkönsiirto n. 3 % - Kuona n. 5 % - Vuoraus, elektrodit, muut n. 4 % Valokaariuuni Case Tornio Vaiheet - Porautumisvaihe - Sulatusvaihe - (2. korin porautumisvaihe) - (2. korin sulatusvaihe) - Lämmönnostovaihe - Kaato Romun panostus - Holvi ja elektrodit siirretään sivuun - Romukori nostetaan uunin päälle pohja avataan - Yksi tai kaksi koria sulatusta kohden Lähteet: Hyttinen, Diplomityö,, 2013 (kuva); Karassaari, Diplomityö,, 2008; Hooli, Esitys, POHTO, 2015 & Oinas, Opinnäytetyö, Lapin AMK,

13 Valokaariuuni Case Tornio Sulatus - Jänniteportaat sulatuksen etenemisen mukaan - Porausvaihe: pieni jänniteporras, elektrodit porautuvat panokseen, sulaminen alkaa - Sulatusvaihe: jänniteporras täydellä teholla, pitkä valokaari, tehokas sulatus - Sulamisen edetessä jänniteporrasta lasketaan asteittain, jotta lämpörasitus seinämille ei kasvaisi liian suureksi - Sulamisen jälkeen seuraa lämmönnostovaihe, jolloin jänniteporrasta pienennetään, lyhyt valokaari. - Tavoitelämpötilan saavuttamisen jälkeen sula kaadetaan senkkaan Polttimet Hapen injektointi Lähteet: Hyttinen, Diplomityö,, 2013; Karassaari, Diplomityö,, 2008; Hooli, Esitys, POHTO, 2015 (kuva) & Oinas, Opinnäytetyö, Lapin AMK, Piin polttamiseksi tavoitteena optimoida Si-pitoisuus AOD-prosessin kannalta (n. 0,15 %) - Piin hapettuminen on voimakkainta toisen korin sulatuksen keskivaiheilla Valokaariuuni Case Tornio Reaktiot - Useiden aineiden hapettumista - Si, Al, Ti, Mn, Si, C, Cr, Fe - Hiili ja CO-kaasu pelkistävät hapettunutta rautaa ja kromia hapettuen itse - Ruostumattoman teräksen sulatuksessa hiilen palamisnopeus on suuruusluokkaa 10 kg/min hidastuen sulatuksen loppua kohden - Haponkestävien terästen sulatuksessa hiilen palamisnopeus on suuruusluokkaa kg/min koksin panostuksesta riippuen - Myös metalliin liuennut pii voi pelkistää kromioksidia kuonasta Kuva: Paavo Hooli, Esitys, POHTO,

14 Valokaariuuni Case Tornio Tyypillinen VKU2:n kuonakoostumus CaO SiO 2 Al 2 O 3 TiO 2 Cr 2 O 3 MgO Fe 2 O 3 MnO B ,5 Kuonan ja sen emäksisyyden merkitys - Kuonan kuohumisominaisuudet ja vuorauksen kesto - Kromitappiot prosessissa - Optimaalinen emäksisyys on noin 1,5 Kromin kuonautumisen hallinta - Tavoitteena, ettei kuonan Cr 2 O 3 -pitoisuus nouse yli 5 %:n - Happipuhalluksen ja vuotoilmojen hallinta - Jos kromia on kuonautunut, metallin hiili alkaa pelkistämään kromioksidia. Tämä näkyy savukaasuissa CO 2 -piikkinä. - Tällöin voidaan injektoida hiiltä. - Piipitoisuuden pysyessä riittävän korkeana (yli 0,15 %) pii hapettuu ennen kromia ja suojelee kromia liialta kuonautumiselta Kalkin lisäys Lähteet: Karassaari, Diplomityö,, 2008 & Juntunen, Esitys, POHTO, Oikea määrä ja oikea-aikainen panostus, jotta emäksisyys pysyy sopivana (B n. 1,5) väärä emäksisyys kuluttaa vuorausta eikä muodosta kuohuvaa kuonaa - Kalkinlisäystarve suurempi 2. kuin 1. korille - Tarve n kg/min Valokaariuuni Case Tornio Kuva: Niko Hyttinen, Diplomityö,,

15 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 Kuva: - Sulfidit kiveen, oksidit kuonaan (kvartsi kuonanmuodostajana), rikkidioksidi lämmön talteenoton jälkeen rikkihappotehtaalle Liekkisulatus Taustaa ja historiaa Energiapula 1940-luvun Suomessa - mm. Vuoksen vesivoimaloiden menetys Neuvostoliitolle Uuden kuparitehtaan rakentaminen - Kuparia valmistettiin Imatralla, josta kuparinvalmistus piti saada turvaan sodan jaloista - Kuparin jatkojalostus (elektrolyysi) Poriin - Kuparin tuotanto Harjavaltaan - Soveltuva paikka/maapohja - Kuonanmuodostajaksi soveltuvaa kvartsihiekkaa saatavilla - Mahdollisuus kytkeä tehdas suoraan vesivoimalan generaattorijärjestelmään - Ainoa paikka Länsi-Suomessa Energiatehokkaamman menetelmän kehittäminen, kun kerran uusi laitos rakennetaan kuitenkin...? 15

16 Liekkisulatus Taustaa ja historiaa Petri Bryk ja John Ryselin, Outokumpu Rikasteen sulatus hyödyntäen rikasteen sisältämän rikin hapettumisessa vapautuvaa lämpöä - Energiatehokkuus - Myös ympäristöystävällisempi - Paitsi energiatehokkuuden, myös jatkuvan ja tasaisen SO 2 - kaasun muodostumisen vuoksi - Jatkuvatoimisen prosessin SO 2 -kaasu voidaan hyödyntää rikkihapon valmistuksessa - Kaasun lämpö otetaan talteen ja hyödynnetään rikasteen kuivauksessa Liekkisulatusmenetelmä (LSU) - Tuotteena sula sulfidikivi, joka raffinoidaan edelleen metalliseksi kupariksi Kuva: Tuomo Särkikoski: Tiedon liekki. Liekkisulatus Taustaa ja historiaa Kuparisulattojen käyttämät sulatusmenetelmät. Outokummun liekkisulatusmenetelmä - Ensimmäinen prosessi käynnistyi Harjavallassa Ensimmäinen myyty LSU Japaniin 1950-luvulla : Furukawa Co. Ltd., Ashio, Japani luvulla 2 LSU:a (Romania ja Japani) - Yleistyi 1970-luvun energiakriisin myötä - yht. 15 LSU:a (Japani, Intia, Australia, Saksa, Turkki, Espanja, Yhdysvallat, Zaire, Puola, Korea) - Yleistyi edelleen ja 1990-luvuilla, kun ympäristöpäästöjen merkitys korostui entisestään luku: yht. 9 LSU:a (Venäjä, Brasilia, Filippiinit, Kiina, Meksiko, Bulgaria, Chile, Yhdysvallat, Australia) luku: yht. 5 LSU:a (Chile, Yhdysvallat, Kiina, Intia, Australia) - Outokummun merkittävin teknologinen saavutus - Kuparinvalmistuksen Best Available Technique - 46 lisenssinhaltijaa viidellä mantereella - Menetelmällä tuotetaan yli puolet maailman kuparista - Kuparin liekkikonvertointi metallisen kuparin valmistus - Sovellettu myös muiden metallien valmistukseen - Nikkelirikasteiden sulatus - Noin 1/3 maailman nikkelistä valmistetaan LSU:lla - Lyijyrikasteiden sulatusta testattu onnistuneesti 16

17 Liekkisulatus nyt Liekkisulatusmenetelmää myy Outotec Liekkisulatusmenetelmä on Pohjoismaissa käytössä - Bolidenin Harjavallan tehtailla - kuparin valmistuksessa - nikkelin valmistuksessa - Bolidenin Rönnskärin (Skellefteå) tehtailla - kuparin valmistuksessa Liekkisulatus Kuparin valmistusprosessi 17

18 Liekkisulatus Kuparia tehdään kivestä, joka toimitetaan tehtaalle hiekkana. - Sydän-Satakunta Liekkisulatus Reaktiokuilu Nousukuilu Alauuni Lähde: Ville Naakka, Esitys, POHTO, Raaka-aineet - Rikaste - Kuparia valmistetaan pääasiassa sulfidisista raaka-aineista - CuFeS 2, Cu 5 FeS 4, Cu 2 S ja CuS - Malmit liian köyhiä (Cu 0,5 2,0 %) sulatettavaksi suoraan - Rikastus vaahdottamalla - Hienojakoista - Rikasteen Cu-pitoisuus % - Rikaste sisältää myös muita metalleja (Ag, Au, Pt, Pd, Co, Ni, Zn, Pb, As, Sb, Bi) - Kaasunpuhdistuksen lentopöly - Kvartsihiekka (SiO 2 ) kuonanmuodostajaksi - Esilämmitetty ja happirikastettu ilma - Tarvittaessa öljyä lisälämmön tuottamiseksi Tuotteet - Kuparikivi Cu-pitoisuus n. 65 % - Fayaliittinen kuona (FeO, SiO 2 ) Cu-pitoisuus n. 2,5 % - Savukaasu SO 2 -pitoisuus % - Pölynpoisto, lämmöntalteenotto, rikkihapon valmistukseen 18

19 Liekkisulatus Keskeiset tapahtumat - Rautasulfidin pasutus rautaoksidiksi - Sulfidien rikin hapettuminen rikkidioksidiksi - Vapautuvan lämmön hyödyntäminen sulatuksessa - Rikkidioksidin talteenotto ja hyödyntäminen - Sulatus - Kuparisulfidin sulatus kuparikiveksi - Rautaoksidin sulatus yhdessä kuonanmuodostaja-kvartsin kanssa fayaliittiseksi kuonaksi - Kuparin osittainen konvertointi metalliseksi kupariksi - Saatetaan loppuun kuparikonvertterissa (PS) Kuva: Ville Naakka, Esitys, POHTO, 2015 & Hannu Johto, Esitys, POHTO, Liekkisulatuskuonat LSU-kuonaa syntyy paljon suhteessa kiveen/metalliin - Noin 3-5-kertainen määrä suhteessa metallin määrään Kuonalle asetetut tavoitteet - Edulliset kuonanmuodostajat - Koottava yhteen faasiin aineet, joita ei haluta metalliin (Fe) - Kyky sitoa keskeisiä epäpuhtauksia - Oltava sulaa LSU:n lämpötiloissa - Vaarana kiinteän magnetiitin (Fe 3 O 4 ) erkautuminen - Oltava sitomatta itseensä arvometalleja - Vuoraukseen kohdistuva rasitus mahdollisimman pientä - Hyödynnettävyys (tai vähintään edullinen/turvallinen läjitys) Kuva: Ville Naakka, Esitys, POHTO, 2015 & Hannu Johto, Esitys, POHTO,

20 Liekkisulatuskuonat Kuonanmuodostus alkaa jo reaktiokuilussa - Rautasulfidit reagoivat oksideiksi ja reagoivat kvartsihiekan kanssa muodostaen rautasilikaattia, joka sulaa pudotessaan alauuniin - Fayaliittinen kuona jää kevyempänä kiven pinnalle - Liian suuret kappaleet eivät hapetu tarpeeksi - Rautaa jää sulfidiseen muotoon ja päätyy kivifaasiin - Liian pienet kappaleet hapettuvat liiaksi - Kuparia reagoi oksidiseen muotoon jä päätyy kuonafaasiin Reaktiovyöhyke osin sula, osin kiinteä Kuonasula muodostuu kationeista ja anioneista Liekkisulatuskuonat Kiinteän magnetiitin muodostuminen kuonasta Fayaliittisella kuonalla on rajallinen kyky liuottaa kolmenarvoista ferrirautaa - Kolmenarvoisen raudan muodostuessa voi erkautua kiinteää magnetiittia, joka häiritsee prosessia - Kuonan viskositeetin nousu kiintoaineen myötä ongelmia kuonanlaskussa - Toisaalta magnetiitin suuri tiheys aikaansaa sen kertymisen kuonan ja kiven rajapinnalle, jossa se ehkäisee aineensiirtoa rajapinnan läpi Magnetiitin muodostumista voidaan vähentää - säätämällä hapenpainetta - optimoimalla kuonan Fe/Si-suhdetta - (nostamalla lämpötilaa) Kuva: Janne Palosaari, Diplomityö,,

21 Liekkisulatuskuonat Kiinteän magnetiitin muodostuminen kuonasta Kuva: Janne Palosaari, Diplomityö,, Liekkisulatuskuonat Kuparin ja raudan erottaminen perustuu - kuparin erittäin vähäiseen hapettumiseen LSU:n olosuhteissa - kuona- ja kivifaasien liukenemattomuuteen toisiinsa - kuona- ja kivifaasien riittäävän tiheyseroon mekaanisen erottumisen aikaansaamiseksi Kuparitappioita syntyy kuonan sisään jäävistä metallipisaroista Kuvat vasemmalla: Janne Palosaari, Diplomityö,, Kuva oikealla: Hannu Johto, Esitys, POHTO,

22 Liekkisulatuskuonat Raaka-aineiden sisältämät epäpuhtaudet pyritään saamaan kuonafaasiin - Keskeisenä rauta, joka hapettuu LSU-prosessin aikana - Osa epäpuhtauksista (esim. Al) kuonautuu hyvin - Osa (esim. As, Sb) päätyy puolestaan kivifaasiin Suuremmat määrät epäpuhtauksia kuonassa vaikuttavat kuonan likviduslämpötilaan sekä liukoisuuksiin Lähde (ja kuva yllä): Hannu Johto, Esitys, POHTO, Kuva oikealla: Janne Palosaari, Diplomityö,, Liekkisulatuskuonat Arvometallit pyritään saamaan kivifaasiin edelleen metallifaasiin - Talteenotto raffinointielektrolyysin yhteydessä - Kuonautumisen tulisi olla mahdollisimman vähäistä Yleisesti arvometallien (Au, Ag, PGM) liukoisuus silikaattisiin kuoniin on vähäistä - esim. Au: n. 10 ppm kuonassa, kun kivessä 1 % - Liukoisuus riippuu kiviprosentista sekä vähäisemmässä määrin lämpötilasta ja kuonan koostumuksesta - Suuremmat häviöt kuonan sisään jäävien kivipisaroiden mukana Lähde: Hannu Johto, Esitys, POHTO,

23 Liekkisulatus Nikkelin valmistusprosessi Sulfidinen rikaste Pasutus Sähkösulatus INCOn Harjavallan menetelmä vanha uusi tuotantoketju Liekkisulatus Konvertointi Sulfaattiliuotus Ammoniakkiliuotus Kloridiliuotus Vetypelkistys Ni-pulveri Ni-briketit Karbonyyliprosessi Ni-pulveri Ni-pelletit Talteenottoelektrolyysi Ni-katodit Raffinointielektrolyysi Ni-katodit Liekkisulatus 23

24 Liekkisulatus Raaka-aineet ja tuotteet Ni 4 % S 0,2 % Cu 0,5 % MgO 8 % Fe 40 % SiO 2 27 % Ni 50 % Cu 6 % Fe 30 % S 7 % Ni 0,3 % Cu 0,2 % Fe 42 % S 0,3 % MgO 9 % SiO 2 31 % Ni 65 % Cu 5 % Fe 4 % S 21 % Liuotukseen Liekkisulatus Lähde: Hannu Johto, Esitys, POHTO, NiLSU-kuona - Kuonanmuodostus kuten CuLSU:ssa - Rikasteen raudan kuonautuminen oksidisena - Kvartsihiekan käyttö kuonanmuodostajana - Merkittävin ero: Ni-rikasteissa yleensä epäpuhtautena MgO:a - MgO päätyy kuonaan ja vaikuttaa kuonan sulamiseen - Ratkaisuna panosmateriaalin rauta pyritään hapettamaan mahdollisimman täydellisesti kuonaan, jolloin kuonan määrä kasvaa ja MgO:n suhteellinen osuus pienenee - Kun hapetus viedään pidemmälle, myös muiden rikasteen aineiden liukoisuus kuonaan kasvaa - Nikkeliä kuonautuu enemmän - Kuonaan päätyy enemmän arvometalleja (Au, Ag, PGM, Co) - Hapettavammat olosuhteet - Kuonan suuri määrä 24

25 Muut värimetallien valmistusprosessit 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. Valimoiden sulatusprosessit Kupoliuunit Induktiouunit Valokaariuunit Panostus valimon sulatusuuneihin - Magneettinosturit - Soveltuvat luonnollisesti vain magneettisille materiaaleille - Pohjasta aukeavat romukorit - Hitaampi kuin magneettinosturi - Kipattavat panostusastiat - Voi aikaansaada toispuoleisen panostuksen - Käsin - Ei suuria määriä Lähde: Meskanen&Toivonen: Sulatto valimoprosessin osana / Sulaton laitteistot. Valimotekniikan perusteet. 25

26 Valimoiden sulatusuunit Kupoliuunit - Käytetty aiemmin paljon valurautojen sulatuksessa - Suomessa korvattu enenevässä määrin induktiouuneilla - Maailmalla 60 % valuraudasta sulatetaan kupoliuuneissa - Ei käytetä teräksen sulatukseen (vaikka panostettaisiin teräsromua, niin se hiilettyisi koksin vaikutuksesta) - Valurautojen valmistuksessa koksi hiilettää niukkahiilisiä panosmateriaaleja haluttuun hiilipitoisuuteen - 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. Valimoiden sulatusuunit Kupoliuunit Hormit ja puhallusrengas Lähde: Meskanen&Toivonen: Sulatto valimoprosessin osana / Sulaton laitteistot. Valimotekniikan perusteet. Panostusaukko 26

27 Valimoiden sulatusuunit Lähde: Meskanen&Toivonen: Sulatto valimoprosessin osana / Sulaton laitteistot. Valimotekniikan perusteet. Valimoiden sulatusuunit Induktiouunit - Yleisin uunityyppi suomalaisissa valimoissa - Voidaan sulattaa kaikkia metalleja - Yleistynyt myös valurautojen sulatuksessa - Käyttö perusteltua alle 10 tonnin uuneissa - Panoskoko valimoissa yleensä 0,2 20 tonnia - Kuumanapidossa käytetään suurempiakin uuneja - Perustuu upokkaan ympärillä olevassa induktiokelassa kulkevaan vaihtovirtaan ja sen sulatettavaan metalliin indusoimiin pyörrevirtoihin - Sähkösulatus Ei tarvetta fossiilisiin polttoaineisiin - Sekoitus homogenisoi lämpötilaa ja koostumusta - Rautahäviöt pienemmät kuin valokaariuuneilla - Ympäristöystävällisempiä kuin valokaariuunit Lähteet: Meskanen&Toivonen: Sulatto valimoprosessin osana / Sulaton laitteistot. Valimotekniikan perusteet. Pahkala, Esitys, POHTO,

28 Valimoiden sulatusuunit Induktiokouru-uuni Kuumennus pohjaosassa olevassa kourussa induktorin käämien avulla. Kourussa oltava sulaa metallia sulatuksen mahdollistamiseksi. Metallin liikkeen ansiosta myös varsinainen sulatuspanos kuumenee ja sulaa. Kylmällä uunilla sulatettaessa otettava alkusula muualta. Induktiouunit - Induktioupokasuunit - Terästen, valurautojen, kuparin ja kevytmetallien sulatus - Jaetaan virrantaajuuden mukaan - verkkotaajuusuunit (50 Hz) - välitaajuusuunit ( Hz) - keskitaajuusuunit ( Hz) - suurtaajuusuunit (10000 Hz) - Induktiokouru-uunit - Kuparin ja kevytmetallien sulatus, valuraudan kuumanapito - Pienet ominaistehot, rajalliset metallurgiset käsittelymahdollisuudet - Toiminta 50 Hz:n verkkotaajuudella - Sulatusuunien koot 0,5 10 t, kuumanapidossa t Lähteet: Meskanen&Toivonen: Sulatto valimoprosessin osana / Sulaton laitteistot. Valimotekniikan perusteet. Pahkala, Esitys, POHTO, Valimoiden sulatusuunit Valokaariuunit - Perustuu grafiittielektrodin ja sulatettavan panoksen välille muodostettavaan valokaareen - Käyttö lähinnä terästen sulatuksessa - Soveltuu erityisesti korkealla sulavien materiaalien sulatukseen - Valimoiden VKU:n panoskoko tonnia - Hyötysuhde heikkenee panoskoon pienentyessä - Saavutettava laatu parempi kuin induktiouuneissa - Ongelmana savunmuodostus Lähde: Meskanen&Toivonen: Sulatto valimoprosessin osana / Sulaton laitteistot. Valimotekniikan perusteet. 28

29 Valimoiden sulatusuunit Valokaariuunit - Holvi yleensä käännettävissä sivuun panostuksen ajaksi - Teräksen kaato kaatoränniä käyttäen - Seosaineiden lisäys uuniluukun kautta - Mellotusmahdollisuus - Hapen syöttö teräsputkella uuniluukun kautta - Emäksiset vuoraukset emäksiset kuonat - Mahdollistavat rikinpoiston Lähde: Meskanen&Toivonen: Sulatto valimoprosessin osana / Sulaton laitteistot. Valimotekniikan perusteet. Kaatoränni Uuniluukku Valimoiden sulatusuunit Valurautojen sulatus - Valokaariuunit soveltuvat huonosti - Hapettavia, jolloin hiilen ja piin saannot on heikko - Eivät sovellu jatkuvaan sulatukseen/kuumanapitoon - Sekoittuminen ei ole hyvä - Induktiouuneja käytetään - Tulenkestävinä vuorauksina SiO 2 - tai Al 2 O 3 -pohjaiset massat - Happamat massat edullisia ja kestävät lämpötilanvaihteluja - Neutraalit massat korkeammissa lämpötiloissa tai Cr-/Mnseosteisia laatuja valettaessa - Magnesiittiset vuoraukset runsaasti seostetuille laaduille (kalliita, kestävät huonommin lämpötilanvaihteluja) Teräksen sulatus Lähde: Meskanen&Toivonen: Sulatto valimoprosessin osana / Sulaton laitteistot. Valimotekniikan perusteet. - Induktiouunisulatukset usein uudelleensulatuksia - Hapan SiO 2 -pohjainen vuoraus (edullinen) happamat kuonat, jolloin S- ja P-poisto ei onnistu - Emäksiset vuoraukset S- ja P-poistoa rajoittaa pieni reaktiopinta-ala kuonan ja metallin välillä - Hiilenpoisto mahdollista rajoitetusta malmimellotuksella - Panosmateriaalin koostumuksen oltava lähellä haluttua laatua - Valokaariuuni mahdollistaa metallurgiset toimenpiteet - Kuonareaktioiden hyödyntäminen - Happimellotus mahdollista 29

30 Yhteenveto Sulatus metallien valmistuksessa - voi tapahtua omassa prosessivaiheessa (VKU) tai - voi olla yhdistettynä muihin toimenpiteisiin (LSU) Valokaariuunia käytetään romupohjaisessa teräksenvalmistuksessa - Energiatehokkuus - Kuohuva kuona - Pelkistys-hapetus-reaktioiden hallinta Liekkisulatusuunia käytetään sulfidimalmipohjaisessa metallien valmistuksessa - Raaka-aineen lämpösisällön hyödyntäminen - Muodostuvan sulfidikiven raffinointi metalliseen muotoon konvertteriprosessissa Raakateräksen kaato valokaariuunista senkkaan. AB Sandvik Materials Technology. Sandviken, Gästrikland, Kuva: Stig-Göran Nilsson, Jernkontoretin kuva-arkisto. 30