Rautapelletin ominaisuudet masuunia jäljittelevissä olosuhteissa Selvitys pelkistyvyydestä, turpoamisesta ja pehmenemisestä

Transkriptio

1 Rautapelletin ominaisuudet masuunia jäljittelevissä olosuhteissa Selvitys pelkistyvyydestä, turpoamisesta ja pehmenemisestä DI Mikko Iljana Prosessimetallurgian tutkimusryhmä, Lectio Praecursoria

2 Teräs Aikamme tärkein käyttömetalli. Maailman toiseksi yleisin käyttömateriaali betonin jälkeen. Suuri lujuus on teräksen ominaisuus, jonka ansiosta teräs poikkeaa muista rakennusmateriaaleista. Teräs on yksi tehokkaimmin kierrätettävistä materiaaleista. Teräslajeja on useita tuhansia. Teräksissä on hiiltä tavallisimmin alle 1 % ja rakenneteräksissä alle 0,2 %. Vuonna 2015 maailmassa tuotettiin 1620 milj. tonnia terästä. - 49,6 % tuotettiin Kiinassa - 4,0 milj. tonnia tuotettiin Suomessa 2

3 Teräksen valmistusmenetelmät Osuus maailman terästuotannosta Tehdas Suomessa 60 % SSAB Europe, Raahe 40 % Ovako, Imatra 3

4 Masuuniprosessi - Ikivanha keksintö. - Jatkuvatoiminen vastavirtaperiaatteella toimiva kuilu-uuni. - Rautamalmi ja metallurginen koksi panostetaan kerroksittain masuunin huipulta. - Hormeilta puhalletaan happirikastettua kuumaa ilmaa ja injektoidaan lisäpelkistysaineita (Raahessa kivihiilipölyä). - Kohotessaan kaasu pelkistää raudanoksideja ja poistuu masuunin huipulta. - Pelkistykseen tarvittava hiilimonoksidi ja vety syntyvät masuunissa koksista ja hormeilta injektoitavista lisäpelkistysaineista. - Sula raakarauta ja kuona lasketaan rautareiästä masuunin alaosasta. 4

5 Masuunissa tapahtuvia ilmiöitä Rautamalmipelletti sisältää hematiittia ja magnetiittia, jotka ovat kaksi raudanoksidien eniten happea sisältävää esiintymismuotoa. CO ja H 2 kaasut pelkistävät raudanoksideja vaiheittain: hematiitti -> magnetiitti -> wüstiitti -> metallinen rauta. Erityisesti ensimmäiseen pelkistysvaiheeseen (hematiitti -> magnetiitti) liittyy hienoaineksen muodostumista. Pelkistyessään pelletit saattavat turvota. Rautapanos pehmenee 1200 ja 1350 C:n välillä ja panoksen kaasunläpäisevyys heikkenee nopeasti. Koksin hiili pelkistää jäännöswüstiitin metalliseksi raudaksi sulassa tilassa. Tämä ns. suorapelkistys vaatii huomattavasti kaasupelkistystä enemmän energiaa. Rautapanoksen tulisi kestää mahdollisimman korkeisiin lämpötiloihin menettämättä kaasunläpäisevyyttään. 5

6 6 Rautamalmipelletti Rautamalmi on masuunin pääraaka-aine metallurgisen koksin ohella. Rautamalmi koostuu raudanoksideista ja sivukivestä (harmemineraaleista). Rautamalmin rautapitoisuus tulee olla riittävän korkea (yli 58 %) ja sivukivipitoisuus riittävän alhainen. Raudan ohella pelletit sisältävät merkittäviä määriä SiO 2, MgO, CaO ja Al 2 O 3 komponentteja. Tavallisimmin malmi murskataan ja jauhetaan sellaiseen hienouteen, että metalli- ja sivukivimineraalirakeet ovat erillään toisistaan. Tämän jälkeen rikaste saatetaan kappalekokoon pelletoimalla (vaihtoehtoisesti sintraamalla tai briketoimalla). Tuorepelletit (green pellets) lujitetaan sintraamalla noin 1300 C:n lämpötilassa. Pelletti on pieni, luja rautarikastekuula. Emäksisiin pelletteihin ja oliviinipelletteihin on lisätty lisäaineita, jotta niiden metallurgiset ominaisuudet olisivat paremmat.

7 Rautapanosmateriaalien testaus Rautapanosmateriaalien käyttäytymistä masuunissa voidaan arvioida erilaisin laboratoriokokein. Tärkeimmät ISO organisaation standardisoimat testit: - Kylmäpuristuslujuus, ISO Rumpulujuus, ISO Matalan lämpötilan pelkistyslujuus (LTD), ISO sekä ISO ja -2 - Turpoaminen, ISO Pelkistyvyys, ISO 7215 ja ISO Pelkistyminen puristuksessa (RUL), ISO 7992 RUL-testi, ISO ISO testit tehdään vakiolämpötilassa ja muuttumattomassa kaasukoostumuksessa. 7

8 Väitöstyössä tutkitut ilmiöt Osajulkaisut Tutkimuskysymykset I II III IV V 1. Koeolosuhteiden vaikutus rautapanosmateriaalien käyttäytymiseen korkeissa lämpötiloissa X X 2. Kiertävien komponenttien vaikutus rautamalmipellettien turpoamiseen pelkistyksessä 3. Happamien ja kalkkilisättyjen rautamalmipellettien metallurgisten ominaisuuksien vertailu 4. Rautapanosmateriaalien pelkistymis- ja pehmenemiskäyttäytymisen vertailu X X X X X X 8

9 Tutkitut rautapanosmateriaalit Masuunipellettejä Sintteri Acid1 Acid2 Acid3 Olivine Limestone Sinter Fe tot FeO NA SiO MgO CaO Al 2 O S NA K 2 O NA Na 2 O NA NA NA = Ei analysoitu Kolmentyyppisiä rautapellettejä: - Hapan pelletti ( acid1, acid2 ja acid3 ) - Oliivipelletti ( olivine ) - Emäksinen/fluksattu pelletti ( limestone) Emäksinen sintteri ( sinter ) Merkittävimmät erot komponenteissa Fe tot, SiO 2, MgO ja CaO. Erot kemiallisessa koostumuksessa ja prosessiolosuhteissa ovat luoneet materiaalille erilaiset ominaisuudet. Tietyt komponentit, kuten rikki ja alkalit, saattavat vaikuttaa jo pieninä määrinä pelletin ominaisuuksiin. 9

10 Käytetyt koemenetelmät BFS ARUL 10

11 Tulosten analysointi Mikroskoopit - Stereomikroskooppi - LOM - FESEM-EDS Kemiallinen analyysi - XRF - Titraus (rauta) - Grav. (SiO 2 ) - FAAS Termodynaamiset laskentaohjelmistot - HSC Chemistry - FactSage 11

12 Päätulokset Selkeä ero turpoamisen määrässä ISO standarditestit eivät välttämättä anna realistista kuvaa rautapanosmateriaalin käyttäytymistä masuunissa. - ISO testien koeolosuhteet eivät vastaa masuuniolosuhteita. Väitöstutkimuksessa pellettien ominaisuudet määritettiin prosessiolosuhteita jäljittelevin testein. 12

13 Sulan osuus [%] Päätulokset Kehitettyä termodynaamista laskentamenetelmää voidaan käyttää ja on jo käytetty pelletin laadun kehittämisessä. Termodynaamisin laskennoin voidaan arvioida, miten kemiallista koostumusta tulisi muuttaa, jotta rautapanoksen sulaminen alkaisi vasta korkeammissa lämpötiloissa. Lämpötila [ C] 13

14 Teollinen merkitys Väitöstyö on olennainen osa laajempaa kokonaisuutta, jossa rautapelletin laatua kehitettiin. Yli 20 eri kemiallisen koostumuksen testipellettilaatua valmistettiin yhdessä pellettitoimittajan kanssa. Testipellettien metallurgiset ominaisuudet selvitettiin laboratoriotestein. Uutta pellettilaatua testattiin tuotannossa vuonna 2014 ja otettiin käyttöön syksyllä 2015 Raahen terästehtaalla. Tuloksena masuuniprosessin (erityisesti pesän) parempi toiminta ja pienentynyt pelkistinaineen kulutus. 14

15 Kiitokset - FIMECC / DIMECC - TEKES - Metallinjalostajien rahasto - Jenny ja Antti Wihurin rahasto - Tauno Tönningin säätiö - Walter Ahlströmin säätiö - Tekniikan edistämissäätiö - n tutkijakoulu - SSAB Europe Oy 15