Korkealämpötilaprosessit Pyrometallurgiset sulatusprosessit 4.10.2018 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, 2011. 1
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
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, 2011. 3
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 1889 - Valokaari elektrodien ja panoksen välissä - Käytössä lähinnä metalliromun sulatuksessa - Käytössä esim. Ovakon Imatran tehtaalla ja Outokummun Tornion tehtaalla Tasavirtauuni Kuva: http://ietd.iipnetwork.org/content/direct-current-dc-arc-furnace - 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, 2011. 4
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, 2017. 5
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, 26-29.5.2002. s. 413-428. Integrated pollution prevention and control (IPPC) BAT-reference document on the production of iron and steel, 2001. VKU Energiatase 6
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 10 30 kwh/t Lähde: Ville Fomkin, Esitys, POHTO, 2015. 7
Valokaariuuni Case Imatra Romupohjainen teräksen valmistus Imatralla Kuva: Ville Fomkin, Esitys, POHTO, 2015. 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, 2015. 8
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, 2011. Valokaariuuni Case Imatra Lähteet: Helena Kumpulainen & Reima Väinölä, Esitys, POHTO, 2011 & Ville Fomkin, Esitys, POHTO, 2015. 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
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, 2011. 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
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,, 2013. 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, 2016. 11
Valokaariuuni Case Tornio Valokaariuuni 2:n energiatase Sisään n. 600-630 kwh/t - Sähköenergia 67 76 % - Metallien hapettuminen 20 25 % - Hiilen palaminen 3 5 % - Kaasupolttimet 0 5 % Ulos n. 600-630 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, 2016. 12
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, 2016. - 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 25 30 kg/min koksin panostuksesta riippuen - Myös metalliin liuennut pii voi pelkistää kromioksidia kuonasta Kuva: Paavo Hooli, Esitys, POHTO, 2015. 13
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 38 26 9 4 3 8 1 3 1,5 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, 2007. - 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. 50 150 kg/min Valokaariuuni Case Tornio Kuva: Niko Hyttinen, Diplomityö,, 2013. 14
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 4 + 2 SO 2 Kuva: www.outotec.com - 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
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 1949 - Ensimmäinen myyty LSU Japaniin 1950-luvulla - 1956: Furukawa Co. Ltd., Ashio, Japani - 1960-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 1980- ja 1990-luvuilla, kun ympäristöpäästöjen merkitys korostui entisestään - 1980-luku: yht. 9 LSU:a (Venäjä, Brasilia, Filippiinit, Kiina, Meksiko, Bulgaria, Chile, Yhdysvallat, Australia) - 1990-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
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
Liekkisulatus Kuparia tehdään kivestä, joka toimitetaan tehtaalle hiekkana. - Sydän-Satakunta 22.4.2002 Liekkisulatus Reaktiokuilu Nousukuilu Alauuni Lähde: Ville Naakka, Esitys, POHTO, 2015. 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 20 30 % - 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 45 50 % - Pölynpoisto, lämmöntalteenotto, rikkihapon valmistukseen 18
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, 2018. 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, 2018. 19
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,, 2003. 20
Liekkisulatuskuonat Kiinteän magnetiitin muodostuminen kuonasta Kuva: Janne Palosaari, Diplomityö,, 2003. 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,, 2003. Kuva oikealla: Hannu Johto, Esitys, POHTO, 2018. 21
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, 2018. Kuva oikealla: Janne Palosaari, Diplomityö,, 2003. 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, 2018. 22
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
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, 2018. 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
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
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
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, 2017. 27
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 (150 250 Hz) - keskitaajuusuunit (500 1000 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 5 100 t Lähteet: Meskanen&Toivonen: Sulatto valimoprosessin osana / Sulaton laitteistot. Valimotekniikan perusteet. Pahkala, Esitys, POHTO, 2017. 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 10 30 tonnia - Hyötysuhde heikkenee panoskoon pienentyessä - Saavutettava laatu parempi kuin induktiouuneissa - Ongelmana savunmuodostus Lähde: Meskanen&Toivonen: Sulatto valimoprosessin osana / Sulaton laitteistot. Valimotekniikan perusteet. 28
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
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, 2002. Kuva: Stig-Göran Nilsson, Jernkontoretin kuva-arkisto. 30