Korkealämpötilaprosessit Esikäsittelyprosessit 1.10.2018 klo 8-10 PR126B 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, 2002. (Stig-Görna Nilsson, JK:n arkistot). 1
Sisältö Termiset esikäsittelyprosessit - Kuivaus Mekaaniset esikäsittelyprosessit - Agglomerointiprosessit - Sintraus - Pelletointi - Briketöinti - Jauhatus, seulonta, ym. mekaaniset yksikköprosessit Kemialliset esikäsittelyprosessit - Pasutus - Kalsinointi - (Kemiallisia) Lämpökäsittelymenetelmiä - Leijupetiuunit, rumpu-uunit, pyörivät arinauunit - Koksaus kivihiilen kuivatislaus Kuva: Brikettejä (SSAB Raahe). Timo Paananen esitys POHTOssa, 2013. Tietyt prosessit voivat sisältää termisiä, kemiallisia ja mekaanisia ilmiöitä - 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
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, 2013. 3
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,, 2011. & Jenni Räisänen, TkK-työ,, 2012. 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,, 2011. 4
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
Pelletointi Kuva: Åsa Partapuoli, LKAB esitys POHTOssa, 2013. 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, 2013. 6
Pelletointi Case LKAB Kuva: Åsa Partapuoli, LKAB esitys POHTOssa, 2013. Pelletointi Case LKAB Kuvat: Åsa Partapuoli, LKAB esitys POHTOssa, 2013. 7
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,, 2013. 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, 2013. 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
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, 2013. Briketöinti Case Raahe Lähde: Timo Paananen, SSAB esitys POHTOssa, 2013. 9
Briketointi Brikettien valmistus hienojakoisista poisteista. SSAB, Luleå, Norrbotten, 2002. Kuvat: Stig-Göran Nilsson (JK:n arkistot). Brikettien valmistus hienojakoisista poisteista. SSAB, Oxelösund, Södermanland, 2002. 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
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 O 2 = MeO + SO 2 - SO 2 + 1/2 O 2 = SO 3 - MeO + SO 3 = MeSO 4 - Osa jää liukenemattomaan muotoon (oksidit) - Raudan erotus arvometalleista (Cu, Ni, Zn, Co) - Edeltää hydrometallurgisia prosessivaiheita - Usein leijupetipasutus 11
Pasutus Case Boliden Kokkola Sinkkirikasteen pasutus ennen hydrometallurgista sinkin valmistusta Happirikastetun ilman puhallus rikastepatjan läpi leijupetiuunissa - T = 900 1000 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
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 käyttö mm. kuonanmuodostajana Muita kalsinointiprosesseja Taulukkoarvot: HSC Chemistry for Windows 9.1 - Dolomiitin (CaMg(CO 2 ) 2 ) hajottaminen - Alumiinihydroksidin (Al(OH) 2 ) hajottaminen Rakeisen materiaalin lämpökäsittelymenetelmiä Tavoitteena - Pasutus anioninvaihto - Kalsinointi - Kidemuodon konvertointi kiinteän tilan faasitransformaatiot - Kuivaus Teknisiä toteutustapoja - Leijupetiuunit - Rumpu-uunit - Nauhauunit - Pyörivät arinauunit - Sintraus 13
Leijupetiuunit Kaasuvirtauksen johtaminen hienojakoisen materiaalin läpi - Sopivalla virtausnopeudella materiaalipeti alkaa leijua - Tehokas sekoittuminen ja lämmönsiirto - Suuri kontaktipinta-ala kaasun ja kiintoaineen välillä - Käyttö panosprosessina tai jatkuvatoimisesti Kuplaleijupeti (kupliva leijupeti) - Reaktoriin muodostuu selkeästi erottuva kupliva peti Lähteet: Olli Peltosaari, Diplomityö,, 2013 & Visa Isteri, Diplomityö,, 2017. Kiertoleijupeti (kiertävä leijupeti) - Kaasun virtausnopeus ylittää hiukkasten vapaan putoamisnopeuden (ns. terminaalinopeus) - Kaasun virtausnopeuden säätötarve ei niin tarkka kuin edellä - Reaktorin koko tilavuus täyttyy leijupedistä - Merkittävä osa kiintoaineesta kulkeutuu kaasun mukana ulos reaktorista - Vaaditaan kiintoaineen erotus kaasusta ja palautus reaktoriin, esim. sykloni Leijupetiuunit Fluidisaation vaiheet leijupetiuunissa - Kaasun virtausnopeuden kasvattaminen paikallaan olevan kiintoainepartikkelipatjan läpi johtaa fluidisaatioon = Kiintoaineen käyttäytyminen fluidin tavoin 1) Matala kaasunopeus Kaasu virtaa materiaalin läpi, mutta peti pysyy paikallan 2) Kaasun virtausnopeus kasvaa Peti alkaa kuplia 3) Kaasun virtausnopeus kasvaa Turbulenttinen leijupeti 4) Kaasun virtausnopeus ylittää terminaalinopeuden - Kiertoleijupeti Lähde: Visa Isteri, Diplomityö,, 2017. 14
Rumpu-uunit Pyörivä kallistettu sylinteri - Prosessoitava materiaali kulkeutuu sylinterin läpi sekoittuen - Pyörimisliike ja painovoima Jaottelu lämmitystavan mukaan - Suoraan lämmitettävät - Materiaalin lämmitys kuumalla kaasuvirralla - Kaasun kuumennus öljyä, maakaasua, propaania tai butaania polttamalla - Palaminen polttokammiossa tai rummun sisällä - Lämmönsiirto: lähinnä kaasukonvektio ja säteily liekistä - Uuniputken oltava eristävä ja kestettävä rasituksia - Myötä- tai vastavirtaperiaate vastavirta yleisempi - Täyttöaste yleensä noin 10 % - Tarvitaan suuri kaasun virtausnopeus ei sovellu erittäin hienojakoisille materiaaleille - Epäsuoraan lämmitettävät Lähteet: Olli Peltosaari, Diplomityö,, 2013 & Salla Strand, Diplomityö,, 2016. Rumpu-uunit Pyörivä kallistettu sylinteri - Prosessoitava materiaali kulkeutuu sylinterin läpi sekoittuen - Pyörimisliike ja painovoima Jaottelu lämmitystavan mukaan - Suoraan lämmitettävät - Epäsuoraan lämmitettävät - Lämmitys sähkövastuksilla tai polttimille (öljy, kaasu) uunin ulkopuolelta - Lämmönsiirto: Johtuminen rummun seinämän läpi - Korkeissa lämpötiloissa säteily rummusta materiaaliin - Mahdollisuus jakaa lämmitysvyöhykkeisiin - Vakiolämpötila tai haluttu lämpötilaprofiili - Tarkempi lämpötilan säätö kuin suoraan lämmitettävissä - Lämpötehokkuus heikompi kuin suoraan lämmitettävissä - Tyypillisesti pieniä Halkaisija enintään 1,3 metriä - Kaasuvirtaukset pieniä soveltuvat myös hienojakoisille materiaaleille Lähteet: Olli Peltosaari, Diplomityö,, 2013 & Salla Strand, Diplomityö,, 2016. 15
Nauhauunit Jatkuvatoimisia hihna- tai kuljetinuuneja - Liikkuva verkko-, ketju- tai mattotyyppinen nauhakuljetin - Hihnan nopeuden säätö materiaalin mukaan - Materiaali ei sekoitu kuten rumpu-uunissa Sovelluskohteita - Kiinteät kappaleet - Rakeiset ja jauhemaiset materiaalit Lämmitys sähköllä tai polttimilla - Suora tai epäsuora (kuten rumpu-uuneissa) - Lämpötila hyvin säädettävissä pituussuunnassa Rakenne Lähde: Olli Peltosaari, Diplomityö,, 2013. - Voidaan jakaa vyöhykkeisiin - Koostuvat yleensä lastauspöydästä, lämmitysvyöhykkeistä ja purkupöydästä - Haasteena voi olla lämpötilajakauman tasaisuus leveyssuunnassa Pyörivät arinauunit Jatkuvatoimisia hihna- tai kuljetinuuneja - Kuljettimena kiertäen liikkuva arina - Syöttö hihnan tiettyyn kohtaan, josta materiaali kiertää lähes täyden kierroksen ja poistuu prosessoituna - Hihnan nopeuden säätö materiaalin mukaan - Vaikutud viipymäsikssn - Materiaali ei sekoitu kuten rumpu-uunissa Sovelluskohteita - Haihtuvien (haitallisten) aineiden poisto kaasufaasin kautta - Pelkistys - Sintraus - esim. hienojakoisten poisteiden käsittely Lämmitys polttimilla Kuvat: Daiga, Horne & Thorntonin sekä McClellandin esitykset. 61st Ironmaking conference, Nashville, Tennessee, USA. 10-13.3.2002. 16
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 16 35 % - 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 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 17
Koksaus Koksaus Kuvat: Koksaamo SSAB:n tehtaat, Luleå, Norrbotten, 2002 (Stig-Göran Nilsson, JK:n arkistot). 18
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 19