Korkealämpötilaprosessit

Korkealämpötilaprosessit Pyrometallurgiset raffinointiprosessit 8.10.2018 klo 810 PR126B Tavoite Tutustua keskeisimpiin pyrometallurgisiin raffinointiprosesseihin Erityisesti teräksen, ruostumattoman teräksen ja kuparin valmistus Raffinointiprosessien rooli ja tehtävät metallien valmistusketjuissa Tutustua tarkemmin erilaisiin konvertteriprosesseihin Tehtävät Raakaaineet ja tuotteet Keskeisimmät ilmiöt Kuonat Raakaraudan panostus konvertteriin. SSAB:n Luleån tehtaat, Norrbotten, 2002. Kuva: StigGöran Nilsson, JK:n arkistot. 1

Sisältö Yleistä Konvertterit malmipohjaisessa teräksen valmistuksessa Case SSAB Raahen tehdas LDKG Konvertterit ruostumattoman teräksen valmistuksessa Case Outokumpu Tornion tehdas CRK ja AOD Muut konvertteriprosessit Raakateräksen lasku konvertterista. SSAB:n Luleån tehtaat, Norrbotten, 2002. Kuva: StigGöran Nilsson, JK:n arkistot. Case Boliden Harjavalta: PSkonvertteri Case Boliden Rönnskär: Kaldokonvertteri Case Tevo Lokomo: Valimoiden raffinointiprosessit 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 LDKG 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

Konvertteriprosessit Tavoitteena hiilenpoisto mellotus Lisäksi lämpötilan säätö sekä koostumuksen hallinta oikeiksi jatkoprosessien kannalta Laitetekniset toteutukset Päältäpuhalluskonvertteri (LD, BOS, BOF, BOP) Pohjapuhalluskonvertteri (OBM, QBOP) Yhdistelmäpuhalluskonvertteri (LDKG, KBOP) Arvometallien hapettumisen ehkäisy CO:n osapainetta laskemalla esim. ruostumattomien terästen valmistuksessa Keinot hiilimonoksidin osapaineen laskemiseksi Kokonaispaineen alentaminen (VOD) CO:n osapaineen laskeminen argon/typpilisäyksellä (AOD) Teräksen tuotanto Lähde: www.worldsteel.org 3

Temperature 2.10.2018 Raudan ja teräksen valmistus FeOCsysteemissä esitettynä Pig iron BOF Crude steel BF Fe 3 O 4 FeO Fe 2 O 3 Carbon content Iron ore / concentrate Oxygen content LDKGkonvertteri osana teräksen valmistusta Composition Adjustment by Sealed argon bubbling with Oxygen (CASOB) Kuva: Tuomas Antola, Esitys, POHTO, 2018. 4

LDKGkonvertteri Case SSAB Raahe Kolme konvertteria, joista 23 käytössä tuotantotilanteen mukaan Panoskoko 125 tonnia MgOCtiilivuoraus Kahdenlaisia (kokoisia) pohjasuuttimia Vuorauksen kulumisen lasermittausmahdollisuus Pneumaattinen kuonanpidätys Lähde: Heikki Pärkkä, Esitys, POHTO, 2017. LDKGkonvertteri Tehtävänä raakateräksen valmistus raakaraudasta Piin ja hiilen poisto Raakaraudassa n. 4,5 % hiiltä Raakateräksen hiilipitoisuus riippuu valmistettavasta teräslajista voi olla jopa alle 0,01 % Mellotus (hiilenpoisto) ja piin poisto toteutetaan puhaltamalla happea yliääninopeudella päältäpuhalluslanssin kautta Sekoitusta tehostetaan puhaltamalla inerttiä kaasua (argon tai typpi) pohjasuutinten kautta Lanssikorkeudella voidaan ohjata hapettumisreaktioita ja kuonanmuodostumista Vuorattu MgOCtiilillä Piin hapettuessa syntyy hapan kuona, jonka emäksisyyttä on nostettava nopeasti kalkin avulla 5

LDKGkonvertteri Raakaaineet Sula raakarauta Teräsromu Jäähdytysmateriaalit esim. raudan oksidit Kuonanmuodostajat Poltettu kalkki Happi päältäpuhalluslanssista Inertit kaasut pohjapuhalluksesta Kaasunpuhdistuslietettä (yläkuva) ja kuonankaato (alakuva). SSAB, Luleå, Norrbotten, 2002. Kuvat: StigGöran Nilsson (JK:n arkisto) Tuotteet Sula raakateräs Tiivistetään ja seostetaan kaadon yhteydessä Jatkaa senkkakäsittelyihin Konvertterikuona Kuonanpidätys, jotta hapettava konvertterikuona ei päätyisi terässenkkaan Savukaasut Pölyt kaasunpuhdistuksesta Konvertteriin panostettavaa romua. SSAB, Luleå, Norrbotten, 2002. Kuvat: StigGöran Nilsson (JK:n arkisto) LDKGkonvertteri Raakaaineet ja tuotteet SSAB/Raahe Kuva: Tuomas Antola, Esitys, POHTO, 2018. 6

LDKGkonvertteri Vaiheet Kuvat: Tuomas Antola, Esitys, POHTO, 2018. LDKGkonvertteri Mitä konvertterissa tapahtuu? Happipuhallus päältäpuhalluslanssilla Hiilen, piin, ym. palaminen Kuonanmuodostuminen Sekoituksen parantaminen pohjapuhalluksella Pölyn muodostuminen Alkuaineiden jakautuminen eri faasien kesken 7

LDKGkonvertteri Happipuhallus päältäpuhalluslanssilla Lavaltyyppinen lanssi 1 5 suutinta Yliäänennopeus Lanssin korkeus ja kaasunnopeus vaikuttavat muodostuvan kraaterin syvyyteen ja pintaalaan roiskumiseen pisaroitumiseen v0 vj LDKGkonvertteri Happipuhallus päältäpuhalluslanssilla Kova vs. pehmeä puhalluspraktiikka 8

(simuloituja arvoja) 2.10.2018 LDKGkonvertteri Happi ja teräs X 2 tyyppisen kaasun liukeneminen metallisulaan: Hapen liukoisuus sulaan rautaan: Terässulaan puhallettava happi liukenee metalliin ja hapettaa piitä, hiiltä ja muita teräkseen liuenneita aineita Raakateräkseen jää hiukan liuennutta happea Hapen liukoisuus sulaan rautaan on hieman yli 0,2 p% (1600 C) liukoisuutta ei yleensä saavuteta konvertterissa Lopullinen happipitoisuus riippuu loppuhiilipitoisuudesta Mitä vähemmän hiiltä, sitä enemmän happea C O CO g Si 2 O SiO 2 Fe O FeO LDKGkonvertteri Hapettumisreaktiot konvertterissa Reaktiot kaasumaisen ja liuenneen hapen kanssa Tärkeimpiä piin ja hiilen hapettuminen Myös muut aineet (Ti, V, jne.) hapettuvat Raudan liiallista hapettumista tulisi välttää rautatappioiden välttämiseksi Palamisreaktioissa vapautuu paljon lämpöä Hyödynnetään romun sulattamiseksi Tarvittaessa jäähdytys rautaoksideja lisäämällä Pelkistykseen kuluu energiaa Oxidation of elements in steel C into CO(g) 2.6 C into CO 2 (g) 9.1 Si into SiO 2 8.7 Mn into MnO 1.7 P into P 2 O 5 9.3 Fe into FeO 1.1 Heat released [kwh/kgelement] 9

LDKGkonvertteri Hapettumisreaktiot konvertterissa Kuvat: Tuomas Antola, Esitys, POHTO, 2018. LDKGkonvertteri Prosessointiaikaa pyritään lyhentämään parantamalla sekoitusta pohjapuhalluksen avulla Inerttien kaasujen (N 2, Ar) lisäksi voidaan puhaltaa myös muita kaasuja (O 2, CO 2, hiilivedyt) Pohjapuhalluksen merkitys Tehokkuus Kuonanmuodostajien kulutus Seosaineiden kulutus Tuotannon joustavuus Laatu Lähteet: Heikki Pärkkä: Esitys, POHTO, 2017. Toshihiko Emi: ISIJ Int. 55(2015)1, 3666. (kuvat) 10

2.10.2018 Tehtävät Kuva: www.steeluniversity.org LDKGkonvertteri Kuonat Kuonatie: Koota hapettumistuotteet yhteen faasiin (paitsi CO, CO2) Epäpuhtauksien poisto Lämmöneristys Teräksen suojaus typettymiseltä Kuonanmuodostus Kuonanmuodostajat: CaO, MgO,... Hapettumistuotteet: SiO2, FeO, MnO, Al2O3,... Vuorauksesta liuenneet: MgO, CaO, SiO2, Al2O3,... (edellisten prosessivaiheiden kuonat) Aluksi pii ja rauta hapettuvat kalkki ei ole vielä liuennut Kalkin liukeneminen kuonan CaOpitoisuus kasvaa Hapettunut rauta pelkistetään kuonasta metalliin Kalkin liukenemista nopeutetaan korkealla lanssilla Kalkin ylikyllästymistä tulisi välttää ei osallistu reaktioihin Raudan pelkistymistä nopeutetaan matalalla lanssilla Puhallettaessa liian pitkään raudan hapettuminen jatkuu Kuonan tulee olla sulaa ja se ei saa aiheuttaa liian suurta rasitusta vuorausmateriaaleille LDKGkonvertteri CaO 53,6 SiO2 12,2 MgO 1,71 Mn 2,66 Fe 17,0 S 0,04 Voi olla korkeampi käytettäessä dolomakalkkia kuonanmuodostajana. V 1,71 P 0,34 Konvertterikuonan pääkomponentit ovat CaO, FeO ja SiO2 TI 0,92 Tyypillinen kuonamäärä 50 100 kg/tte Kalkin lisäys n. 40 60 kg/tte Voi olla korkeampi (riippuu käytettävien raakaaineiden koostumuksista) Kuona puhalluksen lopussa Sisältää hapettunutta rautaa hyvin hapettava kuona Senkkaan päätyessään hapettava kuona laskee seosaineiden saantia huonontaa teräksen kuonapuhtautta sulkeumat Konvertterikuonaa ei tulisi päästää senkkaan Kuva: Paananen, Ollila, Syrjänen & Mäkikyrö: Esitys. POHTO, Oulu. 2011. Kalkkiylimäärää pyrittävä välttämään, koska liukenematon kalkki ei kuitenkaan osallistu reaktioihin (turha kustannuserä) lisäksi kiinteää kalkkia sisältävä kuona on heterogeenisenä vaikeammin käsiteltävä Kuonanpidätys 11

(P)/[P] (S)/[S] 2.10.2018 9 8 7 6 5 4 3 LDKGkonvertteri Rikinpoisto konvertteriolosuhteissa Konvertteriolosuhteet eivät optimaaliset rikinpoistolle Rikinpoisto vaatii pelkistävät olosuhteet ja emäksisen kuonan Kuona ok, mutta olosuhteet ovat hapettavat Vaaditaan erillinen rikinpoisto Varsinainen (raakaraudan) rikinpoisto masuunin jälkeen Rikinpoistomahdollisuus ennen panostusta konvertteriin Lopullinen rikinpoisto senkkakäsittelyjen yhteydessä 2 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 CaO/SiO2 160 140 120 100 80 60 Fosforinpoisto konvertteriolosuhteissa Konvertteriolosuhteet soveltuvat hyvin fosforinpoistoon Fosforinpoisto vaatii hapettavat olosuhteet ja emäksisen kuonan olisi vaikeaa toteuttaa terässenkassa Fosforinpoistoon voidaan vaikuttaa puhalluspraktiikalla hapettavan kuonan aikaansaaminen Matalammat lämpötilat suosivat fosforinpoistoa Tyypillinen raakaraudan Ppitoisuus 0,06 0,1 p% 40 20 0 1600 1620 1640 1660 1680 1700 1720 1740 1760 1780 Lämpötila, ( C) Kuvat: Paananen, Ollila, Syrjänen & Mäkikyrö: Esitys. POHTO, Oulu. 2011. LDKGkonvertteri Konvertterivuorausten kuonasuojaus Slag splashing Teräksen kaadon jälkeen jätetään sula kuona konvertteriin Typen puhallus lanssin kautta Sula kuona roiskuu konvertterin seinämille Kuona tarttuu seinämiin ja jähmettyy Jähmettynyt kuona suojaa vuorausta muutaman sulatuksen ajan Uusittava Menetelmä yleistynyt monissa terästehtaissa viime vuosikymmenien aikana Parhaimmillaan voi nostaa vuorausten kestoikää 1500 2000 sulatuksesta aina 30000 sulatukseen Kuva: Mills, Su, Fox, Li, Thackray & Tsai: ISIJ Int. 45(2005)5, 619633. 12

LDKGkonvertteri Mitä alkuaineille tapahtuu? Steel scrap O 2 Dust Zn, Pb Pig iron Na, K Slag Al, Si, V, Zr Ti, B, Nb Lime Mn, Cr, S, P Additional agents Crude steel Cu, Ni, Mo, Sn N 2 Ar Epäpuhtauksien hallinta = Kuonan hallinta! Ruostumaton teräs Kromiseostettuja teräksiä Cr > 12 wt% Passivaatiokalvon muodostuminen Korroosio pysähtyy (hidastuu) (vaatii hapettavat olosuhteet) Ferriittiset ruostumattomat teräkset Muistuttaa ominaisuuksiltaan niukkaseosteisia teräksiä Toinen keskeinen seosaine on nikkeli Austeniittiset ruostumattomat teräkset 18/8 on yleisin ruostumaton teräs Sitkeys, muovattavuus, laaja käyttölämpötilaalue, hitsattavuus Molybdeenin käyttö (piste)korroosion keston parantamiseksi happoja vastaan Martensiittiset ruostumattomat teräkset Lujuus ja kovuus, kohtalainen korroosionkesto Duplexteräkset (Ni n. 2 3 %) Austeniitti + Ferriitti Lujuus ja sitkeys 13

Ruostumaton teräs ja sen valmistus Käyttökohteet Arkkitehtuuri ja rakentaminen Elintarviketeollisuus Autoteollisuus Sellu ja paperiteollisuus Suolanpoisto Offshore Kuvat: Outokumpu. Tuotanto Suomessa Outokummun Tornion tehtaat Ruostumattomien terästen valmistus Ruostumattomien terästen käyttö ja valmistus kasvavat nopeammin kuin terästen keskimäärin Noin 2,9 % maailman ruostumattomasta teräksestä tehdään Suomessa (16,8 % EU:n tuotannosta) Outokumpu valmistaa n. 8 % maailmantuotannosta 14

Ruostumattomien terästen valmistus Raakaaineiden esikäsittelyt Kromiittimalmin louhinta ja rikastus Kromiittipellettien tuotanto Teräsromun kuivaus ja luokittelu Ferrokromin tuotanto Uppokaariuuni Kuvat: Outokumpu. Ruostumattoman teräksen tuotanto Valokaariuuni raakaaineena teräsromu Kromikonvertteri raakaaineena ferrokromisula AODkonvertteri raakaaineina VKU ja CRKsulat Senkkakäsittelyt ja jatkuvavalu Kuuma ja kylmävalssaus Kromikonvertteri Miksi kromikonvertteri? Torniossa ruostumattoman teräksen valmistuksen yhtenä raakaaineena käytetään sulaa ferrokromia FeCrtehtaalta Ferrokromin tuotanto ei käy täysin yksin ferrokromin tarpeen kanssa Tarvitaan puskuri FeCr:n ja teräksen tuotannon välille Piinpoisto ja osittainen mellotus Lyhentää puhallusaikaa AODkonvertterissa Eksotermisissä reaktioissa vapautuvaa lämpöä voidana hyödyntää romun sulatuksessa Lisäksi kromikonvertterin geometria vastaa AODprosessia Voidaan tarvittaessa käyttää varaaod :na Tehtävät Puskurina toimiminen (mahdollisuus sulan FeCr:n käyttöön) Energiatehokkuus (ei tarvetta jäähdyttää FeCr:a) Piin ja hiilen poisto (lyhentää käsittelyaikaa AOD:lla) Kemiallisen energian hyödyntäminen romun sulattamiseksi Kuva: Pentti Kupari. 15

Kromikonvertteri Raakaaineet Sula ferrokromi Cr 53 %, Fe 35 %, C 7 %, Si 4,5 % Siiloista Kuonanmuodostajat: Kalkki, dolomiittikalkki Niraakaaineet Fepelletit Siiloromu Kiinteä ferrokromi Ruuhipanostus Febriketit Lyhytromu Hapen (lanssi, suuttimet) ja paineilman (suuttimet) puhallus Tuotteet Kromikonvertterisula Cr 37 %, C 3 %, Si 0,1 % Kuona Savukaasut (CO 2 ) Kuva: Pentti Kupari. Kromikonvertteri Panoskoko vaihtelee tarpeen mukaan 30 100 t Ilmiöt Hapettumisreaktiot Lähinnä hiili ja pii Hiilen palaminen alkaa piin loputtua kuonan kuohuminen Jos hiili puhalletaan matalaksi, alkaa kromi hapettua Päältäpuhallus Pohjapuhallus ja sekoitus Kuonanmuodostus Kaikkea kalkkia ei panosteta kerralla Jos prosessissa liukenematonta kalkkia, niin prosessin ajo vaikeutuu 16

Kromikonvertteri Piin, kromin ja hiilen hapettumisreaktiot X Si a Cr2O3 a SiO2 vakio, kun X C koska a SiO2 kiinnitetään CaO:lla ja MgO:lla Hyvä korrelaatio Huono korrelaatio Matala X Si on tavoiteltua puhalluksen lopussa. Korkea X Si voi olla merkki vajaasta sekoituksesta. Termodyn. tasapainoa ei ole saavutettu. Vakio a SiO2 johtaa vakio X C:een Kuonan muokkaus: a SiO2 X C Kuitenkin: X C Cr hapettuu Lähde: Heikkinen EP, Ikäheimonen T, Mattila O, Fabritius T & Visuri VV: EOSC2011 conference. Stockholm, Sweden. 79.9.2011. s. 316329. Kromikonvertteri Piin, kromin ja hiilen hapettumisreaktiot Hapen osapaineen arvot kuvaavat piin, hiilen ja kromin hapettumisjärjestystä (l. kuinka korkea/matala täytyy p O2:n olla, jotta Si, C tai Cr hapettuu) C/Cr hapettuu Si hapettuu Si C ja Cr X Si = 0.005 Merkittävä CRKprosessidata: ero hapen osapaineen arvoissa N 2:n ja Ar:n käyttö hapen (0.3 p%) Cr hapettuu kun sijasta Cr:n hapettumisen Hapettumisreaktiot Sipitoisuus on eivät alle 0.1 tasapainossa p% ehkäisemiseksi keskenään Lähde: Heikkinen EP, Ikäheimonen T, Mattila O, Fabritius T & Visuri VV: EOSC2011 conference. Stockholm, Sweden. 79.9.2011. s. 316329. 17

AODkonvertteri Tehtävä = Ruostumattoman teräksen valmistus Hiilen (ja piin) poisto ilman merkittäviä Crtappioita Argonpuhallus lopussa Typpipitoisuuden hallinta Seosainepitoisuuksien hallinta (Cr, Ni, Mn, Mo) Happipuhallus päältäpuhalluslanssilla: 2 C + O 2 (g) = 2 CO(g) Myös kromia hapettuu: 4 Cr + 3 O 2 (g) = 2 (Cr 2 O 3 ) Reaktiotasapaino siirtyy oikealle, jos kasvatetaan lähtöaineiden aktiivisuuksia/määriä alennetaan tuotteiden aktiivisuuksia/määriä Kuva: Petri Mure AODkonvertteri 2 C + O 2 (g) = 2 CO(g) 4 Cr + 3 O 2 (g) = 2 (Cr 2 O 3 ) Hapen osapaineen kasvattaminen parantaa hiilenpoistoa lisää kromin hapettumista Hiilimonoksidin osapaineen alentaminen parantaa hiilenpoistoa ei lisää kromin hapettumista Hiilimonoksidin osapaineen lasku kokonaispainetta laskemalla (VOD) CO:n osuutta laimentamalla inertillä kaasulla (AOD) Kromia hapettuu silti jonkin verran Tarvitaan kuonanpelkistys mellotusvaiheen jälkeen Kuva: Petri Mure 18

AODkonvertteri Raakaaineet Metallisula valokaariuunista ja kromikonvertterista Cr 20 %, Ni 6 %, C 2 %, Si 0,1 % Siiloista Kuonanmuodostajat: Kalkki, dolomiittikalkki, fluspaatti Cr,Ni,Mo seosaineet Siiloromu Pelkistimet: FeSi, SiMn Kaasupuhallus Mellotusvaiheessa happea päältäpuhalluslanssin ja pohjapuhallussuutinten kautta Mellotuksen edetessä happea korvataan ensin typellä ja sitten argonilla Mellotuksen viimeisessä vaiheessa ei lanssipuhallusta Pelkistys ja rikinpoistovaiheissa argonpuhallus pohjasuutinten kautta Kuva: Pentti Kupari. Tuotteet AODsula Koostumus riippuu teräslajista esim. Cr 18 %, Ni 8 %, C 0,04 %, Si 0,5 % Kuona (CaOMgOSiO 2 ) Savukaasut (CO 2 ) + pölyt AODkonvertteri 1vaihe: Mellotus Happipuhallus Piinpoisto Hiilenpoisto Kromin hapettuminen Kuonan muodostuminen 2vaihe: Pelkistys Typen ja argonin puhallus Kuonan pelkistys (yleensä FeSi:llä) Hapettunut kromi pelkistetään takaisin metallifaasiin Myös muiden aineiden (Fe, Mn) pelkistymistä Teräksen tiivistys Typpipickupia voi esiintyä Näytteenotto AODkonvertterista. AB Sandvik Materials Technology, Sandviken, Gästrikland, 2015. Kuva: Pia & Hans Nordlander, JK:n arkistot. 3 vaihe: Rikinpoisto Rikinpoisto CaO:n avulla emäksinen kuona Voidaan toteuttaa yhdessä pelkistysvaiheen kanssa 19

Nitrogen content in the steel melt (w%) ' 2.10.2018 AODkonvertteri Teräksen korkea Crpitoisuus kasvattaa typen liukoisuutta terässulaan Typen hallinta on tärkeää ruostumattomien terästen valmistuksessa 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 Matalampi T Nipitoisuus kasvaa (Matalampi T) Nipitoisuus kasvaa Crpitoisuus kasvaa Fe FeCr17 FeCr17Ni8 Fe [3] Fe [4] FeCr17 [4] FeCr17Ni10 [3] [3] Small & Pehlke. Transactions of the Met. soc. of AIME. Vol. 242. 1968. pp. 25012505. [4] Jiang, Li, Chen, Huang, Zou & Liang. Steel research int. Vol. 76. 2005. pp. 740745. 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Square root of the nitrogen pressure in the gas phase (Molemmat 1873 K) Kuva: Heikkinen EP, Riipi J & Fabritius T: Clean Steel 7. 46. 6. 2007. Balatonfüred, Hungary. s. 436443. AODkonvertteri Happipuhallus Typpipitoisuuden hallinta Typpipuhallus Argonpuhallus Päältä ja Taso liian Pohjapuhallus pohjasta puhallus korkea Typpi olisi halvempaa Typen hyvä liukoisuus Kromin hapettuminen ruostumattomiin ja kuonautuminen teräksiin On tärkeää Kromin osata pelkistäminen määrittää typpi/argon kuonasta metalliin Kromin hapettuminen vaihtopiste hidastuu Piin poisto Hiilenpoisto 20

Nitrogen content [ppm] (u p (mm/s) Ajava voima 2.10.2018 AODkonvertteri Typpipitoisuuden hallinta 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 Ajava voima 0 10 20 30 40 Blowing time [min] Measured values Computational values Thermodyn. submodel Kuva oikealla: Heikkinen EP, Riipi J & Fabritius T: Clean Steel 7. 46. 6. 2007. Balatonfüred, Hungary. s. 436443. AODkonvertteri Pohjapuhalluksen vaikutus värähtelyyn Pieni tunkeuma vakaa sulapatja suhteellisen hitaat virtaukset 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0,02 0,05 0,08 0,12 Gas flow rate (m 3 /min/tuyere) STP Tunkeuma konvertterin keskelle sulapatjan voimakas heilunta kaksi yhtä voimakasta kiertovirtausta Värähtelyn intensiteetti suutinpuhalluksen funktiona Syvä tunkeuma vakaa sulapatja voimakas kiertovirtaus Lähde: T. Fabritius, P. Mure & J. Härkki, ISIJ Int. 43 (2003), 1177. 21

AODkonvertteri AODkuona muodostuu Hapettumisreaktioiden tuotteista SiO 2, Cr 2 O 3, FeO, MnO Kuonanmuodostajista kalkki, doloma Liuenneista vuorausmateriaaleista Tyypillinen AODkuonan koostumus mellotusvaiheen lopussa: Lähde: Roininen, Kupari & Parviainen: Esitys. POHTO, Oulu. 2011. Mellotusvaiheen kuona Piillä on korkein happiaffiniteetti hapettuu ensin Kalkin lisäys alkuvaiheessa CaO+SiO 2 pohjainen kuona Kalkin tulisi liueta nopeasti vältetään vuorauksen kuluminen Liiallinen kalkinlisäys johtaa kuonamäärän kasvuun ja hidastaa mellotusta Piinpoiston jälkeen happi reagoi hiilen ja kromin kanssa riippuu lämpötilasta, metallin koostumukseta ja p CO :sta Kromin hapettumisen vähentämiseksi happipuhallusta korvataan happi/typpi ja happi/argonpuhallukseksi Jos Cr 2 O 3 > 5 % kuonassa erkaantuu omaksi faasikseen Rautaa ja mangaania hapettuu jonkin verran AODkonvertteri Tyypillinen AODkuonan koostumus pelkistysvaiheessa: Lähde: Roininen, Kupari & Parviainen: Esitys. POHTO, Oulu. 2011. Pelkistysvaiheen kuona Kromia, rautaa ja mangaania on hapettunut mellotuksessa Pelkistys FeSi tai SiMn lisäys Teräksen tiivistys piillä samanaikaisesti Jos vaaditaan erittäin matalia happipitoisuuksia, voidaan lisätä alumiinia tiivistysaineeksi Jos kuonanpelkistys epäonnistuu: kromihävikki kuonaan kasvaa rikinpoisto epäonnistuu teräksen tiivistys epäonnistuu Kuonanpelkistys vaatii emäksisen ja juoksevan kuonan CaF 2 :n lisäys viskositeetin alentamiseksi Pelkistystä nopeutetaan sekoituksella ja korkealla lämpötilalla Rikinpoistovaiheen kuona Vaatii matalaviskositeettisen ja emäksisen kuonan Kaksikuona tai yksikuonapraktiikka Doloman käyttö kuonanmuodostajana MgO alentaa viskositeettia ja likviduslämpötilaa Ei tarvetta fluspaatille Vähentää MgO:n liukenemista vuorauksista kuonaan 22

AODkonvertteri Kuonat 14% MgO 27 % MgO AODkonvertteri Mitä on ympäristöystävällisyys ruostumattomien terästen valmistuksessa? Energia ja materiaalitehokkuutta Kokonaiskäsittelyajan kehittyminen Case: AOD1 teräslaji 304 (Polarit 725) Vuosi Kaadosta kaatoon aika (min) 1980 120 1990 100 2000 60 2010 52 2014 48 Miten niitä voidaan parantaa? Lyhentämällä kaadostakaatoon aikaa Optimoimalla puhalluspraktiikat tuotantokapasiteetti Vähentämällä pölypäästöjä materiaalihukka Vähentämällä vuorausten kulumista prosessointiajat Prosessinhallinta ja ennustaminen kerralla valmista Taustalla olevat toimenpiteet: Yliäänilanssin käyttöönotto, kaasumäärien nosto, pelkistysvaiheen tehostaminen, savukaasuanalyysin hyödyntäminen, 1kuonaajo, näytteenkäsittelyn ja analysoinnin nopeuttaminen, ohjaus ja säätömallien tarkentaminen ja kehittäminen, kuonauksen ja kaadon nopettuminen, suutinten suurentaminen. 23

Kuparin valmistus Boliden Harjavalta PSkonvertteri Pääraakaaine CuLSU:n kuparisulfidikivi Lähde: Ville Naakka: Esitys. POHTO, Oulu. 2015. 1) Kuonapuhallus Kuparikivessä vielä jäljellä oleva FeS hapetetaan ilmalla FeO ja SO 2 Kuonanmuodostajan kvartsi fayaliittinen kuona kaato Sulan koostumus lopussa Cu 78 %, Fe < 1 % 2) Rikkaaksipuhallus Kuparisulfidi (Cu 2 S) hapetetaan ilmalla Cu ja SO 2 Tuotteena raakakupari eli blisteri Cu 99 % Rikin hapettuminen vapauttaa lämpöä Ei tarvetta erilliselle polttoaineelle Jäähdytys kupariromulla (romun kierrätysmahdollisuus) 24

Kaldokonvertteri Kalling Domnarvet Professori Bo Kalling Domnarvets Jernverk Pyörivä päältä puhalluskonvertteri TBRC Top Blown Rotary Converter Käyttö Kuvalähde: Björkman: Process metallurgy, part I, LTU. Kehitetty alunperin teräksen valmistukseen Nykyisin käytössä värimetallien valmistuksessa Arvometallien erotus kuonautuvista eiarvometalleista sekä orgaanisista yhdisteistä Metallifaasiin Cu, Fe, Zn, Au, Ni Kuonafaasiin Fe, Si, Zn, Pb Orgaanisten yhdisteiden (muovit) hajoaminen CO 2 esim. Bolidenin Rönnskärin (Skellefteå) tehtaalla kierrätysmateriaalin käsittelyyksikkönä ajetaan kampanjoina (ei jatkuvassa käytössä) Lähteet: Bo Björkman (LTU), Caisa Samuelsson (LTU), Michael Borell (Boliden). Kaldokonvertteri Boliden Rönnskär/Skellefteå Aluksi Fepuolelle kehitetyn prosessin kehitys Investoinnit 2012 Sulatuskapasiteeti 120 000 t/a Kierrätysyksikkö Raakaaineena elektroniikkaromua (kännykät, tietokoneet, jne.) Lähteet: Bo Björkman (LTU), Caisa Samuelsson (LTU), Michael Borell (Boliden). 25

Lähde: Metso Lokomo Steels (nyk. Tevo Lokomo). 2.10.2018 Raffinointiprosessit valimoissa Oxygen lance Valimoiden sulatusuuneissa vain sulatus sekä tarvittaessa mellotus ja Ppoisto Tarkempi hiilenpoisto, rikinpoisto ja koostumuksen täsmäys erillisessä konvertterissa Seostettujen teräslajien valmistuksessa AODja VODprosessit Molten steel 7 25 t Argon VODprosessi CO:n osapaineen alentaminen alipaineen avulla (< 5 mbar) Voidaan lisäksi käyttää argonpuhallusta sekoituksen parantamiseksi Käytössä Tampereella Tevo Lokomon teräsvalimolla Matalaseosteisille teräksille kertakäsittely Mellotuspuhallus syvätyhjöllä epäpuhtauksien poistamiseksi Korkeaseosteisille teräksille kaksi käsittelyä Mellotuspuhallus Pelkistyskäsittely kuonan emäksisyyden nosto (CaO) Lähde: Seija Meskanen & Pentti Toivonen: Sulatto valimoprosessin osana. ValuAtlas. VODprosessi Tevo Lokomo, Tampere Terävaluja yli 100 vuoden ajan Valikoimassa erittäin vaativia seostettuja teräslajeja Martensiittiset ruostumattomat teräkset Austeniittiset ruostumattomat teräkset Duplex ja super duplexteräkset Austeniittiset mangaaniteräkset Sulatus Kaksi valokaariuunia, yksi induktiouuni Raffinointi VODC, lankainjektio, argonhuuhtelu 26

Yhteenveto Raffinointiprosessi on yleisnimike prosessille, jossa metalli puhdistetaan epäpuhtauksista Hiilenpoisto raakaraudasta teräs Rikin (ja raudan)poisto sulfidikivestä kupari (jne.) Toteutetaan yleensä ns. primääriuuneissa Tavoitteena tuotantotehokkuus Aikaa vievät käsittelyt sekundäärimetallurgisissa käsittelyvaiheissa Metallien jalostusprosessit Happipuhallus LDkonvertterissa. SSAB, Oxelösund, Södermanland, 2002. Kuva: StigGöran Nilsson, JK:n arkistot. 27