Näkökulmia teräksen valmistusprosessien tutkimukseen ja kehitykseen Professori Timo Fabritius Prosessimetallurgian laboratorio Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Oulun yliopisto 1
Sisältö Taustaa Koulutuksellinen näkökulma Esimerkkinä prosessimetallurgian opetus Oulun yliopistossa Ilmiöiden mittakaava ja aikaskaala Esimerkkinä AOD-prosessin (Argon Oxygen Decarburisation) mallinnus Yhteenveto / Mitä jatkossa? 2
Mitä on prosessimetallurgia? Kuonanmuodostajat Koksia Kuonanmuodostajat Kuonanmuodostajat Koksia 3 Kuvat, Teräskirja, 2009
Mitä vaativien teräksen valmistaminen edellyttää sulametallurgisilta käsittelyiltä? Tarkka monikomponentti seostusta (esim. Al, Mn, Nb ) Epämetallisten aineiden pitoisuuksien hallinta erittäin mataliin pitoisuuksiin (H, N, S & O) Teräksen uudelleen hapettumisen ja typettymisen estäminen (kuona, atmosfääri ja vuorausmateriaalit) Lämpötilan hallinta Teräksen sulkeumakuvan (koko, muoto, koostumus, lukumäärä) hallinta koko prosessoinnin aikana sulakäsittelyistä lopputuotteeseen Kaikki perustuu osaamiseen! 4
Prosessimetallurgian opetus Oulun yliopistossa Tavoite: opiskelija hallitsee keskeisimmät prosessimetallurgisessa (erityisesti raudan, teräksen ja ferroseosten pyrometallurgisessa) tutkimus- ja kehitystyössä tarvittavat menetelmät (liittyen mallinnukseen, kokeelliseen toimintaan ja analysointiin) sekä niiden kytkökset tarkastelun kohteena oleviin ilmiöihin ja sovelluskohteisiin (metallurgiset prosessit niissä esiintyvine materiaaleineen sekä ympäristövaikutuksineen). Miten kannattaisi opettaa? Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen & Timo Fabritius, 15.11.2011 5
Menetelmäpohjainen opetus: Käytäntö - Opetus Heikkinen et al: MetTransB 41B(2010)4, 758-766 6
Menetelmäpohjainen koulutus: Käytäntö - Tutkimus Heikkinen et al: MetTransB 41B(2010)4, 758-766 7
Menetelmäpohjainen koulutus: Käytäntö - Ilmiöt Heikkinen et al: MetTransB 41B(2010)4, 758-766 8
Prosessimetallurgian opinnot Metallurgian syventävä moduuli (30 op) Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa, 10 op Metallurgisen tutkimuksen kokeelliset menetelmät, 10 op Metallurgiset prosessit ja niiden mallinnus, 10 op Kaikki kurssit keskittyvät menetelmäosaamiseen Taustalla ajatus siitä, että menetelmät sitovat teoriaa ja käytäntöä/sovelluskohteita toisiinsa Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Eetu-Pekka Heikkinen & Timo Fabritius, 15.11.2011 9
Miten tutkia ja kehittää? Tutkimustulos (mallit, analyysit) Tutkimusta eri mittakaavoissa ja aikaskaaloissa Fluent Phoenics MatLab Laboratoriokokeet Prosessikokeet FactSage ThermoCalc HSC Chemistry Factory ST Työkalut ja metodit Mikro- ja nanoskaala (mineraloginen-, kemiallinen analytiikka) Aineensiirto Liikemäärän siirto Lämmönsiirto Termodynamiikka Reaktiokinetiikka Reaktiomekanismit Pintakemia Sovellettu tieto Makro-skaala (virtausmallinnus, prosessikokeet) Fysiikka Matematiikka Fysikaalinen kemia Epäorgaaninen kemia Perus tietämys Mega-skaala (tasetarkastelut, kiertoprosessit) 10
AOD-prosessi Argon Oxygen Decarburisation Ruostumattoman teräksen valmistus Päätehtävä hiilenpoisto Hiilen poisto: O 2 /N 2 ja O 2 /Ar Kromin hapettumisen vuoksi lopussa tehdään kuonan pelkistys rikinpoiston yhteydessä VKU-sula 87 ton Cr 20 %, Ni 6 % C 2 %, Si 0,1 % P. Kupari/21.03.2002 AOD-sula 95 t Cr 18 %, Ni 8 % C 0,04 %, Si 0,5 % 11
Millainen on yksittäisen kaasukuplan elämä terässulassa? Terässula Happikupla Kaasu Kaasu Terässula Kuona Terässula Kuona- filmi 12
Pystytään tutkimaan ilmiöitä, jotka tapahtuvat yksittäiselle kuplalle sen noustessa Järvinen, Fabritius & Kärnä 2009 13
Yksityiskohtaisten ilmiöiden yleistäminen prosessimalliin Kuva: Visuri, 2012 14
AOD-prosessin simulointi Kuva: Visuri, 2012 15
Yhteenveto / Mitä jatkossa? Yliopistokoulutuksessa aito opetuksen ja tutkimuksen välinen yhteys tulee korostumaan Valmistuvan DI:n osaamisprofiili Tutkimuksessa nojaudutaan ilmiöpohjaiseen ymmärrykseen huomioiden eri aika- ja mittakaavat Tutkimusryhmät profiloituvat entistä selkeämmin Näkyy tutkimuksessa ja opetuksessa Teollisuuden ja tutkimusryhmien strategisia alliansseja 16