MT-0.6101 Erikoismateriaalit tuotantoprosesseissa (3 op) 1. Luento - Ti 27.10.2015 Marko Kekkonen MT-0.6101 Erikoismateriaalit tuotantoprosessissa (3 op) Luennon sisältö Kurssin esittely Tulenkestävät materiaalit - mitä, miksi, missä - kulutus, kustannukset Tulenkestävien materiaalien rakenne 2 1
MT-0.6101 Erikoismateriaalit tuotantoprosesseissa (3 op) Opettaja: - Yliopistonlehtori Marko Kekkonen Metallurgia, Huone B359 marko.kekkonen@aalto.fi Luennot: - Periodi II: Ti: 12-14 ja Ke: 10-12 (mtg.sem.h B329) Materiaali: - Jernkontoret, JK2387/01 Koulutuspaketti Tulenkestävät materiaalit (osat A, B ja D) - Luentokalvot (MyCourses) - Luennoilla jaettava materiaali Suorittaminen: - Tentti (Materiaalin käyttö sallittu) - Luentotehtävistä (2 kpl) voi ansaita pisteitä tenttiin 3 Materiaali Jernkontoret, JK2387/01 Koulutuspaketti Tulenkestävät materiaalit (272 s. liitteineen) 4 2
Muuta aiheeseen liittyvää materiaalia 5 MT-0.6101 Erikoismateriaalit tuotantoprosessissa (3 op) Sisältö: Kurssissa perehdytään materiaalien tuotantoprosessien erikoismateriaaleihin, - niiden ominaisuuksiin, - käyttäytymiseen ja - vuorovaikutusilmiöihin tuotantoprosesseissa. 6 3
MT-0.6101 Erikoismateriaalit tuotantoprosessissa (3 op) Ydinainesanalyysi Ydinaines Must know Aina välttämätöntä Täydentävä tietous Should know Usein tarpeellista Erityistietämys Nice to know Joskus hyödyllistä Tietäminen Tuntee tärkeimmät tulenkestävät materiaalit, niiden rakenteen ja ominaisuudet sekä kulumismekanismit materiaalien valmistusprosesseissa. Tiilien ja massojen ominaispiirteet Tulenkestävien materiaalien raakaaineet ja valmistusmenetelmät Ymmärtäminen Ymmärtää keraamisten materiaalien ja metallisulien, kivien ja kuonien väliset reaktiot ja vuorovaikutusilmiöt. Erikoiskeraamien rakenne ja ominaisuudet Materiaalien testaus Kulumisen seurantamenetelmät Soveltaminen Osaa soveltaa tietoja metallurgisten reaktoreiden materiaalivalinnassa. Yleiskäsitys vuoraustekniikoista Taloudelliset aspektit Materiaalien kierrätys 7 MT-0.6101 Erikoismateriaalit tuotantoprosessissa (3 op) Alustava aikataulu Syksy 2015 - Ti 27.10 Johdanto tulenkestäviin materiaaleihin - Ke 28.10 Tulenkestävät materiaalit - Ti 3.11 Tulenkestävien materiaalien käyttömuodot ja ominaisuudet - Ke 4.11 Vuorauksiin kohdistuvat rasitukset - Ti 10.11 Tulenkestävien materiaalien käyttö Case esimerkkejä - Ke 11.11 Reaktiotermodynamiikan käyttö materiaalivalinnassa - Ti 17.11 Ei luentoa - Ke 18.11 Peitosteet/Valupulverit - Pe 11.12 Tentti klo 9-12, V1 8 4
MT-0.6101 Erikoismateriaalit tuotantoprosessissa (3 op) Luennon sisältö Kurssin esittely Tulenkestävät materiaalit - mitä, miksi, missä - kulutus, kustannukset Tulenkestävien materiaalien rakenne 9 MT-0.6101 Erikoismateriaalit tuotantoprosessissa (3 op) Erikoismateriaali tällä kurssilla käsittää Tulenkestävät vuorausmateriaalit Tulenkestävät erikoiskappaleet Peitosteet (peitepulverit) (käytetään sulan pinnalla lämmöneristeinä ja suojana atmosfääriä vastaan) Valupulverit (jatkuvavalukokillissa käytettävä voiteluaine teräksen valmistuksessa) 10 5
Tulenkestävä materiaali? Tulenkestävän materiaalin fysikaalinen muoto ja kemiallinen koostumus säilyvät korkeissa lämpötiloissa. Tulenkestäviin keraamisiin aineisiin luetaan tuotteet, joiden pehmenemislämpötila on vähintään 1500ºC (ISO 1109). Aine on erittäin tulenkestävää, jos se kestää vähintään 1800 C:n lämpötilaa. Tulenkestäville eristysmateriaaleille vaatimus on vähintään 800ºC. 11 Tulenkestävä materiaali Miksi? Lähde: James G. Hemrick, H. Wayne Hayden, Peter Angelini, Robert E. Moore, and William L. Headrick. Refractories for Industrial Processing: Opportunities for Improved Energy Efficiency. January 2005. 12 6
Tulenkestävä materiaali Miksi? Masuuni: Hormitason liekin lämpötila on n. 2300 C Raakaraudan laskulämpötila on n. 1400 C Konvertteri: Raakaraudan panostuslämpötila on n. 1300 C. Puhalluksen loppulämpötila on jopa n. 1800 C ajotavasta ja konvertterista riippuen. 13 Tulenkestävä materiaali Miksi? Valokaariuunit: Vaikka sulalämpötilat ovatkin yleensä noin 1600 C:n paikkeilla voi ns. hotspot kohdissa esiintyä yli 2000 C:n lämpötiloja. Liekkisulatusuuneissa (Cu, Ni) lämpötilat ovat n. 1400-1600 C. Energiateollisuudessa pysytään yleensä alle 1300 C seinämälämpötiloissa. 14 7
Tulenkestävä materiaali Miksi? Teollisuuden prosesseissa käytetään niin korkeita lämpötiloja, etteivät metalliset rakennemateriaalit kestä niitä - Sulavat 1538 - Ne hapettuvat helposti korkeissa lämpötiloissa - Niiden lämmönjohtavuus on erittäin hyvä Kuva: An introduction to refractories, Definitions, Raw materials. www.rhi-ag.com, 05/09 15 Tulenkestävä materiaali Miksi? Teollisuuden prosesseissa käytetään niin korkeita lämpötiloja, etteivät metalliset rakennemateriaalit kestä niitä Tämän vuoksi metalliset rakenteet on suojattava erilaisilla tulenkestävillä keraamisilla materiaaleilla, joiden sulamislämpötilat ovat niin korkeita, että niiden fyysinen muoto ja kemiallinen koostumus säilyvät hyvin korkeissakin lämpötiloissa. 16 8
Tulenkestävä materiaali Miksi? Tulenkestävyyden lisäksi materiaaleilta vaaditaan myös muita ominaisuuksia: Materiaalien on oltava lujiaja niiden on kestettävä mekaanisia, termisiä ja kemiallisia rasituksia. Metallurgisissa reaktoreissa materiaalien on lisäksi oltava metallurgisesti stabiileja ts. ne eivät saa osallistua häiritsevästi tapahtuviin reaktioihin (vaikutus lopputuotteen puhtauteen). Myös työturvallisuus asettaa vaatimuksia tulenkestäville materiaaleille (luotettavuus). - Materiaalin rikkoutuminen voi johtaa suuriin taloudellisiin ja henkilövahinkoihin Kuva: Current situation of Refractories and their Raw Materials for Steel Production in Europ. Dipl.-Ing. Leandro Schöttler Deutsche Edelstahlwerke GmbH, Siegen 17 Tulenkestävä materiaali Tarvitaan välikerros suojamaan vaipan metallia lämpötilalta ja kemialliselta/mekaaniselta rasitukselta Tarvitaan lämpöä eristävä materiaali - minimoida lämmönhukka seinämän lävitse (energiatehokkuuden paraneminen). Tarvitaan metallisulaan liukenematon materiaali Tarvitaan kuonasulaa ja reaktiivisia kaasuja sekä mekaanista rasitusta kestävä materiaali fi Materiaaliteknistä ratkaisua täytyy etsiä yhdistemateriaalien joukosta. A 12 m diameter Blast Furnace Shell for Durgapur Steel Plant 18 9
Tulenkestävä materiaali Tulenkestävät materiaalit ovat pääsääntöisesti keraamisia oksideja, mutta myös ei-oksidisia materiaaleja käytetään. Nykyään käytetään yleisesti myös orgaanisia lisäaineita sisältäviä oksidisia yhdistelmämateriaaleja. Puhtaiden oksidien sulamislämpötiloja Kuva: An introduction to refractories, Definitions, Raw materials. www.rhi-ag.com, 05/09 19 Tulenkestävä materiaali Eräiden keraamisten yhdisteiden sulamis- ja sublimoitumislämpötiloja Lähde: Eetu-Pekka Heikkinen. Tulenkestävät materiaalit pyrometallurgisissa prosesseissa. Metallurgiset prosessit ja niiden mallinnus, 2014 20 10
Tulenkestävä materiaali Useista faaseista johtuen tulenkestävillä materiaaleilla ei ole tiettyä sulamispistettä vaan pehmenemisalue. Pehmenemiskäyttäytymiseen vaikuttavat kemiallinen ja mineraloginen koostumus sekä matalalla sulavien epäpuhtauksien määrä. Pehmenemisalue määritetään yleensä pyramidin muotoisilla ns. Segerin keiloilla (ISO 1146:1988). - Standardin mukainen mittausmenetelmä: ISO 528:1983 Kuva: http://www.netzsch-thermal-analysis.com/en/products/detail/pid,31.html 21 Tulenkestävä materiaali Tulenkestävien tuotanto Euroopassa 2003-2012 Lähde: European Refractories Producers Federation PRE product carbon footprint report, 2013. 22 11
Tulenkestävä materiaali Missä? Tulenkestävät keraamiset materiaalit ovat oleellinen osa kaikkia korkealämpötilaisia prosesseja. - Tulenkestäviä materiaaleja käytetään laajasti etenkin teollisuuden uunien, polttokattiloiden ja muiden prosessilaitteiden vuorauksissa. Ilman tulenkestäviä materiaaleja ei olisi mahdollista valmistaa teollisessa mittakaavassa mm. sellaisia ihmisen hyvinvoinnin kannalta keskeisiä hyödykkeitä kuten: - terästä - sementtiä - lasia - energiaa. 23 Tulenkestävä materiaali Missä? Tulenkestävien käytön jakauma Euroopassa 2012 Kuva; European Refractories Producers Federation, Annual Report 2013 Kokonaistonnimäärältään rauta- ja terästeollisuus on suuresta tuotantomäärästä johtuen suurin tulenkestävien aineiden käyttäjä Euroopassa. 24 12
Tulenkestävä materiaali - Kulutus Specific consumptions of refractories Lähde: N. Kreuels, A view on the European Refractory Industry Bol. Soc. Esp. Ceram. V. 48, 5, 245-254 (2009) 25 Tulenkestävä materiaali Kulutus terästeollisuudessa 26 13
Tulenkestävä materiaali Kulutus terästeollisuudessa Lähde: Erwan Guéguen, Johannes Hartenstein and Cord Fricke-Begemann: Raw material challenges in refractory application 27 Tulenkestävä materiaali - Kulutus Rauta- ja terästeollisuus Raahen terästehdas käyttää noin 25 000 tonnia tulenkestäviä materiaaleja vuodessa (sis. vain kulutusmateriaalin ei peruskorjausmateriaalia). Tulenkestävien kulutusjakauma Raahen terästehtaalla, 2007 Tulenkestävien kulutusjakauma sulatolla, 2007. Lähde: J. Kärjä, Katsaus tulenkestävien kehitykseen ja täydennyskoulutukseen, Tulenkestävät materiaalit Prof. Jouko Härkin juhlaseminaari, 11-12.2.2009, POHTO, Oulu. 28 14
Tulenkestävä materiaali - Kulutus Rauta- ja terästeollisuus Senkat Tulenkestävien kulutusjakauma Raahen terästehtaalla, 2007. Tulenkestävien kulutusjakauma masuunilla, 2007. Lähde: J. Kärjä, Katsaus tulenkestävien kehitykseen ja täydennyskoulutukseen, Tulenkestävät materiaalit Prof. Jouko Härkin juhlaseminaari, 11-12.2.2009, POHTO, Oulu. 29 Tulenkestävä materiaali - Kulutus Rauta- ja terästeollisuus Rautaruukin Raahen terästehtaan tulenkestävien kulutus 2007 oli 10 kg/t terästä. - masuunit (2 kpl) yhteensä noin 1,6 kg/t terästä - konvertterit (3 kpl) yhteensä noin 1,3 kg/t terästä - väliallas 3,9 kg/t terästä Ovako Imatran terästehtaalla valokaariuunin tulenkestävien kulutus vuonna 2011 oli 4,8 kg/t terästä. Ruostumattoman teräksen valmistuksessa tulenkestävien aineiden kulutus on huomattavasti hiiliterästä suurempi, esim. Torniossa 23 kg aihiotonnia kohti. 30 15
Tulenkestävä materiaali - Kulutus Kuparin valmistus N. 200 000 t Cu/a tuottava sulatto käyttää vuorausmateriaalia noin 2500 t/a Liekkusulatusuunin tulenkestävien kulutus on noin 1-3 kg/ t 31 Suomalaisia yrityksiä Betker Oy (Ylivieska), www.betker.fi - Tulenkestävien massojen ja rakenneosien valmistus. Refrak Oy (Kotka), www.refrak.fi - Tulenkestävien rakenteiden suunnittelu, asennukset, korjaustyöt ja materiaalitoimitukset. - Tulenkestävien esivalettujen kappaleiden, teräsrakenteiden, kuitukappaleiden valmistus. Termorak Oy (Lempäälä), www.termorak.fi - Tulen- ja haponkestävät muuraukset (suunnittelu, asennus). Raahen muuraus Oy (Raahe), www.raahenmuuraus.fi - Tulen- ja haponkestävät muuraukset. 32 16
Tulenkestävä materiaali - Valmistus Tulenkestävien materiaalien valmistus Esimerkkinä magnesia-tuotteet Kuva: Dr. Robin Schmidt-Whitley, The European Refractories Industry Faces New Challenges, SW 50th Anniversary SECV Madrid 27/29.10.2010 33 Tulenkestävä materiaali Raaka-aineet Kuva: Dr. Robin Schmidt-Whitley, The European Refractories Industry Faces New Challenges, SW 50th Anniversary SECV Madrid 27/29.10.2010 34 17
Tulenkestävä materiaali - Kustannukset Raw Materials Price Increases (index) Al 2 (SiO 5 ) Al(OH) 3 MgO MgO Al 2 O 3 Kuva: Dr. Robin Schmidt-Whitley, The European Refractories Industry Faces New Challenges, SW 50th Anniversary SECV Madrid 27/29.10.2010 35 Tulenkestävä materiaali - Kustannukset MgO:n hinta on kasvanut Kiinassa 70%, mutta Euroopassa 150% vuodesta 2002 vuoteen 2008. Kuva: Dr. Robin Schmidt-Whitley, The European Refractories Industry Faces New Challenges, SW 50th Anniversary SECV Madrid 27/29.10.2010 36 18
Critical Raw Materials/Metals for the EU Kuva: Dr. Robin Schmidt-Whitley, The European Refractories Industry Faces New Challenges, SW 50th Anniversary SECV Madrid 27/29.10.2010 37 Tulenkestävä materiaali - Kustannukset Rauta- ja terästeollisuus Tulenkestävien aineiden osuus hiiliterästen valmistuskustannuksista on 2 4 %. Kuparin valmistus Tulenkestävien aineiden osuus valmistuskustannuksista on 3 5 %. 38 19
Tulenkestävä materiaali - Kustannukset Suorat kustannukset helppo laskea - materiaali - varastointi - asennus - kuivaus - käyttöönotto - purku Epäsuorat kustannukset vaikea osin mahdoton laskea - vaikutus tuotteen laatuun - luetettavuus (puhkeaminen ja niistä aiheutuvat seisokit) - terveysvaikutukset - jne. Tulenkestävän vuorauksen ja eristysvuorauksen tehtävänä on pitää prosessilämpö prosessissa fi vaikutus energiakustannuksiin 39 Raahen tehtailla räjähdys (12.4.2012) Raahen terästehtaan sulatolla raivosi aamulla raju tulipalo, joka saatiin kuitenkin nopeasti hallintaan. Henkilövahingoilta säästyttiin kokonaan. Palo syttyi aamulla viiden aikaan, kun kuonasenkka repesi ja sulaa kuonaa pääsi valumaan ulos. Yli 1000-asteinen kuona sytytti lähistöllä olleet palavat materiaalit, kuten kuljettimen ja sähkökaapeleita. Valuastiasta karannut sula teräs sytytti paloja Ovakon tehtaalla (16.5.2013) Imatralla Ovakon terästehtaalla syttyi torstaina alkuillasta tulipaloja, kun teräksen sulattamisessa käytetty valuastia paloi puhki ja 65 tonnia sulaa teräsmassaa levisi tehtaassa usean kerroksen alueelle. Sulatus ja valu käynnistyivät uudelleen maanantaina 24. kesäkuuta. 40 20
Tulenkestävien rakenne Tulenkestävien massojen ja tiilien rakenteen muodostavat: - Runko- eli perusaine - Sideaine (binder) - Lisäaineet (additives) - Huokoset (eri tyyppejä) - Lisäksi massojen asennuksessa käytetään yleensä vettä Kuva: Erwan Guéguen, Johannes Hartenstein and Cord Fricke-Begemann: Raw material challenges in refractory application 41 Tulenkestävien rakenne Runkoaine Materiaalintulenkestävä osa Hyvin kalsinoitu, mekaanisesti luja ja tilavuuspysyvä Tärkeimmät ominaisuudet: - kemiallinen ja mineraloginen koostumus - raekokojakauma voidaan vaikuttaa erityisesti massojen ominaisuuksiin, kuten työstettävyyteen ja fysikaalisiin ominaisuuksiin. 42 21
Tulenkestävien rakenne Sideaine Sitoo runkoaineen rakeet toisiinsa Usein heikoin osa tulenkestäviä Orgaanisia sideaineita ovat esim. - terva tai piki (öljynjalostamo- ja koksaamotervat) - hartsit (fenoli) Epäorgaanisia sideaineita ovat esim. - silikaatit (esim. Na 2 SiO 3 ) - kromaatit - boraatit 43 Tulenkestävien rakenne Tulenkestävien materiaalien sidostyypit Käytännössä vuorausrakenteessa vaikuttaa usein useita sidosmekanismeja yhtä aikaa - Tuoresidos - Syntyy huoneenlämpötilassa tai lähellä sitä 10-30ºC (vuorovaikutus veden kanssa) - Lämpösidos - Muodostuu lämpötila-alueella 30-300ºC (esim. fosfaatit) - Keraaminen sidos - Syntyy aina korkeassa lämpötilassa 300-1700ºC * Suora sidos - esim. kahdesta faasista muodostuu kolmas faasi (kiinteän tilan diffuusio) * Sulasidos/Lasisidos - Synnyn edellytys on pienen sulamäärän ilmaantuminen tulenkestävän massan matriisiin. Lämpötilan laskiessa riittävän nopeasti syntynyt sula jähmettyy lasina, joka muodostaa lujan, mutta hauraan sidoksen matalassa lämpötilassa. 44 22
Tulenkestävien rakenne Tulenkestävien materiaalien sidostyypit - Kasvusidos - Syntyy monofaasisessa osasysteemissä, jossa sidoksen muodostuessa partikkelien koko kasvaa. Kuva: H. Jansen, Magnesia-Based refractories, Tulenkestävät materiaalit Prof. Jouko Härkin juhlaseminaari, 11-12.2.2009, POHTO, Oulu. 45 Tulenkestävien rakenne Lisäaineet Lisäaineet parantavat asennettavuutta ja niillä tehdään ominaisuuksien hienosäätö Lisäaineiden joukko on hyvin laaja ja niitä käytetään esim. - Kompensoimaan kutistumista (paisunta-aineita: kvartsiitti, kyaniitti) - Kovetinaineena (fosfaatit, MgO) - Deflokkulantteina (alkalifosfaatit parantavat massan hienon aineksen juoksevuutta) - Kuonankeston parantamiseen (kromioksidi) - Metallit suojaavat materiaalin hiiltä hapettumiselta (antioksidantit) Usein vaikea saada tietoa (tuotesalaisuus) 46 23
Tulenkestävien rakenne Huokoset Huokoset vaikuttavat voimakkaasti materiaalin käyttäytymiseen Niiden merkitys voi olla suurempi kuin kemiallisen ja mineralogisen koostumuksen (vaikuttavat esim. lämmönjohtavuuteen sekä siihen miten sula pääsee tunkeutumaan vuorauksen sisään) Huokosten luokittelu: - Suljetut - Avoimet - Avoimet läpivirtaukselliset 47 Tulenkestävien rakenne Huokoset Mitä suurempi avoin huokoisuus sitä suurempi pinta-ala kemiallisille reaktioille ja korrodoiville kaasuille fi nopeampi tuhoutuminen Mitä enemmän läpivirtauksellisia huokosia sitä pidemmälle korrodoivat kaasut kulkeutuvat. Huokoskoko ja -jakauma vaikuttavat lämmönjohtokykyyn sekä mekaaniseen ja lämpöshokin kestävyyteen - Mitä pienempi huokoskoko ja mitä enemmän niitä on sitä parempi vuorauksen eristyskyky - Lujuus heikkenee huokoisuuden lisääntyessä 48 24