1 KOKSIN OMINAISUUDET MASUUNIN OLOSUHTEISSA Selvitys koksin kuumalujuudesta, reaktiivisuudesta ja reaktiomekanismista Juho Haapakangas CASR vuosiseminaari 2016
2 MASUUNIPROSESSI
3 METALLURGINEN KOKSI Valmistetaan kuivatislaamalla kivihiiltä Ominaisuudet Korkea hiilipitoisuus Vähän haihtuvia aineita Mekaanisesti vahvaa Raekoko n. 20-50 mm Huokoisuus n. 50% Säilyy kiinteänä masuunin korkeissa lämpötiloissa
4 KOKSIN ROOLIT MASUUNISSA 1. Rakenteellinen tukimateriaali, säilyy kiinteänä 2. Lämpöenergian lähde 3. Rautaoksidien pelkistäjä ja pelkistyskaasun (CO) raaka-aine 4. Raudan hiilettäjä Tärkeimmät laatuvaatimukset: Korkea mekaaninen lujuus Alhainen reaktiivisuus
5 KOKSIN LAADUN MERKITYS Koksin laatu vaikuttaa masuunin toimintaan ja tehokkuuteen Laatu ja analyysimenetelmät yhä tärkeämpiä Primäärihiilien ehtyminen Koksin panostuksen väheneminen CO 2 päästöjen vähennys (biomassan potentiaalinen käyttö) Uudet koksiseokset (esim. muovien käyttö) Tarkat analyysit = taloudelliset hyödyt
6 KOKSIN LUJUUSMITTAUS TEOLLISUUDESSA Teolliset koksin laatuanalyysit: Rumpulujuusindeksit Reaktion jälkeinen lujuus (CSR) Lujuustestit tehdään huoneenlämpötilassa => Ei menetelmää mitata lujuutta korkeissa lämpötiloissa Masuuni: Lämpötilat yli 1400 C alaosissa, jopa yli 2000 C hormeilla
7 KOKSIN REAKTIIVISUUS TEOLLISUUDESSA Teolliset koksin reaktiivisuusmittaus (CRI): - Suoritetaan 100% CO 2 kaasussa - Poikkeaa voimakkaasti masuunin sisällä vallitsevasta kaasuatmosfääristä - Ei huomioi toisen kaasuttavan komponentin vesihöyryn vaikutusta Masuuni - Kaasu koostuu pääosin seuraavista komponenteista: N 2, CO, CO 2, H 2, H 2 O
8 VÄITÖSKIRJAN TAVOITTEITA Ø Tutkia soveltuuko Gleeble 3800 termomekaaninen simulaattori kuumalujuuden mittaukseen Ø Tuottaa tietoa koksien kuumalujuuksista ja muodonmuutoksesta Ø Selvittää miten vety ja vesihöyry vaikuttavat koksin reaktiivisuuteen, kaasuuntumisen kynnyslämpötilaan ja reaktiomekanismiin Ø Tutkia ennustaako teollinen CRI testi koksin reaktiivisuutta masuunin olosuhteissa
9 TUTKITUT ILMIÖT K o k s i n kaasuuntuminen masuunin kuilussa (Julkaisut I ja V) Koksin kuumalujuus (Julkaisut II, III ja IV) 900 C 1100 C 1400 C 1500 C 2000 C 1500-1600 C Koksikerros Rautamalmikerros Terminen reservivyöhyke Koheesiovyöhyke
Koksin kuumalujuus (Gleeble 3800) 10 Yhteistyönä materiaalitekniikan ja prosessimetallurgian välillä Laitetta ei aiemmin käytetty koksin kuumalujuuden tutkimukseen Näytteiden kuumennus sähkövirralla Voidaan käyttää inerttiä kaasua tai vakuumia Koksin kuumalujuutta mitattiin aina 1750 C lämpötilaan N. 50 kuumalujuuskoetta päivässä
Kuumalujuustuloksia Lämpötila [ C] Näytemäärä Lujuus [MPa] Keskihajonta [MPa] 0 50 16.62 7.56 1000 51 15.14 7.41 1200 50 16.25 5.84 1400 19 13.75 4.31 1600 52 12.21 3.60 1750 50 10.73 3.34 Muodonmuutos muuttui täysin hauraasta osittain plastiseksi1750 C Ennen 33% puristuksen jälkeen 11
Koksin kemiallinen reaktiivisuus 12 Kehitettiin uusi menetelmä koksin reaktiivisuuden mittaukseen Erona teolliseen CRI-testiin: käytetään kaikkia tärkeimpiä masuunin kuilun kaasukomponentteja todenmukaisissa suhteissa Termogravimetriuuni (TGA): Pystytoiminen kuilu-uuni Lämpötilan ja kaasujen ohjaus tietokoneella Jatkuva näytteen massanmittaus Simuloidaan masuunin kuilun olosuhteita Kaasut: N 2, CO, CO 2, H 2, H 2 O Maksimilämpötila 1500 C Pienet näytemäärä (1-2 g tai vähemmän)
Teollisen CRI testin toimivuus 13 H 2 ja H 2 O kaasujen läsnäolo kasvatti merkittävästi kaikkien koksien reaktiivisuutta Seitsemän koksilaadun reaktiivisuus ei suoraan korreloinut CRI-testin olosuhteissa ja simuloidussa masuunikaasussa Maailmalla yleisesti käytetty CRI testi ei ennusta tarkasti koksin reaktiivisuutta masuunissa
Reaktiomekanismi ja reaktion jälkeinen lujuus 14 Koksin kaasuuntumista tutkittiin masuunisimulaattorilla Arvio muodostettiin reaktiomekanismista (pintakeskinen/gradientti/läpikoitaisin) Hienoaineksen muodostumista mekaanisen rasituksen alla mitattiin Masuunisimulaattori: Pystytoiminen kuilu-uuni, maksimilämpötila 1100 C Kaasujen ja lämpötilan ohjaus tietokoneella Jatkuvatoiminen näytteen massanmittaus Kaasut: N 2, CO, CO 2, H 2, H 2 O, myös S 2 and K Suuremmat näytemäärät verrattuna TGA (~100 g) Näyte voidaan kuvata kokeen aikana (esim. rautamalmien turpoamiskokeissa)
15 KIITOS! KYSYMYKSIÄ?