Korkealämpötilaprosessit

Samankaltaiset tiedostot
Korkealämpötilaprosessit

Kuonanmuodostus ja faasipiirrosten hyödyntäminen kuonatarkasteluissa

Rautapelletin ominaisuudet masuunia jäljittelevissä olosuhteissa Selvitys pelkistyvyydestä, turpoamisesta ja pehmenemisestä

Raudan valmistus masuunissa

Uppokaariuunin panoksen sähkönjohtavuus. Anne Hietava (os Heikkilä) Prosessimetallurgian tutkimusyksikkö

Ruostumattoman teräksen valmistaminen loppupään terässulattoprosessit.

METALLIEN JALOSTUKSEN YLEISKUVA

Korkealämpötilaprosessit

Prosessi- ja ympäristötekniikan perusta

Korkealämpötilaprosessit

Konvertteriprosessien ilmiöpohjainen mallinnus Tutkijaseminaari , Oulu

Kuonien rakenne ja tehtävät

Kertausluennot: Mahdollisuus pisteiden korotukseen ja rästisuorituksiin Keskiviikko klo 8-10

Hapetus-pelkistymisreaktioiden tasapainottaminen

Korkealämpötilakemia

MT Erikoismateriaalit tuotantoprosesseissa (3 op)

Normaalipotentiaalit

Käsitteitä. Hapetusluku = kuvitteellinen varaus, jonka atomi saa elektronin siirtyessä

Korkealämpötilaprosessit

Hapettuminen ja pelkistyminen: RedOx -reaktiot. CHEM-A1250 Luento

Korkealämpötilaprosessit

MINERAALI- TUOTTEET Kierrätys ja Mineraalituotteet

Korkealämpötilaprosessit

Korkealämpötilaprosessit

Termodynaamisten tasapainotarkastelujen tulokset esitetään usein kuvaajina, joissa:

Näkökulmia teräksen valmistusprosessien tutkimukseen ja kehitykseen

Voimalaitoksen uudistaminen Raahen Voima Oy

Ellinghamin diagrammit

Korkealämpötilaprosessit

Vesi. Pintajännityksen Veden suuremman tiheyden nesteenä kuin kiinteänä aineena Korkean kiehumispisteen

KOKSIN OMINAISUUDET MASUUNIN OLOSUHTEISSA

luku2 Kappale 2 Hapettumis pelkistymisreaktioiden ennustaminen ja tasapainottaminen

CHEM-A1100 Teollisuuden toimintaympäristöt ja prosessit

Chem-C2400 Luento 3: Faasidiagrammit Ville Jokinen

Käytännön esimerkkejä on lukuisia.

Pelkistimien ja energian käyttö integroidussa terästehtaassa

Hapettuminen ja pelkistyminen: RedOx -reaktiot. CHEM-A1250 Luento

Teollinen kaivostoiminta

MT Erikoismateriaalit tuotantoprosesseissa (3 op) 5. Luento - Ti Tulenkestävien aineiden käyttö Case esimerkkejä

Sähkökemian perusteita, osa 1

Prosessi- ja ympäristötekniikan perusta

Sähkökemia. Sähkökemiallinen jännitesarja, galvaaninen kenno, normaalipotentiaali

Metallien ominaisuudet ja rakenne

Elektrolyysi Anodilla tapahtuu aina hapettuminen ja katodilla pelkistyminen!

Johanna Tikkanen, TkT

Korkealämpötilaprosessit

Faasipiirrokset, osa 2 Binääristen piirrosten tulkinta

Sähkökemiaa. Hapettuminen Jännitesarja Elektrolyysi Faradayn laki Korroosio

Korkealämpötilakemia

Tärkeitä tasapainopisteitä

2.1 Sähköä kemiallisesta energiasta

Outokumpu Tornion Operaatiot. Maailman integroiduin ruostumattoman teräksen tuotantolaitos

Korkealämpötilaprosessit

Johdantoa. Kemia on elektronien liikkumista/siirtymistä. Miksi?

AKKU- JA PARISTOTEKNIIKAT

Dislokaatiot - pikauusinta

1. Malmista metalliksi

Mamk / Tekniikka ja liikenne / Sähkövoimatekniikka / Sarvelainen 2015 T8415SJ ENERGIATEKNIIKKA Laskuharjoitus

Faasipiirrokset, osa 3 Ternääristen ja monikomponenttipiirrosten tulkinta

Korkealämpötilaprosessit

Korkealämpötilakemia

Sähkökemiaa. Hapettuminen Jännitesarja Elektrolyysi Korroosio

17. Tulenkestävät aineet

Kellogg-diagrammit. Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2012 Teema 1 - Luento 1

Tehtäviä sähkökemiasta

Vastusupokasuuneissa irrallinen upokas on sijoitettu ylhäältä avonaiseen uunipesään, jonka seinämillä ovat sähkövastukset.

Kemia 3 op. Kirjallisuus: MaoL:n taulukot: kemian sivut. Kurssin sisältö

Rak Betonitekniikka 2 Harjoitus Rakennussementit, klinkkerimineraalikoostumus ja lämmönkehitys

Lahti Energian uusi voimalaitos KYMIJÄRVI II. Jaana Lehtovirta Viestintäjohtaja Lahti Energia Oy

ULKOELEKTRONIRAKENNE JA METALLILUONNE

Kokemukset energiatehokkuusjärjestelmän käyttöönotosta

Biomassasta tehdyn hiilen käyttömahdollisuudet metallurgisessa teollisuudessa

Kemialliset reaktiot ja reaktorit Prosessi- ja ympäristötekniikan perusta I

Metallien valmistus. Kuva1: Louhittua kuparikiisua. Kuparikiisu sisältää jopa 35% kuparia. (Kuva:M.Savolainen).

Korkealämpötilaprosessit

NIMI: Luokka: c) Atomin varaukseton hiukkanen on nimeltään i) protoni ii) neutroni iii) elektroni

Koksin laatuun vaikuttaneet tekijät Ruukki Metalsin koksaamolla vuosina

Korkealämpötilakemia

Tuotantoprosessi Torniossa ja Kemin kaivoksella

Korkealämpötilaprosessit

Esimerkiksi ammoniakin valmistus typestä ja vedystä on tyypillinen teollinen tasapainoreaktio.

3. Polttoaineuunit. 3.1 Kylmäilmakupoliuunit. Raimo Keskinen Pekka Niemi - Tampereen ammattiopisto

- Termodynaamiset edellytykset - On olemassa ajava voima prosessin tapahtumiselle - Perusta - Kemiallinen potentiaali

FeCr- ja terästuotteen hiilijalanjälki Ilmastopäivä Tornio

Kellogg-diagrammit. Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2016 Teema 1 - Luento 1

Pourbaix-diagrammit. Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2016 Teema 4 - Luento 3


TKK, TTY, LTY, OY, TY, VY, ÅA / Insinööriosastot Valintakuulustelujen kemian koe

MT Erikoismateriaalit tuotantoprosesseissa (3 op)

Ravinteet, energia ja kaasut kalliobiosfäärissä

Tornion tehtaiden hiukkaspäästökohteet ja puhdistinlaitteet osastoittain

Lasku- ja huolimattomuusvirheet ½ p. Loppupisteiden puolia pisteitä ei korotettu ylöspäin, esim. 2 1/2 p = 2 p.

LPK / Oulun yliopisto

Kuivausprosessin optimointi pellettituotannossa

Kuva. Upokasuunin öljypoltin

MIKKELIN AMMATTIKORKEAKOULU Tekniikka ja liikenne / Sähkövoimatekniikka T8415SJ Energiatekniikka. Hannu Sarvelainen HÖYRYKATTILAN SUUNNITTELU

JÄRVIMALMIN JALOSTUS PUUPOLTTOAINEITA KÄYTTÄVISSÄ LÄMPÖLAITOKSISSA Hajautetut biojalostamot: tulosfoorumi Tomi Onttonen Karelia-AMK

Korkealämpötilakemia

Kon Teräkset Viikkoharjoitus 1. Timo Kiesi Koneenrakennuksen materiaalitekniikan tutkimusryhmä Koneenrakennustekniikka

Erilaisia entalpian muutoksia

Transkriptio:

Korkealämpötilaprosessit Pyrometallurgiset pelkistysprosessit 27.9.2017 klo 12-14 SÄ114 Tavoite Tutustua keskeisimpiin pyrometallurgisiin pelkistysprosesseihin - Erityisesti raudan ja ferrokromin valmistus - Pelkistysprosessien rooli ja tehtävät metallien valmistusketjuissa Tutustua tarkemmin masuuni- ja uppokaariuuniprosessiin - Tehtävät - Raaka-aineet ja tuotteet - Keskeisimmät ilmiöt - Kuonat - Päästöt ja ympäristövaikutukset Masuuni, Tobo, Uppland, 1913. Kuva: C. Reimers (JK-arkisto). 1

Sisältö Kertausta: Pelkistyminen (ja hapettuminen) - Erityisesti korkeissa lämpötiloissa Raudan valmistus yleisesti - Historiaa - Kehitystrendejä Masuuni raudan valmistuksessa - Masuuni oheislaitteineen - Masuunin ilmiöt - Masuunikuona - Masuunin toimintaan vaikuttavia tekijöitä Uppokaariuuni ferrokromin valmistuksessa Muita pelkistysprosesseja Masuuni SSAB:n tehtailla Oxelösundissa, Södermanlandissa, 2002. Kuva: Stig-Göran Nilsson (Jernkontoretin arkisto). 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

Kertausta Pelkistyminen ja pelkistys Mitä pelkistyminen tarkoittaa? - Pelkistyminen tapahtuu aina samanaikaisesti hapettumisen kanssa: jonkin aineen pelkistyessä toinen hapettuu - Hapettuminen on elektronien luovuttamista pelkistyminen niiden vastaanottamista - Yleisimmät hapetus- ja pelkistysreaktiot liittyvät happeen ja oksideihin, mutta hapettumista ja pelkistymistä voi esiintyä myös ilman happea Peruskäsitteitä - Hapetusaste kuvaa hapettumisen (luovutettujen elektronien) lukumäärää - Hapetusluku on hapetusastetta vastaava lukuarvo - Merkitään aina roomalaisin numeroin (Fe II+, Fe III+ ) - Hapetusaste/-luku (Fe III+ ) Varaus (Fe 2+, Fe 3+ ) - Eri hapetusasteilla esiintyvät metallit muodostavat erilaisia yhdisteitä (FeO, Fe 2 O 3 ) Kertausta Pelkistyminen ja pelkistys Miten pelkistettävyyttä kuvataan? - Yhdisteiden termodynaaminen stabiilisuus - Muodostumisreaktioon liittyvät Gibbsin vapaaenergiat - Sähkökemiallinen jännitesarja - Standardielektrodi- ja tasapainopotentiaalit - Tasapainon kuvaus usein lämpötilan ja (kaasu)koostumuksen funktiona - Termodynamiikka kuvaa vain tasapainotilan ei ota kantaa nopeuksiin. Pelkistymisnopeuteen voi vaikuttaa: - itse reaktion nopeus - lähtöaineiden ja tuotteiden aineensiirto (esim. kiinteät tuotekerrokset voivat hidastaa reaktiota merkittävästi) - lämmönsiirto - Korkeissa lämpötiloissa rajoittava tekijä on usein siirtoilmiö 3

Kertausta Pelkistys korkeissa lämpötiloissa Pelkistys tarvitaan, koska monet metallit esiintyvät luonnossa yhdisteinä (oksidit, sulfidit, jne.) MeO + R = Me + RO - R on pelkistin (alkuaine tai yhdiste, jonka muodostama oksidi on pelkistyslämpötilassa stabiilimpi kuin MeO) Korkeat lämpötilat helpottavat oksideiden pelkistämistä - Korostuu hiilellä pelkistettäessä - vrt. Ellinghamin diagrammi Hiili- eli karboterminen pelkistys MeO + C = Me + CO - Käytännössä kaasufaasin välityksellä: - MeO + CO = Me + CO 2 - C + CO 2 = 2 CO (Boudouardin reaktio) Raudan valmistus Historiaa Lähde: Olli Mattila, SSAB. 4

Raudan valmistus Historiaa Suomenkielessä sana rauta on peräisin noin 2500 vuoden takaa - Suomalaisten näkemys raudan synnystä on kuvattu Kalevalan yhdeksännessä runossa Aluksi järvi- ja suomalmien hyödyntäminen Ensimmäiset kaivokset 1500-luvulla Ensimmäiset ruukit/rautahytit 1600-luvulla - Rautahyteillä tuotetun raudan määrä suurimmillaan 1800- luvun lopulla - n. 25 000 t/a (vrt. Raahen tehdas n. 45 000 t/vko) 1920-luvulla neljä raudanvalmistuslaitosta 1937 Oy Vuoksenniska Ab:n rauta- ja terästehdas Imatralle Lähde: Olli Mattila, SSAB. - Huomattavasti suurempi kapasiteetti kuin aiemmissa tehtaissa - Aloitti uuden raudanvalmistuksen ajanjakson Suomessa Raudan valmistus Kehitystrendejä (esimerkkinä japanilaiset masuunit) Lähde: Naito, Takeda & Matsui: ISIJ Int. 55(2015)1, 7-35. 5

Raudan valmistus Kehitystrendejä (esimerkkinä japanilaiset masuunit) Raahen masuunit (2017) Lähde: Naito, Takeda & Matsui: ISIJ Int. 55(2015)1, 7-35. Raahea koskevat tiedot: Mattila: 2nd ISIJ-VDEh-JK joint symposium, Stockholm, 2017. Raudan valmistus Kehitystrendejä (esimerkkinä japanilaiset masuunit) Raudantuojat eurooppalaisissa, japanilaisissa ja yhdysvaltalaisissa masuuneissa (1996). Sintraamon alasajo (2011) Raahen masuunit Lähde: Naito, Takeda & Matsui: ISIJ Int. 55(2015)1, 7-35. 6

Raudan valmistus Ohjelmat CO 2 - päästöjen vähentämiseksi Lähde: Naito, Takeda & Matsui: ISIJ Int. 55(2015)1, 7-35. Masuuni Vastavirtaperiaatteella toimiva kuilu-uuni raudan valmistamiseksi - Ylhäältä panostetaan - pelletit tai sintterit - briketit - koksi - mahdolliset muut kiinteät lisäaineet - Alhaalta - puhalletaan esilämmitettyä, happirikastettua ilmaa - injektoidaan öljyä, hiiltä tai muuta koksia korvaavaa ainetta Kuuma ilma polttaa koksia ja muita polttoaineita - Syntyy pelkistäviä kaasuja häkä ja vety - Kaasun noustessa ne pelkistävät raudan oksideja ja hapettuvat hiilidioksidi ja vesihöyry - Koksikerroksessa muodostuu häkäkaasua - Syntyvä metallinen rauta liuottaa hiiltä ja sulaa Kuva: Olli Mattila, SSAB. Tuotteet - Raakarauta (C 4,5 %, Si 0,45 %), kuona, masuunikaasu 7

Masuunin tukiprosessit Raaka-aineiden agglomerointi - Pelletointi, sintraus, briketointi, koksaus Raaka-aineiden kuljetus ja logistiikka - Siilot, kuljettimet, seulat, nostimset, lastaimet, purkaimet, pölynpoisto, varastointi Energian tuotanto - Sähkö, höyry, lämpö, puhallusilma, paine-ilma, kaasut Sivutuotelogistiikka - Kuonan granulointi - Kaasunpuhdistus Kuonan käsittely SSAB:n tehtailla Oxelösundissa, Södermanlandissa, 2002. Kuva: Stig-Göran Nilsson (Jernkontoretin arkisto). Xxxxxx Xxxxxx - Xxxxx - xxxxx Kuva: Olli Mattila, SSAB. Xxxxxx - Xxxxx - xxxxx Xxxxxx - Xxxxx - xxxxx Xxxxxx - Xxxxx - xxxxx 8

Masuuni Kuva: Olli Mattila, SSAB. Masuuni Kuva: Olli Mattila, SSAB. 9

Masuuni Masuunin hormitaso SSAB:n tehtailla Luleåssa, Norrbottenissa, 2002. Kuva: Stig-Göran Nilsson (Jernkontoretin arkisto). Masuunin yläosa SSAB:n tehtailla Oxelösundissa, Södermanlandissa, 2002. Kuva: Stig-Göran Nilsson (Jernkontoretin arkisto). Masuunin ilmiöt Kanbara, Hagiwara, Shigemi, Kondo, Kanayama, Wakabayashi & Hiramoto: Transactions ISIJ. 17(1977)7,371-380. Eri mittakaavassa esiintyviä ilmiöitä - Eivät ole toisistaan riippumattomia - Ei suoraa mittaustietoa masuuninsisäisistä ilmiöistä - Higashidan (1968), Hirohatan (1970) ja Kukiokan (1971) masuunien pysäytykset tietoa masuunin sisällöstä - Ilmiöiden tarkastelu perustuu lab.mittakaavaisiin kokeisiin 1) Koko prosessin mittakaavassa - Kiertoprosessit (alkalit, rikki) 2) Makroskaalassa - Partikkelipatjan pelkistyminen, pehmeneminen ja sulaminen - Muodostuvan sulan virtaukset 3) Mikroskaalassa - Yksittäisen partikkelin pelkistyminen (hapettuminen) - Uusien faasien muodostuminen/ydintyminen Higashidan käytöstä poistettu masuuni, Kitakyushu, Kyushu, 2015. Kuva: Kaisa Heikkinen (Heikkisten lomakuva-arkisto). 4) Kvanttitason ilmiöt - Kemiallisten sidosten syntyminen ja hajoaminen 10

Pelkistyminen Hormeilta puhallettava kuuma ilma polttaa koksia, öljyä, hiiltä ym. pelkistinaineita - Syntyy pelkistävää kaasua (CO, H 2 ) Pelkistävä kaasu nousee ylöspäin ja kohtaa laskeutuvan panosmateriaalin - Pelkistää raudan oksideja hapettuen samalla (CO 2, H 2 O) Hapettunut kaasu kulkeutuu koksikerrosten läpi Boudouardin reaktio - C + CO 2 = 2 CO Pelletti-/briketti-/sintterikerrokseen tullessaan kaasu taas pelkistää oksideja Kuva: Olli Mattila, SSAB. Lämpötilaprofiili Lämpötilaprofiili - Hormeilla kuuminta - Lämpötila laskee ylöspäin mentäessä - Vaihtelut vaakatasossa - Terminen reservivyöhyke, jossa T lähes vakio - Panosmateriaalin sulaminen koheesiovyöhykkeellä Lämpötilaprofiiliin vaikuttavat tekijät - Kaasun tunkeutumissyvyys hormeilla - Panostus (malmi/koksi-jakauma) - Kaasut kulkevat aina pienimmän vastuksen reittiä - Reaktiot - Pelkistymisreaktiot - Koksin kaasuuntuminen Lämpötilaprofiili vaikuttaa - Skollien muodostuminen ja kiertoprosessit - S, Zn, Na, K - Hirtot 11

Kuona Mistä masuunikuona muodostuu? - Masuunin raaka-aineet (sintteri, pelletit, briketit, koksi) sisältävät epäpuhtauksia - Malmikiven harmemineraalit - Agglomeroinnin side- ym. seosaineet - Malmimineraalin liuenneet aineet (poisto ei onnistu rikastuksella) - Tuhka - Kuonanmuodostajat, jolla koostumus ohjataan halutulle alueelle - Kalkki voidaan korvata konvertterikuonalla - Mahdollisesti injektoitavan öljyn mukana tuleva rikki - Määrä n. 150 350 kg/trr Ilmoitettu kilogrammoina tuotettua raakarautatonnia kohden Kuona Kuonanmuodostus - Alkaa jo kiinteässä tilassa masuunin yläosissa - Raudan oksidien pelkistyminen alkaa - Joidenkin aineiden diffuusiot faasien rajapinnoille - Toisten aineiden konsentroituminen residuaaliin - FeO-rikas eutektinen sula = Primäärikuona - Primäärikuonan koostumus riippuu siitä, mitä komponentteja on läsnä - Panosmateriaalit + Kaasut - Masuunin yläosissa syntyy useita primäärikuonia, jotka alasvirratessaan sekoittuvat ja muodostavat masuunikuonan - Masuunikuonan keskeisimmät komponentit ovat CaO, MgO, SiO 2 ja Al 2 O 3 Toiminnan kannalta koostumus saatava alueelle, jossa kuona on täysin sulaa alauunin toimintalämpötiloissa (n. 1350 1450 C) - CaO n. 40 %, SiO 2 n. 35 %, MgO n. 12 %, Al 2 O 3 n. 8 % Kuva: Olli Mattila, SSAB. 12

Kuona Masuunikuonan sula-alue Kuvat: Paananen, Ollila, Syrjänen & Mäkikyrö: Esitys, POHTO, 2011. Kuona Sintterin primäärikuona - Koostumus määräytyy sintterin mineralogian pohjalta - CaO-FeO-SiO 2 -systeemissä Happaman pelletin primäärikuona - Muodostuu FeO-SiO 2 systeemiin, jossa materiaali sulaa jo 1200 C:ssa - Ongelmana panoksen sulaminen liian aikaisin/ylhäällä - Tavoitteena on kapea ja mahdollisimman alas (korkea T) sijoittuva koheesiovyöhyke Oliviinipelletin primäärikuona - Lisättäessä pellettiin kvartsin sijasta oliviinia (Mg 2 SiO 4 ) pelletin sisään jäävän primäärisulan solidus- ja likviduslämpötilat nousevat 13

Kuona Sivuhuomautus Oliviini = Fe 2 SiO 4 -Mg 2 SiO 4 kiinteä liuos (fayaliitti forsteriitti) Oliviinipelletin primäärikuona (jatkoa) - Koheesiovyöhykkeellä FeO on hallitseva kuonakomponentti - Pelkistymisen edetessä FeO-pitoisuus laskee Jos pelletti ei sisällä MgO:a, siirrytään kohti fayaliitin koostumusta Suuremmilla MgOpitoisuuksilla koostumus siirtyy kohti forsteriittia T Sol ja T Likv kasvavat Myös MgO ja FeO muodostavat kiinteän liuoksen (magnesiowüstiitti). Kuvat muokattu lähteestä: Paananen, Ollila, Syrjänen & Mäkikyrö: Esitys, POHTO, 2011. Kuona Koksin tuhkan primäärikuona - Hapan primäärikuona, joka syntyy tuhkan mineraaliaineksista ja kaasusta tulevista komponenteista - B = CaO/SiO 2 = 0,05 - Ei muodosta itsenäistä sulaa - Ei FeO:a laskemassa solidus- ja likviduslämpötiloja - Muut primäärikuonasulat liuottavat koksin tuhkan itseensä - Koksauksessa maksimilämpötila n. 1050 C - Tuhkan mineraalit ovat käyneet ko. lämpötilassa - Tämän vuoksi tuhka-aines ei muutu juurikaan ennen koheesiovyöhykettä - Kompleksisia mineraaliyhdisteitä - Kiertävät komponentit (rikki, alkalit) vaikuttavat jo masuunin yläosissa - Koheesiovyöhykkeellä ja sen alapuolella mineraalit hajoavat yksinkertaisemmiksi - Hiilen pinnoilla olevat tuhkakomponentit vapautuvat koheesiovyöhykkeellä (jossa hiilestä palaa n. 30 %) ja yhtyvät pellettien primäärikuoniin - Koheesiovyöhykkeen jälkeen tuhka-aineita vapautuu paloonkaloissa, joissa hiilestä kaasuuntuu n. 60 % - Loput 10 % koksin hiilestä kuluu raakarauden hiilettymiseen - Tällöin vapautuvat loput koksin tuhkasta 14

Rikkijakauma (%S)/%S 16.9.2017 Kuona Koksin tuhkan primäärikuona (jatkoa) Kuvat: Gornostayev, Heikkinen, Heino, Huttunen & Fabritius: Steel research int. 87(2016)9, 1144-1153. 80 70 60 50 40 30 20 10 B2 vs S-jakauma Power (B2 vs S-jakauma) Kuona 0.90 0.95 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 CaO/SiO 2 Masuunikuonalle asetettavat tavoitteet - Oltava täysin sulaa, jotta saadaan laskettua masuunista - Koostumuksen ohjaus oikealle alueelle (ks. edellä) - Koottava yhteen faasiin aineet, joita ei haluta raakarautaan - Monet oksidit + rikki - Lopullisen koostumuksen optimointi usein kompromissi eri tavoitteiden välillä - esim. rikin kuonautumista voitaisiin tehostaa emäksisyyttä kasvattamalla, mutta tämä veisi koostumuksen alueelle, jossa kuona ei ole täysin sulaa - Alkalien poistoa masuunista puolestaan edistää hapan kuona - Jos halutaan pienentää masuunissa kiertävien alkalien määrää, ohjataan kuonaa happamampaan suuntaan, vaikka tämä samalla kasvattaa raakaraudan rikkipitoisuutta Kuvat: Paananen, Ollila, Syrjänen & Mäkikyrö: Esitys, POHTO, 2011. 15

Virtaukset Hiili-injektio masuunin hormeilta. Kuva: Dan Sandström, POHTO, 2015. Kaasu nousee hormeilta huipulle - Panosmateriaalin koksi-ikkunat keskeisessä asemassa - Rautapanos ja koksi panostetaan kerroksittain, mutta ne sekoittuvat panosmateriaalin valuessa alaspäin Koksi virtaa pääosin hormeille, jossa se palaa Sula metalli ja kuona - Koksipatjan läpi pisaroina ja jatkuvana virtauksena - Muodostavat metalli- ja kuonakerrokset pohjalle - Lasketaan pois väliajoin Masuunin alauunin keskellä on kiinteän koksin alue Kuollut mies Raakaraudan lasku masuunista SSAB:n tehtailla Luleåssa, Norrbottenissa, 2002. Kuva: Stig-Göran Nilsson (Jernkontoretin arkisto). - Masuunin virtauksiin ja toimintaan vaikuttaa merkittävästi kelluuko kuollut mies vai istuuko se pohjalla Masuunin toimintaan vaikuttavia tekijöitä Lähde: Naito, Takeda & Matsui: ISIJ Int. 55(2015)1, 7-35. 16

Muut raudan pelkistysprosessit Perusteluja vaihtoehtoiselle raudanvalmistusmenetelmälle - Mahdollisuus päästä eroon koksista - Hienojakoisen rautarikasteen käyttö raaka-aineena ilman agglomerointia - Hiilidioksidipäästöjen vähentäminen Vaihtoehtoisia menetelmiä - Kuilu-uunit - Leijupetisovellukset - Suorapelkistys kiinteässä tilassa - Erilaiset sulapelkistysprosessit Vaihtoehtoisia raudanvalmistusprosesseja käsitellään tarkemmin omalla luennollaan. Lähde: Naito, Takeda & Matsui: ISIJ Int. 55(2015)1, 7-35. Suorapelkistetyn raudan (DRI) valmistukseen käytettäviä menetelmiä. Muut raudan pelkistysprosessit Pyörivän arinauunin käyttö pelkistyksessä. DIOS-prosessi. Lähde: Naito, Takeda & Matsui: ISIJ Int. 55(2015)1, 7-35. 17

Uppokaariuuni Kuva: Mika Päätalo, Esitys, POHTO, 2015. Kromia ja rautaa sisältävän kromiittirikasteen pelkistys- ja sulatusprosessi - Elektrodit kuten valokaariuunissa - Koksin käyttö pelkistimenä - Tuotteena sula ferrokromi - Cr 53 %, Fe 35 %, C 7 %, Si 4,5 % SISÄÄN: Kromiittipelletti Palamalmi Kuonanmuodostajat (SiO 2, CaO, CaCO 3 ) Koksi Happi ULOS: Korkeahiilinen ferrokromisula (Cr 53 %, Fe 35 %, C 7 %, Si 4,5 %) Kuona (Al 2 O 3 -SiO 2 -MgO-Cr 2 O 3 ) CO 2, CO Lämpö Uppokaariuuni Ferrokromin tuotanto Outokummun Tornion tehtalla - Tuotantokapasiteetti 530000 tfecr/a - 2 sintraamoa 150 t/h pellettejä - 5 etukuumennusuunia T = 500 C - 3 uppokaariuunia - Uunien teho yhteensä 200 MW - Syötemateriaalit - Pelletit ja palarikaste - Koksi - Kvartsiitti - Energiankulutus n. 3200 kwh/tfecr - Koksin kulutus n. 500 kg/tfecr - Tuotteet - Korkeahiilinen ferrokromi - Häkäkaasu (85 % CO) loput vetyä, typpeä ja hiilidioksidia - 675 850 Nm 3 /tfecr - Kuona tuotteistetaan Lähde: Mika Päätalo, Esitys, POHTO, 2015. 18

Uppokaariuuni osana ferrokromin valmistusprosessia Reaktiot uppokaariuunissa Lähde: Jenni Räisänen, Diplomityö,, 2012. Masuunien tapaan myöskään uppokaariuunissa tapahtuvista reaktioista ei saada suoraa mittaustietoa - Sammutetun ja jäähdytetyn uunin tarkastelu (1999) Reaktiovyöhykkeet - 1: Panosmateriaalien muodostama kiintoainepatja - Ulottuu uunin yläosasta elektrodien kärkiin asti - Panoksen lämpeneminen - Mineraalien hajoamisreaktioita - Hiilen kaasuuntuminen - Kromiitin pelkistyminen CO-kaasulla - Metallifaasin muodostuminen (Cr, Fe) alkaa - Noin 20 % panoksesta pelkistyy tällä alueella - Ei sulan kuonan muodostumista - 2-6: Uunin alaosa - Kuonan muodostuminen harmemineraaleista ja kvartsista - Kromiitin liukeneminen kuonaan - Metallin pelkistyminen kuonafaasista ja metallifaasin muodostuminen - Kuonan ja metallin erottuminen toisistaan - Vyöhykkeet eroavat toisistaan faasikoostumukseltaan ja lämpötilaltaan 19

Pelkistysprosessit muiden metallien valmistuksessa Myös värimetalleja voidaan raudan tapaan pelkistää masuunityyppisissä kuiluuuneissa Värimetallien valmistuksen raaka-aineet usein sulfidisia - Ongelmana sulfidisen materiaalin pelkistys hiilellä - Pelkistysreaktioissa tasapaino lähtöaineiden puolella - Tuotteena ongelmallisia yhdisteitä kuten CS, CS 2, H 2 S, COS - Käytännössä sulfidiset materiaalit pasutetaan oksidiseen muotoon ennen pyrometallurgista pelkistystä - Metallien valmistus sulfidisista materiaaleista hydrometallurgisesti tai liekkisulatusmenetelmällä Esimerkkinä sinkin valmistus ISFmenetelmällä ISF = Imperial Smelting Furnace - Esikäsittelynä sulfidien pasutus oksidiseen muotoon - Pelkistys masuunityyppisessä kuilu-uunissa - Sinkki pelkistyy ja höyrystyy - Sinkin puhdistus tislaamalla - Alkuainesinkin talteenotto tiivistämällä kaasufaasista Lähde: Andersson, Sjökvist & Jönsson: Processmetallurgins grunder. KTH, 2006. 20

Yhteenveto Hiilellä pelkistämisen edellytykset paranevat lämpötilaa nostettaessa Masuuni, Ljusne, Hälsingland, 1901. Kuva: Harry von Eckermannin maalaus (JK-arkisto). Pyrometallurgista pelkistystä käytetään erityisesti raudan ja ferroseosten valmistuksessa - Masuuni - Uppokaariuuni Sulfidimalmit yleensä pasutetaan oksidiseen muotoon ennen pyrometallurgista pelkistystä - Tai käsitellään hydrometallurgisesti Masuuni, Ljusne, Hälsingland, 2014. Kuva: Kaisa Heikkinen (Heikkisten lomakuva-arkisto). 21