Teollisuuden sivuvirtojen tuotteistaminen - Case teräskuona Simo Isokääntä, Kierrätys ja Mineraalituotteet 2013-06-13 1
Kierrätys ja mineraalituotteet Ruukin sivutuotteiden myynti ja markkinointi Kuonat (teräskuona, masuunikuona) Koksaamon sivutuotteet (hienot koksijaket, kivihiiliterva, bentseeni, rikki) Hämeenlinnan sivutuotteet (rautaoksidi, sinkkiharkot) Kierrätysterästen käsittelyt ja toimitus terästuotannolle Yksikön kautta kiertävä materiaalimäärä yli 2 milj. ton/a
Kuona Kuona = Synteettinen kiviaines Teräksen valmistuksen sivutuotteena valmistettava kiviaines Teräskuonan raaka-aineet Ruotsista louhittavan rautamalmin sivukivi Gotlannista louhittava kalkkikivi Kivihiileen sisältämä kiviosuus
Teräskuonan valmistus
5 Teräskuonan valmistus
Teräskuona Tuotanto Raahessa 180 000 t/vuosi (= n. 5 200 rekkakuormaa) Viime vuosina tuotanto ja kysyntä/käyttö ollut tasapainossa Keskimäärin puolet tuotannosta myyty ulos ja puolet käytetty raaka-aineena tehtaan prosessissa Tärkein käyttösovellus tehtaan ulkopuolella on aiemmin ollut kalkitusaineena maataloudessa (Ruukin osuus Suomen kalkitusmarkkinoista n. 20%) Maatalousmyynti lopetettu ja vastaava määrä myydään maa- ja tienrakennukseen
Historiaa Toimellinen ja taitava Sonnan hankkia (vuosi 1861): Masuunin kuona eli konto, jota wiimeisinä aikoina on ruwettu pellon hyväksi käyttämään sanotaan olevan hywin uljasta ainetta täksi tarpeeksi. Kiintiän saven se hellittää, höllän, newaisen, sammalisen ja turpeisen maan se tekee lujemmaksi ja onnellisemmaksi. Paitsi tätä on se myös vahvasti lihottava; sillä siinä on aina osaksi kalkkia. Pieneksi kuin santa muokattuansa wiedään se kesäpellolle ja sekoitetaan tawallisesti. Niin kuin mergeli ja kalkki häwittää se sammalen niituilta, jos sitä syksyllä ohuelta maalle kylwetään. Kuinka paljon sitä kullekin maalaille annetaan, on maan luonnosta arvattava. Lähde: C.R.Lindberg (1861) Maalaadun parantamisesta. Toimellinen ja taitava Sonnan hankkia. I.W.Eilijan kirjapaino, Turku
Historiaa Jo 1960-luvulla Oulun yliopistolla kuonatutkimuksia maa- ja tienrakennukseen liittyen (prof. Taivainen) Suomessa kuonien käyttö maa- ja tienrakennuksessa alkoi systematisoitua 1970-luvun lopulla. Kuonien käytön kehitystyö alkoi asiakaslähtöisesti tielaitoksen piirissä. Tavoitteena korvata luonnonmateriaaleja. 1980-luvun lopulle tultaessa kappalekuonan kysyntä ylitti jo tuotannon. 1990-luvun puolivälissä alkoi vesijäähdytetyn masuunikuonan eli masuunihiekan valmistus
Lisää historiaa Masuunihiekan ominaisuuksien hyödyntäminen sai potkua asiakaslähtöisen tuotekehityksen ansiosta panostus kehitystyöhön ei ollut yksipuolisesti tuottajan vastuulla Kuonien kehitystyössä erityispiirteenä on ollut loppukäyttäjien aktiivisuus uuden sovelluksen käyttöönotto tapahtuu heti kehitystyön edetessä 1990-luvun alkupuolelle kehitystyössä keskityttiin tuotteiden käyttöön paksuina rakennekerroksina. Tiedettiin kuitenkin joidenkin tuotteiden osalta, että näin käytettynä kaikkia teknisiä ominaisuuksia ei pystytty hyödyntämään
Ja vielä lisää historiaa "Kuonat geotekniikassa" projekti aloitettiin 1990-luvun puolivälissä. Siinä yhdeksi painopistealueeksi valittiin kuonien sideainekäyttö tien rakennekerrosten lujittamisessa eli stabiloinnissa Projektissa kehitettiin paksuina rakennekerroksina käytettävälle tuotteelle uutta sideainekäyttösovellusta. Tuotteelle määritettiin uuden sovelluksen mukaiset käyttöparametrit eli kehitystyön kohteena oli tarjottavan ratkaisun modifiointi 2000-luvulle tultaessa masuunihiekan käyttö oli ohjeistettu ja samalla saatu paljon tietoa teräskuonaan liittyen
Yleistä filosofiaa Olennaista sivutuotteiden kehitystyössä Tuottajan ja kehittäjän vastuu siitä, että ympäristökelpoisuusasiat huomioidaan riittävästi. Ensin varmistetaan ympäristökelpoisuus Vielä 1990-luvun puolivälissä elettiin sivutuotteen kehittäjän kannalta hyvää aikaa Kun tuote oli ympäristön kannalta turvallinen, voitiin keskittyä teknisten toimivuuteen 1990 luvun alussa mietittiin mitä ympäristötutkimuksia pitäisi tehdä ja kuinka paljon niihin tulisi panostaa. Todettiin, että se on kuonien osalta jo selvitetty ja mitään haittaa niistä ei ole ympäristölle. Kuonia käyttämällä säästetään uusiutumattomia luonnonvaroja Pian alkoi viriämään juridista keskustelua siitä, ovatko kuonat jätettä. 1995 aloitettu teknisesti laadukkaiden maa- ja tierakennustuotteiden kehitysprojekti muuttui hankkeeksi jossa teknisesti ja ympäristön kannalta turvallisiksi havaittuja tuotteita kammettiin juridisin tulkinnoin luokkaan "jäte".
Teräskuonan historia Ulkoisessa myynnissä keskitytty maatalouskäyttöön, joka alkoi aktiivisten viljelijöiden toimesta. Myös sisäistä käyttöä ollut koko ajan Lannoitelain mukaisesti käytettynä ja säädettyjen arvojen toteutuessa teräskuona on aina ollut tuote kalkituksessa Teräskuona ollut koko kuonien maa- ja tienrakennukseen liittyvän T&K-historian aikana yhtenä tutkimusmateriaalina, mutta sille ei nähty potentiaalia painon vuoksi 2000-luvun alussa ajatus masuunihiekan ja teräskuonan yhdistämisestä sopivalla seossuhteella otettiin uudelleen tapetille Seoksen (LD-Masuunihiekka) tekniset oli jo tiedossa aiempien tutkimusten perusteella Koerakenteiden toteutus 2010 alkaen Tammikuussa 2013 AVI:lta päätös: teräskuona on sivutuote
Teräskuonan status 01/2013 asti Teräskuonaa Prosessointi: Jäähdytys penkassa Irrotus ja kuljetus laitokselle Murskaus ja mg-erotus Tuoteseulonta Tuote Maatalouteen = TUOTE Tienrakennukseen = JÄTE Tarvitaan ympäristölupa
Teräskuonan myyntiprosessi maa- ja tierakentamiseen ennen ja nyt
Tierakenteen kestävyyteen vaikuttavat tekijät A Factors affecting the durability of road Road structure Environmental conditions Load A Materials - bound - unbound Layer thicknesses Lateral support - width/edges of road - ramp declination Quality of subgrade - bearing capacity - frost properties Ground water conditions - grade level - flow conditions Climate conditions - temperature - precipitation Traffic - amount of loads - intensity of loads - speed of traffic - abrasion of studded tires - measuring time Climate - temperature changes - cold content A A
Kemialliset reaktiot maassa H Mg H C a + + C a Na Mg K C a H K HUMUS - CLAY EXCHANGE COMPLEX C a Mg H C a C a H K Mg Na H C a Na H H Mg
Teräskuonan ominaisuudet Teräskuona, Proctor -koe Kuivatilavuuspaino (kn/m 3) 22 21,5 21 20,5 20 4 6 8 10 12 14 vesipitoisuus (%) Helposti tiivistettävä materiaali dmax = 21,2 kn/m 3 w opt = 9 10 % Kiintotiheys s = 3,3 g/cm 3 Tie- ja katurakentamisessa käytettävä yleisimmät rakeisuusalueet: # 0 20 mm # 0 32 mm # 0 63 mm # 0 80 mm
Teräskuonan paisuminen Teräskuonan paisumista voidaan vähentää korvaamalla osa teräskuonasta masuunihiekalla Teräskuonalle on ominaista kalsiumoksidin hydratoitumisesta aiheutuva tilavuudenmuutos Paisuminen vähenee lähes lineaarisesti teräskuonamäärän pienetessä kokonaismassasta Teräskuonan paisuminen eri teräskuona-masuunihiekka seossuhteilla 10 8 Paisuminen (%) 6 4 2 0 0 0,1 0,3 0,5 1 Teräskuonan osuus *100 %
Teräskuona-masuunihiekka seoksen teknisiä ominaisuuksia 100 1,4 K ap illaarin en n o u su k. (cm ) 80 60 40 20 0 0 0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Teräskuonan osuus *100 % Läm mönjohtavuus (W/m K) 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 0,1 0,3 0,49 1 Optimikosteus sula Kyllästetty sula Optimikosteus jäässä Teräskuonan osuus *100 % 8 7 P u ris t u s lu ju u s ( M P a ) 6 5 4 3 2 1 0 0 50 100 150 200 MaHk TeKu : MaHk 50:50 TeKu Aika (d) 19
Teräskuonan komponenttien liukoisuus Liukoisuus in situ määritetään lysimetrin avulla PEH lysimetrit, 5 kpl, D = 800 mm TEKU 0 6 mm MaHk 0 6 mm LD+MaHk 50:50 MaHkMurske 0 32 mm Pesty murske 6 16 mm Vesinäytteiden keruuyksikkö Näyteastiat 50 l, 5 kpl pakkasenkestävä, elintarvikelaatu 500 mm 200 mm PEH Poistoputki LYSIMETRI 800 mm 20 -tutkimusmateriaali -suodatinkangas -pesty murske # 6 16 mm Poistoputki 40 mm PEH Lattiakaivo 110 PEH Poistoputki Lattiakaivo
Teräskuona tienrakennusmateriaalina Teräskuonan käyttö tierakennusmateriaalina yhdessä masuunihiekan kanssa Routaeriste pieni lämmönjohtavuus Kantavuus lujittuva materiaali Ominaisuudet saadaan parhaiten selville instrumentoiduilla koerakenteilla Ilman lämpötila (2 m) S2 PL 475 PL 525 PL 575 0,25 m 0,45 m 0,65 m 0,85 m 1,05 m 1,25 m KaM 0 56 Hk 340 1020 0,22 m 0,42 m 0,62 m 0,82 m 1,02 m 1,22 m S1 K1 K2 K3 LD-MaHk 50:50 90 770 0,26 m 0,46 m 0,66 m 0,86 m 1,06 m 1,26 m KaM 0 56 MaHk 290 570 1,45 m 1,42 m 1,46 m 1,65 m 1,62 m 1,66 m 1,85 m 1,82 m 1,86 m 2,05 m Si 2,02 m Si 2,06 m Si 2,25 m 2,22 m 2,26 m 2,65 m 2,62 m 2,66 m
LD-MaHk tuotetta käytettäessä roudansyvyys tierakenteessa TALVI 2009-2010 PAKKASMÄÄRÄ 32000 ºCh (F5) Tyypillinen pyörätierakenne - suodatinkerros hiekka Roudan syvyys 2,45 m Teräskuonamasuunihiekka-rakenne Roudan syvyys 1,4 m
Veden suotautuminen päällystetystä ja päällystämättömästä tierakenteesta Sadanta Haihtuminen O 2 Pintavalunta infiltraatio/imeyntä O 2 Höyry Kapillaarinen nousu Päällystetty Päällystämätön Haitta-aineen kulkeutumiseen vaikuttavat tekijät Pohjaveden korkeus Maakerros Materiaaliparametrit Ilmastomuuttujat Reunaehdot Rakenteen geometria Tilavuuspaino Huokoisuus Vesipitoisuus Kerrospaksuus Hydraulinen johtavuus Vedenpidätysominaisuudet Hydrodynaaminen dispersio Haitta-aineen liukoisuus Adsorptio-ominaisuudet Lämpötila Sadanta Kosteus Tuulen nopeus Pohjaveden korkeus Hyraulinen gradientti Kerrospaksuus Kaltevuus 23
Teräskuona-masuunihiekka tierakentamisessa Teräskuona masuunihiekka seos kantava ja lämpöä eristävä tierakennusmateriaali Teräskuona - masuunihiekkaseoksissa tierakenteen roudan syvyys noin 40-60 % vertailurakenteen roudan syvyydestä Metallien pitkäaikaiskulkeutuminen tieympäristössä vähäistä ja pidättyminen voimakasta etenkin hienorakeisissa maalajeissa 24
Yhteenveto teräskuonan tuotteistamisesta Tuotteistusta ei ole lähdetty tekemään nollasta Oli olemassa paljon teknistä ja ympäristökelpoisuuteen liittyvää tutkimustietoa Pitänyt osoittaa, että kyseessä on tuote. Osoittaminen ei vaatinut uutta tutkimusta tarvittiin vain olemassa olevan tiedon kasaamisesta yhdeksi kokonaisuudeksi Lähtökohta oli hyvä, sillä teräskuonaa oli tutkittu paljon ja lähtötiedot tuotteistusta varten olivat laajat Hyvän lopputuloksen varmistamiseksi on tiedettävä todisteellisesti, mitä tuotteistetaan ja oltava riittävästi itsekritiikkiä, kun tulkitaan tuloksia