valokaariuunin savukaasujen hallinta ja imutehojen...
TRANSCRIPT
-
TEKNILLINEN TIEDEKUNTA
Valokaariuunin savukaasujen hallinta ja imutehojen
optimointi
Janika Hasa
PROSESSITEKNIIKAN KOULUTUSOHJELMA
Diplomity
Elokuu 2016
-
TEKNILLINEN TIEDEKUNTA
Valokaariuunin savukaasujen hallinta ja imutehojen
optimointi
Janika Hasa
Ohjaajat: Timo Fabritius, Matti Aula ja Juho Kunelius
PROSESSITEKNIIKAN KOULUTUSOHJELMA
Diplomity
Elokuu 2016
-
TIIVISTELM
OPINNYTETYST Oulun yliopisto Teknillinen tiedekunta Koulutusohjelma (kandidaatinty, diplomity) Paineopintojen ala (lisensiaatinty)
Prosessitekniikka
Tekij Tyn ohjaaja yliopistolla
Janika Hasa Timo Fabritius, Matti Aula
Tyn nimi
Valokaariuunin savukaasujen hallinta ja imutehojen optimointi
Opintosuunta Tyn laji Aika Sivumr
Prosessimetallurgia Diplomity Elokuu 2016 105 + 5
Tiivistelm
Parantunut sulatustehokkuus on lisnnyt savukaasujrjestelmien vaatimuksia. Savukaasujrjestelmien tarkoituksena
on kert prosessissa muodostuneet savukaasut savukaasulaitokselle puhdistettavaksi. Valokaariuunissa savukaasuja
muodostuu hapetusreaktioiden tuloksena sek erilaisten aineiden haihtuessa romujen pinnalta. Lisksi savukaasujen
mukana kulkeutuvat suuret plymrt. Pasiallisesti plyjen ja eri savukaasujen, kuten hiilimonoksidin,
pstmri rajoitetaan erilaisten lakien ja snnsten avulla. Toisaalta liian suuret imut savukaasujrjestelmss
aiheuttavat lmphviit, raaka-aineiden poistumista plyjen mukana sek vuotoilman mrn kasvua.
Vuotoilmojen mrn kasvu edesauttaa kromin kuonautumista aiheuttaen raaka-ainehvikki ruostumattoman
terksen valmistuksessa. Mys korkeat savukaasujen lmptilat savukaasukanavassa voivat pahimmillaan heikent
savukaasujen puhdistusjrjestelm esimerkiksi suodatinpussien palamisen takia. Lmptilojen suhteen tarkoitus on
sek varmistaa riittv hapen saanti jlkipalamiseen kovilla imutehoilla ett vhent turhan lmmn siirtymist
primrikanavaan. Rajoitusten takia on trke st imutehokkuutta savukaasujen muodostumisen mukaan. Tmn
diplomityn tarkoituksena on optimoida imutehot sulatuksen vaiheeseen nhden.
Outokumpu Stainless Oy:ll valokaariuuni 2 savukaasujrjestelm koostuu kolmesta osasta: primri- ja
sekundrikanavasta sek savukaasulaitoksesta. Primrikanava alkaa valokaariuunin holviin kiinnitetyst kyrst,
jonka ensimmisess knnksess olevasta raosta imetn vuotoilmaa jlkipalamiseen. Sekundrikanavaan imetn
savukaasu-ilmaseosta sulatushallin kattoon asennetusta huuvasta. Ne yhdistyvt juuri ennen savukaasulaitoksella
sijaitsevia suodatinpusseja, joiden avulla savukaasut puhdistetaan. Imutehot luodaan suodatinpussien jlkeen
sijoitetulla kolmella keskipakopumpulla. Molemmissa savukaasukanavissa sijaitsee stpelti. Stpeltien ja uunin
alipaineen sttaulukon avulla ohjataan savukaasukanavan imutehokkuutta. Uunin alipaineen sttaulukolla
mriteltiin alipaine karkeaerottimelle. Sttaulukossa jokaiselle valokaariuunin jnniteparille pystyttiin
mrittelemn omat arvonsa jnniteportaan keston suhteen.
Tss diplomityss testattiin kahta eri sekundrikanavan stpellin asentoa sek kolmea eri arvoja sisltv uunin
alipaineen sttaulukkoa valokaariuuni 2:lla. Sekundrikanavan stpellin asento oli mritelty pysyvksi ennen
muutoksia 70 % auki muuna aikana paitsi panostuksen ja kalkin injektoinnin ollessa kynniss. Sen arvo muutettiin
aluksi 60 % ja sitten 66 % primrikanavan imutehokkuuden parantamiseksi sek riittvn hallin ilman puhdistuksen
varmistamiseksi. Ensimmiseen uunin alipaineen sttaulukkoon oli listty alipainetta lhes jokaiselle
jnniteporrasparille. Toiseen taulukkoon listtiin alipainetta suuremmille jnniteportaille, mutta pienennettiin sit
pienille jnniteportaille. Kolmannessa sttaulukossa pienien jnniteportaiden arvoja pienennettiin toista
sttaulukkoa enemmn. Nist taulukoista kertty dataa verrattiin alkuperisen taulukon aikana kertyn datan
kanssa. Saatujen tulosten perusteella savukaasujen lmptilahlytysten mr saatiin vhennetty sek niihin
kulunut aika vheni yli kolmella tunnilla testien kytn aikana verrattuna alkuperiseen. Kolmannessa taulukossa
sulatuksen keston keskiarvo oli lyhentynyt kolme minuuttia alkuperisest, tonnia kohti kytetyn shkenergian
mr putosi 6 Wh/tC sek kromia kuonautui vhemmn. Karkeaerottimen paineella ei kuitenkaan tysin pystytty
ohjaamaan valokaariuuni 2:n painetta.
Tst diplomityst on hyty valokaariuunin savukaasujrjestelmn toiminnasta kiinnostuneille sek sen imutehojen
mrn optimoimista suunnitteleville. Lisksi tietoa lytyy kromin kyttytymist ja valokaariuunin paineen suhdetta
tutkiville.
Muita tietoja
VKU, valokaariuuni, EAF, electric arc furnace, savukaasujrjestelm, dedusting system, uunin alipaine
-
ABSTRACT
FOR THESIS University of Oulu Faculty of Technology Degree Programme (Bachelor's Thesis, Masters Thesis) Major Subject (Licentiate Thesis)
Process engineering
Author Thesis Supervisor
Janika Hasa Timo Fabritius, Matti Aula
Title of Thesis
Control of fumes formed in electric arc furnace and optimization of suction effect
Major Subject Type of Thesis Submission Date Number of Pages
Process metallurgy Masters thesis August 2016 105 + 5
Abstract
Improved melting efficiency has increased the number of requirements to an exhaust gas system. The aim of the
exhaust gas system is to gather all the gas formed in the process and transfer them to a off-gas plant. In the electric
arc furnace (EAF) the gases are mainly formed as a result of the oxidation reactions and evaporation of volatile
materials on the surface of the scrap. In addition there are lot of dust carried by the off-gases. The amount of the
discharged dust and off-gases like CO is restricted by different laws and regulations. On the other hand too strong
suction effect cause heat and raw material losses and increase air infiltration into the EAF. The more air infiltrated
into the furnace, the more possibilities there is to chrome slagging. Its an undesirable effect in the stainless steel
industry. The high gas temperatures in the exhaust gas ducts can also weaken the gas purification system by burning
some of the filter bags. The purpose at the temperature control is to secure the level of oxygen supply by stronger
suction and decrease the unnecessary heat transfer into the primary duct by weaker suction. Therefore, it is important
to adjust the suction effect according to the formation of gases. The aim of this masters thesis is to optimize the
suction effect according to the stages of melting.
The exhaust gas system at EAF 2 in Outokumpu Stailess Oy consists of three parts: a primary and a secondary duct
and a combustion gas plant. The primary duct begins from an elbow attached to the roof of the EAF. Between the
elbow and furnace exist a gap where air is infiltrated for a post combustion. Into the secondary duct a mixture of
gases and air is sucked by the canopy situated at the roof of the melting hall. These two ducts join before the bag
filters, which are located in the combustion gas plant. The suction effect is created by three centrifugal fans situated
after the bag filters. There is adjustable plate in both of the ducts. The adjustable plates and a setting matrix of the
negative pressure in the furnace control the suction effects in the ducts. The setting matrix of the negative pressure in
the furnace defines the negative pressure in a drop-out box next to EAF. In the control matrix the value of the
negative pressure and its duration was able to be set to every pair of voltage levels.
In this masters thesis two different positions of the adjustable plate in the secondary duct and three different set of
values at the control matrix in EAF 2 were tested. Before the changes, the adjustable plate in the secondary duct was
directed to 70 % position at other time excluding charging and lime injection. The position was changed first to 60 %
and then to 66 % in order to improve the suction effect at the primary duct and to ensure clean factory atmosphere. In
the first version of the setting matrix the values for every pair of voltage levels were lower than in the original one. In
the second the values for higher voltage levels were lower but for the lower voltage levels they were higher. In the
third the lower voltage levels were the highest and higher level values were same than in the second. The data
collected during the use of these three versions were compared to the data collected during the original settings.
According to the results the amount of temperature alerts of the combustion gas decreased and the duration of the
alerts was shortened by over three hours during the test compared to original version. In addition in the third version
the average of the duration of the melting was shortened by three minutes from original, the used electrical energy per
ton of charged material was decreased by 6 Wh/tC and slagging of the chrome decreased. Nevertheless, the negative pressure at the coarse separator couldnt properly control the negative pressure in EAF 2 at neither one of the
versions.
This masters thesis can prove to be beneficial for persons interested in exhaust gas systems and for researcher
planning to optimize its suction effect. In addition information of the relation between chrome behavior and the
pressure in EAF can be found.
Additional Information
EAF, electric arc furnace, exhaust gas system, dedusting system, negative pressure in EAF,
-
ALKUSANAT
Tm pitk, mutta silti niin lyhyt hetkeni opiskelemassa, on kulkenut kohti tt
viimeist voimain nytst: diplomityt. Onnekseni sain kestyni jlkeen
diplomitypaikan samaisesta tutkimuskeskuksesta. Siit haluan kiitt esimiestni Esa
Puukkoa ja diplomityn ohjaajaani Juho Kuneliusta. Kiitos Timo Fabritiukselle
nopeasta toiminnasta yliopiston puolella ja aiheen hyvksymisest. Diplomityni
kynnistyi hetken lomailun jlkeen, ei suinkaan synkkin vaan viel kauniina lokakuun
alkupivin. Nyt yli kahdeksan kuukautta myhemmin aikaa tuntuu kuluneen kauan
noista pivist, vaikka tit tehdess aika on vierhtnyt nopeasti. Kiitos neuvoista,
tarkoista kommenteista ja palaverien keskusteluista ohjaajilleni Juho Kuneliukselle,
Matti Aulalle ja Timo Fabritiukselle!
Vietin hyvinkin hauskoja ja rikkaita hetki Outokummun VKU2:lla tuotantokokeita
tehden. Tyntekijt selittivt trkeit pieni yksityiskohtia VKU2:n toiminnasta, mik
auttoi entisestn ymmrtmn kytnt. Kiitos heille kaikille juttuseurasta,
selityksist ja soittelusta tarpeen vaatiessa (vaikka en vlttmtt aina puhelimeen
vastannutkaan). Koska kaikkea tietoa ei lytynyt kirjoitettuna, soittelin ja kyselin
ympri tehdasta. Mielenkiintoisia ja nasevia kommentteja antoi varsinkin Harrin Onni,
joka on kiitoksen ansainnut siitkin huolimatta, etten aina ollut asioista samaa mielt.
Kiitos mys muille auttaneille!
Ennen diplomityn alkua olen kuluttanut yliopiston penkkej hyvss seurassa. Mik
olisikaan parempaa kuin muistella lukuisia illanviettoja, kiltahuoneen tunnelmaa,
pitkksi venyneit tenttiin lukuhetki ja yhdess tekemist. Kiitos kaikille vanhoille ja
nykyisille opiskelukavereilleni! Erityiskiitos Peterin Marjolle, jonka vertaistukeen olen
voinut koko diplomityn ajan tukeutua. Suuri kiitos luottamuksesta, tukemisesta ja
maailman katsomuksesta kuuluu isklle ja isklle. Kiitos siskolleni Marikalle
ainaisesta mielipiteiden vaihdosta sek veljelleni Matiakselle puolipisteidenkin
viilaamisesta. Kiitos mys sukulaisille ja ystville tuesta ja seurasta!
Torniossa 3.7.2016
Janika Hasa
-
SISLLYSLUETTELO
TIIVISTELM ...................................................................................................................... 3
ABSTRACT ........................................................................................................................... 4
ALKUSANAT ....................................................................................................................... 5
SISLLYSLUETTELO ......................................................................................................... 6
MERKINNT JA LYHENTEET .......................................................................................... 9
1 Johdanto ............................................................................................................................. 7
2 Valokaariuuni 2 .................................................................................................................. 9
2.1 Tornion jaloterssulaton kuvaus .................................................................................. 9
2.2 Valokaariuuni 2:n kuvaus .......................................................................................... 10
2.3 Valokaariuuni 2:en panostus ja raaka-aineet ............................................................. 12
2.3.1 Kierrtysters ................................................................................................... 13
2.3.2 Seosaineet ......................................................................................................... 13
2.3.3 Pelkistimet ........................................................................................................ 13
2.3.4 Kuonanmuodostajat .......................................................................................... 14
2.4 Sulatuksen vaiheet ..................................................................................................... 14
2.5 Valokaariuuni 2:n tehojen st ................................................................................ 15
2.6 Hapen injektointi ....................................................................................................... 16
2.7 Kuonan kuohuminen ................................................................................................. 16
3 Sulatuksen aikaiset reaktiot .............................................................................................. 18
3.1 Savukaasujen muodostumisen vaihtelut .................................................................... 18
3.2 Sulatuksen aikaiset hapettumisreaktiot ...................................................................... 19
3.3 Hapen kytt .............................................................................................................. 20
3.4 Muut savukaasut ........................................................................................................ 21
3.5 Plyjen muodostuminen ............................................................................................ 22
3.6 Kromin kyttytyminen sulatuksen aikana ............................................................... 23
3.6.1 Kromin hapettumista rajoittavat tekijt ............................................................ 24
3.6.2 Kromioksidin pelkistminen ............................................................................ 25
3.6.3 Paineen vaikutus kromin kyttytymiseen ....................................................... 26
4 Savukaasut ........................................................................................................................ 27
4.1 Savukaasukanava ja savukaasulaitos ......................................................................... 27
4.1.1 Primrikanava ................................................................................................. 28
4.1.2 Sekundrikanava ............................................................................................. 29
4.1.3 Savukaasulaitos ................................................................................................ 29
4.2 Savukaasuanalysaattori .............................................................................................. 30
-
5 Imutehot ........................................................................................................................... 33
5.1 Stpeltien sijainti ja toiminta ................................................................................. 33
5.2 Keskipakopuhaltimet ................................................................................................. 34
5.3 Imutehojen stely ..................................................................................................... 35
5.4 Imutehoa rajoittavat tekijt ........................................................................................ 37
5.5 Imutehoon vaikuttavat tekijt .................................................................................... 38
6 Eri savukaasupraktiikoita ................................................................................................. 39
6.1 Valokaariuunin ajaminen alipaineella ....................................................................... 39
6.2 Koteloidun valokaariuunin ajaminen pienill primrikanavan imutehoilla ............ 40
7 Tuotantokokeet ................................................................................................................. 41
8 Referenssimateriaali ......................................................................................................... 43
8.1 Referenssimateriaalin keruu ...................................................................................... 43
8.2 Referenssimateriaalista saatuja tietoja ....................................................................... 44
8.2.1 Ylilmmt savukaasukanavassa ....................................................................... 44
8.2.2 Uunin ja karkeaerottimen paineiden erot ......................................................... 47
8.2.3 Primrikanavan stpelti .............................................................................. 50
8.2.4 Savukaasuanalyysit .......................................................................................... 52
8.2.5 Kromin kuonautuminen .................................................................................... 53
8.2.6 Hapen injektointi .............................................................................................. 54
8.2.7 Kaatolmptilat ................................................................................................ 55
9 Tuotantokokeiden valmistelu ........................................................................................... 56
9.1 Tuotantokoesuunnitelma ........................................................................................... 56
9.2 Alipaineen sttaulukon muokkaaminen ................................................................. 58
9.2.1 Jnniteportaiden kyttkerrat ja kesto .............................................................. 58
9.2.2 Jnniteportaiden kytt sulatusten aikana ........................................................ 60
9.2.3 Uudet ohjausarvot sisltv sttaulukko U ................................................... 62
10 Olosuhteiden muutokset ja vaikutukset tuotantokokeisiin ............................................. 63
10.1 Sn vaikutukset ............................................................................................... 63
10.2 Tuotannosta johtuvat muutokset ennen tuotantokokeiden alkua ..................... 64
10.3 Muiden projektien vaikutukset ......................................................................... 64
10.4 Savukaasuanalysaattorin poistaminen kytst ............................................... 65
11 Ensimminen tuotantokoevaihe ..................................................................................... 66
11.1 Tuotantokoe 1a ................................................................................................. 66
11.2 Tuotantokokeen 1a tulokset ............................................................................. 67
11.3 Tuotantokoe 1b ja sen tulokset ......................................................................... 74
12 Toinen tuotantokoevaihe ................................................................................................ 75
12.1 Tuotantokoesulatusten valinta .......................................................................... 75
-
12.2 Sulatusten seuraamisen aikana tehdyt huomiot ................................................ 75
12.3 Johtoptkset toisesta tuotantokokeesta ......................................................... 77
12.4 Tuloksia toisesta tuotantokokeesta ................................................................... 77
13 Kolmas tuotantokoevaihe ............................................................................................... 79
13.1 Sttaulukon U muokkaaminen sttaulukoksi X ........................................ 79
13.2 Uunin ja karkeaerottimen paineet .................................................................... 80
13.3 Sulatusten ja jnniteportaiden kestot ................................................................ 84
13.4 Shkenergian kulutukset ................................................................................ 87
13.5 Sulatusten lmptilat ........................................................................................ 89
13.6 Kromin kuonautuminen .................................................................................... 91
13.7 Primri- ja sekundrikanavan stpellit ...................................................... 93
13.8 Savukaasuanalyysit .......................................................................................... 94
14 Tuotantokokeiden tulokset ja johtoptkset ................................................................. 95
15 Ehdotuksia jatkoa varten ................................................................................................ 97
16 Yhteenveto ..................................................................................................................... 99
17 LHDELUETTELO .................................................................................................... 101
LIITTEET:
Liite 1 Ellinghamin diagrammi
Liite 2 Tuotantokoesuunnitelma
Liite 3 Sttaulukkojen M ja X karkeaerottimen pyyntiarvojen ja mitatun paineen
keskiarvojen erot jnniteporraspareittain.
Liite 4 Jnniteporrasparien aikana mitattujen uunin ja karkeaerottimen keskiarvot eri
tuotantokokeilla.
-
MERKINNT JA LYHENTEET
DES direct evacuation system, suoraan uunista imev savukaasujrjestelm
VKU valokaariuuni
VOCs volatile organic compounds, hyrystyvt orgaaniset yhdisteet
KaMu kalkkimurske
TiMu tiilimurske
DOL dolomiitti
S saanti
P pitoisuus
m massa
-
7
1 JOHDANTO
Ruostumattoman terksen valmistusprosessissa kierrtetyn terksen sulattamiseen
kytetn yleisesti valokaariuunia sen alhaisten investointikustannuksien, kierrtyksest
johtuvien ympristsyiden sek malmipohjaisia prosesseja pienemmn
energiankulutuksen takia (Pulkkinen 2002). Sulatuksen aikana valokaariuunissa
muodostuu paljon ympristlle haitallisia savukaasuja, joiden mrn pyritn
vaikuttamaan prosessin ohjauksella ja hallinnalla. Savukaasujen ksittelyn tarve on
lisntynyt sulatusaikojen lyhentyess, sill savukaasukanavilla ei ole en yht paljon
aikaa jhty savukaasujen lmppiikkien vlill ja ply kerntyy enemmn
lyhyemmss ajassa (Knoth & Doninger 2010). Lisntyneen savukaasun mrn takia
sen poistamistehokkuuteen on alettu kiinnittmn enemmn huomiota.
Tmn diplomityn tarkoituksena on etsi optimaalisimmat parametrit imutehon
portaittaiselle sdlle sek tutkia savukaasujrjestelmn toimintaa Outokumpu
Stainless Oy:n valokaariuuni (VKU) 2:lla. Imutehoa sdetn osittain VKU2:n sislle
muodostetun alipaineen avulla, jolloin ympristlle haitalliset savukaasut saadaan
suurelta osin ohjattua savukaasukanavaan. Loput kertn hallin katossa olevan huuvan
kautta. Alipaineen suuruus valokaariuunissa vaikuttaa sek kaatoreist ett
savukaasukanavan vlist vuotavan ilman mrn. Koska vuotoilman tarkkaa mr
ei voida suoraan mritt, vaikeutuu palamisreaktioiden hallinta. Hallinnan puutteen
vuoksi osa kromista menetetn sen hapettuessa ja noustessa kuonaan. Mys muita
seosaineita joudutaan lismn tarvittavaa suuremmat mrt halutun lopputuloksen
saavuttamiseksi. Savukaasun mukana poistuu lisksi suuri mr lmp, jonka takia
ruostumattoman terksen sulatus kest pidempn ja kytt enemmn energiaa.
Savukaasujen mukana poistuu Karassaaren (2008) mukaan jopa noin 17,7 % sisn
sytetyst energiasta (kuva 1).
-
8
Kuva 1. VKU2:n energiatase (mukaillen Karassaari 2008, s 94)
Vuoden 2014 aikana VKU2:een on listty kylkipolttimet ja pohjahuuhtelu, jotka ovat
olennaisesti muuttaneet sulatusprosessia. Tst johtuen imutehojen optimointi
prosessiajan suhteen on otettu kyttn. Sen tavoitteena on list tietyiss sulatuksen
vaiheissa imua, jotta halliin ei psisi kaatoreist ja elektrodien vlist liikaa savua.
Liiallinen savukaasujen mr hallissa heikent nkyvyytt vaikeuttaen mm. VKU2:n
kaadon hallintaa ja kasvattaa tyntekijiden terveysriski. Kuitenkaan savukaasuja ei
saa ime liikaa, koska niiden mukana hukataan sek lmp ett raaka-aineita. Tm
nkyy selkesti sulatukseen kulutetun energiamrn kasvuna. Lisksi savukaasujen
lmptilan noustessa yli 600 C:een primrikanavassa tai yli 130 C:een
savukaasulaitoksessa, pyshtyy prosessi automaattisesti. Imutehojen sdn avulla on
tarkoitus est hiritilanteiden muodostumista.
-
9
2 VALOKAARIUUNI 2
Valokaariuunin ptarkoitus on sulattaa kierrtysromua sek muokata sulan
koostumusta haluttuun suuntaan seosaineiden avulla. Sulattamiseen kytetn lhinn
shkst saatavaa lmpenergiaa. Seuraavissa kappaleissa kuvaillaan Outokummun
Tornion jaloterssulattoa sek perehdytn tarkemmin VKU2:n toimintaan.
2.1 Tornion jaloterssulaton kuvaus
Tornion terstehtaan jaloterssulatto koostuu kahdesta erillisest linjasta, joiden suurin
ero on linja 1:ll kytettv ferrokromikonvertteri. Linja 1 on vuonna 1976 rakennettu
sulatuslinja, jonka panoskoko on 95 tonnia. Sill valmistetaan posin ferriittisi sek
vaativampia ja volyymimrltn pieni austeniittisia terslajeja. Vuonna 2002
valmistui linja 2, joka kasvatti tuotantoa 150 tonnin panoskoollaan. Uudemmalla linjalla
valmistetaan austeniittisten ja haponkestvien massatuotantoa. Molemmilla linjoilla
toimivat valokaariuuni, AOD konvertteri, senkkaksittelyasema ja jatkuvavalukone.
Lisksi linjalla 1 kytetn sulaa ferrokromia, jota ksitelln ferrokromikonvertterissa.
Edell mainitut ferrokromiprosessit on rajattu kuvaan 2 punaisella. Kuvassa 2 on
nhtviss molempien linjojen prosessikaaviot.
Kuva 2. Tornion jaloterssulaton prosessikaavio, johon on merkitty punaisella vain
linjalla 1 kytetyt ferrokromiprosessit. (mukaillen Terskirja 2014)
-
10
Molemmat tuotantolinjat kyttvt praaka-aineena kierrtysterst, jota lastataan
koreihin romupihalla. Korit kuljetetaan sulatolle junalla ja romut panostetaan
valokaariuuniin koreittain. Valokaariuunissa romut sulatetaan tarvittavien seosaineiden,
pelkistimien ja kuonanmuodostajien kanssa AOD konvertterille sopivaan
koostumukseen. Metallisula kaadetaan sen jlkeen kuonan kanssa senkkaan, josta kuona
valuu ylivuotona kuonapataan ja loppu kuona laapataan pois ennen AOD konvertteria.
AOD konvertterissa sulasta poistetaan pasiassa hiilt. Linjalla 1 VKU1:n jlkeiseen
siirtosenkkaan kaadetaan mys FeCr konvertterilta tuleva, vhemmn hiilt sisltv
ferrokromisula. Sen jlkeen metallisulan koostumusta ja lmptilaa viel tsmtn
senkkaksittelyasemalla ennen kuin se valetaan jatkuvavalussa ja leikataan aihioksi.
Aihiot jatkavat joko suoraan tai aihiohiomon kautta kuumavalssaamolle.
2.2 Valokaariuuni 2:n kuvaus
VKU2 on vaihtovirtaa kyttv sulatusuuni, joka koostuu neljst osasta: tulenkestvill
materiaaleilla vuoratuista pohjasta ja alavaipasta, vesijhdytetyst ylvaipasta sek
vesijhdytetyst holvista, jossa on tulenkestvll materiaalilla vuorattu keskiosa.
Ympyrn muotoinen alavaippa ulottuu 400 mm sulan pinnan ylpuolelle ja sen yhdess
kyljess on kaatonokka. (Gramberger & Knapp 2001) Pohjan vuorauksena on kytetty
sullomassaa ja alavaipan magnesia-hiili tiilt. (Gramberger & Knapp 2001, Kunelius
2016) Ylvaippa koostuu 15 vesijhdytetyst sivuseinpaneelista. Holvissa
vesijhdytettyj paneeleja on nelj ja keskiosassa on tulenkestvill materiaaleilla
vuorattu rengas, joka on kiinnitetty vesijhdytettyyn kehn. Jhdytysveden
lmptilaa seurataan jatkuvasti jhdytyskierron paluulinjoihin asennetuilla
lmpantureilla. Lmptilan ylittess kriittisen arvon valvomoon annetaan hlytys ja
tarpeen vaatiessa prosessi pyshtyy automaattisesti. (Gramberger & Knapp 2001)
Prosessiin sytetn shkenergiaa holvin keskiosan aukoista uuniin laskeutuvien
kolmen grafiittielektrodin kautta. Grafiittielektroneiden vlill kulkee shkvirta
panoksen kautta. Aukkojen ymprist on vuorattu tulenkestvll materiaalilla
elektrodien ja holvin vlisen kipininnin estmiseksi. Holvi on yhdess elektrodien
kanssa mahdollista knt sivulle pyskintiasemaan kannattimensa avulla, mik
mahdollistaa uunin panostamisen ja huoltamisen. Lisksi holvi on varustettu
kalkkimurskeen injektointiaukoilla ja vesijhdytetyll savukaasun poistokyrll
-
11
(primrikanava), joka on kytketty primrikaasujrjestelmn pudotuskoteloon.
Savukaasukanava on kuvattu tarkemmin kappaleessa 4.1. Uuni tyhjennetn
kallistamalla sit holvineen kippaustasoon kiinnitetyll sylinterill senkan yll.
Kippaustaso lukitaan vaaka-asentoon panostuksen ja sulatuksen ajaksi. (Gramberger &
Knapp 2001) Kuvassa 3 on VKU2 piirrettyn yhdelt sivulta kaikkine liikkeineen.
Punaisella on merkitty holviin kiinnitetty poistokyr sek primrisavukaasukanavan
alku.
Kuva 3. VKU2:n toiminnot (mukaillen Gramberger & Knapp 2001)
VKU2:een asennettiin syksyn 2014 seisakissa kylkipoltin ja pohjahuuhtelujrjestelmt.
Kylkipolttimia asennettiin kolme kappaletta uunin seinmiin; yksi jokaiseen VKU2:n
kylmn kohtaan (cold spot), josta romu sulaa viimeisen. Tarkoituksena on saada
romupatja sulatettua tasaisemmin ja nopeammin. Kylkipolttimissa poltetaan palavaa
kaasua (propaania) hapella sulatuksen alkuvaiheessa. Romun sulettua polttimia voidaan
kytt happilanssina piin polttamiseksi sulasta terksest ja lmptilan nostamiseksi.
(Kunelius 2014) Hapen injektoinnin yhteydess palaa piin lisksi hiilt, mik mys
-
12
nostaa terssulan lmptilaa. Hiilen palamista on ksitelty tarkemmin hapen kytn
yhteydess kappaleessa 3.3.
Pohjahuuhtelua varten uunin pohjaan asennettiin nelj huuhtelukive, joissa jokaisessa
on 19 kpl:tta halkaisijaltaan 1 mm olevia putkia (Niemi & Rinne 2014). Kolme kivist
asetettiin elektrodien vliin hieman suuremmalle kehlle ja yksi asetettiin lhelle
kaatoaukkoa kauemmaksi kehst. Pienten putkien lpi puhalletaan argonia ja/tai
typpe sulan sekoittamiseksi. Sekoittamisen avulla pyritn tehostamaan sulatusta
materiaalin kytn ja energian suhteen sek saamaan tasalaatuisempaa sulaa niin
koostumukseltaan kuin lmptilaltaankin. Saanti ja koostumus paranevat, kun
pohjaskollan eli uunin pohjalle jvn sulamattoman romun muodostuminen hidastuu
sekoituksen myt. (Kunelius 2014) Huuhtelukivist puhalletaan typpe ennen kuin
uunissa on sulaa tai pitkn tauon aikana (Niemi & Rinne 2014), koska se on halvempaa
kuin argon. Argonia kytetn, kun uunin pohjalle kerntyy sulaa, koska typpipuhallus
lisisi terssulaan sitoutuneen typen mr (Kunelius 2014).
2.3 Valokaariuuni 2:en panostus ja raaka-aineet
Suurin osa raaka-aineista panostetaan VKU2:een romukoreissa. Ensimmist romukoria
lukuun ottamatta niiden lismisen ajaksi sulatus joudutaan keskeyttmn. Korien
mr riippuu kierrtysterksen tiiveydest ja tiheydest (Hyttinen 2012), mutta
tyypillisesti pyritn yhden tai kahden korin sulatuksiin. Ensimmiseen korilliseen
lastataan mahdollisimman paljon panoksen raaka-aineista korien mrn
minimoimiseksi sek toisen korin kuivatuksen helpottamiseksi. Korin pohjalle pellin
plle lastataan aluksi pehme ostoromua valokaariuunin pohjan sstmiseksi ja
hienoaineksen pitmiseksi korissa, sitten lastuja sek tiivist ja painavaa romua
laatukohtaisen panoslaskelman mukaisesti. Lopuksi pinnalle nostetaan kevytt romua,
johon elektrodien on helppo pureutua. (Leukumavaara 2014, Hyttinen 2012) Varsinkin
talvisin romukorit kuivatetaan ennen uuniin panostusta, mikli uunissa on jo sulaa,
koska lumi, j ja vesi voivat aiheuttaa rjhdyksi joutuessaan kosketuksiin sulan
kanssa (Hyttinen 2012). Valokaariuuniin listn siiloista tarvittaessa seosaineita,
pelkistji ja kuonanmuodostajia sulatuksen aikana.
-
13
2.3.1 Kierrtysters
Ruostumattoman terksen praaka-aine on kierrtysters, joka voidaan jakaa karkeasti
neljn ptyyppiin: haponkestv ja ruostumaton ostokierrtysters sek tehtaan
sisisest kierrtyksest palautuvat haponkestvt ja ruostumattomat
kierrtysmateriaalit, kuten nauhat ja levyt. (Hyttinen 2012) Oman yrityksen sislt
tulevan kierrtysterksen koostumus ja muoto ovat yleens hallinnassa, mutta
ostokierrtysterkselle on kehitetty tiukat laatuvaatimukset (Heino 2002). Lisksi
sulatuksissa kytetn nykyn seostamatonta kierrtysterst (Hyttinen 2016).
2.3.2 Seosaineet
Seosaineilla muutetaan kierrtysterksest saadun sulan koostumusta haluttujen
tavoiterajojen sislle. Seosaineet listn tyypillisesti romukoriin, mutta niit voidaan
mys tarpeen vaatiessa list siiloista kuljettimien avulla suoraan uuniin (Juntunen
2002). VKU2:lla kytetn mm. ferrokromia, ferropiit, ferronikkeli, koksia,
antrasiittia, piikarbidia, nikkelikatodia ja molybdeenioksideita (Hyttinen 2012, Kunelius
2016).
2.3.3 Pelkistimet
Ruostumattomilla terksill kromin kuonautuminen on ongelma ja sit pyritn
estmn pelkistimien avulla. VKU2:ssa pelkistimin toimivat Si, C, Ti, Al ja Nb, jotka
hapettuvat kromia aikaisemmin (Juntunen 2003, Kunelius 2016). Viimeiset kolme ovat
pasiallisesti kiinnittynein tai seostettuina kierrtysterkseen. Niiden pelkistv
vaikutus huomioidaan panoksen laskennassa. Hiili suojelee kromia hapetttumasta
korkeamman happiaffiniteettinsa takia hidastaen samalla piin palamista (Kunelius,
2016). Kromin kuonautumiseen vaikuttavat mys Mo- ja Ni oksidien mrt sek
vuotoilmojen mr, jota voidaan sdell imutehoilla. Loppupuolella sulatusta
poltetaan ylimrinen pii hapella. Piit pyritn jttmn sulaan vhemmn kuin 0,25
%, jotta kromitappiot kuonaan olisivat vhiset. (Juntunen 2003) Toisaalta korkea pii
pitoisuus hankaloittaa AOD:n toimintaa lismll panostettavan kalkin mr ja siten
kuonamr, jonka kasvu hidastaa prosessia (Kupari, 2016). Pelkistimien kytss on
kuitenkin huomioitava kuonan emksisyys, sill se suojaa uunin vuorauksia kulumiselta
ja vaikuttaa kuonan kuohumiseen. (Juntunen 2003)
-
14
2.3.4 Kuonanmuodostajat
Kuonanmuodostajien avulla pyritn muodostamaan helposti metallisulasta erotettavaa
kuonaa, johon eppuhtaudet noustessaan sitoutuisivat. Lisksi kuona suojelee
metallisulaa atmosfrin hapettavalta vaikutukselta ja vhent terssulan
lmpenergiahviit. On kuitenkin huomioitava, ett kuonaan ptyvien yhdisteiden
sulamiseen ja kuonan lmpemiseen kuluu alkuvaiheessa energiaa.
Kuonanmuodostajana valokaariuuneihin listn tyypillisesti kalkkia, CaO ja
dolomiittia (Bowman & Krger 2009, s. 167) VKU2:een sytetn nykyn lhinn
kalkki- ja vuoraustiilimursketta (CaOMgO) kuonanmuodostajiksi. Vuoraustiilimurske
panostetaan korin mukana VKU2:een. Sen sijaan kalkkimurske listn pneumaattisella
injektointilaitteella psntisesti ennen sulatuksen puolivli yhden korin sulatuksissa
ja kahden korin sulatuksissa viimeinen lisys tehdn melkein heti toisen korin
panostamisen jlkeen. (Hyttinen 2012) Kalkin avulla suojataan mys tulenkestvi
vuorauksia valokaarien liialliselta steilylt (Gramberger & Knapp 2001).
2.4 Sulatuksen vaiheet
Sulatus voidaan jakaa kolmeen osaan: porautumis-, alassulatus- ja
lmmnnostovaiheisiin. Vaiheet ovat huomioitu kytettviss automaation
ajoprofiileissa. Nykyn VKU2:lla kytss oleva dynaaminen elektrodien
stjrjestelm muuttaa jnniteportaita tarvittaessa tavallisesta ajoprofiilista
poikkeavasti (Kunelius 2016). Jrjestelm on kuvattu tarkemmin kappaleessa 2.5.
Kuvaan 4 on merkitty tyypillisen kahden korin sulatuksen vaiheet kaadosta kaatoon
aikana. Kuvaajassa nkyvt sulatuksen aikaiset tehot ja jnniteportaat ajan suhteen.
Aluksi ensimminen kori panostetaan ja elektrodit ajetaan lhelle romuja ennen
aloitusjnnitteen kytkemist plle. Sitten aloitetaan elektrodien poraaminen romun lpi
pienell teholla. (Pulkkinen 2002) Esimerkkitapauksessa kyseess on jnniteporras 5.
Kun elektrodit ovat saaneet porattua reit ja painuneet romun sekaan, nostetaan tehoja
nopeasti suurimmalle jnniteportaalle 18 (Pulkkinen 2002). Elektrodien ollessa ala-
asennossa suojaavat romut vuorauksia kuumuudelta ja energiaa kuluu lhinn romun
sulattamiseen. Ensimmist koria sulatetaan niin kauan, ett seuraava kori mahtuu
valokaariuuniin.
-
15
Kuva 4. Tyypillisen 2 -korisen sulatuksen vaiheet.
Kun tilaa panostamiseen on tarpeeksi, pienennetn tehoja laskemalla jnniteportailla
jlleen 5. tasolle, sammutetaan tehot, nostetaan elektrodit ja avataan holvi panostusta
varten (Pulkkinen 2002). Elektrodien poraus tehdn jlleen pienell 5 jnniteportaalla
ennen kuin voidaan nostaa tydelle sulatusteholle. Alassulatusvaiheen lopussa
pienennetn tehoja jnniteportaalle 12. Lmmnnostovaiheen alkupuolella uuniin
injektoidaan happea piin polttamiseksi. Happea injektoidaan VKU2:ssa kylkipolttimien
kautta. Piin ja muiden metallien palamisreaktiot tuottavat kemiallista energiaa
vhenten sytetyn shkenergian tarvetta (Pulkkinen 2002). Romun lhes sulettua
vuorausmateriaaleihin kohdistuu enemmn lmpsteily, joten tehoja lasketaan
portaittain tasolle 8 tai 6. Kyseisill jnniteportailla jatketaan sulan lmmnnostoa,
kunnes sula on saavuttanut 1570 C:teen kaatolmptilansa. Uunin kaadon aikana tehot
eivt ole pll.
2.5 Valokaariuuni 2:n tehojen st
Keskuussa 2015 otettiin VKU2:lla kyttn dynaaminen elektrodien stjrjestelm,
joka st elektrodien kautta sytettvn energian mr vesipaneelien
lmptilaerojen ja niiden muutosnopeuden perusteella. Stjrjestelmn avulla
-
16
pyritn tehostamaan VKU2:n toimintaa nostamalla uunin tehoja mahdollisuuksien
mukaan. Jrjestelm st joko elektrodien keskinisi tehosuhteita tai muuttaa
jnniteporrasta. Tarkoituksena on lisksi vhent suoraan seinille kohdistuvan
lmpenergian mr ja siten sst vuorausmateriaalia. (Kunelius 2015a) Saatujen
tulosten mukaan jrjestelm tekee nopeitakin muutoksia tehojen suhteen, mik vaikuttaa
imettvien savukaasujen mrn.
Samainen stjrjestelm on kytketty savukaasujen lmptilan seurantaan. St
pienent automaattisesti jnniteporrasta, jos savukaasukanavan vesijhdyt-
tmttmss osassa lmptila nousee yli hlytysrajan 550 C:tta. Aikaisemmassa
systeemiss oli suora prosessin pysytysraja 600 C:ssa. (Kunelius 2015a)
2.6 Hapen injektointi
Happea injektoidaan VKU2:een lmmnnostovaiheen alussa, jolloin poltetaan AOD
prosessia haittaava ylimrinen pii pois kemiallisen energian saamiseksi (Kunelius
2014). Piin palamisen yhteydess palaa mys muita alkuaineita kuten hiilt.
Injektoinnin aloitus on riippuvainen prosessiin tonnia kohti kytetyn energian mrst
sek elektrodien valokaarten stabiilisuudesta. Valokaarten stabiilisuudesta on rakennettu
taulukoita, joiden mukaan hapen injektointi alkaa silloin, kun valokaarten pituuden ja
tehon suhde pysyy mriteltyjen rajojen sispuolella. Taulukoita on yksi jokaista
yhdeks ohjelmaa kohti. Jokainen ohjelma on suunniteltu eri mrille panostettavia
romukoreja, joten tonnia kohti kytetyn energian tavoitemr vaihtelee 330 kWh/t -
450 kWh/t vlill. Kun se on saavutettu, taulukko mrittelee hapen injektoinnin
aloituksen ajankohdan. (BSE 2016)
2.7 Kuonan kuohuminen
Hapen injektoinnin sivutuotteena valokaariuunin kuona saattaa alkaa kuohumaan hiilen
hapetusreaktion avulla. Valokaariuuniin injektoidaan happea, joka hiilen kanssa
reagoidessaan, muodostaa kaasumaista hiilimonoksidia. (Arh & Tehovnik, 2007)
Riittvn kaasun muodostumisen lisksi kuonan pit olla viskositeetiltaan suosiollinen
kuohumiselle (Bowman & Krger 2009, s. 167). Viskositeetin pit olla riittvn
korkea, jotta kaasujen viipymaikauonassa on tarpeeksi pitk kuonan nostamiseen.
-
17
Toisaalta kuonan liian korkea viskositeetti ei mahdollista kuonan kuohumista tai
kuohumista tapahtuu riittmttmll intensiteetill. (Arh & Tehovnik, 2007)
Kuonan peittess valokaaret voidaan kytt pidemp valokaarta, mik pienent
elektrodien kulumista sek parantaa shknkytn hytysuhdetta eli nopeuttaa sulatusta
ja sst energiaa. Nykyn hiiliterksen valmistuksessa valokaariuuniin pyritn
saamaan kuohuva kuona, koska se peitt valokaaret parhaiten. (Holappa & Jalkanen
2002) Vaikka VKU2:ssa tapahtuu kuonan kuohumista, ei sit tll hetkell tietoisesti
tavoitella (Kunelius 2016). Kuonan oikean aikaisen kuohumisen aikaansaaminen on
hankalaa, mikli ruostumattoman terksen valmistuksessa kytetty kromia on
kuonautunut yli 16 % kuonasta. Kiinte kromioksidi jykist tuolloin kuonaa liikaa
heikenten sen kuohumista. (Kerr & Fruehan 2000) Muita kuohuvan kuonan positiivisia
vaikutuksia ovat sekoittumisen paraneminen uunissa, terksen suojaaminen
typettymiselt ja hapettumiselta sek vuorausmateriaalien suojaaminen kulumiselta
(Holappa & Jalkanen 2002).
-
18
3 SULATUKSEN AIKAISET REAKTIOT
Romun sulaessa valokaariuunissa materiaalit jakaantuvat kolmeen osaan eri reaktioiden
seurauksina: 1. plyihin ja kaasuihin, 2. kuonaan ja 3. terssulaan. Ensimminen poistuu
pasiassa primrikanavaa pitkin savukaasulaitokselle. Sen sijaan 2. ja 3. kaadetaan
kaatoaukosta senkkaan, jossa tiheyseron ansiosta kuona nousee pinnalle ja valuu
ylivuotona kuonapataan. Loppu kuona pyritn poistamaan metallisulan pinnalta
laappauksen avulla seuraavassa tyvaiheessa. Kuvaan 5 on jaoteltu valokaariuunin
sulatuksissa olevat tyypilliset alkuaineet poistumisvirtojensa mukaan.
Kuva 5. Valokaariuunissa esiintyvien alkuaineiden jaottelu poistumisvirtojen mukaan
(mukaillen Pulkkinen 2002; Kunelius 2016).
Ruostumattomien tersten sulatuksissa erityisesti kromin kyttytymist seurataan
tarkasti, koska se muodostaa terksen pinnalle ruostumattoman kerroksen ja on kallis
raaka-aine. Yll olevasta kuvasta 5 nhdn kromin poistuvan sek kuonan ett sulan
terksen yhteydess. Vhisi mri poistuu mys plyin. Seuraavissa kappaleissa on
ksitelty erityisesti kaasujen ja plyjen muodostumista sek kromin kyttytymist
sulatuksen aikana.
3.1 Savukaasujen muodostumisen vaihtelut
Primrikanavaan imettvien savukaasujen muodostumisen intensiteetti ajan suhteen
vaihtelee nopeasti sulatuksen aikana. Palavia komponentteja sisltvi romuja
-
19
sulatettaessa on huomattavissa kaksi selke intensiteettipiikki kaasun
muodostuksessa. Ensimminen muodostuu panostusten jlkeisten ensimmisten
minuuttien aikana, jolloin romuun kiinnittyneet hyrystyvt komponentit palavat pois.
Toinen matalampi piikki muodostuu puhalluksen yhteydess, kun kaikki polttimet ovat
pll yht aikaa ja tehoa on selkesti laskettu. Tutkimuksissa kytetyss
valokaariuunissa oli kytss jatkuvatoiminen happipuhallus sek lukuisia happi-kaasu
polttimia. (Touluevski & Zinurov 2013, s.252)
Sekundrikanavan savukaasut ovat kattohuuvan suulta mitattuna tyypillisesti
koostumukseltaan hyvin samantapaisia kuin ilma, joka on saastunut hiilidioksidin,
hiilimonoksidin ja muiden eppuhtauksien takia. Eppuhtauksien mr kuitenkin
ylitt selkesti ilmaan sallittavien pstjen rajat. Pirmrikanavan savukaasujen
koostumus kanavan alkupst mitattuna vaihtelee selkesti. Koostumus riippuu
panosmateriaaleista, hapen ja hiilen puhalluksen intensiteetist, happi-kaasu
polttimoiden tehoista, vuotoilman mrst ja monista muista tekijist. Useammasta
julkaisusta otettujen arvojen avulla saadaan viitteit primrikanavan savukaasujen
koostumuksesta. Niiss kuivan kaasun koostumus on vaihdellut vlill: 10-15 % CO2,
5-15 % O2, 5-25 % CO, 5-10 % H2 ja 50-70 % N2. (Touluevski & Zinurov 2013, s.253)
3.2 Sulatuksen aikaiset hapettumisreaktiot
Hapettumisreaktioiden tapahtuminen sulassa riippuu lmptilasta, happiaffiniteetista
sek alkuaineen ett hapen aktiivisuudesta (Arh & Tehovnik 2007). Happiaffiniteetti
on lmptilan funktio. (Pulkkinen 2002). Koska lmptilat voivat vaihdella paikallisesti
jopa 50 C:tta (Pulkkinen 2002), on sekoittumista pyritty lismn VKU2:ssa mm.
pohjahuuhtelun avulla. Valokaariuuneissa esiintyy mys koostumuseroja, jotka
vaikuttavat lmptilaerojen lisksi reaktioiden etenemiseen ja jrjestykseen (Pulkkinen
2002). Alla olevat yhtlt kuvaavat ruostumattomassa terssulassa tapahtuvia
hapettumisreaktioita valokaariuunissa ja niiden Gibbsin vapaaenergian arvoja kaloreina
(Arh & Tehovnik 2007; Elliot 1985; Jrgensen & Thorngren 1969):
3[Cr] + 4[O] = (Cr3O4) = 244800 + 109, 6 (1)
[C] + [O] = CO (g) = 28100 20,20 (2)
-
20
[Si] + 2[O] = (SiO2) = 223800 + 47,50 (3)
[Fe] + [O] = (FeO) = 56900 + 11,82 (4)
[Mn] + [O] = (MnO) = 97550 + 21,22 (5)
2[Al] + 3[O] = (Al2O3) = 401500 + 76,91 (6)
Edell mainituista reaktioista suurimmat happiaffiniteetit omaavat pii ja alumiini, jotka
hapettuvat ensimmiseksi. Korkean aktiivisuutensa takia mys kromi reagoi hapen
kanssa. (Pretorius & Nunnington 2002, Arh & Tehovnik 2007) On mitattu, ett 1500
C:ssa jo 0,2 % piit sulassa est kromin hapettumisen. Korkeammissa lmptiloissa
piit tarvitaan enemmn kromin reagoimisen heikentmiseksi, kun taas vhisempikin
mr hiilt riitt. Mys alumiinin happiaffiniteetti laskee lmptilan kasvaessa. (Arh
& Tehovnik 2007) Reaktioiden tapahtumisjrjestys siis muuttuu lmptilan mukana.
Reaktioita 1 6 hydynnetn valokaariuunissa kemiallisen energian tuottamiseksi,
sill ne ovat eksotermisi, kuten Gibbsin energioista on nhtviss. (Pulkkinen 2002)
3.3 Hapen kytt
VKU2:een psee happea seosaineiden ja hapen injektoinnin avulla sek vuotoilmana
elektrodien reiist, holvin raosta ja kaatoaukosta (kuva 7). Seosaineiden mukana tuleva
happi irtoaa alkuperisest yhdisteestn, mikli yhdiste on vallitsevissa olosuhteissa
epstabiilimpi kuin muodostuva yhdiste. Tst syyst listtvien seosaineiden
koostumus ja kyttytyminen pit olla tiedossa ennen tuotantoon ottamista.
Happea puhalletaan terssulaan kemiallisen energian tuottamiseksi. Hiiliterksen
puolella hapen avulla poltetaan lhinn hiilt, jota panostetaan valokaariuuniin yleisesti
tersromun, harkkoraudan, sulan raakaraudan ja hiilipitoisten seosaineiden kuten koksin
seassa (Pulkkinen 2002). VKU2:ssa hiilt panostetaan vain tersromun ja hiilipitoisten
seosaineiden mukana. (Kunelius 2016). Pyrittess jatkuvaan kuonan kuohumiseen,
voidaan hiilt list sulatuksen aikana (Pulkkinen 2002). VKU2:lla hapen avulla
poltetaan sulasta lhinn piit sulatuksen loppuvaiheessa. Piin tarkoituksena on est
kromin kuonautuminen valokaariuunissa. Sen polttaminen vasta AOD:ll hidastaa
-
21
mellotusta (Kupari 2016). Hiltyn ja Kavenyn mukaan (1977, s. 3-16) hapen injektoinnin
aikana on nhtviss hiilimonoksidin palamista hiilidioksidiksi, kun hiilen pitoisuus
ylitt 1 %.
Vuotoilmojen happi polttaa suurimman osan hiilimonoksidista ja vedyst (Trivellato &
Labiscsak 2015). CO:ta ja H2:sta syntyy suuria mri sulatuksen alkuvaiheessa, kun
ljy, rasva ja muut romun pinnalle muodostuneet palavat aineet lmpenevt. Kun
valokaariuunissa on riittvsti happea tarjolla, ne palavat loppuun tuottaen uuniin
kemiallista energiaa. (Jones et al. 1998, s. 606) Kuitenkin yleens happea ei ole
riittvsti valokaariuunissa tarjolla, joten osa hiilimonoksidista ja vedyst poistuu
uunista palamattomana vhenten kemiallisen energian tuotantoa (Trivellato &
Labiscsak 2015). Kaikista eniten energiaa saadaan hiilimonoksidin palamisesta, mink
takia sen poistuminen uunista ennen palamistaan aiheuttaa lmphviit. Lisksi
palamisen tapahtuminen vasta savukaasukanavassa lis vaatimuksia kanavan
rakenteille suuremman lmpkuorman takia (Jones et al. 1998, s. 590-591). Suoraan
uunista imettvss savukaasunpoistosysteemiss palaminen voi tapahtua vasta kyrss
(Hilty & Kaverny 1977, s. 3-16). Outokummun VKU2:ssa palamista tapahtuu mys
myhemmin primrikanavassa (Kunelius 2016). Trkeint olisi saada hiilimonoksidi
poltettua lhell kuonan pintaa, jolloin energia siirtyisi suurimmaksi osaksi kuonaan
holvin vuorausmateriaalien sijasta.
3.4 Muut savukaasut
Hiilimonoksidin, hiilidioksidin, typen ja vedyn lisksi valokaariuunissa muodostuu
NOx:ja, VOC:ja ja dioksiinej. NOx muodostuu valokaariuunissa, kun typpi lpisee
elektrodien vliin muodostuneen valokaaren. Niit voi muodostua mys
savukaasukanavassa raon jlkeen, jos lmptila jlkipalamisesta johtuen nousee
riittvn korkeaksi. Parhaimmat keinot NOx:en vhentmiseksi ovat vhent typen
mr valokaariuunissa tukkimalla tai pienentmll aukkoja, muuttamalla
polttimoiden muotoilua ja parantamalla sekoittumista. (Jones et al. 1998 s.592)
VOC:t (volatile organic compounds) ovat palavia orgaanisia yhdisteit, joita syntyy
kierrtysterksen seassa olevista orgaanisista aineista. Osa niist palaa panostuksen
aikana, mutta suurimmaksi osaksi palaminen jatkuu 5-10 min panostuksen jlkeen.
-
22
Mikli happea ei ole riittvsti tarjolla yhdisteet voivat imujen mukana poistua
primrikanavaan ja mahdollisesti palaa siell. Palavia orgaanisia yhdisteit nytt
Jones et al. (1998) mukaan muodostuvan enemmn romun kuivauksessa matalampien
lmptilojen takia. Vaihtoehtoisesti niiden mr voidaan vhent rajoittamalla niiden
psy valokaariuuniin tai tuhoamalla ne. Riittvn happimrn ja polttimoiden avulla
voidaan saada aikaiseksi yhdisteiden palamista, jonka aiheuttama lmptilan nousu
edesauttaa sulatusta. (Jones et al. 1998 s.592-593)
Dioksiinit ovat yleisnimitys 17 erittin myrkylliselle yhdisteelle, jotka yleens sisltvt
klooria. Niit voi muodostua valokaariuunissa, jos siell on suuria mri hiilt ja
klooria, vesihyry sek eptydellisen palamisen tuotteita. Kupari toimii vahvana
katalyyttin dioksiinien muodostumiselle ja alumiinioksidi lis sen tehokkuutta. Mys
rauta, sinkki ja mangaani voivat toimia katalyyttein. Koska ihanteellisimmat olosuhteet
dioksiinien muodostumiselle ovat primrikanavassa, voidaan olosuhteita pyrki
muuttamaan esimerkiksi jhdytyksen avulla. Tm tapahtuu jhdyttmll savukaasut
nopeasti ihanteellisimman lmptilan ohi eli 800 C:sta alle 300 C:n. (Jones et al. 1998
s.593)
3.5 Plyjen muodostuminen
Savukaasujen joukossa primrikanavaan kulkeutuu mys ply valokaariuunista.
Kuvaan 6. on merkitty plyjen muodostumismekanismeja sek niihin vaikuttavia
tekijit. Ply voi olla panosmateriaaleista irtoavaa CaO:a, ruostetta, likaa tai
hyrystyvi metalleja, kuten Zn, Pb, Cd, Mn ja Fe. Hyrystyessn metallit
muodostavat oksideja ja esiintyvt sellaisinaan kaasun joukossa. Lisksi
hiilimonoksidikuplien srkyess niihin kiinnittyneet sulat metallipisarat saattavat srky
erittin hienoiksi partikkeleiksi, jotka poistuvat savukaasujen mukana. (Jones et al.
1998, s.590) Bowmanin ja Krgerin (2009) mukaan mys kuonaa ptyy savukaasuihin
samalla tavalla kuin metallipisaroita. Lisksi hienoja metalli- tai kuonapisaroita voi
irrota valokaarten tai happisuihkun osuessa sulaan sek ilmakuplien tyhjien paikkojen
tytn yhteydess muodostuvissa pisarasuihkuissa. Guzennecin ja muiden (2005)
tutkimuksissa eri tehtaiden valokaariuunien plyist lytyi hiilt, kalkkia, kuonan
komponentteja (Ca, Al, Fe, Si yms.), sinkki eri muodoissa ja sulan terksen
komponentteja. (Guzennec et all. 2005)
-
23
Kuva 6. Plyjen muodostumismekanismit sek niihin vaikuttavat tekijt (mukaillen
Guzennec et all. 2005).
3.6 Kromin kyttytyminen sulatuksen aikana
Ruostumattomilla terksill kromi on pseosaine, joten sen hapettumista ja siten
kuonaantumista pyritn estmn sulatuksen aikana. Kromia hapettuu sulatuksen
aikana erityisesti hapen puhalluksen yhteydess, mutta mys vhisempi mri uunin
kaadon aikana. (Arh & Tehovnik 2007). Kaadon aikana kromia mys pelkistyy, mik
johtuu kuonan ja sulan sekoittumisesta (Pretorius & Nunnington 2002).
Kromin suuri mr sulassa laskee hapen ja hiilen aktiivisuutta (Elliot & Gleiser 1960;
Arh ja Tehovnik 2007). Kuitenkin happea liukenee sulaan enemmn, kun kromia on
sulassa paljon (Arh ja Tehovnik 2007). Kun happea on enemmn tarjolla sulassa, kasvaa
mys todennkisyys eptoivotuille reaktioille, kuten kromin kuonautumiselle. Kromi
toimii lisksi pelkistjn. Kun sit on ylen mrin sulassa, se voi muodostaa rauta-
kromi spinellej hapettumisreaktioiden tuotteena. Rauta-kromi sulassa tasapainossa
oleva FeOCr2O3 faasi muuttuu Cr2O3, kun kromin mr sulassa seoksessa ylitt
kriittisen 7 % arvon. Molempien sek kromioksidin ett rauta-kromi spinellin
aktiivisuus kuitenkin laskee, kun kromin mr laskee alle kriittisen arvonsa. (Arh &
Tehovnik 2007)
-
24
Kromioksidin (CrOx) kyttytyminen metallurgisissa kuonassa on monimutkaista,
koska kromi esiintyy eriarvoisina ioneina ja kromia sisltvill kuonilla on korkea
sulamislmptila (Xiao & Holappa 1993). Kromi esiintyy kuonassa kahden ja kolmen
arvoisena. Kuonassa olevan epstoikiometrisen kromioksidin mr riippuu
lmptilasta, kuonan emksisyydest sek kromioksidin ja metallisen kromin mrn
tasapainosta. (Arh & Tehovnik 2007) Ruostumattoman terksen valmistuksessa kuonien
pasialliset komponentit ovat CaO, MgO, Al2O3, SiO2 ja Cr2O3 (Pretorius &
Nunnington 2002). Optimaalisin kuona CaO-MgO-SiO2 systeemiss saadaan, kun
CaO ja MgO ovat yli kyllisyysrajojensa. Silloin kromioksidia liukenee vhn ja
vuorausmateriaalit eivt krsi. (Arh & Tehovnik 2007)
3.6.1 Kromin hapettumista rajoittavat tekijt
Piill on kromia korkeampi happiaffiniteetti, mink takia happi reagoi ennemmin sen
kuin kromin kanssa, kun sit on terssulassa riittvsti. Tst syyst piin mr pyritn
pitmn kriittisen 0,2 % ylpuolella kromin hapettumisen ja sit kautta kuonautumisen
estmiseksi. Mys alumiinin happiaffiniteetti on korkeampi kuin kromin.
Happiaffiniteetin lisksi hapettumiseen vaikuttaa aineiden aktiivisuus, joka on kromilla
korkea valokaariuunissa vallitsevissa olosuhteissa. Aktiivisuuden takia osa kromista
hapettuu piin ja alumiinin mrst riippumatta. (Pretorius & Nunnington 2002)
Yleens metallien kuonautumiselle on hyvksytty tietty taso, koska terksess oleva pii
halutaan poistaa lhes kokonaan happipuhalluksen tai oksidisten raaka-aineiden avulla.
(Pulkkinen 2002)
Magnesiumoksidin lisminen kuonaan vhent kromioksidin liukoisuutta siihen,
koska ensisijainen kromin kyllstymisfaasi muuttuu eskoliitist spinelliksi. Kuitenkin
jos magnesiumoksidin mr kuonassa kasvaa yli 15 %, spinellit tai periklaasit alkavat
erkautua. Lisksi hiiilen lisminen valokaariuuniin rautaoksidin mukana on trke,
koska silloin hiili ottaa kromin sijasta liukenevasta rautaoksidista hapen muodostaen
hiilimonoksidia. CO:n muodostuminen parantaa lisksi kuonan kuohumista, mik
eksotermisen reaktionsa ansiosta nostaa materiaalin lmptilaa, mahdollistaa
pitemmll valokaarella sulattamisen ja suojelee vuorausmateriaaleja. (Pretorius &
Nunnington 2002) Kromin kuonautumista voidaan pienent nostamalla
valokaariuunikuonan emksisyytt. Emksisempi kuona on jykemp ja siten se
-
25
pienent kromin reaktiokinetiikkaa. Kuitenkin liian emksinen kuona aiheuttaa
ongelmia kaatovaiheessa korkean viskositeettinsa takia. Matalan viskositeetin omaava
kuona sekoittuu viel kaatovaiheessa, mik edesauttaa kromin pelkistymist ja
ptymist terssulaan. (Pretorius & Nunnington 2002)
3.6.2 Kromioksidin pelkistminen
Kuonassa olevan kromin aktiivisuuden kasvu parantaa sen pelkistmist ja saantia
ruostumattoman terksen valmistuksessa (Arh & Tehovnik 2007). Xiaon ja Holapan
(1993) mukaan kromin aktiivisuutta nostaa emksinen kuona, korkea CaO/MgO suhde
ja matala lmptila. Erityisesti kuonan emksisyydell on suuri vaikutus kromin
pelkistmisess, mutta mys vuorausmateriaalien suojaamisessa. Siit syyst
valokaariuuniin pyritn lismn riittvsti emksist kalkkia alussa ja tarpeen
vaatiessa sulatuksen aikana. Kuonan emksisyys pyritn pitmn 1,5:ss sulatuksen
ajan. Emksisyys on kuitenkin korkeimmillaan yli kahdessa sulatuksen alkuvaiheessa,
mutta happipuhallus tyypillisesti nostaa kuonan SiO2:n mr ja siten laskee
emksisyytt. Emksisyys saadaan laskettua kaavan (7) mukaan. (Pulkkinen 2002)
= +
2+23 (7)
Outokummun VKU2:lla pitk emksisyys thdtn 1,2 ja se lasketaan siten, ett
kaavan (7) nimittjn listn TiO2. Vhinen mr Al2O3 kasvattaa kromioksidien
aktiivisuuksia ja kahden arvoisen kromin mr vhenee. Suuremmassa mrss Al2O3
vaikutukset ovat vhisempi. (Xiao & Holappa 1993) Mys kromioksidien
yhteismrn kasvu lis CrO ja CrO1,5 aktiivisuutta (Arh & Tehovnik 2007).
Korkeammissa lmptiloissa aktiivisuudet laskevat vhn ja kahden arvoisen kromin
mr kasvaa (Xiao & Holappa 1993).
Kromioksidin pelkistmiseksi valokaariuuniin voidaan injektoida hiilt, jolloin saadaan
pelkistetty mys rauta- ja mangaanioksideja. Muita vaihtoehtoja ovat pelkistminen
terssulaan liuenneiden hiilen tai piin avulla. Reaktioille optimaalisimmat
termodynaamiset olosuhteet ovat sulatuksen loppupuolella. (Vikman & Gustafsson,
1992) Kromioksidin pelkistminen hiilen avulla tapahtuu reaktion (8) mukaan (Vikman
& Gustafsson, 1992)
-
26
(Cr2O3) + 3C(s) = 2Cr(l) + 3CO(g) (8)
Reaktiosta syntyy hkkaasua, joka pyritn polttamaan hiilidioksidiksi viimeistn
primrikanavan alussa. Kromioksidin pelkistyminen on endotermist, kuten liitteen 1
olevasta Ellinghamin diagrammista on nhtviss. Tst johtuen valokaariuuniin
tarvitaan enemmn shkenergiaa. Ellinghamin diagrammista voidaan todeta
kromioksidin pelkistymisen olevan todennkisemp noin 1240 C:n ylpuolella,
jolloin hkkaasu muuttuu stabiilimmaksi yhdisteeksi kuin kromioksidi. Samaa todistaa
Gibbsin energian negatiivinen tulos, joka on laskettu reaktiolle (8) 1500 C:ssa.
= 910275 526,8
(9)
= 910275 526,8 (273,15 + 1500)
= 23820,42 /
Hapen injektoinnin jlkeen tasapaino-olosuhteet muuttuvat siten, ett kromia voidaan
pelkist takaisin terssulaan, mikli piit on riittvsti tarjolla (Pretorius & Nunnington
2002, Arh & Tehovnik 2007). Kromin pelkistymist ja takaisin terssulaan siirtymist
haittaavat mm. liian korkean viskositeetin omaava kuona, kiinteiden kromia sisltvien
yhdisteiden syntyminen ja liiallinen tai liian vhinen sekoittuminen (Arh & Tehovnik
2007, Kunelius 2016). Piin pelkistv vaikutus on kuitenkin matalampi, mit enemmn
sulassa on kromia (Arh & Tehovnik 2007). Kromin pelkistymisreaktio piin avulla on
(Arh & Tehovnik 2007):
2Cr2O3 + 3[Si] = 4[Cr] + 3SiO2 (10)
3.6.3 Paineen vaikutus kromin kyttytymiseen
Paineella on vlillisesti vaikutusta kromin kyttytymiseen. Mikli valokaariuunissa on
huomattavaa alipainetta, vuotoilmaa psee enemmn uuniin kasvattaen kromin
hapettumisreaktion todennkisyytt. Lisksi korkeiden yli- ja alipaineiden aikana
savukaasuja virtaa enemmn primrikanavaan vieden lmp mukanaan, mik hidastaa
kuonan lmptilan nousua. Kun lmptilat kasvavat terksen sulatuksessa,
kromioksidien aktiivisuus laskee vhn. (Xiao & Holappa 1993) Suuremman aktiivisuu-
den omaava kuona parantaa kromin pelkistmist kuonasta. (Arh & Tehovnik 2007)
-
27
4 SAVUKAASUT
Savukaasusysteemin ensisijainen tarkoitus on poistaa valokaariuunissa syntyvt kaasut,
polttaa vaaralliset kaasut kuten CO ja suodattaa pois plyt (Bekker et al. 2000).
Savukaasuja syntyy valokaariuunissa paljon eri palamisreaktioiden ansioista, joista
kerrottiin tarkemmin kappaleessa 3. Sulatuksen aikana muodostuneet savukaasut ovat
ympristlle haitallisia, sill ne sisltvt suuren mrn pienhiukkasia, hkkaasua ja
vety (Trivellato & Labiscsak 2015). Ympristhaitallisuutensa takia savukaasut
pyritn kokonaisuudessaan kermn ja ksittelemn savukaasulaitoksella.
4.1 Savukaasukanava ja savukaasulaitos
Savukaasut kertn primri- ja sekundrikanavan avulla savukaasulaitokselle, jossa
ne ksitelln. Kyseess on pohjaratkaisultaan DES eli direct evacuation system
jrjestelm. Kuvaan 7 on piirretty molemmat kanavat laitteineen sek savukaasulaitos.
Seuraavissa kappaleissa on perehdytty tarkemmin molempien kanavien rakenteisiin ja
jhdytysmenetelmiin sek kyty lyhyesti lpi savukaasulaitoksella imutehojen
vaihteluun huomioitavat asiat.
Kuva 7. Savukaasukanavat ja savukaasulaitos.
-
28
4.1.1 Primrikanava
Primrikanava on VKU2:n holvissa kiinni oleva sek sen plle knnettv
vesijhdytetty savukaasukyr ja siit jatkuva savukaasukanava, joiden nkyvt osat on
merkitty kuvaan 7 punaisella. Kanava on alkuosistaan vesijhdytetty savukaasujen
korkean lmptilan ja jlkipalamisesta johtuvan lmpenergian takia (Taverna &
Pollicino 2001). Savukaasut johdetaan primrikanavaan sulan terksen ja holvin
vliseen tilaan luodulla alipaineella, joka on saatu aikaan keskipakopuhaltimilla.
Travellaton ja Labiscsakin (2015) mukaan savukaasuista poistuu noin 95 %
primrikanavan kautta. Alipaineen ja hallin ilmanpaineen ero lis uunin sisn
virtaavan vuotoilman mr, sill valokaariuuni ei ole sulatuksen aikana tysin tiivis.
(Travellato & Labiscsak 2015) Kuten kuvasta 7 voi nhd, psee vuotoilmaa
VKU2:een lhinn kaato- ja elektrodiaukoista. Kntyvn kyrn ja savukaasukanavan
vlisen raon suuruus vaikuttaa jlkipalamiseen imettvn vuotoilman mrn.
Tarkoituksena on ime riittvsti happea, jotta hiilimonoksidi palaisi hiilidioksidiksi.
(Hasannia & Esteki 2008) Jos rako on riittvn suuri, on imettvn vuotoilman massa
yleens sama kuin valokaariuunista tulevien savukaasujen massa. Lisksi
primrikanavaan vedettv vuotoilma viilent valokaariuunista imettvi savukaasuja.
(Jones et al. 1998, s. 581) Diplomityn loppuvaiheessa VKU2:n kyrn toimintaa
muutettiin siten, ett raon suuruutta pystytn stelemn sulatusten aikana kahteen
asentoon. Toimintoa ei kuitenkaan testattu tss diplomityss.
Alkuvaiheeseen kanavaa on rakennettu karkeaerotin, jossa suurimmat komponentit eli
metalli- ja kuonapisarat erotetaan painovoiman avulla savukaasusta. Kaasumaiset
komponentit ja hienommat kiintoainepartikkelit jatkavat jhtyen vesijhdytteist
savukaasukanavaa puhallusilmajhdyttimille. (Oinas 2009, Taverna & Pollicino 2001)
Kahdessa riviss olevat kahdeksan puhallinta jhdyttvt savukaasuja ulkoilman avulla
(Honeywell 2015, Oinas 2009). Ensimminen puhallusilmajhdytin kynnistyy, kun
savukaasujen lmptila jhdytyksen jlkeisess lmpanturissa nousee 110 C:seen,
toinen 115 C:ssa, kolmas 120 C:ssa ja viimeinen 125 C:ssa.
Puhallusilmajhdyttimilt ohjataan savukaasut terskanavaa pitkin savukaasulaitoksen
suodatinpusseille (Oinas 2009, Taverna & Pollicino 2001). Primrikanavan lmptilan
hallinta on erittin trke, koska materiaalien takia terskanavaa edeltvn hlytyksen
lmptilaraja on 550 C:tta ja suodatinpusseja edeltvn 125 C:tta. Lisksi molempiin
-
29
lmpantureihin on asetettu pysyttmisrajat: terskanavaan 600 C:een ja
suodatinpusseille 130 C:een. Mikli pysyttmisraja ylittyy, sulatusprosessi
pysytetn automaattisesti ja savukaasujen jhtymist joudutaan odottamaan.
(Kunelius 2015b).
4.1.2 Sekundrikanava
Sekundrikanavan alkuna toimii sulatusalueen hallin kattoon asennettu huuva, joka
ottaa talteen VKU2:sta ulos psseen savukaasun muun ilman mukana (vihrell
kuvassa 7). Viilemp hallin ilmaa imetn sekundrikanavaan primrikanavan
savukaasujen jhdyttmistarkoituksessa. Huuvasta kaasut johdetaan terskanavaa
pitkin savukaasulaitokselle, jossa kanava yhdistyy pkanavaksi primrikanavan
kanssa ennen suodatinpusseja. Pkanavassa on lpp, jonka kautta on mahdollista ime
viilemp ilmaa jhdyttmn savukaasuja. (Taverna & Pollicino 2001) Lpp
kuitenkin kytetn vain rimmisiss tilanteissa, koska sen kautta kanavaan psee
kosteutta, joka reagoi haitallisesti savukaasujen mukana kulkeutuneen kalkin kanssa
(Harri, 2015). Lisksi romukorien kuivausilma johdetaan kattohuuvan kanssa samaan
kanavaan jo tehdashallin katolla. (Taverna & Pollicino 2001, Kunelius 2015b)
4.1.3 Savukaasulaitos
Savukaasulaitoksella olevien suodatinpussien avulla savukaasuista poistetaan
pienhiukkaset (Bekker et al. 2000). Kokonaisuudessaan suodatinpusseja on kahdeksan
kahdessa riviss. Ne on sijoitettu ennen keskipakopuhaltimia, koska savukaasujen
sisltmien pienhiukkasten mr on vhinen eik rajoita imutehoja. Suodatinpusseissa
on lisksi automaattinen puhdistusjrjestelm, jonka avulla on mahdollista puhdistaa
pusseja mys toiminnan ollessa kynniss. (Taverna & Pollicino 2001) Suodatinpussit
voivat sytty tai rjht, jos hiilimonoksidin mr savukaasussa on liian korkea.
Lisksi korkea lmptila voi vahingoittaa suodatinpusseja, jolloin savukaasua ei
vlttmtt saada puhdistettua ympristlainsdnnn mukaisesti. (Bekker et al. 2000)
Suodatinpusseista pienhiukkaset siirretn kuljettimien avulla siiloon ja sielt konttiin
kuljetettavaksi jatkoksittelyihin. Kontit on sijoitettu puntarien plle plyjen mrn
mittaamiseksi. Puhdistettu savukaasu pstetn suodatinpusseista syttkammion
kautta keskipakopuhaltimille, josta savukaasut jatkavat kuilun kautta ilmakehn.
(Taverna & Pollicino 2001)
-
30
4.2 Savukaasuanalysaattori
Trkeimpi savukaasusta tutkittavia kaasuja ovat hiilimonoksidi, hiilidioksidi, happi,
typpi ja argon, joita mitataan reaaliaikaisesti VKU2:lla (Juntunen & Leinonen 2005).
Nytteiden kerminen aloitetaan, kun VKU2:een on sytetty 35 MWh shkenergiaa.
(Honeywell 2016) Savukaasusta kertn noin 30 s vlein nyte vesijhdytetyll
ruostumattomasta terksest valmistetulla nytteenottosondilla. (Kunelius 2016)
Nytteenottimen toimintoja suojataan ylosan peittvll ilmajhdytetyll
suojakotelolla ja sit suojaavalla eristetyll palolevyll. (Oinas 2009) Nyte otetaan
keskelt primrikanavaa heti kntyvn kanavan alusta, koska ennen
nytteenottopaikkaa sijaitsevasta raosta psee kanavaan vuotoilmaa, joka virtaa aluksi
reunoilla ennen sekoittumistaan uunin savukaasujen kanssa (kuva 7) (Kupari 2001).
Savukaasut imetn putkistossa olevien neljn keraamisen suodattimen lpi
jhdyttimelle keskipakopuhaltimien avulla. Jhdyttimell savukaasusta poistetaan
mys kosteutta ennen massaspektrometria. (Juntunen & Leinonen 2005, Kupari 2001,
Oinas 2009) Nytelinja on saattolmmitetty kosteuden tiivistymisen vlttmiseksi.
Savukaasu on nytehuoneeseen saapuessaan noin 70 C:sta. (Oinas 2009)
Massaspektrometrill pystytn tunnistamaan sek alkuaineita ett yhdisteit. Se
perustuu neutraalien molekyylien tai atomien ionisoitumiseen elektrodisuihkun avulla ja
niiden erottamiseen magneettikentss massa/varaussuhteen mukaan. Eri radoille
ajautuvat ionit iskeytyvt metalliselle detektorille, josta heikot virrat vahvistetaan
havaittaviksi signaaleiksi. Magneettikentt muutetaan yht monta kertaa kuin
tutkittavien komponenttien mr on kaasussa. (Kupari 2001) Massaspektrometria
kytettiin aiemmin vuorotellen VKU2:n ja AOD2:n savukaasuille. Nykyn
molemmilla linjoilla ovat omat massaspektrometrit, mutta VKU2:n massaspektrometri
toimii varalaitteena AOD2:lle. (Kunelius 2015b) Lisksi analysaattoriin kuuluu
puhdistuspuhalluksiin kytettvt puhdistusventtiilit ja painesili. (Juntunen &
Leinonen) Jokaisen nytteenottosyklin jlkeen nytelinja ja sondi puhdistetaan ns.
takaisinpuhallus instrumentti-ilmalla. Puhdistussekvenssi koostuu nytelinjan koko
pituudeltaan puhdistavasta osuudesta sek pulssimaisesta primrisuotimen ja sondin
puhdistuksesta. (Kupari 2001) VKU2:n savukaasuanalysaattori on esitetty kuvassa 8.
-
31
Kuva 8. Primrikanava savukaasuvirtauksineen ja savukaasuanalysaattori.
Suurimmat ongelmat savukaasuanalysaattorin kytss ovat olleet nytteenottosondin
tukkeutuminen ja analysointilinjan vuodot. Nytteenottosondin tukkeutumisen oletetaan
johtuvan lhinn uuniin injektoidusta kalkista, joka kosteuden myt kovettuu sondin
sislle. Juntusen ja Leinosen (2005) mukaan kalkki ei kuitenkaan yksin tuki sondia vaan
mukana on mys metallisia komponentteja. Tukkeumaply voi olla perisin uunista
tulevasta plyst tai puhdistuksen aikana putkistosta irtoavasta plyst. Tukkeuma on
mahdollista huomata savukaasuanalyysist, kun analyysi j samaksi eik vaihteluita
ole havaittavissa. Lisksi savukaasuanalysaattorin ohivirtaus alkaa hlyttmn
valvomossa riittmttmn savukaasunytteen takia. Tukkeumaa puhdistettaessa
analysaattorihuoneessa saattoi irrota muovinen nyteputki paineen kasvun takia.
(Juntunen & Leinonen 2005) Nytteenottosondin tukkeutumista on pyritty estmn
keskeyttmll savukaasuanalyysit kalkin panostamisen ajaksi (Juntunen & Roininen
2008). Mys toisen korin panostuksen ajaksi kynnistyy edell mainitut toimenpiteet,
mik johtaa analyysin katkeamiseen ja vlin interpolointiin.
-
32
Linjaan tulleet vuotokohdat pstvt nytteen sekaan ilmaa, mik sekoittaa
mittaustuloksia. Vuotokohdat nkyvt analyysissa, kun hapen mr ei laske missn
sulatuksen vaiheessa lhelle nollaa. Vuoto voidaan paikallistaa paineistamalla linja N2-
kaasulla ja tarkkailemalla painehviit. Mikli paine ei pysy, etsitn vuotokohta.
Ennen vesijhdytteisen nytteenottosondin kyttnottoa, terssondilla oli tapana
kulua lyhyeksi kuumissa savukaasuvirtauksissa. Lyhyempi sondi otti nytteen
korkeammalta, lhelt reunoilla kulkevaa vuotoilmaa, mik sotki savukaasunytett.
(Juntunen & Leinonen 2005)
-
33
5 IMUTEHOT
Imutehojen avulla sdetn valokaariuunista ja sulatushallin katosta imettvien
savukaasujen ja ilman mr. Lisksi pieni osa imusta ohjataan romun kuivaukseen,
jos se on kytss. Imutehojen mr VKU2:sta ja kattohuuvasta sdelln
savukaasukanavien vlisill stpelleill sek savukaasulaitoksella sijaitsevien
keskipakopuhaltimien avulla. Seuraavissa kappaleissa on perehdytty stpeltien
sijainteihin ja toimintaan, keskipakopuhaltimien rakenteeseen, imutehojen stn sek
imutehoja rajoittaviin ja niihin vaikuttaviin tekijihin.
5.1 Stpeltien sijainti ja toiminta
Savukaasukanavissa on kaksi stpelti, joiden avulla sdetn keskipakopuhaltimien
synnyttmn imun tehokkuuden jakautumista savukaasukanavien kesken. Ensimminen
ja VKU2:n sdn kannalta trkein sijaitsee primri- ja sekundrikanavien
risteyskohdassa. Sen avulla mritelln VKU2:een primrikanavan kautta menevn
imutehon mr. Kuten kuvasta 9 nkyy, panostuksen aikana stpelti lhes sulkee
primrikanavan imun, koska primrikanavan kyr nostetaan sen ajaksi yls. Mys
kalkin injektoinnin aikana primrikanavan stpellin aukon koko ky pienempn.
(Honeywell 2015)
Toinen stpelti on sijoitettu sekundri- ja romun kuivaukseen johtavien kanavien
risteyksen jlkeen sekundrikanavaan. Suurin osa (lhes 70 %) primrikanavalta
jvist imutehoista ohjataan sekundrikanavaan. Loput imutehoista pstetn
romukorien kuivauspaikoille. Ensisijaisesti imutehot ovat tarkoitettu valokaariuunin
savukaasujen imemiseen, joten primrikanavan stpelti on trkess roolissa. Sen
avulla pystytn nopeasti vaikuttamaan valokaariuuniin luodun alipaineen suuruuteen.
(Honeywell 2015)
-
34
Kuva 9. Kahden sulatuksen aikaiset primrikanavan stpellin aukon koko ja kytetyt
jnniteportaat.
5.2 Keskipakopuhaltimet
Kolme keskipakopuhallinta on sijoitettu suodatinpussien jlkeen savukaasulaitokselle.
Keskipakopuhaltimissa on vastasuuntaiset lavat tehon parantamiseksi. Niiden
pyrimisnopeuden avulla sdetn imun voimakkuutta savukaasukanavissa. (Taverna
& Pollicino 2001) Pasiallinen tarkoitus on pit savukaasulaitoksella -18 mbar paine
(Harri 2016). Syttkammio jakaa suodatinpusseilta tulevat savukaasut tasaisesti
kytss oleville keskipakopuhaltimille turbulenssin pienentmiseksi. Turbulenssin
vhentminen lis keskipakopuhaltimien tehokkuutta ja vhent paineen putoamista
koko systeemiss. Keskipakopuhaltimet on sijoitettu betonibunkkereiden sislle
melusaasteen vhentmiseksi. (Taverna & Pollicino 2001)
Jokaisen keskipakopuhaltimen edess on kaksi lpp, jotka suljetaan, kun kyseinen
puhallin ei ole kytss. Lpt pidetn tysin avoimina vain, jos puhallin on ohjauksen
alaisena tai se toimii tydell teholla. Mikli imutehon tarve on pieni sulatuksen aikana,
voi yksittinen puhallin menn valmiustilaan. Valmiustilassa puhaltimen
pyrimisnopeus on minimissn 400 rpm, kun se tydell teholla toimiessaan saavuttaa
990 rpm kierrosnopeuden. Valmiustilaan laitetaan jokainen puhallin vuorollaan, jolloin
puhaltimille saavutetaan parempi kyttvarmuus. (Taverne & Pollicino, 2001)
-
35
5.3 Imutehojen stely
VKU2:ssa imutehojen sdt ovat pasiassa sidottu jnniteportaisiin kuvan 10
mukaisesti. Jnniteportaat on jaettu 9 osaan, joista jokaiselle on mahdollista mritt
imutehot kuluvan ajan suhteen. Muutettavia asetusarvoja ovat alipaineen mr ja sen
alkamisajankohta jnniteportaan kyttnottoajasta lhtien. Asetetun alipaineen
saavuttamiseksi ja yllpitmiseksi sdetn automaation avulla lhinn
primrikanavan stpellin aukon kokoa sek tarvittaessa keskipakopuhaltimien
mr ja pyrimisnopeutta. Lisksi kuvan 10 alaosissa on nhtviss kalkin
injektoinnin ajaksi mritetty -1,40 mbar alipaine. Sdn tarkoituksena on parantaa
kalkin jmist valokaariuuniin ja vhent savukaasuanalysaattorille johtavan
nytteenottosondin tukkeutumista. Savukaasuanalysaattorin toiminta mys pysytetn
kalkin injektoinnin ajaksi. Sulatuksen alussa on erikseen mritelty -1,00 mbar alipaine
ensimmisiksi 2 min. Sen avulla taataan alipaineen riittvn hidas muodostaminen.
Kuva 10. Alipaineen stminen VKU2:lla.
Savukaasukanavaan on listty kaksi painemittaria, joiden avulla tarkkaillaan imujen
toimimista koko kanavan pituudelta. Ensimminen niist sijaitsee karkeaerottimella
primrikanavan alkupuolella ja toinen pkanavassa ennen turvalpp. (Taverna &
Pollicino 2001) Ohjaukseen tarvittavan alipaineen mittaus saadaan karkeaerottimella
-
36
sijaitsevasta painemittarista (Immonen 2016). Koska uunin alipaineen ohjauksessa
kytetty alipainetta ei mitata VKU2:n sislt, tapahtuu mittauksessa jatkuvaa virhett.
VKU2:n sislt mittaavan paineanturin toiminta ei ole luotettavaa vaikeiden
olosuhteiden kuten suuren plymrn takia (Immonen 2016). Lisksi VKU2:n paineen
mittaus on kiinnitetty holviin, jolloin uunin alaosissa olevien aukkojen kohdalla paine
on selkesti matalampi. Tm johtaa vuotoilmojen suurempaan imuun esim.
kaatoaukosta. Vuotoilmojen virtausmr valokaariuunin aukkojen kohdalta on
verrannollinen valokaariuunin ja ymprivn paineen erotuksen nelijuureen. Se on
kuitenkin pienempi sulatuksen alkuvaiheessa, jolloin romut toimivat vastuksena
vuotoilmojen virtaukselle. (Jones et al. 1998, s. 581)
Jos savukaasukanavien vesijhdytetyiss osissa kiertvn veden lmptila uhkaa
nousta hyrystymislmptilan ylpuolelle, vhenee keskipakopuhaltimien nopeus
automaattisesti. Imutehojen automaatiosdksiin on listty mys ajastin, joka
kynnistyy VKU2:n tehojen sammuessa kesken sulatuksen. Sen tarkoituksena on
vhent imutehoja, kun valokaariuunissa ei ole ollut tehoja pll riittvn pitkn
aikaan. Imutehojen vhentminen sst lmpenergiaa kaasujen pysyess suurelta
osin valokaariuunissa sek hidastaa jhtymist ja hapettumista. (Taverne & Pollicino
2001, Kunelius 2016)
Kuvasta 10 huomataan, ett alipaineen pyynti on korkeintaan -1,65 mbar. Kun taas
Bekker et al. (2000) mukaan tutkitulta terssulatolta annettiin ohjeeksi pyrki
stelemn alipainetta 5 Pa:ssa, joka vastaa -0,05 mbar. Suurin ero Bekker et al.
tutkiman ja VKU2:n savukaasukanavien vlill on jhdytys, joka on tutkimuksissa
vesi-ilmajhdytys. VKU2:lla kytetn puhallinilmajhdytyst. Lisksi Jones et al.
(1998, s.581) mukaan DES (Direct evacuation system) savukaasunpoistojrjestelmiss
valokaariuunin paine vaihetelee -0,09 ja -0,18 mmHg vlill. Muunnetttuna
millibaareiksi saadaan -0,12 ja -0,24, jotka ovat selkesti nykyisi pyyntiarvoja
pienempi. Japanissa tehtyjen useiden kokeiden mukaan ylipaineella ajettu
valokaariuuni sst vuodessa tehoja noin 10 - 20 kWh tonnia kohti. (Jones et al. 1998,
s.581)
-
37
5.4 Imutehoa rajoittavat tekijt
Imutehon sdn kaksi ptavoitetta ovat yht trkeit, mutta vaikuttavat stn
ristiriitaisesti. Tavoitteet ovat prosessin tehokkuuden parantaminen ja ympristn
suojelu. (Bekker et al. 2000) Imutehon tarkoituksena on alipaineen avulla vet
ympristlle haitallisisia savukaasuja primrikanavaan, jotta ne eivt pse vuotamaan
sulaton ympristn (Hasannia & Esteki 2008; Bekker et al. 2000). Tst syyst
imutehojen pitisi olla riittvn suuria. Osa sulatuksen aikana muodostuvista ply
sisltvist savukaasuista kuitenkin psee valokaariuunin aukoista, kuten elektrodien
vleist, hallin puolelle. (Bekker et al. 2000) Halliin vuotava savukaasu imetn kattoon
rakennetulla huuvalla savukaasulaitokselle. Joissain tapauksissa VKU2 on tuottanut niin
paljon savukaasuja halliin, ett operaattorien nkyvyys kaatoaukolle on ollut liian
heikko kaatamisen aloittamiseksi. Tllainen on viivyttnyt prosessia ja lmmityksen
jatkumisen takia nostanut sulan lmptilan liian korkeaksi. (Kunelius 2015a)
Savukaasujen korkeassa lmptilassa olevat CO yhdisteet voivat aiheuttaa
turvallisuus- ja terveysongelmia sulatolle, mink takia alipaineen suuruus on trke
pit riittvn koko sulatuksen ajan. (Bekker at al. 2000)
Toisaalta alipaineen pit olla riittvn pieni, jotta savukaasujen mukana ei hviisi
paljoa energiaa (Hasannia & Esteki 2008). Energiaa hvi valokaariuuniin psevien
vuotoilmojen lmmittmiseen (Bekker et al. 2000) sek primrikanavaan vedettvien
komponenttien ja yhdisteiden mukana, jotka palavat vasta primrikanavassa (Trivellato
& Labiscsak 2015). Energian pysyminen valokaariuunissa nopeuttaisi sulatusprosessia,
koska sulaters saavuttaisi siten nopeammin vaaditun kaatolmptilansa. Paremmin
kontrolloidun prosessin avulla alipainetta voidaan pit pienemmll, jolloin hukataan
vhemmn energiaa. (Bekker et al. 2000) Lisksi VKU2:n savukaasukanavassa on kaksi
lmptilarajoitusta: ensimminen raja on vesijhdytyksen loputtua 600 C ja toinen
ennen savukaasulaitoksen suodatuspusseja 130 C (kuvassa 6 lmptilan mittaukset).
Rajoitusten avulla pyritn turvaamaan savukaasukanavan toimiminen toivotulla
tavalla. Imutehojen pitminen aina sulatuksen vaiheeseen sopivana sst energiaa
sek varmistaa riittvn tyturvallisuuden ja ympristst huolehtimisen.
-
38
5.5 Imutehoon vaikuttavat tekijt
Hasanniahin ja Estekin (2008) mukaan imutehoa voitiin vliaikaisesti st
suuremmaksi, kun listn mittaamattomia mri kuten injektoidaan hiilt. Tll
tavalla niiden aiheuttama savukaasumrn lisntyminen saataisiin paremmin
hallintaan. Seosaineiden lisminen voidaan huomioida sdiss, jos lisysaika pysyy
sulatuksista riippumatta lhes samana. Ainoastaan ongelmia aiheuttavan kalkin
lisyksen ajaksi ovat primrikanavan imutehot huomioitu pienentmll niiden mr
(Kunelius 2015a).
Tehokkaan jlkipalamisen aikaansaamiseksi imutehoon vaikuttaa primrikanavan
alussa olevan raon koko. Mit kovempi imuteho on, sit suurempi raon on oltava.
(Trivellato & Labiscsak 2015) Raon kokoa ei tuotantokokeiden aikaan viel sdelty
Outokummun VKU2:ssa, joten jlkipalamisen kannalta happea saattoi olla liikaa tai
liian vhn primrikanavan alkuosissa. Tm voi johtaa jlkipalamisen siirtymiseen
pitemmlle savukaasukanavaan. Toisaalta mikli ilmaa on tarpeettoman paljon, se
viilent savukaasuja nopeammin, mutta samalla vie imutehoja pois VKU2:en sislt
pienentmll alipainetta. Nykyn VKU2:lla on mahdollisuus st raon kokoa
kahteen eri asentoon.
-
39
6 ERI SAVUKAASUPRAKTIIKOITA
Pasiallisesti savukaasujen poistossa on kytss ainakin kahdenlaisia ajopraktiikoita.
Ensimmisess ajopraktiikassa imetn suurin osa savukaasuista primrikanavan
kautta savukaasulaitokselle, jolloin valokaariuunin sisll pyritn yllpitmn pient
alipainetta. Toisessa ajopraktiikassa imetn primrikanavan kautta mahdollisimman
pient mr ja annetaan uunin toimia ylipaineella. Kahden esitellyn ajopraktiikan
vlineistn erona on valokaariuunin kotelointi, joka mahdollistaa suuremman
savukaasumrn pstmisen ulos valokaariuunista. Kahden ajopraktiikan etuja ja
haittoja on esitelty seuraavissa kappaleissa.
6.1 Valokaariuunin ajaminen alipaineella
Valokaariuuniin luodaan alipaine primrikanavan imutehojen avulla. Alipaineen
avulla varmistetaan savukaasujen ptyminen primrikanavaan ja sit kautta
savukaasulaitokselle (Jones et al. 1998 s. 581). Riittvn suuren alipaineen luominen
valokaariuunin sislle on trke, sill sen avulla estetn savukaasujen vuotaminen
ulos mys elektrodien reiist sek kaatoaukosta (Toulouevski & Zinurov 2013, s. 266).
Tm kuitenkin johtaa sisnvirtaavien vuotoilmojen mrn kasvuun ja
lmphviihin. Vuotoilmojen mrn kasvu lis hapettumisreaktioiden ja
savukaasujen mr. Lmphviit sen sijaan koituu vuotoilmojen lmmittmiseen
kytettvn energian muodossa ja savukaasujen suuren poistumismrn takia. Lisksi
primrikanavan imutehojen mritteleminen riittvn alipaineen saavuttamiseksi on
hankalaa, koska paine valokaariuunin sisll vaihtelee reaktioiden takia. (Jones et al.
1988 s. 580-581)
Tss savukaasupraktiikassa sekundrikanavan kautta vedetn suuret mrt ilmaa ja
vhn savukaasuja, koska imettvn alueen tilavuus on suuri. Tyypillisesti
sekundrikanavan kattohuuva on kiinnitettyn hallin kattoon (Jones et al. 1998 s. 579).
Toulouevskin ja Zinurovin (2013, s. 252-253) mukaan valokaariuunista ulospsevan
savukaasun mr on noin 15 - 20 % primrikanavaan imettvien savukaasujen
mrst, kun Travellaton ja Labiscsakin (2015) mukaan primrikanavaan imetn 95
% savukaasuista. Kuitenkin sekundrikanavan kautta savukaasulaitokselle imettvien
kaasumassojen mr voi ylitt kaksitoistakertaisesti primrikanavan savukaasujen
-
40
mrn. (Toulouevski & Zinurov, 2013, s. 252-253) Erityisesti romujen panostamisen ja
sulan kaadon aikana savukaasut levivt halliin pakottaen imutehojen lismisen
sekundrikanavaan. Valtava puhdistettavan ilman mr aiheuttaa suuret kustannukset
savukaasulaitokselle (Toulouevski & Zinurov, 2013, s. 268).
6.2 Koteloidun valokaariuunin ajaminen pienill primrikanavan imutehoilla
Savukaasupraktiikan ideana on antaa valokaariuunissa tapahtuvien reaktioiden ohjata
prosessia. Valokaariuunista imetn savukaasuja primrikanavan kautta vhn, jotta
lmphvit valokaariuunista olisivat mahdollisimman pienet. (Ikheimonen 2016,
Jones et al. 1998 s. 585) Tarkoituksena on kuitenkin saada kertty osa savukaasuista ja
plyist suoraan valokaariuunista, joten esimerkiksi erll tt savukaasupraktiikkaa
kyttvll sulatolla noin 20 % kokonaisvirtauksesta tuli primrikanavan kautta
(Ikheimonen 2016). Koska valokaariuuni toimii tyypillisesti ylipaineella ainakin
sulatuksen alkuvaiheessa, sisn psevien vuotoilmojen mr on tll ajopraktiikalla
lhes olematonta.
Suurempi osa savukaasuista imetn kuitenkin sekundrikanavan kautta.
Sekundrikanavan huuva on asennettu kotelon kattoon. Valokaariuunin koteloinnin
ansiosta sekundrikanavaan imettvn alueen tilavuus on huomattavasti pienempi kuin
edellisess ajopraktiikassa, jolloin ksiteltvn savukaasun mrkin on selkesti
alipaineista DES jrjestelm pienempi. Sen avulla sstetn niin savukaasujen
suodattamisen kuin imupumppujen tai -puhaltimien kyttkustannuksissa. Lisksi
kotelointi vhent meluhaittaa ja parantaa tyntekijiden hengitysilman laatua.
Koteloinnin huonoja puolia ovat panostamisen hidastuminen ja valokaariuunin
huoltojen hankaloituminen. Lisksi kotelo ei vlttmtt mahdu valokaariuunin
ymprille hallin rakenteen takia. (Jones et al. 1998 s.585)
-
41
7 TUOTANTOKOKEET
Tuotantokokeiden tavoitteena on muokata uunin alipaineen sttaulukon arvoja
vastaamaan paremmin valokaariuunin palamisreaktioissa muodostuvien savukaasujen
mr. Savukaasujen muodostumisen mr ei ole vakio sulatusten aikana, mist
syyst reaktioiden liittminen eri sulatuksen vaiheisiin mahdollistaisi riittvn imutehon
tarpeen mrittelemisen sulatusten ajaksi. Romujen eroista ja muiden seosaineiden
kytettvyydest johtuen reaktioiden tapahtumisaikaa ei voida kuitenkaan tarkalleen
mritell, mik tulee huomioida taulukon starvojen aikaa ptettess. Aiemmin
uunin alipai