IMPM-15-08-01
Kuonien rakenne ja tehtävät Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2015 Teema 8 - Luento 1 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Tavoite • Oppia tuntemaan kuonien tehtävät pyrometallurgisissa prosesseissa • Oppia tuntemaan silikaattipohjaisten kuonien rakennetta Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Sisältö • Mitä kuonat ovat? • Kuonien tehtävät • Kuonien rakenne – Molekyyliteoria – Ioniteoria • Silikaattipohjaisten kuonien rakenne • Emäksiset ja happamat kuonakomponentit Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Kuonat • Kuonat ovat merkittävä osa lähes kaikkia pyrometallurgisia prosessivaiheita • Yleensä oksidisia sulaseoksia, joissa SiO2 on usein enemmän tai vähemmän merkittävässä roolissa Silikaattiset kuonasulat • Voivat sisältää myös muita yhdisteitä kuten sulfideja Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Mistä kuonat muodostuvat? • Panosmateriaalien epäpuhtaudet, jotka ovat hapettuneessa muodossa tai hapettuvat prosessoinnin aikana • Prosessin oksidiset reaktiotuotteet • Kuonanmuodostajat (CaO, MgO, SiO2) – Koostumus halutulle alueelle • Kuonanmuokkaajat kuten fluksit (CaF2) • Tulenkestävät materiaalit • Täysin synteettiset kuonat Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Kuonien tehtävät • Kuonien tehtävät vaihtelevat prosesseittain, mutta yleisesti niiden tehtävänä on: – Koota metallifaasiin päätymättömät aineet yhteen faasiin, joka: • • on poistettavissa sujuvasti reaktorista (sula!) jähmettyessään muodostaa yhdisteitä, jotka ovat hyödynnettävissä muissa kohteissa tai ovat riittävän stabiileja loppusijoitettavaksi – Suojata metallia hapettumiselta – Toimia lämmöneristeenä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Kuonan tehtävät masuunissa • Koota yhteen faasiin raaka-aineiden mukana tulevat aineet, joita ei haluta raakarautaan – Malmin/rikasteen sivukivi – Koksin tuhka • Koostumuksen oltava sellainen, että kuona on sulaa masuunin alaosassa, jotta se voidaan laskea ulos masuunista • Keskeistä kyky liuottaa esim. rikkiä ja alkaleja Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Kuonan tehtävät konvertterissa • Koota yhteen faasiin mellotuksen hapetustuotteet (paitsi kaasumainen CO) • Toimia lämmöneristeenä • Koostumukselle asetettavia vaatimuksia: – Oltava sula-alueella (ainakin lopuksi) – Hapettunut rauta (ja ne teräkseen haluttavat aineet, jotka ovat hapettuneet mellotuksessa) tulisi saada pelkistettyä takaisin metalliin – Ei kuluta vuorausta liikaa • AOD-konvertterissa: – Kromin pelkistys ja rikinpoisto Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Kuonan tehtävät senkkakäsittelyissä • Suojata terästä atmosfäärin hapettavalta vaikutukselta (reoksidaatio) • Toimia lämmöneristeenä • Ottaa vastaan teräksestä nousevat sulkeumat • Koostumukselle asetettavia vaatimuksia: – Ei saa sisältää epästabiileja oksideja (FeO, MnO, tiettyyn rajaan asti myös SiO2), jotka syöttävät happea teräkseen – Ei kuluta vuorausta liikaa – Oltava sula-alueella (sulkeumien liukeneminen) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Kuonan tehtävät kuparin liekkisulatuksessa • Koota yhteen faasiin raaka-aineiden mukana tulevat aineet, joita ei haluta kupariin – Malmin/rikasteen sivukivi – Kuparin valmistuksessa kuonaan haluttava komponentti on rauta, jonka oksidi (FeO) muodostaa liekkisulatusuunin kuonan yhdessä kuonanmuodostajana toimivan SiO2:n kanssa • Koostumuksen oltava sellainen, että kuona on sulaa, jotta se voidaan laskea ulos – Vältettävä Fe3O4:n muodostumista Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Kuonien rakenne • Sulien faasien rakenne on huonommin tunnettu kuin kiinteiden faasien • Kuonien rakenteesta esitetty erilaisia teorioita – Molekyyliteoria – Ioniteoria • Teorioiden oikeellisuutta voidaan testata esim. arvioimalla, miten hyvin kuonien ominaisuuksia on mahdollista selittää teorioiden avulla Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Kuonien rakenteen tutkimusmenetelmät • Fysikaalisten ominaisuuksien määrittäminen kokeellisesti (päättely siitä, mikä rakenne selittäisi ominaisuudet) • Erilaisten polymerisoituneiden yksiköiden erotus kromatografisesti • XRD ja spektroskopiset menetelmät • Rakenteeseen perustuvien termodyn. mallien kehittäminen (vastaavuus todellisuuteen) • Molekyylidynamiikka-laskelmat Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 • Spektroskopiset menetelmät ovat tärkeä työkalu kuonien rakenteita tarkasteltaessa – Tutkittavasta kohteesta vastaanotettavan säteilyn pohjalta tehtävät päätelmät aineen rakenteesta • Raman-spektroskopiassa säteily näkyvän valon alueella, jolloin havainnointi helpompaa • Kiteisillä materiaaleilla yleensä selkeät ’piikit’ analyyseissä • Sulat (ja amorfisiksi jähmettyneet) näytteet eivät yhtä yksiselitteisiä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Lähde: Slag Atlas Kuonien rakenteen tutkimusmenetelmät Lähde: Slag Atlas Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Lähde: Slag Atlas Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Molekyyliteoria • Kuona koostuu kemiallisista yhdisteistä – Oksidit, sulfidit, etc. • Sopii kuonareaktioiden kaavamaiseen tulkintaan – Esim. rikinpoistoreaktio: (CaO) + [S] = (CaS) + [O] • Ei kuitenkaan kuvaa kaikkia kuonan ominaisuuksia – Sähkönjohtokyky, viskositeetti, ... Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Ioniteoria • Kuona koostuu positiivisesti varautuneista kationeista ja negatiivisesti varautuneista anioneista • Ei kaukojärjestystä (LRO, Long Range Order) kiinteiden ioniyhdisteiden tapaan • Lähijärjestys (SRO, Short Range Order) kuitenkin säilyy • Kuonien ominaisuudet on mahdollista selittää ioniteoriaan perustuen Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 SiO2:n rakenne • Metallurgisissa kuonissa on usein merkittävänä komponenttina SiO2 Valitaan rakennetarkastelun puhdas silikaattisysteemi ja sen rakenne Pohjaksi ortosilikaatti-ioni (SiO44-) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 SiO2:n rakenne • Ortosilikaatti-ionitetraedrit muodostavat säännöllisen kolmiulotteisen verkkorakenteen • Kiinteässä tilassa SRO ja LRO • Materiaalin sulaessa verkkorakenteen LRO hajoaa, mutta SRO säilyy Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Silikaattisen kuonan rakenne • Ortosilikaatti-ionien lisäksi kuonasulat sisältävät myös muita komponentteja • Tietyt oksidit liukenevat kuonaan hajoten metallikationeiksi (Men+) ja happianioneiksi (O2-) • Liuenneet metallikationit rikkovat piiatomeja yhdistäviä happisiltoja eli kahden SiO44- tetraedrin yhteisiä nurkkia Si O Si MeO Si O Me 2 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 O Si Silikaattisen kuonan rakenne • Happisiltojen katkeamisen myötä silikaattinen verkkorakenne alkaa hajota Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Silikaattisen kuonan rakenne Si O Si MeO Si O Me 2 O Si • Metallikationien määrää kasvatettaessa vain yhteen piiatomiin sitoutuneiden happiatomien (O-) määrä kasvaa: O 0 O 2 2 O O0 on kahta pii-atomia yhdistävä happi (-Si-O-Si-) O- on vain yhteen pii-atomiin liittynyt happi O2- on vapaa (eli piihin kemiallisesti sitoutumaton) happi-ioni. Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Silikaattisen kuonan rakenne • Kun kaikki happisillat ovat katkenneet, alkaa vapaiden happi-ionien (O2-) määrä kasvaa Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Silikaattisten kuonien rakenne • Oksidisia kuonakomponentteja, jotka kuonaan liuetessaan katkovat ortosilikaattiionien välisiä happisiltoja, kutsutaan emäksisiksi kuonakomponenteiksi • Vastaavasti oksidit, jotka kuonaan liuetessaan luovat uusia happisiltoja, ovat happamia kuonakomponentteja • Oksidit, jotka kuonan koostumuksesta riippuen voivat toimia happamasti tai emäksisesti, ovat amfoteerisia Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Emäksiset kuonakomponentit • Luovuttavat happi-ioneja kuonaan liuetessaan (samalla liukenee kationeja) • • • • FeO (Fe2+) + (O2-) CaO (Ca2+) + (O2-) MgO (Mg2+) + (O2-) MnO (Mn2+) + (O2-) • Usein yhden tai kahdenarvoisten kationien muodostamia oksideja – K, Na, Li, Ca, Mg, Fe, Mn, Pb, Zn, Cu Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Happamat kuonakomponentit • Kuluttavat happi-ioneja kuonaan liuetessaan (muodostavat anioniassosiaatteja) • SiO2 + 2 (O2-) (SiO44-) • P2O5 + 3 (O2-) 2 (PO43-) • V2O5 + 3 (O2-) 2 (VO43-) • Usein korkean hapetusasteen omaavien ja tetraedrisesti koordinoituneiden kationien muodostamia oksideja Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Amfoteeriset kuonakomponentit • Käyttäytyvät emäksisesti (l. luovuttavat happi-ioneja) happamissa kuonissa (joissa vapaita happi-ioneja on vähän) – Al2O3 2 (Al3+) + 3 (O2-) – TiO2 (Ti4+) + 2 (O2-) • Käyttäytyvät happamasti (l. sitovat happiioneja) emäksisissä kuonissa (joissa vapaita happi-ioneja on paljon) – Al2O3 + 5 (O2-) 2 (AlO45-) – TiO2 + 2 (O2-) (TiO44-) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Happamat ja emäksiset kuonakomponentit • HUOM! • Oksidin emäksisyys/happamuus riippuu paitsi alkuaineesta, jonka kanssa happi muodostaa oksidin, myös ko. kationin hapetusasteesta • Esim. kahdenarvoinen rauta on emäksinen, mutta kolmenarvoinen rauta on hapan Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Happamat ja emäksiset kuonakomponentit • Kuonien emäksisyys (happamuus) ei ole sama asia kuin vesipohjaisten liuosten pH – pH kuvaa (vesi)liuoksen H+-ionikonsentraatiota – Emäksisyys kuvaa vapaiden happi-ionien määrää kuonassa • Yhteys kuitenkin löytyy – Emäksinen kuonakomponentti on emäksen emäsanhydridi ja hapan kuonakomponentti on hapon happoanhydridi Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Emäs- ja happoanhydridit • Anhydridi on yhdiste, josta on poistettu vesi – Emäsanhydridi on emäs, josta on poistettu vesi – Happoanhydridi on happo, josta on poistettu vesi • Ca(OH)2 CaO + H2O – Ca(OH)2 on emäs – CaO on emäksinen kuonakomponentti • H4SiO4 SiO2 + 2 H2O • H2SiO3 SiO2 + H2O – H4SiO4 ja H2SiO3 ovat happoja – SiO2 on hapan kuonakomponentti Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Kuonan emäksisyys • Vesiliuosten pH voidaan ilmoittaa mittaamalla liuosten vetyionikonsentraatioita • Kuonien vapaiden happi-ionien määrää ei voida mitata suoraan • Käytännössä kuonien emäksisyyttä kuvataan emäksisten ja happamien komponenttien suhteena Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Kirjallisuudessa esitettyjä tapoja esittää kuonan emäksisyys Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015
© Copyright 2024