1. No category

Kuonanmuodostus ja
faasipiirrosten hyödyntäminen
kuonatarkasteluissa
Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa
Syksy 2015
Teema 8 - Luento 4
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
Tavoite
• Tutustua kuonanmuodostumiseen
metallurgisissa prosesseissa
• Oppia arvioimaan kuonanmuodostumista,
kuonien ominaisuuksia ja käyttäytymistä
tasapainopiirroksia hyödyntäen
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
Sisältö
• Kuonanmuodostuminen
– Yleisesti (Kertausta Teeman 8 1. luennolta)
– Eri prosessivaiheissa (Masuuni, Konvertterit,
Senkkakäsittelyt, Liekkisulatus)
– Miten kuonanmuodostukseen voidaan vaikuttaa?
– Kuonien ja kuonanmuodostuksen tarkastelu
tasapainopiirroksia käyttäen
– Kuonatien käsite
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
Kuonanmuodostus yleisesti:
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 & Pekka Tanskanen, 2015
Kuonanmuodostus yleisesti:
Mistä kuonat muodostuvat?
• Helposti
pelkistyvät oksidit
 Metallifaasiin
• Vaikeasti
pelkistyvät oksidit
 Kuonafaasiin
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
Masuuni
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
Masuuni:
Mistä kuona muodostuu?
• Masuunin raaka-aineet (sintteri, pelletit tai
palamalmi ja koksi) sisältävät epäpuhtauksia
– Sivukivet
– Agglomeroinnissa lisätyt seosaineet
– Malmimineraaliin liuenneet aineet (poistaminen ei
onnistu rikastusteknisesti)
– Tuhka
• Kuonanmuodostajat (kalkki), jolla
koostumus saadaan halutulle alueelle
• Injektoitavan öljyn mukana tuleva rikki
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
Masuuni:
Kuonanmuodostus
• Masuunikuonan muodostuminen alkaa jo
kiinteässä tilassa masuunin yläosissa
–
–
–
–
Raudan oksidien pelkistyminen alkaa
Joidenkin aineiden diffuusio faasien rajapinnoille
Toisten aineiden konsentroituminen residuaaliin
FeO-rikas eutektinen sula = Primäärikuona
• Primäärikuonan koostumus riippuu täysin
siitä, mitä komponentteja on läsnä
– Panosmateriaalit + Kaasut!
– Masuunin yläosissa syntyy useita primäärikuonia,
jotka alasvirratessaan sekoittuvat ja muodostavat
varsinaisen masuunikuonan
Masuuni:
Sintterin primäärikuona
• Sinttereihin lisätään kuonanmuodostajaksi
kalkkikiveä, kvartsia ja oliviinia
• Sintterin metallurgiset ominaisuudet
määräytyvät pitkälle sintrauksessa
syntyneen mineralogian seurauksena.
• Raahen sintraamolla käytetyn sintterin
(CaO/SiO2 = 1,9 - 2,1) päämineraalit olivat
magnetiitti, hematiitti, kalsiumferriitti ja
lasinen kuona.
– Lisäksi forsteriitti (Mg2SiO4) ja larniitti (Ca2SiO4)
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
Masuuni:
Sintterin primäärikuona
• Rauta-wüstiitti -tasapainoon
pelkistetyn sintterin
primäärisulan
koostumuksia
• Kuonanmuodostusta eivät
määrää yksittäiset
mineraalit, vaan keskenään
kontaktissa olevat
mineraalit
Kuva: Tanskanen, Paananen, Huttunen & Härkki. Panama-projektin loppuraportti. Oulun yliopisto. 2005.
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
Masuuni:
Happaman pelletin primäärikuona
• Happamissa pelleteissä
primäärikuona muodostuu
FeO-SiO2-systeemiin,
jossa materiaali on sulaa
jo 1200 C lämpötilassa
• Ongelmana panoksen
sulaminen liian aikaisin
– Tavoitteena kapea ja
mahdollisimman alas
(korkea T) sijoittuva
koheesiovyöhyke
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
• Lisättäessä pellettiin
kvartsin sijasta oliviinia
(Mg2SiO4) pelletin sisään
jäävän primäärisulan
solidus- ja
likviduslämpötilat
nousevat
Oliviini
=
Fe2SiO4-Mg2SiO4-kiinteä liuos
(fayaliitti-forsteriitti)
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
Kuva: Paananen, Ollila, Syrjänen & Mäkikyrö: Malmipohjaisen teräksenvalmistuksen kuonat.
Kuonat prosessimetallurgiassa. POHTO, Oulu. 12-13.4.2011.
Masuuni:
Oliviinipelletin primäärikuona
Koheesiovyöhykkeellä FeO on
hallitseva kuonakomponentti
Pelkistymisen edetessä
FeO-pitoisuus laskee ja
siirrytään pois FeOnurkkauksesta
Jos pelletti ei sisällä
MgO:a, siirrytään kohti
fayaliitin koostumusta
Suuremmilla MgOpitoisuuksilla koostumus
siirtyy kohti forsteriittia
TSol ja TLikv kasvavat
Oliviini = Fe2SiO4-Mg2SiO4-kiinteä liuos (fayaliitti-forsteriitti)
Magnesiowüstiitti: MgO-FeO-kiinteäliuos
Kuva muokattu lähteestä:
Paananen, Ollila, Syrjänen & Mäkikyrö: Malmipohjaisen teräksenvalmistuksen kuonat.
Kuonat prosessimetallurgiassa. POHTO, Oulu. 12-13.4.2011.
Masuuni:
Oliviinipelletin primäärikuona
• TSol ja TLikv nousevat myös
MgO:n liuetessa rautaoksidiin (magnesiowüstiitti)
• Tällöin MgO:ta tarvitaan
enemmän, koska sitä kuluu
magnesiowüstiitin
muodostumiseen ja
fayaliittisen sulan
muodostumisen
hidastamiseen
Oliviini = Fe2SiO4-Mg2SiO4-kiinteä liuos (fayaliitti-forsteriitti)
Magnesiowüstiitti: MgO-FeO-kiinteäliuos
Kuva: Paananen, Ollila, Syrjänen & Mäkikyrö: Malmipohjaisen teräksenvalmistuksen kuonat.
Kuonat prosessimetallurgiassa. POHTO, Oulu. 12-13.4.2011.
Masuuni:
Oliviinipelletin primäärikuona
Masuuni:
Koksin primäärikuona
• Hapan primäärikuona,
joka syntyy tuhkan
mineraaliaineksista ja
kaasusta tulevista
komponenteista
• B = CaO/SiO2 = 0,044
• Ei muodosta itsenäistä
sulaa (FeO puuttuu)
• Muut virtaavat
primäärisulat liuottavat
koksin tuhkan itseensä
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
Masuuni:
Koksin primäärikuona
• Koksauksen maksimilämpötila n. 1050 C
– Tuhkan mineraalit käyneet ko. lämpötilassa
• Koksin tuhka-aines ei muutu juurikaan
ennen koheesiovyöhykettä, kun T < 1050 C
– Kompleksisia mineraaliyhdisteitä
– Kiertävät komponentit (alkalit, rikki) vaikuttavat jo
masuunin yläosissa
• Koheesiovyöhykkeellä ja sen alla mineraalit
hajoavat yksinkertaisimmiksi
– Syinä terminen hajoaminen sekä hiilen ja
höyrystyvien komponenttien kaasuuntuminen
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
Masuuni:
Koksin primäärikuona
• Koksissa hiilen pinnoilla olevat kiinteät tuhkakomponentit vapautuvat koheesiovyöhykkeellä
(jossa hiilestä palaa n. 30 %) ja yhtyvät
sintterin ja/tai pellettien primäärikuoniin
• Koheesiovyöhykkeen ohella koksin tuhkaaineita vapautuu merkittävästi palo-onkaloissa,
joissa hiilestä kaasuuntuu n. 60 %
• Raakaraudan hiilettyminen kuluttaa loput 10 %
koksin hiilestä, jolloin vapautuvat loput koksin
tuhkasta
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
Masuuni:
Mistä kuona muodostuu?
Ilmoitettu kilogrammoina
tuotettua raakarautatonnia kohden
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
Masuuni:
Loppukuonan muodostuminen
primäärikuonista
• Emäksinen sintterin
kuona (S)
• Hapan pelletin kuona
+MgO (P)
• Hapan koksintuhka
+Al2O3 (K)
• Kalkkikivi (Kk)
• Kvartsi (Kv)
• Palamalmi tms. (Pm)
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
Kv
P
K
Pm
Lk
S
Kk
Masuuni:
Kuonanmuodostus
CaO/SiO2
1.14
CaO
39.90
SiO2
34.92
MgO
Al2O3
12.73
TiO2
2.05
S
K2O
1.72
Na2O
0.55
FeO
0.48
MnO
0.21
(V)
0.051
(P)
0.005
(Cr)
0.005
(Ni)
0.004
8.76
0.61
• Masuunin alaosaan muodostuvan
loppukuonan pääkomponentit ovat
CaO, SiO2, MgO ja Al2O3
• Masuunin toiminnan kannalta
koostumus on saatava alueelle, jossa
kuona on täysin sulaa masuunin
alauunin toimintalämpötiloissa
– Laskulämpötila esim. 1350 C tai 1450 C
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
Kuvat: Paananen, Ollila, Syrjänen & Mäkikyrö: Malmipohjaisen teräksenvalmistuksen kuonat.
Kuonat prosessimetallurgiassa. POHTO, Oulu. 12-13.4.2011.
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
Masuuni:
Kuonalle asetettavat tavoitteet
• Kuonan on koottava yhteen faasiin aineet,
joita ei haluta raakarautaan
– Monet oksidit + Rikki
• Kuonan oltava täysin sulaa, jotta se
saadaan laskettua pois masuunista
– Esim. TiO2, CaO, MgO, Al2O3 ja SiO2 omaavat
puhtaina korkean sulamispisteen
 Vaatimukset koostumukselle
• Lopullisen koostumuksen optimointi on
kompromissi tavoitteiden välillä
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
• Rikin kuonautumista voitaisiin tehostaa
emäksisyyttä kasvattamalla, mutta toisaalta
tämä vie kuonaa alueelle, jossa se ei ole
täysin sulaa
80
Rikkijakauma (%S)/%S
70
B2 vs S-jakauma
Power (B2 vs S-jakauma)
60
50
40
30
20
10
0.90
0.95
1.00
1.05
CaO/SiO2
1.10
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
1.15
1.20
Kuvat: Paananen, Ollila, Syrjänen & Mäkikyrö: Malmipohjaisen teräksenvalmistuksen kuonat.
Kuonat prosessimetallurgiassa. POHTO, Oulu. 12-13.4.2011.
Masuuni:
Kuonan koostumuksen optimointi
LD-KG-konvertteri:
Mistä kuona muodostuu?
• Erilaisista terässulan hapettumistuotteet
– FeO, SiO2, MnO ja Al2O3
• Erikseen lisättävät kuonanmuodostajat sekä
fluksit
– CaO, MgO, SiO2, ja CaF2, jne.
• Vuorausmateriaaleista liukenevat oksidit
– SiO2, MgO, CaO, Al2O3, jne.
• Raakaraudan mukana tuleva kuona
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
LD-KG-konvertteri:
Mistä kuona muodostuu?
O2
Kierrätysteräs
Pöly
Zn, Pb
Na, K
Raakarauta
Kuona
Kalkki
Al, Si, V, Zr
Ti, B, Nb
Mn, Cr, S, P
Teräs
Lisäaineet
N2
Cu, Ni, Mo, Sn
Ar
Kuva: Seppo Ollila.
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
LD-KG-konvertteri:
Mistä kuona muodostuu?
• Konvertterikuonan pääkomponentit ovat
CaO, FeO ja SiO2
• Tyypillinen kuonamäärä on 50-100 kg/tte
• Kalkkia lisätään n. 40-60 kg/tte
– Kalkkiylimäärää on vältettävä
•
•
•
CaO
53,6
SiO2
12,2
Liukenematon kalkki ei osallistu reaktioihin
Lisäkustannukset
Heterogeeninen (’vaikea’) kuona
MgO
1,71
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
Mn
2,66
Fe
17,0
S
0,04
V
1,71
P
0,34
TI
0,92
LD-KG-konvertteri:
Kuonanmuodostus
• Rautaa ja piitä hapettuu FeO:ksi ja SiO2:ksi
– SiO2-pitoinen kuona kuluttaa aggressiivisesti vuorausta
• Lisätty kalkki liukenee kuonaan ja nostaa CaOpitoisuutta
– Liukenemista nopeutetaan korkealla lanssilla, jolloin
FeO:a hapettuu enemmän
– Kalkin liuettua lanssia lasketaan (Fe:n pelkistyminen)
• Kuonasta alkaa erkautua 2CaOSiO2:a
– Heterogeeninen kuona
– FeO:n aktiivisuus korkea  Pelkistyminen Fe:ksi
• Metallin C-pitoisuuden laskiessa Fe hapettuu taas
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
Kuva: Paananen, Ollila, Syrjänen &
Mäkikyrö: Malmipohjaisen
teräksenvalmistuksen kuonat.
Kuonat prosessimetallurgiassa.
POHTO, Oulu. 12-13.4.2011.
Kuva: www.steeluniversity.org
Kuva: Turkdogan: Fundamentals of steelmaking.
LD-KG-konvertteri:
Kuonanmuodostus
Koostumuksen muutokset
prosessin aikana voidaan
esittää ns. kuonatien avulla
LD-KG-konvertteri:
Kuonalle asetettavat tavoitteet
• Koota yhteen faasiin mellotuksen
hapetustuotteet (paitsi kaasumainen CO)
• Toimia lämmöneristeenä
• Oltava sula-alueella (ainakin lopuksi)
• Ei kuluta vuorausta liikaa
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
Kuvat: Paananen, Ollila, Syrjänen & Mäkikyrö: Malmipohjaisen teräksenvalmistuksen kuonat.
Kuonat prosessimetallurgiassa. POHTO, Oulu. 12-13.4.2011.
LD-KG-konvertteri:
Kuona puhalluksen lopussa
• Loppukuona on hyvin hapettava
9
8
7
– Olosuhteet eivät suosi rikinpoistoa
•
Emäksisyys hyvä (B > 4), mutta
olosuhteiden tulisi olla myös pelkistävät
Jonkin verran rikkiä kuonautuu
– Senkkaan päätyessään kuona:
•
•
laskee seosaineiden saantia
huonontaa teräksen kuonapuhtautta
• Konvertterikuonaa ei tule päästää
senkkaan
– Ruukilla pneumaattinen kuonanpidätys
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
(S)/[S]
•
6
5
4
3
2
1
0
0
1
2
3
4
5
CaO/SiO2
6
7
8
9
10
LD-KG-konvertteri:
Slag splashing
• Teräksen kaadon jälkeen konvertteriin
jäänyt kuona voidaan roiskuttaa seinille
puhaltamalla siihen typpeä lanssilla
• Kuona tarttuu seinämiin ja jähmettyy
• Jähmettynyt kuona suojaa vuorausta parin
sulatuksen ajan (Uusittava!)
• Menetelmä yleistynyt viime
vuosikymmenien aikana
– Parhaimmillaan voi nostaa vuorausten kestoikää
1500-2000 sulatuksesta aina 30000 sulatukseen
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
Senkkakäsittelyt:
Mistä kuona muodostuu?
• Senkkaan panostettavat kuonanmuodostajat
– Kalsium- ja alumiinioksidipitoiset peitosaineet
• Konvertterikuona
– Määrä pyritään minimoimaan
•
•
•
•
Tiivistyksessä syntyvät deoksidaatiotuotteet
Muut senkassa tapahtuvat reaktiot
Liukeneva vuoraus
Vuorausten pintaan tarttunut edellisten
sulatusten kuona
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
Konvertterin kaato:
1. Konvertterikuona
2. Kuonanmuodostajat
3. Tiivistys- ja seosaineet
4. Tiivistysreaktiot
5. Kuonan pelkistysreaktiot
1, 2, 6
3, 7, 11, 12
9, 10
4, 12
5, 8
Senkkakäsittely:
6. Kuonanmuodostajat
7. Seosaineet
8. Kuona-metalli-reaktiot
9. Vuorauksen kuluminen
10. Edellisen sulatuksen kuona
Jälkitäsmäys:
11. Seosaineet
12. Sulkeumakäsittely
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
Kuva: Syrjänen: Diplomityö. Oulun yliopisto. 2007.
Senkkakäsittelyt:
Mistä kuona muodostuu?
Al-Si -tiivistetyillä:
Al-tiivistetyillä:
CaO
52
49,5
MgO
7,1
6,4
Kuonan CaO/(Al2O3+SiO2)
Al2O3
26,6
31,8
FeO
0,6
2,3
CaO
10
Lukumäärä (kpl)
8
6
4
12
9
9
6
6
3
3
0
46.5 48.0 49.5 51.0 52.5 54.0 55.5 57.0
1.2
1.3
1.4
1.5
CaO/(Al2O3+SiO2)
1.6
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
1.7
0
24.0
25.5
27.0
SiO2
8
28.5
30.0
31.5
33.0
MgO
10.0
6
7.5
4
1.1
Muut
1,6
1,2
Al2O3
12
2
0
MnO
0,6
3,7
Pitoisuus (%), kun Kalkki noin 800 kg ja dolomiittikalkki noin 200 kg
12
Lukumäärä (kpl)
SiO2
11,5
5,1
5.0
2
0
2.5
7
8
9
10
11
12
0.0
6
7
8
9
10
Kuvat: Paananen, Ollila, Syrjänen & Mäkikyrö: Malmipohjaisen teräksenvalmistuksen kuonat.
Kuonat prosessimetallurgiassa. POHTO, Oulu. 12-13.4.2011.
Senkkakäsittelyt:
Mistä kuona muodostuu?
Senkkakäsittelyt:
Kuonakomponenttien jaottelu
Vakaat
Vakauden mukaan:
CaO, MgO, Al2O3, SiO2
Epävakaat
MnO, FeO
Emäksiset
Happamat
CaO, MgO, MnO, FeO
Al2O3, SiO2
Rakenteen mukaan:
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
Senkkakäsittelyt:
Kuonanmuodostus
• Tiivistystuotteet ym.
(esim. Al2O3) omaavat
korkean sulamispisteen
• CaO:n avulla luodaan
sula systeemi
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
Senkkakäsittelyt:
Kuonanmuodostus
• CaO+Al2O3-lisäyksellä lisätään kuonan
kokonaismäärää, jolloin esim. SiO2:n
suhteellinen osuus pienenee
• Dolomiittikalkilla voidaan nostaa kuonan
MgO-pitoisuutta
– Pienempi rasitus MgO-C-vuorauksille
• Metallisen alumiinin lisäys
– n. 1/3 teräkseen (tiivistys)
– n. 2/3 kuonaan (toimii kuonanmuodostajana)
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
Senkkakäsittelyt:
Kuonat IF-laatuja valmistettaessa
• Interstitial free (IF) -teräksiltä vaaditaan
hyvin matalia C- ja N-pitoisuuksia
• IF-teräksille suoritetaan tyhjökäsittely
alennetussa paineessa
– [C] + [O] = CO(g)
– 2 [N] = N2(g)
• Hiilenpoistoreaktio vaatii happea
– Kaadon yhteydessä ei suoriteta tiivistystä
– Kuonakin on hapettava
IF-sulatusten
alkukuona
IF-sulatusten
loppukuona
CaO
46
MgO
6
Al2O3
11
SiO2
4
Fe(tot) Mn(tot)
21
1,6
46
6
36
4
2
1,3
Senkkakäsittelyt:
Kuonat kemiallisessa lämmityksessä
• Terässulaan lisätään alumiinia ja
hapetetaan esim. happipuhalluksella
• Kuonan emäksisyys laskee ja sen
happipotentiaali nousee
• Kemiallisen lämmityksen vaikutuksia kuonan
koostumukseen kompensoidaan
lämmityksen jälkeen kalkinlisäyksellä
Senkkakäsittelyt:
Kuonalle asetettavat tavoitteet
• 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 & Pekka Tanskanen, 2015
AOD-konvertteri:
Mistä kuona muodostuu?
• Mellotuksessa hapettuvat aineet
– SiO2, Cr2O3, FeO, MnO
• Kuonanmuodostajaksi lisättävä kalkki
• Liukeneva vuoraus
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
AOD-konvertteri:
Kuonanmuodostus - Mellotusvaihe
• Piillä on korkein happiaffiniteetti, joten se
hapettuu ensin
• Kalkin lisäys heti mellotuksen alussa
 Kalsiumsilikaattinen kuona
– Tavoitteena kalkin nopea liukeneminen, koska
SiO2 kuluttaa nopeasti doloma-vuorausta
– Tähtäyskoostumus sellainen, että
(CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3) = 1,7
– Liika kalkin käyttö lisää kuonan määrää ja
hidastaa hiilen palamista
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
AOD-konvertteri:
Kuonanmuodostus - Mellotusvaihe
• Piin kuonaannuttua puhellettava happi
jakautuu lähinnä hiilen ja kromin kesken
– Riippuvuus lämpötilasta, metallin koostumuksesta
ja CO:n osapaineesta kaasussa
• Lisäksi raudan ja mangaanin hapettumista
• Hiilen palamisen hidastuessa kromin liiallista
kuonautumista on estettävä vaihtamalla
puhalluskaasu puhtaasta hapesta hapen ja
typen/argonin seokseksi
– O2/Inertti: 100/0, 75/25, 50/50, 33/67 tai 20/80
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
AOD-konvertteri:
Kuonanmuodostus - Mellotusvaihe
• Tyypillinen kuonakoostumus
mellotusvaiheen lopussa:
• Jos Cr2O3-pitoisuus on yli 5 %, se alkaa
erkautua omaksi kiinteäksi faasikseen
– Cr2O3-partikkelit sekoittuvat metallisulaan ja
pyrkivät pelkistymään
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
AOD-konvertteri:
Kuonanmuodostus - Mellotusvaihe
• (Cr2O3) + 3 CO (g)  2 [Cr] + 3 CO2 (g)
• CO2 (g) + [C]  2 CO (g)
Kokonaisreaktio:
• (Cr2O3) + 3 [C]  2 [Cr] + 3 CO (g)
• Kromin kuonautumista pienentävät:
– korkea lämpötila (lämpötilan nostoa rajoittaa
kuitenkin vuorausten kesto)
– matala CO:n osapaine
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
AOD-konvertteri:
Kuonanmuodostus - Pelkistysvaihe
• Pelkistysvaiheessa mellotuksen aikana
kuonaantuneet Cr, Fe ja Mn pelkistetään
FeSi:n tai SiMn:n avulla takaisin metallifaasiin
– Samalla Si tiivistää metallisulan
– Jos pyritään mataliin O-pitoisuuksiin, voidaan
käyttää tiivistysaineena myös alumiinia
• Pelkistysvaiheen kuonasta riippuu
– metallien saanti takaisin metallifaasiin
– rikinpoiston onnistuminen
– tiivistyksen onnistuminen ja teräksen kuonapuhtaus
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
AOD-konvertteri:
Kuonanmuodostus - Pelkistysvaihe
• Pelkistys vaatii juoksevan ja emäksisen kuonan
– Edellytys nopeille pelkistymisreaktioille
– Saadaan aikaan fluspaattilisäyksellä (CaF2)
pelkistysvaiheen alussa (viskositeetti laskee)
– Tähtäyskoostumus sellainen, että
(CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3) = 2,1
• Liika emäksisyys johtaa kuonan jäykistymiseen
• Muita pelkistystä nopeuttavia tekijöitä ovat
tehokas sekoitus, onnistunut tiivistys ja korkea
lämpötila
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
Kuva: Roininen, Kupari & Parviainen: ruostumattoman teräksenvalmistuksen kuonat.
Kuonat prosessimetallurgiassa. POHTO, Oulu. 12-13.4.2011.
AOD-konvertteri:
Kuonanmuodostus - Pelkistysvaihe
AOD-konvertteri:
Kuonanmuodostus - Rikinpoisto
• AOD:ssa voidaan suorittaa myös rikinpoisto
– Kaksikuonapraktiikassa pelkistyskuona poistetaan ja
luodaan uusi emäksinen (CaO ja CaF2) kuona
– Yksikuonapraktiikassa käytetään samaa kuonaa kuin
pelkistysvaiheessa
• Rikinpoistotehokkuus riippuu kuonan happiaktiivisuudesta (suuri emäksisillä kuonilla) ja
metallin O-pitoisuudesta (tulisi olla matala)
• Kuonan on oltava juokseva (kontaktipinta-ala)
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
AOD-konvertteri:
Kuonanmuodostus - Dolomiittikalkki
• Osa kuonanmuodostajana käytettävästä
kalkista voidaan korvata dolomiittikalkilla
– MgO alentaa kuonan viskositeettia ja TLikv:aa
– Juoksevuuden paraneminen ilman CaF2:a
– Vähentää MgO:n liukenemista vuorauksesta
• Ajava voima pienempi (Kuonan MgO-pit. korkeampi)
• CaF2-köyhempi kuonasula ei tunkeudu niin herkästi
vuorauksen huokosiin
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
AOD-konvertteri:
Dolomiitti - tulenkestävän liukeneminen
14% MgO
27 % MgO
AOD-konvertteri:
Kuonalle asetettavat tavoitteet
• Mellotuksessa hapettuvien aineiden
sitominen kuonaan (paitsi CO)
• Ei saa kuluttaa liiaksi vuorausta (oleellista
kalkin nopea liukeneminen alussa)
• Pelkistysvaiheessa kuonan oltava sellainen,
että kromi ja rauta saadaan pelkistettyä
takaisin metallifaasiin
• Tehokas rikinpoisto
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
Kuparin liekkisulatus:
Mistä kuona muodostuu?
• Kuparirikasteessa olevan raudan
hapettuessa syntyvä FeO
• Kuonanmuodostajana käytettävä
kvartsihiekka (SiO2)
• Kuonanmuodostuksen kannalta keskeistä
on raudan ja kuparin erottuminen toisiinsa
liukenemattomiin kuona- ja kivifaaseihin,
joiden tiheydet poikkeavat toisistaan
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
Kuvat: Palosaari: Diplomityö. Oulun yliopisto. 2003.
Kuparin liekkisulatus:
Kuonanmuodostus
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
Kuva: Palosaari: Diplomityö. Oulun yliopisto. 2003.
Liekkisulatus:
Kuonanmuodostus
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
Kuparin liekkisulatus:
Kuonanmuodostus
Kuvat: Palosaari: Diplomityö. Oulun yliopisto. 2003.
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
Kuparin liekkisulatus:
Kuonalle asetettavat tavoitteet
• 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 & Pekka Tanskanen, 2015
Punaisella merkitty raja
kuvaa vaadittavaa minimiSiO2-pitoisuutta, jonka
pohjalta tarvittava
kvartsihiekan määrä
määritetään
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015
Kuva: Palosaari: Diplomityö. Oulun yliopisto. 2003.
Kuparin liekkisulatus:
Kuonalle asetettavat tavoitteet
Kuva: Palosaari: Diplomityö. Oulun yliopisto. 2003.
Kuparin liekkisulatus:
Kuonalle asetettavat tavoitteet
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen & Pekka Tanskanen, 2015