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