KOKSIN OMINAISUUDET MASUUNIN OLOSUHTEISSA

1

Juho Haapakangas CASR vuosiseminaari 2016

7.12.2016

Selvitys koksin kuumalujuudesta, reaktiivisuudesta ja reaktiomekanismista

7.12.2016

2

MASUUNIPROSESSI

7.12.2016

3

METALLURGINEN KOKSI

• Valmistetaan kuivatislaamalla kivihiiltä

• Ominaisuudet •  Korkea hiilipitoisuus •  Vähän haihtuvia aineita •  Mekaanisesti vahvaa •  Raekoko n. 20-50 mm •  Huokoisuus n. 50% •  Säilyy kiinteänä masuunin

korkeissa lämpötiloissa

7.12.2016

4

KOKSIN ROOLIT MASUUNISSA

1. Rakenteellinen tukimateriaali, säilyy kiinteänä 2. Lämpöenergian lähde 3. Rautaoksidien pelkistäjä ja pelkistyskaasun (CO) raaka-aine 4. Raudan hiilettäjä Tärkeimmät laatuvaatimukset:

•  Korkea mekaaninen lujuus •  Alhainen reaktiivisuus

7.12.2016

5

KOKSIN LAADUN MERKITYS •  Koksin laatu vaikuttaa masuunin

toimintaan ja tehokkuuteen •  Laatu ja analyysimenetelmät yhä

tärkeämpiä •  Primäärihiilien ehtyminen •  Koksin panostuksen väheneminen •  CO2 päästöjen vähennys (biomassan

potentiaalinen käyttö) •  Uudet koksiseokset (esim. muovien

käyttö)

•  Tarkat analyysit = taloudelliset hyödyt

7.12.2016

6

KOKSIN LUJUUSMITTAUS TEOLLISUUDESSA

Teolliset koksin laatuanalyysit: •  Rumpulujuusindeksit •  Reaktion jälkeinen lujuus (CSR)

•  Lujuustestit tehdään huoneenlämpötilassa

=> Ei menetelmää mitata lujuutta korkeissa lämpötiloissa

Masuuni: •  Lämpötilat yli 1400 °C alaosissa,

jopa yli 2000 °C hormeilla

7.12.2016

7

KOKSIN REAKTIIVISUUS TEOLLISUUDESSA

Teolliset koksin reaktiivisuusmittaus (CRI): -  Suoritetaan 100% CO2 kaasussa -  Poikkeaa voimakkaasti masuunin sisällä

vallitsevasta kaasuatmosfääristä -  Ei huomioi toisen kaasuttavan

komponentin vesihöyryn vaikutusta

Masuuni - Kaasu koostuu pääosin seuraavista komponenteista: N2, CO, CO2, H2, H2O

7.12.2016

8

VÄITÖSKIRJAN TAVOITTEITA

Ø  Tutkia soveltuuko Gleeble 3800 termomekaaninen simulaattori kuumalujuuden mittaukseen

Ø  Tuottaa tietoa koksien kuumalujuuksista ja muodonmuutoksesta

Ø  Selvittää miten vety ja vesihöyry vaikuttavat koksin reaktiivisuuteen, kaasuuntumisen kynnyslämpötilaan ja reaktiomekanismiin

Ø  Tutkia ennustaako teollinen CRI testi koksin reaktiivisuutta masuunin olosuhteissa

7.12.2016

9

TUTKITUT ILMIÖT

K o k s i n kaasuuntuminen masuunin kuilussa (Julkaisut I ja V)

1100 °C

900°C

1500 °C

2000 °C

1500-1600 °C

1400 °C

Koksin kuumalujuus (Julkaisut II, III ja IV)

Koksikerros

Rautamalmikerros

Terminen reservivyöhyke

Koheesiovyöhyke

Koksin kuumalujuus (Gleeble 3800)

•  Yhteistyönä materiaalitekniikan ja

prosessimetallurgian välillä

•  Laitetta ei aiemmin käytetty koksin

kuumalujuuden tutkimukseen

•  Näytteiden kuumennus sähkövirralla

•  Voidaan käyttää inerttiä kaasua tai

vakuumia

•  Koksin kuumalujuutta mitattiin aina

1750 °C lämpötilaan

•  N. 50 kuumalujuuskoetta päivässä

7.12.2016

10

Kuumalujuustuloksia

Lämpötila [°C] Näytemäärä Lujuus [MPa] Keskihajonta [MPa]

0 50 16.62 7.56

1000 51 15.14 7.41

1200 50 16.25 5.84

1400 19 13.75 4.31

1600 52 12.21 3.60

1750 50 10.73 3.34

Ennen 33% puristuksen jälkeen

Muodonmuutos muuttui täysin hauraasta osittain plastiseksi1750 °C

7.12.2016

11

Koksin kemiallinen reaktiivisuus

Termogravimetriuuni (TGA):

•  Pystytoiminen kuilu-uuni

•  Lämpötilan ja kaasujen ohjaus

tietokoneella

•  Jatkuva näytteen massanmittaus

•  Simuloidaan masuunin kuilun olosuhteita

•  Kaasut: N2, CO, CO2, H2, H2O

•  Maksimilämpötila 1500 °C

•  Pienet näytemäärä (1-2 g tai vähemmän)

•  Kehitettiin uusi menetelmä koksin reaktiivisuuden mittaukseen

•  Erona teolliseen CRI-testiin: käytetään kaikkia tärkeimpiä masuunin kuilun

kaasukomponentteja todenmukaisissa suhteissa

7.12.2016

12

Teollisen CRI testin toimivuus

•  H2 ja H2O kaasujen läsnäolo kasvatti

merkittävästi kaikkien koksien

reaktiivisuutta

•  Seitsemän koksilaadun reaktiivisuus ei

suoraan korreloinut CRI-test in

o l o s u h t e i s s a j a s i m u l o i d u s s a

masuunikaasussa

•  Maailmalla yleisesti käytetty CRI testi

ei ennusta tarkasti koksin

reaktiivisuutta masuunissa

7.12.2016

13

Reaktiomekanismi ja reaktion jälkeinen lujuus

Masuunisimulaattori: •  Pystytoiminen kuilu-uuni, maksimilämpötila 1100 °C

•  Kaasujen ja lämpötilan ohjaus tietokoneella

•  Jatkuvatoiminen näytteen massanmittaus

•  Kaasut: N2, CO, CO2, H2, H2O, myös S2 and K

•  Suuremmat näytemäärät verrattuna TGA (~100 g)

•  Näyte voidaan kuvata kokeen aikana (esim. rautamalmien

turpoamiskokeissa)

•  Koksin kaasuuntumista tutkittiin masuunisimulaattorilla

•  Arvio muodostettiin reaktiomekanismista (pintakeskinen/gradientti/läpikoitaisin)

•  Hienoaineksen muodostumista mekaanisen rasituksen alla mitattiin

7.12.2016

14

7.12.2016

15

KIITOS!

KYSYMYKSIÄ?