koksin tutkimus ja analysointimenetelmät ruukki metals:ssa · vaikutus pellettien ja koksien...

Koksin tutkimus ja analysointimenetelmät Ruukki Metals:ssaOlli MattilaKoksiseminaari Oulun yliopisto 23.5.2012

29.5.2012 www.ruukki.com | Olli Mattila | KOKSISEMINAARI 20123

Sisällys

• Yleistä koksista ja sen ominaisuuksista• Koksille tulevat rasitteet Ruukilla• Koksin standardilaatutestit

– Kokojakauma– Irsid– Micum– CSR & CRI– Kemiallinen koostumus

• Koksin tutkimusvälineet ja kohteet– SEM– Kuva-analyysi

• Kivihiilten koksautuvuuden tutkimusvälineet– Koekoksaus, dilataatio, Fluiditeetti, FSI,

GrayKing, Hardgrove, petrografia• Eri koksijakeiden hyödyntäminen• Yhteenveto


Yleistä koksista ja sen ominaisuuksista

• Koksi ja sen ominaisuudet ”optimoidaan”– Käyttökohteessa merkityksellisten rasitteiden ja– Käyttökohteeseen kuljettamisen aikana kohdistuvien rasitteiden

kompromissina

Kuljetuksen aikaiset laatupoikkeamat nähdään usein suoraan silmillä (hienoainekset, pölyongelmat), mutta prosessien sisäiset laatupoikkeamat hankalampia erottaa

• Rasitteita simuloidaan kutakin rasitetyyppiä varten kehitetyllä mittausmenetelmällä => ”laatutestit”

• Testitulosten tulkinnassa tulee muistaa mitä rasitetta mikäkin testi kuvaa!

• Uuden tiedon kehittymisen myötä laatutestejäkin tulee aika ajoin virittää noudattamaan paremmin sen simuloimaa rasitetta!

– Esim:RFCS EN23748. New characterisation tests of the coke behaviour at high temperature. 2009.


Koksille tulevat rasitteet-lämpöshokit ja mekaaniset rasitteet

2,50 m

BF 1Coke Silo

44.1

Shaker

Coke Plant

H60 (1200 m)

H61 (110 m)

2,00 m + 4,00 m

Hand sampling

44 (55 m)

3,70 m

2,50 m

H3

4,20 m

32(35 m)

2,00 m2,00 m

32A

2,50 m

3,50 mHand

sampling

Shaker

4,00 m

3,00 m

5,00 m

Automatic sampling

Koksi putoaa: 37.5 m

Dry quenching

Kuljetusten aiheuttamat rasitetyypit:

Iskumaiset Kappalekoko

Hiertävät Hienoaines

Uunin tyhjennyksen ja sammutuksen aiheuttamat rasitteet:

Lämpöshokki Säröjä

Palaminen Hävikkiä

Kuva: O.Kerkkonen 2006

Kuva: Koksaamon esittelymateriaali


Koksille tulevat rasitteet

• Kuljetuksen aiheuttamat mekaaniset rasitteet merkittäviä myös muualla

Taulukko: Research Report #693300/0060/RR/07


Koksille tulevat rasitteet

• Seurauksena kuljetusten aiheuttamasta rasitteesta mm. hienoaineksen määrän kasvu loppukäyttökohteessa

Kuva: O.Kerkkonen 2006

Irsid 10 ”Laatutesti”

Masuuneilla seulottu hienoaines


Koksille tulevat rasitteet loppukäyttökohteessa Case: Masuuni

• Masuuni prosessina tarjoaa uniikkeja rasitteita, joita koksin täytyy kestää ”riittävästi”

Kuva: Hearth efficinecy – Final report

Lähtötila

Masuunista läpitullut koksi

Kuva: McMaster 1989


Koksin standardilaatutestit- Kokojakauma

• Tuotetun koksin kokojakaumaa mitataan säännöllisesti

• Pellettiajon myötä keskusteluissa on ollut kokojakauman ja keskimääräisen kappalekoon vaikutus pellettien ja koksien sekoittumistaipumukseen.

Laatuvaatimukset eivät ole vakioita

• Kappalekokojakaumissa eroja pellettimasuunien kesken mm FNSteel

Kuva: Ruukki esittelymateriaali


Koksin standardilaatutestit- Kokojakauma

• Esimerkki koksin kokojakaumasta

Koksin kappalekokojakauma

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

80.0 63.0 40.0 20.0 10.0 0.0

Kappalekoko [mm]

Mää

rä [%

]


Koksin standardilaatutestit- Irsid & Micum indeksit (ISO 556-1980)

• Irsid –ja Micum testillä mitataan koksin kylmälujuutta (ts kuljetus- ja käsittelykestävyyttä)

– Hienoaines (alle 10 mm kuvaa kappaleiden hiertymisen kestoa

– Yli 40 mm kuvaa kappaleiden särörakennetta

• Rumpua pyöritetään Micum testissä 100 ja Irsid testissä 500 kertaa. Jonka jälkeen näyte seulotaan.

• Indeksit I10 ja M10 = 10 mm seulan alitteen määrä-%

• Indeksit I40 ja M40 = 40 mm seulan ylitteen määrä-%

Testiin valitaan näyte tuotantoa edustavasti (kokojakauma)

Lähtökohtaisesti erilaisen kokojakauman omaavat koksit tuottavat erilaisen tuloksen vaikka koksissa itsessään ei olisi mitään eroa!!


Koksin standardilaatutestit- Irsid & Micum johdannainen stabiilisuustesti

• Periaate sama, kuin rumputestillä, mutta jatketaan pidemmälle seuloen aina välillä.

• Tuloksena saadaan mm. ”stabiilisuusarvo” joka kuvaa säröttömän koksikappaleen keskimääräistä kappalekokoa (leikkauskohta y-akselilla) suhteessa tuotetun koksin keskimääräiseen kappalekokoon

Number of Revolutions

0 500 1000 1500 2000 2500

Mea

n C

oke

Size

^-2*

10-4

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

Kuva: Research Report #693300/0060/RR/07


Koksin standardilaatutestit- CSR & CRI (ASTM D5341-99)

• Approksimoi masuunin kuilussa koksiin kohdistuvaa kemiallista ja mekaanista rasitetta.

1. Koksia murskataan ja seulotaan -22,4+19.0 mm testiin 200g

2. Uunin lämpötila 1100 C3. Kaasutus 100% CO2 & 120 min &

5l/min4. Kaasuuntunut massa-% = CRI


Koksin standardilaatutestit- CSR & CRI (ASTM D5341-99)..

• Approksimoi masuunin kuilussa koksiin kohdistuvaa kemiallista ja mekaanista rasitetta.

1. Kaasutuksesta saatu näyte laitetaan sylinteriin

2. 600 pyöräytystä 30 minuutissa3. Seulonta 9,5mm seulalla4. 9,5 mm ylitteen %-osuus

kaasutuksen jälkeisestä massasta = CSR

• Samanaikaista kaasutusta ja rummutusta tutkittu mm. Esim:RFCS EN23748


Koksin standardilaatutestit - Kemiallinen koostumus

• Koksin kemiallinen koostumus jatkuvassa seurannassa• Räätälöity raudan- ja teräksenvalmistuksen tarpeisiin• Kemiallinen koostumus luonnollisesti peräisin kivihiilten

koostumuksesta• Seurattavia asioita mm.

– Tuhkapitoisuus => yleinen lämpöarvo, kuonanmuodostus– Haihtuvapitoisuus => riittävä koksausaika, lämpöjakauma– Masuunille kriittiset aineet S, alkalit, SiO2 jne.. => kiertokuormat– Teräksenvalmistusketjussa tärkeät laatuun vaikuttavat

alkuaineet Cr, V, P,… => koostumustähtäys


Koksin standardilaatutestit- Kemiallinen koostumus..

• Esimerkki tuotannon seuraamista analyyseistä

• Koksilla on mitattujen ominaisuuksien lisäksi ”ääretön” määrä muita ominaisuuksia, joiden merkitys muissa kohteissa on teräksenvalmistusta suurempi esim.

– Sisäiset ominaisuudet: sähkönjohtavuus, mikrohuokoisuus tuhkajakauma, haihtuvapitoisuus jne

– Ulkoiset ominaisuudet: bulkkitiheys, muoto, vierintäkulma jne.


Koksin tutkimusvälineet ja kohteet

• Pääpaino koksitutkimuksessa on evaluoida sen toimintaa masuunissa joko

– Selvittämällä koksin käyttäytymisen parannusmahdollisuuksia raaka-ainevalinnoilla (kivihiilet) tai

– Selvittämällä muuttuvan raaka-ainepohjan mahdollisia haittaavia vaikutuksia sen käyttäytymiseen prosessissa.

• Näitä voidaan selvittää mittaamalla – koksia standardilaatutestein ja/tai – seuraamalla prosessin vastetta

muutokselle.

Kuva: Horna hormikaira - Ruukki Metals


Koksin tutkimusvälineet- SEM

• Kemialliset analyysit joko pistemäisistä kohteista tai alueista

– Mahdollistaa koksin lähtömineraalien muuttumispolun määrittämisen prosessissa

– Mineraalit hiilimatriisin ympäröimiä -> lämpötila ja aika määräävät muutokset

– Masuunissa koostumusta muuttavat myös

• kiertävät komponentit • Kuona/metallitunkeuma

Kuva: Hearth efficiency


Koksin tutkimusvälineet- Kuva-analyysi

• Edellyttää pintahiettä ja soveltuvaa mikroskooppia

– Polarisaattori, analysaattori– Lambda-levy

• Kuvasta saatavaa tietoa on mm. – huokoisuus, huokosmuodot– tekstuurit, – inerttien jakauma ja

”kiinnipysyvyys”, – Särörakenne– Koksin sisäinen reagointi– Tuhkan sulaminen


Kivihiilten koksautuvuuden tutkimusvälineet

• Erottamaton osa koksintutkimusta• miten kivihiilten eri ominaisuudet

vaikuttavat valmistettavan koksin ominaisuuksiin niiden koksautuvuuden kautta

• Eri kivihiilten sekoittaminen sopivassa suhteessa on oma ”tieteensä” johon tässä ei tarkemmin syvennytä.

– Mahdollistanut siirtymisen yksittäisestä koksautuvasta kivihiilestä halvempien yhdessä toistensa kanssa koksautuvien hiilten käyttöön

Kuva: P.Arendt 2003

Hiilivetyjen kulkeutuminen koksauksessa

Vesihöyryn kulkeutuminen koksauksessa



• Kivihiilten koksautuvuutta mitataan useilla toisiaan tukevilla menetelmillä

– Koekoksaus, dilataatio, Fluiditeetti, FSI, GrayKing, Hardgrove, petrografia, raekokojakauma

• Antaa tietoa kuinka hyvin ja missä lämpötilassa eri kivihiililaadut plastisoituvat, tarttuvat toisiinsa ja jähmettyvät

• Tekniset mittaukset: kosteus, haihtuvat aineet, tuhka- ja hiilipitoisuus sekä kemialliset määritykset tuhkakomponenteista, raskasmetalleista yms.

– Vaikuttavat prosessiketjun myöhempiin osiin ja– Koksin valmistettavuuteen (koksauspaine yms)

Kuva: Rouzaud -94Kuva: Kashiwaya -91Kuva: Mattila -05




• Koekoksaus– 7kg panos, 8% kosteus– Uunin asetuslämpö 1100C– Panostuslämpö 800C– Purkulämpö 1010C– Sammutus N2

• Kehitetty laatuindeksi ”SOK”=”Sauli-Olavi-Kari”

• Koeuunin dimensiot ja koksausajat poikkeavat tuotantouunista => eroavaisuus ”normaaleissa” laatuindekseissä




• Dilataatio ISO 349:1975, ISO 8264:1989(E) ja DIN 51739

– Mitataan tietyllä paineella kuormitetun hiilipuristeen pituuden muutosta lämpötilan funktiona jatkuvassa kuumennuksessa kontrolloiduissa olosuhteissa. => DT1 (=pehmenemislämpötila), DT2 (=kutistuman maksimi lämpötila), DT3 (=laajentuman eli dilataation maksimi lämpötila), CON (kutistumaprosentti) ja DIL (dilataation maksimi prosentti).

• Fluiditeetti ASTM 2639-74

– Mitataan vakiovääntömomentin omaavan sekoittimen pyörimisnopeutta lämmitettäessä kivihiiliseosta vakionopeudella => Max rpm, pyörimisen alkamis- ja loppumislämpötilat




• FSI (free swelling index) ISO 501-1981, DIN 51741

– Mittaus tapahtuu kuumentamalla näyte nopeasti 820 ± 5 °C lämpötilaan suljetussa upokkaassa. Tällöin koksautuva hiili tulee plastiseksi ja paisuu. Paisumisluvun arvo (0 - 9) määritetään vertaamalla syntyneen koksausjäännöksen profii-lia standardiprofiileihin.

• GrayKing ISA 502 – 1982

– Hiilinäyte kuumennetaan hitaasti, 5 °C/min, aloituslämpötilasta 325 °C loppulämpötilaan 600 °C. Muodostunut koksikakku arvostellaan visuaalisesti ja kokeellisesti. Jos hiili on voimakkaasti paisuva ja täyttää koko retortti-putken, määritys uusitaan seoksella, johon on lisätty tietty grammamäärä standardi -elektrodihiiltä. Näillä hiilillä GRAY-KING -tyyppi määritetään tarvittavan pienimmän elektrodihiilimäärän mukaan, jolla aikaansaadaan standardikoksi G.



• Hardgrove ISO 5074-1980

– Testissä vertaillaan raekokojakautumaa, joka saadaan murs-kaamalla tietty määrä testattavaa kivihiiltä standardilait-teessa raekokojakautumaan, joka on saatu murskaamalla tunnettuja kalibrointihiiliäsamoissa olosuhteissa samassa laitteessa. => mahdollistaa jauhatuslinjan valinnan hiililaatujen mukaan jos se tuotannossa muutoin on mahdollista

• Petrografia– kivihiilen mikroskooppisen rakenteen analysointia

valomikroskoopilla– Luokittelu heijastuskyvyn mukaan vitriniitit, liptiniitit,

inertiniitit• Peräisin eri osista kasveja• omaavat erilaiset koksautumisominaisuudet



Eri koksijakeiden hyödyntäminen Koksaamon sivutuotteet

• Masuunin käyttämän priimakoksin lisäksi syntyy jakeita seulonnoista ja karisteista

• Osa sivujakeista voidaan hyödyntää masuunissa, mutta osaa ei.


Eri koksijakeiden hyödyntäminen

Kohde:– Senkkojen lämmitys

– Hiiliseostus

– Sintraamo

Laatuvaatimus:– tasakokoinen, ilmassa palava

– Vedytön (kuiva), rautaan liukeneva, pieni tuhkapitoisuus

– Palaa ilma-atmosfäärissä, raekoko pieni(vakio), haihtuva-ainespitoisuus kontrolloitu

Kuivia tasalaatuisia jakeita”puolikoksia” muutama perusjae

Uudet käyttömahdollisuudet


Yhteenveto

Koksin tutkimus- ja analysointimenetelmät:- Painottuneet Ruukilla ”omien tarpeiden” mukaan

- Masuunin ominaisuusvaatimukset- Käsittelyiden asettamat vaatimukset- Valmistettavuuden asettamat vaatimukset

- Testit ja mitattavat ”laatuarvot” simuloivat raudanvalmistuksessa tulevia rasitteita.

- Jokaiselle käyttökohteelle määrättävä omat kriittiset ominaisuudet, jonka koksi/hiili tulee täyttää

Testit räätälöitävä käyttökohteen tarpeita simuloiviksi!

koksin tutkimus ja analysointimenetelmät ruukki metals:ssa · vaikutus pellettien ja koksien...

Documents