Rautamalmipellettien käyttöön liittyvät rajoittavat ilmiöt masuunissa

Rautamalmipellettejä käytetään raudanvalmistuksen raaka-aineena masuuniprosessissa. Rautamalmipellettien käyttöön masuunissa liittyy erilaisia ilmiöitä, jotka asettavat raudanvalmistusprosessille rajoituksia. Väitöskirjatyössä tutkittiin näitä rautamalmipelletin käyttöön liittyviä ilmiöitä ja pyrittiin lisäämään tietämystä niistä sekä niiden taustalla olevista mekanismeista. Tutkimus suoritettiin kokeellisin menetelmin masuunin olosuhteita jäljittelevillä korkealämpötilauuneilla laboratoriomittakaavassa.

Suurin osa maailmassa valmistettavasta raudasta tuotetaan masuuniprosessilla, jonka pääraaka-aineita ovat rautamalmi (raudan oksidit) ja koksi. Masuuni on kuilu-uuni, johon rautapanosmateriaali ja koksi panostetaan kerroksittain sen huipulta. Masuunissa, jossa rautamalmi panostetaan pelletin muodossa, käytetään yleensä lisäksi kylmäsidottuja brikettejä. Briketöinnin avulla on mahdollista panostaa hienojakeiset rautapitoiset sisäisesti kierrätettävät sivutuotteet takaisin masuuniin.

Koksi on masuunin pääasiallinen polttoaine ja pelkistin ja sen lisäksi käytetään injektoitavia pelkistysaineita, kuten öljyä, maakaasua ja kivihiiltä. Injektoitavat pelkistysaineet syötetään masuuniin sen alaosan hormeilta, joista myös puhalletaan masuunin sisään kuumaa ilmaa. Kuuma ilma muodostaa pelkistysaineiden kanssa reagoidessaan kuumaa reaktiivista kaasua, joka pelkistää raudan oksidit metalliseksi raudaksi ja lämmittää panosmateriaalit virratessaan niiden läpi. Lopputuotteina uunin pohjalle kertyy sulaa rautaa ja kuonaa, jotka lasketaan ulos masuunista.

Panosmateriaali altistuu mekaaniselle, termiselle ja kemialliselle rasitukselle masuunin kuilun olosuhteissa. Masuunin tehokkuuden kannalta on tärkeää, että panosmateriaali säilyttää lujuutensa, jotta se pysyy kaasuja läpäisevänä ja edistää näin reaktioiden etenemistä. Ulkovarastoinnista johtuen rautapanosmateriaalit sisältävät kosteutta vaihtelevissa määrin. Injektoitavien pelkistysaineiden käyttömäärä, rautapanosmateriaalien korkealämpötilaominaisuudet ja niiden vesipitoisuus saavat aikaan masuunissa ilmiöitä, jotka vaikuttavat merkittävästi prosessiin ja asettavat sille rajoituksia.

Väitöstutkimuksen tulokset osoittavat, että injektoitavat pelkistysaineet nopeuttavat osittain reaktioiden etenemistä rautapanosmateriaalissa. Tämä on otettava huomioon suurta pelkistysaineinjektiomäärää käytettäessä. Väitöstutkimuksen tulosten perusteella voidaan pitää todennäköisenä, että rautapanosmateriaalin korkea vesimäärä vaikuttaa masuunin huippukaasun koostumukseen. Teollisessa prosessissa tällä voi olla vaikutusta pelkistävien kaasujen hyväksikäyttöasteen laskentaan sekä masuunin huippukaasun lämpöarvoon.

Väitöstutkimuksessa havaittiin, että rautapanosmateriaalin käyttäytyminen masuunin olosuhteissa on pitkälti riippuvaista sen kemiallisesta koostumuksesta. Masuunin kuilun olosuhteissa rautapanosmateriaalit reagoivat ja käyvät läpi faasimuutoksia, jotka vaikuttavat niiden korkealämpötilaominaisuuksiin. Esimerkiksi rautapanoksen pehmeneminen on teollisen masuunin operoinnin ja tehokkuuden kannalta erittäin merkittävää, koska se vaikuttaa pelkistävien kaasujen läpäisevyyteen rautapanoksessa.