Rautapelletin ominaisuudet masuunia jäljittelevissä olosuhteissa. Selvitys pelkistyvyydestä, turpoamisesta ja pehmenemisestä

Väitöstyössä tutkittiin rautamalmipellettien tärkeimpiä metallurgisia ominaisuuksia – pelkistyvyyttä, turpoamista ja pehmenemistä – masuuniprosessia jäljittelevissä olosuhteissa korkealämpötilakoemenetelmin.

Valtaosa maailman teräksestä tuotetaan yhä masuuni–konvertteri-yhdistelmällä. Masuuniin panostetaan malmia ja koksia kerroksittain vuorotellen. Malmina käytetään yleisesti rautamalmipellettejä ja/tai sintteriä. Masuunissa raudanoksidit pelkistetään hiilimonoksidin ja vedyn avulla. Pelkistäminen tarkoittaa hapen poistamista, jolloin happea sisältävistä raudanoksideista jää lopulta jäljelle ainoastaan metallinen rauta. Pelkistyessään rautapelletit saattavat turvota masuunin yläosissa kuilun alueella. Korkeissa lämpötiloissa yleensä lämpötilavälillä 1200–1350 °C malmikerros pehmenee, menettää kaasunläpäisevyytensä ja lopulta sulaa. Sula rauta ja kuona lasketaan aika ajoin masuunista ulos. Laboratoriotestaus on ensiarvoisen tärkeä keino valvoa ja kehittää panosmateriaalien laatua.

Väitöstutkimuksessa rautapelletin tärkeimpiä ominaisuuksia testattiin laboratoriossa uudella koeohjelmalla, jolla voidaan jäljitellä masuunissa vallitsevia olosuhteita tarkemmin kuin standarditesteissä. Muun muassa ISO standardien mukaiset pelkistyvyys-, turpoamis- ja pehmenemistestit tehdään vakioidussa lämpötilassa ja kaasukoostumuksessa, vaikka masuunissa olosuhteet muuttuvat merkittävästi panoksen vajotessa alaspäin. Lisäksi pelletin turpoamistutkimuksia varten kehitettiin kamerakuvausmenetelmä, jolla näytemateriaali nähdään visuaalisesti korkealämpötilakokeen ajan ja näin pelletin tilavuuden muutos voidaan määrittää pelkistymistapahtuman aikana. Turpoamistestit vakioiduissa olosuhteissa osoittavat, että isotermiset testit eivät anna realistista kuvaa materiaalin käyttäytymisestä masuunissa. Tämän vuoksi väitöstyön tekijä kehottaa suosimaan dynaamisia prosessiolosuhteita jäljitteleviä kaasukoostumus-lämpötila-ohjelmia standarditestien sijaan.

Lisäksi väitöstyössä arvioitiin masuunin rautapanosmateriaalien korkealämpötilaominaisuuksiin vaikuttavia tekijöitä sekä kokeellisin menetelmin että termodynaamisin laskelmin. Yhdelläkään tutkitulla pellettilaadulla ei havaittu sintterin veroisia korkealämpötilaominaisuuksia pehmenemistestissä. Monikomponenttisysteemien faasipiirrosten tarkastelu rautapanosmateriaalin lähtökoostumuksella todettiin toimivaksi menetelmäksi arvioida panosmateriaalin pehmenemiskäyttäytymistä.

Termodynaamiset laskennat antavat ymmärtää, että rautapanosmateriaalin pehmenemisominaisuuksia voidaan parantaa muuttamalla kemiallista koostumusta – joko vähentämällä SiO2:n osuutta, lisäämällä MgO:n osuutta tai lisäämällä CaO:ta sopiva määrä SiO2:n osuuteen nähden. Väitöskirjan tuloksia soveltamalla masuunipelletin laatua voidaan kehittää ja parantaa masuuniprosessin tehokkuutta.