Vaihtoehtoisia syötteitä hyödyntävien rautapanosmateriaalien metallurgiset ominaisuudet masuunissa. Sivujaebriketit, biohiili ja vetyinjektio

Vaikka vetypohjainen teräksenvalmistus herättää kasvavaa kiinnostusta, terästä tullaan vielä pitkään valmistamaan koksiin perustuvan masuuniprosessin kautta, sillä nykyinen masuunikapasiteetti on merkittävä eikä uusiutuva energia riitä tarvittavan vihreän vedyn tuottamiseen. Ilmastotavoitteiden puitteissa on tarkasteltava menetelmiä, joilla masuuniperäisiä raudanvalmistuksen ympäristövaikutuksia voidaan lieventää. Tämä väitöskirja käsittelee niistä kolmea.

Tutkittavina olivat ruuvipuristusmenetelmällä sivujakeista valmistetut itsepelkistävät briketit, vedyn ruiskuttaminen masuuniin sekä biohiilen käyttäminen pelkistimenä briketeissä. Kutakin menetelmää arvioitiin käyttäen yhtä tai useampaa seuraavista kolmesta lähestymistavasta: (1) syötettävän rautapanosmateriaalin hajoamisen ja siitä seuraavien energiatehokkuuden laskun ja prosessinajo-ongelmien välttäminen, (2) luonnonvarojen säästäminen materiaalin läjittämistä välttäen sekä (3) fossiilisten syötteiden korvaaminen.

Tutkimuksessa jäljiteltiin masuuniprosessia laboratoriokokein 1100 °C:een asti kolmella erilaisella laitteistolla, jotka mahdollistivat testibrikettien ja kaupallisten rautamalmipellettien korkealämpötilaominaisuuksien tarkastelun sekä dynaamisilla että isotermisillä tietokoneohjatuilla ohjelmilla. Kokeissa tutkittiin painonalenemaa termogravimetrisella analyysillä sekä pelkistyvyyttä, turpoamista, halkeilua ja huokoisuuden muutoksia. Lisäksi suoritettiin mekaanisia lujuuskokeita ja altistettiin näytteitä samanaikaisesti sekä pelkistäville olosuhteille että fyysiselle kuormitukselle todellisessa prosessissa käytettävän rautapanoksen simuloimiseksi.

Brikettejä varten ei ole olemassa standardisoituja kokeita, mutta väitöskirjassa esitettyjen koetulosten perusteella ruuvipuristetut briketit ovat käyttökelpoisia, ja niissä käytettävästä hiilestä kolmannes on korvattavissa biohiilellä. Masuunikäyttö vaatii kuitenkin huolellista optimointia mekaanisen lujuuden ja itsepelkistävän vaikutuksen välillä tuottavuuden maksimoimiseksi ja ajo-ongelmien välttämiseksi. Voidaan myös todeta, että käytetyt dynaamiset koeohjelmat antavat pelletin pelkistyksenaikaisesta puristuslujuudesta tietoa, jota ei voida saada standardisoiduista kokeista. Vedyn ruiskutus puolestaan kiihdyttää huomattavasti pelletin pelkistymistä korkeissa lämpötiloissa (900–1100 °C), mutta jo 700 °C:ssa syntyvällä vesihöyryllä voi olla hapettava vaikutus materiaalin pinnalla, mikä päin vastoin hidastaa pelkistystä merkittävästi.