Valokaaren karakterisointi ja uuniprosessien seuranta optisella emissiospektroskopialla ja kuva-analyysillä

Tutkimalla kierrätysmetallipohjaisen teräksentuotannon pääyksiköiden, valokaari- ja senkkauunien, sähköpurkauksen eli valokaaren valoa voidaan sulatusprosessista saada uutta tietoa. Tässä väitöstyössä valokaaren valoa on mitattu optisella emissiospektroskopialla (OES), jolla on potentiaali toimia paljon kaivattuna reaaliaikaisena avusteena prosessikontrollissa. Teollisessa mittakaavassa sillä olisi mahdollista parantaa mm. raaka-aine- ja energiatehokkuutta.

Vuodelle 2050 asetetut hiilidioksidipäästövähennykset tulevat lähes väistämättä merkitsemään terästeollisuudelle siirtymistä rautamalmipohjaisesta masuuniprosessista sähköiseen teräksentuotantoon valokaari- ja senkkauuneissa. Näissä uuneissa kierrätettyä metallia ja vetypelkistettyä rautasientä sulatetaan suurenergisellä sähköpurkauksella, valokaarella, jonka valo sisältää suunnattoman määrän informaatiota.

Väitöstutkimuksen merkityksen pääpaino on reaaliaikaisen prosessikontrollin kehittämisessä OES:llä, jolla mitataan valokaaren ja sulapinnan emittoimaa valoa. Valokaari muodostaa plasman, jossa yhdisteet hajoavat sekä varautuneiksi että neutraaleiksi atomeiksi ja molekyyleiksi. Plasman energia virittää hiukkasia saaden ne emittoimaan valoa eli fotoneita hiukkaselle ominaisilla aallonpituuksilla. Fotonien aallonpituuksien avulla voidaankin valon spektreistä tunnistaa atomit ja molekyylit sekä arvioida mm. plasman ja sulapinnan lämpötilaa, plasman koostumusta ja atmosfäärin vaikutusta spektreihin.

Pilottiskaalan uunin valokaaren karakterisointi OES:llä ja kuva-analyysillä on auttanut ymmärtämään valokaaren käyttäytymistä sulatusprosessin aikana ja kuonan suuri vaikutus valokaaren ominaisuuksiin on yksi tutkimuksen päätuloksista. Teollisissa mittauksissa spektreistä voidaan puolestaan havaita kuonakuohumisen vaikutus, panosmateriaalin ja sulan lämpötilan kehitys sekä arvioida kuonan koostumusta. Teolliset mittaukset ovat osoittaneet, että OES soveltuu myös teollisuuden prosessien tutkimiseen.