Vähähiilisempää terästuotantoa valokaariuunilla

Ilmastoystävälliset teräksen tuotantotavat, vetypelkistys ja teräksen kierrättäminen, edellyttävät valokaariuunin käyttöä. Oulun yliopisto ratkoo valokaariuunin kehityshaasteita yhteistyökumppaniensa kanssa.

Perinteinen teräksen tuotantotapa on ns. masuunireitti: rautamalmi pelkistetään ja sulatetaan masuunissa koksia käyttäen. Koksi palaa tuottaen energiaa, ja rautamalmi pelkistyy kun hiili ja hiilimonoksidi sitovat rautaoksidien hapen. Samalla syntyy suuri määrä hiilidioksidia. Esimerkiksi SSAB:n Raahen-terästehdas aiheuttaa 7 prosenttia Suomen hiilijalanjäljestä.

Ilmastonmuutoksen hillintä onkin luonut painetta vähähiilisempään terästuotantoon. Keinoina ovat mm. vetypelkistys, jossa pelkistäminen tapahtuu hiilen sijasta vedyllä, sekä teräksen kierrättäminen. Vetypelkistys onnistuu kiinteässä olomuodossa, ja sivutuotteena syntyy vettä. Kierrätysteräs on puolestaan valmiiksi metallisessa muodossa eikä sitä tarvitse pelkistää.

Koska näissä tuotantoreiteissä ei tarvita hiiltä, masuunin sijasta niissä käytetään valokaariuunia, jossa kierrätysromu tai vetypelkistetty ns. rautasieni sulatetaan uunissa sähkövirran tuottamalla valokaarella. Valokaariuunien osuuden terästuotannossa odotetaankin kasvavan. Esimerkiksi Kiinassa niillä tuotetaan tätä nykyä vain kymmenisen prosenttia teräksestä, mutta kierrätysteräksen määrä ja vastaavasti valokaariuunien tarve lisääntyy siellä jatkuvasti. Suomen terästuotannosta kierrätysteräkseen pohjautuvaa on hieman vajaa puolet.

Valokaariuunit, kierrätysteräs ja vetypelkistys ovat avainasemassa myös SSAB:n suunnitelmassa tuottaa fossiilivapaata terästä vuodesta 2026 alkaen.

Uusi mittausmenetelmä analysoi valokaaren valoa

Oulun yliopiston Terästutkimuskeskus CASR:ssa valokaariuuniprosessi on ollut keskeinen tutkimuskohde jo kymmenkunta vuotta. Valokaariuunin kehityshaasteita ratkotaan myös yliopiston ja teräsalan yritysten oululaisessa ”ekosysteemissä” sekä valtakunnallisessa Alustatalous metallinjalostuksessa (AMET)-hankkeessa, joka kokoaa yhteen niin akateemisia tahoja kuin pk- ja suuryrityksiäkin.

Yksi tärkeimmistä ratkaisuista on uudenlainen mittaustekniikka, jonka avulla voidaan seurata reaaliaikaisesti, mitä valokaariuunissa sulatuksen aikana tapahtuu. Erityisen tärkeää on tietää, milloin uuniin panostettu kierrätysteräs on sulanut: kierrätysteräs on tiheydeltään ja koostumukseltaan moninaista irtokappaletavaraa, minkä vuoksi sulatusaika vaihtelee.

”Ja kun romu on sulanut, energiaa alkaa mennä hukkaan”, oululaisen Luxmet Oy:n tutkimuspäällikkö Matti Aula toteaa. ”Tieto sulamisesta kertoo, milloin uuni pitää panostaa uudelleen. Siten se auttaa välttämään lämpöhäviötä ja nopeuttamaan prosessia.”

Avain tietoon on Luxmetin – Oulun yliopiston terästutkimuksesta syntyneen spinoff-yrityksen – kehittämä menetelmä, jossa valokaariuunin kanteen on asennettu valokuituja. Ne keräävät valokaaresta lähtevää valoa, jota tekoäly reaaliaikaisesti analysoi.

Optinen online-emissiospektroskopia-menetelmä kertoo nykyisellään ennen kaikkea sulamisesta, mutta tavoitteena on terässulan koostumuksen ja puhtauden analysointi. Niidenkin vaihtelu on kierrätysteräksessä suurta, ja kun kiertoon tulee yhä enemmän heikkolaatuista terästä, erot vain kasvavat.

Tähän asti ainoa tapa koostumuksen selvittämiseen on ollut näytteenotto, mikä taas edellyttää prosessin keskeyttämistä. ”Nyt olemme todenneet, että online-mittauksella saadaan tarvittava data, mutta teknisiä yksityiskohtia on vielä hiottava”, Aula kertoo ja uskoo koostumuksen online-mittauksen tulevan viidessä vuodessa markkinoille. Yksinkertaisempi online-järjestelmä on jo myynnissä.

”Se pystyy myös diagnosoimaan, mistä valo on peräisin, kuonasta, liekistä vai valokaaresta. Näin voidaan tietää paremmin esimerkiksi käytetyn energian hyötysuhde.”

Mallintaminen parantaa valokaariuunin kilpailukykyä

Valokaaren valon analysointi liittyy laajempaan kokonaisuuteen, valokaariuuniprosessin mallintamiseen, joka on Oulun yliopiston Terästutkimuskeskuksen erikoisalaa.

”Tutkimme, miten prosessia voidaan mallintaa siten, että sen lopputulemasta saadaan reaaliaikainen ennuste”, kertoo Prosessimetallurgian tutkimusyksikön varajohtaja Ville-Valtteri Visuri. ”Kyseessä ei ole vain ajantasainen kuva siitä, mitä uunissa tapahtuu, vaan laajempi ennuste sille, mihin valokaariuuniprosessi on menossa. Optista emissiospektroskopiaa voidaan hyödyntää yhtenä mallin tiedonlähteenä.”

Valon analysointi on ainoa valokaariuuniprosessin aikana suoraan tehtävä mittaus. Muina tiedonlähteinä on prosessia edeltäviä ja sen jälkeen suoritettavia mittauksia, kuten koostumuksen, jäähdytysveden ja savukaasujen analyyseja.

Valokaariuuni toiminnassa Ovakon Hoforsin tehtaalla Ruotsissa (kuva: Pia & Hans Nordlander, Bildn).

Mittausdatan ohella tarvitaan matemaattisia menetelmiä. ”Ennustemalli koostuu matemaattisista kuvauksista niille ilmiöille, joita uunissa tapahtuu”, prosessimetallurgian professori Timo Fabritius sanoo. ”Näitä ovat muun muassa hapettuvien komponenttien palaminen, lämmön tuotto ja lämpöhäviöt.”

Malli antaa ennusteen esimerkiksi sulamisen alkamiselle ja energiankulutukselle terästonnia kohti, minkä jälkeen voidaan tehdä korjaavia toimenpiteitä. ”Se mahdollistaa myös eri praktiikoiden käytön tilannekohtaisesti, kuten uunin ajamisen säästöprofiililla silloin, kun sulatukseen saa kulua enemmän aikaa, tai kiireen tullen maksimiteholla”, Fabritius sanoo.

Mallintamisella saavutettava valokaariuuniprosessin tehostaminen voi edistää vähähiilisempää terästuotantoa. ”Yksi syy masuunipohjaiseen tuotantoon on sen taloudellinen kilpailukykyisyys”, Ville-Valtteri Visuri sanoo. ”Mitä kilpailukykyisempi valokaariuuniprosessi on, sitä suurempi on kierrätysteräksen osuus tuotannosta.”

Biohiilen käyttö tuo omat haasteensa

Vähähiilisyyteen tähtää myös uusiutuvan, biomassapohjaisen hiilen käyttöä koskeva tutkimus. Valokaariuunissa hiiltä tarvitaan ensinnäkin teräksen seosaineena: siinä missä masuunissa pelkistetystä teräksestä on poistettava liika hiili, vetypelkistettyyn sitä on lisättävä. Toisekseen hiilimonoksidilla ja hiilidioksidilla nostatetaan ns. kuohuva kuona, joka estää valokaarta säteilemästä uunin seinille ja parantaa siten energiatehokkuutta. Lisäksi kuohutuksessa syntyy hienojakoisia materiaaleja, kuten pölyjä, joita hyödynnetään syöttämällä ne takaisin prosessiin. Biohiilen haasteet liittyvät näihin kolmeen aspektiin.

”Tutkimme sitä, miten biohiili liukenee teräkseen, miten sillä saadaan kuohu aikaan ja miten pölyt pitäisi kierrättää, jotta kuonalle tulee oikeanlainen kemiallinen koostumus ja se kuohuu hyvin ja stabiilisti”, Fabritius kertoo.

Kivihiilellä ja koksipölyllä kuohuttaminen on kohtuullisen helppoa, ja ne liukenevat teräkseen hyvin. Toisin on biohiilen laita, toteaa Matti Aula. ”Se on hyvin reaktiivista, ja kuohu voi romahtaa nopeasti.”

Kuohun hallitsemiseksi sitä on tärkeää seurata reaaliajassa, ja tässäkin Luxmetin optisella online-emissiospektroskopialla on suuri merkitys. Tänä keväänä yhtiö aikoo testata ensimmäistä kuohutuksen ajoitusjärjestelmää.

”Aihepiiriä ei ole aiemmin tutkittu hiilineutraaliuteen pyrkimisen näkökulmasta, eikä maailmalla kukaan tee tällaista”, Fabritius sanoo.

Ympäröivien prosessien tulee olla hiilineutraaleja

Vähähiilisyyttä tavoittelee myös teräsyhtiö SSAB, joka aikoo muuttaa terästuotantonsa fossiilittomaksi. Raahen-tehtaalla valokaariuunit korvaavat ensimmäisen masuunin vuonna 2030, toisen 2040.

Aluksi valokaariuunissa sulatetaan enimmäkseen kierrätysterästä, arvelee Raahen-tehtaan prosessikehityspäällikkö Jarmo Lilja. Vetypelkistetyn rautasienen valmistus aiotaan aloittaa demonstraatiolaitoksessa vuonna 2026, eikä tuotantolaitosten sijaintia vielä tiedetä.

”Jos sellainen tulisi Raaheen, sähkönkulutuksemme kasvaisi valtavasti”, Lilja sanoo. Uunien ohella lisäsähköä tarvitaan vedyn tuottamiseen elektrolyysilla.

”Silloin energiantarpeemme olisi 12 terawattituntia vuodessa. Siitä noin 20 prosenttia toteutuisi biokaasulla, koska aihioiden kuumennuksessakin on siirryttävä uusiutuvaan energiaan.”

Kommentti muistuttaa siitä, etteivät kierrätysteräs ja vetypelkistys yksin riitä tekemään terästuotannosta vähähiilistä. Niihin tarvittavan sähkön ohella myös ympäröivien prosessien, kuten malmin rikastuksen sekä teräsaihioiden valssauksen, tulee olla hiilineutraaleja.

Fossiilivapaiden energialähteiden käyttöä ja saatavuutta selvitetään SSAB:n Energy4HYBRIT-hankkeessa, jossa Raahen-tehdas on pilottitehtaana. Energiayhtiöiden ohella mukana ovat Oulun yliopisto ja VTT, jotka tutkivat ja mallintavat kaikki tehtaan energiankäyttövirrat.

Teräsalan ekosysteemin toimijat täydentävät toisiaan

Vähähiilisyyden ohella valokaariuunien käyttöä puoltaa niiden joustavuus. ”Prosessi on äärimmäisen joustava verrattuna masuunituotantoon, jota ei voi sammuttaa noin vain markkinatilanteen mukaan”, Ville-Valtteri Visuri sanoo. ”Lisäksi sillä voidaan tehdä terästä kannattavasti pienessäkin mittakaavassa.”

Alan oululainen ekosysteemi ja Business Finlandin rahoittama AMET-hanke tuovat oman panoksensa valokaariuunin kehitystyöhön. Pk-yritykset kehittävät esimerkiksi romukorin tunnistusta bluetooth-tekniikalla, romukorin täyttöasteen ja kaadon monitorointia sekä elektrodien kulumisen mittausta. Viimeksi mainitusta vastaa oululainen Sapotech Oy, jonka hallituksen puheenjohtaja Juha Roininen kehuu ekosysteemin yhteispeliä.

”Suomessa tilanne on hyvä, sillä teräsalan eri toimijat tuntevat toisensa ja keskinäistä kilpailua on vähän. Jokainen voi osallistua omalla erikoisalueellaan. Isot metalliyritykset tarjoavat alustan uusien menetelmien kokoamiselle yhteen, ja pk-yritykset saavat näiltä globaaleilta toimijoilta kansainvälisiä referenssejä. Digitaalisuus luo aivan uudenlaiset kilpailunäkymät: aiemmin teknologiset toimijat olivat pääosin jäykkiä suuryrityksiä, mutta digitaaliset ratkaisut vaativat niin kovaa asiantuntemusta, että ketterille ja asiaan paneutuville pk-yrityksille avautuu suuria mahdollisuuksia. Tärkeää on myös Business Finland -rahoitus valtiovallan taholta.

Teksti: Jarno Mällinen

Pääkuva:  Oulussa on kehitetty mittaustekniikkaa, jonka avulla voidaan seurata mitä valokaariuunissa tapahtuu sulatuksen aikana. Analysoinnin avulla voidaan parantaa prosessin kustannustehokkuutta ja laatua.

Prosessimetallurgian tutkimusyksikkö

Tutkimusyksikön toiminnan ytimen muodostavat pyrometallurgisten ja muiden korkealämpötilaprosessien tutkimus sekä tähän perustuva opetus, jossa painotetaan tutkimus- ja kehitystyössä vaadittavaa menetelmällistä osaamista. Prosessimetallurgia on yksi Oulun yliopiston Terästutkimuskeskuksen (CASR) keskeisimmistä osa-alueista.

Luxmet Oy

Luxmet kehittää valoon perustuvia ohjausjärjestelmiä metallurgisten prosessien entistä tarkempaan seurantaan. Yritys perustettiin 2014 Oulun yliopiston prosessimetallurgian tutkimusryhmässä tehdyn poikkitieteellisen valokaariuunitutkimuksen pohjalta.

Sapotech Oy

Sapotech suunnittelee ja toimittaa teräs- ja metalliteollisuuden asiakkaille reaaliaikaisia tarkkailu- ja mittausjärjestelmiä. Yrityksen ydinosaamista ovat korkealämpötilaprosessien monitorointi ja kuvantaminen. Sapotechin juuret ovat prosessi- ja ympäristötekniikan osastossa. Yritys perustettiin vuonna 2012.

 

Viimeksi päivitetty: 30.6.2020