JultikaUniversity of Oulu repository

Ruukin Raahen terästehtaalla esiintyi masuunien pellettiajoon siirtymisen jälkeen rikinpoistopuhalluksessa haitallista roiskumista, joka vaurioitti senkkojen nostokorvakoita niin paljon, ettei niitä ollut enää turvallista nostaa. Senkkojen käyttöiän laskusta aiheutunut senkkapula vaaransi rautatuotannon, mikä johti tämän työn teettämiseen. Rikinpoisto on osa primääristä raudanvalmistusreittiä, joten sen tapahtumat on tunnettava seikkaperäisesti, eikä rikinpoiston monien riippuvaisuuksien takia yhtään tekijää voitu etukäteen jättää pois tarkasteluista. Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää syitä haitalliseen roiskumiseen ja keinoja sen hallintaan. Tämän lisäksi työssä tuli tehdä paljon perustavanlaatuisia mittauksia ja käydä teoreettista taustaa kattavasti läpi, koska Ruukilla ei ole juurikaan rikinpoiston fysikaalisia ilmiöitä aikaisemmin käsitelty. Työn teoriaosuudessa haettiin ilmiöiden, mekanismien ja eri olosuhteiden kautta selityksiä haitalliseen roiskumiseen. Teoriaosan asiat, kuten rikinpoistoreaktiot, emulgoituminen sekä raakaraudan ja kuonan ominaisuudet, tarjosivat kokeelliselle osuudelle tutkimussuunnan ja -pohjan. Työn kokeellisessa osassa haitallisen roiskumisen numeerista tarkastelua varten kehitettiin erityinen laskentamenetelmä, jonka avulla tutkittiin raakaraudan, kuonan, rikinpoistoreagenssin ja prosessiolosuhteiden vaikutuksia haitalliseen roiskumiseen. Roiskumisen teki haitalliseksi senkan vaipan laitaa pitkin valuvat raakarautanorot, jotka olivat seurausta ajoittaisista kaasupurkauksista ja niistä aiheutuneista raakarautapurskeista. Haitallinen roiskuminen painottui puhalluksen ensimmäisen minuutin jälkeiselle vaiheelle, jolloin kaasunmuodostus äkillisesti voimistui. Tämä vaihe jatkui noin kahden minuutin ajan, jonka jälkeen kaasunmuodostus tasaantui vähitellen hilliten samalla haitallista roiskumista. Yleisestä haitallisen roiskumisen kulusta poiketen yksittäiset norot saattoivat esiintyä puhalluksissa satunnaisesti ja jopa rypäyksittäin ja tämän jälkeen lakata kokonaan. Roiskumisen hallintaan löytyi useita keinoja, joiden toimivuutta ei tämän opinnäytetyön puitteissa tutkittu. Roiskumista voidaan hallita ensisijaisesti laskemalla raakaraudan lämpötilaa ennen rikinpoistoa. Tämä onnistuu helpoiten masuunien tasaisella käynnillä ja senkkojen ainelisäyksillä, jotka vaikuttavat keskimääräiseen norojen esiintymistiheyteen. Toissijaisena keinona on puuttua yksittäisten norojen muodostumiseen, johon vaikuttavat reagenssin tasalaatuisuus, kuonan modifiointi, rikinpoiston kaksivaiheisuus (esirikinpoisto tai kahden eri reagenssin käyttö), pölynpoistokannen geometria ja reagenssin osalta kosteuden hallinta, karbonaattipitoisuuden alentaminen sekä lämpötilaherkän soodan korvaaminen kalsiumkarbonaatilla. Monimutkaisen luonteen vuoksi roiskumisen hallinta edellyttää edellä mainittujen keinojen yhdistelemistä. Työssä havaittiin, ettei masuunien pellettiajoon siirtymisestä aiheutuneella alhaisella raakaraudan mangaanipitoisuudella, kuohuvalla kuonalla eikä laajentuvalla kuonalla ole vaikutusta haitalliseen roiskumiseen. Reagenssin havaittiin myös vaikuttavan haitalliseen roiskumiseen muun muassa sen luokittumisen ja suuren raekokovaihtelun takia. Reagenssin raekokovaihtelut aiheutuivat kalkkimyllyn syötemateriaalin muutoksista ja mahdollisesti myös myllyn käynnistyksistä. Lisäksi reagenssin laatua ei ollut määritelty riittävällä tarkkuudella, eikä tästä syystä sen kriittisiä arvoja ole kontrolloitu tarpeeksi. Tämä työ on haitallisen roiskumisen hallinnan ja Ruukin rikinpoiston kehittämisen pohjatutkimus, jota tullaan käyttämään perustana rikinpoistoon liittyvissä jatkotutkimuksissa. Haitallisen roiskumisen hallinta on pääasiassa kaasunmuodostuksen ja siihen vaikuttavien tekijöiden hallintaa.

Harmful splashing in hot metal desulphurization has been appeared after changing blast furnaces’ operation to 100 % iron ore pellet in the steel factory of Ruukki. It reduces ladles’ life by melting the hoist brackets of ladles causing unsafe lifting by cranes. This induces lack of ladles risking the iron production. Moreover, the detailed phenomena in desulphurization, which are dependent on many factors, have to be understood because of the fact that the desulphurization is an important part of the hot metal making route. The purpose of this Master’s Thesis was to find the ways and practices of controlling harmful splashing. In addition, secondary goals were making lots of basic measurements and examining widely theoretical aspects, because there are just a few studies relating to the desulphurization process in Ruukki. All these lead to having this work made. The theoretical part of this work describes the effects of desulphurization, emulsification and iron and slag properties to harmful splashing, which provided tools and ideas for the empirical part. Harmful splashing was investigated in the empirical part by the effects of the iron, slag, desulphurization reagent and process. A special method for numerical investigations of harmful splashing was developed during this work. The common splashing in hot metal desulphurization turned to harmful by the liquid iron trickles running along the ladle’s mantle. These trickles are a sort of a narrow overflow of the liquid iron outside a ladle. Occasional gas eruptions in the ladle gave rise to liquid iron bursts causing these liquid iron trickles to appear outside the ladle. According to the measurements, the harmful splashing was the most intensive just before the first minute of the desulphurization caused by rapidly risen gas formations. This high splashing stage continued for about two minutes and after that the gas formation decreased and steadied causing the harmful splashing also to decrease. In some cases, the iron trickles didn’t follow this path appearing randomly and appearing even in bunches ceasing after that. The quality of the desulphurization reagent wasn’t accurately enough determined. Therefore, the particle size of the reagent wasn’t monitored making the large changes of the particle size possible which affected harmful splashing by many ways. Starting the rod mill, changes in feed materials of the mill and raw materials of the reagent caused the main changes in the particle size distribution of the reagent. Based on the work trials it can be concluded that there are several methods of controlling the harmful splashing, but those methods weren’t tested in practice because of the limited framework. The primary method is to lower hot metal temperature before the desulphurization by steady operations of blast furnaces and ladle material additions. These have an influence on the average intensity of the harmful splashing. Furthermore, the secondary method is reducing the formation of an individual iron trickle by reagent homogeneity, slag modification, two-stage desulphurization (by presulphurization or by using two different reagents), the form of the ladle overhead hood, the moisture control of the reagent, lower contents of carbonates and replacing thermal active sodium carbonate with a predictable calcium carbonate. In conclusion, this Master’s Thesis is a basis work for controlling harmful splashing and for developing hot metal desulphurization in Ruukki. This work is about use as a template for further studies on hot metal desulphurization. In summary, controlling the harmful splashing in hot metal desulphurization is to control gas eruptions and its related factors.