Tekninen kuvaus Terässulattoprosessi

Terässulatolla on kaksi prosessilinjaa, vanhempi linja (linja 1), joka on käynnistynyt vuonna 1976 ja uudempi linja (linja 2), joka on otettu käyttöön vuonna 2002. Molempi-en linjojMolempi-en prosessit koostuvat valokaariuunista (VKU), AOD-konvertterista (argon oxygen decarburization), senkkauunista (LF) ja jatkuvavalukoneesta. Linjan 1 alkupääs-sä on lialkupääs-säksi kromikonvertteri (CRK), joka mahdollistaa sulan ferrokromin käytön te-räksen valmistuksessa. Kromikonvertteri on otettu käyttöön vuonna 1998.

Terässulattoprosessin alussa esilajitellut kierrätysteräkset ja seosaineet lastataan panos-tuskoreihin laatukohtaisen panoslaskelman mukaisesti. Kierrätysteräs kuivataan tarvit-taessa esikuumennuksessa valokaariuunin kuumilla prosessikaasuilla ja panostetaan jo-ko kromijo-konvertteriin tai valokaariuuneihin.

Ferrokromitehtaalla valmistettava ferrokromi kuljetetaan sulana terässulaton kromikon-vertteriin (CRK). Kromikonkromikon-vertteriin panostetaan sulan ferrokromin lisäksi kierrätyste-rästä. Kromikonvertterin tehtävänä on pii- ja hiilipitoisuuksien laskeminen sulassa hap-pipuhalluksen avulla. Konvertterin vuorauksen suojelemiseksi ja haphap-pipuhalluksen ai-kana syntyvän piidioksidin (SiO2) sitomiseksi konvertteriin panostetaan kuonanmuodos-tajina dolomiittikalkkia (CaO · MgO) ja poltettua kalkkia (CaO).

Kromikonvertterin kuona poistetaan ylikaatona ja CRK-sula kuljetetaan siirtosenkalla AOD-konvertterille. Kuona on toistaiseksi kuljetettu kuonankippauspaikalle, jossa se jäähdytetään joko vesi- tai ilmajäähdytyksellä.

Valokaariuuniin panostetaan kierrätysteräksen lisäksi nikkeliä, molybdeeniseoksia, fer-rokromia ja koksia. Valokaariuunin kuonan muodostuksessa uuniin panostetaan kalkkia sulatuksen alkuvaiheessa. Kalkin panostuksella pyritään estämään liian happaman kuo-nan muodostuminen. Hapan kuona aiheuttaa valokaariuunin emäksisen vuorauksen ku-lumista. Koksin syötöllä pyritään rajoittamaan kromin ja muiden metallien hapettumista eli sen avulla pyritään hallitsemaan kuonan metallipitoisuuksia. VKU 1:ssä linjalla 1

käytetään kuonan muodostajana kalkkikiveä (CaCO3) ja VKU 2:ssa linjalla 2 poltettua kalkkia (CaO). Valokaariuunisulan piipitoinen kuona poistetaan kuokkimalla (laapa-taan) ja kuljetetaan kuonankippauspaikalle jäähtymään.

Linjalla 1 valokaariuunilta kaadetaan VKU-sulaa siirtosenkassa olevan CRK-sulan se-kaan. Tämän jälkeen yhdistetty sulamäärä siirretään AOD-konvertteriin. Linjalla 2 AOD-panos saadaan suoraan valokaariuuni 2:lta eikä sulaa ferrokromia hyödynnetä.

Molemmilla linjoilla AOD-konvertterin prosessi tapahtuu samalla tavalla.

AOD-konvertterissa sulasta poistetaan hapen ja happi-argon seoksen puhalluksella hiili ja kuonakäsittelyllä rikki. AOD-prosessissa suoritetaan kolme vaihetta: mellotus, pelkis-tys ja rikinpoisto. Mellotuksessa eli hiilen poltossa osa sulan metalleista, tärkeimpänä kromi, hapettuu ja kuonautuu. Kromin kuonautumisen vuoksi tehdään pelkistys, jolloin kuonautuneet komponentit palautetaan takaisin sulaan piin avulla. Mellotuksen alussa lisätään kuonanmuodostajaksi poltettua kalkkia (CaO) tai dolomiittikalkkia (55 % CaO, 40 % MgO). AOD-kuona kaadetaan sulan teräksen päältä kuonapataan ja kuljetetaan kuonankippauspaikalle jäähtymään.

AOD-konvertterilta sula teräs kuljetetaan valusenkassa senkka-asemalle. Valusenkkaan kaadetaan noin 2 tonnia kuonaa, joka suojaa terästä hapettumiselta. Tämän osaprosessin tarkoituksena on teräksen laadun ja ominaisuuksien parantaminen ja halutun loppukoos-tumuksen saavuttaminen lisäämällä kierrätysterästä, ferrokromia, nikkeliä ja muita seo-saineita. Tavoitteena on myös lämpötilan ja koostumuksen optimoiminen sopivaksi va-lua varten. Senkka-asemalla lisättävät kuonanmuodostajat ovat kalkki ja fluspaatti.

Kuonapohjaisten kiviainestuotteiden valmistaminen

Sekä teräksen tuotantomäärät että kuonamäärät ovat kasvaneet Tornion tehtailla uuden linjan (terässulaton linja 2) käyttöönoton myötä. Kuonien määrän lisääntymisestä johtu-va MultiServ Oy:n metallinerotusprosessin kapasiteetin riittämättömyys tulejohtu-vaisuudessa on yksi tärkeä syy tutkia terässulattokuonien tuotteistamismahdollisuuksia. Samanaikai-sesti terässulaton prosesseja on kehitetty metallitappioiden eli kuonan metallipitoisuuk-sien minimoimiseksi, mikä mahdollistaa kuonatuotteistuksen uudelta pohjalta. Syksyllä 2001 käynnistettiin Tekesin rahoittama projekti ”Terässulaton kuonien tuotteistaminen”.

Projektin tavoitteena on valmistaa terässulattokuonista esimerkiksi maa- ja tierakenta-mismateriaaleja. Tämä edellyttää kuonien prosessoinnin ja koostumuksen muuttamista ja optimoimista oikeaksi käyttöä ajatellen, mahdollisimman pieniä metallihäviöitä kuo-naan, kuonien käsittelymenetelmien kehittämistä ja liiketoimintastrategioiden kehittä-mistä kuonien markkinoimiseksi(Leinonen et al., 2003). Kevytkivi- ja mursketuotteiden valmistaminen on aloitettu terässulatolla huhtikuussa 2004. Vuonna 2005 tavoitteena on valmistaa 110 000 tonnia erilaisia kuonapohjaisia kiviainestuotteita.

Sekakuonan ja tuotteistettujen kuonapohjaisten kiviainestuotteiden valmistuksen välillä on huomattava ero. Ennen kuonien tuotteistamisprojektin aloittamista kuonan faasilla ei ole ollut merkitystä siinä mielessä, että lopputuotteena olisi tavoiteltu jotakin tiettyä koostumusta kuonalle. Tuotteistamisprojektin myötä sulattoprosesseja ohjataan tietoi-sesti myös kuonien koostumuksen kannalta siten, että myös eri osaprosessien (VKU, CRK, AOD, LF) kuonien koostumus on hyvin tiedossa ja prosessissa tavoitellaan aina tiettyä ja tunnettua koostumusta kullekin kuonalaadulle. Näiden tietoisten

prosessinoh-jausten ansiosta kuonasta voidaan valmistaa erilaisia kiviainestuotteita asiakkaan vaati-musten mukaisesti(Ylipekkala, 2005).

Terässulaton sivutuotteista valmistetaan kiviainestuotteita hienontamalla ja seulomalla materiaalia eri raekokoihin. Tällä hetkellä valmistettavia tuotteita ovat 0 - 60 mm murs-keet, 0 - 40 mm kevytkiviainekset ja hienoaines (Ylipekkala & Koskinen, 2004), jota voidaan käyttää mm. betoni- ja asfalttifillerinä (Vaara, 2004b). Muita mahdollisia tuot-teita voivat olla esimerkiksi granulit ja valetut tuotteet.

Kuonien tuotteistamiselle on useita perusteita: mm. säästetään läjitysaluetilaa ja kaato-paikkakustannuksia, kuonien stabiloiminen kiinteiksi kiviaineiksi vähentää pölyämistä kuonien käsittelyalueella ja kuonien tuotteistaminen säästää luonnon kiviaineksia, joita kuonapohjaiset kiviainekset voivat korvata maa- ja tierakentamisessa (Rantakeisu, 2005).

Tuotteistamisprojektin seurauksena terässulaton prosessinohjauksessa huomioidaan se-kä tekniset että ympäristötekijät niin, että uudet kiviainestuotteet ovat rakennusalan standardien ja vaatimusten mukaisia. Kiviainestuotteiden valmistuksessa metalli-kuona –sulaa ohjataan kemiallisesti ja prosessiteknisesti eri tavalla riippuen tuotevaatimuksista ja kulloisestakin tuotetarpeesta. Tämä tarkoittaa mm. kemiallista/metallurgista prosessin ohjausta, ainelisäyksiä, uutta tietoista prosessinohjausta tuote- ja laatuominaisuuksien takaamiseksi sekä investointeja (Roininen, 2004a). Tällaisia prosessimuutoksia on tehty sulattolinjalla 2 vuonna 2002 – 2004 ja meneillään olevan sulattolinja 1:n saneerauksen yhteydessä vastaavia prosessimuutoksia tehdään, jotta tältäkin linjalta voitaisiin valmis-taa näitä uusia tuotteita.

Kuonien modifiointi terässulatolla

Kuonatuotteiden valmistus aloitetaan terässulatolla kuonan ollessa sulassa faasissa. Su-laa kuonaa voidaan modifioida eri tavoilla ja näin vaikuttaa valmistettavien kuonatuot-teiden ominaisuuksiin. Kuoniin syntyy metallitappioita, kun osa metalleista hapettuu prosessissa ja päätyy oksideina kuonaan. Kuonien käytön ja prosessin taloudellisuuden kannalta kromin, ruostumattoman teräksen pääseos-aineen, hapettuminen kuonaan pyri-tään estämään. Prosessien optimoinnista, tarkoin valituista kuonanmuodostajista ja kuo-nan pelkistyksestä huolimatta kuonaan jää kromia ja muita metalleja. Kuokuo-nan käytön kannalta on tärkeää saada kuonaan jäävä kromi stabiiliin muotoon kromin liukoisuuden minimoimiseksi(Ylipekkala, 2005).

Kuonan MgO-, Al2O3-, FeO- ja Cr2O3-pitoisuudella on vaikutusta kromin liukoisuuteen.

Kuonan koostumuksen ja kromin liukoisuuden väliselle riippuvuudelle on kehitetty työ-kaluksi ns. spinellikerroin (factor sp, sp-kerroin). Spinellikerroin voidaan esittää seuraa-valla yhtälöllä:(Kühn et al., 2000)

sp = 0,2⋅ MgO+ 1⋅ Al2O₃ + 1⋅ Fetotal – 0,5⋅ Cr2O₃

Spinellikerroin vaikuttaa kromin liukoisuuteen. Modifioimalla kuonan koostumusta sp-kerroin saadaan halutun suuruiseksi ja kromi stabiiliin muotoon, jolloin kromin liukoi-suus pienenee. Kun sp-kerroin on yli 5, kromin liukoiliukoi-suus on pienempi kuin 0,05 mg/l.

Kun sp-kerroin on pienempi kuin 5 liukeneminen on suurta, koska kromi ei ole tällöin sidottuna ns. spinelli- tai kidemäisiin rakenteisiin.

Kuonan koostumusta voidaan modifioida sp-kertoimeen vaikuttavien tai muuten kuonaa stabiloivien lisäaineiden, kuten bauksiitin avulla tai pitämällä kuonan kromioksidipitoi-suus mahdollisimman pienenä. Ensisijaisena keinona kuonan koostumuksen hallinnassa on mahdollisimman alhainen kromioksidipitoisuus kuonassa. Kuonan koostumusta voi-daan tarkkailla kuona-analysaattorin avulla ja analyysin tulosten perusteella kyseessä olevan sulatuksen kuona ohjataan kulloiseenkin tuotevalmistusprosessiin (Ylipekkala, 2005).

Kromikonvertterikuonasta ja valokaariuunien kuonista voidaan valmistaa mm. kevytki-veä sekä mursketta. Kevytkivi valmistetaan jäähdyttämällä kuona nopeasti veden avulla, jolloin tuloksena on kevyt, huokoinen kiviaines. Murskeet valmistetaan ilmajäähdyttä-mällä(Lakso, 2004; Rantakeisu, 2005).

AOD-kuona on voimakkaasti emäksistä, joten se hajoaa normaalisti pölyksi jäähdytyk-sen aikana. AOD-kuona voidaan stabiloida eri aineilla, jolloin tulokjäähdytyk-sena on kappale-muotoinen kiviaines. AOD-kuonan stabilointiin tarvittava ainelisäys on pienimmillään vain promilleja kuonan määrästä. Stabiloidulle AOD-kuonalle tehdään ilma- tai vesi-jäähdytys, jolloin siitä muodostuu kiinteää kiviainesta.

Vesijäähdytetyt kevytkiviainekset seulotaan ja ilmajäähdytetyt murskemateriaalit murs-kataan ja seulotaan haluttuun raekokoon.

Tuotteiden ympäristökelpoisuuden takaamiseksi ja arvokkaiden metallien takaisin saa-miseksi kivimateriaaleille tehdään metallinerotus. Kuona kipataan ns. 80/20 kippauksel-la, jolloin 80 % kuonasta menee tuotteistettavaksi ja kuonapadan pohjalle laskeutuva metallipitoisempi aines ohjataan kuonan kippauksen yhteydessä suoraan metallinerotuk-seen. Tuotteesta metallit erotetaan magneettierottajan avulla. Metallinerotuksen jälkei-sestä materiaalista, nk. hienoaineksesta voidaan valmistaa esimerkiksi betoni- ja asfaltti-fillereitä.

Laadun takaamiseksi tuotteista otetaan näytteitä sulavaiheessa sekä murskauksen tai metallinerotuksen yhteydessä. Näytteistä analysoidaan kemiallinen koostumus, metalli-en liukoisuudet sekä tarvittaessa raekokojakauma. Kuonan koostumusta voidaan tark-kailla mm. kuona-analysaattorilla. Kuonan koostumuksen tarkkailu on tärkeää sekä pro-sessin toiminnan että prosessista aiheutuvien päästöjen minimoimisen kannalta.

Kiviainestuotteet

CRK- ja VKU-kevytkivi

Kevytkivi on raekooltaan noin 0… 40 mm. Kevytkivi on huokoinen materiaali, joten sil-lä on hyvät sil-lämmöneristävyysominaisuudet. Kevytkiveä voidaan käyttää tierakennus-materiaalina kantavassa, jakavassa ja suodatinkerroksissa. Kevytkivi soveltuu hyvin esimerkiksi routavauriokohteisiin sekä kustannustehokkaaksi meluvallirakenteeksi (Lakso, 2004).

Murskeet

Murskeet ovat raekooltaan noin 0… 60 mm ja ne valmistetaan useampivaiheisessa murs-kauspiirissä. Murskeita valmistetaan VKU-, CRK-, AODb- ja AOD/FeCr-kuonista.

Murskeita voidaan käyttää tierakennuksessa kantavassa ja jakavassa kerroksessa sekä asfaltissa korvaamassa luonnon kiviainesta(Rantakeisu, 2005).

Murskeista on tehty useita koerakenteita, joilla on varmistettu niiden tekninen toimi-vuus. Esimerkiksi VKU- ja CRK-murskeesta (0… 32 mm) on rakennettu vuonna 2003 uusi tie Röyttän satamasta Prännärin läpi (Kaavakatu). Lisäksi murskeita (AODb-murske) on käytetty asfaltoinnin kiviaineksena satamaan johtavalla tiellä, Laivajärven-tiellä sekä tehdasalueella.

KUVA 5/10

Kiviainestuote AODb-asfalttikivi Hienoaines

Hienoaineksen osuus kaikista kuonatuotteista arvioidaan olevan tulevaisuudessa noin 20

%. Hienoainekselle on useita varteenotettavia käyttökohteita. Sitä voidaan käyttää mm.

betoni- ja asfallittifillerinä. Hienoainesta on menestyksellä käytetty koerakenteissa Ou-lun ja Tornion seuduilla.

Kuonatuotteiden kemiallinen koostumus

Terässulattokuonien pääkomponentit ovat kalsiumoksidi (CaO), piidioksidi (SiO₂), magnesiumoksidi (MgO), alumiinioksidi (Al₂O₃), rautaoksidi (Fe₂O₃) ja mangaanioksi-di, (MnO).

Terässulatolla prosesseja on kehitetty terässulan metallipitoisuuksien maksimoimiseksi ja kuonan metallipitoisuuden minimoimiseksi. Valokaariuunissa linjalla 2 päästään esi-merkiksi kromin osalta ennätyksellisen pieniin metallitappioihin eli

kromioksidipitoi-suus valokaariuunikuonassa on 1,8 – 2,6 %, kun se yleensä vastaavissa prosesseissa vaihtelee 4 –12 prosentin välillä.

Raaka-aineet, polttoaineet ja kemikaalit

Tuotteistaminen ei aiheuta muutoksia sulaton raaka-aineisiin tai sulatolla käytettäviin polttoaineisiin tai niiden määriin. Murskaus- ja seulontalaitteistot ovat sähkökäyttöisiä.

Uusien kemikaalien tarve riippuu kuonien stabilointitavasta, joita on useita. Mitkään tie-dossa olevat kemikaalit eivät ole räjähtäviä, nesteitä, haihtuvia tai muuten ympäristön tai terveyden kannalta erityisen ongelmallisia vaan useimmiten kiinteänä jauheena tai murskeena. Niiden varastointi voidaan tehdä säkissä tai siiloissa ja syöttö joko automaat-tilaitteistolla tai käsin. Lisäainemäärät eivät ole niin merkittäviä, että huomattavia varas-toja pitäisi sulatolle rakentaa. Myös FeCr-kuonan seostaminen on yksi kuonien stabi-lointimahdollisuus.

Ilmapäästöjen vähentämistekniikat

Sulaton osalta tuotteistuksella ei ole vaikutusta nykyiseen päästötasoon. Sen sijaan murskeiden valmistuksesta aiheutuu ilmaan hienoaineksen pölyämistä varastokasoista sekä raaka-ainetta lastattaessa ja syötettäessä. Materiaalia kastellaan pölyämisen ehkäi-semiseksi sen verran, kun materiaalin laadun takaamisen kannalta on mahdollista. Ny-kyinen ns. nollavaihtoehdon mukainen kuonien käsittely aiheuttaa tehdasalueelle mer-kittävää pölyämistä, koska huomattava osa kuonista hajoaa pulverimaiseksi pölyksi.

Kuonien stabilointi ja tuotteistus ovat sinällään tärkeä keino vähentää tätä pölyämistä, koska esimerkiksi AOD-kuonien hajoaminen loppuisi.

Veden tarve ja hankinta sekä jäähdytys- ja jätevedet

Tuotteistuksella ei ole vaikutusta sulaton jäähdytys- ja jätevesitilanteeseen. Kevytkivien valmistus tapahtuu vesijäähdytyksellä. Jäähdytysvesi otetaan sisäisestä kierrosta tai puh-dasvesilinjasta. Jäähdytyksen veden tarvetta on määrällisesti erittäin vaikea arvioida, koska tällä hetkellä jäähdytykseen käytetty vesi on sisäisen kierron vettä. Vaikka jääh-dytysvesi otettaisiin tulevaisuudessa puhdasvesilinjasta, on veden tarpeen lisäys merki-tyksetön tehtaan vesimäärään nähden.

Murskauksessa ja seulonnassa ei käytetä vettä.

Paras käyttökelpoinen tekniikka

Tässä kuvattua kuonatuotteiden valmistusta ei ole uutena asiana terästeollisuuden BREF-asiakirjoissa eikä suoria vertailukohtia ole juurikaan saatavilla. Materiaalin hyö-dyntäminen ekotehokkaasti, jätteiden synnyn ennaltaehkäisy ja päästöjen minimointi käyttäen uusinta tietotaitoa täyttää kuitenkin yleiset BAT-tekniikoilta edellytettävät tun-nusmerkit (Rantakeisu, 2005).

Rakennukset ja laitteet

Sulatolle ei tule uusia laitteistoja kiviainestuotteiden valmistusta varten. Tällä hetkellä olevan tiedon mukaan kuonatuotteistus edellyttää jo alueella toimivien

murskauslaitteis-tojen pieniä muutostöitä (mm. magneettierottimien lisäystä), mutta ei merkittäviä ra-kennusmassoja. Tulevaisuudessa granulointi- tai sulakuonien lisäkäsittely voivat tarvita lisärakennuksia, mutta nämä sijoittuvat jo nykyisten laitosten ja rakennusten alueelle.

Mikäli fillerien kehittäminen betonin/sementin lisäaineeksi on kannattavaa, voidaan tehdasalueelle rakentaa myöhemmin myös betoni- tai sementtitehdas. Alueella voi sijai-ta tulevaisuudessa myös tilapäinen sijai-tai pysyvä asfalttiasema ja fillerituotteiden kuivaus-tai sakeutusyksikkö.

Kiviainestuotteiden valmistusta varten tarvitaan murskaus- ja seulontalaitteisto, joilla tuotteet murskataan ja seulotaan eri raekokoihin. Murskauslaitos koostuu leukamurs-kaimesta (esimurskain) ja karamursleukamurs-kaimesta. Molemmissa murskaimissa materiaalin murskautuminen tapahtuu puristusvoimalla. Seulontalaitteisto seuloo ja lajittelee eri rae-kokoiset materiaalit omiin kasoihin. Vastaavat laitteistot ovat olleet käytössä alueella jo pitkään ja uusien tarve selviää hankkeen edistyessä.

Murskaus- ja seulontalaitteisto sijoitetaan kuonankippaus- ja jäähdytyspaikkojen länsi-puolelle/nykyiselle kuonakentälle. Samalla alueella sijaitsee myös nykyinen sekakuonan metallinerotusprosessi. Alueelle tulee myös valmiiden tuotteiden varastokasoja lyhytai-kaista/tilapäistä varastointia varten. Tuotekasoja on mahdollista varastoida myös muual-le. Tulevaisuudessa nykyiselle kuonakentälle voi tulla myös mm. granulointilaitos tai kuonasulien käsittelylaitos. Mahdollisen pysyvän asfalttiaseman, betoni- tai sementti-tehtaan sijaintia tehdasalueella ei voida vielä ennakoida.

Kuljetukset

Kuonapohjaiset kiviainestuotteet myydään asiakkaille valmiina tai rakennus-ainetuotteina. Materiaalin keskimääräinen kosteus on 5 %. Tuotteiden kuljetus tapahtuu arviolta 60 % proomuilla ja 40 % raskailla ajoneuvoilla. 2,0 miljoonan tonnin terästuo-tannolla tuotteita valmistetaan 440 000 tonnia vuodessa. Tämä tarkoittaa 46 proomua (6000 tonnia/kuorma) ja 5000 raskasta ajoneuvoa (37 tonnia/ajoneuvo) vuodessa.

5.3.6.2 Ympäristökuormitus