Väitös: Ville-Valtteri Visuri ja Susanna Airaksinen: Vetysiirtymä ja ruostumattomien terästen hilsettyminen hehkutus- ja aihionkuumennusprosesseissa

Miten uusiin kuumennusmenetelmiin kuuluvat atmosfäärit vaikuttavat ruostumattoman teräksen hilsettymiseen hehkutus- ja aihionkuumennusprosesseissa? Tähän kysymykseen pureutuu Susanna Airaksisen 6. syyskuuta Oulun yliopistossa tarkastettu väitöskirja.

Johdanto

Vetysiirtymä mahdollistaa terästeollisuuden hiilidioksidipäästöjen merkittävän vähentymisen vedyn korvatessa hiiltä pelkistimenä ja fossiilisia polttoaineita energianlähteenä. Terästeollisuuden kuumennusuuneissa teräksiin tuotetaan korkea yli tuhannen asteen lämpötila, ja tähän kuumennukseen yleisesti käytetty polttoaine on fossiilinen maakaasu. Fossiilisten polttoaineiden palaessa muodostuu hiilidioksidia, kun taas käytettäessä vetyä polttoaineena palamistuotteena muodostuu vain vesihöyryä. Täysin hiilineutraali polttoprosessi vaatisi kuitenkin uusiutuvilla energianlähteillä tuotettua vetyä, jonka energiatehokas tuottaminen on vielä kehitteillä. Kuumennusuuneissa tapahtuvaa siirtymää kohti fossiilivapautta on viime vuosina tutkittu Oulun yliopiston Prosessimetallurgian tutkimusyksikössä, koska kasvava vesihöyryosuus uunissa altistaa yhä enemmän teräksen pintaa hapettumiselle.

Työn rakenne ja päätulokset

Susanna Airaksisen väitöstyössä [1] tutkittiin kokeellisesti ruostumattoman teräksen hapettumista prosessiuunien muuttuvissa olosuhteissa. Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää kuumennusolosuhteiden vaikutus teräspinnan hapettumiseen ja siten mahdollistaa kuumennusprosessin kehitystyö uusien polttoaineiden käyttöönottamiseksi. Tätä tavoitetta silmällä pitäen Airaksisen väitöstyössä tutkittiin kokeellisesti hapettumisessa muodostuneen pintahilseen kehittymistä uunissa lämpötilan, teräksen pitoajan ja kaasuatmosfäärin funktiona ja tarkasteltiin sen vaikutusta hilsepinnan poiston onnistumiseen seuraavissa prosessivaiheissa.

Väitöstyö koostui neljästä osajulkaisusta, joista ensimmäisessä [2] tutkittiin nykyistä maakaasun ilmapolttoon perustuvaa kuumennusmenetelmää. Koemateriaalina käytettiin kylmävalssattua ruostumatonta terästä, jota altistettiin simuloiduille hehkutusuuniolosuhteille laboratoriossa. Tavoitteena oli saada selville hehkutuksen hilseenmuodostumisen nykytila ja perehtyä prosessin poikkeusolosuhteiden vaikutukseen. Hehkutustulokset osoittivat, että hilseen muodostumisen optimoinnissa pienetkin muutokset olosuhteissa ovat ratkaisevia, kun tarkastelulämpötila vaihteli enimmillään sata astetta ja vastaavasti aika neljä minuuttia.

Työn toisessa vaiheessa [3] vertailtiin nykyistä kuumennusmenetelmää maakaasun happipolttoon ja selvitettiin korkeisiin lämpötiloihin kehitettyjen teräslajien hilsettymistä prosessiolosuhteissa. Erityisesti piin vaikutus pinnan hapettumista rajoittavana tekijänä havaittiin tässä tutkimuksessa selkeästi. Näissä kahdessa vaiheessa muodostuneiden hilseiden poistoa tutkittiin elektrolyyttipeittaamalla pinnat Oulun yliopiston Kestävän kemian tutkimusyksikössä, mikä tuotti merkittävää tietoa hilseen ominaisuuksien vaikutuksista hilseenpoistoon. Peittaustulokset osoittivat, että lyhyet pitoajat uunissa suosivat peittautumisen onnistumista. Piin hapettuminen hehkutuksessa taas heikentää huomattavasti hilseen poistoa.

Työn seuraavassa osiossa [4] siirryttiin kuumennusmenetelmässä vedyn käyttöön polttoaineena, ja sitä vertailtiin maakaasupolttoisiin menetelmiin. Tutkimustulokset osoittivat, että jo loppuhehkutuksen lyhyissä kuumennuksissa kuumennusmenetelmän vaihdolla on merkittävämpi vaikutus teräspinnan hilsettymiseen austeniittisella AISI 304-lajilla verrattuna ferriittiseen AISI 441-lajiin. Aihion kuumennuksen olosuhteissa [5] vastaavan kuumennusmenetelmien siirtymisen vedyn happipolttoon havaittiin jopa nelinkertaistavan hilseen muodostumisen austeniittisella AISI 301-lajilla. Vain 50 asteen muutos uunin maksimilämpötilassa aiheutti merkittäviä muutoksia pinnan hilseen rakenteessa ja määrässä käytettäessä vedyn happipolttokuumennusta.

Väitöstyön tulokset osoittivat, että prosessiuunien kuumennusmenetelmien siirtyminen kohti vedyn käyttöä sekä happipolttoa kasvattavat merkittävästi hilseen muodostumista teräksen pintaan. Vaikka vetypoltto mahdollistaisikin suuremmat kuumennusnopeudet, tällaista muutosta prosessien kulussa ei ole aina mahdollista toteuttaa. Siten tutkimus hilseen muodostumisen muutoksista tuottaa tietoa hilsetappioiden kasvusta sekä hilseenpoiston tulevista haasteista.

Väitöksen kulku

Syyskuun 6. päivänä pidetyn väitöstilaisuuden vastaväittäjänä toimi professori Daniel Lindberg Aalto-yliopistosta. Lindberg oli toiminut aiemmin vastaväittäjänä Aleksi Laukan väitökselle [6], joka koski mikroseostuksen vaikutusta hilseenmuodostukseen aihionkuumennuksessa, ja Lindberg oli siten luonteva valinta Airaksisenkin vastaväittäjäksi. Tilana toimi 5D105.

Suomeksi käytävä väitöstilaisuus on yleisölle aina helpompi seurata. Siten ei ollut yllättävää, että väittelijän, kustoksen ja vastaväittäjän saapuessa väitöstilaan heitä odotti täysi sali kuulijoita niin yliopistosta kuin teollisuudestakin. Kustoksena ja väitöstyön pääohjaajana toiminut professori Timo Fabritius julisti tilaisuuden alkaneeksi (kuva 1). Keskustelu lähti liikkeelle terästeollisuuden yleisistä kehitystrendeistä. Pian käytiin jo läpi hilsepintaa tarkastelevia FESEM-kuvia ja syvyyssuuntaisia GDOES-menetelmällä saatuja alkuaineprofiileja. Keskusteltiinpa lopulta mallinnusmahdollisuuksistakin.

Kuva 1. Kustoksena toiminut professori Timo Fabritius julistaa väitöstilaisuuden alkaneeksi.

Lopulta saavuttiin työn johtopäätöksiin, joista käydyn keskustelun jälkeen vastaväittäjä esitti väitöskirjan hyväksymistä kiitellen erityisesti kokeellisen aineiston laajuutta. Yleisöstäkään ei herännyt kysymyksiä, joten kustos päätti tilaisuuden ja väittelijä toivotti osallistujat tervetulleeksi kakkukahveille. Väittelijä, vastaväittäjä ja tilaisuuden valvojana toiminut kustos saivat hengähtää tyytyväisinä ennen karonkkaan suuntaamista (kuva2). Lopuksi voidaan todeta, että Airaksisen väitöstutkimus on jälleen uusi etappi Oulun yliopiston hilsetutkimuksessa, joka jatkuu useissa kansallisissa ja kansainvälisissä hankkeissa. ▲

Kuva 2. Vastaväittäjä professori Daniel Lindberg, tuleva tekniikan tohtori Susanna Airaksinen ja kustos professori Timo Fabritius tyytyväisinä hyvin sujuneen väitöksen jälkeen.

TEKSTI: VILLE-VALTTERI VISURI JA SUSANNA AIRAKSINEN

Viitteet

[1] S. Airaksinen, “Oxide scale formation of stainless steel in transition of annealing and reheating towards fossil-free methods”, väitöskirja, Oulun yliopisto, 2024.

[2] S. Airaksinen, T. Tuovinen, A. Laukka, T. Vuolio, E.-P. Heikkinen, E. Riekki, T. Manninen, T. Fabritius, “Effect of Simulated Annealing Conditions on Scale Formation and Neutral Electrolytic Pickling”, Steel Research International, 92(3): 2000449, 2020.

[3] S. Airaksinen, T. Tuovinen, T. Vuolio, A. Laukka, E.-P. Heikkinen, E. Riekki, T. Fabritius, “Oxide Scale Formation of EN 1.4622 and EN 1.4828 Stainless Steels during Annealing and Descaling Behavior in Neutral Electrolytic Pickling”, Steel Research International, 93(1): 2100366, 2022.

[4] S. Airaksinen, A. Laukka, E.-P. Heikkinen, E. Riekki, T. Fabritius, “From Fossil-Fueled to Hydrogen-Fueled Annealing Furnaces: Effects on the Oxidation of Stainless Steels”, Steel Research International, 94(5): 2200305, 2023.

[5] S. Airaksinen, J. Haapakangas, A. Laukka, E.-P. Heikkinen, T. Fabritius, “Oxide Scale Formation of Stainless Steels with Different Heating Methods – Effect of Hydrogen as Fuel”, Steel Research International, 95(1): 2300334, 2023.

[6] A. Laukka, “The effects of microalloying on the scale formation of AISI 304 stainless steel in walking beam furnace conditions”, väitöskirja, Oulun yliopisto, 2020.