Teräskirja by TechFinland

TerĂ¤skirja

Teräskirja 9. painos Julkaisija ja kustantaja: Metallinjalostajat ry Paino: Bookwell Oy, 2014 ISBN 978-952-238-120-0 (painettu) ISBN 978-952-238-121-7 (sähköinen) Kansikuva Materiaalinsiirron valvoja Mari Kalasniemi työskentelee Tornion terästehtaalla. Taustalla on ruostumatonta teräsnauhaa. Suurimpien kelojen paino on noin 20 tonnia.

Alkulause 9. painokseen Teräskirjan julkaisija on Metallinjalostajat ry. Sen jäsenet valmistavat, muokkaavat teräksiä ja muita metalleja sekä kehittävät ja markkinoivat niiden jalostukseen liittyviä teknologioita. Yhdistys on Teknologiateollisuuden toimialayhdistys ja edustaa merkittävää osaa koko Suomen tavaraviennistä. Metallien jalostus Suomessa on globaali ekoteko. Tämä yhdistyksen viesti kertoo, että ympäristö- ja ilmastoasioiden hyvä hoito on pitkään ollut yrityksille painopiste. Kaikki Suomen metallien jalostajat ovat sitoutuneet kestävän kehityksen periaatteiden noudattamiseen. Ympäristöasioiden hoidossa yritykset ovat

edelläkävijöitä, mutta metallien valmistuksella on vääjäämättä myös ympäristövaikutuksia. Millaisiksi ne muodostuvat riippuu paljon korkeasta teknologisesta osaamisesta ja halusta toimia vastuullisesti. Teräskirja on tarkoitettu oppikirjaksi ammatillisen ja teknisen koulutuksen kaikille tasoille sekä terästeollisuuden sisäiseen koulutukseen ja perehdyttämiseen. Edellisten painosten tavoin kirjassa on otettu huomioon terästehdastekniikan kehittyminen ja maamme terästeollisuuden erityispiirteet. Uutena aiheena on esitelty tietotaitoa ja siihen perustuvaa liiketoimintaa. On-

han yksi maailman johtavista kaivosja metallurgisten prosessien teknologiatoimittajista suomalainen. Kirjan toimittaja on DI Seppo Härkönen ja graafinen suunnittelija Jaan Seitsara. Kirja ilmestyy painettuna ja verkkoversiona. Keskeinen kuvamateriaali on sijoitetettu Metallinjalostajien kuvapankkiin, josta se on saatavilla esimerkiksi opetuskäyttöön. Kiitämme lämpimästi kaikkia tämän painoksen toimittamiseen osallistuneita asiantuntijoita sekä alamme korkeakouluja. Helsingissä marraskuussa 2014 Metallinjalostajat ry

Sisällysluettelo Mitä teräs on? Teräs-metalli Perusmenetelmät teräksen valmistamiseksi Malmien louhinta ja rikastus Rikasteen agglomerointi Raudan valmistus masuunissa Koksi Vaihtoehtoiset raudanvalmistusmenetelmät Teräksen valmistus raakaraudasta Teräksen valmistus kierrätysteräksestä Ruostumattoman teräksen valmistus Ferroseokset Eri teräsprosessien vertailua Sulan teräksen jatkokäsittelyt Aihioiden valu Kuumavalssaus

2 4 9 12 18 20 30 31 35 37 39 42 44 45 48 51

Valssauskalusto Terästen lämpökäsittelyt Niukkaseosteisten terästen kylmävalssaus Ruostumattoman teräksen kylmävalssaus Langan ja tangon veto Kuumataonta Teräsvalu Teräsputket Tulenkestävät aineet Teräksen laadusta vastaa jokainen sen tekijä Prosessiautomaatio Kehitystoiminta ja tietotaito liiketoimintana Terästehtaan muut toiminnot Terästeollisuus ja ympäristö Yritystiedot

61 63 68 72 74 78 80 85 92 94 97 100 104 106 110

Mitä teräs on? Teräs on aikamme tärkein käyttömetalli. Syömme teräksestä tehdyillä ruokailuvälineillä. Kulkuneuvomme ovat pääosin terästä. Terästä on monenlajista ja -laatuista. Sen ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa käyttötarkoituksen mukaan.

Esimerkiksi keittiövälineet ovat ruostumatonta terästä. Auton vaihdelaatikon hammaspyörät ovat kovaa, sitkeää ja kulutusta kestävää terästä. Laivanrakennuksessa käytettävien terästen yksi tärkeimpiä ominaisuuksia on hyvä hitsattavuus.

Teräs on parhaita esimerkkejä kierrätyksen hyödyntämisestä. Terästä tuotetaan maailmassa vuosittain noin 1 600 miljoonaa tonnia. Noin 40 % tästä tehdään kierrätysteräksestä, jolloin malmivaroja ja energiaa säästyy.

Teräs – metalli Teräs on raudan ja hiilen seos, jonka hiilipitoisuus on pienempi kuin 2 %. Tätä suuremman hiilipitoisuuden omaavat seokset luokitellaan valuraudoiksi. Teräkset sisältävät tavallisesti myös seosaineita, jotka vaikuttavat teräksen ominaisuuksiin joko suoraan tai muuttamalla teräksen mikrorakennetta.

Kuva 1.1 Metallin kidehila.

Teräksen kiteinen rakenne Metalli jähmettyy sulasta tilasta kiteiseen muotoon. Kiteinen rakenne muodostuu säännönmukaisista atomiryhmitelmistä, jotka muodostavat kidehilan (kuva 1.1). Atomien väliset voimat metallikiteessä sallivat kidehilan atomitasojen liukua toisiinsa

Kuva 1.2 Tilakeskinen kuutiollinen kidejärjestelmä.

nähden kiderakenteen rikkoutumatta. Tähän perustuu metallien hyvä muokattavuus. Raudalla on kaksi eri kidemuotoa, pintakeskinen ja tilakeskinen kuutiohila. Pintakeskisessä hilassa rau-

ta-atomit sijoittuvat kuution kulmien lisäksi kuution sivutahkojen keskipisteisiin, tilakeskisessä hilassa kuution keskelle (kuva 1.2 ). Pintakeskistä rakennetta kutsutaan austeniitiksi ja tilakeskistä ferriitiksi.

Pintakeskinen kuutiollinen kidejärjestelmä.

Teräksen mikrorakenne Jähmettymisessä syntyvä kiderakenne ei ulotu yhtenäisenä teräskappaleen läpi, vaan kiderakenne jakautuu pienempiin osiin, joita erottaa toisistaan epäjärjestynyt vyöhyke, raeraja. Raerajat jakavat kiderakenteen yksityisiin rakeisiin. Rakeiden koko ja muoto vaikuttavat suuresti teräksen ominaisuuksiin (kuva 1.3). Hiili ja seosaineet voivat olla teräksessä joko liuenneina rauta-atomien muodostamaan kidehilaan tai kemiallisina yhdisteinä, jolloin ne muodostavat erillisiä kiteitä tai sulkeumia rakeiden sisään. Tällaisia hiilen ja jonkin metallin muodostamia yhdisteitä kutsutaan yhteisellä ni-

mellä karbideiksi. Tyypillisin karbidi on raudan ja hiilen muodostama sementiitti (Fe3C). Seosaineet voidaan jakaa kahteen ryhmään, karbideja muodostaviin ja sellaisiin, jotka eivät muodosta karbideja. Tärkeimmät ensiksi mainittuun ryhmään kuuluvista seosaineista ovat kromi, molybdeeni, vanadiini ja wolframi. Mangaani, nikkeli, pii, alumiini ja kupari ovat yleisimpiä jälkimmäiseen ryhmään kuuluvista seosaineista. Karbidien lisäksi teräksessä esiintyy monia muita kemiallisia yhdisteitä erilaisina sulkeumina ja erkaumina. Tällaisia ovat oksidit, sulfidit, silikaatit ja nitridit ja niiden yhdistelmät.

Kuva 1.3 Teräksen hiottua pintaa mikroskoopilla katsottuna, ns. pintahiettä, joka voidaan syövyttää niin, että raerajat korostuvat.

Kuonasulkeumat Oksideja, sulfideja ja silikaatteja kutsutaan yhteisellä nimellä kuonasulkeumiksi. Yleensä ne ovat haitallisia teräksen ominaisuuksia ajatellen. Erityisen haitallisia ovat suuret oksidisulkeumat, joilla on väsymislujuutta heikentävä vaikutus (kuva 1.5). Kuumavalssauksessa litteiksi nauhoiksi muovautuvat sulfidit puolestaan heikentävät valssaustuotteiden poikittais- ja paksuussuuntaista sitkeyttä.

Epämetalliset sulkeumat teräksessä eivät välttämättä aina ole haitallisia. Lastuavaa työstöä kuten sorvausta, porausta ja jyrsintää on voitu tehostaa muuntamalla teräksen valmistusvaiheessa sulkeumat edulliseen muotoon. Tällöin ne ovat ikään kuin voiteluainetta kovan teräksen ja terän välissä.

Teräksessä olevat rikki ja fosfori ovat yleensä haitallisia epäpuhtauksia, joiden pitoisuudet pyritään pitämään mahdollisimman pieninä. Rikki muodostaa teräksessä rautasulfidia (FeS), mikä aiheuttaa kuumahaurautta. Mangaani sitoo rikin vähemmän haitalliseksi mangaanisulfidiksi (MnS).

Kuva 1.4 Pitkiksi venyneitä sulfidisulkeumia teräksessä.

Kuva 1.5 Oksidisulkeumia.

Kuva 1.6 Oksidisulkeumia tutkitaan elektronimikroskoopilla.

Hiili teräksessä Hiilellä on teräksen seosaineena erikoisasema. Suuremman hiilipitoisuuden omaavien terästen vetolujuus on korkeampi, mutta sitkeys heikompi (kuva 1.8). Jos A3-lämpötilan (750...920 °C), ks. kuva 1.14, yläpuolelle kuumennettu teräs jäähdytetään nopeasti, se karkenee eli mikrorakenne muuttuu kovaksi marten-

siitiksi (kuva 1.7). Martensiitti on sitä kovempaa, mitä suurempi on teräksen hiilipitoisuus. Karkaistava teräs sisältää usein kromia, nikkeliä, wolframia, molybdeenia, vanadiinia ja booria, jotka parantavat teräksen karkenevuutta. Ks.Terästen lämpökäsittelyt, s. 63. Kuva 1.9 Austeniittia.

Kuva 1.10 Ferriittiä, joka on lähes hiiletöntä rautaa. Kuva 1.7 Martensiittia.

Vetomurtolujuus

Kuva 1.11 Täysin perliittinen rakenne, hiiltä 0,8%.

Sitkeys 0,4

0,8

1,2

Hiilipitoisuus Kuva 1.12 Perliittis-ferriittinen rakenne, hiiltä 0,5 %. Kuva 1.8 Teräksen vetolujuuden ja sitkeyden riippuvuus hiilipitoisuudesta.

Kuva 1.13 Raerajasementiittiä perliittisessä rakenteessa.

Rauta-hiili-tasapainopiirros Rauta-hiili-tasapainopiirroksesta (kuva 1.14) voidaan päätellä, millaiseksi teräksen mikrorakenne muodostuu eri hiilipitoisuuksilla ja eri lämpötiloissa. Vaikka tasapainopiirros on laadittu puhtaille rauta-hiiliseoksille, pitää se hyvin paikkansa vielä 5…6 % seosainepitoisuuksiin saakka. Alhaisilla hiilipitoisuuksilla rauta on huoneenlämpötilassa aina ferriitin muodossa (kuva 1.10). Ferriitti on pehmeää, sitkeää ja muovautuvaa. Kun hiilipitoisuus ylittää 0,05 % C,

alkaa rakenteessa esiintyä ferriitin rinnalla ferriitistä ja sementiitistä (Fe3C) muodostuva rakenneosa, jota kutsutaan perliitiksi (kuvat 1.11 ja 12). Perliitillä on hyvä vetolujuus, mutta se ei ole yhtä muovautuvaa kuin ferriitti. Kun puhdasta rautaa kuumennetaan yli 911 ºC:n, kidemuoto muuttuu austeniitiksi (kuva 1.9). Toisin kuin ferriitti voi austeniitti liuottaa itseensä huomattavan määrän hiiltä. Samalla austeniitin pysyvyysalue siirtyy alempiin lämpötiloihin päin.

Austeniitin hajautuessa syntyy alle 0,8 % hiilipitoisuuksilla ferriittis-perliittinen mikrorakenne, jossa perliitin osuus lisääntyy hiilipitoisuuden kasvaessa. Hiilipitoisuuden ollessa 0,8 % C, on mikrorakenne kokonaan perliittistä (kuva 1.11). Hiilipitoisuuden ollessa yli 0,8 %, sementiittiä esiintyy paitsi perliittisessä perusrakenteessa myös raerajoilla raerajasementiittinä (kuva 1.13). Raerajasementiitti on kovaa ja erittäin haurasta. Tällaisessa tilassa teräs on haurasta ja se on lämpökäsiteltävä ennen käyttöä.

Lämpötila °C

1200

1000 Acm A3 800 A1

600

Hiilipitoisuus % 400 1

3 Kuva 1.14

Rauta-hiili-tasapainopiirros, (osa).

Terästen luokitus ja standardisointi Tavallisesti teräkset luokitellaan käyttötarkoituksen mukaan. Tällaisia luokkia ovat mm. yleiset rakenneteräkset, koneenrakennusteräkset, työkaluteräkset ja ruostumattomat teräkset. Useimmat teräslajit on standardisoitu, eli niiden koostumuksesta ja tuoteominaisuuksista on laadittu ja

vahvistettu standardi. Tällöin teräksen valmistaja ja käyttäjä tietävät aina, mistä teräksestä ja minkälaisista ominaisuuksista on kysymys, kun tiettyyn terässtandardiin viitataan. Standardeja on alunperin laadittu kansallisella pohjalta, esimerkiksi suomalaiset SFS- ja saksalaiset DIN-standardit.

Kansalliset standardit on korvattu 1990-luvulta lähtien eurooppalaisilla EN-standardeilla. Ne laatii Euroopan standardisointijärjestö CEN, jonka jäseniä ovat kaikki EU-maat sekä muutamia muita maita, mm. Norja. Myös kansainvälisiä ISO-terässtandardeja on viime aikoina ryhdytty laatimaan. Niiden käyttö tullee laajenemaan.

Ominaisuuksien säätely Teräksiin voidaan saada erilaisia erityisominaisuuksia lisäämällä niihin seosaineita. Sopivilla seostuksilla voidaan vaikuttaa niukkaseosteis-

ten terästen sitkeyteen, lujuuteen, kuumalujuuteen, työstettävyyteen ja myös muihin käyttöominaisuuksiin. Seostuksen lisäksi teräksen ominai-

• sulan teräksen käsittely ennen valua • kuumavalssaus • lämpökäsittely • kylmämuokkaus ja • pintakäsittelyt.

Kuva 1.15 Induktiokarkaisussa kuumennetaan teräskappaleen pintaa muutaman millimetrin syvyydeltä ja karkaistaan välittömästi vesisuihkulla.

suuksiin voidaan vaikuttaa erilaisilla käsittelyillä. Tällaisia ovat mm.:

Perusmenetelmät teräksen valmistamiseksi Noin 60 % maailman terästuotannosta käyttää raaka-aineenaan rautamalmia. Valmistuksessa on välituotteena raakarauta. Valtaosa malmipohjaisen teräksen valmistuksesta tapahtuu sivun 10 kuvassa vasemmalla esitetyn kaavion mukaisesti. Välituote tässä prosessissa on runsaasti (4…5 %) hiiltä sisältävä sula raakarauta. Rauta käytetään suoraan sulana teräksen valmistukseen. Konvertteriprosessissa poltetaan hapen avulla pois ylimääräinen hiili, samalla syntyy lämpöä. Sulan liiallinen kuumeneminen estetään siihen lisättävällä kierrätysteräksellä. Myös muita teräksen ominaisuuksiin haitallisesti vaikuttavia aineita kuten fosforia poistuu valmistusprosessin aikana. Epäpuhtauksien vähentämiseksi ja teräksen puhtauden parantamiseksi suoritetaan yleensä senkkakäsittelyjä valusangossa. Samaten koostumus täsmätään lisäämällä seosaineita ja teräksen lämpötila säädetään oikeaksi valua varten. Suurimpien valmistusyksiköiden tuotantokyky on 4…5 miljoonaa tonnia vuodessa.

läntisissä teollisuusmaissa loppunut 1980-luvun alussa, syynä huono tuottavuus ja korkeat valmistuskustannukset. SM-uuneissa polttoaine oli öljy tai kaasu, valokaariuunissa pääasiallinen energian lähde on sähkö. Sulatusta voidaan nopeuttaa puhaltamalla panokseen happea tai kaasuja.

Lähes puolet maailman terästuotannosta valmistetaan kierrätysteräksestä. Pääosa kierrätysteräksestä sulatetaan ja jalostetaan uudelleen käyttökelpoiseksi teräkseksi valokaariuunissa, mutta osa siitä sulatetaan konverttereissa jäähdytystarkoituksessa.

Suomessa Raahen terästehtdas valmistaa terästä malmista. Raahessa raudan valmistusyksiköitä eli masuuneja on kaksi. Teräksen tuotantokapasiteetti Raahessa on yhteensä noin 3 miljoonaa tonnia.

Suurimpien valokaariuunien tuotantokyky on yli 1 milj. tonnia vuodessa. Runsasseosteiset teräkset, joita valmistettaessa tarvitaan lisäenergiaa seosaineiden sulattamiseen, tehdään yleisesti valokaariuunissa. Siemens-Martin-menetelmä oli vallitseva kierrätysteräksen sulatukseen perustuva teräksen valmistusprosessi 1900-luvun puoliväliin asti. SM-menetelmän käyttö on

Pieni osa raudasta valmistetaan malmista suorapelkistysmenetelmällä. Tällöin toimitaan oleellisesti alemmissa lämpötiloissa eikä runsashiilistä raakarautaa synny. Suorapelkistyksessä rauta pelkistyy oksidista kiinteässä tilassa. Se sulatetaan ja jalostetaan teräkseksi valokaariuunissa. Yhteen suorapelkistysyksikköön perustuvan prosessiketjun kapasiteetti rajoittuu 500 000 … 1 000 000 t vuodessa. Suuremmille tuotannoille tarvitaan useampia rinnakkaisia yksikköjä. Suorapelkistyslaitoksia Suomessa ei ole.

Imatran terästehdas valmistaa terästä valokaariuunilla kierrätysteräksestä. Imatran terästehtaan tuotantokapasiteetti on 350 000 tonnia.

Kuva 2.1 Rautamalmien petauskenttä.

Kuva 2.2 Kierrätysterästä.

Tornion terästehdas valmistaa ruostumatonta terästä sulattamalla kierrätysterästä kahdessa valokaariuunissa ja lisäämällä siihen sulaa ferrokromia. Mellottaminen hyvin matalaan hiilipitoisuuteen tapahtuu AODkonvertterissa. Tornion terästehtaan tuotantokapasiteetti on 1,6 miljoonaa tonnia.

Teräksen valmistus malmista

Rautapellettejä koksia

Raakateräs

Raakarauta Konvertteri Masuuni

Teräksen valmistus kierrätysteräksestä

Kierrätysterästä

Valokaariuuni

Raakateräs

Ruostumattoman teräksen valmistus

Kierrätysterästä

Valokaariuuni

Ferrokromia ja muita seosaineita

Sulaa FeCr

FeCr-konvertteri

AOD-konvertteri

Raakateräs

Sulan käsittely (vaihtoehtoja ja yhdistelmiä)

Aihioiden valu ja valssaus Sula teräs valetaan jatkuvavalukoneella aihioiksi, jotka edelleen valssataan levyiksi, nauhoiksi, tangoiksi, profiileiksi tai langoiksi. Jatkuvavalu on lähes syrjäyttänyt perinteisen valannevalun. Vuodesta 1991 lähtien Suomessa on käytössä vain jatkuvavalua. Koko maailman terästuotannosta jatkuvavalun osuus on 87 %.

Tyhjökäsittely

Seosaineet

Poistokaasut

Argon

CAS-OB

Jatkuvavalu

Langansyöttö

Senkkauuni Valssaus

Malmien louhinta ja rikastus Teräksen raaka-aineiden esiintyminen luonnossa Malmi on metalleja sisältävä mineraaliesiintymä, jonka louhiminen on taloudellisesti kannattavaa. Teräksen valmistuksen kannalta tärkeimpiä malmeja ovat rauta-, kromi- ja nikkelimalmit. Rautaa on maankuoressa keskimäärin 4,7 %. Sitä on monissa maankuoren mineraaleissa. Niitä mineraaleja, joissa rauta on pääaineosa, nimitetään rautamineraaleiksi. Tärkeimmät

rautamineraalit ovat raudan ja hapen yhdisteitä eli rautaoksideja. Raudan ja rikin muodostamaa sulfidimineraalia, pyriittiä, käytetään yleisesti raaka‑aineena rikkihappotehtaissa. Sivutuotteena syntyy rautaoksidia. Myös tätä pyriitistä syntynyttä rautarikastetta on käytetty Suomessa raudan valmistukseen.

tia, mutta on vain heikosti magneettinen. Koostumukseltaan se on suunnilleen FeCr2O4. Euroopan suurin kromimalmiesiintymä on Keminmaalla. Toinen merkittävä Suomessa teräksen valmistukseen käytettävä malmi on Sotkamon Talvivaaran nikkeli- ja mangaanipitoinen mustaliuske.

Kromin ainoa malmimineraali on kromiitti. Se muistuttaa magnetiit-

Rauta- ja kromimalmit Rautamalmit ovat rautamineraaleja sisältäviä esiintymiä, joissa rautapitoisuus on niin korkea (min. 30 %), että louhinta on taloudellisesti kannattavaa. Tärkeimmät rautamalmimineraalit ovat magnetiitti ja hematiitti. Magnetiitti vastaa kemiallista yhdistettä Fe3O4 . Puhdas magnetiitti sisältää 72 % rautaa. Nimensä mukaisesti magnetiitti on voimakkaasti

Kuva 3.0 Kaivoskuormaaja.

magneettinen mineraali. Puhtaassa hematiitissa, Fe2O3, rautapitoisuus on 70 %. Hematiitti on vain hyvin heikosti magneettinen. Kaivos muodostuu kuiluista ja eri tasoissa olevista käytävistä, joita myöten saavutetaan louhintakelpoiset osat malmista. Rautamalmit esiintyvät peruskalliossa usein laajoina muodostumina. Maan pintaan asti

ulottuva malmi voidaan louhia avolouhoksena. Pohjoismaissa tärkeimmät rautamalmit ovat kuitenkin niin syvällä, että ne joudutaan louhimaan maanalaisina kaivoksina(kuva 3.1). Kemin kromimalmin louhinta aloitettiin vuonna 1965 avolouhoksena, mutta vudesta 2006 lähtien kaikki malmi on louhittu maanalaisesta kaivoksesta.

Avolouhos

Ilmanvaihtokuilu

Rikastamo

Nostokuilu

Maanalainen vĂ¤litasolouhinta

Kaatokuilu

Karkeamurskaus

Malmihissi

Kuva 3.1 Malmikaivos.

Rikastus Malmi sisältää metalli‑ ja sivukivieli harmemineraaleja (kuvat 3.2 ja 3.3). Jos metallipitoisuus on riittävän korkea, malmi voidaan käyttää sellaisenaan ns. palamalmina murskauksen ja seulonnan jälkeen. Usein malmin metallipitoisuus on merkittävästi pienempi kuin puhtaiden mineraalien, ja malmi on rikastettava ennen käyttöä. Joissakin tapauksis-

sa riittää, että vain malmimurske rikastetaan erottamalla runsaasti metallimineraaleja sisältävät kappaleet sivukivestä. Tavallisimmin malmi rikastusta varten murskataan ja jauhetaan sellaiseen hienouteen, että metalli‑ ja sivukivimineraalirakeet ovat erillään toisistaan. Tämän jälkeen suoritetaan metalli‑ ja sivukivimineraalien erotus (kuvat 3.5 - 3.10).

Sivukiven koostumus vaihtelee suuresti sen mukaan, kuinka malmi on muodostunut. Sivukivi sisältää tavallisia alkuaineita kuten piitä, kalsiumia, magnesiumia, alumiinia jne. happeen yhdistyneenä ja keskenään erilaisia mineraaleja muodostaen.

Metallimineraalia

Sivukiveä

Murskaus ja jauhatus Kuva 3.2 Magnetiitti

Rikastus

Kuva 3.3 Malmikivi murskataan ja jauhetaan niin hienoksi, että malmimineraali- ja sivukivirakeet ovat erillisiä. Tämän jälkeen ne erotellaan.

Lohkareiden syöttö

Leukamurskain

Metallimineraalia

Karamurskain

Seulottu murske Kuva 3.4 Siirrettävä murskausasema. Ensimmäinen murskausvaihe leukamurskaimella, sitten seulonta ja murskaus karamurskaimella. [Metso Minerals]

Sivukiveä

Seulonta

Murskaus ja jauhatus Louhitut kivet murskataan leuka- ja karamurskaimilla. Murskeet seulotaan ja suuremmat rakeet palaute-

taan uudelleen murskattaviksi. Jauhatukseen käytetään tankoja kuulamyllyjä. Ne ovat pyöriviä lieriöitä,

joissa jauhinkappaleina on terästankoja tai –kuulia. Jauhatus voidaan tehdä kuivana tai märkänä.

Syöte

Kuva 3.5 Tankomylly märkäjauhatuksessa

Jauhetun materiaalin poisto

Magneettinen rikastus Magnetiittimalmien rikastukseen käytetään heikkomagneettisia menetelmiä. Hematiittimalmien rikastukseen on kehitetty vahvamagneettisia menetelmiä. Kummassakin tapauksessa erottimia on kahta tyyppiä, kuivaerottimia ja märkäerottimia. Kuivaerottimia käytetään palamalmin rikastukseen ja malmimurskeen esirikastukseen ennen jauhatusta. Märkäerottimia käytetään veteen lietetyn, jauhetun malmin rikastukseen.

Rummun pyörimissuunta, magneetit kiinteät

Heikkomagneettiset jauheet rikastetaan märkinä lietteinä rumpuerottimissa. Näissä rumpu sisällä olevi-

ne kestomagneetteineen pyörii erotusaltaassa ja nostaa magneettiset rakeet eroon sivukivirakeista (kuva 3.7). Rikastus tapahtuu yleensä monivaiheisesti. Malmi jauhetaan asteittain hienommaksi ja hienommaksi, jokaisen jauhatusvaiheen jälkeen erotus suoritetaan 2…4 peräkkäisellä erottimella. Vain rikaste ohjataan seuraavaan jauhatusvaiheeseen. Lietteen vesimäärää lisätään jokaisessa jauhatusvaiheessa.

Rummun pyörimissuunta, magneetit kiinteät

Magneetteja

Jäte

Magnetiittimalmin kuivaerotuksessa käytetään rumpuerottimia, joissa pyörivän rummun sisällä on kiinteät kesto‑ ja sähkömagneetit. Murske syötetään rummulle, jolta sivukivi putoaa suoraan alas. Magneettinen osa eli rikaste seuraa rumpua kunnes se on sivuuttanut magneettien vaikutuskentän (kuva 3.6).

Rikaste

Kuva 3.6 Magneettinen kuivaerotin.

Magneetteja

Jäte

Rikaste

Kuva 3.7 Magneettinen märkäerotin.

Ominaispainoerotus Kemin kromiittimalmi on heikosti magneettista. Sitä voidaan edullisesti rikastaa käyttäen hyväksi sen suurta ominaispainoa, n. 4,7 kg/dm3. Koska malmi- ja harmerakeet ovat eri painoisia, ne vajoavat eri nopeudella nesteessä eli väliaineessa. Väliaineen tiheyttä voidaan vielä säätää tekemällä siitä liete, jonka tiheys on malmimineraalin ja harmemineraalin välillä. Tyypillisiä väliaineita ovat vesi ja piirautaliete. Kemissä käytetään karkean (10…100 mm) kromiittimalmin rikastuksessa erotusrumpua ja hienomman (0,1…0,7 mm) kromiitin rikastuksessa spiraalierotusta. Välikokoa olevat rakeet jauhetaan hienommiksi spiraalierotukseen sopivaksi.

Erotusrumpu Erotusrummussa syöte jaetaan kahteen osaan: kelluvaan (float) ja uponneeseen (sink) jakeeseen. Erotusrummussa käytetään väliaineena veden ja piiraudan seosta, jonka tiheys on huomattavasti veden tiheyttä korkeampi. Erotusrummussa malmi ja piirautaliete syötetään hitaasti pyörivään rumpuun, jossa piirautalietettä kevyempi kromiittiköyhä aines kelluu ja poistuu rummusta ylivuotona. Raskas kromiittipitoinen materiaali (rikaste) laskeutuu rummun pohjalle, josta se nostetaan nostajilla ulos johtavaan kouruun (kuva 3.8).

Spiraalierotin Spiraalierotin on kierteelle taivutettu kouru, jota pitkin liete virtaa painovoiman vaikutuksesta alaspäin. Spiraalissa raskaat partikkelit jäävät kierteen sisäreunalle ja kevyet partikkelit sekä vesi kulkeutuvat spiraalin ulkokierteelle (kuva 3.9). Spiraalien erottelukykyyn vaikuttavat partikkelien raekoko, ominaispaino sekä lietteen litrapaino.

Pyörimissuunta

FeSi-liete

Syöte

Kelluva jae, sivukivi

Kuva 3.8 Erotusrumpu

Uponnut jae, rikaste

Suurimman virtausnopeuden alue Erotusvyöhyke

Spiraalin keskipalkki

Korkean veden alue

Siirtymisvyöhyke Raskaiden rakeiden kerääntyminen

Rikastekouru

Pieni ominaispaino Suuri ominaispaino Kuva 3.9 Spiraalierottimen toimintaperiaate ja ryhmä erottimia.

Vaahdotus Vaahdotus on hienojakoisten malmien tärkeimpiä rikastusmenetelmiä. Vaahdotus tapahtuu malmilietteellä täytetyissä säiliöissä, vaahdotuskennoissa. Kennon keskelle johdetaan

Rikaste

ilmaa ja kennossa olevien sekoittimien pyöriessä syntyy ilmakuplia. Sopivan lisäaineen avulla saadaan tietyt malmirakeet kiinnittymään ilmakupliin ja kohoamaan pinnalle, josta ne

Ilmaa

kuoritaan pois. Rakeet, jotka eivät ko. olosuhteissa kiinnity ilmakupliin, laskeutuvat kennon pohjalle ja poistetaan kennosta lietteenä.

Rikaste

Syöttöputki

Jäteputki

Kuva 3.10 Vaahdotuskenno

Rikasteen agglomerointi Rautamalmi murskataan ja jauhetaan hienoksi, jotta se voidaan rikastaa riittävän korkeaan rauta- ja alhaiseen sivukivipitoisuuteen. Hienojakoista rikastetta ei voida käyttää sellaisenaan raudan valmistukseen,

vaan rikaste on saatettava kappalemuotoon eli se on agglomeroitava. Menetelmät ovat sintraus, pelletointi ja briketointi. Sintraus on jäämässä pois käytöstä Suomessa. Pelletointilaitokset sijaitsevat yleensä kai-

vosten yhteydessä kuten LKAB:lla Ruotsissa Malmbergetissä ja Kiirunassa. Sintraamot sitä vastoin rakennetaan terästehtaiden yhteyteen. Pelletti (kuva 4.4) on vain vähän lisäaineita sisältävä, tiivis rikastekuula.

Kuva 4.4 Pellettejä. Suomen masuunit käyttävät rautaraakaaineenaan yksinomaan rikastepellettejä ja brikettejä.

Pelletointi Pelletointi kehitettiin alun perin köyhiä malmeja varten. Köyhän malmin rikastamiseksi malmi jouduttiin jauhamaan niin hienoon raekokoon, ettei rikaste soveltunut sellaisenaan sintrattavaksi. Pelletoimalla materiaali suurempaan kappalekokoon se oli mahdollista sintrata ja näin saavuttaa materiaalille riittävät ominaisuudet masuuniin panostettavaksi. Nykyisin pelletointia käytetään myös rikkaille malmeille. Hienonnus ja rikastus mahdollistavat haitta-aineiden kuten fosforin ja alkaalien alhaisemmat pitoisuudet sekä

korkealaatuisten ja lujien teräslajien valmistuksen. Rikaste saadaan useimmiten lietteenä ja siitä joudutaan ennen pelletointia erottamaan vesi. Vedenerotuksen jälkeen rikasteeseen seostetaan lisäaineet. Seoksen kosteus säädetään sopivaksi, jotta materiaali on pelletoituvaa. Pelletointi tehdään joko pyörivässä rummussa tai kaltevassa asennossa pyörivällä lautasella, jossa seoksesta syntyy 8…13 mm:n kokoisia kuulia. Pelletointirummun tuotetta kutsutaan tuorepelleteiksi (Green pellet), sillä ne ovat

kosteita ja tällaisenaan niiden lujuus ei vielä riitä panostettavaksi masuuniin. Tämän vuoksi pelletit syötetään sintrausprosessiin, jossa ne kuivuvat ja sintraantuvat noin 1 300 ºC:n lämpötilassa. Sintraus voidaan tehdä joko rumpu-uunissa tai liikkuvalla arinanauhalla. Polttoaineena on öljy tai maakaasu. Sintrauksessa pelletteihin muodostuu sulia faaseja, jotka liimaavat rautaoksidipartikkelit toisiinsa ja jonka seurauksena pelletistä syntyy mekaanisesti kestävä panosmateriaali.

Kuva 4.5 Raakapelletit syötetään rumpu-uuniin, jossa ne siirtyvät kuivaus‑, kuumennus‑, sintraus‑ ja jäähdytysvyöhykkeisiin. Valmiit pelletit seulotaan. Jäähdytysvyöhykkeen lämpö käytetään uudelleen prosessin alussa. [LKAB]

Briketointi Tehtaalla syntyviä rautapitoisia seulonta-alitteita, roiskeita, hilseitä ja pölyjä voidaan kierrättää, paitsi sintraamon kautta, myös briketoimalla ne. Näistä sekundäärisistä raaka-aineista tehdään sideaineen kanssa seos, johon lisätään vettä. Sideaineena voidaan käyttää esimerkiksi portland-sementtiä osuuden ollessa 10…15 % seoksesta. Seoksesta puristetaan halkaisijaltaan noin 10 cm kappaleita, jotka saavat kovettua lämpimässä ja kosteassa varastossa 1…2 vuorokautta. Tämän jälkeen niiden annetaan kovettua vielä ulkovarastossa noin kuukausi, jonka jälkeen niitä voidaan panostaa masuuniin.

Kuva 4.6 Pelletointilaitoksen purkupää.

Raudan valmistus masuunissa Valtaosa maailman rautamalmista valmistetaan raakaraudaksi masuuneissa. Pääosa raakaraudasta käytetään sulana teräksen valmistukseen. Masuuni on ikivanha keksintö. Todennäköisesti ensimmäiset masuunit toimivat Kiinassa noin vuonna 200 e.Kr. Länsi-Eurooppaan masuunit tulivat vuoden 1100 jälkeen. Nykyajan masuunit ovat suuria tuotantolaitoksia. Suurimpien korkeus 70 metriä on ja pesän halkaisija 15 metriä. Vuorokautinen raakaraudan tuotanto on 12 000 tonnia.

Kuinka rautaoksideista poistetaan happi Masuuni on jatkuvatoiminen kuiluuuni. Rautaraaka-aineet panostetaan masuuniin ylhäältä sintterinä, pelletteinä tai palamalmina. Pelkistäjänä toimiva koksi panostetaan myös ylhäältä. Masuunin alaosassa olevista hormeista puhalletaan hapella rikastettua, kuumaa ilmaa. Kuuman ilman mukana masuuniin ruiskutetaan eli injektoidaan myös muita pelkistykseen osallistuvia aineita kuten hiilipölyä ja öljyä. Rautaoksidien, hematiitin (Fe2O3) ja magnetiitin (Fe3O4), lisäksi raaka-aine sisältää kuonanmuodostajia, jotka ovat pääasiassa piin, kalsiumin, alumiinin ja magnesiumin oksideja.

Raudan valmistuksessa rautaoksidit pelkistetään eli niistä poistetaan happi. Pelkistämiseen tarvitaan ainetta, joka pystyy erottamaan hapen rautaoksidista. Masuunissa pelkistiminä toimivat hiilimonoksidi, vety ja hiili. Ne sitovat itseensä rautaoksidien hapen, siirtävät sen kaasuun ja kuljettavat sen kaasun mukana ulos masuunista. Pelkistykseen tarvittava hiilimonoksidi ja vety syntyvät masuunissa koksista, hiilipölystä ja öljystä. Masuuniprosessissa käytetään pelkistämisen ja energian tuottamiseen hiiltä, joka on metallurgisen koksin muodossa. Koksi sisältää hiiltä noin

90 %. Loppu on epäpuhtausoksideja, jotka muodostavat koksin palaessa tuhkaa. Koksin on oltava niin lujaa, ettei se jauhaudu hienoksi masuunin kuilussa. Osa koksista voidaan korvata kivihiilijauheella tai raskaalla polttoöljyllä, joita injektoidaan yhdessä puhallusilman kanssa hormien kautta masuuniin. Pelkistäminen sekä raudan ja sivukiven sulattaminen vaativat lämpöenergiaa. Koksin ja öljyn polttamiseen tarvittava ilma kuumennetaan 1 000… 1 300 ºC:een esikuumentimissa masuunikaasua polttamalla. Puhallusilman esikuumennus on välttämätön masuunin lämpötalouden kannalta.

Rauta Happi Hiili

Kuvat 5.1, 5.2 ja 5.3. Hapen poistuminen rautaoksideista.

Kuva 5.1

Hiili

Happi

Fe2O3 Hiilimonoksidi

➞

✚ O2

2C Kuva 5.2

Hematiitti

2CO Wüstiitti

Hematiitti

➞

✚

Hiilidioksidi

✚

Fe2O3

2FeO Kuva 5.3

Wüstiitti

Hiilimonoksidi

FeO

Rauta

➞

✚ CO

CO2 Hiilidioksidi

✚ Fe

CO2

Rautaoksidien pelkistyminen masuunissa (Kuvat 5.6 ja 5.8) Raaka-aineet ja koksi panostetaan masuuniin ylhäältä. Alaosaan puhalletaan hormien kautta esikuumennettua ilmaa, jonka happi polttaa koksin hiilen hiilimonoksidiksi. Samalla syntyy puhallusilman kosteu-

desta ja injektoitavien materiaalien hiilivedyistä vetyä. Lämpötila hormien läheisyydessä on 2 000…2 400 ºC. Kuumat palamiskaasut virtaavat ylöspäin kuumentaen alaspäin vajoavan panoksen ja sulattaen pelkistyneen raudan ja kuonan. Samalla

kun panos vajotessaan kuumenee, kaasu ylöspäin virratessaan luovuttaa lämpönsä panokseen ja poistuu masuunin yläosasta 120…230 ºC:n lämpötilassa.

Pelkistys hiilimonoksidilla Kuilun yläosassa lämpötila-alueella n. 400…1 050 ºC hematiitti ja magnetiitti reagoivat ylöspäin virtaavan hiilimonoksidin kanssa. Hematiitti ja magnetiitti pelkistyvät vähemmän happea sisältäväksi rautaoksidiksi, wüstiitiksi (FeO) (kuva 5.2). Osa wüstiitistä pelkistyy hiilimonoksidin vaikutuksesta raudaksi (kuva 5.3). Täl-

lä alueella lämpötila on liian matala, jotta hiili reagoisi suoraan rautaoksidien kanssa. Jos pelkistäjänä käytetään lisäksi hiilivetyjä, esimerkiksi öljyä, sen sisältämä vety pelkistää hiilimonoksidin tavoin raudan oksideja. Vedyn reagoidessa rautaoksidin kanssa syntyy vesihöyryä.

Pelkistystä hiilimonoksidilla sanotaan epäsuoraksi pelkistykseksi siksi, että hiili ei suoraan ota osaa reaktioon.

Hiilen osallistuminen pelkistykseen (kuva 5.4) Kuilun alaosan aktiivisen koksin vyöhykkeessä, jossa lämpötila on yli 1 000 ºC, koksin hiili alkaa osallistua reaktioihin. Se on joko suorassa yhteydessä rautaoksidien kanssa tai välillisesti hiilimonoksidin avulla.

Hiilimonoksidi toimii välittäjänä pelkistyksessä, sillä hiilimonoksidin ja wüstiitin reagoidessa syntyvä hiilidioksidi reagoi välittömästi hiilen kanssa muodostaen uudelleen hiilimonoksidia. Hiili pelkistää myös suoraan sulaan tai kuonaan liuen-

neita rautaoksideja. Hiilellä suoraan tapahtuvalle pelkistykselle on ominaista suuri lämmöntarve. Noin 30 % kokonaislämpömäärästä kuluu pelkistykseen kuilun alaosassa.

Kuva 5.4 Hiilellä pelkistäminen. Wüstiitti

Hiili

➞

✚ FeO Wüstiitti

Rauta

✚

Hiilimonoksidi

Rauta

➞

✚

CO Hiilidioksidi

✚

FeO

Hiilidioksidi

Hiili

Hiilimonoksidi

CO2

➞

✚ CO2

Hiilimonoksidi

2CO

Raudan sulaminen Pelkistynyt rauta on aluksi edelleen kiinteässä muodossa. Vajotessaan alaspäin rauta liuottaa itseensä hiiltä noin yhden painoprosentin. Kun

lämpötila on noussut 1 450 ºC:een, rauta sulaa ja valuu koksikappaleiden lomitse masuunin pesään. Sula rauta hiilettyy valuessaan koksiker-

roksen läpi. Raakaraudan hiilipitoisuus on 4…5 % ja sulamislämpötila noin 1 150 ºC.

muodostajien kanssa kuonan, joka valuu alas pesään ja jää kerrokseksi sulan raudan päälle. Kuonan tehtävänä on sitoa ei-toivotut oksidit ja rikki itseensä. Sen oikea koostumus on masuunin toiminnan kannalta tärkeä. Useimmat puhtaat oksidit eivät sula vielä masuunin alaosan lämpötilassa. Sopivilla lisäaineilla panoksessa säädetään kuonan

koostumus sellaiseksi, että sulamislämpötila alenee ja muodostuu herkkäjuoksuinen sula kuona.

Sivukivestä kuona Osa sivukiven sisältämistä fosforin, mangaanin ja piin oksideista pelkistyy hiilellä. Nämä aineet liukenevat pelkistyessään raakarautaan. Koksi ja polttoöljy sisältävät epäpuhtautena rikkiä, joka sekin osittain liukenee rautaan. Suurin osa sivukiven oksideista jää kuitenkin pelkistymättä. Lämpötila-alueella 1 400…1 500 ºC nämä oksidit sulavat muodostaen yhdessä koksin tuhkan ja kuonan-

Raakarauta Panostuslaitteet

Rauta lasketaan masuunista noin 1 450 ºC:na sulana 6…12 kertaa vuorokaudessa. Lasku kestää tavallisesti 90 minuuttia. Pesän tyhjennyttyä reikä suljetaan tulenkestävällä massalla, joka injektoidaan sulkutykillä. Reikä on laskujen välissä kiinni 30 min. Suurimmissa masuuneissa saattaa olla neljä rautareikää, jolloin lasku on jatkuvasti menossa jollain puolella masuunia.

Panoksen esilämpiäminen Raudan pelkistyminen

Raakarauta käytetään pääasiassa sulana teräksen valmistukseen. Rautavalimot käyttävät valimoraakarautaa harkkoina. Sen koostumus eroaa lähinnä piipitoisuuden suhteen teräksen valmistukseen käytettävästä.

Pehmenemis- ja sulamisvyöhyke eli koheesiovyöhyke Kuilu

Alkuaine

Raakarauta teräksen valmistukseen

Valimoraakarauta

Hiili (C)

4,4 %

4,0 %

Pii (Si)

0,4 %

1,5 %

Mangaani (Mn) 0,3 %

0,9 %

Fosfori (P)

0,050 %

0,040 %

Rikki (S)

0,070 %

0,030 %

Palo-onkalo ”raceway” Kuumailmarengasputki

Panos on sulanut

Aktiivisen koksin vyöhyke Pesäkoksi eli ”kuollut mies” Rautareikä Pesä

Kuva 5.6 Rautaoksidien pelkistyminen masuunissa.

Sulaminen alkaa

Hormi Sula kuona Sula rauta Vuoraus

Masuunin rakenne (Kuva 5.6) Masuuni on noin 30 metriä korkea, teräslevystä rakennettu ja tulenkestävillä tiilillä ja jäähdytyslaatoilla vuorattu kuilu-uuni, joka toimii paineistettuna. Masuunin yläosassa on panostuslaitteisto. Panostuslaitteistoja on kahta eri tyyppiä, kelloton ja kellollinen. Panostuslaitteet on rakennettu paineen- ja kaasunpitäväksi, jolloin masuunikaasua ei panostuksen aikana pääse sen kautta ulos. Suurimman osan uunia muodostaa kuilu, joka alapäästään liittyy pesään. Pesän alaosassa on raudan laskuaukko eli rautareikä.

Pesän yläosassa on uunin seinämän läpi pistävät kupariset, vesijäähdytteiset hormit. Yli 1 100 °C:een kuumennettu ilma johdetaan rengasputken välityksellä hormien kautta uuniin.

150 °C

Masuuniin panostetaan yläkautta raudantuojina sintteriä ja/tai pellettejä sekä joskus myös palamalmia. Pelkistysaineena käytettävä koksi panostetaan masuuniin myös yläkautta. Yleensä masuuneissa, jotka käyttävät raudantuojinaan pelkästään pellettejä, joudutaan käyttämään kuonan koostumuksen säätämiseksi kalkkikiveä. Sintteri ja koksi seulotaan eri raekokoluokkiin ja panostetaan annoksittain erillisinä kerroksina. Osa koksista voidaan korvata polttoöljyllä, kivihiilellä, tervalla, maakaasulla tai muovilla, joita injektoidaan hormien kautta. Puhallusilmaan lisätään yleensä myös happea. Oheinen taulukko on esimerkki yhden tonnin raakarautamäärän tuottamiseen tarvittavista aineista:

Rautapanos (esim. pelletti, sintteri, palamalmi)

1 300 kg

Kierrätysmateriaalia (esim. kierrätysteräs, briketti)

200 kg

Koksia

300 kg

400 °C

Injektoitavia pelkistäjiä (esim. hiilipöly, öljy, muovi)

180 kg

900 °C

Ilmaa

930 Nm3

950 °C

Happea

75 Nm3

Jäähdytysvettä

19 m3

100 °C

1000 °C 1100 °C 1400 °C 1600 °C 1700 °C

1700 °C

1600 °C Sula kuona 1550 °C 2300 °C

Sula rauta 1500 °C Sula rauta 1300 °C

Kuva 5.5 Panostustaso.

Kuva 5.7 Masuunin lämpötilavyöhykkeet.

Masuunilaitoksen kaavio (Kuva 5.10) Masuunilaitokseksi kutsutaan koko sitä osaa tehtaasta, jossa rautaa valmistetaan. Tärkeimpiä apulaitteita ovat puhallusilman esikuumentimet, kaasunpuhdistuslaitteet, kuonan käsittelylaitos ja raaka-aineiden käsittelylaitteet (kuljettimet, siilot, panostuslaitteet).

Puhallusilman esikuumentimet Masuunilaitoksella on yleensä 3 esikuumenninta eli cowperia masuunia kohti. Kuumentimet toimivat jaksollisesti siten, että ne ovat vuorotellen kuumennus- ja käyttövaiheessa. Esikuumentimessa puhallusilma kuumennetaan 1 100…1 300 ºC:een. Kuumentimessa on kaksi kuilua, jotka yläpäästään ovat yhteydessä toisiinsa. Kapeammassa kuilussa poltetaan masuunikaasua. Kuumat palamiskaasut kulkevat suuremman kuilun läpi, jonka täytteenä

Kuva 5.8 Raahen masuunit.

on tiiliä. Kun tiilet ovat kuumenneet 1 500 °C:een, kuumennus lopetetaan. Puhaltimesta johdetaan nyt kylmää ilmaa päinvastaiseen suuntaan kuumien tiilien läpi. Tiilet luovuttavat lämpöä ilmaan, joka puolestaan kuumenee. Kuumennettu ilma virtaa polttokuilun kautta edelleen masuunin hormeihin. Kuumennus kestää 90 minuuttia. Laite voi sen jälkeen luovuttaa lämpöä 45 minuutin ajan.

Kuva 5.9 Masuunin esikuumentimet eli cowperit.

Raaka-aineiden käsittelylaitteet karaudan, kuonan ja masuunikaasun talteenottoon. Masuunin panostukseen käytetään joko hihnakuljettimia tai kiskoilla kulkevia kippovaunuja.

Kuva 5.10 Masuunilaitoksen kaavio.

⬅

Esikuumentimen poistokaasut

1. Puhallusilman kuumennus

⤺

Poistokaasu

⬆

2. Tiilien kuumennus

⤺

Masuuni

⬊

⬆

⬅

⤴

⬆

⤴

Syklonit

⤸

⬆

⤴ 24

Masuunikaasu esikuumentimille

⬆

Kaasuja johdetaan putkistoissa puhaltimen avulla.

⬆

Masuunilaitos tarvitsee runsaasti siiloja, seuloja ja kuljetinlaitteita sintterin, pellettien, koksin ja ilman käsittelyyn ja siirtämiseen sekä raa-

Lukuja masuunilaitoksesta Oheiset luvut osoittavat, että masuuni on erittäin suuri tuotantolaitos. Esimerkkimasuuni tuottaa

1 300 000 tonnia raakarautaa vuodessa. Luvut osoittavat vuorokautista kulutusta ja tuotantoa.

Rautapanosta

5 200 t

Jäähdytysvettä

60 000 m3

Koksia

1 000 t

Raakarautaa

3 650 t

Injektoituja pelkistäjiä

650 t

Masuunikaasua

4 970 000 Nm3

Ilmaa

3 285 000 Nm3

Masuunipölyä

15 t

Happea

279 600 Nm3

Kuonaa

700 t Kuva 5.11 Hormitaso.

Puhaltimet Esikuumentimiin on puhallettava ilmaa suurella nopeudella. Tämä tapahtuu käyttämällä pääasiassa tur-

bopuhaltimia. Seuraavat luvut kuvaavat 1,3 miljoonaa tonnia vuodessa tuottavan masuunin puhaltimia:

Ilmamäärä

3 290 000 Nm3/vrk

Paine

3,7 bar (absoluuttinen paine) (2,7 bar ylipainetta)

Teho

10 000 kW Kuva 5.12 Raakaraudan lasku.

⬅

Kaasun puhdistus Jäähdytys- ja pesutorni

⬅

⬆ ⬆

⬅

Sähkösuodatin

⬅

Ylijäämä masuunikaasu muuhun tuotantoon

⬅

⬆

Kaasujen puhdistus Masuuni tuottaa kaasua enemmän kuin tarvitaan esikuumentimien kuumentamiseen. Masuunikaasu on arvokasta polttoainetta, jota käytetään mm. sähköenergian tuottamiseen ja lämmitykseen. Masuunista virtaava kaasu on puhdistettava pölystä, jotta sitä voitaisiin käyttää polttoaineena. Ensimmäinen puhdistus tehdään sykloneilla ja pesureilla. Raskaimmat hiukkaset jäävät erotussiiloihin ja sykloneihin, joiden

pohjalle ne vajoavat kaasuvirran nopeuden pienentyessä (kuva 5.13). Sykloneissa kaasuvirta pakotetaan kiertävään liikkeeseen lieriömäisessä kammiossa. Hiukkaset lentävät kammion seinille ja putoavat alas. Syklonit erottavat hienompaa ainesta kuin erotussiilot (kuva 5.13).

Venturityyppisissä pesureissa kaasu kulkee vesisuihkujen läpi, joissa vesipisarat vievät pölyhiukkaset mukanaan. Sähköstaattiset suodattimet erottavat kaikkein hienoimmat hiukkaset. Hiukkaset latautuvat sähköisesti kulkiessaan lankaelektrodien ohi ja tarttuvat maadoitettuihin keräyslevyihin (kuva 5.14).

Lopullisesti kaasu puhdistetaan pesureissa ja sähköstaattisissa suodattimissa.

Sykloneja Erotussiilo

Kuva 5.13 Mekaanisia kaasunpuhdistimia.

Lankaelektrodi

Maadoitettu keräyslevy

Kuva 5.14 Sähköstaattinen suodatin.

Mittaus- ja säätölaitteet Jotta masuunia apulaitteineen voitaisiin ohjata, on mitattava erilaisia suureita kuten lämpötiloja, paineita ja virtauksia. Mittaustulokset siirty-

vät automaattisesti automaatiojärjestelmään ja prosessitietokantaan. Varsinaiset säädöt tapahtuvat automaatiojärjestelmässä. Asiantuntija-

järjestelmä antaa ohjeita käyttöhenkilöille masuunin ohjauksesta käyttäen hyväksi prosessitietokantaa.

Analyysi Lämpötila Paine Virtaus

Kuva 5.15 Masuuniprosessiin liittyviä mittauksia ja säätöjä.

Kuva 5.16 Saksalaisen ROGESA-yhtiön masuuni no. 5 yövalaistuksessa. [Dillinger Hütte]

Raakaraudan käsittely Masuunin tuottama sula raakarauta käytetään pääasiassa teräksenvalmistukseen. Tavallisesti terästehdas on masuunin välittömässä yhteydessä. Raakarauta siirretään terästehtaan sulan raakaraudan välivarastoon, mikseriin (kuva 5.17) tai kuljettavaksi rautateitse suurissa ns. torpedosenkoissa kauempana sijaitsevaan terästehtaaseen. Mikserin tehtävät ovat • tasata raakaraudan tuotanto- ja kulutusrytmi jatkuvatoimisen masuuniprosessin ja panostyyppisen konvertteriprosessin välissä • tasata raudan lämpötila ja koostumus, jolloin teräksenvalmistus helpottuu.

Usein raakaraudalle tehdään erilaisia käsittelyjä, joista tavallisin on rikinpoisto. Terästen laatuvaatimusten kasvaessa on raakaraudan rikinpoisto tullut entistä tärkeämmäksi. Raakaraudan erillisiä piin- ja fosforinpoistoprosesseja on myös käytössä. Tyypillinen rikinpoistomenetelmä on injektiokäsittely senkassa (kuva 5.18). Sulaan raakarautaan injektoidaan erilaisia jauheita. Yleisin on

poltetun kalkin (CaO) ja fluspaatin (CaF2) seos. Kalsium sitoo raakaraudan rikin, joka siirtyy kuonaan kalsiumsulfidina (CaS). Fluspaatti parantaa kuonan juoksevuutta. Muita rikinpoistoaineita ovat kalsiumkarbidi (CaC2) ja magnesium (Mg). Näitä voidaan käyttää yksittäin tai eri jauheiden yhdistelminä.

CaO+CaF2 CaC2

Mikseri on makaavan lieriön muotoinen, tulenkestävillä magnesiittitiilillä vuorattu kuumennettava säiliö, jonka varastointikyky on 500…2 500 tonnia. Raakarauta voidaan myös valaa harkoiksi. Valu suoritetaan harkkovalukoneessa avokokilleihin. Rautaharkko painaa 20…40 kg.

Kuva 5.17 Raakaraudan kaato mikseriin.

Kuva 5.18 Rikinpoisto injektoimalla raakarautasenkassa.

raekooltaan alle 5 mm:n kuonagranulia. Nopean jäähdytyksen ansiosta kuona on granulissa lasimaista. Granulia käytetään seosaineena sementissä, sideaineena betonissa, maanrakennuksessa sekä maanparannusaineena.

naa käytetään luonnon kiven sijasta mm. tienrakennuksessa, betoni- ja elementtiteollisuudessa ja kuonavillan valmistuksessa.

Masuunikuonan käyttö Kuonaa syntyy masuunissa n. 150…250 kg raakarautatonnia kohti. Se lasketaan masuuneista kuonasenkkoihin raudan laskun yhteydessä. Suurin osa kuonasta voidaan käyttää hyödyksi. Käyttötarkoitus määrää sulan kuonan jatkokäsittelyn. Nykyisin suurimmasta osasta sulaa kuonaa valmistetaan nopealla vesijäähdytyksellä hiekkamaista,

Sula kuona voidaan myös kaataa kuonan varastointialueella kuonakuoppaan, jossa sen annetaan jäähtyä. Murskattuna tällaista kuo-

Rummussa pienellä vesimäärällä jäähdyttämällä kuonasta voidaan valmistaa myös huokoista ja kevyttä kuonapellettiä. Kuonapellettiä käytetään runkoaineena betoniteollisuudessa, lämmöneristysaineena ja seosaineena sementin valmistuksessa.

Masuunikaasu Kaasussa on myös aina pölyä. Eniten pöly sisältää hiiltä ja rautaoksideja. Pöly erotetaan kaasunpuhdis-

tuslaitteissa ja käytetään usein uudelleen sintraamolla tai briketoidaan, ks. s.18.

Masuunista poistuvan kaasun koostumus on seuraava: Hiilimonoksidi, CO

22…23 %

Hiilidioksidi, CO2

22…23 %

Vety, H2

5…6 %

Typpi, N2

loppuosa

Hiilimonoksidi ja vety ovat energiaa sisältäviä, palavia kaasuja. Masuunikaasua käytetään polttoaineena mm. masuunin puhallusilman esikuumentimissa ja sähkön tuotannossa. Hiilimonoksidi on myrkyllinen kaasu. Jo 0,1 % hiilimonoksidia ilmassa saattaa olla tappava määrä. Se on lisäksi hajutonta, minkä vuoksi se voidaan todeta vain erikoislaitteilla.

Koksi Koksi on tärkein malmipohjaisen teräksen valmistuksen pelkistysaineista. Metallurgiselta koksilta vaaditaan koko joukko erikoisominaisuuksia:

Koksi valmistetaan hienoksi jauhetusta kivihiilestä kuumentamalla se 900…1 200 °C:n lämpötilaan ilmalta suljetussa uunissa. Koksauksen aikana haihtuvat aineet tislautuvat hiilestä ja otetaan talteen. Metallurgisen koksin valmistukseen soveltuvat vain sellaiset hiililajit, joista saadaan luja ja kiinteä koksi. Yleensä parhaat ominaisuudet koksissa saavutetaan käyttämällä useiden hiililajien seosta. Käytetyille hiilille asetetaan vaatimuksia myös epäpuhtauksien suhteen. Uunit, joita koksaamoissa on useita kymmeniä, ovat suorakaiteen muo-

• riittävä mekaaninen lujuus iskuja ja hankausta vastaan • alhainen tuhkapitoisuus, yleensä alle 10 % • alhainen rikkipitoisuus, yleensä alle 0,7 % • alkalien määrä alle 0,2 % • haihtuvien aineiden pitoisuus alle 1 % • hyvä kuumalujuus toisia ja kummastakin päästä avautuvia. Uunit on liitetty yhteen suuriksi pattereiksi. Yksittäiset uunit ovat eri työvaiheessa ja ne täytetään ja tyhjennetään jokainen vuorollaan tietyn ohjelman mukaisesti. Koksausaika on 14…20 tuntia. Uunipanoksen valmistuttua päätyluukut aukaistaan ja panos työnnetään siirtyvän koneen avulla uunin toisesta päästä ulos. Tyhjennys tapahtuu koksin ollessa täysin hehkuvaa. Koksi on sammutettava palamisen estämiseksi. Tämä tapahtuu vedellä jäähdytystornissa tai typpikaasulla kuivasammutuslaitteistossa.

Valmis koksi lajitellaan seulomalla. Sopivaa kokoa oleva (40…80 mm) palakoksi käytetään masuuneissa ja hienompi yleensä sintraamossa. Koksaamosta saadaan sivutuotteena vetyä ja kevyitä hiilivetyjä sisältävää kaasua, tervaa, pikeä, bentseeniä, ammoniakkia ja rikkivetyä. Kaasu käytetään polttoaineena koksaamolla ja terästehtaalla, muut sivutuotteet myydään. Raahessa on Suomen ainoa koksaamo. Sen tuotanto on vuotuinen 900 000 tonnia, mikä vastaa Raahen tehtaan tarvetta.

Kuva 6.2 Punahehkuista koksia koksiuunissa.

Kuva 6.1 Raahen koksaamo. Etualalla koksipattereita.

Vaihtoehtoisia raudanvalmistusmenetelmiä Raudan valmistus masuunissa on ollut valtamenetelmä 1500-luvulta lähtien. Suurin osa teräksen valmistukseen tarvittavasta kokonaisenergiasta kuluu masuunissa. Masuuniprosessi on pelkistimenä ja energianlähteenä käytettävän koksin takia huomattava CO2-päästöjen lähde. Masuunitekniikan kehittymisen myötä pelkistysaineiden hyötysuhde on saavuttanut tason, jonka alentaminen on vaikeaa. Suora- ja sulapelkistysmenetelmissä toimitaan energiatehokkaammin eivätkä CO2-päästöt muodostu niin suuriksi kuin masuunissa.

Suorapelkistys Masuuniprosessissa saadaan sulaa raakarautaa 1 500 ºC:na. Sen hiilipitoisuus on korkea. Suorapelkistysmenetelmissä pelkistys tapahtuu niin matalassa lämpötilassa, että rauta ei sula. Lämpötila on 700...1 050 ºC menetelmästä ja raaka-aineista riippuen. Pelkistyksen jälkeen rauta on kiinteässä muodossa joko ns. rautasienenä tai rautajauheenana. Hiilen liukoisuus kiinteään rautaan on pieni, siksi suorapelkistetyssä raudassa hiilipitoisuus on

pienempi kuin masuunissa valmistetussa raakaraudassa. Vuonna 2012 rautaa valmistettiin suorapelkistysmenetelmillä noin 74 miljoonaa tonnia, joka oli runsaat 6 % maailman raakarautatuotannosta. Pääosa tuotannosta tapahtuu alueilla, joissa on käytettävissä edullista maakaasua pelkistykseen ja energialähteenä. Lisäksi on lähinnä Intiaan rakennettu satoja pieniä rumpu-uuneja, joissa pelkis-

tykseen käytetään halpaa kivihiiltä. Niiden kapasiteetti on lähes 20 milj. tonnia. Suorapelkistyksellä valmistettua rautaa käytetään etupäässä teräksen valmistukseen valokaariuuneissa kierrätysteräksen sijasta. Sitä voidaan käyttää myös masuunissa ja konvertterissa. Käytössä on useita eri suorapelkistysmenetelmiä, jotka poikkeavat toisistaan uunin rakenteen ja polttoaineen suhteen.

Rumpu-uunimenetelmät Rumpu-uunimenetelmissä palamalmin tai pellettien pelkistys tapahtuu hiilellä. Lisäpolttoaineena voidaan käyttää öljyä tai maakaasua. Uuniin lisätään myös kalkkikiveä hiilessä olevan rikin sitomiseksi. Uuni on pitkä, hiukan kaltevassa asennossa oleva putki, joka pyörii panoksen kuljettamiseksi. Raaka-aineet syötetään sisään putken toisesta päästä. Valmis rautasieni otetaan ulos toisesta päästä. Rumpu-uuniprosesseista on käytetyin SL/RN-menetelmä (kuva 7.1). Rumpu-uuniin verrattava menetelmä on pyörivä arinauuni, jossa pelkistys tapahtuu hiilen avulla pellettien tai rikasteen ja kivihiilen muodostaman patjan liikkuessa rengasmai-

sen uunin läpi. Vuonna 2012 rumpu-uunimenetelmillä tuotettiin suorapelkistettyä rautaa noin 17 miljoonaa tonnia. Pyörivää arinauunia on tähän mennessä sovellettu lähinnä terästehtaan pölyjen käsittelyyn, joten sen tuotantomäärät ovat varsin vaatimattomia (tuotantokapasiteetti 0,7 milj. tonnia). Outotec on tuonut uudelleen markkinoille modifioidun SL/RN-teknologian, jossa rumpu-uunin kanssa on integroituna arinauuni. Tämän avulla rumpu-uuniin voidaan käyttää raakaaineena myös hienorikastetta. Kobe on kehittänyt rengasarinauunista version, jolla yritetään valmistaa suoraan metallisia nuggeteja. Tä-

män ITmk3-konseptin idea on tehdä pelkistys korkeassa lämpötilassa, 1 350 °C, jolloin kuona-ainekset sulavat ja erottuvat metallista. Ensimmäinen kaupallisen mittakaavan laitos on saatu käyntiin Minnesotassa USA:ssa. Em. menetelmiä jossain määrin muistuttava teknologia on Höganäsprosessi, jossa rautarikasteella ja kivihiilellä täytetyt piikarbidiastiat asetetaan vaunuihin ja ajetaan tunneliuuniin, jossa huippulämpötila on noin 1 200°C. Rautaoksidi pelkistyy tällöin rautasieneksi. Höganäsrautasientä tuotetaan muutamia satoja tuhansia tonneja vuodessa, ja sillä on merkitystä jauhemetallurgian tuotteiden valmistuksessa.

Kuva 7.1 SL/RN-laitos Etelä-Afrikassa. Uunirummun halkaisija 4,8 m, pituus 80 m.

Kuilu‑uunimenetelmät Suorapelkistyksessä käytetty kuilu-uuni muistuttaa rakenteeltaan masuunia. Pelkistys tapahtuu ulkoa tuodun kuumennetun kaasun avulla (kuva 7.2). Raaka-aineena ovat mahdollisimman puhtaat rikastepelletit tai palamalmi. Pelletit ja palamalmi syötetään kuiluun sen yläpäästä. Alhaalta ylös virtaava pelkistyskaasu pelkistää panoksen samalla kun panos laskeutuu. Rautasieni jäähdytetään kuilun alaosassa ja otetaan ulos pohjassa olevan aukon kautta.

Pelkistyskaasu on vedyn (H2) ja hiilimonoksidin (CO) seos. Se valmistetaan kaasureformointiyksikössä maakaasun sisältämästä metaanista (CH4). Osa käytetystä kaasusta johdetaan uunista takaisin kaasureformaattoriin, jossa sen sisältämä CO2 ja H2O konvertoidaan CO:ksi ja vedyksi. Johtava kuilu-uunimenetelmä on amerikkalainen Midrex. Se on yleisin kaikista käytössä olevista suorapelkistysmenetelmistä. Vuonna 2012 Midrex-prosessilla tuotettiin

noin 45 miljoonaa tonnia suorapelkistettyä rautaa, joka vastaa noin 60 % maailman suorapelkistetyn raudan kokonaistuotannosta. HYL/Energiron on kilpaileva kuilu-uuniprosessi, alkujaan kehitetty Meksikossa, mutta nykyään sen omistaa italialainen Tenova. Siitä on kehitetty ZR-versio (zero reforming), jossa maakaasu syötetään kuumana suoraan reaktoriin eikä erillistä reformointiyksikköä tarvita. HYL-ZR laitoksia on jo muutama rakennettu.

Leijupatjamenetelmät Edellä esitetyissä menetelmissä raaka-aine on yleensä palamalmina tai rikastepelletteinä. Leijupatjamenetelmät on kehitetty hienojakoisen

rautarikasteen pelkistykseen. Paineenalaisissa reaktioastioissa rikaste pelkistetään maakaasusta tai kivihiilestä tehdyillä kaasuilla.

Poistokaasu kierrätetään takaisin prosessiin.

Rikastepellettejä

Prosessikaasujen tuottaminen

Maakaasua Poistokaasut

Kierrätettävää prosessikaasua

Kaasun pesu

Kaasugeneraattori Pelkistyskaasua Ilmaa Poistokaasuja

Maakaasua +O2

Kuilu-uuni

Jäähdytyskaasun pesu

Maakaasua

Jäähdytyskaasua

Kiinteä jäte Lämmön talteenotto

Kuumennettua polttoilmaa

Maakaasua Rautasientä

Kuva 7.2 MIDREX-menetelmä. Ensimmäinen hienojakoista rikastetta hyödyntävä suorapelkistysmenetelmä oli FIOR-prosessi. Sen seuraajaksi on kehitetty maakaasupohjainen FINMET-prosessi, joka on edeltäjäänsä energiatehokkaampi. Pelkistys tapahtuu neljässä peräkkäisessä ”bubbling bed” reaktorissa noin 12 barin paineessa. Tuote on hienojakoinen rautajauhe, joka on säilytystä ja käyttöä varten briketoitava. Australiaan rakennettu en-

simmäinen laitos toimi vuosituhannen alussa muutamia vuosia, mutta on sittemmin suljettu ja purettu siellä tapahtuneen onnettomuuden takia. Toinen tuotantomittakaavan laitos sijaitsee Venezuelassa, jossa vuonna 2012 tuotettiin noin 0,5 miljoonaa tonnia suorapelkistettyjä rautabrikettejä. Muita leijupatjamenetelmiä ovat Circored ja Circofer. Menetelmät pe-

rustuvat esikuumennetun hienojakoisen rikasteen pelkistykseen kahdessa peräkkäisessä leijupatjareaktorissa. Edellisessä menetelmässä pelkistyskaasu valmistetaan maakaasusta. Jälkimmäisessä pelkistys tapahtuu kivihiilellä. Yksi Circored laitos rakennettiin Trinidad ja Tobacoon, mutta se on sittemmin suljettu. Circoferin teknologia on vielä kehitysvaiheessa.

Sulapelkistys Uusin kehitys raudanvalmistuksen alalla tähtää masuuniprosessin korvaamiseen ns. sulapelkistysmenetelmällä, jossa käytetään hienoa rautaoksidirikastetta ja kivihiiltä raakaaineina. Tämä tekisi tarpeettomiksi rikasteen agglomeroinnin sintraamalla tai pelletoimalla samoin kuin kivihiilen koksauksen. Tällä hetkellä tuotantokäytössä on kaksi sulapelkistysmenetelmää,

COREX ja Finex. Vuonna 2012 prosesseilla tuotettiin yhteensä noin 6 miljoonan tonnia raakarautaa. Kummassakin menetelmässä pelkistys tapahtuu kahdessa vaiheessa: esipelkistys kuilu-uunissa (COREX) tai leijupatjatyyppisissä uuneissa (Finex) ja sitä seuraava loppupelkistys sulapelkistysreaktorissa.

Ensimmäinen tuotantomittakaavainen sulapelkistysprosessi, COREX käynnistettiin Etelä-Afrikassa 1980-luvun lopulla (kuva 7.3). Tämä yksikkö oli käytössä lähes 10 vuotta, mutta pysäytettiin terästehtaan sulkemisen vuoksi. Uusia COREXyksiköitä on sen jälkeen rakennettu Koreassa, Etelä-Afrikassa, Intiassa ja Kiinassa yhteenlasketun kapasiteetin ylittäessä 10 milj. tonnia/v. COREX-menetelmässä malmiraaka-aine

on kappalemuodossa (sintteri, pelletti, palamalmi), mutta energianlähteenä on pääasiassa kivihiili. Finex-prosessi sen sijaan hyödyntää malmiraaka-aineena hienojakoista rikastetta. Ensimmäinen Finex-menetelmää käyttävä tehdas käynnistyi vuonna 2007 Etelä-Koreassa. Sen kapasiteetti on 1,5 miljoonaa tonnia vuodessa. Useita muitakin sulapelkistyksen kehityshankkeita on ollut maailmalla viimeisten vuosikymmenten aikana

(esim. DIOS/Japani, ROMELT/Venäjä, HISMELT/Australia), mutta ne eivät ole johtaneet pysyviin tuotannollisiin sovelluksiin. Tällä hetkellä on aktiivisessa kehitysvaiheessa EU:n vetämä ULCOS-hanke, jossa kehitellään rikasteen suorasulatusta raudaksi kivihiilen avulla. Menetelmässä on yhdistetty esikuumennus ja esipelkistys syklonissa varsinaiseen sulapelkistysreaktoriin. Tavoitteena on CO2-päästöjen merkittävä alentaminen raudanvalmistuksessa. Menetelmä on pilot-vaiheessa.

Kuva 7.3 COREX-prosessi. Kivihiili

Kuva 7.4 COREX-reaktori. Sintteri/Pelletti/ Palarikaste Lisäaineita

Esipelkistys kuilu-uunissa

Huippukaasu

Kaasun pesu

Pelkistyskaasu

Kaasun pesu

Poistokaasu

Kuuma sykloni

Ruuvikuljetin

Jäähdytyskaasu

Jäähdytyskaasu puhallin

Pöly

Sulapelkistys Hiilen kaasutus

Happi Sula metalli ja kuona

Johtopäätöksiä Suorapelkistysraudan tuotanto on viimeisen 40 vuoden aikana kehittynyt ripeästi vastaten nykyään 6-7 % masuuniraudan määrästä. Pääosa tuotannosta perustuu kuiluuunitekniikkaan ja maakaasuun. Kivihiileen perustuvien menetelmien käyttö on pienimittakaavaista ja rajoittunutta (Intia, Kiina). Suorapel-

kistysrautaa käytetään pääasiassa sähköuuneissa, jossa se metallisista epäpuhtauksista lähes vapaana raaka-aineena tukee kierrätysteräksen käyttöä erikoisterästen valmistukseen. Suorapelkistyksen tuotannon uskotaan edelleen kasvavan. Sulapelkistystä on kehitetty ja kehitetään edelleen korvaamaan masuunipro-

sessia, joka vaatii rikasteen sintrauksen tai pelletoinnin sekä kivihiilen koksauksen. Tuotanto on nykyään alle 1 % masuunituotannosta. Lähivuodet tulevat näyttämään, nouseeko sulapelkistys todelliseksi kilpailijaksi masuunille.

Teräksen valmistus raakaraudasta Masuunissa valmistettu raakarauta sisältää 4…5 % hiiltä. Teräksissä pitoisuus on tavallisimmin alle 1 % ja yleisissä rakenneteräksissä, jotka muodostavat suurimman teräslajiryhmän, alle 0,2 %. Teräksen valmistusprosessissa hiilipitoisuus alennetaan halutulle tasolle polttamalla ylimääräinen hiili eli mellottamalla rauta. Lisäksi raakaraudassa on siihen liuenneena malmista peräisin olevia haitallisia aineita enemmän kuin teräksissä niitä voidaan sallia. Teräsprosessissa alennetaan myös näiden aineiden pitoisuuksia. Lopuksi suoritetaan vielä seostus haluttujen ominaisuuksien saavuttamiseksi.

Mellotus Mellotuksessa raudan hiili reagoi sulaan tuodun hapen kanssa muodostaen CO‑kaasua, joka poistuu prosessista. Aikaisemmin mellotukseen käytettiin ilmaa. Ilmaa käyttävät Bessemer- ja Thomas-prosessit ovat jääneet pois käytöstä. Nykyisin mellotukseen käytetään puhdasta happea. Hapen etuina ovat suuri mellotusnopeus ja vastaavasti lyhyt mellotusaika, kaasumäärän ja vastaavasti kaasun mukana menetetyn hukkalämmön väheneminen ja kaasun puhdistuksen helpottuminen. Säästyvä energia käytetään kierrätysteräksen sulatukseen. Hapen käytöllä vältytään myös haitalliselta teräksen typpipitoisuuden kohoamiselta, mikä oli tyypillistä ilmaa käyttäneille menetelmille.

Kuva 8.1 Happipuhalluskonvertteri

Happipuhallusprosessit eli konvertteriprosessit Happipuhallusprosessissa käytettävää reaktioastiaa kutsutaan konvertteriksi. Tämä on sylinterinmuotoinen, ylöspäin suippeneva ja ylhäältä

auki oleva astia. Vaippa on tehty teräksestä ja sisällä on tulenkestävä vuoraus. Happipuhallusprosessien läpimurto ajoittuu 1950 ja 60 –lu-

LD‑menetelmä LD‑menetelmä on happipuhallusmenetelmien perusprosessi. Nimi tulee itävaltalaisista Linzin ja Donawitzin kaupungeista, joissa menetelmä kehitettiin 1950‑luvulla. Tässä happi puhalletaan konvertteriin ylhäältä lasketun vesijäähdytetyn putken eli lanssin kautta. Lanssin päässä on 3…6 reikää, joista happisuihkut suuntautuvat raakarautasulaan.

Pohjapuhallus- (OBM) konvertterit LD-menetelmälle kilpailijaksi kehitettiin Saksassa pohjapuhallus- eli OBM-menetelmä. Happi puhalletaan pohjassa olevien suuttimien kautta. Suuttimet ovat kahden sisäkkäisen putken muodostamia rengassuuttimia. Sisäputkesta puhalletaan happea ja ulommasta raosta puhalletaan hiilivetyä, joka sulaan metalliin joutuessaan hajoaa, krakkautuu ja siten jäähdyttää ja suojaa suuttimen ympäristöä. Periaatteessa prosessin kulku on samanlainen kuin LD-menetelmässä.

vuille. Ne ovat jatkuvasti kehittyneet ja usein kilpailevat menetelmät ovat täydentäneet toisiaan.

Kuva 8.2 LD-Konvertteri.

Kuva 8.3 OBM-konvertteri.

Yhdistelmäpuhallus Sekä LD- että OBM-konverttereissa oli tiettyjä etuja ja haittoja toisiinsa verrattuna. Puhallustekniikkaa on kehitetty etujen maksimoimiseksi ja haittojen välttämiseksi. LDkonverttereita on varustettu pohjasuuttimilla, joiden kautta puhalletaan neutraalia (inerttiä) kaasua, typpeä tai argonia. OBM-konverttereita on vastaavasti varustettu ylälanssilla. Nykyaikaiset konvertterit ovatkin erityyppisiä yhdistelmäkonverttereja. Konvertteriin panostetaan sula raakarauta ja jäähdyttävä kierrätysteräs sekä lisätään poltettu kalkki ja mahdolliset fluksiaineet. Happipuhallus ylhäältä tapahtuu noin 2-kertaisella äänen nopeudella. Happivirran ja mellotuksessa kehittyvän COkaasun vaikutuksesta syntyy sulan kuonan, rautapisaroiden ja kaasun muodostama emulsio. Prosessin kulkua ohjataan lanssin korkeutta säätämällä ja pohjan kautta puhallettavien kaasujen koostumusta muuntelemalla.

epäpuhtauksien kuten fosforin ja rikin siirtymistä kuonaan.

utta voidaan lisätä konvertterin kokoa vastaavaksi.

Voimakas hiilen palaminen alkaa vasta piin hapetuttua. Puhallus lopetetaan, kun haluttu hiilipitoisuus on saavutettu. Puhalluksen päätyttyä konvertteri kallistetaan ja sula teräs kaadetaan konvertterin kyljessä olevan aukon kautta valusenkkaan. Lopuksi kuona kaadetaan vaunuissa olevaan kuonapataan. Teräksen lämpötila on n. 1 600 … 1 700 °C.

Suurimmat konvertterit pystyvät valmistamaan kerralla jopa 400 tonnia terästä. Tavallisesti terässulatolla on joko kaksi tai kolme konvertteria. Näistä yksi on uudelleen muurauksessa ja toinen tai kaksi muuta on käytössä. Sulatolla, jossa on kaksi konvertteria ja näistä toinen käytössä, voidaan käsitellä vuodessa 10 000 … 15 000 panosta, 3-konvertterilaitoksella vastaavasti 2-kertainen määrä.

Puhallusaika on yleensä 15…20 min ja kokonaisaika konvertterin kaadosta seuraavaan kaatoon 30…50 min. Puhallusaika ei riipu konvertterin koosta, sillä hapen puhallusnope-

Raahen tehtaalla on kolme 120 tonnin konvertteria.

Reaktiot puhalluksen aikana ovat kiivaita ja lämpötila nousee nopeasti. Aluksi hapettuu pii muodostaen piidioksidia (SiO2). Myös mangaania ja jonkin verran rautaa hapettuu. Mangaani‑ ja rautaoksidit edistävät CaO:n liukenemista ja kuonan syntymistä. Yleensä kalkkia lisätään niin paljon, että lopullisessa kuonassa CaO:n ja SiO2:n painosuhde on vähintään 3, eli kuona on emäksinen. Emäksinen kuona edistää sellaisten haitallisten

Kuva 8.4 Yhdistelmäkonvertteri

Lisäaineet Konverttereissa käytetty kalkki (CaO) valmistetaan kalkkikivestä (CaCO3) polttamalla se kalkinpolttouunissa. Käytössä on rumpu- ja kuilu-uuneja. Konvertterissa käytettävälle kalkille asetetaan erityisvaatimuksia lujuuden ja kappalekoon

suhteen. Sitä ei voida valmistaa suomalaisista kalkkikiviesiintymistä vaan yleensä Gotlannista tuodusta kalkkikivestä. Happi valmistetaan happitehtaissa. Ilma nesteytetään, minkä jälkeen

typpi, happi ja argon erotetaan toisistaan tislaamalla. Erotus perustuu siihen, että typen kiehumispiste on -196 ºC, argonin -186 ºC ja hapen -183 ºC, ts. lämpötilaa nostettaessa typpi kiehuu ensimmäisenä.

Teräksen valmistus kierrätysteräksestä Kierrätysteräksen sulatukseen tarvitaan lämpöenergiaa, joka on tuotava prosessiin ulkopuolelta. Aikaisemmin vallitseva menetelmä oli Siemens-Martin-prosessi. Nykyaikainen kierrätysteräksen sulatusmenetelmä on valokaariuuniprosessi, jossa kierrätysteräs sulatetaan pääasiallisesti sähkön aikaansaaman lämmön avulla. Valokaariuunissa (kuvat 9.1 ja 9.2) on lieriömäinen, matala uunikammio, jossa on tavallisesti emäksinen vuoraus. Uunia voidaan kallistaa kahteen suuntaan. Toinen suunta tarvitaan kuonan vetoa ja laskua ja toinen teräksen laskua varten (kuva 9.3). Katon eli holvin läpi työntyy kolme elektrodia. Holvi ja elektrodit käännetään sivuun, kun uuni panostetaan. Sulatettava panos kerätään pohjasta avautuviin romukoreihin, jotka nosturi siirtää uunin yläpuolelle. Elektrodit ovat paksuja grafiittisauvoja. Sähköenergia muuttuu lämpöenergiaksi valokaarissa, jotka muodostuvat elektrodien ja panoksen välille. Valokaarien korkean lämpötilan (4 000…6 000 ºC) ansiosta lämpöenergia siirtyy nopeasti panokseen. Jotta valokaari olisi mahdollisimman tehokas, elektrodien kärjen ja panoksen välinen etäisyys on pidettävä jatkuvasti sopivana. Tämä tapahtuu automaattisten elektrodinsäätimien avulla.

Nykyään valokaariuunissa tehdään pääasiassa vain kierrätysteräksen sulatus ja mellotus tavoitehiilipitoisuuteen. Kierrätysteräksessä eli romussa on aina haitallisia epäpuhtauksia. Mellotuksen yhteydessä tapahtuu fosforin kuonautuminen. Myös muita helposti hapettuvia ja höyrystyviä alkuaineita saadaan poistetuksi. Sensijaan rautaa raskaampien metallien, jotka saattavat olla teräksen ominaisuuksien kannalta haitallisia, esimerkiksi Cu, Sn, As, ei saada poistetuksi. Niiden pitoisuuksia voidaan rajoittaa esimerkiksi raaka-aineen lajittelulla. Sähkön ja muiden energiamuotojen hintasuhteista riippuen tai tuotantonopeuden kasvattamiseksi käytetään sulatuksessa yleisesti sähköä korvaavaa energiaa happi-, öljy- tai maakaasupolttimien ja hiili-injektion muodossa. Perinteisesti valokaariuunit ovat olleet vaihtovirtauuneja. Tasavirtatekniikan kehitys on joh-

tanut 1990-luvulla tasavirtauunien käyttöön kierrätysteräksen sulatuksessa. Lopulliset terässulan ominaisuudet seostuksineen tehdään uunivaiheen jälkeen yleensä senkassa. Tätä vaihetta kutsutaan toisiometallurgiaksi (sekundäärimetallurgiaksi). Ruostumattoman teräksen valmistuksessa seuraava vaihe on AOD-konvertterikäsittely. Valokaariuunit ovat monipuolisia ja joustavia. Uunien panoskoko on yleensä 10…150 tonnia, mutta suurimmat voivat olla jopa 300 tonnin vetoisia. Nykyisillä valokaariuuneilla on uuniaika lyhyt, parhaimmillaan n. 30 minuuttia, mikä sopii jatkuvavalukoneiden tahtiin valettaessa perättäisvaluja. Suomessa valokaariuuneja on Imatran ja Tornion terästehtailla sekä Karhulan ja Lokomon valimoissa.

elektrodit

holvi

valokaari

laskureikä

Kuva 9.1 Valokaariuunin kaavio.

Kuva 9.2 Valokaariuuni.

Sulatus valokaariuunissa

Kaasujen poisto tyhjiökäsittelyllä ja alkuseostus

Koostumuksen täsmäys seoslankoja syöttämällä

Jatkuvavalu

Raakasulan lämpötilan tasaus

Kuva 9.3 Valmistusreitti kierrätysteräksestä aihioiksi.

Ruostumattoman teräksen valmistus Ruostumattomien terästen teollinen valmistus aloitettiin 1920-luvulla USA:ssa. Valmistus tapahtui sulattamalla rautaa ja niukkahiilistä ferrokromia valokaariuunissa ilman mellotusta. Vaikeutena oli tuolloin riittävän alhaisen hiilipitoisuuden saavuttaminen. Ruostumattomien terästen mellotustekniikka kehittyi 1930-luvulla. Mellotus tapahtui aluksi malmilla ja 1940-luvulta lähtien hapella. Tällöin voitiin raaka-aineena ruveta käyttämään ruostumatonta kierrätysterästä sekä runsashiilistä ferrokromia. Kuitenkin edelleen oli vaikeutena päästä alhaisiin hiilipitoisuuksiin mellotuksessa ilman että kromia samalla hapettui paljon. Tämän ongelman ratkaisi AOD (Argon-Oxygen-Decarburization) -menetelmän käyttöönotto.

Kuva 10.1 Ruostumattoman teräksen käyttökohteet ovat lähes rajattomia.

Ruostumattomat teräkset Kun teräkseen on seostettu yli 10,5 % kromia, sen korroosionkestävyys paranee huomattavasti. Kromi muodostaa ilman hapen vaikutuksesta teräksen pintaan hyvin ohuen, mutta kestävän oksidikalvon, joka ehkäisee korroosiota. Tällaisia teräksiä kutsutaan ruostumattomiksi. Ruostumattomat teräkset jaotellaan niiden mikrorakenteen mukaan austeniittiisiin, ferriittisiin ja martensiittisiin ruostumattomiin teräksiin. Jos teräkseen on lisätty kromin ohella riittävästi nikkeliä, saadaan sen rakenne pysymään austeniittisena myös huoneenlämpötilassa. Tällaisten austeniittisten ruostumattomien terästen tunnetuin edustaja on ns. 18/8 teräs, jossa on 18 % kromia ja 8 % nikkeliä. Nikkeli parantaa sitkeyttä ja myös korroosionkestävyyttä

etenkin pelkistävissä olosuhteissa. Hiili voi austeniittisissa esimerkiksi hitsauksessa erkautua raerajoille kromikarbideiksi, joiden ympärille muodostuu niukasti kromia sisältävä ja sen vuoksi huonosti korroosiota kestävä vyöhyke. Tämän ns. herkistymistaipumuksen takia hiilipitoisuus pidetään 0,07 %:n alapuolella. Ferriittisten ruostumattomien terästen korroosionkestävyys on lähes austeniittisten terästen luokkaa, kun kromipitoisuudet ovat samat, mutta ne ovat huokeampia, koska seosaineena ei käytetä nikkeliä. Rajoitteena ferriittisten ruostumattomien terästen laajemmalle käytölle on ollut niiden alhaisempi sitkeys austeniittisiin verrattuna ja taipumus erilaisiin haurausilmiöihin. Nykyään ferriittisten ruostumattomien terästen

sitkeyttä on kyetty parantamaan alentamalla hiilipitoisuutta jopa alle 0,01 %:iin. Viime vuosina austeniittisten ruostumattomien terästen kilpilijoiksi on kehitetty austeniirris-ferriittisiä eli duplex-teräksiä. Niissä osa kalliista nikkelistä on korvattu mangaanilla, joka myös suosii austeniitin muodostumista. Martensiittiset ruostumattomat teräkset ovat karkaistavia ja lujia teräksiä, joita käytetään muun muassa työvälineissä, puunjalostusteollisuuden laitteissa ja turpiinin siivissä. Niissä on kromia vähintään 12 % ja hiiltä riittävästi halutun kovuustason saavuttamiseksi.

Erilaisia ruostumattomia teräksiä Austeniittisia C% 0,05 0,05

Cr % 18,0 18,0

Ni % 8,0 12,0

Mo %

Cr % 18,0

Ni %

Mo %

Ruostumattomien terästen perustyyppi, ns. 18/8 -teräs 2,5

Ferriittinen C% 0,02

Asteniittis-ferriittinen eli duplex C% 0,02

Cr % 21,0

Ni % 1 ,5

Mo % 0,3

Ni %

Mo %

Mn % 5,0

Molybdeenin seostuksella pyritään korroosionkestävyyden parantamiseen. Molybdeenia sisältäviä austeniittisia teräksiä sanotaan haponkestäviksi teräksiksi.

Martensiittinen C% 0,20

Cr % 13,0

AOD -menetelmä Ruostumattomien terästen teollinen valmistus aloitettiin 1920-luvulla USA:ssa. Valmistus tapahtui sulattamalla rautaa ja niukkahiilistä ferrokromia valokaariuunissa ilman mellotusta. Vaikeutena oli tuolloin riittävän alhaisen hiilipitoisuuden saavuttaminen. Ruostumattomien terästen mellotustekniikka kehittyi 1930-luvulla. Mellotus tapahtui aluksi malmilla ja 1940-luvulta lähtien hapella. Tällöin voitiin raaka-aineena ruveta käyttämään ruostumatonta kierrätysterästä sekä runsashiilistä ferrokromia. Kuitenkin edelleen oli vaikeutena päästä alhaisiin hiilipitoisuuksiin mellotuksessa ilman että kromia samalla hapettui paljon. Tämän ongelman ratkaisi AOD (Argon-Oxygen-Decarburization) -menetelmän käyttöönotto. Menetelmä kehitettiin 1960-luvulla USA:ssa. Ensimmäinen teollinen AOD -konvertteri otettiin käyttöön vuonna 1968. Menetelmä on kaksivaiheinen: 1. Panos sulatetaan valokaariuunissa (sulatusyksikkö). 2. Sula käsitellään konvertterissa (metallurginen yksikkö). AOD -konvertteri (kuva 10.2) on tulenkestävillä tiilillä vuorattu astia, johon prosessikaasut johdetaan seinämien läpi konvertterin alaosaan asennettujen suuttimien kautta. Niiden lukumäärä vaihtelee konvertte-

rin koosta riippuen. Mellotuksen alkuvaiheessa kaasuja voidaan syöttää lisäksi myös päältäpuhalluslanssilla. Mellotus tapahtuu hapen ja inertin kaasun1 seoksella. Inertin kaasun avulla pienennetään mellotuksessa syntyvän CO:n osapainetta. Tämä edesauttaa voimakkaasti hiilen palamista eli sillä on sama vaikutus prosessin kulkuun kuin paineen alentamisella konvertterissa. Alipaineen aikaansaaminen on kuitenkin teknisesti huomattavasti hankalampaa. Sula raakateräs ja sula ferrokromi panostetaan konvertteriin siirtosenkasta. Ennen panostusta ylimääräinen kuona laapataan pois raakateräksen pinnalta. Panoksen eli AOD -lähtösulan koostumus on keskimäärin 1…2 % C, 0,1 % Si, 20 % Cr, 6 % Ni ja loppu pääasiassa Fe. Panostusta varten konvertteria kallistetaan ja sula kaadetaan konvertteriin suuaukon kautta. Sulan mellotus kaasujen avulla tapahtuu vaiheittain niin, että hiilipitoisuuden alentuessa inertin kaasun osuus puhalluksen aikana kasvaa.

kinpoisto. Käsittelyn loppuvaiheessa pelkistetään kuonaan hapettunut kromi piillä takaisin teräsulaan. Onnistunut rikinpoisto vaatii lisäksi, että kuona on juoksevaa ja riittävän emäksistä. Kuonan muodostajana käytettään kalkkia ja kuonan juoksevuuden parantamiseksi siihen lisätään pelkistyksen aikana myös fluspaattia eli kalsiumfluoridia. Pelkistyksen jälkeen ennen kaatoa sulan koostumusta voidaan vielä pienillä seostuksilla tarkentaa, minkä jälkeen se on valmis siirrettäväksi prosessiketjussa eteenpäin. Osa hapesta puhalletaan konvertteriin päältäpuhalluslanssin kautta mellotuksen alkuvaiheessa jolloin tuotantonopeus kasvaa (vrt. LDkonvertteri). Käsittelyaika konvertterissa on 40…80 minuutta teräslajista riippuen. Erittäin niukkahiilisten ja runsaskromisten teräslajien mellotus voi kestää huomattavasti kauemmin. Konvertterista saatavan teräksen koostumus on tyypillisesti 0,04 % C, 0,5 % Si, 18 % Cr, 8 % Ni ja loppu pääasiassa Fe.

Inertti kaasu on kemiallisesti reagoimaton kaasu, tässä tapauksessa argon ja typpi.

Mellotuksen lisäksi käsittelyvaiheisiin kuuluvat kuonan pelkistys ja ri-

Tyhjö 12% Muut konvertterimenetelmät 5% AOD yhdistelmä 7%

AOD 76%

Kuva 10.2 AOD-konvertteri.

Kuva 10.3 Ruostumattoman teräksen eri valmistusmenetelmien osuudet maailmassa.

AOD -menetelmän edut • AOD -konvertterissa voidaan mellottaa ruostumattomia teräksiä taloudellisesti korkeasta lähtöhiilipitoisuudesta jopa alle 0,015 %:n loppuhiilipitoisuuksiin. Ferriittisillä ruostumattomilla teräksillä hiilipitoisuus lasketaan tarvittaessa jopa 0,010 %:n tasolle. • Mahdollisuus runsashiilisten raaka-aineiden käyttöön. • Seosaineiden saanti on hyvä (96…98 %). • Teräksen rikki- ja typpipitoisuudet saadaan alhaisiksi ja koostumuksen hajonta pieneksi hyvän sekoituksen ansioista. • Lämpötilan hallinta on hyvä. • Panoskokoa voidaan helposti muutella, mikä on tarpeellista esimerkiksi valimoissa. AOD -prosessin ongelmana on vuorauksen voimakas kuluminen sekä argonin kalleus. Argonia voidaan mellotusvaiheessa tosin korvata halvemmalla typellä

Sulaa FeCr

tai peräti ilmalla. Vuorauksen kesto on parantunut vuorausmateriaaleja ja suuttimien rakennetta kehittämällä sekä yhdistelmäpuhalluksen ansiosta. AOD on metallurgisten reaktioiden kannalta tehokas prosessi. Kuitenkin sen kustannukset ovat verraten korkeat. Maailman ruostumattomasta teräksestä noin ¾ valmistetaan AOD -menetelmällä. Tuotannossa käytettävien konverttereiden koko vaihtelee 4:stä 180 tonniin.

Suomessa valmistetaan ruostumatonta terästä Tornion terästehtaalla ja teräsvalimoissa. Tornion nykyisen sulaton, joka käsittää kaksi AOD -konvertteria, tuotantokapasiteetti on noin 1,6 miljoonaa tonnia vuodessa. Konvertterien panoskoot ovat 95 t ja 150 t. Karhulan teräsvalimolla on ollut käytössä vuodesta 1980 asti 8 tonnin AOD -konvertteri.

FeCr-konvertteri

Mellotus AOD-konvertterissa

Senkkakäsittely

Jatkuvavalu

Sulatus valokaariuunissa Kuva 10.4 Ruostumattoman teräksen valmistus Tornion terästehtaalla. Ferrokromi panostetaan sulana AOD -konvertteriin.

Ferroseokset Teräksen ja valuraudan valmistuksessa käytettävät metalliset seosaineet lisätään metallurgisista ja kustannussyistä ferroseoksina, jos se on mahdollista. Ne ovat kyseisen seosaineen ja raudan seoksia ja ne valmistetaan yleensä oksidirikasteista pelkistämällä.

Ferrokromin valmistus Suomessa valmistetaan Kemin kaivokselta louhittavasta kromiittimalmista (FeCr2O4) ferrokromia (FeCr). Ferrokromia käytetään ruostumattoman teräksen raaka-aineena ja nimenomaan kromiseostus tekee teräksestä ruostumattoman. Kaivoksesta louhittu malmi rikastetaan edelleen palarikasteeksi (35 % Cr2O3) ja hienorikasteeksi (45 % Cr2O3). Kemin kaivokselta rikasteet kuljetetaan edelleen käsiteltäviksi Tornion ferrokromitehtaalle. Tornion ferrokromitehtaalla hienorikaste jauhetaan kuulamyllyssä, pelletoidaan ja sintrataan nauhasintrausuunissa mekaanisesti lujiksi, huokoisiksi pelleteiksi. Sintrausprosessissa pellettien lämpötila nostetaan noin 1 350 °C lämpötilaan, jolloin sidesilikaatit muodostuvat ja syntyvät pelletit ovat mekaanisesti lujia ja huokoisia pallomaisia pellettejä. Kromioksidipelletit pelkistetään hiilellä jatkuvatoimissa uppokaari- eli ferrokromiuuneissa, joita on kolme kappaletta. Uppokaariuunissa on kolme elektrodia, joiden läheisyy-

dessä lämpötila voi nousta 3 000 °C:een. Syötemateriaalin sulaessa virtaa syöttöputkista painovoimaisesti uutta materiaalia uuniin. Sula ferrokromi ja kuona lasketaan uunista normaalisti noin 2 tunnin välein. Suljettujen uppokaariuuninen nimellis- eli muuntajatehot vaihtelevat välillä 30...135 MVA. Ferrokromiuunin sulatuspanos koostuu palarikasteesta, rikastepelleteistä, koksista ja kvartsiitista (pääosin SiO2). Panos kuumennetaan esikuumennusuunissa, josta materiaali virtaa vapaasti syöttöputkia pitkin sulatusuuniin. Uunissa syötteen lämpötilan noustessa aluksi pelkistyy rauta 800...1 200 °C lämpötiloissa ja koksi pelkistää kromioksidin yli 1 400 °C lämpötilassa. Rektiot tuottavat CO-kaasua, joka suljetuissa uuneissa kerätään ja suodatetaan käytettäväksi polttoaineena esikuumennusuunilla, sintraamossa ja muissa tehdasalueen kohteissa korvaamaan nestekaasun ja polttoöljyn käyttöä.

berg-elektrodeilla. Sulatusuunin pohjalle kertyvä sula ferrokromi ja kuona lasketaan määrävälein uunista ulos laskureiän kautta. Ferrokromitehtaan tuotteita ovat ferrokromi sulana ja kiinteänä murskeena, CO-kaasu ja kuona. Ferrokromiuunista laskettava sula kuona rakeistetaan vedellä tai jäähdytetään ilmassa ja murskataan. Kuonatuotteilla korvataan luonnonkiviaineksia mm. maa- ja talorakentamisessa. Uunivaiheen jälkeen ferrokromin koostumus on tyypillisesti 54 % Cr 7 % C 4 % Si loput Fe Tornion ferrokromitehtaan kolmen uunin kapasiteetti on 530 000 tonnia vuodessa. Muita ferroseoksia kuten esimerkiksi FeSi, FeMn ja FeNi valmistetaan periaatteessa samalla tavalla.

Sähköenergia tuodaan panokseen syvälle materiaaliin ulottuvilla Söder-

KROMIITTIRIKASTETTA

Kuulamylly -jauhatus

Lietetankki -sekoitus

Kiekkosuodatin -lietteen suodatus

Lietetankki -sekoitus

Ferrokromin konvertointi Edellä kuvatulla tavalla valmistetun ferrokromin runsas hiilipitoisuus on haitta ruostumattoman teräksen valmistuksessa, jossa tyypillisesti tarvitaan alle 0,1 %:n hiilipitoisuutta. Siksi ferrokromi käsitellään vielä erityisessä konvertterissa hiilipitoisuuden alentamiseksi. Ferrokromikonvertteri on periaatteeltaan hyvin samankaltainen kuin AOD -konvertteri. Siinä sulan ferrokromin hiili- ja piipitoisuutta lasketaan käyttäen happitai happi+paineilmapuhallusta. AOD -konvertterin tapaan kaasut puhalletaan ferrokromikonvertteriin sivussa olevien suuttimien sekä, vesijäähdytteisen päältäpuhalluslanssin kautta. Sulan ferrokromin lisäksi ferrokromikonvertteriin panostetaan rautaromua jäähdytystä varten sekä kalkkia kuonanmuodostajaksi.

Ferrokromikonvertterin panoskoko on 25…65 tonnia ferrokromia. 25 tonnia on pienin määrä, jonka konvertteri pystyy käsittelemään. 65 tonnin lähtösulamäärällä panos kasvaa prosessin aikana 90 tonniin, mikä on konvertterin nimelliskoko. Konvertoinnin viimeiset vaiheet ovat kuonaus ja näytteenotto, joiden jälkeen ferrokromisula on valmista panostettavaksi AOD-konvertteriin ruostumattoman teräksen valmistusta varten. Konvertoidun ferrokromin koostumus on noin

Sula ferrokromi siirretään terästehtaalle ja sekoitetaan valokaariuunissa sulatetun kierrätysterässulan kanssa, jotka yhdessä muodostavat AOD -konvertteriin syötettävän sulapanoksen. Mahdollisuus käyttää sulaa ferrokromia suoraan ruostumattoman teräksen valmistuksessa on Tornion terästehtaan merkittävä kilpailuetu, koska näin vältytään ferrokromin uudelleen sulattamiselta ja säästetään huomattavasti energiaa. Tällainen intergroitu ruostumattoman teräksen tuotanto on ainutlaatuista maailmassa.

37 % Cr 3 % C 0,1 % Si loput Fe 11.1 Tornion ferrokromitehtaan prosessin kaavio. Prosessiin kuuluu useita kaasujen puhdistus- ja talteenottovaiheita. Kaavion selvyyden vuoksi niitä ei ole esitetty

Nauhasintrausuuni -pellettien sintraus (kovettaminen)

-esikuumennus

FERROKROMIA AOD-KONVERTTERIIN

Uppokaariuuni

Ferrokromikonvertteri -hiilipitoisuuden alentaminen Pellettirumpu -pelletointi

-pellettien pelkistys

Eri teräsprosessien vertailua KU VA Val oka Sie me Ha ppi Mu ut Tho ma

195 5 80

196 0 85

196 5 90

197 0 120

197 5 135

198 0 165

198 5 182

199 0 217

199 5 245

20 00 288

20 201 201 05 0 3 360 406 452

120

180

160

165

155

160

140

117

496

739

988

1 122

37 155 ovat 290 320seuraavat: 385 394 423 433 Teräksen valmistukseen käytetään erilaisia menetelmiä. Tärkeimpiä syitä5 tähän

• Menetelmät kehittyvät koko ajan. Kalliita ja käyttökelpoisia laitoksia ei voida kuitenkaan romuttaa vain siksi, että on keksitty uusia menetelmiä. • Eri raaka-aineita on käsiteltävä eri menetelmin ja niitä soveltaan erityyppisille teräksille. Konvertteriprosessi sopii malmi-pohjaiselle raakaraudalle, valokaariuuni kierrätysterästen sulatukseen ja valokaariuuni + AOD ruostumattomien terästen valmistukseen. • Metallurgisen koksin, öljyn ja sähköenergian saanti ja hinnat vaihtelevat. Happipuhallusmenetelmät ovat edenneet voimakkaasti 1950-luvun puolivälistä alkaen, jolloin niitä alettiin ottaa käyttöön. Valokaariuuni kierrätysteräksen sulatuksessa on energiatehokkaampana syrjäyttänyt Thomasin ja Siemens-Martinin prosessit (kuva 12.1). Mm. Suomessa toimineet Åminneforsin ja Dalsbrukin SM-uunit poistettiin käytöstä 1970-luvun lopulla. AOD-konvertteri ruostumattoman teräksen valmistuksessa ja erilaiset sulan käsittelymenetelmät ovat monipuolistaneet teräsprosesseja.

Kuva 12.2 Eri teräksenvalmistusmenetelmien energian käyttö ja raaka-ainepanos tuotettua terästonnia kohden. Masuuni-happipuhallusmenetelmässä energia saadaan pääosin masuunissa poltettavasta koksista, valokaariuunimenetelmissä sähköstä. Tässä vertailussa jälkimmäisten pienempi energian kulutus johtuu panoksesta; kierrätysteräs on jo kertaalleen valmistettua terästä. Energian yksikkönä on käytetty gigajoulea = miljardi joulea vastaten 280 kWh.

1 600

1 200

800 Thomas Muut Thomas Happipuhallus400 Muut konvertteri Happipuhalluskonvertteri Siemans-Martin Siemens-Martin ValokaariValokaari 0

1955

1965

1975

1985

1995

2005

2013

Kuva 12.1 Eri teräksenvalmistusmenetelmien osuus maailman tuotannossa 1955 - 2013.

Happipuhallusmenetelmät

Kierrätysterästä Ferrokromia Raakarautaa masuunista Ruostumatonta kierrätysterästä Muita seosaineita

Valokaariuuniprosessi kg Panos tuotettua aihiotonnia kohti 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Masuuni + Valokaariuuni happipuhalluskonvertteri

AOD-menetelmä

Valokaariuuni + AOD-konvertteri

GJ Energian käyttö tuotettua aihiotonnia kohti 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 Masuuni + Valokaariuuni Valokaariuuni + happipuhallusAOD-konvertteri konvertteri

Sulan teräksen jatkokäsittelyt Uunista tai konvertterista teräs kaadetaan valusankoon kuljetuksia ja jatkokäsittelyä varten. Niukkaseosteisten massaterästen senkkakäsittely käsittää seostuksen ja lämpötilan täsmäyksen valua varten. Erikoisteräksiä käsitellään valusangossa eli senkassa eri tavoin. Tavoitteena on koostumukseltaan ja lämpötilaltaan tasalaatuinen sula, puhtaus haitallisista kaasuista ja epäpuhtauksista (kuten vety, happi, fosfori ja rikki) sekä seostus. Teräs on käsittelyjen ja seostuksen jälkeen deoksidoitu eli ”tiivistetty”, jos siinä on niin paljon happea sitovia aineita, että kaasuonkaloita ei teräksen jähmettymisen aikana synny. Niukkahiilisten terästen tiivistykseen käytetään piitä tai alumiinia. Tiivistämättömästä teräksestä vapautuu jähmettymisen aikana CO-kaasua ja teräs jää huokoiseksi. Tavallisimmat valusankokäsittelyt ovat:

Kaasuhuuhtelu Kaasuhuuhtelussa sulaa sekoitetaan johtamalla sangon pohjassa olevan huokoisen tiilen läpi valusankoon argonia. Silloin kun teräs jatkuvavaletaan, kaasuhuuhtelu on

aina välttämätön riittävän lämpötilan tasaisuuden saamiseksi teräkseen. Kaasuhuuhtelu aikaansaa myös rikin poistumista teräksestä kuonaan ja kaasuhuuhtelu edistää tiivistyksessä

syntyvien oksidi-sulkeumien poistumista kuonaan, jolloin parannetaan teräksen kuonapuhtautta.

• seostus. Käyttämällä langansyöttötekniikkaa päästään tarkempiin pitoisuuksiin ja voidaan vähentää seosaineiden hävikkiä. Joissain teräslajeissa seosaineiden määrä saattaa olla hyvinkin pieni. Tyypillinen boorin pitoisuus on 0,003 % ja vanadiinin 0,10 %. Tällaisia seosaineita sanotaan mikroseosaineiksi. Niitä voidaan langansyötön avulla seostaa hyvinkin tarkasti. Tällöin jauheena on ko. seosaineen ja raudan yhdiste, ferroboori, ferrovanadiini jne.

• hapen poisto. Lisäämällä pieni määrä alumiinia terässulaan saadaan siihen liuennutta happea vähennetyksi. Jos teräksen jähmettyessä happea on edelleen liuenneena, muodostuu kovia ja haitallisia oksidisulkeumia.

Langan syöttö Langan syöttö on viime vuosina syrjäyttänyt ns. injektointitekniikan. Molemmissa tavoite on sama. Menetelmillä voidaan poistaa teräksestä rikkiä ja happea, lisätä tarkasti eri seosaineita, muuntaa epämetallisten sulkeumien koostumusta ja rakennetta sekä parantaa teräksen isotrooppisia eli valssaussuunnasta riippumattomia ominaisuuksia. ”Lanka” on ohutseinäistä teräsputkea, joka on täytetty jauheella, esimerkiksi seosaineella. Se on kelana, josta syöttölaite purkaa lankaa ja syöttää halutulla nopeudella senkkaan. Seinämä sulaa ja jauhe leviää tasaisesti senkassa olevaan terässulaan ja reagoi sen kanssa. Laitteistolla voidaan syöttää samanaikaisesti useita erilaisia lankoja.

• kalsiumkäsittely. Pienellä kalsiumpiin lisäyksellä muunnetaan teräksessä olevia haitallisia epämetallisia sulkeumia edullisempaan muotoon. Näin voidaan parantaa teräksen valettavuutta ja lastuttavuutta.

• koostumuksen tarkennus. Jos seosaineita tarvitaan suurempia määriä, ei niiden pitoisuus sulan käsittelyn loppuvaiheessa välttämättä ole tarkkaan haluttu. Langan syötöllä voidaan koostumus vielä tarkentaa ennen valua.

Langan syötöllä voidaan toteuttaa erilaisia terässulan käsittelyjä kuten

Kuva 13.1 Langan syöttö

Koostumuksen täsmäys argonhuuhtelun avulla (CAS-OB) Valusangon pohjareiästä puhalletaan argonia sulaan, jolloin pintakuonaan muodostuu kaasun kupliessa ”silmä”. Laitteisto lasketaan tämän päälle ja sen kautta lisätään seosaineita. Lanssin avulla pintaan voidaan puhaltaa myös happea. Kun samanaikaisesti lisä-

tään alumiinia, syntyy alumiinioksidia Al2O3 ja huomattavasti lämpöenergiaa, jota käytetään seosaineiden sulattamiseen. Sulan lämpötilaa voidaan nostaa jopa 10 °C minuutissa. Syntynyt Al2O3 nousee kuonaan.

Seosaineet Poistokaasut

Kuva 13.2 CAS-OB (Composition Adjustment by Sealed Argon Bubbling - Oxygen Blowing) Argon

Tyhjökäsittelyt Tyhjökäsittelyllä poistetaan teräksestä siihen liuenneita kaasuja. Tavallisimmin käsittelyllä alennetaan vetypitoisuutta ja estetään täten vetyhalkeilu, mikä haittaa varsinkin suurikokoisten taottavien kappaleitten tekoa ja lujien terästen hitsausta kylmissä olosuhteissa. Sulassa oleva liuennut happi muodostaa hiilen kanssa hiilimonoksidia, CO:ta, joka poistuu sulasta kaasukuplina. Tällaisella tyhjömellotuksella voidaan valmistaa hyvin matalahiilisiä teräksiä. Tällöin teräs ei saa olla täysin deoksidoitua eli tiivistettyä, koska mellotusreaktio tarvitsee happea. Kiinteitä oksidisulkeumia ei synny ja lisäksi nousevat kaasukuplat kuljettavat sulassa olevia sulkeumahiukkasia pintaan. Liuenneen typen poistaminen merkittävässä määrin tyhjökäsittelyllä on hankalaa.

TV kamera Erilaisia tyhjökäsittelyjä on kehitetty 1950-luvulta lähtien. Yleisemmin käytettyjä ovat menetelmät, joissa sulaa terästä käsitellään senkassa tai teräs siirretään senkasta tyhjökammioon kuten RH-menetelmässä (Rheinstahl-Heraeus). Siinä sula teräs pumpataan putkessa tyhjökammioon ja johdetaan toista putkea pitkin takaisin (kuva 13.3). Suomessa on tankkityhjötyyppinen käsittely käytössä Imatralla ja Raahessa. Myös ruostumattoman teräksen valmistuksessa käytetään VOD-tyhjökäsittelyä (Vacuum Oxygen Decarburization), joka on tankkityhjötyyppinen käsittely ja jossa vakuumin lisäksi on happipuhallusmahdollisuus.

Tyhjiön imu

Seosaineita

Tyhjökäsittelyllä saavutetaan seuraavia etuja: • voidaan alentaa tehokkaasti teräksen vety- ja happipitoisuuksia. • voidaan valmistaa erittäin niukkahiilisiä teräksiä, jopa alle 0,002 %C. • voidaan käyttää halpoja, runsashiilisiä raaka-aineita. • voidaan parantaa terästen sitkeyttä, väsymislujuutta ja työstettävyyttä.

Kuva 13.3 RH-menetelmä.

Senkkauuni Senkkauuni on oleellinen osa korkealaatuisten terästen valmistuksessa joko tyhjökäsittelyn yhteydessä tai ilman. Tyhjökäsittelyssä sulan lämpötila laskee. Seosaineiden sulattamiseen tarvitaan myös lämpöä. Lämpötilan alenemista voidaan kompensoida senkkauunissa, joka on rakenteeltaan valokaariuu-

nin kaltainen, mutta luonnollisesti huomattavasti pienitehoisempi. Senkkauunissa voidaan sulaa sekoittaa induktiivisesti magneettikelan avulla tai puhaltamalla kaasua senkan pohjan läpi. Senkkauunissa on mahdollisuus myös seosaineiden lisäykseen. Senkkauunikäsittely onkin usein sulan viimeistelyvaihe, jos-

sa koostumus tarkennetaan ja sulan lämpötila nostetaan ja tasataan valua varten. Senkkauunivaiheessa myös epämetalliset sulkeumat poistetaan mahdollisimman tarkkaan sulan sekoituksen ja sulkeumia sitovan pintakuonan avulla.

Kuva 13.4 Senkkauuni. Seosaineita

TV kamera

Tyhjiön imu

Kuva 13.5 Tankkivakuumimenetelmä.

Kuva 13.7 Käsittely tyhjötankissa on päättynyt.

Kuva 13.6 VOD-menetelmä (Vacuum Oxygen Decarburization)

Aihioiden valu Sula teräs on saatettava jatkokäsittelyä varten kiinteään muotoon. Lämpötilan laskiessa sula teräs jähmettyy. Tämä tehdään nykyään pääosin jatkuvavaluna, joka tuottaa aihioita valssausta varten.

Jatkuvavalu Jatkuvavalussa teräs lasketaan valusangosta välialtaan kautta vesijäähdytteiseen kuparikokilliin. Kokillin pohjassa on valun alkaessa kylmäaihio. Kylmäaihion avulla aloitetaan myös kokillin täyttymisen jälkeen valunauhan vetäminen kokillin läpi. Valunauhaa vedettäessä kokilli on edestakaisessa liikkeessä, jotta aihio ei tarttuisi kokilliin. Kokillissa käytetään voiteluaineena ja lämmönsiirron tasaamiseen valupulveria tai öljyä. Kokillissa aihio saa halutun muodon. Vain aihion pintakerros ehtii jähmettyä. Lopullinen jähmettyminen tapahtuu kokillin alapuolella olevassa toisiojäähdytysvyöhykkeessä. Muodostunut kuori yhdessä toisiojäähdytysalueen tukirullastojen kanssa estää aihion pullistumisen ja/tai puhkeamisen terässulan fer-

Kuva 14.2 Kaareva jatkuvavalukone.

rostaattisen paineen vaikutuksesta. Katso myös sivu 99. Toisiojäähdytysalueella aihion jäähdytys tapahtuu suoraan aihion pintaan ohjatulla vesi- tai ilma + vesisuihkulla. Toisiojäähdytysalueen jälkeen valunauha leikataan halutun pituisiksi esiaihioiksi kaasulla polttamalla tai mekaanisesti leikkaamalla. Ensimmäiset jatkuvavalukoneet olivat tyypiltään pystykoneita. Pystykoneiden haittana on suuri rakennuskorkeus, mistä johtuen kehitys johti suorakokillisiin kaareviin valukoneisiin sekä kaarevakokillisiin muuttuvasäteisiin valukoneisiin (kuva 14.2). Kehityksen alkuvaiheessa valettiin vain yksittäisvalua, ts. yksi valusangollinen kerrallaan. Nykyisillä jatkuvavalukoneilla valetaan peräkkäin useita sangollisia eli sarjoja. Valusarjojen pituudet vaihtelevat paljonkin, mutta tavallisimmin sarja käsittää 4…10 valusangollista. Jatkuvavalukoneen kapasiteetti riippuu aihion koosta ja valunopeudesta. Valunopeuden nostomahdollisuudet ovat

kuitenkin rajoitetut. Sulatuskapasiteetista riippuen valukoneet voidaan rakentaa yksi- tai useampilinjaisiksi. Levyaihiokoneet ovat yleensä 1- tai 2-linjaisia, mutta teelmävalukoneet eli alle 200 mm:n paksuisia neliöaihioita valavat voivat olla jopa 8-linjaisia. Jatkuvavaletun aihion poikkileikkaus on suorakaide, neliö tai ympyrä. Koko voi olla esim. 100 × 100 mm ja 450 × 650 mm. Levyaihiot ovat suorakaiteen muotoisia. Paksuus on 150…300 mm ja leveys 900… 3 000 mm. Jatkuvavalun etuja valannevaluun verrattuna ovat hyvä hyötysuhde (saanti >95 %), aihioiden laadun tasaisuus, mikä on seurausta nopeasta jähmettymisestä, sekä energian säästö kuumavalssauksessa. Jatkuvavalun osuus tuotannosta on sen paremmasta taloudellisuudesta johtuen kasvanut nopeasti. Vuodesta 1990 lähtien Suomessa kaikki valssattava teräs valmistetaan jatkuvavalamalla. Merkittävistä terästeollisuusmaista ensimmäisenä Suomi on saavuttanut 100 %:n osuuden.

Kuva 14.1 Jatkuvavalettuja aihioita

Kuva 14.3 Valua kaarevalla jatkuvavalukoneella.

Valannevalu Teräksen valu valanteiksi on ikivanha menetelmä. Jatkuvavalu on syrjäyttänyt sen taloudellisuutensa ja laadullisten syiden vuoksi niukkahiilisten seostamattomien, vähän seostettujen ja ruostumattomien terästen valmistuksessa, mutta valannevalua käytetään edelleen mm. suurten takoaihioiden, korkeahiilisten ja runsasseosteisten terästen valuun. Tavallisesti teräs valetaan valurautakokilleihin nousuvaluna. Valusarjassa on useampia kokilleja, niin että yksi kokonainen sulatus voidaan valaa kerralla. Kuva 14.4 Valanteen nousuvalua kokilliryhmään.

Kuva 14.5 Nousuvalu

Ohutaihiovalu ja nauhavalu Jatkuvavaletut aihiot ovat verrattain paksuja lopputuotteisiin verrattuna, jotka saattavat olla 2 mm luokkaa. Viime aikoina on kehitetty menetelmiä valaa aihio mahdollisimman ohueksi, jolloin säästyy energiaa eikä tarvita raskasta valssauskalustoa. Ohutaihiovalussa teräs valetaan kokilliin, jonka loppupaksuus on 50...100 mm. Aihion ollessa vielä kuuma tai sisustan vielä sulana ohennetaan nauhaa edelleen valssaamalla. Kuuma nauha voidaan johtaa tasaushehkutukseen ja valssata samassa prosessissa loppumittaansa, joka pienimmillään on n. 0,8 mm.

Maailmassa ohutaihiovalun kapasiteetti on nykyisin 100 milj. tonnia. Rakenteilla on kolmelinjaisia valukoneita, joiden tuotantokyky on 3,5 milj. tonnia vuodessa. Lähes kaikkia teräslajeja voidaan valmistaa ohutaihiovalamalla. Nauhavalussa sula johdetaan keraamisten suuttimien kautta kuparisten pyörivien rullien väliin, jossa jähmettyminen tapahtuu alle sekunnissa ja 1...4 mm paksun nauhan rakenteesta tulee täysin homogeeninen. Pinnan jähmetyttyä aihiota ohennetaan vielä ohennusvals-

seissa. Prosessia voidaan jatkaa tavanomaisena kuumavalssauksena ja kylmävalssauksena. Nauhavalulla voidaan toistaiseksi valmistaa vain varsin yksinkertaisia seostamattomia teräslajeja. Parhaimmillaan yhdistettynä kuumavalssaukseen sillä voidaan korvata kylmävalssausta.

Senkka

Väliallas Jakoallas

Kuumavalssaus

Suuttimet Valurullat

Taittorullat

Vesijäähdytys Syöttörullat Kuumamuovaus

Leikkuri Kelaimet

Kuva 14.6 Nauhavalu ja siihen liitetty valssaus. [Castrip®]

Kuumavalssaus Valssauksessa terästuote saa muotonsa. Päämenetelmiä on kaksi: kuuma- ja kylmävalssaus. Kuumavalssaus tapahtuu teräksen ollessa punahehkuinen. Tyypillinen valssauksen aloituslämpötila on 1 250 °C. Tällöin teräs on helposti muokkaantuvaa. Karkea, valussa syntynyt rakenne hienontuu ja tasoittuu. Kylmävalssauksessa, jossa terästä ei kuumenneta, ei pyritä suuriin muodonmuutoksiin. Mutta sen avulla päästään hyvään pinnanlaatuun ja mittatarkkuuteen.

Kuva 15.1 Aihio ohenee, pitenee ja muokkautuu kahden pyörivän valssin välissä. Niiden välistä etäisyyttä eli valssirakoa voidaan säätää ja pyörimissuuntaa muuttaa. Valssit voivat olla sileitä tai uritettuja.

Aihiot Aihioiden koko ja muoto riippuvat valmistettavasta lopputuotteesta. Tanko- ja lanka-aihiot ovat tavallisesti poikkileikkaukseltaan neliöitä. Lattatanko-, levy- ja nauha-aihiot ovat suorakaiteita.

saushehkutusuuniin. Näin saavutetaan huomattava energian säästö. Kuumennusuunissa aihiot on panostettu riviin. Niitä siirretään hitaasti

eteenpäin läpi kuumennus- ja lämpötilan tasausvyöhykkeiden. Lämpö aihioihin siirtyy pääasiassa säteilemällä. Polttoaineena käytetään kaasua tai öljyä.

Mikäli aihioihin on valussa syntynyt erilaisia vikoja kuten huokosia, säröjä tai halkeamia, ne voidaan poistaa kaasuhöyläämällä, hiomalla tai talttaamalla. Kaasuhöyläystä käytetään niukkahiilisiin teräksiin, jotka eivät karkene. Menetelmässä pintaa poltetaan, jolloin saadaan poistetuksi muutaman mm:n kerros kerrallaan. Ennen valssausta aihiot kuumennetaan jatkuvatoimisissa läpityöntötai askelpalkkiuuneissa (kuva 15.4). Sen ohella, että aihiot kuumenevat valssauslämpötilaan, niiden rakenne ja lämpötilaerot tasaantuvat. Tavallisesti aihiot jäähtyvät valun jälkeen, jolloin niitä voidaan kunnostaa, mutta aihiot voidaan myös panostaa välittömästi valun jälkeen kuumina ta-

Kuva 15.2 Aihion polttoleikkaus.

Kuva 15.3 Aihion kunnostusta kaasuhöyläämällä. Panostus

Kuumennettujen Kuumennettavat aihioiden siirto aihiot valssaukseen Sivupolttimet Kattopolttimet

Kuva 15.4 Askelpalkkiuuni.

Kuva 15.5 Karkeavalssaus. Oikeanpuoleisessa valssaimessa aihio ohennetaan tiettyyn paksuuteen ja siirretään sivuittain vasemmanpuoleiseen viimeistelyvalssausta varten.

Levyn kuumavalssaus

Kuva 15.6 Levyn valssausta. Ennen valssausta aihiot kuumennetaan uunissa. Kuumennuksessa syntynyt hilse poistetaan voimakkailla vesisuihkuilla. Aihiot siirretään rullarataa pitkin levyvalssaimelle. Tämä on vaihtuvasuuntainen nelivalssain, jonka valssikidan läpi aihio kulkee useaan kertaan edestakaisin. Valssien välistä rakoa pienennetään joka kerran eli piston jälkeen. Tämä ns. pistosarja lasketaan tietokonemalleilla ottaen huomioon mm. valssaimen rakenne ja valssattavan teräk-

sen ominaisuudet. Aihiot levitysvalssataan ensin poikittaissuunnassa, kunnes ne ovat saavuttaneet levyn lopullisen leveyden. Aihio käännetään tämän jälkeen 90° ja valssataan pituussuunnassa, kunnes haluttu paksuus on saavutettu (kuva 15.7). Poikittainen materiaalivirtaus valssiraossa on hyvin vähäistä, vaikka valssit ovat sileitä. Nelivalssaimen täytyy rakenteeltaan olla hyvin tukeva.

Levyvalssaimet ovat kehittyneet yhä leveämmiksi. Samalla vaatimukset levyn mittatarkkuuden, mm. tasomaisuuden suhteen ovat kasvaneet. Seuraavat luvut kuvaavat nykyaikaisen Raahen levyvalssaimen ominaisuuksia. Monet levyvalssaimet valssaavat paljonkin leveämpää:

• levyn suurin leveys 3 500 mm • levyn minimipaksuus 5 mm • työvalssin pituus 3 600 mm • työvalssin halkaisija 1 000 mm • tukivalssin halkaisija 1 800 mm • valssaimen sähköteho 2 x 4 500 kW • maksimi valssausvoima 5 000 t • vuosikapasiteetti 700 000 t

Kuva 15.7 Aihiota käännetään 90° kunnes oikea leveys on saavutettu. Nykyaikaisissa levyvalssaimissa on automaattinen paksuudensäätö (AGC) oikean loppupaksuuden varmistamiseksi. Levyn mittatarkkuuden ohella on valssauksessa kiinnitettävä huomiota oikeaan muotoon. Mahdollisimman tasomaisen levyn aikaansaamiseksi on valssiraon muotoa pystyttävä säätämään siten, että levy valssautuu yhtä paljon koko leveydeltään. Tätä varten uusissa nelivalssaimissa on työvalssi-

Kuva 15.8 Kuumaoikaisu.

en taivutuslaitteisto ja mahdollisuus sivuttaissiirtoon. Valssauksen jälkeen levyn mekaanisiin ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa erilaisilla vesijäähdytyksillä. Levyn tasomaisuutta voidaan parantaa kuumaoikaisulla. Lomittain sijoitettujen rullien välissä sitä taivutellaan kevyesti, jolloin lopputulos on suora levy (kuva 15.8). Levy jäähtyy edelleen tarkastuslämpötilaan jääh-

dytystasolla, jolla se tarkastetaan kummaltakin puolelta. Laitteistoon kuuluu myös leikkureita, joilla levyt leikataan halutun kokoisiksi. Paksummat levyt polttoleikataan. Tarvittaessa levyt normalisoidaan paremman sitkeyden aikaansaamiseksi. Ruostumattomat levyt vaativat lämpökäsittelyn ja peittauksen.

Hiekkapuhallus ja maalaus Kuumavalssatut levytuotteet voidaan hiekkapuhaltaa ja maalata jo tehtaalla ennen asiakkaalle toimittamista. Maalaus toimii tällöin levyjen kuljetuksen ja varastoinnin aikaisena korroosiosuojana tai eräissä tapauksissa myös pohjamaalina tuotteen lopulliselle maalille.

Kuva 15.10 Kuumavalssattu levy kääntöpöydällä.

Kuva 15.9 Levyjen jäähdytystaso.

Nauhan kuumavalssaus Ohutta levyä, joka valssauksen jälkeen rullataan kelalle, sanotaan nauhaksi. Nykyiset massatuotteita valssaavat kuumanauhavalssaamot ovat jatkuvatoimisia ja suuritehoisia. Jos määrät ovat pienempiä, käytetään puolijatkuvia valssaamoja. Niissä esivalssaus tehdään vaihtuvasuuntaisella valssaimella. Valmisvalssaukseen käytetään jatkuvatoimista linjaa tai Steckel-tyyppistä valssainta. Steckelin valssaimessa esivalssattu nauha ohennetaan loppupaksuuteen edestakaisilla pistoilla, joiden välillä nauha kelataan noin 900...1 000 °C lämpötilassa oleviin kelainuuneihin. Torniossa valssataan ruostumatonta nauhaa valsaamossa, jossa on Steckelin valssain ja viimeistelyvalssauksessa kolme nelivalssainta (tandem). Erikoistuotteita, esimerkiksi työkaluteräksiä, voidaan valssata nauhaksi yhdistelmävalssaamoissa, joissa on mahdollista valssata myös lattatankoa ja lankaa. Ennen valssausta aihiot kuumennetaan askelpalkki- tai läpityöntöuuneissa. Hehkutushilse poistetaan korkeapaineisilla vesisuihkuilla. Valssaus aloitetaan kaventamalla aihio pystyvalssaimella haluttuun leveyteen. Esivalssain on tavallisesti jä-

Kuva 15.12 Kuumanauhavalssaamo.

Kuva 15.11 Ruostumattoman nauhan valssaus Steckelin valssaimella. reä nelivalssain kuten levyn valssauksessa. Siinä aihio ohennetaan 20...40 mm:n paksuiseksi esinauhaksi. Lopulliseen mittaan, 1,5...20 mm, esinauha valssataan valssaimissa, joita on peräkkäin 5...7 kpl. Koska nauhaa valssataan samanaikaisesti usealla valssaimella, niiden nopeudet sovitetaan toisiinsa automaattisella säädöllä. Nauhan lopullista paksuutta ohjataan automaattisella paksuudensäädöllä (AGC). Nauhavalssauksessa on valssiraon muoto hallittava perättäisissä pistoissa tasomaisuuden varmistami-

seksi. Tämä tehdään järjestelmässä, joka ottaa huomioon mm. valssien lämpötilan, koon ja kuluneisuuden sekä valssattavan teräksen lujuuden. Säätöä voidaan tehdä muuttamalla työvalssien jäähdytystä ja peräkkäisten pistojen keskinäisiä suuruuksia, taivuttamalla työvalsseja ja siirtämällä niitä sivusuunnassa. Valssauksen jälkeen nauha jäähdytetään vesisuihkuilla haluttuun lämpötilaan ja kelataan. Vesijäähdytyksen hallittu ohjaus on tärkeää lopputuotteen mekaanisten ominaisuuksien kannalta.

Kuumavalssatun nauhan jatkokäsittelyt Kuumavalssattu nauha voidaan viimeistelyvalssata, jolloin kela avataan, valssataan 1 % muokkauspisto kylmänä ja kelataan uudelleen. Viimeistelyvalssauksella pyritään johonkin tai useampaan seuraavista tavoitteista:

• kuumanauhan pinnan laadun parantaminen • lievän tasomaisuusvian korjaaminen • kelojen ulkonäön parantaminen • korostuneen myötörajan poistaminen levystä (vrt. viimeistelyvalssaus kylmä valssauksen jälkeen). Kuva 15.13 Steckelin valssaimessa saadaan kuuma nauha pidettyä lämpimänä valssainyksikön molemmin puolin olevilla kelainuuneilla. Viimeistelyvalssaus tapahtuu tavallisesti valssien taivutuslaitteistolla varustetulla parivalssaimella. Jäännösjännitysten poistoa ja tasomaisuuden parantamista voidaan tehdä myös levyn leikkauslinjaan sijoitetulla valssaimella. Tällöin nauha lei-

kataan levyiksi heti valssauksen jälkeen ilman uudelleenkelausta.

Nauha voidaan leikata mekaanisesti pyöröleikkureilla pituussuuntaan rainoiksi ja katkaista levyiksi.

Nauhan pinnalla oleva oksidikerros poistetaan peittaamalla suolahapolla.

Tankojen ja profiilien valssaus

Polttoleikkaus

Liitoskone

Purseenpoisto Induktiouuni

Kuva 15.14 Flexcoil-tuotteiden valmistusta. Terästanko voi poikkileikkaukseltaan olla ympyrä, soikio, pyörösoikio, neliö, suorakulmio, kuusi‑ tai kahdeksankulmio. Jos tangossa on koveria, käyriä tai sisäänpäin kääntyneitä kulmia, puhutaan profiileista. Tällaisia ovat esimerkiksi U-palkki, I‑palkki, kulmatanko ja ratakisko. Tangot ja profiilit valssataan uritetuilla valsseilla. Erityisiä venytysuria käytetään aihion valssaamiseen oikeaan mittaan niin vähin pistoin kuin mahdollista. Poikkileikkauksen muoto muuttuu pistosta toiseen. Kun näitä muotoja tarkastellaan peräjälkeen, puhutaan urasarjoista. Valssaamojen joustava ja tehokas käyttö sekä kohonneet laatuvaatimukset ovat johtaneet pyörösoikio‑soikiourasarjoihin, kuva 15.15. Valssaamot jaetaan tavallisesti kolmeen tyyppiin lopputuotteen koon mukaan: karkea‑, keski‑ ja hienovalssaamot. Karkeavalssaamo yhdistetään tavallisesti valanne‑ tai bloomi-

valssaamoon. Tällaisessa valssaamossa on muutamia valssipareja, joilla aihio voidaan valssata suoraan lopulliseksi tuotteeksi, joiden läpimitta on nimen mukaisesti varsin suuri, yli 90 mm. Keskivalssaamon tuotteet ovat läpimitaltaan 30…100 mm. Tuotantoteknisistä ja taloudellisista syistä nykyisin rakennettavat uudet ja uudistettavat valssaamot ovat yhdistelmävalssaamoja. Esivalssaimia käytetään tällöin suurten tankojen valmisvalssaukseen tai pienempien esivalssaukseen. Jälkimmäiset valssataan lopullisiin mittoihin seuraavissa valssaimissa. Tietynlaisissa yhdistelmävalssaamoissa valssataan myös lankaa. Tankojen ja profiilien valssaukseen käytetään pari‑ ja kolmivalssaimia. Jos palkissa on yhdensuuntaisia laippoja, sen valssaamiseen käytetään yleisvalssainta.

Kuva 15.15 Urasarjoja, vasemmalla ratakisko, oikealla pyörötanko. (Piirrokset eivät ole samassa mittakaavassa.)

Valssaimien sijoitus

Kuva 15.16 Näkymä Imatran terästehtaan tankovalssaamosta, joka on loppuosaltaan perättäisvalssaamo. Yhdistelmävalssaamossa on useita valssaimia, jotka saattavat olla keskenään erilaisia. Valssaimet on sijoitettu ryhmiin. Kullakin ryhmällä on oma käyttömoottorinsa, joka on jakovaihteella yhdistetty kaikkiin valssaimiin. Jos valssaimet ovat vierekkäin rivissä, valssaamoa sanotaan avoimeksi. Valssaimet voivat olla myös jonossa peräkkäin. Tällainen järjestys muodostaa perättäis‑ eli jatkuvan valssaamon, jossa aihio voi kulkea suoraan valssilta toiselle. Kun valssaimet ovat vuorotellen pysty- ja vaaka‑asennossa, ei aihiota tarvitse kääntää valssaimien välillä. Tämä parantaa tuotteen laatua ja valssaamon toimintavarmuutta. Nykyaikaiset valssaamot ovat jat-

kuvia, täysin mekanisoituja ja pitkälle automatisoituja. On tärkeää, että aihio ohjautuu oikeaan uraan oikeassa asennossa. Tämä varmistetaan ohjaimilla. Ohjaimissa on rullia, jotka ohjaavat aihiota. Ohjaimia on valssien molemmilla puolilla. Perättäisvalssaamossa on valssien pyörimisnopeuden säätö hyvin tärkeää. Aihion ohetessa se pitenee ja nopeus kasvaa. Perättäisten valssien pyörimisnopeuden on vastaavasti lisäännyttävä.

jäähdytysarinalle, Jäähdytysarinassa on vuoronperään kiinteitä ja liikkuvia arinarautoja. Liikkuvat raudat kuljettavat tankoja askel kerrallaan sivullepäin.

Käytännössä aihio muodostaa valssaimien välille pienen kaaren tai lenkin eli säätöpohjukan, jonka avulla valssausnopeutta säädetään siten, että lenkin pituus pysyy vakiona. Viimeisen piston jälkeen aihio jakoleikataan arinapituuksiin ja siirretään

Jäähdytysarinalta tangot kulkevat rullaradalla leikkurille, jolla ne katkaistaan haluttuihin pituuksiin. Tavallisesti tangot oikaistaan tämän jälkeen rullaoikaisukoneessa.

Arinarautojen liike on usein järjestetty siten, että jäähdytettävä pyörötanko kierähtää joka askeleella 10...15 astetta. Tangot oikenevat jonkin verran tällöin ja jäähtyvät tasaisesti, mikä on laadun kannalta tärkeää.

Langan valssaus

Kuva 15.17 Langan kuumavalssauksessa voidaan jäähtymistä ohjata, jolloin saavutetaan halutut lopputuotteen mekaaniset ominaisuudet. Kuvassa betoniteräslanka vyyhdetään jäähtymislinjan loppupäässä tuurnalle. Jatkokäsittelyssä lanka oikaistaan tangoiksi ja siitä valmistetaan esimerkiksi betoniteräsverkkoa. Valssilangaksi sanotaan poikkileikkaukseltaan pyöreää tuotetta, joka valssauksen jälkeen kelataan kiepeiksi. Valssilangan läpimitta on 5,5…25 mm ja kieppien paino jopa 2,5 tonnia. Flexcoil on (kuva 15.14) menetelmä, jolla saadaan joustavasti eri painoisia lankakieppejä asiakkaan tarpeen mukaisesti. Kuumat teelmät esivalssataan, hitsataan yhteen ja valssa-

taan edelleen katkeamattomana langaksi. Jäähdytyslinjan jälkeen lanka leikataan asiakkaan tilauksen mukaiseen kieppikokoon. Nykyaikaisen lankavalssaamon loppunopeus on jopa 100 metriä sekunnissa, jolloin tullaan toimeen yksilinjaisella valssaamolla. Aihion nopeuden ja lämpötilan säätö sekä materiaalin ohjaus hoidetaan

tietokoneilla. Viimeistelyvalssauksessa käytetään ns. no‑twist‑blokkia. Se muodostuu 6…10 valssaimen ryhmästä, jossa peräkkäiset valssaimet ovat 90º kulmassa toisiinsa nähden. Valssien materiaali on kovametallia. Valssilangan ominaisuuksien kannalta on tärkeää tasainen ja oikealla nopeudella tapahtuva jäähtyminen. Ennen kelausta kiepiksi lankaa voidaan jäähdyttää vesisuihkuilla ja ilmapuhalluksella.

Valssauskalusto Valssityypit Valssit, joilla terästä muokataan, ovat valurautaa, terästä tai kovametallia. Pienempien valssien rakenneaineena on ryhdytty käyttämään myös kovametallia. Kylmävalssaukseen käytettävät valssit ovat yleensä taottuja ja ne on karkaistu riittävän lujuuden saavuttamiseksi.

Levyn ja nauhan valssauksessa käytetään sileitä valsseja. Levyyn tai nauhaan voidaan aikaansaada kuvio jyrsimällä tai syövyttämällä työvalsseihin vastaava kuvio, eimerkiksi kyynellevy.

Uritettuihin eli kalibroituihin valsseihin on sorvattu useita uria. Urien muodon ja koon mukaan väliin jää erilaisia aukkoja. Aihio muokkautuu ja muotoutuu urissa valssien välissä. Käytössä on myös valsseja, joissa on sekä sileä että uritettu osa.

ja lasketaan ohjainlaitteiston avulla. Kolmivalssaimia käytetään lähinnä tankovalssaamojen esivalssaimina.

tukivalssin kehille. Tukivalssit pyörittävät työvalsseja. Aihion saamiseksi valssien väliin on kaksi rihlattua syöttövalssainta sijoitettu planeettavalssaimen kummallekin puolelle.

Valssaimet (Kuva 16.2) Valssaimessa on ainakin kaksi valssia, jotka muovaavat välissään terästä. Käytännössä esiintyy erilaisia rakenteita, joissa saattaa olla useitakin valsseja. Ne eritellään työ-, tuki- ja välivalsseihin. Parivalssainta käytetään usein valanne‑ tai bloomivalssaukseen. Se on vaihtosuuntainen eli reversiovalssain, jossa aihio liikkuu edestakaisin valssaimen läpi. Pitkien tuotteiden eli tankojen ja lankojen valmisvalssaimet sekä jatkuvat valssaamot on lähes poikkeuksetta toteutettu parivalssaimin.

Nelivalssaimissa eli kvartovalssaimissa on kaksi työvalssia, joiden välissä aihio muokkaantuu. Tukivalssien tehtävänä on ottaa vastaan valssauspaine sekä tasata kuormitusta valssin pituussuunnassa. Työvalssit ovat halkaisijaltaan tukivalsseja pienemmät. Pieni työvalssin halkaisija on varsinkin kylmävalssauksessa edullista. Nelivalssaimia käytetään levyjen ja nauhojen valssauksessa, jossa valssausvoimat ovat tavallisesti hyvin suuria.

Kolmivalssaimen suuntaa ei muuteta, sillä aihio kulkee eri suuntaan ala‑ ja ylävälissä, joihin se nostetaan

Planeettavalssaimessa on kaksi vahvaa tukivalssia sekä lukuisia pieniä työvalsseja, jotka on sijoitettu

Yleisvalssaimessa on kaksi vaakasuoraa sekä kaksi pystysuoraa valssia; sillä voidaan siis käsitellä aihion sivujakin. Yleisvalssaimella valssataan mm. profiileja ja lattatankoja. Monivalssaimissa, joita käytetään kylmävalssauksessa, työvalssit ovat hyvin pieniä. Tämä on mahdollista tukivalssisarjojen avulla. Kuvassa 16.2 on esitetty ruostumattoman teräksen kylmävalssauksessa yleisesti käytetyn Sendzimir-valssaimen rakenne.

Kuva 16.2 Yleisvalssain

Parivalssain

Planeettavalssain

Kolmivalssain

Nelivalssain

Kuusivalssain

Monivalssaimia, oikealla Sendzimir-valssain, jossa työvalssien lisäksi 18 tukivalssia

Valssaimen osat Kehyksiä, johon valssit on asennettu, sanotaan valssituoleiksi. Valssituolien ja valssien muodostamaa kokonaisuutta sanotaan valssaimeksi. Valssien välistä etäisyyttä eli valssirakoa säädetään pääruuveilla ja/tai hydraulisilla sylintereillä.

Tanko‑ ja lankavalssaamoissa on siirrytty kehyksettömiin valssaimiin (kuva 16.3), joilla saavutetaan vähän tilaa tarvitseva rakenne, suuri valssausvoima ja pieni jousto. Tällaisissa valssaimissa vaihtoihin tarvittava aika on lyhyt sekä käytössä että esivalmistelussa. Kuva 16.1 Pyörötankoja jäähtymässä arinalla.

Muut laitteet Valssaamoon kuuluu koko joukko apulaitteita, joita tarvitaan aihion käsittelyyn ennen ja jälkeen valssauksen. Näitä ovat esimerkiksi: • Hilsepesuri, joka korkeapaineisen vesisuihkun avulla poistaa hehkutushilseen. • Rullarata, joka kuljettaa aihiota vaakatasossa. • Nostopöytä, joka kohottaa ja laskee aihioita. • Kääntörullarata, joka kääntää aihion. • Jäähdytyslaitteisto, joka vesisuihkuilla nopeuttaa jäähtymistä. • Jäähdytysarina, jonka avulla jäähtyminen saadaan tasaiseksi. • Kelaimet, jotka kelaavat langan tai nauhan. • Leikkurit määräpituuteen katkaisemiseksi. • Niputus‑ ja sidontalaitteisto • Erilaiset mittaus‑ ja laadunvalvontalaitteet

Kuva 16.3 Kehyksetön valssain.

Valssaamojen kehitysnäkymiä Tietokoneisiin perustuva prosessiautomaatio on viime vuosikymmeninä ehkä eniten muuttanut valssaamoja ja valssaustekniikkaa. Ihmisen ja koneen yhteistyö tietokoneiden avustamana on kehittynyt voimakkaasti. Nykyisin laitteita säädetään automaattisesti valssauksen aikana, jolloin saavutetaan parempi pinnan laatu ja mittatarkuus sekä suurempi tuotanto ja käyntivarmuus. Kontrolloimalla teräksen jäähtymisnopeutta valssauksen jälkeen voidaan teräksen mekaanisia ominaisuuksia edelleen parantaa. Erillinen normalisointikäsittely voidaan usein korvata ohjatulla jäähdytyksellä. Entistä lujempien rakenne- ja kulutusterästen valmistuksessa hyödynnetään voimakasta vesijäähdytystä, jolloin puhutaan suorakarkaisusta. Tällöin voidaan välttää valssauksen jälkeen tehtävä erillinen uudelleenkuumennus ja karkaisu.

Tehokasta vesijäähdytystä voidaan hyödyntää myös esimerkiksi monifaasiterästen valmistuksessa. Nauhavaluun välittömästi liittyvä valssaus lyhentää prosessiketjua merkittävästi, ks. kuva 14.6. Vaikka ensimmäiset laitokset rakennettiin 1990-luvulla, ei läpimurtoa ole vielä tapahtunut. Esimerkiksi Pohjoismaissa ei ole vielä tällaista valssaamoa. Kuvanäkö kuumanauhan tarkastuksessa Esimerkki monipuolisesta tietotekniikan soveltamisesta kuumanauhan valssauksessa on Torniossa kehitetty pinnantarkastuslaitteisto ja – menetelmä, joiden avulla on saavutettu merkittävä laadun, tuotannon tehokkuuden parannus ja kustannussäästö.

Kuva 16.4 KUVA-pinnantarkastusjärjestelmä

Valssauksen aikana yhteensä kahdeksan kameraa kuvaa nauhan yläja alapintaa. Kuvat välittyvät tietokantaan ja tietokoneet analysoivat kuvia, tunnistavat ja luokittelevat mahdollisia pintavikoja. Mikäli vika on luokiteltu vakavaksi eli aiheuttaa romutuksia tai laatutason alenemisen, järjestelmä hälyttää valvomon automaattisesti. Poikkeamiin voidaan reagoida erittäin nopeasti, jopa reaaliaikaisesti.

Terästen lämpökäsittelyt Teräkseen halutaan käyttötarkoituksen mukaan erilaisia ominaisuuksia. Jossain tapauksessa teräksestä tehdyn kappaleen tulee olla kovaa ja kulutusta kestävää, joskus taas sitkeää ja hyvin muovattavaa. Usein teräsosien tai rakenteiden valmistus määrää teräksen ominaisuudet. Teräksen ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa lämpökäsittelyillä. Tällöin itse asiassa muutetaan teräksen mikrorakenne halutuksi. Mikrorakenne vaikuttaa taas teräksen ominaisuuksiin. Teräksille voidaan tehdä monia lämpökäsittelyjä kuten normalisointi, karkaisu, päästö, nuorrutus, perlitointi, bainitointi, pintakarkaisu, rekristallisointi, pehmeäksihehkutus, myöstö, vedyn poistohehkutus ym.

Normalisointi Normalisoinnin tarkoituksena on sitkeyden lisääminen ja mekaanisten ominaisuuksien tasaaminen. Usein valun tai taonnan jälkeen kiderakenne on epätasainen. Suuret rakeet alentavat sitkeyttä eli teräs on

haurasta. Normalisoinnilla muutetaan kiderakenne hienoksi. Raekoon pienentäminen perustuu kidemuodon muutoksen hyväksikäyttöön (kuva 17.1). Teräs kuumennetaan austeniittialueelle, josta sen anne-

taan jäähtyä vapaasti ilmassa. Normalisoinnin tuloksena syntyy sitkeä, hienorakeinen ferriittis-perliittinen rakenne.

Rakenne täysin austeniittinen

enemmän kiteitä = pienempiä kiteitä

Useampia austeniittikiteitä kustakin perliitti-rakeesta 1000 °C

900

Austeniittia 800

700

Perliittiä

600

Ferriittiä 500

Ennen karkearakeista

Teräs 0,5 % C

0,8

1,0

Jälkeen hienorakeista

Kuva 17.1 Normalisointi.

Karkaisu ja päästö, nuorrutus Karkaisu- ja päästökäsittelyllä lisätään teräksen lujuutta ja kovuutta sekä myös sitkeyttä. Karkaisussa synnytetään kova martensiittinen mikrorakenne, jonka sitkeyttä parannetaan päästöhehkutuksella.

Karkaisua ja korkeammalla lämpötila‑alueella tehtyä päästöä (500…700 ºC) sanotaan nuorrutukseksi. NuorLämpötila °C 1000 900

Karkaisussa teräs kuumennetaan austeniittialueelle ja jäähdytetään nopeasti eli sammutetaan veteen, öljyyn tai ilmaan, Sammutuksen jälkeen teräs on välittömästi päästettävä eli kuumennettava uudelleen joko noin 200 ºC:een tai korkeammalle 500…700 ºC:een. Karkaisuhehkutuksen jälkeisessä sammutuksessa austeniitti muuttuu martensiitiksi. Se on luonteeltaan kovaa ja haurasta. Päästössä sen kovuus alenee jonkin verran, mutta sitkeys paranee merkittävästi. Päästölämpötilaa muuttamalla voidaan valita sopiva lujuuden ja sitkeyden yhdistelmä. Mitä korkeampi on päästölämpötila, sitä alhaisempi kovuus ja parempi sitkeys. Jos halutaan säilyttää karkaisussa saavutettu suuri lujuus ja esimerkiksi kulumiskestävyys, päästetään teräs noin 200 ºC:ssa.

Pintakarkaisut Usein koneenosalta vaaditaan suurta pinnan kovuutta, mutta keskustan lujuus on toisarvoista, mieluummin sen tulee olla sitkeä. Esimerkiksi hammaspyörästä on edullista karkaista vain teräksen pinta. Pinta voidaan karkaista kuumentamalla vain se ja sammuttamalla esimerkiksi vesisuihkulla. Kuumennus tehdään tavallisesti sähkön avulla, jolloin puhutaan induktiokarkaisusta. Myös kaasuliekkiä voidaan käyttää, ks. kuva 1.15 s. 8. Toinen menetelmä on hiiletyskarkaisu. Niukkahiilistä terästä (C = 0,1...0,2 %) kuumennetaan hiiltä luovuttavassa väliaineessa, tavallisesti kaasussa, useita tunteja, jolloin pintaan ja pinnan läheisyyteen siirtyy hiiltä. Karkaisuhetkellä pitoisuus pinnan läheisyydessä on noin 0,8 %.

rutettu teräs on karkaistuun verrattuna vähemmän lujaa, mutta sitkeys on erinomainen. Lämpötila °C 1000 900

Austenitointi

800

700

600

Päästön lämpötila-alue

600

Päästö

500

400

300

300 200

200

Sammutus 100

100

Kuva 17.2 Nuorrutus.

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 Hiilipitoisuus %

Aika

Karkaisematon

Karkaistu

Kuva 17.3 Pinnasta tulee kova ja kulutusta kestävä sisustan jäädessä pehmeämmäksi. Rakenteeseen syntyy myös

puristusjännityksiä pintaan, mikä lisää väsymislujuutta.

Lämpötila °C 1000

900

800

700

Hiiletys

600

Sammutus 500

500

400

300

Päästö

300

200

100

Kuva 17.4 Hiiletyskarkaisu.

Päästön lämpötila-alue

0 Aika

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 Hiilipitoisuus %

Hehkutukset Rekristallisointihehkutusta käytetään kylmämuokkauksessa lujittuneen teräksen pehmentämiseen. Käsittelyssä kylmämuokkautuneet rakeet korvautuvat uusilla kiteillä (kuva 17.8) ja teräkseen palautuvat sen alkuperäiset ominaisuudet. Hehkutuslämpötila on 600…700 ºC (kuva 17.9). Pehmeäksi hehkutuksessa perliittisen teräksen sementiittilamellit palloutuvat (kuva 17.5 ja 17.6). Käsittelylämpötila riippuu pitoisuudesta. Käsittelyaika on varsin pitkä, yleensä 5…30 tuntia.

Jännitysten poistohehkutuksella vähennetään valmistustavasta aiheutuvia sisäisiä jännityksiä hitsatuissa rakenteissa, valuissa sekä voimakkaasti työstetyissä kappaleissa. Sisäiset jännitykset lisäävät haurasmurtuman ja väsymismurtuman vaaraa sekä aiheuttavat muodonmuutoksia jatkokäsittelyissä. Hehkutus tapahtuu 500…600 ºC:n lämpötilassa (kuva 17.7) ja sitä seuraa hidas jäähdytys (noin 15 ºC/h) huoneenlämpötilaan. Vedynpoistohehkutus on tarpeen, kun teräksen sitkeysominaisuudet ovat heikentyneet vedyn vaikutuksesta. Vedyn aiheuttamia säröjä ja

Perliittis-ferriittinen

murtumia saattaa esiintyä mm. suurissa valanteissa ja suurissa taotuissa kappaleissa jäähtymisen aikana sekä hitsauksen yhteydessä. Hehkutus tapahtuu välittömästi A1:n alapuolella ja sen pituus riippuu teräksen vetypitoisuudesta ja kappaleen paksuudesta (yleensä kymmeniä tunteja). Ilmauunissa suoritettavassa hehkutuksessa teräksen pinnassa tapahtuu hapettumista ja myös usein hiilenkatoa. Mikäli sitä ei voida sallia, on hehkutus tehtävä suojakaasussa tai tyhjössä.

Palloutunut

Kuva 17.6 Rakenteet ennen ja jälkeen pehmeäksi hehkutuksen.

Lämpötila °C 1100

Pehmeäksi hehkutus

1000

Lämpötila °C 1100

Jännitystenpoistohehkutus

1000

900

900 A3

Acm

800

Acm

800 A1

Tavoitelämpötila

700

600

600 Tavoitelämpötila

500

500 0,00 0,20

0,50

0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 Hiilipitoisuus %

Kuva 17.5 Pehmeäksi hehkutus.

0,00 0,20

0,50

0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 Hiilipitoisuus %

Kuva 17.7 Jännitystenpoistohehkutus.

Lämpötila °C 1100

Rekristallisointihehkutus

1000

Ennen

900 A3

Acm

800 A1 700

Tavoitelämpötila 600

Jälkeen

500 0,00 0,20

Kuva 17.8 Rekristallisaatio.

0,50

0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 Hiilipitoisuus %

Kuva 17.9 Rekristallisointihehkutus.

Lämpökäsittelyt terästen tuotantoprosessissa Niukkaseosteisia teräksiä, kuten yleisiä rakenneteräksiä, käytetään tavallisimmin kuumavalssatussa tilassa. Teräksen ominaisuudet riippuvat tällöin koostumuksen lisäksi valssauksen suoritustavasta ja erityisesti viimeisten valssauspistojen lämpötilasta, reduktioista sekä jäähdytyksestä valssauksen jälkeen. Säätämällä näitä tekijöitä voidaan loppu-

tuotteen ominaisuuksiin vaikuttaa melko laajoissakin rajoissa. Nykyaikaiset kuumavalssaamot suunnitellaan siten, että edellä mainittuja tekijöitä voidaan ohjata. Tällä ns. kontrolloidulla kuumavalssauksella voidaan monissa tapauksissa korvata normalisointi, erässä tapauksissa myös nuorrutus.

Yhdistämällä tarvittavat lämpökäsittelyt kuumavalssausprosessiin vältetään uusi austenitointikuumennus. Tästä on etua teräksen ominaisuuksia ajatellen myös seuraavista syistä:

• Kuumavalssauksen korkean aloituslämpötilan sekä muokkautumisen ansiosta austeniitti on homogeenista. • Korkean austenitointilämpötilan ansiosta seosaineet ovat hyvin liuoksessa, jolloin saadaan hyvä karkenevuus. • Hiilenkato ja hilseily jäävät vähäisemmäksi.

Kuumavalssatut levyt ja nauhat Kuumavalssattujen levyjen tärkein lämpökäsittely on normalisointi, jonka tarkoituksena on parantaa teräksen sitkeyttä raekokoa pienentämällä. Samalla myös teräksen lujuusvaihtelut tasoittuvat. Normalisoinnilla saavutettavat levyn ominaisuudet voidaan aikaansaada myös kontrolloidulla valssauksella. Kuumavalssattujen nauhojen tyypillinen toimitustila on nykyisin ”kontrolloidusti valssattu”.

Nuorruttamalla saadaan teräslevyihin suuria lujuuksia. Levyt karkaistaan vesisuihkuilla puristimien tai rullien välissä, jolloin estetään levyn käyristyminen. Jos teräs on runsaammin seostettu, se karkenee myös ilmajäähdytyksessä. Tällöin vetelyt eli hallitsemattomat muodonmuutokset jäävät vähäisemmiksi. Karkaisu voidaan tehdä myös valssauksen yhteydessä. Valssainten jäl-

keen teräsnauha tai –levy sammutetaan korkeapaineisilla vesisuihkuilla. Tarvittaessa karkaistut levyt siirretään päästöuuniin. Menetelmää kutsutaan suorakarkaisuksi. Se on huomattavasti kustannustehokkaampaa kuin levytuotteen erillinen nuorrutuskäsittely.

Kylmävalssatut levyt ja nauhat Kylmävalssauksen lujittamaan nauhaan palautetaan muodonmuutoskyky rekristallisaatiohehkuttamalla nauhakelat kellouuneissa tai liikkuva nauha jatkuvatoimisissa hehkutusuuneissa. Ohjaamalla teräksen koostumusta, kuumanauhavalssausta, kylmävalssauksen muokkausastetta sekä rekristallisaatiohehkutusta voidaan kylmävalssatun ohutlevyn lujuutta ja muovattavuusominaisuuksia vaihdella laajoissa rajoissa. Kellouunihehkutus on nauhakelojen perinteinen hehkutustapa. Uunialustalle pinotaan 3…5 kelaa ja panoksen päälle nostetaan suojakello. Hehkutus tapahtuu suojakaasuatmosfäärissä, joka estää pintojen hapettumisen ja nopeuttaa lämmön siirtymistä. Suojakellon päälle nostetaan maakaasupolttimella varustettu uunikello. Hehkutuksen päätyttyä uunikello vaihdetaan jäähdytyskelloon, jonka ilmapuhaltimilla panos jäähdytetään noin 50 °C:een ja puretaan. Koko hehkutustapahtuma kuumennuksineen ja jäähdytyksineen kestää 30…70 tuntia.

Kuva 17.10 Kellouuneja. Jatkuvatoimisessa hehkutuksessa nauha liikkuu esikäsittely, uuni- ja jäähdytysvaiheiden läpi tyypillisesti 50 tonnia tunnissa. Nauhakela avataan ja johdetaan nauhavaraajaan. Kelan loputtua sen jatkoksi hitsataan uusi. Nauhavaraajan tehtävä on mahdollistaa nauhan kulku uunissa vakionopeudella, vaikka alkupää joudutaan hitsauksen ajaksi pysäyttämään. Esikäsittelyjä ovat nauhan pesu, huuhtelu ja kuivaus. Uunissa on esikuumennus-, hehkutus- ja jäähdytysvyöhykkeet. Nauhan lämpötila nostetaan 700…800 °C:een. Uunin suojakaasua käytetään myös

nopeaan jäähdyttämiseen. Nauhan pinta peitataan ja passivoidaan. Nopean jäähdytyksen vuoksi ferriittisessä rakenteessa on jonkin verran liuenneena hiiltä. Hyvien kylmämuovausominaisuuksien saavuttamiseksi se on muutettava karbideiksi, mikä tapahtuu jälkihehkutuksella 200…400 °C:n lämpötilassa. Tätä käsittelyä sanotaan ylivanhennukseksi.

tai sulaan lyijy- tai suolakylpyyn. Tällöin austeniitti hajoaa toivotuiksi kidemuodoiksi perliitiksi tai bainiitiksi. Perlitointia käytetään luonteeltaan sitkeiden terästen lastuttavuuden

parantamiseen. Bainitoinnilla saavutetaan erittäin hyvä sitkeys ja kohtuullinen lujuus. Runsashiilisten lankojen isotermistä käsittelyä vedettävyyden parantamiseksi sanotaan patentoinniksi.

ruttaa valmiiksi jo terästehtaassa, jolloin käyttäjältä jää lämpökäsittelyvaihe pois. Taontaa varten teräksen on oltava katkaistavissa kylmänä leikkurilla. Siksi taottavat teräkset on usein pehmeäksi hehkutettava.

Jos tankoja kylmätaotaan, teräksen on oltava, jos mahdollista, vieläkin pehmeämpää. Tällöin pehmeäksi hehkutukset muodostuvat hyvin pitkiksi, jopa 30 tuntia, jotta rakenne pallottuisi täydellisesti.

Jatkuvatoimiseen hehkutusyksikköön voidaan yhdistää myös muita toimintoja kuten peittaus, viimeistelyvalssaus, reunojen leikkaus ja korroosiosuojakäsittely.

Perlitointi ja bainitointi Nämä ovat ns. isotermisiä lämpökäsittelyjä eli rakennemuutoksen aikaansaamiseen tarvitaan pitoa tietyssä lämpötilassa. Aluksi teräs kuumennetaan austeniittialueelle, minkä jälkeen se siirretään toiseen uuniin

Tangot ja langat Tankojen ja lankojen lämpökäsittelyprosessi on monipuolisempi kuin levyillä. Usein teräksen käyttäjät työstävät kappaleen, jolloin sen on vastattava esimerkiksi lastuamisen vaatimuksia. Terästangot voidaan nuor-

Ruostumattomat teräkset Ruostumattomien terästen tärkein lämpökäsittely on austeniittisten lajien liuotushehkutus ja ferriittisten lajien tasaushehkutus. Liuotushehkutus (austenitointi) tehdään 1 050…1 100 ºC:n lämpötilassa ja jäähdytyksen on oltava nopeaa paksuseinäisillä kappaleilla.

Käsittely parantaa mikrorakenteen tasalaatuisuutta, mikä on välttämätöntä hyvien mekaanisten ominaisuuksien ja hyvän syöpymiskestävyyden kannalta. Liuotushehkutus tehdään yleensä jatkuvatoimisessa uunissa ja tasaushehkutus kupu-uunissa.

Niukkaseosteisten terästen kylmävalssaus Lähtömateriaali kylmävalssaukselle on 1,5...6,0 mm paksu kuumavalssattu nauha. Kylmävalssauksessa nauha ohennetaan halutun paksuiseksi. Samalla paranee pinnanlaatu. Kylmävalssauksen ja sitä seuraavan lämpökäsittelyn avulla saadaan teräkselle halutut mekaaniset ominaisuudet. Valmiin nauhan paksuus voi olla välillä 0,2...3,0 mm. Valmistusprosessi on monivaiheinen.

Peittaus Kylmävalssattavan kuumanauhan pinnan on oltava puhdas ja hilseetön. Pinnalla oleva oksidi- eli hilsekerros poistetaan peittaamaalla laimennetulla rikki- tai suolahapolla. Nauha kuljetetaan peittaushappoa sisältävien altaiden kautta edelleen neutralisointiin ja pesuun. Peittausta voidaan tehostaa rikkomalla oksidikerros ns. hilseenmurtajalla, jolloin happo pääsee nopeammin kos-

Peittaushappo ketukseen helpommin liukenevan, sisemmän oksidikerroksen kanssa (kuva 18.1). Teräksen syöpyminen estetään happoliuokseen lisätyillä inhibiiteillä. Peittauksen jälkeen nauha kuivataan, öljytään sekä katkaistaan ja kelataan uudelleen. Öljy suojaa peitatun nauhan pintaa ja toimii osaltaan valssauksessa voiteluaineena.

Fe2O3 Fe3O4 FeO Fe

Kuva 18.2 Kylmävalssattuja keloja. Takana valssaamo, jossa neljä nelivalssainta. Edessä oikealla vaihtovalssaimia.

Kuva 18.1 Peittaus.

Kylmävalssaus Kylmävalssauksessa nauhaa ohennetaan 3 … 6 perättäisessä valssaimessa, jolloin kokonaisohentuma voi olla 40…90 %. Nauhan leveys säilyy valssauksessa lähes vakiona. Perinteisessä valssaimessa on kaksi työsekä tukivalssia (tandem). Tukivalssien tehtävänä on estää halkaisijaltaan pienempien työvalssien liiallinen taipuminen käytettäessä suuria valssausvoimia. Terästä valssataan

kussakin valssaimessa 5 000… 30 000 kN:n puristusvoimalla. Valssauksen ohjaus ja säätö tapahtuvat automaattisesti etukäteen laskettujen asetusarvojen mukaisesti, joita voidaan korjata valssauksen aikana. Myös nauhan paksuutta ja tasomaisuutta mitataan ja säädetään jatkuvasti valssauksen aikana. Valssiraon muotoa voidaan säätää

työvalssien taivutuslaitteistolla sekä vyöhykejäähdyksellä viimeisellä valssaimella. Kylmävalssaus on nopea prosessi, jossa yhden kelan valssaus kestää vain muutamia minuutteja. Nykyaikaisissa valssaamoissa peittaus- ja valssausprosessit on yhdistetty jatkuvatoimiseksi linjaksi, jolloin nauhan pujotukset jäävät pois ja valssaamoa voidaan ajaa keskeytyksettä.

KYLMÄVALSSATUN NAUHAN JATKOKÄSITTELYT Hehkutus Haluttujen mekaanisten ominaisuuksien saavuttamiseksi nauha hehkutetaan kellouuneissa tai jatkuvatoimisesti, kuvat 18.4 ja 19.1., ks. myös sivu 51. Hehkutettu nauha vielä viimeistelyvalssataan, jolloin sen muokattavuus, mittatarkkuus ja pinnanlaatu edelleen paranevat. Viimeistelyvalssauksessa nauhaa ohennetaan 0,5…2,0 %.

Kuva 18.3 Kuumasinkittyä teräsnauhaa.

Sinkitys Seostamattomien ja niukkaseosteisten terästen yksi suurimpia heikkouksia on huono korroosionkestävyys. Teräs voidaan kuitenkin monin tavoin suojata ruostumista ja korroosiota vastaan. Eniten käytetty menetelmä on pinnoittaminen sinkillä eli sinkitys. Sinkin suojaava vaikutus perustuu sen sähkökemialliseen käyttäytymiseen raudan yhte-

ydessä. Korrodoivissa olosuhteissa sinkki epäjalompana metallina liukenee ja teräksen rauta pysyy koskemattomana. Jos olosuhteet eivät ole vaikeat, esimerkiksi ulkoilma, sinkin liukeneminen on hidasta ja teräs pysyy vuosikausia ruostumattomana. Sinkitysmenetelmiä on laajemmassa käytössä kaksi: sähkösinkitys ja

Kuumasinkitys Kuumasinkityksessä teräs upotetaan sulaan sinkkiin, jolloin sinkkisula ja teräs reagoivat keskenään. Rajapinnalle muodostuu rauta-sinkkiyhdisteitä ja jähmettyessään sinkki muodostaa kerroksen, jossa uloimpana on puhdas sinkki. Teräsnauhaa kuumasinkintään jatkuvatoimisesti, jolloin esikäsittelyt, sinkitys ja jälkikäsittelyt ovat samassa linjassa. Nauhan nopeus linjassa on 50..180 m/min. Esikäsittelynä teräsnauha puhdistetaan joko avoliekillä tai pesemällä ja kuumennetaan suojakaasussa 700…850 °C:een. Nauha johdetaan sinkkipataan, jonka lämpötila on noin 450 °C. Nauhan noustessa sinkkikylvystä osa vielä sulasta sinkistä valutetaan takaisin voimakkaan ilmapuhalluksen eli suihkuveitsien avulla. Näin voidaan säätää kerrospaksuutta halutuksi, tavallisesti 7…30 µm. Teräsnauhan sinkityksessä käytettävään kylpyyn on seostettu 0,2 % alumiinia, joka rajoittaa rauta-sinkkiyhdisteiden kasvua. Tällöin pinnoite on käytännössä 99,8 % puhdasta sinkkiä. Koostumukseltaan muunlaisia pinnoituskylpyjä myös käytetään, esimerkiksi Galfan; 5 % Al + 0,05 % harvinaisia maametalleja + loput sinkkiä, sekä Aluzink tai Galvalume; 55 % Al + 1,6 % Si + loput sinkkiä. Kuumasinkittyä nauhaa voidaan vielä viimeistelyvalssata tai venyttää mittatarkkuuden ja pinnan laadun parantamiseksi. Kuva 18.4 Sinkityslinjan pata-alue.

kuumasinkitys. Sähkösinkityksessä saostetaan sähkövirran avulla happamaan kylpyyn upotetun teräskappaleen pintaan noin 2…10 µm paksuinen sinkkikerros. Ohutlevyn sähkösinkitys tehdään jatkuvatoimisissa linjoissa. Näin saadaan hyvin muovattavaa, korroosionkestävää levyä, jota käytetään mm. auton koreihin.

Maalipinnoitus Kylmävalssattu nauha voidaan pinnoittaa orgaanisella pinnoitteella. Tavallisesti maalipinnoitus tehdään kuumasinkitylle nauhalle jatkuvatoimisella linjalla. Ensin nauha puhdistetaan pesemällä. Tämän jälkeen tehdään esikäsittely, jonka tehtävä on parantaa korroosion kestävyyt-

tä ja varmistaa maalin tarttuminen. Seuraavaksi nauha maalataan molemmin puolin pohjamaalilla, joka sisältää korroosiota ehkäiseviä pigmenttejä. Pintamaalilla parannetaan edelleen korroosionkestävyyttä ja aikaansaadaan visuaaliset ominaisuudet. Maali levitetään teloilla ja kuiva-

taan uuneissa. Pinta ja tausta maalataan tavallisesti eri maaleilla. Taustamaalina on yleensä epoksi, Pintamaalina voi olla polyuretaani, polyesteri, plastisoli tai PVDF. Pintaan voidaan myös laminoida PVC-kalvo. Pintapuolen maalikalvon kokonaispaksuus on tyypillisesti 25...250 μm.

Jälkipoltin liuotinkaasulle

Veden käsittely

Pohjamaalaus

Passivointi

Maalaus Kuivaus Kuva 18.6 Maalipinnoituksen vaiheet.

Kelaus

Pesu 2

Aukikelaus

Pesu 1

Nauhavaraaja

Maalaustela Mittatela Nostotela

Kuva 18.5 Kolmitelainen vastakkaissuuntainen maalaus.

Kuva 18.7 Maalipinnoituksen mittaus

Pintamaali Pohjamaali Esikäsittelykerros Sinkkipinnoite

Teräs 0,3...1,5 mm

Kuva 18.8 Maalipinnoituksen kerrokset.

Taustamaali

Ruostumattoman teräksen kylmävalssaus Kylmävalssaamojen yksi kehityssuunta on yhdistää eri osatoiminnot yhdeksi, jatkuvaksi prosessiksi. Kuvassa 19.1 on esitetty Tornion yhdistetty kylmävalssaus-, hehkutus- ja peittauslinja (RAP; Rolling, Annealing, Pickling). Kuumavalssatut kelat avataan ja hitsataan yhtenäiseksi nauhaksi, joka valssataan kolmella kuusivalssaimella perättäisvalssaamossa. Kylmävalssauksessa lujittunut nauha hehkutetaan pehmeäksi ja jäähdytetään. Hehkutushilse esikäsitellään taivuttamalla ns. hilseenmurtajassa ja k uulapuhaltamalla. Lopuksi nauha peitataan elektrolyyttisesti natrium-

2.Kylmävalssaus

sulfaattiliuoksessa sekä kemiallisesti fluorivety-typpihapposeoksessa. Tehokas peittaus poistaa hehkutushilseen lisäksi pinnan läheisyyteen muodostuneen kromiköyhän kerroksen. Lopullista mittatarkkuutta ja pinnanlaatua voidaan parantaa viimeistelyvalssauksessa ja sitä seuraavassa venytysoikaisussa. Lopuksi konenäön avulla tarkastettu nauha katkaistaan ja kelataan. Nauha käsitellään RAP-linjalla tavallisesti kahteen kertaan. Ensimmäisellä kierroksella saadaan peitattua kuumanauhaa tai karkeaa kylmänauhaa, jonka pinnankarheus

on lähellä kuumanauhan karheutta, mutta mittatarkkuus kylmänauhan luokkaa. Karkea kylmänauha (SCR; Semi-Cold Rolled Strip) voidaan edelleen kylmävalssata sileäpintaiseksi nauhaksi joko samalla RAP-linjalla tai tavanomaisen kylmävalssaamon Sendzimir-valssaimella. Seuraavissa vaiheissa kelat leikataan asiakkaan tilaamiin mittoihin pienemmiksi keloiksi, rainoiksi tai arkeiksi. Suurten materiaalimäärien vuoksi pitkälle viety automatisointi myös jatkokäsittelyissä, pakkauksessa, varastoinnissa ja lähetyksessä, on tärkeä edellytys häiriöttömälle tuotannolle.

3.Hehkutus ja peittaus

1.Sisään 5.Ulos

4.Viimeistelyvalssaus Kuva 19.1 Tornion yhdistetty kylmävalssaus-, hehkutus- ja peittauslinja (RAP; Rolling, Annealing, Picking). [Kuva: Siemens].

Kylmävalssaus Austeniittisten ruostumattomien terästen voimakkaan muokkauslujittumisen vuoksi valssaus on tehtävä pienihalkaisijaisilla valsseilla voimien pitämiseksi kohtuullisina. Koska ohut valssi taipuu helposti, tarvitaan

tukivalsseja. Nykyään ruostumattomia nauhoja valssataan yleisesti Sendzimir-tyyppisellä valssaimella, jossa työvalssien lisäksi on 18 tukivalssia, ks. kuva 16.2 s. 61. Jäähdytys- ja voiteluaineena on suuren

pintapaineen takia yleensä mineraaliöljy. Nauhan päihin hitsatun jatkopään ansiosta suurempi osa tuotenauhasta voidaan valssata loppumittaan asti.

on tehtävä jatkuvatoimisessa läpivetouunissa. Ferriittisiä lajeja voidaan hehkuttaa kupu-uunissa, mutta lä-

pivetohehkutuksella saadaan tasaisempi laatu.

Hehkutus Austeniittiset lajit on jäähdytettävä nopeasti hyvän syöpymiskestävyyden varmistamiseksi. Siksi hehkutus

Peittaus Kromiseostuksen vuoksi hehkutushilse on vaikealiukoista, joten peittauksen on oltava tehokkaampi kuin seostamattomilla ja niukkaseosteisilla teräksillä. Nauhojen peittaus tapahtuu läpivetolinjassa, jossa usein on myös uuni. Käytössä on kolme menetelmää:

• Peittaus peräkkäisissä happo- altaissa. Usein käytetään typpiha- pon ja fluorivetyhappon seoksia. • Peittaus hapettavassa, oksidia liuottavassa sulassa suolassa ja lopuksi happoliuoksessa. • Oksidia liuottava sähkökemialli- nen peittaus sopivassa elektro- lyytissä ja lopuksi happopeittaus.

Viimeksi mainittu menetelmä on nykyaikaisin ja taloudellinen. Peittaushäviö on pieni ja nauhan pinta tulee tasaisen hopeanharmaaksi. Käytetyt peittaushapot otetaan talteen, puhdistetaan ja palautetaan prosessiin.

Kuva 19.2 Levyjä, pitkiä tuotteita sekä putkia ruostumattomasta teräksestä. Kylmävalssaamalla levyjen paksuusalue on 0,4…6 mm.

Jälkikäsittelyt Vaikka ruostumattomasta teräksestä suurin osa käytetään sellaisenaan, erilaiset jälkikäsittelyt ovat mahdollisia. Tavallisimmat ovat hionta ja harjaus (ks. kuva 19.3). Erilaisten pintakuvioiden valssaus on myös mahdollista. Erikoistarpeisiin levyt voidaan sähkökemiallisesti kiillottaa. Värisävyä voidaan muuttaa maalaamalla tai värjäämällä teräs elektrolyyttisesti kromihappo-rikkihappoliuoksessa.

Kuva 19.3 Levytuotteita voidaan toimittaa erilaisin pintakäsittelyin. Harjauslinja on Tornion kylmävalssaamon uusimpia yksiköitä pidemmälle jalostettujen ruostumattomien terästuotteiden valmistamiseksi.

Langan ja tangon veto Kuumavalssaamalla voidaan valmistaa lankaa Ø 5 mm:n paksuuteen asti. Tätä ohuempi lanka valmistetaan vetämällä kylmänä. Kuumavalssatun langan ja tangon pinnassa on valssihilse eli ohut oksidikerros. Se tekee pinnasta mustan tai tumman harmaan. Kuumavalssauksella saavutetaan tuotteelle tietty mittatarkkuus. Esimerkiksi Ø 50 mm pyörötangon halkaisija voi vaihdella ±0,25 mm. Pienin teräslangan halkaisija, joka vedolla voidaan saavuttaa, on noin Ø 0,01 mm. Kylmävedolla saadaan kirkaspintainen tuote, jonka mittatarkkuus on kuumavalssattua parempi. Kylmävedossa teräs muokkaantuu eli sen lujuus kasvaa, mutta sitkeys alenee. Tätä voidaan haluttaessa käyttää hyväksi, mutta tarvittaessa voidaan alkuperäiset ominaisuudet palauttaa.

Esikäsittelyt Kuumavalssatussa pinnassa oleva oksidi ml. ruoste on poistettava. Menetelmiä ovat happopeittaus, hiekkapuhallus ja mekaaninen kuorinta. Peittauksessa (kuva 20.1) lankavyyhti upotetaan lämpimään rikkihappopitoiseen kylpyyn tai kylmään suolahappokylpyyn. Vyyhtiä keinutetaan, jotta happo vaikuttaisi langan pintaan tasaisesti. Kylvyssä tarvitaan inhibiittilisäys ns. ylipeittauksen estämiseksi.

Mekaanisessa kuorinnassa pintaoksidit ja ruoste murretaan irti pinnasta taivuttelemalla, harjaamalla tai hiekkapuhaltamalla lankaa. Tämän jälkeen lanka pitää puhdistaa hiovasta pölystä huolellisesti pesemällä tai puhaltamalla.

Mekaaninen kuorinta yleistyy ja korvaa ympäristöä kuormittavan happopeittauksen. Tangoilla on hiekkapuhallus yleisin hilseenpoistomenetelmä.

Peitattu lanka pitää neutraloida ja pinnoittaa jollakin pintapainetta kestävällä kiteytyvällä suolakerroksella kuumassa kylvyssä ja kuivata ennen vetoa.

Peittaus

Huuhtelu

Kuva 20.1 Langan peittaus.

Voiteluaineet Voitelumenetelmän mukaan erotetaan toisistaan kuiva- ja märkäveto. Kuivavedossa käytetään voiteluaineina ns. saippuajauheita, joissa on mm. talkkia, kalkkia ja talia. Kuivavetoa käytetään yleensä paksuihin lankoihin ja tankoihin.

Märkävedossa voiteluaine toimii sekä voitelijana että jäähdyttäjänä. Metallilla pinnoitettuja lankoja vedettäessä käytetään saippua- ja rasvaseosten vesiliuoksia. Jos lankaa ei ole pinnoitettu metallilla, käytetään tavallisesti öljyseoksia.

Välimuodon muodostavat saippuamaiset voiteluaineet. Niissä voi olla esim. saippuajauhetta ja naurisöljyä. Niitä käytetään tavallisesti märkävedettävien lankojen ensimmäisessä vedossa.

Vetokoneet Vetokoneita on kolme päätyyppiä. Valssilangasta voidaan vetää lankaa eli puhutaan vedosta kiepiltä kiepille. Mitta-alue on tällöin Ø 5,0…25 mm (lähtömitta). Siitä voidaan vetää myös tankoja, mitta-alue Ø10…30 mm Tankovedon eli tangosta tangoksi mitta-alue on noin Ø15…60 mm. Lankojen vedossa koneet ovat lähes yksinomaan jatkuvatoimisia sarjavetokoneita, joissa vetotyökaluja ja vetorumpuja on 4…15 kpl. Vetorumpujen halkaisija voi olla välillä 400…1 200 mm riippuen langan paksuudesta tai jäähdytystarpeesta. Esimerkkinä lankavetokoneesta on kuvan 20.4 ns. luistava vetokone. Sen vetorummut ovat kahdella akselilla. Lanka luistaa rummulla jonkin verran.

Kuva 20.2 Jotta lanka kiertyisi vedon jälkeen kiepille, sitä taivutetaan hieman vetokiven jälkeen.

Vetäminen aloitetaan ns. päällevedolla, jossa langan pää valssataan päänsupistusvalssaimella ohuemmaksi, jotta lanka voidaan pujottaa vetorenkaan läpi. Tämän jälkeen lanka vedetään ketjun ja vetoleuan avulla vetorummun päälle. Vetokoneissa on tehokas vesijäähdytys sekä vetotyökaluissa että vetorumpujen sisällä. Sen ja parantuneen valssilankojen laatutason avulla vetonopeudet ovat nousseet huomattavasti. Paksuja lankoja (3…6 mm) voidaan vetää 8…12 m/s ja ohuempia 25…35 m/s.

muokkausaste on laskeva, alussa suurempi n. 25 % ja lopussa pienempi n. 15 %. Vetokone toimii automaattisesti siten, että se korjaa itse vetorenkaiden kulumisesta johtuvat muokkauserot ja muuttaa vetorumpujen välillä olevan tunnistimen avulla nopeutta. Tankojen vetokoneet ovat yksittäiskoneita. Esikäsitellyt tangot syötetään yksi kerrallaan vetoon. Muokkausaste tankovedossa on 10…15 %. Jälkikäsittelynä voi olla kiillotusoikaisu, päiden työstö ja ruostesuojaus.

Koska lanka ohenee vedon aikana, vetorummut pyörivät eri nopeudella. Alkupään vetonopeus on pienempi ja vauhti kiihtyy langan ohentuessa. Sarjavetokone toimii parhaiten, kun

Kuva 20.3 Lanka kiertyy vetorummulle. Vetorumpu Vetokivenpidin

Kuva 20.4 Luistava vetokone.

Vetotyökalut Sitä vetokoneen osaa, jossa muodonmuutos tapahtuu, sanotaan vetokiveksi tai vetorenkaaksi. Vetokivi on kartiomainen ja sen kulma määrittää muokkausasteen. Tavallisesti käytetään (2α = 24°)-kartiokulmaa.

Vetorenkaat hiotaan mittoihinsa tavallisesti kovametalliaihioista tai yhä yleisemmin kestävistä keinotekoisista monikiteisistä teollisuustimanteista.

Vastaava muokkaus voidaan saada aikaan myös kylmävalssaamalla kolmivalssaimen läpi, mutta silloin ei päästä yhtä hyvään mittatarkkuuteen kuin vetämällä.

Jäähdytysvesi Vetokivi

Kuva 20.5 Vetokivi.

Kuva 20.6 Vesijäähdytetty vetokivi.

Kuva 20.7 Vedetyn langan jatkojalostusta. Langasta punotaan teräsköysiä, joita käytetään betonin vahvistuksena.

Kuva 20.8 Valssilanka hehkutetaan pehmeĂ¤ksi vetoa varten kellouunissa.

Kuumataonta Jos valmistettava tuote on muodoltaan epäsäännöllinen, ts. sillä on eri kohdissa eri läpimitta, muovaus on suoritettava valamalla tai takomalla. Menetelmän valinnan ratkaisevat kappaleen muoto ja tuotantotaloudelliset tekijät. Taonta voidaan suorittaa käsin tai koneellisesti. Suuret kappaleet taotaan valanteista, pienet valssatuista teelmistä. Kookkaimmat takoaihiot voivat olla peräti 300 tonnin painoisia. Taonta voi tapahtua vapaataontana tai muottitaontana.

Vapaataonta Vapaataonnassa ei ole estettä taottavan kappaleen leviämiselle sivusuunnassa. Kappaletta kääntelemällä ja työvälineitä käyttämällä saadaan aikaan haluttu muoto. Kappaletta käsitellään usein iskuin tai puristuksin eri puolilta. Muottitaontaa edeltää usein vapaataonta. Vapaataontaan saattaa kuulua monia eri työvaiheita, kuten taivutus, vääntö, reiän lyönti, halkaisu, katkaisu, venytys ja tyssäys eli kappaleen lyhentäminen ja leventäminen.

Kuumaa ja raskasta kappaletta on vaikea käsitellä. Koneelliset apulaitteet ovat siksi välttämättömiä. Usein käytetään trukin kaltaisia takomanipulaattoreita. Niiden etuosassa on suuret pihdit, joilla kappaletta voidaan nostaa, laskea ja kiertää. Käsittelyä helpotetaan usein takomalla kappaleeseen yksi tai kaksi uloketta, joihin on helppo tarttua. Erityisen suuria kappaleita käsitellään ketjumanipulaattorilla. Siinä kappale on ripustettu ketjun varaan siten, että painopiste on lähellä ripustuskohtaa.

Kuva 21.1 Vapaataonta.

Kuva 21.2 Muotin valmistusta jyrsimällä.

Kuva 21.3 Kiertokangen taontaa takopuristimessa.

Muottitaonta Muottitaonnassa kappaleen tuleva muoto on määrätty etukäteen. Aihio taotaan tai puristetaan kahden muotin, ylä- ja alamuotin, välissä (kuva 21.4). Muottien vastakkaisiin tasoihin on jyrsitty takeen muotoa vastaavat kuviot. Muotit valmistetaan seosteräksestä. Runsasseosteisesta teräksestä valmistettu muotti kestää noin 10 000 iskua. Ennen taontaa muotit voidellaan öljyseoksella, grafiitilla ja vedellä. Tae irtoaa tällöin muotista helpommin. Joskus käytetään vain yhtä muottia, jossa kappale taotaan useassa vaiheessa. Tavallisesti on kuitenkin helpompaa takoa kappale peräkkäisissä muoteissa. Usein kaikki muotit on sijoitettu samaan järkäleeseen. Jotta koko muotti varmasti täyttyisi, aihion tilavuuden on oltava suurempi kuin valmiin takeen. Taonnassa ylimääräinen aine tunkeutuu muottien väliin ns. purseeksi (kuva 21.5). Purse ei saa estää muotteja kosket-

tamasta toisiaan. Siksi muotteihin työstetään pursetila. Purse poistetaan valmiista takeesta puristimella. Samoin kuin valssauksessa takoaihio on kuumennettava, jotta se tulisi pehmeäksi ja muovattavaksi. Niukkahiilinen teräs taotaan noin 1 200 ºC:ssa, kun taas 1,4 % hiiltä sisältävä vain noin 900 ºC:ssa. Varsinkin suuria valanteita on kuumennettava varovasti. Muutoin voi pinnan ja sisustan välille muodostua niin suuria jännityksiä, että kappale halkeaa. Tämä koskee erityisesti seosteräksiä, joiden lämmönjohtavuus on seostamattomia teräksiä huonompi. Kuumennusaika voi olla joskus useita vuorokausia. Suuret valanteet kuumennetaan tavallisesti vaunu‑uuneissa, joissa valanne on liikkuvalla alustalla. Pienemmille aihioille käytetään ns. pyöröarinauuneja.

Kuva 21.4 Muottitaonta.

Kuva 21.5 Takomuotti ja muottitae. Oikealla purse on vielä takeen ympärillä, vasemmanpuoleisesta takeesta purse on poistettu.

Teräsvalu

Kuva 22.1 Vesiturbiinin siipi martensiittista ruostumatonta valuterästä. Valmiin siiven korkeus 2,9 metriä ja leveys 3,3 metriä, paino 6,2 tonnia. [Metso Minerals]

Sulasta suoraan muotokappaleeksi Lyhin tie muotokappaleen valmistamiseksi on valaminen. Sula teräs kaadetaan muottiin, jossa se saa jähmettyä. Valettavat kappaleet voivat olla hyvinkin monimutkaisia. Valamalla päästään lähelle kappaleen

lopullisia mittoja. Työstön tarve on yleensä pieni. Valettaviksi soveltuvat myös sellaiset teräkset, joiden muovattavuus on huono. Suomessa valettavien va-

luteräskappaleiden massat vaihtelevat muutamista grammoista pariin kymmeneen tonniin. Maailman suurimpien teräsvalukappaleiden massat ovat useita satoja tonneja.

Malli tarvitaan lähes aina Valtaosa teräsvalutuotannosta valetaan hiekkamuottiin. Tulevasta tuotteesta tehdään yleensä ensin malli. Perinteisesti mallit on rakennettu puusta. Sen käyttö on tasaisesti vähentynyt valettavien ja työstettävien muovien vallatessa alaa.

Malliin lisätään kanavistot ja syöttökuvut. Kanavistot toimivat sulan teräksen virtausteinä ja syöttökuvut luovuttavat sulaa jähmettymiskutistuman korvaamiseksi. Kanavistojen ja syöttökupujen suunnittelu perustui aikaisemmin pääasiassa kokemukseen. Nykyisin sulan metallin virtaus ja jähmettyminen hallitaan

tarkasti simuloinnin avulla valujärjestelmää suunniteltaessa. Hiekkamuotti voidaan nykyisin tehdä myös suoraan valukappaleen CADaineistosta ilman mallia sintraamalla kuorimuottihiekkaa kerroksittain lasersäteillä. Tätä tapaa voidaan käyttää protovalmistuksessa.

Kuva 22.2 Turbiinin siiven mallia työstetään numeerisesti ohjatulla koneella (x= 10 000 mm, y= 4 000 mm, z= 1 500 mm).

Hiekkamuottien raaka-aineet Mallin avulla tehdään valumuotti. Muotin tulee olla riittävän tulenkestävä ja luja, jotta se kestää sulan teräksen korkean valulämpötilan ja nestepaineen. Teräsvalussa muotin perusaineena on tavallisesti puhdas kvartsihiekka. Erikoistarkoituksiin käytetään kromiitti- tai zirkonihiekkaa. Hiekan sideaineena on käytetty perinteisesti bentoniittia. Bentoniittihiekoista käytetään myös nimitystä tuorehiekat, koska niissä on vesi lisäaineena. Tuorehiekkamuotit kovetetaan mekaanisesti sullomalla. Bentoniittihiekkoja käytetään nykyisin vain suuria sarjoja edellyttävässä koneellisessa muotinvalmistuksessa. Yksittäistuotannossa ja piensarjatyössä käytetään pääasiassa kylmänä kovettuvia hartsihiekkoja, jotka eivät vaadi sullontaa juuri lainkaan.

Kuva 22.3 Hartsihiekasta tehtyjä pullamuotteja valuvaiheessa.

Hiekkamuotin valmistus Muotin valmistusta kutsutaan kaavaukseksi. Muotti valmistetaan tavallisesti kaksiosaisen mallin avulla. Valumallin puoliskot on yleensä kiinnitetty mallipohjille. Kaavauskehysten käytön mukaan erotetaan kehyskaavaus ja kehyksetön kaavaus eli pullakaavaus. Suursarjamuotit valmistetaan tuorehiekasta kaavauskoneissa. Kehyksellisessä konekaavauksessa hiekka sulloutuu mallipohjan päälle asetettavaan kaavauskehykseen. Kehyksettömässä konekaavauksessa kone sulloo muotin pullapuoliskot koneen sisällä oleviin kiinteisiin kehyksiin ja työntää valmiit pullat radalle ilman kehyksiä.

Yksittäis- ja piensarjatuotannossa käytetään nykyisin yleensä kylmähartsikaavausta. Hartsihiekka pudotetaan jatkuvatoimisesta sekoittimesta suoraan mallin päälle sijoitettuun kehykseen. Suurten kappaleiden hartsikaavauksessa käytetään metallisia kaavauskehyksiä. Kappaleet, joiden massa ei ylitä muutamaa sataa kiloa, kaavataan yleensä pullakaavauksena hartsihiekkaan. Tällöin käytetään kevyitä puukehyksiä, jotka irrotetaan hiekan kovettumisen jälkeen. Irrotetut pullat kestävät valun ilman kehyksiä.

Kuva 22.4 Venttiilin runko valukappaleena.[Metso Minerals]

Hartsihiekasta kovetetut muotinpuoliskot voidaan peitostaa tulenkestävällä peitosteella. Peitostuksen jälkeen muotit voidaan pintakuivata. Ennen muotin sulkemista niihin sijoitetaan kovetetut keernat, jotka valmistetaan tavallisesti hartsihiekoista. Keernojen tehtävänä on muodostaa reikiä tai onteloita valukappaleisiin. Muotin sulkemisen jälkeen kaatokanavan päähän sijoitetaan kaatosuppilo valua varten.

Valuterästen sulatus Valuteräkset sulatetaan useimmiten induktiouunissa. Suurehkoja kappaleita valettaessa käytetään myös valokaariuunia. Niukkahiilisiä ruostumattomia ja erikoislujia valuteräksiä valmistettaessa käytetään Suomessakin sulan teräksen jatkokäsittelylaitteina mm. AOD- ja VODC-konverttereita, joita on kuvattu aikaisemmin tässä kirjassa.

Teräsvalimoissa käytettävät induktiouunit ovat upokasuuneja. Sähkövirta kulkee uunin ympärillä olevan kelan läpi. Kelan muodostaa vesijäähdytetty kupariputki. Induktiouuni soveltuu parhaiten uudelleensulatukseen, koska mellotusta ei siinä suoriteta. Sulatettaville raaka-aineille on asetettava sen vuoksi suuret vaatimukset. Teräksen laatua voidaan parantaa mm. puhaltamalla uuniin argonia tai typpeä uunin pohjan kautta.

Kuva 22.5 Induktiouuni.

Valu ja jälkikäsittely Valuteräksiä valettaessa lämpötilan on oltava oikea. Liian kylmä teräs ei täytä ohuita muotinosia moitteettomasti. Liian kuuma teräs saa muottihiekan palamaan kiinni valukappaleen pintaan tai huuhtoutumaan sulan teräksen mukaan. Valuteräskappaleiden jäähdyttyä riittävästi muotissa muotit puretaan. Kaavaushiekka elvytetään uudel-

leen käytettäväksi ja valukappale siirtyy puhdistamoon. Kappaleen pinta puhdistetaan ensiksi sinkopuhdistuskammiossa. Sen jälkeen valukanavat ja syöttökuvut poistetaan polttoleikkaamalla tai pienistä kappaleista laikalla. Vialliset kohdat avataan hiomalla tai hiilikaarella polttamalla ja täytetään tarvittaessa viimeistelyhitsauksella.

Kaikki valuteräskappaleet lämpökäsitellään. Teräksen raerakenne on valun hitaasta jähmettymisestä johtuen karkea. Rakenne saadaan hienorakeiseksi normalisoimalla. Useimmissa tapauksissa on myös jännitystenpoistohehkutus tarpeen. Nuorrutusteräksistä valetut kappaleet nuorrutetaan. Ruostumattomat duplex-teräkset ja austeniittiset teräkset austenitisoidaan.

Kuva 22.6 Valukappaleen mittojen tarkistusta. [Metso Minerals]

Erikoismenetelmät Kuorimuottivalu Kuorimuottivalua käytetään yleensä alle 50 kg:n sarjatuotantokappaleille, kun tarvitaan tavanomaista parempaa mittatarkkuutta ja pinnanlaatua. Kuorimuottivalussa tarvitaan metal-

limalli. Se kuumennetaan 250...300 ºC lämpötilaan ja peitetään kuorimuottihiekalla, joka on hartsilla päällystettyä melko hienoa hiekkaa. Hartsi sulaa ja hiekasta muodostuu kiin-

teä kuori mallin päälle. Kuoripuoliskot jälkikovetetaan uunissa ja liimataan valua varten yhteen.

100…500 kpl. Työstö voidaan tavallisesti jättää kokonaan pois tai korvata hienohionnalla. Tarkkuusvalun mallit tehdään vahasta tai muovista puristamalla metalliseen muottiin. Useita malleja liitetään yhteen kaatokanavaan. Keraaminen muottikuori

kerrostetaan vahamalliryhmän ympärille. Vahamallit sulatetaan pois muotin sisältä ja teräs valetaan punahehkuun kuumennettuun keraamiseen kuoreen.

Kuva 22.7 Kuorimuotin valmistus.

Tarkkuusvalu Suurinta tarkkuutta vaativia pieniä, yleisimmin 10 g...1 kg:n massaisia valuteräskappaleita voidaan valmistaa tarkkuusvaluna. Mittatoleranssialueet ovat CT 4...6 standardin SFS-ISO 8062 mukaan. Minimisarjansuuruudet ovat useimmiten

Kuva 22.8 Tarkkuusvalettuja kappaleita [Sacotec]

Replicast-valu Replicast-valu muistuttaa paljon perinteistä tarkkuusvalua. Sitä käytetään yleisimmin 1...100 kg:n massaisille valuteräskappaleille. Replicast-menetelmässä polystyreeni-

malli tehdään paisuttamalla metalliseen muottiin. Keraaminen muottikuori kerrostetaan polystyreenimallin päälle samaan tapaan kuin tarkkuusvalussa vahamenetelmällä.

Muottikuori kuumennetaan noin 1 000 ºC lämpötilaan, jolloin polystyreenimalli poistuu kaasuuntumalla kuoren sisältä täysin.

Teräsputket Putkia käytetään yleisesti aineen- ja energiansiirrossa, rakenteissa ja koneenosissa. Kymmenen prosenttia maailman teräksen tuotannosta jalostetaan putkituotteiksi. Noin 70 prosenttia putkista valmistetaan hitsaamalla. Suomessa valmistetaan hitsattuja teräsputkia sekä seostamattomasta että ruostumattomista teräksistä noin 250 000 tonnia/vuosi. SSAB:n osuus Suomen putkituotannosta on noin 90 prosenttia. Outokumpu ja Stalatube valmistavat ruostumattomia teräsputkia. Teräsputkia valmistetaan kahdella perusmenetelmällä: kuumamuokkaamalla ja hitsaamalla.

Hitsatut putket Hitsaamalla valmistettujen putkien mitta-alue on laaja ja ne ovat suhteellisen ohutseinämäisiä: • ulkohalkaisija Ø 8…2 500 mm • seinämänpaksuus Ø 0,6…40 mm • halkaisijan / seinämä 8…100. Hitsatuille putkille on ominaista, että niissä valmistusmenetelmän mukai-

nen hitsisauma. Se voi olla joko suora, putken pituussuuntainen tai ruuvikierteen muotoinen. Nykyaikaisilla hitsausmenetelmillä voidaan valmistaa niin korkeatasoista saumaa, että putken tuotevaatimukset ovat harvoin esteenä hitsattujen putkien käytölle.

Kuva 23.1 Pituussauman hitsausta suurtaajuudella

Pienet hitsatut pituussaumaputket Pieniä pituusaumaputkia valmistetaan kuumavalssatusta, kylmävalssatusta tai metallipinnoitetusta teräsnauhasta. Tyypillinen kokoalue on Ø 15…325 mm ja seinämänpaksuusalue 0,9…14 mm. Valmistusperiaate on esitetty kuvassa 23.2. Valmistus aloitetaan rainoittamalla eli leikkaamalla teräsnauha tarvittavaan leveyteen. Putkilinjan alkupäässä rainat liitetään toisiinsa hitsaamalla ja kelataan raina-akkuun. Sieltä rainaa syötetään muovausosaan, jossa sitä muovataan vaiheittain pyöreäksi. Pyöreä putkiaihio hitsataan sähköllä käyttäen korkeaa taajuutta tai kaasulla. Hitsin ulkopurse sekä tarvittaessa sisäpurse poistetaan höyläämällä. Hitsauksen jälkeen putki jäähdytetään ja kalibroidaan tarkkoihin mittoihin, oikaistaan sekä tarvittaessa profiloidaan neliö-,

suorakaide- tai erikoisprofiiliksi, kuva 23.3. Lopuksi putket katkaistaan tilattuun pituuteen sekä niputetaan. Suurtaajuushitsauksessa (High Frequency, HF) teräsnauhan reunat kuumennetaan induktiivisesti suurtaajuusvirralla (200…500 kHz). Nauhan reunat kuumenevat hyvin nopeasti kapealta vyöhykkeeltä (n. 1 mm) hitsauslämpötilaan ja puristetaan hitsausrullilla yhteen. Suurtaajuushitsauksessa saavutetaan suuri kuumennus- ja hitsausnopeus, tyypillisesti 30…200 m/min putken mitoista riippuen. Menetelmässä ei käytetä lainkaan lisäainetta eikä suojakaasua. Kaasuhitsausmenetelmiä käytetään pääasiassa runsaammin seostettujen teräslajien kuten ruostumattomien terästen hitsaukseen (mm. TIG-

Kuva 23.2 Pienen hitstun pituussaumaputken valmistusperiaate. ja laserhitsaus). Tuotantonopeudet ovat tyypillisesti 1… 3 m/min. Muilta osin valmistus on samanlainen kuin suurtaajuushitsatuilla putkilla.

Suuret hitsatut pituussaumaputket Suuria pituussaumaputkia valmistetaan kuumavalssatusta levystä ns. UO-menetelmällä. Tyypillinen kokoalue on Ø 508…1 626 mm ja seinämänpaksuus 7…32 mm. Levyaihio taivutetaan ensimmäisessä vaiheessa puristimella U:n muotoon, sitten pyöreäksi putkeksi. Sauman reunat kohdistetaan ja hitsataan sekä sisä- että ulkopuolelta jauhekaariautomaateilla. Mitat täsmätään mekaanisesti laajentamalla. Päiden viimeistelyn ja tarkastusten jälkeen putket ovat valmiita toimitettaviksi. UO-putkien maksimikokoa rajoittaa saatavissa olevan levyn leveys tai tuotantolaitteiston koko.

Kuva 23.3 Pituussaumahitsattuja putkia.

Kuva 23.4 Pituussaumahitsattu putki.

Hitsatut kierresaumaputket Kun pituussaumaputkien maksimihalkaisijaa rajoittaa saatavissa olevan nauhan tai levyn leveys, ei kierresaumamenetelmässä tällaista rajoitusta ole. Halkaisijaltaan erikokoisia kierresaumaputkia voidaan valmistaa saman levyisestä nauhasta. Vallitseva kokoalue on Ø 400…2 500 mm ja seinämäpaksuusalue 6…25 mm. Valmiin putken halkaisija määräytyy nauhan leveyden ja sauman kierteen nousun mukaan. Kierresaumaputket valmistetaan jatkuvatoimisissa yksiköissä (kuva 23.5). Kelalta purettu nauha oikaistaan ja näin saadut aihiot liitetään toisiinsa jatkohitsillä. Valmistuksen edetessä aihioita jatketaan hitsaamalla nauhaa seuraavasta kelasta.

Nauhan reunat leikataan ja hitsauspinnat jyrsitään molemmilta puolilta. Muotoiluyksikössä nauha taivutetaan ruuvikierteelle sylinterimäiseksi putkeksi. Taivutuksen ansiosta nauhan reunat kohtaavat tietyssä vaiheessa. Kosketuskohdassa reu-

nat hitsataan ensin sisäpuolelta ja puoli kierrosta myöhemmin ulkopuolelta tavallisimmin jauhekaarihitsauksella. Putken tarkastukseen kuuluu sauman ultraäänitarkastus ja koeponnistus.

Kuva 23.5 Kierresaumaputkien valmistusmenetelmä.

Kuva 23.6 Hampurin ja Bremenin välisen kaasuputken laskua. Linjan pituus 140 km ja kierresaumahitsatun putken halkaisija 813 mm. Suojuksen alla hitsausyksikkö. [Bender-Ferndorf Rohr]

Saumattomat putket Teräsputkien vaatimukset saattavat olla sellaisia, ettei hitsausta voida käyttää valmistusmenetelmänä. Putki on tällöin valmistettava valssaamalla tai valamalla, jolloin puhutaan saumattomista putkista. Saumattomat putket ovat yleensä suhteellisen paksuseinäisiä. Tyypillinen mitta-alue kattaa ulkohalkaisijat 10…660 mm ja seinämänpaksuudet 1,4…125 mm. Ulkohalkaisijan suhde seinämänpaksuuteen vaihtelee välillä 3…30. Saumattomien putkien valmistus kuumamuokkaamalla tapahtuu käytännössä kahdessa vaiheessa. Ensimmäisessä vaiheessa kuumennettuun pyöreään teräsaihioon lävistetään reikä. Tämän jälkeen aihio kuumamuovataan lopulliseksi tuotteeksi.

Mannesmannin menetelmässä aihio ohjataan kahden toisiaan nähden viistosti ristikkäin olevan erityisesti muotoillun valssin väliin, joilla on sama pyörimissuunta. Aihion keskustaan syntyy niin suuria vetojännityksiä, että sisus repeää. Valssauksen jatkuessa putkiaihio valssautuu tuurnan ympärille, joka tasoittaa sisäpintaa. Putken lopulliset mitat saavutetaan rullamuovauksessa, jossa putkiaihiota myös venytetään. Mikäli vaaditaan tarkempia mittoja ja parempaa pinnan laatua, voidaan putki viimeistellä kylmävalssaamalla tai kylmävetämällä. Kummassakin menetelmässä putken sisällä käytetään tuurnaa.

Saumattomien putkien valmistus perustuu hyvin perinteisiin menetelmiin. Hitsattujen putkien tuotantoteknologian nopean kehityksen ansiosta saumattomien putkien kilpailukyky on parhaimmillaan paksuseinämäisten ja seosteräksistä valmistettujen putkien alueella. Valurautaputkia ja hauraan jähmettymisrakenteen omaavia erikoisteräksisiä putkiaihioita valmistetaan keskipakovalumenetelmällä.

Kuva 23.7 Mannesmannin menetelmä. 1. Valssien asento ylhäältä katsottuna. 2. Valssauksen aloitus. Aihio ohjataan vasemmalta valssien väliin. 3. Valssien viiston aseman sekä niiden muodon johdosta aihion keskelle repeää onkalo.4. Valssauksen jatkuessa aihio valssautuu tuurnan ympärille, jolloin putken muoto saavutetaan.

Kuumareduktio Kuumareduktiolla muovataan putki tehokkaasti lopullisiin mittoihinsa. Lähtöaihio on joko hitsattu tai saumaton putki, ns. emoputki. Kuumareduktiomenetelmällä valmistetun putken halkaisija 17...115 mm ja seinämänpaksuus 2-6 mm. Kuumareduktiolinja on esitetty kuvassa 23.9 ja muovausrullasarja kuvassa 23.8. Ellei aihiota viimeistelymuovata välittömästi valssauksen jälkeen, se kuumennetaan induktiivisesti lämpötilaan 950 °C, minkä jälkeen se muovataan rullien välissä haluttuun lopulliseen mittaansa. Kuumareduktiolinjalla on tyypillisesti 18…28 muovausrullasarjaa. Jokaisella muovausrullasarjalla on omat käyttökoneistot, joiden toimintaa säätämällä kunkin lopputuotteen halkaisija

ja seinämänpaksuus saadaan halutuiksi. Kuumareduktiolinjan säätömenetelmän perusperiaatteena

on portaattomilla pyörimisnopeuden muutoksilla rullasarjojen välillä aikaansaada haluttu lopputuote.

Kuva 23.8 Putken kuumareduktion muovausrullasarja

Kuva 23.9 Kuumareduktiossa putken lopullinen muoto ja mitat syntyvät 18…28 rullasarjan välissä.

Kylmäveto Kylmävetoa käytetään sekä saumattomien että hitsattujen putkien mittatarkkuuden ja pinnanlaadun parantamiseen. Kylmäveto myös muokkauslujittaa terästä eli lisää sen lujuutta mutta alentaa sitkeyttä. Kylmävedettävät putket hehkutetaan yleensä pehmeäksi ennen vetoa. Lisäksi hehkutuksessa tai kuumamuovauksessa putken pintaan syntynyt hilse poistetaan peittaamalla ja putken pinta käsitellään voiteluaineella.

Kylmävedon perustyyppejä on neljä: vapaaveto, tangolle veto, kiinteällä tuurnalla veto ja uivalla tuurnalla veto. Kiinteällä tuurnalla veto on yleisin kylmävetomenetelmä. Tangon päässä olevan tuurnan avulla voidaan vaikuttaa putken ulkohalkaisijan, sisähalkaisijan ja paksuuden mittatarkkuuteen. Lisäksi menetelmällä voidaan parantaa sekä putken ulko- että sisäpinnan pinnanlaatua. Tankovedossa putken sisään asetetaan tanko, joka seuraa vedossa mukana. Tankovedolla voidaan vai-

kuttaa samoihin lopputuotteiden ominaisuuksiin kuin tuurnavedossa. Tankovedolla pystytään kuitenkin saavuttamaan suuremmat reduktiot kuin tulppavedolla. Vapaavedossa ei putkiaihion sisäpuolella käytetä työkaluja. Menetelmällä voidaan pienentää putken halkaisijaa, parantaa ulkopinnan laatua ja mittatarkkuutta sekä muokkaus lujittaa terästä. Vapaaveto on varsin vähän käytetty menetelmä. Uivan tuurnan käyttö mahdollistaa jatkuvan vedon. Uivaa tuurnaa käytetään mm. pienten putkien vedossa.

Käyttökohteita Putkilla on hyvin monipuolisia käyttömahdollisuuksia. Yksi putken oleellinen ominaisuus on sen poikkileikkauksen muoto. Pyöreitä putkia käytetään virtausputkina kaasujen, nesteiden ja jauheiden siirtoon. Neliön ja suorakaiteen muotoiset putket ovat edullisia rakenteissa ja koneenosissa. Poikkileikkauksen muotoa ja käytettävän teräksen lujuutta muuntamalla voidaan putken tai putkipal-

kin lujuus- ja jäykkyysominaisuuksia parantaa. Erilaiset korroosionsuojauskäsittelyt ja pinnoitteet sekä ruostumattomat teräsputket tarjoavat myös rakentamisessa mielenkiintoisia arkkitehtonisia ratkaisuja. Putkia käytetään paljon erilaisissa prosessilaitteissa. Esimerkiksi sooda- ja höyrykattilat ovat pääasiassa putkia. Saumattomista putkista saa-

Kuva 23.10 Tenojoen ylittävä Saamen silta. Perustukset paalutettu teräsputkipaaluilla.

Kuva 23.12 Kuumasinkity maalattu putki uimarannan kierreportaissa.

daan sahaamalla renkaita esimerkiksi laakerien kehiksi. Lujien putkien käyttö on yleistä autoteollisuuden turvaosissa, teräsrakentamisessa ja kuljetusvälineteollisuudessa. Lujuuden avulla voidaan saavuttaa merkittäviä painonja energiansäästöjä sekä kasvattaa hyötykuormia.

Kuva 23.11 Ohutseinäputkea mm. laivan aulan ja portaikon kaiteissa.

Kuva 23.13 Ilmastointitorni, jonka putkisto on valmistettu ruostumattomasta austeniittis-ferriittisestĂ¤ ns. duplex-terĂ¤ksestĂ¤.

Tulenkestävät aineet Merkitys terästeollisuudelle Tulenkestävillä aineilla on tärkeä merkitys raudan ja teräksen valmistuksessa sekä jatkokäsittelyissä. Prosessien vaatimat korkeat lämpötilat edellyttävät uuneissa ja sulan metallin käsittelyyn tarkoitetuissa astioissa käytettäväksi tulenkestävää vuorausta.

Seostamattomien ja niukkaseosteisten terästen valmistusprosessissa Raahessa tulenkestävien materiaalien kulutus on n. 9 kg tuotettua terästonnia kohti, mikä on hyvää kansainvälistä tasoa. Tulenkestävien aineiden osuus näiden terästen valmistuskustannuksista on 2…4 %.

Ruostumattoman teräksen valmistuksessa tulenkestävien aineiden kulutus on huomattavasti suurempi, esim. Torniossa 23 kg aihiotonnia kohti.

Kemiallisia rasituksia aiheuttavat kuonan, sulan metallin ja atmosfäärin reaktiot vuorausmateriaalin kanssa. Vuorausmateriaalin koostumuksen on sovelluttava kuonatyyppiin. Esim. emäksinen, eli paljon CaO:a sisältävä kuona liuottaa sellaista vuorausta, joka sisältää paljon SiO2:a eli hapanta vuorausta (kuva 24.1). Jos kuona on emäksinen, on käytettävä myös emäksistä tulenkestävää ainetta.

Mekaaniset rasitukset johtuvat mm. vuorausrakenteen omasta painosta, uunin tai laitteen tai niiden osien liikkeistä, lämpölaajenemisesta, panosmateriaalin aiheuttamista iskuista ja hankauksesta sekä virtaavien sulien aikaan saamasta eroosiosta. Matalissa lämpötiloissa keraamiset vuorausmateriaalit ovat hauraita, mutta ne muuttuvat korkeissa lämpötiloissa plastisemmiksi eli mekaanista kulutusta paremmin kestäviksi.

Ominaisuudet Tulenkestäviin vuorauksiin kohdistuu rauta- ja teräsprosesseissa termisiä, kemiallisia ja mekaanisia rasituksia. Termisiä rasituksia aiheuttavat mm. korkea lämpötila ja rajut lämpötilanvaihtelut, joita vuorauksen on kestettävä hajoamatta. Vuorausmateriaaleina käytetään yleensä keraamisia oksidisia tai ei-oksidisia materiaaleja, joilla on korkea sulamislämpötila. Nykyään käytetään yleisesti myös oksidisen materiaalin ja hiilen yhdistelmää, kuten esim. hiili-magnesiayhdistelmää. Hiilen avulla parannetaan vuorauksen termomekaanisia ja kemiallisia ominaisuuksia.

Väärin

Hapan vuoraus SiO2 Al2O3 Sula

Emäksinen kuona Emäksinen vuoraus

Oikein

CaO MgO Sula

Kuva 24.1

Kuva 24.2 Senkan taustavuorauksen muurausta.

Tulenkestävien aineiden eri käyttömuotoja 1. Tiilet Tulenkestävinä aineina on perinteisesti käytetty yleisimmin tiiliä, mutta viime aikoina niiden osuus on jonkin verran vähentynyt ja vesijäähdytyksen sekä massauksen osuus on kasvanut. Kuvassa 24.2 näkyy tulenkestäviä tiiliä.

verrattuna tiiliin, kuten esim. asentamisen ja korjaamisen nopeus ja helppous, kilpailukykyinen hinta ja saumaton vuorausrakenne. Massoja voidaan myös käyttää vuorauksen korjaamiseen uunin ollessa kuumana. Massoja käytetään mm. senkkojen vuorausmateriaalina.

2. Massat Viime vuosikymmeninä massojen käyttö terästeollisuudessa on lisääntynyt merkittävästi. Nykyään niiden osuus on noin puolet Suomen terästeollisuudessa käytettävistä tulenkestävistä aineista. Massaus voidaan suorittaa valamalla, sullomalla, täryttämällä tai linkoamalla. Massojen käytöllä on useita etuja

3. Tulenkestävät eristysmateriaalit Uunien termistä hyötysuhdetta voidaan parantaa käyttämällä materiaaleja, joilla on hyvä eristyskyky. Niitä voidaan käyttää taustavuorauksina ja kulutuspinnalla. Kulutuspinnalla voidaan käyttää tulenkestäviä kevyttiiliä, eristystiiliä ja -massoja sekä keraamisia tulenkestäviä kui-

tuja. Niiden kemiallista ja mekaanista kulumiskestävyyttä voidaan parantaa erilaisilla pinnoitteilla. Tulenkestävien aineiden luokittelu Tulenkestäviin keraamisiin aineisiin luetaan kansainvälisen ISO 1109 -standardin mukaan tuotteet, joiden pehmenemislämpötila on vähintään 1 500 °C. Tulenkestäville eristysmateriaaleille vaatimus on vähintään 1 250 °C. Taulukossa 24.4 on esitetty ISO-tandardin mukainen tulenkestävien tuotteiden luokittelu kemiallisen koostumuksen perusteella. Emäksiset vuorausmateriaalit ovat vallanneet yhä enenevässä määrin alaa terästeollisuudessa.

Käyttöesimerkkejä Silika: • koksauspatteri • jatkuvavalukoneen jatketiilet Samotti: • masuunit • lämpökäsittely- ja teelmäuunit • kuoppauunit • taustavuoraukset Aloksi: • senkkojen ja jatkuvavalun välialtaan taustavuoraukset • masuuni • kuoppauunit • rikinpoistoaseman lanssi Korkea-aloksi: • terässenkat • valokaariuunin holvit • teelmäuunien arinat • kuoppauunit Magnesia: • valokaariuunit • terässenkat • happipuhallus- ja AOD-konvertterit • kalkkiuunit Magnesia-kromi: • sementtiuunit Kromi-magnesia: • valokaariuunin kuonarajan yläpuolinen osa • kuoppauunit Doloma: • valokaariuunit • happipuhallus- ja AOD-konvertterit • senkat

Kuva 24.3 Magnesia-hiilitiiliä. Tuoteryhmä

Pääoksidipitoisuus

Aloksituotteet Ryhmä 1 Ryhmä 2

Al2O3 ≥ 56 % 45 % ≤ Al2O3 < 56 %

Samottituotteet

30 % ≤ Al2O3 < 45 %

Happamet samottituotteet

10 % ≤ Al2O3 < 30 % SiO2 < 85 %

Semi-silikatuotteet

85 % ≤ SiO2 < 93 %

Silikatuotteet

SiO2 ≥ 93 %

Emäksiset tuotteet Magnesia Magnesia-kromi Kromi-magnesia Kromiitti Forsteriitti Doloma Erikoistuotteet

MgO ≥ 80 % 55 % ≤ MgO < 80 % 25 % ≤ MgO < 55 % Cr2O3 ≥ 25 % MgO < 25 % MgO, SiO2 CaO ≥ 36 %, MgO ≤ 60 % hiili, grafiitti, zirkonisilikaatti, zirkonioksidi, piikarbidi, muut karbidit, nitridit, boridit

Taulukko 24.4 Tulenkestävien tuotteiden luokittelu (ISO 1109).

Teräksen laadusta vastaa jokainen sen tekijä Laatujärjestelmä Nykyaikaisen terästeollisuusyrityksen yhtenä tavoitteena on tuottaa laadukkaita tuotteita ja muutenkin toimia laadukkaasti. Niinpä yrityksissä on koko sen toiminnan kattava laatujärjestelmä. Usein laatujärjestelmän lähtökohtana ovat teräksen käyttäjän eli asiakkaan tarpeet. Mm. autoteollisuus pyrkii liittämään ali-

hankkijansa ja siten myös teräksen toimittajat omiin laatujärjestelmiinsä. Yrityksen laatujärjestelmän ylimpänä ohjeena on laatupolitiikka, jossa johto lyhyesti määrittelee, kuinka laatuasioissa toimitaan. Laatupolitiikan periaatteita noudattaen on laadittu yrityksen tai yksikön, esim. tehtaan

laatukäsikirja, jolle taas menettelyja toimintaohjeet, työpistekohtaiset ohjeet sekä tuotteiden laadun suunnittelu, varmistus ja tarkastukset perustuvat. Laatujärjestelmiä säätelevät kansainväliset standardit, esimerkiksi ISO 9000.

Käsite ”laatu” voidaan jakaa osatekijöihin: • laatujohtaminen • laadun varmistus • laadun ohjaus • laadun valvonta • laadun tarkastus

Laatujohtaminen Yrityksen ja sen yksiköiden johdon on sitouduttava laatupolitiikkaan ja laatutoimintojen kehittämiseen. Laatujohtamisen oleellinen osa on

asiakkaan tarpeiden täyttäminen ja tyytyväisyyden varmistaminen. Laatujärjestelmästandardit edellyttävät mm. säännöllisiä toimia kuten katsel-

muksia ja tarkastuksia eli auditointeja. Näihin on varattava tarpeelliset voimavarat.

neen panostuksesta lähetyslappujen kiinnitykseen. Suunnitelma laaditaan asiakkaan tilauksen yhteydessä esittämien vaatimusten perusteella, joissa usein viitataan tuotestandardiin. Vaatimukset otetaan

huomioon kunkin tilauksen valmistus- ja tarkastusohjeissa. Kun kaikki koestus- ja tarkastustulokset on saatu, ne vielä tarkastetaan ja niiden perusteella tilaukselle annetaan lähetyslupa.

Laadun varmistus Laadun varmistus on organisoitu menettely, jolla taataan tuotteen vaatimustenmukaisuus. Ennen kuin terästuotteen valmistus aloitetaan, sille laaditaan laatusuunnitelma. Se kattaa jokaisen toiminnon raaka-ai-

Laadunohjaus Terästehtaan prosesseissa on luonnollisesti aina hajontaa. Prosessi voi joutua jopa epätasapainoon eli tuottaa epäkelpoa laatua. Laadunohjauksella näitä prosesseja mitataan

ja verrataan vaatimustasoon sekä säädetään niitä. Tavoitteena on pienin kustannuksin tuottaa asiakkaan vaatimaa ja toivomaa laatua.

Laadunvalvonta ja -tarkastus Laatuvirheet voitaisiin eliminoida romuttamalla virheelliset lopputuotteet. Tämä ei tietenkään ole mielekästä, vaan laatu on tehtävä tuotannossa. Tuotanto- ja kaikilla muillakin osastoilla on laatuvastuu. Niinpä terässulaa, aihioita, teelmiä, levyjä, nauhoja, tankoja ja lankoja on tarkastettava tuotannon eri vaiheissa. Teräksen analyysi varmistaa koostumuksen. Sen perusteella voidaan todentaa useita ominaisuuksia kuten hitsattavuus, karkenevuus tai muovattavuus. Tarkastustoimet voivat kohdistua mittoihin, pinnanlaatuun, leikkauspintoihin, merkkaukseen jne. Korjaavat toimet on tehtävä mahdollisimman varhaisessa vaiheessa ja vältettävä romutuksia. Valmiista tuotteesta otettu näyte testataan aineenkoetuskokein. Vetokokeella määritetään teräksen lujuus- ja sitkeysominaisuudet, iskusitkeyskokeella teräksen kyky vastustaa iskumaisia kuormituksia eri lämpötiloissa. Iskusitkeyskoe varmistaa myös teräksen hitsattavuuden. Tarkastus- ja koetustulokset kerätään yhteen ja tallennetaan. Niiden perusteella laaditaan asiakkaalle todistus, jonka sisältö vaihtelee teräksen käyttötarkoituksen mukaan. Tiettyihin kohteisiin kuten painelaitteisiin tai ydinvoimaloihin tarkoitettu materiaali edellyttää erikoisvalvontaa. Kokeet ja todistukset sekä tarkastuspöytäkirjat tehdään tällöin ulkopuolisen vastaanottotarkastajan läsnäollessa.

Kuva 25.1 Vetokoesauva on juuri murtunut. Murtokohdan ala- ja yläpuolella olevat anturit mittaavat venymää.

Vastuu laadusta Laadusta on vastuu jokaisella, ei ainoastaan johdolla tai laatuosastolla. Hyvää laatua kuvaavat erinomainen

palvelu, toimitusvarmuus, asiakkaan vaatimusten ja odotusten täyttäminen sekä kilpailukyvyn ylläpito.

Terästehtaan laatujärjestelmä

Laatupolitiikka

Laatukäsikirja

Menettely- ja toimintaohjeet

Tilauskohtaiset ohjeet

Tulosten taltiointi valmistus ja tarkastustiedot

Laadunvalvonta- ja aineenkoestustiedot

Kuva 25.2 Laatujärjestelmäpyramidi

Prosessiautomaatio Terästehtaan tuotanto on joukko prosesseja, joissa raaka-aineesta valmistetaan terästuote, joka toimitetaan asiakkaalle. Osa näistä prosesseista on jatkuvia kuten raudan valmistus masuunissa, langan valssaus ja nauhan sinkitys. Suurin osa on kuitenkin panosprosesseja kuten teräksen valmistus konvertterissa tai valokaariuunissa, lämpökäsittelyt ja putkien valmistus. Tuottavuuden ja laadun parantamiseksi on eri prosessivaiheita pyritty jatkuvasti automatisoimaan. Prosessiautomaatiolla tarkoitetaan tuotannon ohjausta ja säätöä tietokoneiden avulla. Nykyisin prosessiautomaation tehtäväkenttää on laajennettu yhä suuremmassa määrin myös prosessilaitteiden kunnonvalvontaan ja tuotteiden laadunvalvontaan sekä ulotettu koko raaka-aineiden hankintaketjuun ja vastaavasti tuotteiden toimitusketjuun tehtaalta asiakkaille.

Kuva 26.1 Valssaamon toimintoja

Automaation merkitys Alati kasvavat tuotevaatimukset ovat johtaneet tarpeeseen hallita prosesseja entistä tarkemmin. Itse asiassa nykyaikainen teräksen valmistus ei ole mahdollista ilman automaatiota.

Energian ja raaka-aineiden kulutusta sekä päästöjä on pystytty vähentämään automaation avulla. Automaatio antaa turvallisuuden varmistamiseen entistä paremmat mahdolli-

suudet, kun vaaralliset prosessit voidaan erottaa henkilöistä ja samalla parantaa laitteistojen ohjausta, valvontaa ja vikojen hallintaa.

Mittaus, säätö ja ohjaus Prosessiautomaation lähtökohta on mittaus, jonka kohde voi olla lämpötila, virtauksen nopeus ja määrä, kaasun koostumus tai teräksen kovuus. Mittauksen tulokset, jotka käsitellään prosessin ohjausjärjestelmässä, muunnetaan ohjauskäskyiksi, hälytyksiksi tai siirretään tie-

tovarastoon myöhemmin käsiteltäviksi. Prosessia voidaan säätää välittömästi ja automaattisesti tai käsin eli manuaalisesti, jolloin ihminen tekee päätöksen ohjauksesta. Tehtaan prosessiautomaation ja valmistuksenohjauksen tietojärjes-

telmien välinen tiedonsiirto tapahtuu sisäisen tietoliikenneverkon välityksellä. Mittaustuloksia tarvitaan usein myös tuotannon tilastollisessa seurannassa ja raportoinneissa sekä laadunohjauksessa ja laadunvalvonnassa.

Panosprosessi terästehtaassa Terästehtaan panosprosessi voidaan jakaa kuvassa esitetyn mallin mukaisesti seuraavanlaisiin päätoimintoihin. Tuotevaatimusten hallinnassa luodaan, muokataan ja tallennetaan yleisen tason sekä tuote- ja tilauskohtaisia vaatimuksia eli valmistus- ja tarkastusohjeita. Tilausten

käsittelyssä ja tuotannon suunnittelussa laaditaan tuotantosuunnitelmien, tuotantoresurssien ja tuotevaatimusten pohjalta aikataulut. Tuotantoinformaation hallintaan tallennetaan tietoja toteutuneesta tuotannosta. Prosessiyksikön kokonaisohjaus kattaa taas tuotevaatimuksen

toteutuksen, resurssien hallinnan ja tiedonkeruun kyseessä olevan prosessin osalta. Prosessin ohjaus sisältää prosessilaitekokonaisuuksiin liittyvät perusohjaukset, säädöt ja sekvenssit.

Tuotevaatimusten hallinta

Tilausten käsittely ja tuotannon suunnittelu

Tuotantoinformaation hallinta

Tuotannon hallinta

Prosessiyksikön kokonaisohjaus

Prosessin ohjaus

Kuinka prosessiautomaatiolla voidaan parantaa laatua ja tuottavuutta Jatkuvan valun kriittisiä vaiheita on aihion kuoren jähmettyminen kokillissa. Kokillin yläosaan syötetään sulaa ja alaosasta tulee aihio, jonka kuori on jähmettynyt, mutta sisäosa on vielä sulaa. Aihion edetessä sitä jäähdytetään voimakkaasti vesi-ilmasuihkuilla, niin että muutaman metrin päässä kokillin alapuolella se on kokonaan jähmeä. Useastakin eri syystä kuori voi tarttua kokillin seinämään. Jos tartuntaan ei reagoida riittävän nopeasti, kuori saattaa revetä ja sula pääsee valumaan syntyneestä puhkeamasta ulos. Tällaisen ns. läpijuoksun ai-

kaansaamat vahingot ovat yleensä mittavia. Joka tapauksessa kiinni tarttuminen aiheuttaa aihioon pintavian, joka on hiottava pois tai kyseinen aihio on romutettava. Ennen reaaliaikaisten puhkeamanestojärjestelmien kehittymistä varmin keino välttää puhkeamat oli valaa riittävän hitaasti. Tietokoneiden kehittymisen myötä on pystytty kehittämään jatkuvatoimiseen mittaukseen perustuvia puhkeamanestojärjestelmiä ja ne ovat osaltaan mahdollistaneet valunopeuksien noston.

Termoelementit

Termoelementit 1.

Lämpötila

Aika

Torniossa on kehitetty puhkeamanestojärjestelmä, joka tunnistaa tartunnat ja hidastaa automaattisesti valunopeutta, jotta tartunta irtoaa ja kuoreen syntynyt repeämä ehtii korjaantua ennen kokillista ulos tuloa. Menetelmä perustuu lämpötilan muutosten mittaamiseen. Valutapahtuma on niin nopea, ettei tarttumiin ehditä puuttua manuaalisesti, vaikka ne tunnistettaisiin. Järjestelmän käyttöönoton jälkeen tartunnoista aiheutuneet puhkeamat ovat vähentyneet kolmannekseen.

Lämpötila

Aika

Lämpötila Hälytys

Aika

Lämpötila

Aika

Valunopeutta hidastetaan

1. Normaali valutilanne. 2. Tartunta meniskuksessa, jolloin kuoreen syntyy repeämä. 3. Repeämä etenee ensimmäisen termoelementtirivi kohdalle, jolloin lämpötila lähtee nousemaan. 4. Repeämä on ohittanut ensimmäisen termoelementtirivin. Paikallaan pysyvä kuori kasvaa paksuutta, jolloin ensimmäisen rivin lämpötila lähtee laskemaan. Repeämä lähestyy toista riviä ja sen lämpötila lähtee nousemaan.

5. Repeämä on saavuttanut toisen rivin. Lämpötilat leikkaavat toisensa ja laukaisevat tartuntahälytyksen 6. Valunopeutta hidastetaan, tartunta irtoaa ja lämpötilat alkavat normalisoitua.

Kehitystoiminta ja tietotaito liiketoimintana Tekniikan yleisen edistymisen seurauksena teräksen ja terästuotteiden valmistustekniikka kehittyy jatkuvasti. Samoin muuttuvat terästä käyttävien asiakkaiden tarpeet. Teräksen valmistajien on kilpailukyvyn säilyttämiseksi koko ajan kehitettävä valmistusmenetelmiään sekä tuotteitaan. Tietotaitoa hyödynnetään myös tarjoamalla teknologiapalveluja.

Tuotekehitys Tuotekehityksellä pyritään joko olemassa olevan tuotteen laadun parantamiseen tai kokonaan uuden tuotteen kehittämiseen. Tuotekehityksen lähtökohtana on yleensä markkinoilla esiintyvä tarve. Mikäli tämä tarve voidaan tyydyttää parantamalla entistä tuotetta, päästään tulokseen usein melko nopeasti. Täysin uuden tuotteen kehittäminen saattaa sen sijaan kestää useita vuosia.

Kuva 27.1 Teräksen kylmänsieto-ominaisuuksien kehittäminen, hitsaustesti kylmässä.

Prosessinkehitys Tuotantokustannusten pienentämiseen sekä laadun parantamiseen pyritään kehittämällä valmistusprosessia. Tuotekehitys ja prosessinkehitys liittyvät usein läheisesti toisiinsa, sillä tuotantoprosessin kehittäminen johtaa usein myös tuotteen laadun parantamiseen. Prosessinkehityksen tavoitteena voi olla myös uuden prosessin luominen, jolloin

kehitysvaihetta usein edeltää perustutkimusvaihe. Ennen käyttöönottoa joudutaan uusi tuotantoprosessi usein kokeilemaan varta vasten rakennetussa koelaitoksessa. Tuote- ja prosessinkehityksessä on yhä painokkaammin otettava huomioon ympäristö. Prosessien muututtava energiatehokkaammiksi, pääs-

töt on minimoitava ja myös kehitettävä ratkaisuja, jossa terästuotteen elinkaaren aikainen ympäristöä kuormittava vaikutus on mahdollisimman vähäinen. Esimerkiksi rakentamalla ajoneuvo lujemmasta teräksestä siitä voidaan tehdä kevyempi, jolloin polttoaineen tarve on pienempi.

Prosessin- ja tuotekehityksestä uutta liiketoimintaa Metallinjalostuksessa toimivien yritysten sekä yliopistojen, korkeakoulujen ja tutkimuslaitosten kesken on vuosikymmeniä ollut maassamme tiivistä yhteistoimintaa. Tämä on johtanut rikastus- ja metallurgisten prosessien sovelluksiin teollisuuden tarpeisiin ja jopa uusien prosessien kehittämiseen. Esimerkkeinä mainittakoon sulfidimalmien liekkisulatus, Kemin runsaan, mutta pitoisuudeltaan köyhän kromiittimalmin valmistus ferrokromiksi ja Talvivaaran

100

nikkelimalmin rikastus biologisella menetelmällä. Prosessien kehitys ja niiden soveltaminen on luonut myös laitevalmistusta. Teknologian taidon lisääntyminen sai vähitellen yritykset tarjoamaan ratkaisuja ulkopuolisille. Kaikilla metallinjalostajilla on ollut omat osastonsa, jossa innovaatioista kehitettyjä ratkaisuja on tarjottu ja myyty.

Nykyisin metallinjalostuksen teknologian ja siihen liittyvien prosessien sekä laitteiden kehitys, valmistus ja myynti on eriytetty metallinjalostusyritysten varsinaisesta toiminnasta. Suurin alan suomalainen toimija on Outotec, jonka henkilöstön määrä on yli 4 800.

Teknologiatoimittaja tarjoaa elinkaaripalveluja Teknologiatoimittaja tarjoaa asiakkaalle nykyään yhä laajempia elinkaaripalveluja. Asiakkaaseen pyritään saamaan yhteys jo hankkeen alkuvaiheessa, ennen kuin varsinainen hanke on edes alkanut. Yhteydenotto voi tulla joko asiakkaalta tai teknologiatoimittaja saa tietoa eri informaatiolähteiden kautta. Keskusteluissa asiakkaan kanssa mietitään eri vaihtoehtoja ja pyritään löytämään ratkaisuja avoimiin kysymyksiin.

Hankkeen suunnitteluvaiheessa tyypillisiä selvitettäviä asioita ovat teknistieteelliset reunaehdot ja optimaaliset prosessivaihtoehdot. Prosessilaskennan, simuloinin ja mallinnuksen avulla tehdään tarvittavat tutkimussuunnitelmat, jotka varmennetaan laboratoriokokein tai isomman mittakaavan pilot-kokeilla. Kannattavuusselvityksessä tarkennetaan suunnitellun prosessin investointi- ja käyttökustannuksia.

• T&K-palvelut • Mallinnus ja simulointi Han kes • Testaus uu • Kannattavuustutkin mukset

• Tuotantolinjojen ja koneiden kunnostukset ja siirrot • Tuotannon alasajot n • Laitosten purut te nen s • Joutomaan to emi k käyttöönotto

Varsinaisessa suunnittelussa käsitellään enemmän yksityiskohtia ja tehdään tarvittaessa vielä prosessiin tarkennuksia. Seuraavassa vaiheessa siirrytään perussuunnitteluun, jossa määritellään aine- ja energiataseet sekä tarkennetaan edelleen investointi- ja käyttökustannuslaskelmia. Suunnittelua varten muodostetaan oma projektiorganisaatio ja sille nimitetään päällikkö.

lu tte ni

La su i l

Suunnitte hankinta lu ja

Käyttö ja o kunnossapit

• Varaosat • Määräaikaishuollot • Katselmukset • Tuotekehitys • Käyttö- ja huoltopalvelut • Seisokkihuollot • Laitteiden elinkaaren arvioinnit • Tuotannon optimointi, ajanmukaistaminen ja uudistaminen • Koulutus

Rak ja käy entaminen ttöönotto

• Prosessikehitys • Perussuunnittelu • Detaljisuunnittelu • Prosessi- ja tehdaslaitteiston hankinta • Käytettävyyden ja ylläpidon optimointi • Varaosat

• Rakennustyöt • Laiteasennukset • Käyttöönotto ja ylösajo • Koulutus

101

Asiakkaan kanssa käydään neuvotteluja koko vaiheen aikana. Hyvin usein perussuunnittelupakettiin sisältyy täydentäviä tutkimus- ja kehitystoimia. Perussuunnittelussa pyritään myös määrittämään, millaisia takuita asiakkaalle voidaan antaa. Perussuunnittelun jälkeen käytyjen neuvottelujen jälkeen siirrytään tarkempaan suunnittelu- ja hankintavaiheeseen. Detaljisuunnittelussa työmäärä kasvaa huomattavasti. Jokainen laite ositetaan ja suunnitellaan entistä tarkemmin sekä tehdään pohjapiirrossuunnitelmat. Tässä vaiheessa projekti saa aikataulun, joka sisältää mm. prosessi- ja tehdaslaitteistojen hankinnan ja alihankkijoiden kilpailutuksen. Oleellinen tekijä tässä vaiheessa on myös käytettävyyden ja ylläpidon optimointi sekä laitteistojen varaosahuollon suunnittelu. Suunnitteluvaihe voidaan tehdä yhteistyössä ulkopuolisten insinööritoimistojen kanssa, jolloin teknologiatoimittajan osuus voi olla teknologiapakettien suunnittelu ja toimitus. Teknologiatoimittaja voi myös tarjota avaimet käteen toimituksia, jolloin muut suunnittelutoimistot ovat alihankkijoita.

102

Suunnittelutyön valmistuttua aloitetaan varsinaiset rakennustyöt. Tässä vaiheessa myös toimittajan projektihenkilöstö osallistuu paikan päällä. Laiteasennusten myötä eri asiantuntijoita on entistä enemmän mukana paikalla toimivan projektipäällikön johdolla. Asiakkaan käyttöhenkilöstö koulutetaan prosessiin. Usein yhteistyössä toimittajan aikaisempien asiakkaiden kanssa järjestetään muilla tehtailla käytännönläheistä koulutusta. Laiteasennuksien jälkeen tehdään käyttöönottotestit sekä integroidaan instrumentoinnit ja automaatiojärjestelmät asiakkaan järjestelmiin. Laiteasennusten ja hyväksyttyjen käyttöönottotestien jälkeen todetaan koko prosessi valmiiksi. Aloitetaan käyttöönotto ja prosessin ylösajo. Toimittajan puolelta on paikalla laiteasiantuntijoita sekä prosessiasiantuntijoita, jotka yhdessä asiakkaan kanssa aloittavat tuotannon. Tämä tapahtuu vaiheittain ensin alhaisella kapasiteetilla. Näin varmistetaan eri yksikköprosessien toiminta sekä laitteiden yhteensopivuus ja toimivuus. Vähitellen kapasiteetti nostetaan suunnitellulle tasolle. Kun päästään täysimittaiseen, vakiintuneeseen tuotantoon, varmistetaan prosesin toimivuus takuuajoil-

la ja luovutetaan vastuu prosessista asiakkaalle. Toimittajan edustajia voi vielä tämänkin jälkeen olla läsnä asiantuntijan roolissa. Asiakkaan kanssa voidaan myös tehdä käyttö- ja kunnossapitosopimus. Se voi koskea varaosia, määräaikaishuoltoa tai voi olla myös pitkäaikainen palvelusopimus. Tällöin toimittaja ottaa enemmän vastuuta laitteistojen toimivuudesta, vastaa laitteiden elinkaaren arvioinneista, seisokkihuolloista ja joissakin tapauksissa jopa operoinnista. Toimiminen asiakkaan kanssa voi liittyä myös tutkimusyhteistyöhön erilaisten ongelmien ratkaisemiseksi. Yhteistyötä voidaan tehdä myös tuotannon optimoimiseksi, ajanmukaistamiseksi ja uudistamiseksi. Laitosten sulkemisvaiheessa teknologiatoimittaja voi olla mukana tuotannon alasajossa, tuotantolinjojen ja koneiden kunnostuksessa ja niiden siirrossa uuteen paikkaan. Myös laitoksen purkuun voidaan tarjota palvelua samoin kuin joutomaan käyttöönottoon. Kokonaisvaltaista elinkaaripalvelua tarjoamalla asiakasta autetaan myös saamaan investoinnistaan paras mahdollinen tuotto.

Kuva 27.2 Kuulamylly on pian valmis käynnistettäväksi. Ks. myös myllyn kaavakuva 3.5 s. 15.

103

Terästehtaan muut toiminnot Tuotantoosastojen lisäksi kuuluu terästehtaaseen monia tuotantoa palvelevia toimintoja kuten kunnossapito, kuljetus ja laboratoriot sekä hallinto ja markkinointi.

Kunnossapito Kunnossapidon tehtävänä on vastata koneiden ja laitteiden häiriöttömästä toiminnasta. Kunnossapito on sekä ennakkohuoltoa että kunnossapitokorjauksia. Ennakkohuol-

Laboratoriot Laadunohjaukseen, tuotekehitykseen ja ympäristön hallintaan liittyy paljon tiedon hankintaa raakaaineiden, tuotteiden ja päästöjen ominaisuuksista. Kemianlaboratoriossa määritetään aineiden kemiallinen koostumus joko kemiallisin tai fysikaalisin menetelmin. Aineenkoetuslaboratoriossa määritetään teräksen lujuus ja sitkeys kovuus, veto ja iskukokeilla. Mikrorakenteita tutkitaan valo- ja elektronimikroskoopeilla. Kuva 28.1 Metallimikroskoopilla tutkitaan mm. teräksen mikrorakennetta. Se on myös tärkeä väline vaurioanalyyseissä esimerkiksi halkeamien syiden selvittämisessä.

Kuva 28.2 Atomiabsorbtiospektrofotometrillä analysoidaan teräksen hivenalkuaineita.

104

lossa korvataan kuluneita osia ennakkosuunnitelman mukaisesti, jotta ne eivät vaurioituessaan aiheuttaisi seisokkia. Kunnossapitokorjauksella korjataan jo vaurioitunut koneenosa

vaihtamalla tilalle varaosa. Kunnossapito kohdistuu sekä mekaanisiin että sähkölaitteisiin.

Kuva 28.3 Terästehtaalla liikutellaan suuria materiaalimääriä. Valokaariuunin panostus aloitetaan kierrätysteräksen siirrolla panoskoriin. [Mantsinen Group]

Logistiikka Logistiikalla tarkoitetaan tietoja materiaalivirtojen hallintaa. Terästehtaan logistiikka voidaan jakaa tulologistiikkaan, tuotantologistiikkaan ja lähtölogistiikkaan. Terästehtaan raaka-ainevirrat ovat suuria. Hankintalähteitä on useita, jopa maapallon toisella puolella. Toisaalta joillakin terästehtailla osa raaka-aineista on saatavissa hyvinkin läheltä. Raaka-ainetta on oltava varastoituna tehtaalla tai sen välittömässä läheisyydessä häiriöttömän tuotannon turvaamiseksi. Terästehtaalla joudutaan tekemään runsaasti raskaita siirtoja ja kuljetuksia. Osa materiaaleista siirretään kuljettimilla, joita ovat rullaradat, nosturit ja nauhakuljettimet. Osa kuljetetaan kuormaautoilla, trukeilla ja junilla. Tehdashalleissa suoritetaan

kevyet kuljetukset usein trukeilla tai nostureilla. Asiakkaat eli teräksen käyttäjät vaativat hyvää palvelua. Sen lisäksi että tuoteominaisuuksien ja hinnan on oltava oikein, tuotteiden on oltava asiakkaiden käytettävissä oikea-aikaisesti ja määrältään oikein. Valtaosa Suomen terästeollisuuden asiakkaista ei ole lähimarkkinoilla. Oman haasteensa hyvälle asiakaspalvelulle antaa Suomen pohjoinen sijainti ja pääkuljetusväylät meritse. Terästuotteet ovat suhteellisen raskaita. Usein tarvitaan erikoiskalustoa siirtoihin ja kuljetuksiin. Tuotteet lähetetään tehtailta tavallisesti suurissa erissä ja jaetaan edelleen asiakkaittain ja tilauksittain eri markkina-alueilla.

Tyypillistä on, ettei kukaan halua pitää varastoja. Toimitusten asiakkaille on oltava täsmällisiä. Lisäksi on voitava reagoida nopeastikin asiakkaiden tarpeiden muutoksiin. Edellä kuvattu tilanne on usein johtanut siihen, että viimeiset tuotantovaiheet tehdään asiakkaan lähellä teräspalvelukeskuksissa. Tällaisia voivat olla esimerkiksi määrämittoihin leikkaus tai katkaisu ja leikkauspintojen työstö, arkitus tai hitsisauman viisteitys. Teräspalvelukeskukset varastoivat usein asiakkaalle esivalmistettuja tuotteita ja toimittavat ne oikea-aikaisesti, joskus jopa suoraan asiakkaan kokoonpanolinjalle.

Markkinointi Terästeollisuus toimii kilpailluilla markkinoilla. Markkinoinnin tehtävänä on myynnin lisäksi olla jatku-

vasti selvillä asiakkaiden tarpeista ja niiden muutoksista, tiedotettava uusista tuotteista ja toimitusmahdol-

lisuuksista ja tarjottava asiakkaalle apua ongelmien ratkaisussa.

Hallinto Henkilöstöhallinnon tehtävänä on oma työvoima, koulutus-, tiedotusja sosiaaliasioiden hoito.

Taloushallinto vastaa puolestaan mm. budjetoinnista ja eritasoisesta raportoinnista.

105

Terästeollisuus ja ympäristö Terästehdas on vuorovaikutuksessa ympäristöönsä. Vaikutukset voivat olla hyödyllisiä tai haitallisia. Ensinmainittuja ovat mm. rauta- ja teräsromun täydellinen kierrätys, energiatehokkaampien tuotteiden kehittäminen ja tuotannossa syntyvien jätteiden hyödyntäminen. Haittavaikutuksia ovat mm. päästöt ilmaan ja veteen, suurten ainemäärien käsittelystä aiheuva melu ja tarve liikennöidä raaka-aineiden ja valmiiden tuotteiden kuljetuksissa. Teräksen valmistus vaatii paljon energiaa. Sillä miten energia tuotetaan, on suuri merkitys mm. päästöihin. Ympäristöasioiden hyvä hoito on terästeollisuudelle tärkeää. Kaikki Suomen teräksentuottajat ovat sitoutuneet kestävän kehityksen periaatteiden noudattamiseen ja ympäristöasioiden hoidossa ollaan mieluummin edelläkävijöitä kuin seurailijoita. Metallien valmistuksella on vääjäämättä ympäristövaikutuksia. Se, millaiset vaikutukset ovat, riippuu paljon tavasta toimia vastuullisesti. Tuotannon päästöjen vähentämisen rinnalla yhä tärkeämmäksi on tullut tuotesuunnittelu, jolla voidaan oleellisesti vaikuttaa tuotteen elinkaaren-

aikaisiin ympäristövaikutuksiin. Tuotteita kehitetään asiakkaan kanssa yhteistyössä siten, että tuotteen käytön aikaiset ympäristövaikutukset pienenevät. Esimerkiksi teräslevyt asiakkaan käyttämiin mittoihin jo terästehtaalla leikattuina vähentävät kuljetuksia ja hukkamateriaalin syntymistä. Entistä lujemmilla teräslajeilla päästään kevyempiin rakenteisiin mm. kuljetusvälineissä ja sitä kautta pienempään polttoaineen kulutukseen ja päästöihin. Teräs on täysin kierrätettävä materiaali. Kierrätysterästä käytetään

Suomessa yli miljoona tonnia vuodessa ja koko maailman teräksen tuotannosta yli 40 % valmistetaan kierrätysteräksestä. Tuotantoprosesseja kehitetään yhä vähemmän raaka-aineita ja energiaa kuluttaviksi. Teräksen valmistuksen sivutuotteiden hyötykäyttöä pyritään jatkuvasti kasvattamaan. Esimerkkinä teräksen valmistukseen käytettävistä panoksista ja tuotoksista on sähkövalokaariprosessia käyttävän terästehtaan eli Imatran terästehtaan ekotase, kuva 29.1.

Terästehtaan ekotase - valokaariuuniprosessi Panos ja tuotos valmista terästonnia kohti

PÄÄSTÖT ILMAAN Hiilidioksidi CO2 230 Typen oksidit NOX 0,5 Pöly 0,2 Sinkki 2,5 Lyijy 0,2

kg kg kg g g

MELU Valokaariuunin jyrinää Panoksen valmistelun ääniä Tankojen kolahtelua

TUOTTEET Teräs 1000 kg

RAAKA-AINEET Kierrätysteräs 1100 kg Seosaineet 40 kg Koksi 10 kg Muut materiaalit ENERGIA Maakaasu 850 kWh Sähkö 870 kWh

Kuva 29.1. Terästehtaan ekotase.

106

PÄÄSTÖT VETEEN Kiintoaine 76 g Öljy 1,7 g Sinkki 2,3 g Lyijy 0,1 g

JÄTTEET Hyödynnettävä jäte 250 kg Kaatopaikkajäte 10 kg

Vuosituotanto 250 000 tonnia tankoterästuotteita

Päästöt veteen ja ilmaan Terästehtaat tarvitsevat prosesseissa käytettävien korkeiden lämpötilojen takia pääosin jäähdytystarkoituksiin suuria määriä vettä. Se kiertää suljetuissa putkistoissa likantumatta ja palautetaan sellaisenaan vesistöön. Osa vedestä käytetään kuitenkin avoimina suihkuina laitteistojen ja kuuman teräksen jäähdyttämiseen. Tämä vesi puhdistetaan ennen vesistöön laskemista tai uudelleen käyttöä. Puhdistamojen toimintaa ja päästöveden laatua seurataan säännöllisesti. Ilmansuojelu on toinen alue, johon terästeollisuudessa kiinnitetään suurta huomiota. Hiukkaspäästöt ovat tehtaiden yhteinen haaste. Monissa prosessivaiheissa poistuu kaasujen mukana hienojakoista pölyä ja se leviää ympäristöön, ellei käytetä tehokkaita puhdistuslaitteita. Pölystä pääosa on rautaoksidia, joka on peräisin malmista tai sulasta teräksestä, on sinänsä vaaraton

aine. Tämänkin pölyn talteenotto pyritään tekemään yhä tehokkaammin ja kierrättämään mahdollisuuksien mukaan, ks. s. 19 Briketointi. Kasvihuonekaasuista merkittävin on hiilidioksidi, muita ovat mm. metaani ja typpioksiduuli. Terästeollisuudessa syntyy hiilidioksidipäästöjä. Koko maailman kasvihuonekaasupäästöistä terästeollisuuden osuus on 3…4 %. Malmipohjaisen teräksentuotannon hiilidioksidipäästöistä 90 % on lähtöisin hiilipitoisista raaka-aineista. Teräksen valmistuksessa malmista masuuniprosessilla ei hiilen ja hiilivetyjen käytölle pelkistäjänä ole suurimittakaavaista taloudellista vaihtoehtoa. Myöskään ruostumattoman teräksen valmistuksessa tarvittavan ferrokromin valmistuksessa ei hiilen käytölle pelkistäjänä ole vaihtoehtoa. Hiilidioksidin kokonaispäästöt tuotettua terästonnia kohti ovat

suorassa suhteessa käytetyn hiiliraaka-aineen kanssa. Kuitenkin parantamispotentiaalia on. Teoriassa masuunissa hematiittirikasteesta tuotettua raakarautatonnia kohden hiilidioksidia syntyy 1 200 kg. Käytännössä nykyisten masuunien hiilidioksidipäästöt ovat suuruusluokkaa 1 650 kg/t raakarautaa olettaen, että masuunikaasu hyödynnetään. Valokaariuuniprosessissa hiilidioksidipäästöjä ei juuri synny, koska käytettävä raaka-aine eli kierrätysteräs on jo kertaalleen pelkistetty. Kuitenkin hiilidioksidipäästöjä saattaa aiheuttaa sulatukseen käytettävän sähköenergian tuottaminen, mikäli se on tehty polttamalla fossiilisia aineita. Suomen teräsyritykset ovat maailman kärkeä käytettyjen raaka-aineiden ja ominaispäästöjen alhaisuudessa.

Kierrätys Maailmassa vuosittain tuotettavan noin 1,6 miljardin terästonnin valmistukseen käytetään lähes 700 miljoonaa tonnia kierrätysterästä. Kierrätysteräksen talteenotto, keräys, varastointi sekä uudelleenkäyttö on järjestetty hyvin toimivaksi. Käyttämällä kierrätysterästä rautamalmin ohella säästetään huomattavasti raaka-aineita ja energiaa, ks. kuviota ”Panos tuotettua aihiotonnia kohti” ja ”Energian käyttö tuotettua aihiotonnia kohti” sivulla 44. Suomessa teräksestä valmistetuista käytöstä poistetuista tuotteista 94 % saadaan kiertoon terästeollisuuden raaka-aineeksi.

Kuva 29.2 Romuraaka-aineen käsittelyä magneettinostimella.

107

Energia Teräksen valmistus vaatii paljon energiaa. Sillä miten tämä energia tuotetaan, on vaikutusta päästöihin ja ympäristöön. Terästeollisuuden

yksi keskeisiä tavoitteita on energian käytön tehostaminen. Prosesseja ja laitteita kehitetään jatkuvasti tavoitteena entistä alhaisempi energi-

an tarve. Hyvänä esimerkkinä on Tornion ferrokromiprosessi, joka energiatehokkuudessaan on maailman huippua.

Tuotannon sivutuotteet ja niiden käyttö Teräksen valmistuksen sivutuotteita ovat esim. kuonat, valssihilse ja jätelämpö. Sivutuotteiden hyötykäyttöä on tehostettu laajoilla tutkimusohjelmilla. Parhaimmillaan sivutuotteita voidaankin hyödyntää yli 90-prosenttisesti. Terästehtaiden kuonia

käytetään maa- ja tierakentamisessa, sementin valmistuksessa ja maanparannusaineena. Kuonan käsittelyssä saadaan talteen myös metalleja, jotka palautetaan prosessiin. Suomessa kehitettyä kuonien käsittelyprosessia on myyty myös muihin

maihin. Jätelämmön talteenotto on järjestetty ja sen käytöllä ympäröivän yhdyskunnan kaukolämpönä on huomattava energiataloudellinen ja samalla ympäristömyötäinen merkitys esimerkiksi Raahelle.

Kuva 29.3 Kuonan käyttö parantaa tiepohjan kantavuutta.

Terästeollisuuden merkitys hiilidioksidipäästöjen alentamisessa Vaikka terästeollisuuden osuus koko maailman hiilidioksidipäästöistä on verraten pieni, 7%, on tärkeää, että maailman joka tapauksessa tarvitsema teräs tehdään pienimmin mahdollisin päästöin. Huono ratkaisu olisi, jos terästuotantoa siirrettäisiin edullisemman tuotantokustannusten maihin, mutta samalla laistettaisiin päästövelvoitteista. Teräksentuottajat ovat käynnistäneet laajoja kehitysprojekteja uusien teknologioiden kehittämiseksi. Tornion terästeh-

108

taan integroitu tuotanto merkitsee huomattavia vähennyksiä hiilidioksidipäästöihin, kuva 29.4. Ks. myös Vaihtoehtoiset teräksen valmistusmenetelmät, s 31. Pitkällä aikavälillä voidaan saada käyttöön läpimurtoteknologioita, jotka mahdollistavat merkittävän päästöjen vähenemisen, vaikka terästen käyttö ja tuotanto maailmassa kasvaa. Tällaisten teknologioiden kehittäminen ja laajasti käyttöön otto vie aikaa vuosikymmeniä. Kaiken aikaa kuitenkin tehdään

jatkuvaa parantamista päästöjen vähentämiseksi ja samanaikaisesti tuotekehitystä, jolla teräksen käytön aikaiset ympäristövaikutukset alenevat. Päivitettyjä metallien jalostus ja ympäristö -aiheisia kuvia löytyy Metallinjalostajien verkkosivulta, katso yhteystiedot kirjan Yritystiedot-osasta sivulta 110.

1,5 miljoonan tonnin ruostumattoman teräksen tuotannon hiilidioksisdipäästöt

Kaivos ja rikastus

FeCr:n tuotanto

Ruostumattoman teräksen tuotanto

Keskimääräinen eurooppalainen taso

Tornion terästehdas

3 milj. t CO2

1,3 milj. t CO2

Kuva 29.4 Ruostumattoman teräksen valmistuksen hiilidioksidipäästöt

Kuva 29.5 Konvertterien pölynpuhdistuslaitos. Huom! Laitos on toiminnassa.

109

Yritystiedot Outokumpu on ruostumattomien terästen markkinajohtaja maailmassa ja suurimpia ruostumattomien teräslevyjen ja nauhojen tuottajia. Sillä on tuotannollista toimintaa Suomessa, Saksassa, Ruotsissa, Iso-Britanniassa ja USA:ssa. Outokummun palveluksessa on yli 12 000 ammattilaista yli 30 maassa, joista Suomessa noin 2 400. www.outokumpu.com Pohjoismainen maailmanlaajuisesti toimiva teräsyhtiö SSAB syntyi Rautaruukin ja SSAB:n fuusiossa v. 2014. Se on nauha-, levy- ja putkituotteiden valmistaja. Sen päätuotantolaitokset ovat Ruotsissa, Suomessa ja Yhdysvalloissa ja se työllistää 17 300 henkilöä, joista noin 7 000 Suomessa. www.ssab.com

Ovako on Euroopan johtavia pitkien erikoisterästuotteiden valmistajia. Ovakon tuotteet ovat seostamattomia ja niukkaseosteisia teräksiä tankoina, putkina, renkaina ja puolivalmiina komponentteina. Tuotantoa on Suomessa, Ruotsissa, Hollannissa, Ranskassa ja Italiassa. Yhtiössä työskentelee 3 000 henkilöä, joista noin 600 Suomessa. www.ovako.com Outotec on maailman johtavia mineraalien- ja metallienjalostusteknologian toimittajia. Yritys tarjoaa myös ratkaisuja teollisuusvesien käsittelyyn ja energian tuotantoon. Outotec eriytyi Outokummun teknologiatoimialasta v. 2006. Outotec työllistää 4 800 henkilöä, sillä on toimipaikkoja 27 maassa ja laitos-, laite- ja palvelutoimituksia 80 maahan. www.outotec.com

Kustantaja, julkaisija ja tilaukset: Metallinjalostajat ry Eteläranta 10, 00130 Helsinki Puh. 09 192 31 http://metallinjalostajat.teknologiateollisuus.fi/ Metallinjalostajat-sivulta löydät myös Teräskirjan pohjalta laaditun terässanaston. Sanastoon on valittu n. 680 keskeistä alan sanaa: termin selitys suomeksi sekä käännökset ruotsiksi ja englanniksi. Teräskirjasta julkaistaan verkkoversio. Teräksen valmistusta ja valmistusprosesseja voi harjoitella internetissä osoitteessa www.steeluniversity.org ILSAP/ Steeluniversity on worldsteelin (World Steel Association) yhteistyössä Liverpoolin yliopiston MATTER-projektissa suunniteltu opiskelupaketti teräksen valmistuksesta. Aineistoa päivitetään jatkuvasti. Sivut ovat englanninkieliset.

110

Suomen ter채steollisuuden toimipaikat Kromikaivos ja ferrokromitehdas 1.Outokumpu

Kylm채valssaamot Kemi ja Tornio

Masuuni + happipuhalluskonvertteri 2. SSAB

Raahe

Valokaariuuni + AOD-konvertteri 1. Outokumpu - ruostumattomat aihiot

Tornio

Valokaariuuni 11. Ovako - aihiot

Imatra

Kuumavalssaamot 1. Outokumpu - ruostumaton levy ja nauha 2. SSAB - seostamaton ja niukkaseos teinen levy ja nauha 11. Ovako - tangot

1. Outokumpu - ruostumaton levy ja nauha 7. SSAB - seostamaton ja niukkaseos teinen levy ja nauha

Tornio H채meenlinna

Putkitehtaat 3.SSAB 4. SSAB 5. Outokumpu 6. SSAB 10. SSAB

Oulainen Siikalatva Pietarsaari H채meenlinna Lappohja

Tutkimuskeskukset 1. Outokumpu 2. SSAB 8. Outotec

Tornio Raahe Pori

Tornio Raahe

Imatra

2. 4. 3.

8. 7. 6.

11.

10.

111

Muistiinpanoja

112

Takakannen kuvassa on Francis-vesiturbiinin siipi. Tietoja valukappaleesta, ks. sivu 80.

Teräs on kiehtova materiaali. Sen tärkeimpiä ominaisuuksia ovat lujuus ja sitkeys. Siksi se on betonin jälkeen maailman yleisin käyttömateriaali, 1 600 miljoonaa tonnia vuodessa. Terästä on kaikkialla: ajoneuvot, rakenteet, kotitalouden laitteet ja koneet. Henkilöautossa on 65 % rautaa ja terästä. Teräs on myrkytöntä ja se on täysin kierrätettävää. 40 % maailman terästuotteista valmistetaan kierrätysteräksestä. Teräskirja kuvaa teräksen valmistusprosessin malmin louhinnasta terästuotteiden kuten levyjen, nauhan, tankojen, lankojen ja putkien valmistukseen. Lisäksi esitellään terästehtaan muita toimintoja, alan teknologiaosaamista ja selvitetään ympäristökysymyksiä.