Kuonien rakenne ja tehtävät

Esitys aiheesta: "Kuonien rakenne ja tehtävät"— Esityksen transkriptio:

1 Kuonien rakenne ja tehtävät
Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2014 Teema 8 - Luento 1 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

2 Tavoite Oppia tuntemaan kuonien tehtävät pyrometallurgisissa prosesseissa Oppia tuntemaan silikaattipohjaisten kuonien rakennetta Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

3 Sisältö Mitä kuonat ovat? Kuonien tehtävät Kuonien rakenne
Molekyyliteoria Ioniteoria Silikaattipohjaisten kuonien rakenne Emäksiset ja happamat kuonakomponentit Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

4 Kuonat Kuonat ovat merkittävä osa lähes kaikkia pyrometallurgisia prosessivaiheita Yleensä oksidisia sulaseoksia, joissa SiO2 on usein enemmän tai vähemmän merkittävässä roolissa  Silikaattiset kuonasulat Voivat sisältää myös muita yhdisteitä kuten sulfideja Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

5 Mistä kuonat muodostuvat?
Panosmateriaalien epäpuhtaudet, jotka ovat hapettuneessa muodossa tai hapettuvat prosessoinnin aikana Prosessin oksidiset reaktiotuotteet Kuonanmuodostajat (CaO, MgO, SiO2) Koostumus halutulle alueelle Kuonanmuokkaajat kuten fluksit (CaF2) Tulenkestävät materiaalit Täysin synteettiset kuonat Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

6 Kuonien tehtävät Kuonien tehtävät vaihtelevat prosesseittain, mutta yleisesti niiden tehtävänä on: Koota metallifaasiin päätymättömät aineet yhteen faasiin, joka: on poistettavissa sujuvasti reaktorista (sula!) jähmettyessään muodostaa yhdisteitä, jotka ovat hyödynnettävissä muissa kohteissa tai ovat riittävän stabiileja loppusijoitettavaksi Suojata metallia hapettumiselta Toimia lämmöneristeenä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

7 Kuonan tehtävät masuunissa
Koota yhteen faasiin raaka-aineiden mukana tulevat aineet, joita ei haluta raakarautaan Malmin/rikasteen sivukivi Koksin tuhka Koostumuksen oltava sellainen, että kuona on sulaa masuunin alaosassa, jotta se voidaan laskea ulos masuunista Keskeistä kyky liuottaa esim. rikkiä ja alkaleja Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

8 Kuonan tehtävät konvertterissa
Koota yhteen faasiin mellotuksen hapetustuotteet (paitsi kaasumainen CO) Toimia lämmöneristeenä Koostumukselle asetettavia vaatimuksia: Oltava sula-alueella (ainakin lopuksi) Hapettunut rauta (ja ne teräkseen haluttavat aineet, jotka ovat hapettuneet mellotuksessa) tulisi saada pelkistettyä takaisin metalliin Ei kuluta vuorausta liikaa AOD-konvertterissa: Kromin pelkistys ja rikinpoisto Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

9 Kuonan tehtävät senkkakäsittelyissä
Suojata terästä atmosfäärin hapettavalta vaikutukselta (reoksidaatio) Toimia lämmöneristeenä Ottaa vastaan teräksestä nousevat sulkeumat Koostumukselle asetettavia vaatimuksia: Ei saa sisältää epästabiileja oksideja (FeO, MnO, tiettyyn rajaan asti myös SiO2), jotka syöttävät happea teräkseen Ei kuluta vuorausta liikaa Oltava sula-alueella (sulkeumien liukeneminen) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

10 Kuonan tehtävät kuparin liekkisulatuksessa
Koota yhteen faasiin raaka-aineiden mukana tulevat aineet, joita ei haluta kupariin Malmin/rikasteen sivukivi Kuparin valmistuksessa kuonaan haluttava komponentti on rauta, jonka oksidi (FeO) muodostaa liekkisulatusuunin kuonan yhdessä kuonanmuodostajana toimivan SiO2:n kanssa Koostumuksen oltava sellainen, että kuona on sulaa, jotta se voidaan laskea ulos Vältettävä Fe3O4:n muodostumista Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

11 Kuonien rakenne Sulien faasien rakenne on huonommin tunnettu kuin kiinteiden faasien Kuonien rakenteesta esitetty erilaisia teorioita Molekyyliteoria Ioniteoria Teorioiden oikeellisuutta voidaan testata esim. arvioimalla, miten hyvin kuonien ominaisuuksia on mahdollista selittää teorioiden avulla Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

12 Kuonien rakenteen tutkimusmenetelmät
Fysikaalisten ominaisuuksien määrittäminen kokeellisesti (päättely siitä, mikä rakenne selittäisi ominaisuudet) Erilaisten polymerisoituneiden yksiköiden erotus kromatografisesti XRD ja spektroskopiset menetelmät Rakenteeseen perustuvien termodyn. mallien kehittäminen (vastaavuus todellisuuteen) Molekyylidynamiikka-laskelmat Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

13 Kuonien rakenteen tutkimusmenetelmät
Lähde: Slag Atlas Kuonien rakenteen tutkimusmenetelmät Spektroskopiset menetelmät ovat tärkeä työkalu kuonien rakenteita tarkasteltaessa Tutkittavasta kohteesta vastaanotettavan säteilyn pohjalta tehtävät päätelmät aineen rakenteesta Raman-spektroskopiassa säteily näkyvän valon alueella, jolloin havainnointi helpompaa Kiteisillä materiaaleilla yleensä selkeät ’piikit’ analyyseissä Sulat (ja amorfisiksi jähmettyneet) näytteet eivät yhtä yksiselitteisiä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

14 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Lähde: Slag Atlas Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

15 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Lähde: Slag Atlas Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

16 Molekyyliteoria Kuona koostuu kemiallisista yhdisteistä
Oksidit, sulfidit, etc. Sopii kuonareaktioiden kaavamaiseen tulkintaan Esim. rikinpoistoreaktio: (CaO) + [S] = (CaS) + [O] Ei kuitenkaan kuvaa kaikkia kuonan ominaisuuksia Sähkönjohtokyky, viskositeetti, ... Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

17 Ioniteoria Kuona koostuu positiivisesti varautuneista kationeista ja negatiivisesti varautuneista anioneista Ei kaukojärjestystä (LRO, Long Range Order) kiinteiden ioniyhdisteiden tapaan Lähijärjestys (SRO, Short Range Order) kuitenkin säilyy Kuonien ominaisuudet on mahdollista selittää ioniteoriaan perustuen Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

18 SiO2:n rakenne Metallurgisissa kuonissa on usein merkittävänä komponenttina SiO2  Valitaan rakennetarkastelun puhdas silikaattisysteemi ja sen rakenne  Pohjaksi ortosilikaatti-ioni (SiO44-) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

19 SiO2:n rakenne Ortosilikaatti-ionitetraedrit muodostavat säännöllisen kolmiulotteisen verkkorakenteen Kiinteässä tilassa SRO ja LRO Materiaalin sulaessa verkkorakenteen LRO hajoaa, mutta SRO säilyy Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

20 Silikaattisen kuonan rakenne
Ortosilikaatti-ionien lisäksi kuonasulat sisältävät myös muita komponentteja Tietyt oksidit liukenevat kuonaan hajoten metallikationeiksi (Men+) ja happianioneiksi (O2-) Liuenneet metallikationit rikkovat piiatomeja yhdistäviä happisiltoja eli kahden SiO44- -tetraedrin yhteisiä nurkkia Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

21 Silikaattisen kuonan rakenne
Happisiltojen katkeamisen myötä silikaattinen verkkorakenne alkaa hajota Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

22 Silikaattisen kuonan rakenne
Metallikationien määrää kasvatettaessa vain yhteen piiatomiin sitoutuneiden happi-atomien (O-) määrä kasvaa: O0 on kahta pii-atomia yhdistävä happi (-Si-O-Si-) O- on vain yhteen pii-atomiin liittynyt happi O2- on vapaa (eli piihin kemiallisesti sitoutumaton) happi-ioni. Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

23 Silikaattisen kuonan rakenne
Kun kaikki happisillat ovat katkenneet, alkaa vapaiden happi-ionien (O2-) määrä kasvaa Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

24 Silikaattisten kuonien rakenne
Oksidisia kuonakomponentteja, jotka kuonaan liuetessaan katkovat ortosilikaatti-ionien välisiä happisiltoja, kutsutaan emäksisiksi kuonakomponenteiksi Vastaavasti oksidit, jotka kuonaan liuetessaan luovat uusia happisiltoja, ovat happamia kuonakomponentteja Oksidit, jotka kuonan koostumuksesta riippuen voivat toimia happamasti tai emäksisesti, ovat amfoteerisia Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

25 Emäksiset kuonakomponentit
Luovuttavat happi-ioneja kuonaan liuetessaan (samalla liukenee kationeja) FeO  (Fe2+) + (O2-) CaO  (Ca2+) + (O2-) MgO  (Mg2+) + (O2-) MnO  (Mn2+) + (O2-) Usein yhden tai kahdenarvoisten kationien muodostamia oksideja K, Na, Li, Ca, Mg, Fe, Mn, Pb, Zn, Cu Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

26 Happamat kuonakomponentit
Kuluttavat happi-ioneja kuonaan liuetessaan (muodostavat anioniassosiaatteja) SiO2 + 2 (O2-)  (SiO44-) P2O5 + 3 (O2-)  2 (PO43-) V2O5 + 3 (O2-)  2 (VO43-) Usein korkean hapetusasteen omaavien ja tetraedrisesti koordinoituneiden kationien muodostamia oksideja Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

27 Amfoteeriset kuonakomponentit
Käyttäytyvät emäksisesti (l. luovuttavat happi-ioneja) happamissa kuonissa (joissa vapaita happi-ioneja on vähän) Al2O3  2 (Al3+) + 3 (O2-) TiO2  (Ti4+) + 2 (O2-) Käyttäytyvät happamasti (l. sitovat happi-ioneja) emäksisissä kuonissa (joissa vapaita happi-ioneja on paljon) Al2O3 + 5 (O2-)  2 (AlO45-) TiO2 + 2 (O2-)  (TiO44-) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

28 Happamat ja emäksiset kuonakomponentit
HUOM! Oksidin emäksisyys/happamuus riippuu paitsi alkuaineesta, jonka kanssa happi muodostaa oksidin, myös ko. kationin hapetusasteesta Esim. kahdenarvoinen rauta on emäksinen, mutta kolmenarvoinen rauta on hapan Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

29 Happamat ja emäksiset kuonakomponentit
Kuonien emäksisyys (happamuus) ei ole sama asia kuin vesipohjaisten liuosten pH pH kuvaa (vesi)liuoksen H+-ionikonsentraatiota Emäksisyys kuvaa vapaiden happi-ionien määrää kuonassa Yhteys kuitenkin löytyy Emäksinen kuonakomponentti on emäksen emäsanhydridi ja hapan kuonakomponentti on hapon happoanhydridi Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

30 Emäs- ja happoanhydridit
Anhydridi on yhdiste, josta on poistettu vesi Emäsanhydridi on emäs, josta on poistettu vesi Happoanhydridi on happo, josta on poistettu vesi Ca(OH)2  CaO + H2O Ca(OH)2 on emäs CaO on emäksinen kuonakomponentti H4SiO4  SiO2 + 2 H2O H2SiO3  SiO2 + H2O H4SiO4 ja H2SiO3 ovat happoja SiO2 on hapan kuonakomponentti Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

31 Kuonan emäksisyys Vesiliuosten pH voidaan ilmoittaa mittaamalla liuosten vetyionikonsentraatioita Kuonien vapaiden happi-ionien määrää ei voida mitata suoraan Käytännössä kuonien emäksisyyttä kuvataan emäksisten ja happamien komponenttien suhteena Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

32 Kirjallisuudessa esitettyjä tapoja esittää kuonan emäksisyys
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014