1. Mitä tietämyspuutteita on korjattava, jotta vetyruiskutus voidaan ottaa käyttöön masuunissa käytännössä?

Masuuniprosessin monimutkaisuus ja fysikaalis-kemiallisia ja mekaanisia prosesseja koskevien tietojen vähäisyys estävät teknologisten vaikutusten tarkan ennustamisen. Tutkimuksessani selvitetään vetyruiskutuksen mallintamisen herkkyyttä tutkijoiden yleisesti käyttämien oletusten epävarmuustekijöille. Joissakin tieteellisessä kirjallisuudessa esiintyvissä malleissa oletuksia on enemmän kuin käytännön tietoja, mikä heikentää ennusteiden pätevyyttä.

Toistaiseksi teollisten masuunien vetyruiskutuskokeet ovat olleet laajuudeltaan rajallisia, eivätkä ne ole tuottaneet täydellistä ymmärrystä vaikutuksista. Japanissa sijaitsevassa kokeellisessa masuunissa hiljattain tehdyissä kokeissa saatiin tietoa keskeisistä tekijöistä, kuten vesikaasun siirtymäreaktion tasapainosta, vedyn ja hiilimonoksidin käyttösuhteista sekä pystysuorista ja säteittäisistä lämpötilamalleista.

Pienestä mittakaavastaan huolimatta (noin 1/300 keskimääräisen nykyaikaisen masuunin tilavuudesta) kokeet ovat olennaisen tärkeitä, jotta mallintamiseen liittyvät epävarmuustekijät voidaan poistaa ja vetyinjektio saadaan lähemmäksi käytännön käyttöönottoa.

2. Mitä taloudellisia vaikutuksia vetyruiskutuksen käyttöönotolla on erityisesti käyttökustannuksiin ja mahdollisiin hiilihyvityksiin?

Vety voi vähentää koksin käyttöä jopa 20 prosenttia, mikä johtaa alhaisempiin polttoainekustannuksiin ja parempaan hyötysuhteeseen. Vaikka vedyn tuotantoon on investoitava, pitkän aikavälin säästöt hiilen käytössä ja koksinvalmistuskapasiteetin väheneminen voivat oikeuttaa nämä kustannukset. Vetyruiskutus parantaa myös masuunin tuottavuutta, mikä lisää yleistä kustannustehokkuutta.

Lisäksi vetyruiskutus vähentää_{hiilidioksidipäästöjä}, minkä ansiosta yritykset voivat saada hiilidioksidipäästöhyvityksiä päästökauppajärjestelmistä, mikä kompensoi kustannuksia. Esimerkiksi 20 prosenttia pienemmän koksin käyttö vähentää päästöjä satoja kiloja terästonnia kohti, mikä tukee kestävän kehityksen tavoitteita ja parantaa yritysten mainetta.

Varhaiset omaksujat voivat saada kilpailuetua hiilidioksidipäästöjen vähentämiseen kohdistuvien kasvavien paineiden keskellä houkuttelemalla ympäristötietoisia asiakkaita ja hyötymällä sääntelykannustimista. Tämä voi kasvattaa markkinaosuutta ja brändiuskollisuutta sekä tarjota huomattavia pitkän aikavälin taloudellisia etuja.

3. Millaisia käytännön haasteita teräksen tuottajat saattavat kohdata skaalatessaan vetyruiskutusta masuuneissa kokeilutasolta täysimittaiseen toimintaan?

Optimaalisten ruiskutusparametrien - masuunilämpötilan, happirikastuksen ja vedynkulutuksen - määrittäminen on ratkaisevan tärkeää vetyruiskutuksen skaalaamiseksi. Nämä tekijät vaikuttavat juoksukäytävän adiabaattisen liekin lämpötilaan, bosh-kaasun nopeuteen ja huippukaasun nopeuteen, jotka kaikki vaikuttavat lämmön- ja aineensiirtokuvioihin masuunissa.

Komplikaatioita pahentaa se, että vetyruiskutus tapahtuu samaan aikaan kuin jauhetun hiilen ruiskutus, mikä vaikuttaa haitallisesti hiilen palamiseen juoksuputkessa. Lisäksi kun vety sekoittuu tuyerista poistuvaan kuumaan, happirikkaaseen ilmaan, se hapettuu vesihöyryksi ja vapauttaa huomattavia määriä lämpöä.

Syvemmällä tulisijaan vesihöyry muuttuu vedyksi reagoimalla koksin kanssa, mikä kuluttaa lämpöä. Tämä voi johtaa reuna-alueiden ylikuumenemiseen ja tulenkestävien materiaalien hajoamiseen, kun taas keskellä tapahtuva jäähdytys voi deaktivoida deadmanin (koksimassan keskellä tulisijaa) ja vaikuttaa siten haitallisesti uunin vakaaseen toimintaan.

4. Mitä turvallisuus- ja teknologisia riskejä liittyy vetyruiskutusnopeuden lisäämiseen nykyisissä uunimalleissa?

Vety on erittäin helposti syttyvää ja voi muodostaa räjähtäviä seoksia ilman kanssa, mikä lisää syttymisriskiä erityisesti jakelujärjestelmän vuotojen yhteydessä. Se voi aiheuttaa haurastumista metalleissa, mikä johtaa rakenteellisiin vioittumisiin, jos materiaaleja ei ole suunniteltu vetyaltistusta varten. Investoinnit kehittyneisiin seurantajärjestelmiin, kuten kehittyneisiin antureihin ja analytiikkaan, ovat siksi olennaisen tärkeitä vuotojen havaitsemiseksi ja turvallisuuden varmistamiseksi.

Myös teknisiä kysymyksiä voi ilmetä. Aikaisemmin mainitsemassani japanilaisessa kokeellisessa masuunissa intensiivinen vetyinjektio, jossa happirikaste oli erittäin suuri, laski pintakaasun lämpötilan kastepisteen alapuolelle, mikä saattoi pitkittää taakan kuivausprosessia. Tämä pienentää uunin tehollista korkeutta ja aiheuttaa veden tiivistymistä sekä märkien pölyhiukkasten kertymistä kaasunpuhdistukseen.

Turvallisuus- ja teknologiariskien käsitteleminen perusteellisilla arvioinneilla, suunnittelulla ja turvatoimenpiteillä on ratkaisevan tärkeää.

5. Miten teräksentuottajat voivat tehdä yhteistyötä mallinnusparametrien standardoimiseksi ja tutkimustulosten eroavaisuuksien vähentämiseksi?

Masuunissa tapahtuva raudanvalmistus on erittäin monimutkainen teknologia, jolle on ominaista lukuisat palautemekanismit, joissa otetaan huomioon käyttäjän virheet ja raaka-aineen vaihtelu. Monet masuuniteoriaa ja -käytäntöä koskevat kriittiset kysymykset ovat edelleen ratkaisematta vuosikymmeniä kestäneen tutkimuksen jälkeen.

Eri tutkimusryhmät kehittävät usein omia mallejaan, jotka perustuvat tiettyihin teollisuuden vertailuarvoihin, mikä johtaa merkittäviin eroavaisuuksiin menetelmissä. Lisäksi teolliset kokeet ovat kalliita, ja tiedot masuunien todellisista olosuhteista ovat usein niukkoja ja ristiriitaisia.

Tutkimusryhmien ja teollisuuden sidosryhmien välinen yhteistyö on siksi olennaisen tärkeää luotettavan tietokannan luomiseksi. Uusilla laskentatekniikoilla ja data-analytiikalla, tekoäly mukaan luettuna, voi olla keskeinen rooli mallinnusparametrien standardoinnissa. Tämä voi viime kädessä vähentää tutkimustulosten eroavaisuuksia ja parantaa raudanvalmistuksen kokonaistehokkuutta masuunissa.

Lue lisää tutkimuksesta Steel Research International -lehdessä julkaistusta artikkelista.