Kaava joka ratkaisi liekkisulatuksen matematiikan

Tarinan koonnut Tuomo Särkikoski

Kupariyhtiö Outokummulla oli sodanjälkeisessä Suomessa tiukka paikka. Sen oli löydettävä 1940-luvun lopulla keino sulattaa rikkipitoinen sulfidimalminsa ilman siihenastista käyttövoimaa, sähköä.

Sähköön se oli päätynyt Vuokseen 1930-luvun taitteessa valmistuneen suuren vesivoimalaitoksen vedossa. Vuosikymmenen puolessavälissä Imatralla käynnistynyt kuparitehdas toimi edullisen vesisähkön varassa vuosikymmenen.

Tilanteen muutti sota ja sen ratkaiseva vuosi 1944.

Itärajan tuntumassa olevaa sulattoa ei voitu jättää alttiiksi mahdollisuudelle, että Neuvostoliitto vyöryisi rajan yli ja valtaisi maalle elintärkeät tuotantolaitokset. ”Suomen Ruhrissa” oli muitakin tehtaita.

Kesän 1944 suurhyökkäyksen äärellä, heinäkuun alussa, määräsi maan sodanjohto Outokummun siirtämään sulattonsa länteen. Uudeksi paikaksi oli valikoitu kangasmaasto Harjavallassa, Porin naapurissa. Siirto tapahtui välittömästi ja sulatus käynnistettiin pikavauhtia, puolessa vuodessa. Oli kiire, sillä kupari oli sotamateriaalia ja itse asiassa hyvin pian myös sotakorvausmateriaalia.

Maan sähköverkolla oli vielä paikallisia piirteitä ja siirto toi Outokummulle siitä juontuvia uusia paineita. Harjavallan sulatto söi Kokemäenjoen vesistön tuottamasta sähkövoimasta siivun – ”Helsingin kaupungin verran” – mitä ei katsottu alueen teollisuuspiireissä hyvällä. Sähköpula oli yltymässä koko maassakin ”krooniseksi”. Sähköä eivät käyttäneet ainoastaan yhä useammat teollisuuslaitokset vaan myös yhä useammat kansalaiset. Lämmityspatterit olivat halpoja ja niistä sai lämmön nopeasti.

Sähköpulan ahdistaman Outokummun oli pakko löytää uusi tapa kiisumalminsa sulatukselle.

Yhtiö alkoi vuonna 1946 tutkia autogeenista sulatusmenetelmää, jossa sulatuslämpö otettiin malmista itsestään, kiisun sisältämästä rikistä. Periaatteessa mahdollisuus tunnettiin, mutta missään sitä vielä ollut onnistuttu ratkaisemaan käytännössä.

Outokummun insinöörien teoreettiset lämpölaskelmat osoittivat heti, että malmirikasteessa oli riittävästi sulatuksen vaatimaa lämpöenergiaa. Mutta millaisella uunikonstruktiolla sulatus toteutettaisiin? Tämän päättely ja käyttökokemuksen hankinta oli innovaatiossa oma lukunsa.

Käytännössä hienojakoisen kiisurikasteen poltto perustui syntyvien savukaasujen sisältämän lämmön palauttamiseen prosessiin. Uuniin syötettävään rikasteen piti syttyä reaktiokuilussa heti ja korkea palamislämpötila oli saatava säilymään uunin lämpövuodoista huolimatta.

Vuonna 1947 Outokumpu varmisti menetelmän koeuunissaan ja samana vuonna se haki sille patenttia. Vuoden 1948 alussa yhtiö käynnisti ensimmäisen täyden mittakaavan liekkisulaton suunnittelun ja ilmoitti siirtyvänsä sen käyttöön saman vuoden lopussa. Tosiasiassa oltiin kuitenkin vielä tilanteessa, jossa onnistuminen oli hiuskarvan – lopulta yhden suureen – varassa.

Ongelma ei ollut niinkään itse sulatuksessa, sillä hienojakoinen rikastepöly leimahti ja leimusi liekkiuuniin syötettäessä miltei liiankin kiivaasti. Varsinaiset vaikeudet koettiin uunin loppupäässä, josta piti palauttaa lämpöä uunin alkupäähän. Savukaasu pääsi lämmönvaihtimiin liian kuumana. Sen mukana lensi liikaa sulia hiukkasia, jotka jähmettyivät palamisilman esilämmittimissä ja tukkivat sen ilmakanavat.

Koko hanke oli tämän takia vielä vuoden 1949 lopussa vaakalaudalla ja yhtiössä valmistauduttiin mahdollisuuteen, ettei autogeenista sulatusta onnistuttaisi viemään loppuun asti.

Miten siis laskea savukaasujen lämpötilaa ja saada sulat partikkelit jähmettymään ennen esilämmittimiä?

Tämän ongelman ratkaisuksi tuli säteilykattila, joka nimensä mukaisesti otti talteen rikkidioksidikaasujen sisältämän säteilylämmön. Kun se liitettiin vuonna 1951 liekkisulatusuunin laitteistoon, savukaasu saatiin jäähtymään riittävästi ja jähmettyneet hiukkaset voitiin ottaa kiinteinä talteen pölynerotuslaitteissa.

Säteilykattilan lämmönsiirtopintojen mitoituksen ja sen sopivuuden oli varmistanut se, että säteilylämmön teoreettiseen kaavaan

Qr = εfw x σ x A (Tf4 – Tw4) [kW]

oli löydetty puuttuva palanen.

Kaavassa, jossa muut suureet olivat

Qr = kaasun säteilylämpöenergia

σ = Stefanin-Boltzmanin vakio = 5,6697*10-8  W/m2K4

A = tehollinen lämmönsiirtopinta

Tf = kaasun lämpötila uunissa

Tw = lämmönsiirtopinnan lämpötila,

piti tietää rikkidioksidin (SO2) emissiviteetti εfw. Sitä Outokummun ja lämpöinsinööritoimiston Ekonon insinöörit joutuivat etsimään käsikirjoista kauan, suurennuslasilla. Lopulta se löytyi. Amerikkalaisen W.W. Coblentzin määrittelemä arvo oli peräisin vuosikymmenten takaa, vuodelta 1905.

Tutustu patenttikopioon!

Lähde:
Särkikoski, T., Tiedon liekki. Kuinka Outokumpu loi keksinnön ja teki siitä kulttuurin. Outokumpu Oyj ja Suomen tekniikan historian seura 1999.