28.10.2019

1

Oulun yliopisto

Muuttuva maailma ja globalisaatio

Ti 29.10.2019 klo 12-14 – TM105

Oulun yliopisto

Tavoitteet Tutustua prosessimetallurgian kehitystä

ohjaaviin tekijöihin sekä niiden taustalla

vaikuttaviin yleismaailmallisiin

kehityslinjoihin

Tutustua kurssin toteutus- ja suoritustapaan

28.10.2019

2

Oulun yliopisto

SisältöJohdanto

Yleismaailmalliset trendit

- Globalisaatio

- Kestävä kehitys

- Digitalisaatio

Prosessimetallurgian kehitystä ohjaavat tekijät

- Prosessit

- Tuotteet

- Raaka-aineet

- Energia

- Ympäristövaikutukset

”Metallien valmistus nyt ja tulevaisuudessa”

–kurssin toteutus ja suoritus

- Tavoitteet ja sisältö

- Aikataulu

- Suoritustapa

- Kurssiaineisto ja tiedotusSSAB:n terästehdas, Luulaja.

Kuva: Kaisa Heikkinen, 2019.

Oulun yliopisto

Opettajat Professori Timo Fabritius

- timo.fabritius@oulu.fi

- TF222

Dosentti Eetu-Pekka Heikkinen

- eetu.heikkinen@oulu.fi

- TF214

28.10.2019

3

Oulun yliopisto

Opettajat Professori Timo Fabritius

- timo.fabritius@oulu.fi

- TF222

Dosentti Eetu-Pekka Heikkinen

- eetu.heikkinen@oulu.fi

- TF214

Sekä joukko ”ulkopuolisia” asiantuntijoita

- Professori Jukka Kömi, Oulun yliopisto (materiaalitekniikka)

- Senior manager Simo Isokääntä, SSAB Merox

- Tohtorikoulutettava Tero Vuolio, Oulun yliopisto

(prosessimetallurgia)

- Head of research Matti Aula, Luxmet

- Juha Roininen, Sapotech

- Director Janne Tikka, Pöyry

- Chief Commercial Officer Janne Palosaari, Terrafame

- Prosessimetallurgian yksikön tutkijoita

Oulun yliopisto

Ympäristö-kuorma

Energia

Raaka-aineet

Tuotteet

Prosessit

Globalisaatio

Digitalisaatio

Kestävä

kehitys

Laatu

Uudet tuotteet

ja tuotekehitys

Saatavuus

Hinta

Energian-

tuotantotapa

CO2-päästöt

Kiinteät

jätteet

Päästöt

veteen Päästöt

ilmaan

Kilpailu

Lait ja

sopimukset

Rahoitus ja

investoinnit

Materiaali-

ja energia-

tehokkuus

Laatu ja

toiminta-

varmuus

Sekundääriset

raaka-aineet

Kehittyneet

ohjaus- ja

mittaus-

menetelmät

28.10.2019

4

Oulun yliopisto

Yleismaailmalliset trendit (1/3): Globalisaatio

Maailman yhtenäistyminen ja integraatio

- Valtioiden ja alueiden suurempi riippuvuus toisistaan

- Kansainvälisempi kauppa ja tavaroiden vapaa liikkuvuus

- Suurten monikansallisten sijoittajien merkityksen kasvu

- Kansallisvaltioiden merkityksen pieneneminen

- Viestintätekniikan kehittyminen ja nopeutuminen

- Kasvava kulttuurivaihto

- Kulttuurin monimuotoisuuden väheneminen

- Tapojen ja kulttuurien yhtenäistyminen

- Kielten yhtenäistyminen ja pienten kielten häviäminen

- Ylikansallisten organisaatioiden merkityksen kasvu

- Siirtolaisuuden ja maasta toiseen muuton määrän kasvu

- Maailmanlaajuisten rahamarkkinoiden kehittyminen

- Talouden yhtenäistyminen

- Standardien merkityksen kasvu ja kehittyminen

Vaatii pelisääntöjen yhtenäistämistä,

sopeutumista uuteen toimintaympäristöön, ...

Oulun yliopisto

Globalisaatio Vaikutuksia metallien valmistukseen

- Markkinoiden kansainvälistyminen

- Kilpailu: Tuotteet, raaka-aineet

- Yritysten yhdistyminen

- Kannattamattomien tuotantolaitosten sulkeminen

- Standardien yhtenäistyminen

- Kansainväliset sopimukset

- Tulli- ja vapaakauppasopimukset

- Päästörajoitukset ja muut ympäristösopimukset

- Tiedonsiirron nopeutuminen

- Kehitys yhä nopeampaa

- Erot eri alueiden välillä pienenevät

- Kaupungistuminen

- Rakentamisessa/infrastruktuurissa/jne. tarvittavat

metallituotteet ja niiden kysyntä

28.10.2019

5

Oulun yliopisto

Ympäristö ja ekologinen kestävyys

Talou-dellinen

kestävyys

Sosiaalinen ja

kulttuurinen kestävyys

Yleismaailmalliset trendit (2/3):Kestävä kehitys

Jatkuva ja ohjattu (Hallittu!)

yhteiskunnallinen muutos, jonka tavoitteena

turvata hyvät elämisen mahdollisuudet

nykyisille ja tuleville sukupolville

Kestävä kehitys pitää sisällään erilaisia osa-

alueita

- Ekologinen kestävyys

- Taloudellinen kestävyys

- Sosiaalinen ja kulttuurinen kestävyys

Miten kestävään kehitykseen pyritään?

Mitä eri osa-alueet pitävät sisällään?

Miten niitä arvioidaan?

Miten ne suhteutetaan toisiinsa?Oikeuden-

mukainen

MahdollinenSiedettävä

Kestävä

Oulun yliopisto

Kestävä kehitys YK:n kestävän kehityksen tavoitteet

- Miten näiden toteutumista pyritään edistämään?

http://www.un.org/sustainabledevelopment/sustainable-development-goals/

28.10.2019

6

Oulun yliopisto

Kestävä kehitys Ilmastonmuutos

- Kasvihuonekaasut (CO2) ja kasvihuoneilmiö

- Ilmaston lämpeneminen

- Ilmastollisten ääri-ilmiöiden voimistuminen

Ilmastonmuutoksen ehkäisy

- Keskeisessä roolissa CO2-päästöjen vähentäminen

- mm. kansainväliset päästöjä rajoittavat sopimukset

- Vaikutus metalliteollisuuteen

- Energialähteenä ja pelkistimenä käytetyn hiilen korvaaminen

- Vetypelkistys

- Sähkösulatus

- Pidemmän aikavälin muutoksia

- Lyhyemmällä aikavälillä

- Fossiilisen hiilen korvaaminen biohiilellä

- Materiaali- ja energiatehokkuuden parantaminen

- Suorien vaikutusten lisäksi epäsuorat vaikutukset

- Kuljetukset

- Energiantuotanto

- jne.

Oulun yliopisto

Kestävä kehitys Kiertotalous ja jätteen määrän vähentäminen

Kiertotalouden tavoitteet

- Ei negatiivisia ympäristövaikutuksia (jäte, päästöt)

- Tuotteiden, niiden osien ja materiaalien sekä niiden arvon

kierto niin pitkään kuin mahdollista

- Ei heikennyksiä kuluttajille

- Ei ylimääräisiä kustannuksia tuottajille

Periaatteena materiaalin ja sen arvon kierto

mahdollisimman pitkään

- Ylläpito ja korjaus > Uudelleenkäyttö > Kierrätys > Jäte

- Luonnonpääoman säilytys resurssien hallinnalla

- Yhden jäte on toisen raaka-aine

Toimenpiteet

- Säilytä ja ylläpidä jo valmistettua

- Suosi uusiutuvia resursseja/luonnovaroja

- Käytä jätteitä resursseina ja raaka-aineinaLähde:

Korhonen, Honkasalo & Seppälä: Ecological economics. 143(2018)37-46.

Sisemmät kierrot :

- vaativat vähemmän resursseja

- vaativat vähemmän energiaa

- ovat taloudellisesti kannattavampia

28.10.2019

7

Oulun yliopisto

Yleismaailmalliset trendit (3/3): Digitalisaatio

Neljäs teollinen vallankumous – Industry 4.0

- Älykkäät järjestelmät, IoT, robotiikka ja automaatio, big

data, 3D-tulostus, jne.

Kasvavaan digitalisaatioon ajavia tekijöitä

- Heikompilaatuiset raaka-aineet

- Tuottavuuden haasteet

- Taloudelliset hyödyt

- Kestävän kehityksen haasteet

- Pula osaavasta työvoimasta

- Kehittyvän teknologian luoma paine

Miten tämä näkyy metalliteollisuudessa?

- Kehittyneet ohjaus- ja mittausmenetelmät

- Lisääntynyt datan määrä, datan käsittelyn kehittyminen

- Kehittyneet ja kattavammat mallinnusmenetelmät

- Parantunut materiaali- ja energiatehokkuus sekä

ympäristöystävällisyysLähteet:

Heli Helaakosken esitys POHTOssa, 24.4.2019.

Mikael Jåfsin esitys POHTOssa, 25.4.2019.

Oulun yliopisto

Digitalisaatio Älykkäiden järjestelmien sovellusalueita

- Yrityksen toiminnassa

- Tuotanto

- Kuljetus ja logistiikka

- Johto ja hallinta

- Palveluissa ja sidosryhmillä

- Tuotteet

- Energian tuotanto ja energiajärjestelmät

Lähde:

Heli Helaakosken esitys POHTOssa, 24.4.2019.

28.10.2019

8

Oulun yliopisto

Prosessimetallurgian kehitystä ohjaavat tekijät (1/5):Prosessit

Prosessilähtöinen kehitystyö

- Materiaali- ja energiatehokkuus

- Taloudellinen hyöty

- Pienemmät negatiiviset ympäristövaikutukset

- Merkitys painottuu prosessiketjun alkupäässä

- Toimintavarmuus

- Korkea käyntiaste

- Turvallisuus

- Tasainen toiminta

- Tuotteiden laatu

- Merkitys painottuu prosessiketjun loppupäässä

Prosessikehitykseen ajavia tekijöitä

- Taloudellinen kilpailu

- Lainsäädäntö, sopimukset ja luvat

- Uudet ja kehittyvät käyttökohteet tuotteille

- Teknologinen kehitys

- Onnettomuuksien ja häiriötilanteiden määrän

vähentäminen

Oulun yliopisto

Prosessikehitys Esimerkki: Masuunin toiminnan parantaminen

raaka-aineen koostumuksen avulla

- Masuunin panosmateriaalin kaasunläpäisevyys heikkenee

merkittävästi materiaalin sulaessa

- Tavoitteena mahdollisimman malatalla (= korkeassa lämpötilassa)

ja pienellä alueella (= kapealla lämpötilavälillä) sulava raaka-aine

- Ns. hapan-pelleteissä sula muodostuu FeO-SiO2-systeemiin

- Sulamisalueen siirto korkeampiin lämpötiloihin siirtymällä

oliviinipelletteihin, joissa sulaminen MgO-FeO-SiO2-

systeemissä

28.10.2019

9

Oulun yliopisto

Prosessikehitys Esimerkki: Masuunin toiminnan parantaminen

raaka-aineen koostumuksen avulla

- Toteutettu yhteistyössä Oulun ja Kyushun yliopistojen kesken

Pellet pre-reduction (50-70 %) by

Blast furnace gas phase simulator

Softening experiments by

Cohesive zone simulator

Oulun yliopisto

Prosessimetallurgian kehitystä ohjaavat tekijät (2/5):Tuotteet

Tuotteisiin liittyvä kehitystyö

- Laatu

- Laadun varmistaminen ja tasalaatuisuus

- Laadun kehittäminen

- Uudet tuotteet ja tuotekehitys

- Edellyttää yleensä myös prosessikehitystä

- Tasainen ja korkealaatuinen tuotanto/toiminta

- Miten uudet tuotteet voidaan valmistaa?

Tuotekehitykseen ajavia tekijöitä

- Kilpailijat

- Uudet käyttökohteet

- Kilpailevat materiaalit

28.10.2019

10

Oulun yliopisto

Tuotekehitys prosessikehityksen taustalla

Esimerkki: Korkealujuusteräkset offshore-

sovelluksissa

- Kylmissä olosuhteissa käytettävissä offshore-sovelluksissa

teräksiltä vaaditaan korkeaa lujuutta ja sitkeyttä

- Haaste erityisesti hitsatuissa rakenteissa

- Muodostuu kovia/hauraita Ti- ja Nb-nitridejä, jotka heikentävät

teräksen ominaisuuksia

- Teräksen ominaisuuksien ja rakenteen hallinta edellyttää

teräksen koostumuksen tarkkaa hallintaa

- Prosessinhallinta, laatu ja toimintavarmuus

Lähde: H Tervo et al.: ”Detrimental effect of coarse titanium-niobium nitrides on the fracture

toughness of the CGHAZ in a 500 MPa offshore steel for cold climate conditions”. 10th

International Conference on Clean Steel. 18-20.9.2018. Budapest, Hungary

Oulun yliopisto

Prosessimetallurgian kehitystä ohjaavat tekijät (3/5):Raaka-aineet

Raaka-ainelähtöinen prosessien kehitystyö

- Prosessin soveltuvuus aiemmasta poikkeaville raaka-

aineille

- Joustavuus käyttää erilaisia raaka-aineita

- Tuotantotehokkuuden ja laadun varmistaminen samaan

aikaan

- Sisäinen ja ulkoinen kierrätys

Raaka-ainelähtöiseen kehitykseen ajavia

tekijöitä

- Raaka-aineiden saatavuus

- Raaka-aineiden laatu

- Talteenotettavan metallin pitoisuus

- Epäpuhtaudet ja niiden pitoisuudet

- Muut ominiasuudet

- Raaka-aineiden hinta

- Laadukkaiden raaka-aineiden hinnan nousu – vaihtoehtona

halvemmat materiaalit?

- Sekundääristen raaka-aineiden hyödyntäminen

28.10.2019

11

Oulun yliopisto

Raaka-aineet prosessikehityksen taustalla

Esimerkki: Fosforinpoiston merkitys

teräksen valmistuksessa korostuu

käytettäessä heikompilaatuisia raaka-aineita

raudan valmistuksessa

- Raakaraudan fosforipitoisuus kasvaa

- Esimerkkinä Hyundai Steelin Integroitu terästehdas

- BF – 5 x De-S – 5 x BOF – 2 x LF / 4 x RF – 5 x CC – H&CR

- Vaadittava P-taso teräslajista riippuen 0,008-0,025 %

- Raakaraudan P-taso noussut tasaisesti viimeisen

vuosikymmenen ajan

- Taustalla siirtyminen heikompiin rautamalmeihin

- Fosforinpoistoa parantavat

- Matala lämpötila ja korkea emäksisyys

- Siirrytty käyttämään kaksikuonapraktiikkaa:

Mellotus keskeytetään ja korkeafosforinen kuona

poistetaan välissä

Lähde: CO Lee et al.: ”Improvement of De-Phosphorus in BOF process”.

8th European Oxygen Steelmaking Conference EOSC2018. 10-

12.10.2018. Taranto, Italy.

Oulun yliopisto

Prosessimetallurgian kehitystä ohjaavat tekijät (4/5):Energia

Energialähtöinen prosessien kehitystyö

- Prosessin soveltuvuus erilaisille energialähteille

- Energian hyödyntämisen/talteenoton tehostaminen

- Kiertoprosessit

- Energialähteiden muut tehtävät prosessissa?

- esim. koksi masuunissa

Energialähtöiseen kehitykseen ajavia

tekijöitä

- Energian saatavuus ja riittävyys

- Energian hinta

- Pyrkimys vähemmän saastuttaviin energiamuotoihin

- Uusiutuvien energialähteiden riittävyys?

- Fossiiliset polttoaineet vs. ydinvoima?

- Jätteiden energiasisällön hyödyntäminen

28.10.2019

12

Oulun yliopisto

Energia(tehokkuus) prosessikehityksen taustalla

Esimerkki: Valokaariuunin kehittäminen

energiatehokkuuden parantamiseksi

Oulun yliopisto

Energia(tehokkuus) prosessikehityksen taustalla

Esimerkki: Kuparin liekkisulatusmenetelmän

kehittäminen (Outokumpu)

- Kuparin valmistuksen energiatehokkuuden parantaminen

hyödyntämällä rikasteen sisältämän rikin hapettumisessa

vapautuvaa lämpöä materiaalin sulatukseen

- Kilpailevia prosesseja ympäristöystävällisempi

- Paitsi energiatehokkuuden, myös jatkuvan ja tasaisen SO2-

kaasun muodostumisen vuoksi

- Jatkuvatoimisen prosessin SO2-kaasu voidaan hyödyntää

rikkihapon valmistuksessa

- Kaasun lämpö otetaan talteen ja hyödynnetään rikasteen

kuivauksessa

- Ensimmäinen LSU Harjavaltaan 1949

- Nykyisin suurin osa maailman kuparista valmistetaan LSU:lla

Kuvat: Tuomo Särkikoski: Tiedon liekki. & www.outotec.com

28.10.2019

13

Oulun yliopisto

Prosessimetallurgian kehitystä ohjaavat tekijät (5/5):Ympäristövaikutukset

Kehittämiskohteet ympäristölähtöisessä

prosessikehityksessä

- Päästöjen määrän ja haitallisuuden vähentäminen

- Ilmaan

- Veteen

- Kiinteiden jätteiden määrän ja haitallisuuden

vähentäminen

- Syntyvän jätteen määrän pienentäminen

- Jätteen ominaisuuksien ja koostumuksen muutokset

- Jätteiden tuotteistaminen

- Jätteiden hyödyntäminen

- Sekundääriset raaka-aineet

- Sisäinen ja ulkoinen kierrätys

- Energiasisällön hyödyntäminen

- Usein sidoksissa materiaali- ja energiatehokkuuden

kehittämiseen

Oulun yliopisto

Ympäristövaikutukset prosessikehityksen taustalla

Esimerkki: Hiilipelkistyksen CO2-päästöjen

vähentäminen

- 1. vaihe: Hiilen ominaiskulutuksen vähentäminen

- 2. vaihe: Koksin korvaaminen ei-koksatulla hiilellä

- Ei vähennä pelkistyksen päästöjä, mutta vähentää

koksauksen päästöjä

- 3. vaihe: Fossiilisen hiilen korvaaminen biohiilellä

- 4. vaihe: Hiilen korvaaminen vedyllä

Lähde:

R Fandrich: Steel Production in Europe and Germany – A Progress Report.

10th International conference on Clean Steel. Budapest, Hungary, 18 – 20. 9. 2018.

28.10.2019

14

Oulun yliopisto

Ympäristövaikutukset prosessikehityksen taustalla

Esimerkki: HYBRIT-projekti

- Tavoitteena hiiletön raudan-/teräksenvalmistus

- Raudan suorapelkistys vedyllä

- Sulatus valokaariuunissa

- Vedyn tuotanto uusiutuvia energialähteitä hyödyntäen

- SSAB, LKAB, Vattenfall

Lähteet:

M Åhman et al.: ”Hydrogen steelmaking for a low-carbon economy – A joint LU-SEI

working paper for the HYBRIT project”. EESS report no 109. SEI working paper

WP 2018-07. Stockholm Environment Institute & Lund University. 2018.

R Fandrich: ”Steel production in Europe and Germany – A progress report”. 10th

Int. Conf. on Clean Steel. Budapest, Hungary, 18-20.9.2018.

Oulun yliopisto

Kurssin toteutus ja suoritus

Tavoitteet

- Oppia arvioimaan, miten kansalliset ja yleismaailmalliset

kehitysnäkymät sekä globaalit megatrendit vaikuttavat

metallien valmistukseen nyt ja tulevaisuudessa

Sisältö

- Vaihtelee vuosittain keskittyen ajankohtaisiin aiheisiin

- Tänä vuonna käsiteltäviä aiheita

- Muuttuva maailma ja globalisaatio

- Kestävä kehitys

- Kiertotalous

- Ilmastonmuutoksen ehkäisy

- Digitalisaatio

- Resurssit ja energia

- Tutkimus ja kehitys

28.10.2019

15

Oulun yliopisto

Kurssin toteutus ja suoritus

Aikataulu

- Johdantoluennot tiistaisin klo 12-14

- Case-esittelyt perjantaisin klo 12-16

Teema Johdantoluento Case-esittely Vierailevat opettajat

1. Muuttuva maailma ja

globalisaatio

Ti 29.10. klo 12-14

TM105

Pe 8.11. klo 12-16

TM105

Jukko Kömi

2. Kestävä kehitys –

Kiertotalous

Ti 12.11. klo 12-14

TM105

Pe 15.11. klo 12-16

TM105

Simo Isokääntä

3. Digitalisaatio Ti 19.11. klo 12-14

TM105

Pe 22.11. klo 12-16

TM105

Matti Aula

Juha Roininen

4. Kestävä kehitys –

Ilmastonmuutos

Ti 26.11. klo 12-14

TM105

Pe 29.11. klo 12-16

TM105

Janne Tikka

5. Resurssit ja energia Ti 10.12. klo 12-14

TM105

Pe 13.12. klo 12-16

TM105

Janne Palosaari

6. Tutkimus ja kehitys Ti 17.12. klo 12-14

TM105

Pe 20.12. klo 12-16

TM105

Prosessimetallurgian

yksikön tutkijat

HUOM! Pe 1.11., Ti 5.11., Ti 3.12. ja Pe 6.12. EI OLE luentoja!

Oulun yliopisto

Kurssin toteutus ja suoritus

Suoritustapa ja arviointi

- Suoritus oppimispäiväkirjalla, joka koostuu vähintään

kahdesta osasta:

- Essee/raportti: Miten metallia X valmistetaan vuonna 2039?

- Valitse yksi metalli tai metallituote

- Tutustu ko. metallin nykyiseen valmistukseen

- Arvioi valmistukseen nyt/tulevaisuudessa vaikuttavia tekijöitä:

esim. raaka-aineiden ja energian saatavuus/hinnat; lait,

sopimukset ja rajoitukset; tarve ja markkinat sekä ympäristö

- Miten metallia valmistetaan 20 vuoden kuluttua?

- Ei yhtä oikeaa vastausta, mutta oltava perusteltu

- Edellyttää itsenäistä aineiston hakua

- Lyhyet yhteenvedot kurssin teemoista (yht. 6 kpl) sisältäen:

- Kuvaus valmistautumisesta perjantain case-luentoihin: esim.

valmiiksi mietittyjä kysymyksiä vieraileville opettajille

- Referaatti perjantain esityksestä/esityksistä

- Pohdinta mitä kyseisestä teemasta on oppinut

- Ei varsinaisesti läsnäolopakkoa, mutta perjantain luennoille

osallistuminen on erittäin suositeltavaa

- Mikäli et pääse paikalle perjantain luennoille, niin ota

yhteyttä opettajiin ja sovi korvaavista tehtävistä

- Muut itse tärkeiksi koetut osiot

- Arvosanan korotus/rästisuoritus erikseen sovittavalla

tehtävällä vuoden 2020 puolella

1/3 arvosanasta

2/3 arvosanasta

Voi korottaa arvosanaa

28.10.2019

16

Oulun yliopisto

Kurssin toteutus ja suoritus

Kurssiaineisto ja tiedotus

- Ensisijaisesti kurssin www-sivujen kautta:

http//www.oulu.fi/pyomet/477420s/

- Mahdollisista muutoksista tiedotetaan myös mailitse

WebOodin kautta kurssille ilmoittautuneille opiskelijoille

- Kaikki johdantoluentoaineistot tulevat www-sivuille

- Vierailevien opettajien aineistot niiltä osin kuin ne

luovutetaan opetuskäyttöön

- Kurssisivulta löytyvät

- Luentojen aikataulut ja sisällöt

- Suoritusohje

- Pisteet (kun tehtävät on tarkistettu)

- Aineistot

Oulun yliopisto

Yhteenveto Metallien valmistuksen tilaa nyt ja

tulevaisuudessa arviotaessa keskeisessä

roolissa on metallurgisten prosessien kehitys

Kehityksen lähtökohtana ovat

- Itse prosessi

- Raaka-aineet

- Tuotteet

- Energia

- Ympäristövaikutukset

Näiden taustalla vaikuttavat

yleismaailmalliset muutokset

- Globalisaatio

- Digitalisaatio

- Pyrkimys kestävään kehitykseen

“My interest is in the future

because I am going to spend the rest of my life there.”

Charles Franklin Kettering (1876 – 1958)