Gabriel Borowski, Klaudiusz Lenik mog¹ stanowiæ surowiec do przetopu równorzêdnie ze z³omem stalowym. Wykorzystanie brykietów jako zamiennik z³omu jes

Transkrypt

1 Ochrona Œrodowiska i Zasobów Naturalnych nr 34, 2008 r. Gabriel Borowski*, Klaudiusz Lenik* WYKORZYSTANIE ODPADÓW SZLIFIERSKICH JAKO SUBSTYTUTU Z OMU STALOWEGO UTILIZATION OF GRINDING WASTES AS A SUBSTITUTE OF THE SCRAP METAL S³owa kluczowe: hutnictwo, odpady szlifierskie, brykiety. Keywords: metallurgy, grinding waste, briquettes. The paper presents the results of a study of utilization the metal wastes coming from the processing of bearing-balls. Fine-grained wastes formed into the briquettes may be recycled in the steel industry. A big contents of iron in the grinding wastes made possible to use it in the steelmaking furnaces, especially in the electrical arc furnace. A study chemical composition of melts and emission to atmosphere during the steelmaking process, the briquettes might be recycled together with the scrap metal, investigations concluded. 1. WPROWADZENIE W niniejszym opracowaniu przedstawiono wyniki badañ nad mo liwoœci¹ utylizacji odpadów powstaj¹cych podczas obróbki elementów ³o ysk tocznych. Powstaj¹ce py³y szlifierskie po brykietowaniu mog¹ znaleÿæ zastosowanie w procesach hutniczych. Du a zawartoœæ elaza w postaci metalicznej w py³ach szlifierskich predysponuje je do wykorzystania w procesie stalowniczym, szczególnie podczas wytapiania stali w elektrycznym piecu ³ukowym [Ziêba-Gliñska, Pogorza³ek, Zdonek 1991; Hryniewicz, Karbowniczek 2003]. Analizuj¹c sk³ad chemiczny wytopów oraz wartoœci emisji do atmosfery w procesie przetapiania, stwierdzono, e brykiety z odpadów szlifierskich * Dr in. Gabriel Borowski, prof. dr hab. in. Klaudiusz Lenik Politechnika Lubelska, Wydzia³ Podstaw Techniki, Katedra Podstaw Techniki, ul. Nadbystrzycka 38, Lublin. 173

2 Gabriel Borowski, Klaudiusz Lenik mog¹ stanowiæ surowiec do przetopu równorzêdnie ze z³omem stalowym. Wykorzystanie brykietów jako zamiennik z³omu jest zatem w pe³ni uzasadnione. 2. STANOWISKO BADAWCZE ORAZ METODYKA BADAÑ Badania przydatnoœci brykietów z odpadów szlifierskich w procesach hutniczych przeprowadzono wykorzystuj¹c dwa laboratoryjne stanowiska znajduj¹ce siê w Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie piec indukcyjny oraz jednoelektrodowy piec ³ukowy. Stanowiska wraz z uk³adem pomiarowym umo - liwi³y badanie sk³adu chemicznego kolejnych partii metali uzyskanych po roztopieniu wsadu zawieraj¹cego ró ne udzia³y z³omu stalowego i brykietów. Na rysunku 1 przedstawiono schemat jednoelektrodowego pieca ³ukowego, który okaza³ siê bardziej efektywny do przeprowadzenia zaplanowanych wytopów badawczych. Rys. 1. Schemat jednoelektrodowego pieca ³ukowego: 1 tygiel, 2 elektroda, 3 podstawa umo liwiaj¹ca doprowadzenie pr¹du do tygla, 4 - wózek z uchwytem elektrody, 5 doprowadzenie pr¹du do elektrody, 6 kolumna noœna, 7 - napêd œrubowy, 8 nakrêtka ci¹gn¹ca, 9 przek³adnia sto kowa, 10 - silnik napêdzaj¹cy z reduktorem obrotów, 11 uk³ad steruj¹cy, 12 uk³ad pomiarowy, 13 - transformator zasilaj¹cy Fig. 1. The scheme of the monoelectrode arc furance 174

3 Wykorzystanie Ochrona Œrodowiska odpadów szlifierskich i Zasobów jako Naturalnych substytutu nr z³omu 34, 2008 stalowego r. Proces roztapiania wsadu odbywa³ siê w specjalnie przygotowanym tyglu. Zastosowano tygiel grafitowy z umieszczon¹ w jego dnie p³ytk¹ molibdenow¹, umo liwiaj¹c¹ przep³yw pr¹du. Wewnêtrzna powierzchnia tygla pokryta by³a materia³em ogniotrwa³ym. Moc transformatora zasilaj¹cego piec ³ukowy wynosi³a 40 kva. Elektroda wêglowa mia³a œrednicê 40 mm. W pierwszej kolejnoœci przeprowadzono wytop badawczy w piecu indukcyjnym. Tygiel ze wsadem (stal St3S o masie 845 g) umieszczono wewn¹trz cewki indukcyjnej. Po za³¹czeniu napiêcia rozpoczêto proces nagrzewania i roztapiania wsadu. Wsad uleg³ roztopieniu po oko³o 14 minutach. Po uzyskaniu temperatury k¹pieli metalowej oko³o 1580 C dodawano porcjami brykiety z odpadów szlifierskich ³¹cznie dodano 1000 g brykietów. Roztapiaj¹ce siê brykiety powodowa³y intensywne pienienie tworz¹cej siê fazy u lowej (tlenkowej). W celu up³ynnienia fazy tlenkowej oraz zredukowania tlenków elaza do tygla dodano 100 g granulek aluminium. Po kilkudziesiêciu sekundach nast¹pi- ³o znaczne zmniejszenie intensywnoœci pienienia oraz up³ynnienie u la. Przyst¹piono do odlewania uzyskanej k¹pieli metalowej do wlewnicy eliwnej. Po zastygniêciu uzyskanej stali odciêto z niej próbkê w celu wykonania analizy sk³adu chemicznego. Kolejne wytopy badawcze przeprowadzono w piecu ³ukowym. W tyglu rozpoczynano roztapianie z³omu stali gatunku St3S. Jednoczeœnie podawano porcjami brykiety z odpadów szlifierskich. Po zakoñczeniu dodawania ca³ej zaplanowanej iloœci brykietów doprowadzano do ca³kowitego roztopienia wsadu oraz uzyskania temperatury oko³o 1580 C. W niektórych wytopach po roztopieniu wsadu wsypywano na powierzchniê cieczy 100 do 200 g granulek aluminiowych w celu up³ynnienia u la oraz zredukowania tlenków elaza zawartych w u lu. Nastêpnie przystêpowano do odlewania uzyskanej fazy ciek³ej do przygotowanej wlewnicy eliwnej. Z uzyskanej zakrzep³ej fazy metalicznej odcinano próbê metalu w celu wykonania analizy sk³adu chemicznego. 3. BADANIA U YTECZNOŒCI METALURGICZNEJ W celu zbadania u ytecznoœci metalurgicznej brykietów z odpadów szlifierskich wykonano jeden wytop badawczy w piecu indukcyjnym oraz piêæ wytopów w elektrycznym piecu ³ukowym. W tabeli 1 przedstawiono sk³ad chemiczny materia³ów stosowanych do przetopu w tabeli 2 zaœ przedstawiono sk³ad chemiczny uzyskanego metalu po przetopie badanych surowców w piecu indukcyjnym. Analizuj¹c przedstawione dane, stwierdzono znaczne zmniejszenie zawartoœci wszystkich utleniaj¹cych siê sk³adników k¹pieli metalowej. Wynika to 175

4 Gabriel Borowski, Klaudiusz Lenik Tabela 1. Sk³ad chemiczny z³omu stalowego (stal St3S) oraz brykietów z odpadów szlifierskich Table 1. Chemical composition of scrap (St3S) and briquettes made from grind wastes 0DWHULDá =DZDUWR ü & 0Q 6L 3 6 &U 1L &X $O 6WDO6W6 %U\NLHW\ Tabela 2. Sk³ad chemiczny wytopionego metalu po przetopieniu z³omu stalowego z brykietami w piecu indukcyjnym Table 2. Chemical composition of metal after the induction furnace smelting a scrap together with briquettes 0DWHULDá :\WRSLRQ\ PHWDO =DZDUWR ü & 0Q 6L 3 6 &U 1L &X $O ze stosunkowo d³ugiego czasu nagrzewania i roztapiania wsadu w otwartym piecu indukcyjnym. Kontakt wsadu z tlenem atmosferycznym powoduje utlenienie sk³adników takich, jak: wêgiel, mangan, krzem, fosfor, siarka i chrom. ¹cznie utleniona czêœæ metalu stanowi³a ponad 14% masy wsadu. W procesie roztapiania surowców w piecu indukcyjnym powsta³o oko³o 12% u la. Z powy szego wynika, e zastosowanie brykietów z odpadów szlifierskich jako czêœciowego zamiennika z³omu stalowego w piecu indukcyjnym jest mo - liwe z technologicznego punktu widzenia. Sk³ad chemiczny wytopionego metalu jest porównywalny do sk³adu chemicznego wytopu uzyskanego ze z³omu stalowego. Negatywnym efektem zastosowania brykietów jest zwiêkszenie iloœci u la w procesie oraz obserwowane w pocz¹tkowej fazie nagrzewania wsadu zwiêkszone wydzielanie dymów powstaj¹cych z rozk³adu zwi¹zków organicznych u ytych jako lepiszcze do tworzenia brykietów. Kolejne wytopy przeprowadzono w piecu ³ukowym, stosuj¹c ró ny udzia³ masowy z³omu stalowego (stali St3S) i brykietów (tab. 3). Sk³ad chemiczny kolejnych partii metali uzyskanych po przetopieniu surowców w piecu ³ukowym przedstawiono w tabeli 4. Z przedstawionych danych wynika, e zawartoœæ wêgla w fazie metalicznej po roztopieniu wsadu zwiêksza siê wraz ze zwiêkszeniem udzia³u brykietów. Zawartoœæ wêgla wynosi 0,65% przy udziale brykietów 16,7% oraz zwiêksza siê do 1,44% przy udziale brykietów wynosz¹cym 83,3%. 176

5 Wykorzystanie Ochrona Œrodowiska odpadów szlifierskich i Zasobów jako Naturalnych substytutu nr z³omu 34, 2008 stalowego r. Tabela 3. Udzia³y z³omu stalowego i brykietów w wytopach badawczych w piecu ³ukowym Table 3. Scrap and briquettes participation in the arc furnace melts 1UZ\WRSX 0DVD]áRPXVWDORZHJRJ 0DVDEU\NLHWyZJ 8G]LDáEU\NLHWyZ ZHZVDG]LH Tabela 4. Sk³ad chemiczny wytopionych metali po przetopie z³omu stalowego z brykietami w piecu ³ukowym Table 4. Chemical composition of metals after the arc furnace smelting a scrap together with briquettes 1UZ\WRSX =DZDUWR üslhuzldvwnyz & 0Q 6L 3 6 &U 1L &X $O Korzystna zawartoœæ wêgla we wsadzie podczas przemys³owego procesu stalowniczego jest zwi¹zana ze stosowan¹ technik¹ roztapiania. Przy przerobie z³omu niestopowego w piecach o du ej pojemnoœci stosuje siê zazwyczaj intensywn¹ technikê roztapiania z³omu, polegaj¹c¹ na wdmuchiwaniu do przestrzeni pieca m 3 tlenu gazowego w celu przyspieszenia roztapiania oraz spowodowania spienienia u la. Technologia taka wymaga obecnoœci we wsadzie odpowiedniej iloœci materia³ów wêglonoœnych. Zawarty w nich wêgiel utlenia siê egzotermicznie z wydzieleniem gazowego CO oraz jest reduktorem tlenków elaza tworz¹cych siê przy intensywnym wdmuchiwaniu tlenu. Z tego w³aœnie powodu zastosowanie brykietów z odpadów szlifierskich do wsadu pieca ³ukowego jest korzystne. Przyczyniaj¹c siê do zwiêkszenia zawartoœci wêgla we wsadzie, umo liwiaj¹ zmniejszenie iloœci zu ywanych materia³ów nawêglaj¹cych, które s¹ stosowane w praktyce przemys³owej. Zawartoœæ manganu w fazie metalicznej po roztopieniu wsadu zmniejsza siê wraz z udzia³em brykietów we wsadzie. Wynosi ona 0,34% przy udziale 177

6 Gabriel Borowski, Klaudiusz Lenik brykietów 16,7% oraz zmniejsza siê do 0,16% przy udziale brykietów wynosz¹cym 83,3%. Zawartoœæ manganu w brykietach jest zbli ona do zawartoœci w wiêkszoœci stali wêglowych. Analogiczne wyniki jak dla manganu uzyskano w odniesieniu do fosforu, siarki, chromu i niklu. Dodanie brykietów do pieca ³ukowego i przetopienie ³¹cznie ze z³omem nie spowoduje zatem niekorzystnych zmian w sk³adzie chemicznym wytworzonej stali w klasycznym procesie przemys³owym. 4. EMISJA SZKODLIWYCH SUBSTANCJI DO ATMOSFERY 4.1. ZAWARTOŒÆ SK ADNIKÓW UTLENIAJ CYCH I ZANIECZYSZCZEÑ OLEJOWYCH W BRYKIETACH Z ODPADÓW SZLIFIERSKICH Utylizacja odpadów szlifierskich w postaci brykietów dodawanych do wsadu przetapianego na stal w procesach metalurgicznych wi¹ e siê z okreœleniem: 1) zawartoœci substancji szkodliwych oraz zanieczyszczeñ olejowych w brykietach, 2) wartoœci emisji sk³adników lotnych podczas termicznego rozk³adu brykietów w warunkach zbli onych do procesu wytapiania stali w piecu ³ukowym. W tabeli 5 podano zawartoœæ zanieczyszczeñ olejowych oraz zawartoœæ sk³adników chemicznych w odpadach szlifierskich z obróbki elementów ³o ysk tocznych. Tabela 5. Sk³ad chemiczny odpadów szlifierskich Table 5. Chemical composition of metal grind wastes n.s. nie stwierdzono. =DZDUWR ü =DQLHF]\V]F]HQLD ROHMRZH )H & &U 6L $O 0Q &X =Q 1L 3E&G ± QV METALE CIÊ KIE Metale ciê kie (Cr, Mn, Cu, Zn, Pb, Cd) wprowadzane do k¹pieli metalowej wraz z brykietami s¹ dodatkami niekorzystnymi. W zale noœci od gatunku wytapianej stali zawartoœæ metali ciê kich mo e byæ regulowana mas¹ wprowadzanych do wsadu brykietów.

7 Wykorzystanie Ochrona Œrodowiska odpadów szlifierskich i Zasobów jako Naturalnych substytutu nr z³omu 34, 2008 stalowego r. Porównanie sk³adu chemicznego brykietów z wartoœciami okreœlonymi w normie dla stali na ³o yska toczne (PN-74/H-08041) pozwala stwierdziæ, e okreœlona analitycznie w brykietach zawartoœæ Cr, Mn, Ni i Cu mieœci siê w zakresie dopuszczalnym. Metale o wysokiej prê noœci parowania, rzêdu Pa (Sb, As, Bi, Pb, Sn, Zn, Cd, Al) mog¹ byæ usuwane w postaci py³ów z gazami odlotowymi, stanowi¹c sk³adnik niepo ¹dany ze wzglêdów ekologicznych. Przeprowadzona analiza sk³adu chemicznego brykietów z odpadów szlifierskich nie wykaza³a obecnoœci o³owiu i kadmu. Zawartoœæ cynku (0,09%) jest porównywalna z jego obecnoœci¹ w z³omie stalowym. Obecnoœæ ta nie powoduje zak³óceñ pracy pieca, jak równie nie powoduje zwiêkszenia emisji py³ów do atmosfery podczas wytopu. Analiza chemiczna wytopów metalowych wskazuje, e Al i Mn przechodz¹ czêœciowo do fazy metalicznej. Pozosta³a czêœæ przechodzi do fazy u lowej b¹dÿ jest usuwana w postaci py³u. Zawartoœæ chromu jest w wytopach mniejsza ni wprowadzona w brykietach. Pozosta³a czêœæ chromu pozostaje w fazie u lowej. W py³ach z instalacji odpylaj¹cych znajduj¹cych siê w krajowych elektrostalowniach wystêpuj¹ nastêpuj¹ce iloœci tlenków (%): CaO 5,50 25,00, SiO 2 5,80 11,70, MgO 5,00 16,50, Al 2 O 3 0,60 11,80, Fe 2 O 3 30,90 67,73, MnO 2,50 7,74, Cr 2 O 3 0,00 12,01, NiO 0,00 1,14, PbO 0,18 5,00, ZnO 0,97 14,00 [1]. W brykietach natomiast, stwierdzone zawartoœci tlenków Al 2 O 3 wynosi³y 0,79% oraz ZnO 0,11%. Wobec tego, jeœliby wsad pieca sk³ada³ siê w ca³oœci z brykietów, zawartoœci tych py³ów pozosta³yby na poziomie najmniejszym z mo liwych do uzyskania w praktyce. Wprowadzenie do procesu wytopu stali brykietów nie spowoduje zatem zwiêkszonej emisji metali uci¹ liwych ekologicznie WÊGLOWODORY Wêglowodory w brykietach pochodz¹ z zanieczyszczeñ olejowych (ok. 2%) oraz melasy wprowadzonej jako lepiszcze (ok. 8%). Przeprowadzona analiza chemiczna wêglowodorów w brykietach wskaza³a na obecnoœæ: 1) alkanów (parafin) C n H 2n %, 2) alkenów (olefin) C n H 2n %, 3) aromatów (arenów) %, 4) ywic ok. 2 %. Dodatek oleju oraz melasy nie posiada praktycznie adnego wp³ywu na emisjê ciê kich wêglowodorów z gazem odlotowym z pieca. Obecne w brykietach wêglowodory ulegaj¹ rozk³adowi w procesie wytopu stali. Analiza procesu pirolizy brykietów przeprowadzona w warunkach zbli onych do panuj¹cych podczas wytopu stali w piecu ³ukowym wskazuje, e podczas 179

8 Gabriel Borowski, Klaudiusz Lenik ogrzewania w temperaturze C nastêpuje wydzielenie czêœci wêglowodorów ulegaj¹cych spaleniu na powierzchni brykietów [S³upek, 1999]. Zjawisko takie wystêpuje w czasie 0,5 2,5 minuty od rozpoczêcia nagrzewania. W zakresie temperatur C nastêpuje wydzielanie niewielkich iloœci substancji smolistych (dym i sadza). Obserwowane zjawiska s¹ wynikiem rozk³adu obecnych w brykietach wêglowodorów na zwi¹zki proste, a w granicznych przypadkach na wêgiel i wodór. Analiza gazów pochodz¹cych z pirolitycznego rozk³adu brykietów [S³upek i in., 1999; S³upek, Buczek, Gie³ ecki 1999] wykaza³a nastêpuj¹c¹ jednostkow¹ emisjê: 1) metanu 0,4 dcm 3 /kg, 2) etanu 0,02 dcm 3 /kg, 3) etenu (etylenu) 0,13 dcm 3 /kg, 4) acetylenu iloœci œladowe. Ogólna emisja wêglowodorów wynosi ok. 0,55 dcm 3 na 1 kg brykietów. Nie stwierdzono w wydzielanych gazach obecnoœci wêglowodorów ciê kich, pomimo ich wystêpowania w brykietach wyjœciowych. Wynika st¹d, e wêglowodory zawarte w brykietach ulegaj¹ rozk³adowi na zwi¹zki proste oraz wêgiel i wodór, które z kolei ulegaj¹ spaleniu podczas wytopu. Wêglowodory obecne w brykietach nie maj¹ zatem wp³ywu zarówno na proces wytopu stali, jak i na emisjê do atmosfery SUBSTANCJE PY OTWÓRCZE Stwierdzona w odpadach obecnoœæ wêgla w iloœci ok. 3,3% nie stanowi problemu technologicznego i ekologicznego. Wêgiel obecny w brykietach mo e zostaæ czêœciowo zu yty do nawêglania wytapianej stali lub zostaæ wypalony i usuniêty z procesu w postaci tlenku wêgla. Wykazano [Petersen, Kahnwald 1973; Goksel, Coburn 1991], e tworzenie CO z wêgla w piecu ³ukowym zachodzi ju od temperatury 550 C, a wiêc du o ni szej ni temperatura wytopu stali. Oszacowana iloœæ tworz¹cego siê tlenku wêgla w procesie produkcji stali niskostopowych wynosi ok. 3 m 3 /tonê stali co odpowiada ok. 3 dcm 3 /kg. Okreœlona podczas badañ pirolitycznego rozk³adu brykietów [S³upek, Buczek, Gie³ ecki 1999] w obecnoœci powietrza maksymalna emisja tlenku wêgla wynosi ok. 1,1 dcm 3 /kg. Nawet przy zastosowaniu samych brykietów jako wsadu uzyskuje siê wartoœci du o mniejsze ni emisja standardowa. Zast¹pienie odpadowymi brykietami czêœci wsadu tradycyjnego nie zwiêkszy zatem emisji tlenku wêgla do atmosfery. Iloœæ py³u wytworzonego w wyniku dodania do wsadu brykietów pozostanie na sta³ym poziomie lub zostanie zmniejszona. Analiza chemiczna bry- 180

9 Wykorzystanie Ochrona Œrodowiska odpadów szlifierskich i Zasobów jako Naturalnych substytutu nr z³omu 34, 2008 stalowego r. kietów wykazuje, e w ich sk³adzie jest niewielka iloœæ pierwiastków py³otwórczych innych ni elazo, takich jak Ca oraz Si. Pierwiastki te w trakcie procesu roztapiania pozostaj¹ w u lu w postaci tlenków lub krzemianów. Pierwiastkiem, który mo e ulegaæ utlenieniu do fazy gazowej w postaci py³u jest elazo. Utlenianie elaza podczas wytopu stali zachodzi jednak e niezale nie od jego pochodzenia, st¹d wykorzystanie brykietów jako zamiennik z³omu jest w pe³ni uzasadnione. 5. WNIOSKI Na podstawie przeprowadzonych badañ dotycz¹cych mo liwoœci utylizacji odpadów szlifierskich sformu³owano nastêpuj¹ce wnioski: 1. Przetapianie przemys³owych odpadów szlifierskich w procesach stalowniczych stanowi korzystny sposób ich utylizacji. 2. Uzasadnione jest wykorzystanie drobnoziarnistych odpadów z obróbki elementów ³o ysk tocznych w stalowniczym piecu ³ukowym. 3. Odpady w postaci brykietów mo na stosowaæ jako substytut z³omu przetapianego na stal. 4. Sk³ad chemiczny uzyskanej frakcji metalowej jest zbli ony do sk³adu chemicznego stali uzyskanej w wyniku przetopienia samego z³omu. 5. Obecnoœæ zanieczyszczeñ olejowych i lepiszcza w brykietach nie powoduje zak³óceñ procesu wytopu oraz nie wp³ywa na zwiêkszenie emisji szkodliwych gazów i py³ów. PIŒMIENNICTWO GOKSEL A., COBURN J., KOHUT J Ironmaking Processing. HRYNIEWICZ M., KARBOWNICZEK M Badanie mo liwoœci zagêszczania i scalania drobnoziarnistych, zanieczyszczonych odpadów poszlifierskich przemys³u ³o yskowego dla potrzeb utylizacji. AGH, Kraków. PETERSEN K., KAHNWALD H Stahl u.eisen 20: 910. S UPEK S. 1999: Utylizacja py³ów i szlamów stalowniczych w procesie konwertorowym. AGH, Kraków. S UPEK S., BUCZEK A., GIE ECKI J Hutnik Wiadamoœci Hutnicze 5: 235. S UPEK S., SADOWSKI A., BUCZEK A., PASIERB J., BALAK Cz Materia³y VII Ogólnopolskiej Konferencji Naukowo-Technicznej Gospodarka cieplna i eksploatacja pieców przemys³owych. Poraj k. Czêstochowy: 281. ZIÊBA-GLIÑSKA M., POGORZA EK J., ZDONEK B Hutnik Wiadomoœci Hutnicze 10: