PRELUCRAREA ŞI VALORIFICAREA DEŞEURILOR FEROASE 1. Condiţii de calitate pentru deşeurile feroase utilizate la elaborarea oţelurilor. Controlul calităţii deşeurilor feroase 1.1. Motivarea necesităţii recuperării şi valorificării deşeurilor feroase Oţelul este cel mai reciclabil material din lume. De la deşeurile domestice până la demolări, toate tipurile de produse din oţel folosite sunt colectate şi prelucrare pentru a fi returnate în producţia de oţel. La începutul secolului XX, producătorii de oţel au început să utilizeze cuptoare care puteau să producă oţel din deşeuri feroase în loc de materii prime tradiţionale. Metoda s-a dovedit a fi eficientă prin costurile mult mai mici. La început, cererea de deşeuri feroase a fost satisfăcută chiar de deşeurile interne ale uzinei, procesul de elaborare a oţelului genera o cantitate importantă de deşeuri interne (“uzinale”) rezultate din proces sau ca produse nevandabile. Totuşi, deşeurile metalice rezultate astfel nu puteau satisface întreaga cerere. Drept urmare, au început să apară întreprinderi specializate în prepararea şi aprovizionarea cu deşeuri metalice pentru oţelării. O mare parte din aceste deşeuri feroase provenea din surse industriale (la început din 1
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
PRELUCRAREA ŞI VALORIFICAREA DEŞEURILOR FEROASE
1. Condiţii de calitate pentru deşeurile feroase utilizate la elaborarea oţelurilor.Controlul calităţii deşeurilor feroase
1.1. Motivarea necesităţii recuperării şi valorificării deşeurilor feroase
Oţelul este cel mai reciclabil material din lume. De la deşeurile domestice
până la demolări, toate tipurile de produse din oţel folosite sunt colectate şi
prelucrare pentru a fi returnate în producţia de oţel.
La începutul secolului XX, producătorii de oţel au început să utilizeze cuptoare
care puteau să producă oţel din deşeuri feroase în loc de materii prime tradiţionale.
Metoda s-a dovedit a fi eficientă prin costurile mult mai mici.
La început, cererea de deşeuri feroase a fost satisfăcută chiar de deşeurile
interne ale uzinei, procesul de elaborare a oţelului genera o cantitate importantă de
deşeuri interne (“uzinale”) rezultate din proces sau ca produse nevandabile. Totuşi,
deşeurile metalice rezultate astfel nu puteau satisface întreaga cerere. Drept urmare,
au început să apară întreprinderi specializate în prepararea şi aprovizionarea cu
deşeuri metalice pentru oţelării. O mare parte din aceste deşeuri feroase provenea
din surse industriale (la început din domeniul transporturilor pe calea ferată şi
instalaţii iar mai târziu de la producătorii de ambalaje şi automobile).
Pe măsura eficientizării tehnologiilor de elaborare a oţelului, cererea de
deşeuri metalice a crescut puternic iar cantităţile de deşeuri interne a scăzut
considerabil (de exemplu prin introducerea turnării continue). Satisfacerea acestor
nevoi legate de fabricarea oţelului a determinat dezvoltarea unei infrastructuri de
colectare, pregătire şi vânzare a deşeurilor către oţelării şi alte pieţe în vederea
reciclării. Aproape fiecare comunitate majoră are o unitate de recuperare a deşeurilor
feroase dintr-o gamă largă de surse.
Între producătorii de oţel şi unităţile de furnizare a deşeurilor feroase s-a creat
o strânsă interdependenţă bazată pe cerere şi ofertă. Datorită infrastructurii de
reciclare, industria oţelului primeşte un flux constant de deşeuri feroase.
1
Motivarea necesităţii valorificării deşeurilor feroase este dată de avantajele
reciclării::
- economii semnificative de energie, apă, reducerea poluării şi deşeurilor
miniere (comparativ cu extragerea substanţelor utile din minereuri):
reduceri consum energie…....47-74%
apă……………40%
reduceri ale poluării aerului….……..85%
apei…….……..76%
diminuarea deşeurilor miniere 97%
- protecţia mediului, respectiv conservarea resurselor naturale (1 tonă de
deşeuri feroase pot înlocui între 1 şi 1,25 tone de minereuri de fier la elaborarea
oţelului).
În ultima perioadă, utilizarea în încărcăturile de la elaborarea otelurilor a
deşeurilor feroase a devenit o necesitate pentru multe ţări producătoare de oţel.
Astfel, pe plan mondial se remarcă o creştere a necesarului de minereuri de fier,
schimbările tehnologice conducând la creşterea cererii de minereuri de fier de
calitate superioară (s-au dezvoltat noi tehnologii şi instalaţii de reducere directă).
În timp ce resursele de minereuri de fier sunt inegal distribuite din punct de
vedere geografic (doar două ţări din lume – Australia şi Brazilia – deţin 70% din
exploatările mondiale de minereuri de fier), structura geografică a consumatorilor de
minereuri de fier este într-o dinamică continuă, fig.5.1. Totodată, se observă o
diminuare a calităţii sale (scăderea concentraţiei fierului şi micşorarea granulaţiei).
În perioada 1995 – 2005 necesarul de minereu de fier a crescut constant cu
aproximativ 1% pe an. În 2005, consumul de minereu de fier din ţările Europei
Centrale şi de Est a totalizat 34 milioane tone.
2
Fig.1. Dinamica necesarului de materii prime (minereuri de fier)
Pentru România, pe lângă creşterea necesarului de materii prime, rezervele
geologice proprii de minereu de fier nu întrunesc condiţiile de clasificare ca rezerve
rentabile din punct de vedere economic, fiind condiţionate de două aspecte
importante:
- au conţinut redus de fier, max. 37% (aproape în totalitate fiind situate în
Transilvania, Bucovina şi Banat).
- sunt imposibil de exploatat prin tehnologiile miniere actuale (anomalia
magnetică de la Palazul Mare).
Din statisticile existente privind extracţia de minereu românesc şi consumul de
minereu de fier, se poate vedea că niciodată resursele interne nu au acoperit nici
măcar jumătate din cantitatea importată (cu conţinut mediu de 61%Fe şi limita
garantată de 56,5%Fe).
“Strategia naţională de dezvoltare durabilă a României” (SNDDR) privind
“Gospodărirea deşeurilor” face referiri la [86]:
- evoluţia crescătoare a impactului deşeurilor asupra mediului;
- diminuarea resurselor naturale (materiile prime sunt sărace şi insuficiente –
observaţie valabilă şi în cazul minereurilor de bază indigene)
3
- comparativ cu extragerea substanţelor utile din minereu (în acest caz, fierul)
reciclarea materialelor feroase pentru topire implică costuri mai mici, ca urmare a
economiilor semnificative de energie şi apă precum şi o diminuare a impactului
poluării şi a deşeurilor rezultate.
Din punct de vedere al consumului specific de deşeuri feroase pe tona de
oţel elaborat în convertizor, la nivelul anilor ’90 ţările producătoare de oţel pot fi
grupate în:
- ţări cu consum specific foarte scăzut, 100kg/t (Japonia, Franţa)
- ţări cu consum specific mediu 100–250kg/t (Portugalia, Olanda, Suedia,
Marea Britanie, Germania, Austria, România),
- ţări cu consum specific ridicat >250kg/t (SUA, Ungaria, U.R.S.S,
Cehoslovacia, Luxemburg).
1.2. Calitatea deşeurilor feroase
Calitatea deşeurilor feroase este determinată în principal de faptul că:
- deşeul metalic este un produs permanent instabil. Originea sa nu reprezintă
o activitate industrială controlată ci o activitate de colectare desfăşurată de un număr
mare de producători cu structură extrem de variabilă şi în general necunoscută
pentru consumator;
- existenţa pieţei neorganizate care include şi „piaţa la negru”;
- piaţa deşeurilor metalice este o piaţă care funcţionează „invers”: deşeurile
sunt produse în „detail” şi se consumă „en–gros”. Astfel este dificil ca la fiecare nivel
al colectării să fie interese privind asigurarea calităţii.
Eficienţa utilizării deşeurilor feroase depinde înainte de toate de calitate lor.
De aceea s-au elaborat specificaţii de calitate care să definească şi să cuantifice
ceea ce trebuie să se numească valoarea metalurgică a deşeurilor feroase.
La stabilirea normelor care definesc calitatea deşeurilor feroase s-a ţinut
seama de următoarele:
4
- calitatea deşeurilor feroase derivă din relaţia furnizor – utilizator;
- aprovizionarea trebuie să se bazeze pe cunoaşterea şi definirea clară a
exigenţelor privind calitatea deşeurilor.
● Sistem de norme privind calitatea deşeurilor feroase
Ţinând cont de exigenţele ISO 9400 – 1, în anul 1995, sindicatele profesionale
din siderurgia europeană, Eurofer şi EFR (European Ferrous Scrap Recyclears) au
decis de comun acord introducerea unui sistem de norme europene de referinţă
(Referenţial european) privind deşeurile feroase, pe baza descrierii clare a calităţii
acestora, tabelul 1, fig.2. Lansarea s-a oficială a avut loc la 1 ianuarie 1996.
Conform acestor norme, calitatea deşeurilor feroase a fost definită direct şi
simplu pe baza a trei componente (specificaţii):
- puritatea chimică dată de conţinutul de fier şi elemente reziduale;
- dimensiunile/densitatea;
- gradul de siguranţă şi poluare.
Necesitatea armonizării standardelor din România cu cele din Europa a
determinat elaborarea unui nou standard de caracterizare a deşeurilor feroase.
Astfel, STAS 6058-1977 a fost înlocuit cu altul sub titulatura ASRO-Stadard român
SR 6058-1 din aprilie 1999, cu denumirea „Materiale feroase pentru retopire”, tabelul
2. Acest standard reprezintă preluarea integrală a specificaţiei europene pentru
deşeuri feroase.
5
Fig.2. Componentele esenţiale ale caracterizării calităţii deşeurilor metalice
6
Tabelul 1Clasificări impuse de referenţialul european (RE)
N
r
cr
t
Simbol
RE
Alt
simbol
Caracterizare Dimensiuni Densitate
,
kg/m3
Steril
%
Conţinuturi limită, în %
Cu Sn Cr+Ni+Mo
1 E3 HMS
1
Fier vechi gros Grosime ≥ 6mm,
≤1,5x0,5x0,5m
≥600 <1,0 ≤ 0,25 ≤ 0,01 ≤ 0,25
2 E1 HMS
3
Fier vechi subţire Grosime ≤ 6mm,
≤1,5x0,5x0,5m
≥500 1,5 ≤ 0,40 ≤ 0,02 ≤ 0,30
3 E2,
E8, E
Şutaje noi. Conţinut scăzut elemente reziduale
Grosime < 3mm 400 -
1000
4 E40,
E46
Fier vechi concasat (shredded)
800 - 900 ≤ 0,25
(E40)
≤ 0,50
(E46)
≤ 0,25
(E40)
≤ 0,50
(E46)
5 E54 Oţel reciclat. Loturi omogene, origine cunoscută
6 E5M Oţel reciclat. Loturi amestecate
≤ 0,40 ≤ 0,030 ≤ 1,0
1
7 EHRB Oţel bară laminat comercial. Conţinut ridicat de reziduale
Toate grosimile
≤1,5x0,5x0,5m
≥500 <1,5 ≤ 0,45 ≤ 0,030 ≤ 0,35
8 EHRM Componente mecanice. Conţinut ridicat de reziduale
Toate grosimile
≤1,5x0,5x0,5m
≥600 <0,7 ≤ 0,40 ≤ 0,030 ≤ 1,0
2
Tabelul 2
ASRO-Stadard român SR 6058-1 din aprilie 1999 „Materiale feroase pentru retopire”
(C, H) şi diferite reziduuri, cel mai ades întâlnite fiind cele organice.
Principala problemă legată de calitatea deşeurilor feroase o reprezintă nivelul
elementelor reziduale. Sunt considerate elemente reziduale, acele elemente care
însoţesc fierul în deşeuri şi care exercită influenţe negative asupra proprietăţilor
oţelului elaborat. Ele rămân în oţel ca urmare a imposibilităţii micşorării concentraţiei
lor sub o anumită limită în timpul procesului de elaborare a oţelului prin procese
metalurgice convenţionale (reduceri, oxidări, transfer în zgură etc.) şi înrăutăţesc
calitatea acestuia prin efectele pe care le au asupra structurii şi proprietăţilor.
Sulful şi fosforul nu sunt considerate elemente reziduale deoarece
concentraţiile lor din oţeluri pot fi controlate, îndepărtarea lor sub anumite limite poate
fi realizată prin reacţii de oxidare şi transfer între topitura metalică şi zgură.
Carbonul, siliciul, manganul, borul, aluminiul sunt elemente tipice prezente cu
concentraţii predeterminate în oţeluri. Azotul, oxigenul, hidrogenul sunt cunoscute ca
gaze în oţeluri. În general elemente precum Cu, Sn, Ni, As, Sb, Cd, Pb, Zn, Mo, Bi
sunt considerate elemente reziduale. În anumite mărci de oţeluri, unele din aceste
elemente pot fi “element de aliere”. Restricţiile privind concentraţia elementelor
reziduale sunt determinate de marca de oţel elaborat.
6
Influenţa elementelor dăunătoare din oţel asupra calităţii pot fi prezentate
prin efectele pe care acestea le au asupra structurii şi proprietăţilor oţelurilor.
Plumbul este puternic insolubil atât în fierul lichid cât şi în fierul solid. Plumbul
nu se dizolvă în fazele caracteristice aliajelor Fe-C şi deci nu influenţează punctele
critice ale transformărilor de fază din sistem şi prin aceasta nu modifică parametrii de
tratament termic. De regulă, prezenţa plumbului afectează în mică măsură
caracteristicile mecanice, la temperatura camerei (rezistenţa la rupere, la curgere,
alungirea şi rezilienţa). Plumbul afectează în măsură însemnată capacitatea de
deformare a oţelurilor inoxidabile şi refractare. Astfel, prezenţa unei concentraţii de
~0,005% Pb reduce la aproape jumătate deformabilitatea la cald a oţelului inoxidabil.
Staniul este solubil în oţelul lichid, solubilitatea maximă ajunge la 12% dar în
oţelul solid, solubilitatea lui este foarte mică. Staniul conduce la fragilizarea oţelului la
prelucrarea prin deformare la cald. La ambutisarea adâncă se limitează conţinutul de
staniu sub 0,02% deoarece înrăutăţeşte plasticitatea. Oţelurile aliate destinate forjării
trebuie să fie lipsite de staniu pentru evitarea dificultăţilor de prelucrare.
Bismutul are o influenţă marcantă asupra deformabilităţii la cald a oţelurilor
inoxidabile. Prezenţa sa în compoziţia chimică a oţelului inoxidabil în proporţie de
~0,004% face ca stricţiunea la cald (1150-12000C) a oţelului inoxidabil să scadă de la
70% la ~10%.
Arseniul se dizolvă în oţelul solid, ajungând la 7% la 8300C şi formează
compusul definit FeAs2. Arseniuri complexe formează cromul şi nichelul. Împreună cu
cementita formează un eutectic ternar. În oţel este indicat un conţinut de arsen sub
0,01%. În concentraţii mai mari de 0,025%, arsenul conduce la apariţia crăpăturilor la
deformarea plastică, măreşte sensibilitatea oţelului la supraîncălzire, accentuează
fragilitatea de revenire, înrăutăţeşte proprietăţile mecanice. În oţelurile moi, adaosuri
de 0,1%As măresc rezistenţa la tracţiune, limita de curgere şi stabilitatea la
coroziune, dar se micşorează deformabilitatea şi rezilienţa. În oţelurile dure,
deformabilitatea se înrăutăţeşte sensibil.
Cuprul poate conduce la apariţia defectelor de suprafaţă, fig.3. Fragilitatea şi
crăpăturile la cald pot fi datorate unor îmbogăţiri locale ale cuprului la suprafaţa
produselor din oţel.
7
Pon
dere
a a
supr
a d
efec
telo
r d
e su
pra
faţă
, în
%
Fig.3. Influenţa conţinutului de cupru asupra defectelor de suprafaţăla barele laminate din oţel cu carbon scăzut
Dacă concentraţia cuprului depăşeşte limita de solubilitate în austenită, la
limita de grăunte, la temperaturi ridicate se formează o fază lichidă. Solubilitatea
cuprului în austenită variază între 4,5% la 8330C şi 8,5% la 10940C şi este cu mult
mai mare decât solubilitatea sa în ferită, care variază între 0,2% la temperatura
camerei şi 2% la 8330C, fig.4.
Fig.4. Diagrama de echilibru a sistemului Fe-Cu: - faza bogată în cupru ce are maximum 0,6% Fe
Adaosul de nichel în aceeaşi proporţie poate compensa efectul cuprului.
Staniul are de asemenea un rol important asupra fragilităţii la cald deoarece în
zonele bogate Cu-Sn coboară temperatura de topire. Stibiul are efecte similare cu
staniu datorită influenţei asupra solubilităţii cuprului în austenită. Elementele
cupru, nichel, staniu pot intensifica formarea ţunderului şi reduc astfel capacitatea
de decapare a benzilor. Efectul combinat al cuprului şi al altor elemente se poate
aprecia cu relaţia:
8
Cuechiv. = Cu + 10Sb + 5Sn + 2As + Ni
Influenţa elementelor reziduale asupra sudabilităţii poate fi analizată din
graficele prezentate în fig.5, prin influenţa pe care o au asupra temperaturii de
tranziţie.
Mod
ifica
rea
tem
pera
turi
i de
tran
ziţie
, în
0 C
Fig.5. Influenţa elementelor reziduale asupra modificării temperaturii de tranziţie a rezilienţei măsurate la linia de unire, pentru două procedee de sudare
● Proprietăţie fizico-mecanice ale deşeurilor feroase
Deşeurile se pot clasifica funcţie de starea fizică în tabelul 3):
- fier vechi greu, ca lingouri defecte şi incomplete, şutaje de brame, blumuri,
etc., care au peste 1700kg/m3;
- fier vechi mijlociu sau normal ce cuprinde traverse, şine, material rulant, de
construcţii, maşini, şutaje, etc., cu densitatea cuprinsă între 1.300…1.700kg/m3;
- fier vechi uşor, cel mai nepotrivit, mărunt sau voluminos care cuprinde tablă
subţire, strunjituri, sârmă, etc., ce are 800…1300kg/m3;
9
Tabelul 3Clasificarea fierului vechi utilizat în încărcătura cuptoarelor electrice cu arc
Tipul de fier vechi Caracteristici
Fier vechi mărunt
(uşor)
Dimensiuni până la 100x100x100mm,
greutate 2…7kg
Fier vechi mijlociuDimensiuni până de la 100x100x100 la
250x250x200mm, cu greutate de la 8 la 40kg
Fier vechi greu
Dimensiuni până de la 250x250x200mm până la
600x350x250mm şi greutate de la 40kg până la 1/50
din greutatea încărcăturii
Conform recomandărilor din sistemul de referinţă european, pentru deşeurile
utilizate la elaborarea oţelului în cuptor electric cu arc se recomandă următoarele