POSOUZENÍ MOŽNOSTI ZPĚTNÉHO VYUŽITÍ ODPADNÍCH PÁNVOVÝCH STRUSEK V SEKUNDÁRNÍ METALURGII

Transkript

1 POSOUZENÍ MOŽNOSTI ZPĚTNÉHO VYUŽITÍ ODPADNÍCH PÁNVOVÝCH STRUSEK V SEKUNDÁRNÍ METALURGII EVALUTION OF RECYCLING POSSIBILITY OF WASTE LADLE SLAGS AT SECONDARY METALLURGY Ing. Jan Melecký, CSc.*, Ing. Libor Čamek, Ph.D.** Ing.Gabriela Kostiuková *Mittal Steel Ostrava a.s., Vratimovská 689, Ostrava-Kunčice, Česká republika Jan.Melecky@mittalsteel.com **Záblatská 45, Ostrava-Heřmanice, Česká republika lcamek@quick.cz VŠB-TU Ostrava, Tř. 17.listopadu 15, Ostrava-Poruba Gabriela.Kostiukova@vsb.cz ABSTRAKT Příspěvek je věnován posouzením fyzikálně-chemických parametrů vybraných typů odpadních pánvových strusek, ověřovaných při mimopecním zpracování ocelí na pánvových pecích. Vzhledem k charakteru strusek, zejména jejich granulometrii, je část přednášky zaměřena rovněž jejich úpravě a zkusovění. Hlavní podíl zájmu je soustředěn na výrobně-metalurgické ukazatele zkušebních taveb a porovnání s běžnou technologií. Závěr je zaměřen na ekonomické hodnocení zkušebních taveb při mimopecním zpracování na pánvové pecí, zejména na struskotvorné přísady u vybraných značek ocelí. ABSTRACT This paper deals with evalution of currently selected physical and chemical parameters of waste refining slags. They were checked out at ladle furnace steel treatment. With regard to character of these slags, especially of their granulometry, will be payed fraction of presentation to briquetting and pelletizing of these slags. There are also presented production and metallurgical parameters of heats with using of various types of slags and results comparison with common technology. Conclusion will be focused to economical parameters of tested heats, mainly to lime and flux consumption at selected steel grades. 1. ÚVOD Snaha o snižování nákladů na struskotvorné přísady a nákladů na deponaci odpadních surovin z výroby oceli, resp. ze sekundární metalurgie a snižování ekologické zátěže, nás vedla k posouzení možností využití odpadních pánvových strusek jakožto druhotné suroviny. Současný roční výskyt těchto strusek ve společnosti Mittal Steel Ostrava a.s. se pohybuje v rozmezí 60 až 70 kt, přičemž jejich chemické složení odvisí od vyráběné značky oceli, resp. její analýzy. 2. FYZIKÁLNĚ-CHEMICKÉ PARAMETRY ODPADNÍCH PÁNVOVÝCH STRUSEK Chemická složení jednotlivých skupin pánvových strusek jsou uvedena v tabulce 1. 1

2 Tabulka 1. Průměrná chemická složení odjezdových strusek z pánvových pecí pro jednotlivé skupiny ocelí Table 1. Average chemical composition of final ladle slags for individual steel grades Skupina ocelí CaO MgO SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 FeO [hm.%] H mimo H51UK, H58A 55,74 8,18 19,51 11,89 0,66 1,17 značky K (průměr) 55,86 7,94 17,71 15,48 0,34 0,98 H58A (průměr) 57,09 8,17 15,08 15,21 0,44 1,18 trafo (průměr) 58,81 4,70 5,77 29,09-0,71 B bez Si (průměr) 60,62 8,05 3,94 30,21 0,08 1,04 B s Si (průměr) 54,48 5,62 11,33 22,19 0,33 1,53 značky T (průměr) 53,89 7,29 14,89 19,10 0,57 1,17 značky C (průměr) s Si 47,59 8,41 21,88 10,82 0,99 2,87 značky C (průměr) bez Si 43,57 8,27 13,51 11,96 3,30 9,35 H51UK (průměr) 48,19 8,29 19,18 17,26 0,46 1,72 Skupina ocelí P 2 O 5 Cr 2 O 3 MnO Fe S bazicita [hm.%] H mimo H51UK, H58A 0,06 0,04 0,97 0,96 0,32 2,97 značky K (průměr) 0,04 0,03 0,58 0,76 0,31 3,23 H58A (průměr) 0,06 0,04 0,78 1,01 0,33 3,90 trafo (průměr) 0,13 0,03 0,12-0,39 10,44 B bez Si (průměr) 0,02 0,02 0,54 0,85 0,59 15,93 B s Si (průměr) 0,03 0,05 0,57-0,21 4,85 značky T (průměr) 0,01 0,07 0,69 1,01 0,27 3,73 značky C (průměr) s Si 0,14 0,12 4,50-0,13 2,21 značky C (průměr) bez Si 0,32 0,32 5,03-0,43 3,41 H51UK (průměr) 0,07 0,09 1,04-0,27 2,57 Jak plyne z uvedených analýz, jsou zde zřejmé jednak rozdíly v obsazích CaO, SiO 2 a Al 2 O 3, ale také v obsazích síry. U bezkřemíkatých ocelí, odlévaných otevřeným litím (značky C bez Si), jsou navíc zřejmé zvýšené obsahy FeO, Fe 2 O 3, MnO, apod. tj. obsahy lehce redukovatelných oxidů. Tyto u uvedených značek v sumě činily 18,32 hm. %, zatímco například u bezkřemíkatých ocelí, odlévaných na bramovém kontilití, byly v průměru 1,7 hm. %. Obsahy síry v těchto struskách se přitom pohybovaly u jednotlivých skupin značek ocelí v rozmezí 0,13 hm. % až 0,59 hm. %. Shodou okolností se jedná o strusky s největším výskytem. Jak vyplývá ze složení a z bazicity obou druhů strusek, je pro další možné využití v metalurgii provést rozdílné úpravy z hlediska chemismu, přičemž je nutno zohlednit při výběru značek ocelí zejména požadavky na obsahy síry ve vyráběné oceli. 3. ÚPRAVA A ZKUSOVĚNÍ ODPADNÍCH PÁNVOVÝCH STRUSEK Jelikož tyto strusky mají vzhledem k různému chemickému složení a způsobu ochlazování různou zrnitost, je nutno po vyklopení z koliby a postupném chlazení, které se provádí na skládce vodou, zajistit třídění a následnou úpravu. 2

3 Nejdříve je nutno provádět oddělení ocelových slitků, které zůstávají po odlití na ZPO v odlévací pánvi. Drobné kovové podíly jsou následně odseparovány magnetickou separací, struskové (nemagnetické) podíly jsou pak roztříděny, přičemž jemnozrnné podíly jsou zkusovovány buď briketací nebo peletizací. Schématické znázornění zkusovění odpadních pánvových strusek je uvedeno na obr. 1. prachová struska H 2 O pojivo Al 2 O 3 CaO mísící zařízení Homogenizace 1 podavač Homogenizace 2 dopravník Homogenizace 3 pelety a brikety (zrání) sušení třídící síto peletizační mísa nebo briketační podsítné Obr. 1. Schématické znázornění zkusovění odpadních pánvových strusek Fig. 1. Schematical drawing of pelletizing (briquetting) of ladle slags Před vlastním zkusověním je vytvořena směs prachové odpadní pánvové strusky, materiálu na bázi Al 2 O 3 a vápenného hydrátu. Tato směs musí být řádně zhomogenizována, přičemž pro zajištění dobrých podmínek zkusovění je zapotřebí stanovit vhodné granulometrické složení Al 2 O 3 materiálů. Minimální doby zrání pelet či briket činí při optimálních podmínkách cca 7 dnů. Před expedicí pelet či briket je prováděno sušení na max. 3 % vlhkosti. 4. PROVOZNÍ ZKOUŠKY NA PÁNVOVÉ PECI První ověřovací zkoušky s použitím zkusovělých pánvových strusek probíhaly na pánvové peci č. 3 u značek ocelí, kde jsou kvůli dobrému lití na ZPO požadovány vesměs obsahy síry v odlévané oceli v rozmezí 0,020 až 0,025 hm. %. Vlastní dávkování pelet a briket na bázi odpadních pánvových strusek bylo nejdříve prováděno pomocí big-bagů po odpichu taveb. U zkušebních taveb se pohybovalo použité množství těchto strusek v rozmezí 500 až kg na 200 t tavbu, tj. cca 2,5 až 5 kg.t -1 vyrobené oceli. U následné série taveb byly tyto zkusovělé strusky dávkovány přímo ze zásobníku v průběhu zpracování oceli na pánvové peci, což umožnilo zejména operativně reagovat na tvorbu strusky a vedení samotného 3

4 struskového řádu. U těchto zkušebních taveb kolísala spotřeba odpadních strusek v rozpětí 2,2 až 6,15 kg.t -1 oceli. Celkově bylo vyrobeno 151 zkušebních taveb u sedmi různých značek oceli. Pro vlastní hodnocení byly vybrány čtyři značky ocelí, u nichž bylo ověřování odpadní pánvové strusky prováděno nejčastěji. 5. VYHODNOCENÍ ZKUŠEBNÍCH TAVEB V rámci hodnocení výrobně-metalurgických parametrů na pánvové peci byla hlavní pozornost zaměřena zejména na: a) rychlost rozpouštění - tvorbu rafinační strusky, b) ředicí účinky odpadní pánvové strusky tekutost nové strusky, c) průběhy obsahů lehce redukovatelných oxidů během mimopecního zpracování oceli, d) spotřeby struskotvorných přísad. e) obsahy síry v kovu a ve strusce. Při zhodnocení rozsáhlých souborů dat byly sledovány termodynamické i kinetické parametry ovlivňujících podmínky odsíření oceli (případně přechodu síry z odpadní pánvové strusky do kovu) a vliv na čistotu oceli [1; 2]. Již při vizuálním pozorování bylo zřejmé, že rafinační strusky se tvoří velmi rychle a použití recyklovaných strusek nahrazuje zčásti i ředicí přísadu. Při rychlém vytvoření strusky reaguje obsluha PP na řídkou strusku přídavkem CaO, což je pro požadované obsahy síry a spotřebu vápna nežádoucí, dochází k odsíření oceli. V rámci posouzení metalurgických parametrů na pánvové peci č. 3 bylo rovněž provedeno zhodnocení průběhů v obsazích FeO, MnO, CaO, Al 2 O 3 a S ve struskách u vybraných 4 jakostí hodnocených ocelí. Charakter změny obsahu FeO je zřejmý z obr FeO [hm.%] C37R C37Z C40R C43Z 2 0 TP odpich PP příjezd PP odjezd místo odebrání strusky Obr. 2. Průběhy obsahů FeO ve strusce v odlévací pánvi při odpichu a při mimopecním zpracování na PP3 Fig. 2. Course of FeO content at the ladle treatment on LF3 Z obrázku 2 plyne pokles obsahu FeO v průběhu zpracování na PP3, přičemž tento je nejmenší u značky C40R, z čehož plyne, že odvisí i od složení oceli, zejména obsahu 4

5 aktivního kyslíku. U hodnocených značek ocelí C37R, C37Z a C43Z se po odpichu (v odlévací pánvi) pohybovaly obsahy FeO v rozmezí 10,2 až 11,3 hm. %, přičemž při mimopecním zpracování se tyto vyredukovaly a v odjezdových struskách z pánvové pece se tyto pohybovaly obvykle v rozpětí 3 až 4 hm. %. Nárůst obsahů CaO v rafinačních struskách během zpracování na pánvové peci č. 3 je možno vysledovat z obr. 3. Zatímco po odpichu se obsahy CaO pohybovaly vesměs v rozpětí 35 až 40 hm. % v závislosti na množství vyteklé pecní strusky do odlévací pánve při odpichu a jejího chemického složení, při odjezdu se u těchto taveb pohybovaly obsahy CaO většinou mezi 45 až 50 hm. %. Toto rovněž souviselo s přídavky vápenných briket na zahuštění rafinačních strusek během mimopecního zpracování oceli na pánvové peci CaO [hm.%] C37R C37Z C40R C43Z 10 0 TP odpich PP příjezd PP odjezd místo odebrání strusky Obr. 3. Průběhy obsahů CaO ve strusce v odlévací pánvi při odpichu a mimopecním zpracování na PP3 Fig. 3. Course of CaO content at the ladle treatment on LF3 Značnou vypovídací schopnost o chování rafinačních strusek v průběhu mimopecního zpracování na pánvové peci mají průběhy síry ve strusce viz obr. 4. Přestože cílem byl částečný přechod síry z odpadních strusek do kovu nebo omezení odsíření oceli, docházelo rovněž k nárůstu síry v rafinační strusce. Např. u značky C37R došlo ke zvýšení z 0,071 hm. % S až na 0,136 hm. % S, čili zhruba na dvojnásobek, což svědčí o srovnatelných podmínkách s běžnou technologií. 5

6 0,16 0,14 0,12 Sstruska [hm.%] 0,10 0,08 0,06 0,04 C37R C37Z C40R C43Z 0,02 0,00 TP odpich PP příjezd PP odjezd místo odebrání strusky Obr. 4. Průběhy obsahů S struska ve strusce v odlévací pánvi při odpichu a mimopecním zpracování na PP3 Fig. 4. Course of S slag content at the ladle treatment on LF3 Jelikož z hlediska metalurgického bylo rovněž uvažováno s využitím síry, obsažené v dávkovaných odpadních pánvových struskách pro nasíření, byly zde sledovány jejich obsahy na počátku zpracování na pánvové peci a následné hodnoty ve vyrobené oceli. Dále při posuzování metalurgických parametrů byla pozornost zaměřena rovněž na chování síry mezi struskou a kovem. Z tohoto důvodu byly posuzovány změny obsahu síry v průběhu zpracování na pánvové peci. Jsou zde rozdíly mezi jednotlivými technologiemi a běžnými tavbami, nicméně nebyl prováděn detailní rozbor v závislosti na množství a typu použitých struskotvorných přísad, případně na značce vyráběné oceli, apod. Vlastnosti systémů struska-kov s recyklovanými materiály byly srovnávány s chováním síry u shodných značek ocelí s běžnou technologií. Při ekonomickém hodnocení zkušebních taveb byla pozornost zaměřena zejména na spotřeby struskotvorných přísad, tzn. vápenných briket a Alcatenu, kde zejména v důsledku vysoké tekutosti strusek po přidání odpadních pánvových strusek bylo nutno přidávat pro zahuštění vápenné brikety, přestože z hlediska metalurgického toto bylo nežádoucí. U těchto taveb totiž docházelo ke zvyšování sulfidických kapacit rafinačních strusek a následně i k nechtěnému odsíření oceli. Záměrem této technologie bylo spíše minimalizovat odsíření oceli, případně přechod části síry z odpadních pánvových strusek do oceli. Nicméně u těchto taveb nebyly upravovány podmínky pro nasíření, tj. zvýšení oxidačního potenciálu rafinačních strusek. Porovnání spotřeb struskotvorných přísad, tj. vápenných briket a Alcatenu (ředící přísady na bázi Al 2 O 3 ), u původní technologie a u zkušebních taveb s odpadními pánvovými struskami na pánvové peci č. 3 (PP3) u vybraných značek ocelí je zřejmé z obr. 5. I přes uvedené skutečnosti potřeby zahušťování rafinační strusky vápennými briketami docházelo u jednotlivých značek oceli u zkušebních taveb ke snížení spotřeb v průměru v rozmezí 112 až 282 kg na 200 t tavbu. Obecně platí, že při použití MgO materiálů k zahuštění rafinační strusky, zejména v závěru zpracování na pánvové peci, umožní tato ověřovaná technologie 6

7 další omezení spotřeb jak u ředicích přísad, tak i u vápna. Vzhledem k dobré tekutosti těchto strusek, vykazovaly dobré rafinační účinky, což se příznivě projevilo v čistotě vyráběné oceli. 1,2 1,1 Spotřeba A9 + VN na PP3 [ t ] 1 0,9 0,8 0,7 Původní technologie Průměr zkušeb. 0,6 C31RS C52MS C43ZS C40RS C37ZS Značka oceli Obr. 5. Porovnání spotřeb vápenných briket a Alcatenu u původní technologie a u zkušebních taveb s odpadními pánvovými struskami na PP3 Fig. 5. Comparison of flux consumption at original technology and at tested heats with waste ladle slags on LF3 6. ZÁVĚR Z posouzení fyzikálně-chemických parametrů odpadních pánvových strusek, teoretických výpočtů množství Al 2 O 3 pro optimalizaci složení rafinačních strusek a provozních zkoušek zkusovění a jejich zpětného využití při mimopecní rafinaci na pánvové peci plyne následující: 1. Jemné podíly odpadních pánvových strusek vyžadují jejich zkusovění formou briketace či peletizace, což předpokládá rovněž vhodné zrnitostní podíly dalších komponent (například technický oxid hlinitý, apod.). Kusové podíly (u strusek s nízkými obsahy SiO 2 ) je nutno rozdrtit a roztřídit. 2. Poloprovozní i provozní zkoušky ukázaly možnost zpětného zpracování a využití odpadních pánvových strusek v sekundární metalurgii. Tyto mimo jiné potvrdily snížení spotřeby vápna a ředících přísad oproti původní technologii. 3. Pro zajištění zpětného přechodu síry z původních odpadních pánvových strusek do oceli je nutno docílit vyššího oxidačního potenciálu strusky-vhodných termodynamických podmínek. 4. U zkušebních taveb vybraných značek ocelí došlo ke snížení celkových nákladů, zejména z titulu úspory nákladů na struskotvorné přísady. 7. LITERATURA [1] JANČÍKOVÁ, Z. Umělé neuronové sítě v materiálovém inženýrství. Monografie, GEP ARTS Ostrava, 2006, ISBN X. [2] RACLAVSKÝ, M., HANČL, J., JANČÍKOVÁ, Z. Matematické modelování přenosu hmoty v pánvi prodmýchávané plynem. In: The 6th International Conference on Secondary Metallurgy, ČSVTS, Vsetín, Tato práce vznikla díky finanční podpoře MPO, programový projekt ev.č. FT-TA/090 Materiálové využití strusek ze sekundární metalurgie. 7