Come si possono separare i materiali leganti degli acciai riciclati?


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Come so, una parte considerevole degli acciai attualmente lavorati (circa la metà di questi) proviene dal riciclaggio.

Ma durante gli acciai che entrano nel processo di riciclaggio provengono normalmente da varie fonti e quindi contengono materiali leganti molto diversi.

Ma l'output dell'acciaio rigenerato deve essere acciaio contenente leghe esattamente nei rapporti specificati.

Si verifica un tipo di "separazione" o "rimozione" delle leghe precedenti dell'acciaio riciclato? E se sì, come funziona?


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"contenente leghe esattamente nei rapporti specificati." In ingegneria solo le tolleranze sono esatte - tutto il resto è esatto solo per le tolleranze, quindi per acciai di qualità peggiore le tolleranze per questi rapporti sono abbastanza tolleranti.
SF.

In particolare nella metallurgia, agli elementi in lega per gradi standard vengono assegnati intervalli (tolleranze) abbastanza generosi. Ad esempio, un acciaio di grado AISI 1018, che è nominalmente un acciaio al carbonio normale contenente 0,18% p / p di carbonio, può avere carbonio nell'intervallo tra 0,14-0,20% p / p e Mn tra 0,6-0,9% w / w. Il motivo è che esiste un compromesso tra precisione e velocità e la precisione perde velocità sul pavimento della fonderia a causa dello sbiadimento della lega.
wwarriner,

Risposte:


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Ciò è corretto, ci sono un certo numero di metalli indesiderati o vagabondi (Cu, Sn, Sb, As) che entrano nel flusso di riciclaggio da, ad esempio, carrozzerie che vengono macinate in rottami senza rimuovere tutti i cavi di rame o stagno lattine di acciaio rivestite. L'antimonio e l'arsenico tendono a insinuarsi da fonti di ferro primarie di bassa qualità e basso costo.

La risposta alla domanda è no. L'acciaio riciclato viene miscelato il più uniformemente possibile da varie fonti, viene misurata la sua composizione e quindi viene aggiunto ferro puro, se necessario, per diluire i metalli del vagabondo a livelli tollerabili per la rivendita o l'ulteriore lavorazione, come soddisfare un grado specifico di acciaio per un prodotto specifico o applicazione. Gli acciai inossidabili e altri tipi di alta lega noti al momento del riciclaggio vengono elaborati separatamente a causa del valore di Ni, Cr, ecc.

Al momento non è economico rielaborare il ferro per rimuovere gli elementi vagabondi, quindi semplicemente non viene eseguito affatto. Due libri menzionano il processo come regolare ed economico: ( Minerali, metalli e sostenibilità: soddisfare le esigenze materiali future , p. 284, a partire dalla "diluizione") e ( Produzione dell'acciaio: processi, prodotti e residui, a partire da p. 104, leggi fino a quando non è più rilevante). La ragione per cui è antieconomico è che gli elementi del vagabondo reagiscono più debolmente con l'ossigeno del ferro a temperatura costante, quindi per rimuoverli per ossidazione sarebbe necessario ossidare prima tutto il ferro. La ragione di ciò è termodinamica e si basa sul fatto che tra le reazioni concorrenti, quelle con le maggiori diminuzioni di energia libera procedono virtualmente al completamento prima che anche altre reazioni inizino, specialmente con grandi differenze di energia libera tra le reazioni concorrenti. Per determinare quali reazioni hanno le diminuzioni maggiori, è possibile utilizzare un diagramma di Ellingham.

Nel diagramma di Ellingham in basso, l'asse orizzontale è la temperatura, l'asse verticale è la variazione di energia libera di Gibbs. Le linee che attraversano il diagramma a vari angoli corrispondono al libero cambiamento di energia causato dalle reazioni di ossidazione degli elementi con l'ossigeno, in funzione della temperatura. Nel nostro caso, il diagramma può essere letto scegliendo una temperatura di interesse e leggendo dal basso per trovare il primo elemento a reagire con l'ossigeno. Ad esempio, se abbiamo acciaio con Fe, Mn, Sn e Cu, possiamo vedere che a 1000K allora Mn, Fe (a FeO), Sn e Cu sono all'ordine del più grande al più piccolo calo di energia libera.

Concesso, la temperatura di interesse è più vicina a 1900K (sopra il punto di fusione del ferro), ma le tendenze generali di ciascuna funzione di cambio di energia libera di Gibbs continuano a destra sul diagramma e il ferro rimane sotto gli elementi del vagabondo Cu, Sn, As e Sb a temperature pratiche e probabilmente ai rispettivi punti di ebollizione. Di conseguenza, rimuovere i vagabondi da Fe richiederebbe prima di tutto l'ossidazione efficace di tutto il ferro. E poiché Sn, Sb, As e Cu sono leggermente solubili in ferro, richiedono la separazione per reazione chimica.

Diagramma di Ellingham.

Si può vedere la solubilità dei vagabondi dai loro diagrammi di fase con ferro, di cui ho pubblicato Sb-Fe di seguito. Il diagramma presenta la temperatura rispetto alla composizione, con ciascuna regione 2D contigua composta da una fase o da una miscela delle due fasi a sinistra e a destra, che sono in equilibrio a quella combinazione di temperatura e composizione. In basso a sinistra vediamo che per piccole quantità di Sb e temperatura ambiente, c'è una regione contigua che in questo caso indica una singola fase, o alfa-Fe (il tipo che conosciamo). Poiché è presente Sb, ed è in una sola fase, deve essere sciolto nel ferro. Lo stesso vale, con gravità variabile, degli altri vagabondi.

Diagramma di fase Fe-Sb.
(fonte: himikatus.ru )

Come ha commentato Chris H, c'è una domanda anche su quando altri elementi di lega sono controllati. Generalmente l'aggiunta di lega viene controllata il più vicino possibile alla solidificazione, per ridurre al minimo la perdita di lega.

I rottami vengono sciolti alla rinfusa in una fornace ad arco elettrico. Se il flusso di scarto è sufficientemente miscelato, la concentrazione del vagabondo può essere stimata in base all'utilizzo passato e il ferro primario viene aggiunto prima dell'analisi chimica per compensare la stima. La massa viene quindi fusa, l'ossigeno viene rimosso tramite l'aggiunta di elementi nella parte inferiore del diagramma di Ellingham, in particolare Ca e Al, e il metallo fuso viene trasferito su uno o più mestoli altamente isolati. Il Ca e Al reagiscono rapidamente con l'ossigeno disciolto nel fuso per creare scorie di ossido a bassa densità che galleggiano e vengono rimosse meccanicamente. La chimica viene presa dopo questo processo e se i vagabondi sono sufficientemente diluiti, il metallo viene trasferito su mestoli. In caso contrario, viene aggiunto sufficiente ferro primario per diluire la fusione.

Una volta nella siviera, vengono aggiunti ulteriori elementi di lega. Non sono stati aggiunti in precedenza a causa del diagramma di Ellingham: la maggior parte degli elementi di lega tra cui Mn, Mo, Cr, V, C, ecc. Hanno una perdita di energia libera maggiore di Fe e quindi reagiscono per primi. In altre parole, svaniscono. Per evitare costosi sbiadimenti dell'aggiunta di leghe, vengono aggiunti il ​​più vicino possibile al processo di solidificazione. Inoltre, rimuovendo prima l'ossigeno con Al e Ca, c'è meno ossigeno disciolto nel ferro per reagire con gli elementi di lega più costosi. Una volta sul mestolo, la turbolenza dell'interfaccia atmosfera-liquido è molto ridotta, quindi la diffusione di nuovo ossigeno nel ferro liquido è relativamente lenta. Naturalmente c'è ancora un limite di tempo e tenere un mestolo troppo a lungo causerà lo sbiadimento della lega. Dopo l'aggiunta della lega, viene controllata la chimica e quindi viene versato il mestolo.

Modificato per aggiungere fonti. Modificato per aggiungere una discussione sul controllo della lega.


Suppongo, e potreste essere in grado di confermare, che oltre ad aggiungere ferro, altri importanti elementi di lega saranno controllati all'incirca nello stesso punto del processo - certamente il carbonio dovrà essere controllato.
Chris H,

Potrebbe una fonderia, dopo aver esaminato le concentrazioni di metalli vagabondi, a volte selezionare leghe che potrebbero farne uso, o le fonderie di solito decidono quale lega produrre prima di fondere lo scarto, quindi aggiungere semplicemente tutto ciò che è necessario per produrre il preselezionato lega entro tolleranza specificata?
supercat

Bella domanda a cui non ho una risposta definitiva. Immagino che la maggior parte delle fonderie avrebbe in mente un design in lega prima di eseguire il processo. Penso anche che alcuni metalli vagabondi al di sopra delle rispettive tolleranze siano inaccettabili nelle applicazioni strutturali perché riducono le proprietà meccaniche al di sotto dei livelli richiesti. Poiché la fonderia non conosce necessariamente le applicazioni finali delle billette, ecc., Spetterà quindi al cliente selezionare la lega di cui hanno bisogno. Se un cliente ha dichiarato che i metalli del vagabondo sono OK, ciò potrebbe essere possibile, a seconda del rischio di contaminazione.
wwarriner,

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Per quanto ne so, tale separazione dei componenti non viene tentata.

Ho un amico che un tempo lavorava per Lukens Steel a Coatesville, Pennsylvania. Il suo compito era quello di scrivere software che tenessero traccia della composizione di tutto l'acciaio di scarto che avevano nei loro cantieri e di trovare le giuste proporzioni di quali tipi di scarto usare per ogni nuova fusione. Ovviamente, questo implica che hanno fatto un'analisi abbastanza completa di tutti gli scarti in entrata e hanno ordinato leghe simili in pile separate.


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In accordo con David Tweed e Starrise , è antieconomico separare i singoli metalli in leghe di acciaio.

Per fare ciò richiederebbe prima che le leghe vengano frantumate e macinate alla dimensione dei grani di cristallo all'interno delle leghe. Quindi una qualche forma di processo di selezione minerale / cristallo dovrebbe essere ideata per separare e separare il ricercato da quello indesiderato, come ad esempio: flottazione della schiuma; forse mezzi pesanti; possibilmente metodi di separazione per gravità come tavoli vibranti o spirali (ma dubito che questi avrebbero successo poiché i metodi di separazione per gravità si basano su differenze significative di densità e peso); sebbene la separazione magnetica, come usata nell'industria delle sabbie minerali, possa essere un'opzione per alcune leghe. Anche dopo questo, ci sarà sempre una divisione rifiuti o sterili in cui i cristalli di lega davvero difficili saranno raccolti in una discarica.

Schiacciare, macinare e separare tutto costa denaro. Questi costi e un profitto devono provenire dalle leghe di acciaio che vengono riciclate in singoli metalli.

All'inizio di febbraio 2015, il valore di una selezione di metalli è:

  • Oro 1233,30 USD per oz, 39,6515 USD per go 39 651 510,84 USD per tonnellata (sì, 39,651 milioni di dollari per tonnellata)
  • Platino 1220 USD per oz o 39 223 905,97 USD per tonnellata (39.2239 M $ / t)

  • Argento 16,68 USD per oz o 536 274,38 USD per tonnellata (0,536 274 M $ / t)

  • Cobalto 29 500 USD per tonnellata
  • Nichel 14 965 USD per tonnellata
  • Piombo 1850 USD per tonnellata
  • Billette d'acciaio USD 500 per tonnellata

Per i metalli preziosi opportunamente nominati , Au, Pt & Ag, la fonte di prezzo era Kitco . La fonte di prezzo per i metalli di base, Co, Ni, Pb e billette d'acciaio era LME .

Il minerale di ferro è attualmente in vendita per circa USD 65 per tonnellata come indicato sul Index Mundi e Y Charts . Questo è per un grado medio di ferro al 60%. Le miniere di ferro a taglio aperto in Australia e Brasile, gestite da Rio Tinto , BHP-Billiton e Vale sono abbastanza felici di produrre minerale di ferro a quel prezzo. Anche LKAB è felice di produrre minerale di ferro magnetite dalla miniera sotterranea di Kiruna in Svezia a quel prezzo.

Nel 2015 Macrobusiness ha pubblicato un articolo sulla possibilità che i prezzi del minerale di ferro scendano a 30 USD per tonnellata.

A prezzi compresi tra 0,536 e 39,6 milioni di dollari a tonnellata è facile capire perché i metalli preziosi vengano riciclati. Ma a 500 USD a tonnellata per la billetta d'acciaio e 65 USD a tonnellata per il minerale di ferro non vi è alcun incentivo a separare i metalli legati dalle leghe d'acciaio.


Data la differenza di prezzo tra il nickel e l'acciaio, la tua analisi non esclude il caso economico di estrarre gli elementi di lega, anche se finirebbero per essere reinseriti. La separazione potrebbe anche essere ottenuta in uno stato fuso e / o con mezzi chimici se fosse economico farlo.
Chris H,

La separazione per gravità non funziona per il ferro a causa della solubilità e delle considerazioni termodinamiche. La soglia per concentrazioni inaccettabili di vagabondi è inferiore alla solubilità di quegli elementi a temperatura ambiente. L'unico modo per separare i metalli vagabondi disciolti è mediante un processo chimico, che è antieconomico per il Fe, o mediante distillazione, che è praticamente impossibile a causa dell'estremo punto di ebollizione dei metalli coinvolti, per non parlare dell'economia.
wwarriner,

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Innanzitutto lo scarto viene separato alla fonte; ad esempio la ghisa generalmente contiene solo Si e Mn. Gli elementi ad alta pressione di vapore bollono o si raccolgono nel flusso / scorie: ad es. Zn, Pb, Sn, Bi, An ,,,, L'alluminio si ossida e penetra nelle scorie. Gli acciai raccolgono i residui di Cr, Ni, Mo e Cu, generalmente sono vantaggiosi; tutti aggiungono alla temprabilità tranne Cu. (Cu è importante nella resistenza alla corrosione atmosferica). V, Nb e W sono presenti in quantità molto piccole così insignificanti. And Co, costoso e ha applicazioni specializzate, quindi è anche separato alla fonte di raschiatura; Il raschiamento è facile da identificare; le lame e le palette della sezione calda della protesi medica e del motore a reazione, anche in alcuni strumenti ad alta velocità, rimangono separate alla fonte di raschiatura. Le leghe di Ni e l'acciaio inossidabile austenitico sono separate alla fonte in quanto non sono ferromagnetiche. L'acciaio inossidabile magnetico martensitico e ferritico (tipicamente 13% Cr) può essere separato alla fonte di raschiatura. La separazione degli acciai alle fonti avviene perché tutti gli elementi in lega valgono più dell'acciaio al carbonio. Ci devono essere libri disponibili su questo; è un fattore importante nell'industria siderurgica. Un esempio di ciò che accade nel mondo reale; la piastra in acciaio al carbonio di grado A 516 è il cavallo di battaglia dell'industria ma quando viene ordinata una sezione spessa con elevata resistenza, "in qualche modo" i residui di Cr, Mo, Ni sono elevati consentendo risultati di trattamento termico accettabili. è un fattore importante nell'industria siderurgica. Un esempio di ciò che accade nel mondo reale; la piastra in acciaio al carbonio di grado A 516 è il cavallo di battaglia dell'industria ma quando viene ordinata una sezione spessa con elevata resistenza, "in qualche modo" i residui di Cr, Mo, Ni sono elevati consentendo risultati di trattamento termico accettabili. è un fattore importante nell'industria siderurgica. Un esempio di ciò che accade nel mondo reale; la piastra in acciaio al carbonio di grado A 516 è il cavallo di battaglia dell'industria ma quando viene ordinata una sezione spessa con elevata resistenza, "in qualche modo" i residui di Cr, Mo, Ni sono elevati consentendo risultati di trattamento termico accettabili.

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