Wie können die Legierungsmaterialien von recycelten Stählen getrennt werden?


9

Wie ich weiß, stammt ein sehr beträchtlicher Teil der derzeit verarbeiteten Stähle (etwa die Hälfte davon) aus dem Recycling.

Aber während der Stähle, die in den Recyclingprozess gelangen, kommen sie normalerweise aus verschiedenen Quellen und enthalten daher sehr unterschiedliche Legierungsmaterialien.

Die Leistung des wiederaufbereiteten Stahls muss jedoch Stahl sein, der Legierungen genau in den angegebenen Verhältnissen enthält.

Kommt es zu einer Art "Trennung" oder "Entfernung" der vorherigen Legierungen des recycelten Stahls? Und wenn ja, wie funktioniert es?


1
"Legierungen genau in den angegebenen Verhältnissen enthalten." In der Technik sind nur Toleranzen genau - der Rest ist nur auf Toleranzen genau, und daher sind die Toleranzen für diese Verhältnisse für Stähle mit schlechterer Qualität ziemlich nachsichtig.
SF.

Insbesondere in der Metallurgie erhalten Legierungselemente für Standardqualitäten ziemlich großzügige Bereiche (Toleranzen). Beispielsweise kann ein Stahl der Güteklasse AISI 1018, der nominell ein Stahl mit normalem Kohlenstoffgehalt ist, der 0,18 Gew .-% Kohlenstoff enthält, Kohlenstoff im Bereich von 0,14 bis 0,20 Gew .-% und Mn im Bereich von 0,6 bis 0,9% aufweisen. w / w. Der Grund dafür ist, dass es einen Kompromiss zwischen Präzision und Geschwindigkeit gibt und die Präzision auf dem Gießereiboden aufgrund des Verblassens der Legierung an Geschwindigkeit verliert.
wwarriner

Antworten:


11

Das ist richtig, es gibt eine Reihe von unerwünschten oder Fremdmetallen (Cu, Sn, Sb, As), die in den Recyclingstrom gelangen, beispielsweise von Karosserien, die zu Schrott zermahlen werden, ohne alle Kupferkabel oder Zinn zu entfernen beschichtete Stahldosen. Antimon und Arsen neigen dazu, sich aus minderwertigen und kostengünstigen primären Eisenquellen einzuschleichen.

Die Antwort auf die Frage lautet nein. Recycelter Stahl wird aus verschiedenen Quellen so gleichmäßig wie möglich gemischt, seine Zusammensetzung wird gemessen, und dann wird nach Bedarf reines Eisen zugesetzt, um die Fremdmetalle für den Wiederverkauf oder die Weiterverarbeitung auf tolerierbare Werte zu verdünnen, z. B. um eine bestimmte Stahlsorte für ein bestimmtes Produkt zu erreichen oder Anwendung. Nichtrostende Stähle und andere hochlegierte Qualitäten, die zum Zeitpunkt des Recyclings bekannt sind, werden aufgrund des Wertes von Ni, Cr usw. getrennt verarbeitet.

Es ist derzeit unwirtschaftlich, Eisen erneut zu verarbeiten, um Fremdkörper zu entfernen, und daher wird es einfach überhaupt nicht durchgeführt. In zwei Büchern wird der Prozess als regelmäßig und wirtschaftlich bezeichnet: ( Mineralien, Metalle und Nachhaltigkeit: Erfüllung zukünftiger Materialanforderungen , S. 284, beginnend mit "Verdünnung") und ( Stahlproduktion: Prozesse, Produkte und Rückstände, ab p. 104, lesen, bis es nicht mehr relevant ist). Der Grund dafür ist unwirtschaftlich, dass die Fremdelemente bei konstanter Temperatur schwächer mit Sauerstoff reagieren als Eisen. Um sie durch Oxidation zu entfernen, müsste zuerst das gesamte Eisen oxidiert werden. Der Grund dafür ist thermodynamisch und beruht auf der Tatsache, dass unter den konkurrierenden Reaktionen diejenigen mit der größten Abnahme der freien Energie praktisch vollständig ablaufen, bevor andere Reaktionen überhaupt beginnen, insbesondere mit großen Unterschieden in der freien Energie zwischen den konkurrierenden Reaktionen. Um festzustellen, welche Reaktionen die größten Abnahmen aufweisen, kann ein Ellingham-Diagramm verwendet werden.

Im Ellingham-Diagramm unten ist die horizontale Achse die Temperatur, die vertikale Achse ist die Änderung der freien Gibbs-Energie. Die Linien, die unter verschiedenen Winkeln über das Diagramm verlaufen, entsprechen der Änderung der freien Energie, die durch Oxidationsreaktionen der Elemente mit Sauerstoff als Funktion der Temperatur verursacht wird. In unserem Fall kann das Diagramm gelesen werden, indem eine interessierende Temperatur ausgewählt und von unten nachgelesen wird, um das erste Element zu finden, das mit Sauerstoff reagiert. Wenn wir beispielsweise Stahl mit Fe, Mn, Sn und Cu enthalten, können wir sehen, dass bei 1000 K Mn, Fe (zu FeO), Sn und Cu in der Größenordnung des größten bis kleinsten Abfalls der freien Energie liegen.

Zugegeben, die interessierende Temperatur liegt näher bei 1900 K (über dem Schmelzpunkt von Eisen), aber die allgemeinen Trends jeder Gibbs-Funktion zur Änderung der freien Energie bleiben im Diagramm rechts und Eisen bleibt unter den Fremdelementen Cu, Sn, As und Sb bei praktischen Temperaturen und wahrscheinlich bis zu ihren jeweiligen Siedepunkten. Infolgedessen würde das Entfernen von Fremdkörpern aus Fe erfordern, dass zuerst das gesamte Eisen effektiv oxidiert wird. Und weil Sn, Sb, As und Cu in Eisen schwer löslich sind, müssen sie durch chemische Reaktion getrennt werden.

Ellingham-Diagramm.

Man kann die Löslichkeit von Landstreichern anhand ihrer Phasendiagramme mit Eisen sehen, von denen ich unten Sb-Fe angegeben habe. Das Diagramm zeigt die Temperatur gegen die Zusammensetzung, wobei jeder zusammenhängende 2D-Bereich entweder aus einer Phase oder einer Mischung der beiden Phasen links und rechts besteht, die sich bei dieser Kombination aus Temperatur und Zusammensetzung im Gleichgewicht befinden. Unten links sehen wir, dass es für kleine Mengen von Sb und Raumtemperatur einen zusammenhängenden Bereich gibt, der in diesem Fall eine einzelne Phase oder Alpha-Fe (die Art, mit der wir vertraut sind) bezeichnet. Da Sb vorhanden ist und sich in einer einzigen Phase befindet, muss es im Eisen gelöst werden. Das Gleiche gilt mit unterschiedlicher Schwere für die anderen Landstreicher.

Fe-Sb-Phasendiagramm.
(Quelle: himikatus.ru )

Wie Chris H kommentierte, stellt sich auch die Frage, wann andere Legierungselemente gesteuert werden. Im Allgemeinen wird die Legierungszugabe so nahe wie möglich an der Verfestigung gesteuert, um den Legierungsverlust zu minimieren.

Schrott wird in einem Lichtbogenofen in loser Schüttung geschmolzen. Wenn der Schrottstrom ausreichend gemischt ist, kann die Fremdkonzentration basierend auf der Verwendung in der Vergangenheit geschätzt werden und das primäre Eisen wird vor der chemischen Analyse hinzugefügt, um die Schätzung zu kompensieren. Die Masse wird dann geschmolzen, Sauerstoff wird durch Hinzufügen von Elementen am unteren Rand des Ellingham-Diagramms entfernt, insbesondere Ca und Al, und die Metallschmelze wird auf eine oder mehrere hochisolierte Pfannen übertragen. Ca und Al reagieren schnell mit in der Schmelze gelöstem Sauerstoff, um eine Oxidschlacke niedriger Dichte zu erzeugen, die schwimmt und mechanisch entfernt wird. Nach diesem Prozess wird Chemie genommen, und wenn die Vagabunden ausreichend verdünnt sind, wird das Metall auf Pfannen übertragen. Wenn nicht, wird ausreichend primäres Eisen zugesetzt, um die Schmelze zu verdünnen.

In der Pfanne werden zusätzliche Legierungselemente hinzugefügt. Sie werden aufgrund des Ellingham-Diagramms nicht früher hinzugefügt: Die meisten Legierungselemente, einschließlich Mn, Mo, Cr, V, C usw., haben einen größeren Verlust an freier Energie als Fe und reagieren daher zuerst. Mit anderen Worten, sie verblassen. Um ein teures Ausbleichen der Legierungszugabe zu vermeiden, werden sie so nah wie möglich am Erstarrungsprozess hinzugefügt. Zusätzlich wird durch Entfernen von Sauerstoff unter Verwendung von Al und Ca weniger Sauerstoff im Eisen gelöst, um mit den teureren Legierungselementen zu reagieren. In der Pfanne gibt es nur sehr geringe Turbulenzen zwischen Flüssigkeit und Atmosphäre, so dass die Diffusion von neuem Sauerstoff in das flüssige Eisen relativ langsam ist. Es gibt natürlich immer noch ein Zeitlimit, und wenn Sie eine Kelle zu lange halten, verblasst die Legierung. Nach der Zugabe der Legierung wird die Chemie überprüft und dann die Pfanne gegossen.

Bearbeitet, um Quellen hinzuzufügen. Bearbeitet, um eine Diskussion über die Legierungskontrolle hinzuzufügen.


Ich würde annehmen, und Sie können möglicherweise bestätigen, dass neben der Zugabe von Eisen auch andere wichtige Legierungselemente an ungefähr demselben Prozesspunkt kontrolliert werden - sicherlich muss der Kohlenstoff kontrolliert werden.
Chris H

Könnte eine Gießerei nach Prüfung der Konzentrationen von Fremdmetallen manchmal Legierungen auswählen, die sie verwenden könnten, oder Gießereien entscheiden normalerweise, welche Legierung hergestellt werden soll, bevor sie den Schrott schmelzen, und fügen dann einfach alles hinzu, was erforderlich ist, um das vorgewählte zu erhalten Legierung innerhalb der angegebenen Toleranz?
Supercat

Gute Frage, auf die ich keine eindeutige Antwort habe. Ich kann mir vorstellen, dass die meisten Gießereien vor der Ausführung des Prozesses ein Legierungsdesign im Auge haben würden. Ich denke auch, dass bestimmte Fremdmetalle über ihren jeweiligen Toleranzen in strukturellen Anwendungen nicht akzeptabel sind, da sie die mechanischen Eigenschaften unter die erforderlichen Werte reduzieren. Da die Gießerei nicht unbedingt die endgültigen Anwendungen von Knüppeln usw. kennt, ist es Sache des Kunden, die benötigte Legierung auszuwählen. Wenn ein Kunde angibt, dass Fremdmetalle in Ordnung sind, ist dies je nach Kontaminationsrisiko möglicherweise möglich.
wwarriner

6

Nach meinem besten Wissen wird eine solche Trennung der Komponenten nicht versucht.

Ich habe einen Freund, der einmal für Lukens Steel in Coatesville, PA, gearbeitet hat. Seine Aufgabe war es, Computersoftware zu schreiben, die die Zusammensetzung des gesamten Stahlschrotts in ihren Höfen verfolgte und die richtigen Anteile für die Schrottarten für neue Schmelzen zu finden. Dies impliziert natürlich, dass sie eine ziemlich umfassende Analyse aller ankommenden Schrott durchgeführt und ähnliche Legierungen in separate Stapel sortiert haben.


5

Um mit David Tweed & Starise übereinzustimmen , ist es unwirtschaftlich, die einzelnen Metalle in Stahllegierungen zu trennen.

Um dies zu tun, müssten zuerst die Legierungen zerkleinert und auf die Größe der Kristallkörner innerhalb der Legierungen gemahlen werden. Dann müsste eine Form des Mineral / Kristall-Selektionsprozesses entwickelt werden, um das Gewünschte vom Unerwünschten zu trennen und zu trennen, wie zum Beispiel: Schaumflotation; vielleicht schwere Medien; möglicherweise Schwerkrafttrennungsmethoden wie Schütteltische oder Spiralen (aber ich bezweifle, dass diese erfolgreich wären, da Schwerkrafttrennungsmethoden auf signifikanten Dichte- und Gewichtsunterschieden beruhen); Eine magnetische Trennung, wie sie in der Mineralsandindustrie verwendet wird, könnte für einige Legierungen eine Option sein. Auch danach wird es immer eine Abfall- oder Rückstandsabteilung geben, in der die wirklich schwierigen Legierungskristalle in einer Deponie gesammelt werden.

Zerkleinern, Schleifen und Trennen kosten Geld. Diese Kosten und ein Gewinn müssen aus den Stahllegierungen stammen, die in die einzelnen Metalle zurückgeführt werden.

Ab Anfang Februar 2015 beträgt der Wert einer Auswahl von Metallen:

  • Gold USD 1233,30 pro Unze, USD 39,6515 pro g oder USD 39 651 510,84 pro Tonne (ja, 39,651 Millionen Dollar pro Tonne)
  • Platin USD 1220 pro Unze oder USD 39 223 905,97 pro Tonne (39,2239 M $ / t)

  • Silber USD 16,68 pro Unze oder USD 536 274,38 pro Tonne (0,536 274 M $ / t)

  • Kobalt USD 29 500 pro Tonne
  • Nickel USD 14 965 pro Tonne
  • Blei USD 1850 pro Tonne
  • Stahlknüppel USD 500 pro Tonne

Für die treffend benannten Edelmetalle Au, Pt & Ag war Kitco die Preisquelle . Die Preisquelle für die unedlen Metalle Co, Ni, Pb und Stahl war LME .

Eisenerz wird derzeit für ungefähr USD 65 pro Tonne verkauft, wie in den Index Mundi und Y Charts angegeben . Das entspricht einem durchschnittlichen Eisengehalt von 60 Prozent. Die von Rio Tinto , BHP-Billiton & Vale betriebenen Tagebau-Eisenminen in Australien und Brasilien produzieren gerne Eisenerz zu diesem Preis. Zu diesem Preis produziert LKAB ebenfalls gerne Magnetit-Eisenerz aus der unterirdischen Mine Kiruna in Schweden.

Macrobusiness hat einen Artikel über die Möglichkeit veröffentlicht, dass die Eisenerzpreise 2015 auf 30 USD pro Tonne sinken.

Bei Preisen wie 0,536 bis 39,6 Millionen Dollar pro Tonne ist leicht zu erkennen, warum die Edelmetalle recycelt werden. Bei 500 USD pro Tonne für Stahlknüppel und 65 USD pro Tonne für Eisenerz besteht jedoch kein Anreiz, die Legierungsmetalle von Stahllegierungen zu trennen.


Angesichts des Preisunterschieds zwischen beispielsweise Nickel und Stahl schließt Ihre Analyse den wirtschaftlichen Grund für die Gewinnung der Legierungselemente nicht aus - obwohl sie am Ende wieder eingesetzt werden würden. Die Trennung könnte auch in geschmolzenem Zustand und / oder auf chemischem Wege erreicht werden, wenn dies wirtschaftlich wäre.
Chris H

Die Schwerkrafttrennung funktioniert bei Eisen aufgrund von Löslichkeit und thermodynamischen Überlegungen nicht. Die Schwelle für nicht akzeptable Fremdkonzentrationen ist niedriger als die Löslichkeit dieser Elemente bei Raumtemperatur. Die einzige Möglichkeit, gelöste Fremdmetalle abzutrennen, ist ein chemischer Prozess, der für Fe unwirtschaftlich ist, oder eine Destillation, die aufgrund des extremen Siedepunkts der beteiligten Metalle praktisch unmöglich ist, geschweige denn der Wirtschaftlichkeit.
wwarriner

2

Zuerst wird der Schrott an der Quelle getrennt; Beispielsweise enthält Gusseisen im Allgemeinen nur Si und Mn. Elemente mit hohem Dampfdruck kochen ab oder sammeln sich im Flussmittel / in der Schlacke: z. B. oxidiert Zn, Pb, Sn, Bi, An ,,,, Aluminium und geht in die Schlacke über. Stähle nehmen Cr-, Ni-, Mo- und Cu-Rückstände auf, im Allgemeinen sind diese vorteilhaft; Sie alle tragen zur Härtbarkeit bei, mit Ausnahme von Cu. (Cu ist wichtig für die Korrosionsbeständigkeit in der Atmosphäre). V und Nb und W sind in sehr geringen Mengen vorhanden, so unbedeutend. , Und Co, teuer und hat spezielle Anwendungen, so dass es auch an der Kratzquelle getrennt wird; Co Scrape ist leicht zu identifizieren; Heißprofilklingen und Flügel für medizinische Prothesen und Strahltriebwerke, auch in einigen Hochgeschwindigkeitswerkzeugen, wieder an der Kratzquelle getrennt. Ni-Legierungen und austenitischer Edelstahl werden an der Quelle getrennt, da sie nicht ferromagnetisch sind. Magnetischer martensitischer und ferritischer rostfreier Stahl (typischerweise 13% Cr) können an der Kratzquelle getrennt werden. Die Trennung der Stähle an den Quellen erfolgt, weil alle Legierungselemente mehr wert sind als Kohlenstoffstahl. Es müssen Bücher darüber verfügbar sein; Es ist ein wichtiger Faktor in der Stahlindustrie. Ein Beispiel dafür, was in der realen Welt passiert; Kohlenstoffstahlplatte der Klasse A 516 ist das Arbeitstier der Industrie, aber wenn ein dicker Abschnitt mit hoher Festigkeit bestellt wird, sind die Cr-, Mo- und Ni-Rückstände "irgendwie" hoch, was akzeptable Wärmebehandlungsergebnisse ermöglicht. Es ist ein wichtiger Faktor in der Stahlindustrie. Ein Beispiel dafür, was in der realen Welt passiert; Kohlenstoffstahlplatte der Klasse A 516 ist das Arbeitstier der Industrie, aber wenn ein dicker Abschnitt mit hoher Festigkeit bestellt wird, sind die Cr-, Mo- und Ni-Rückstände "irgendwie" hoch, was akzeptable Wärmebehandlungsergebnisse ermöglicht. Es ist ein wichtiger Faktor in der Stahlindustrie. Ein Beispiel dafür, was in der realen Welt passiert; Kohlenstoffstahlplatte der Klasse A 516 ist das Arbeitstier der Industrie, aber wenn ein dicker Abschnitt mit hoher Festigkeit bestellt wird, sind die Cr-, Mo- und Ni-Rückstände "irgendwie" hoch, was akzeptable Wärmebehandlungsergebnisse ermöglicht.

Durch die Nutzung unserer Website bestätigen Sie, dass Sie unsere Cookie-Richtlinie und Datenschutzrichtlinie gelesen und verstanden haben.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.