II.3.1.3. Izvodljivost dobijanja gvožđa i čelika iz pirita
Nakon 2002. godine, zbog povećane
kineske tražnje, cene rude gvožđa na
svetskom tržištu su počele da beleže
nagle skokove i od 13,8 $/t tokom 2002.
godine dostigle cenu od 200 $/t na početku 2011. godine, sa tendencijom daljeg
rasta. Povećana tražnja rude gvožđa i drastičan skok cena nametnuli su potrebu
sve češćeg korišćenja piritne izgoretine, kao sirovine za dobijanje gvožđa i
čelika. Ta situacija je naročito evidentna u kineskim železarama, koje su
počele da uvoze piritne izgoretine iz celog sveta. Takvu situaciju iskoristile
su hemijske fabrike iz Šapca i Prahova da rasprodaju zalihe piritne izgoretine
i tako se reše nasleđenih ekoloških problema. Naime, ugovorom između Elixira i kineskih
čeličana za celokupnu količinu piritne izgoreine iz Prahova i Šapca, kroz
redefinisanje prirode ovog otpada, stovorila se mogućnost da Srbija postane
veliki izvoznik zaliha piritnih izgoretina u Kinu. Nekada je Sartid, železara u
Smederevu, koristila piritnu izgoretinu kao alternativnu sirovinu za dobijanje
gvožđa, ali već dugo to ne radi zbog nepovoljnog sadržaja sumpora u toj
sirovini, kao i većih troškova prerade. Sada Elixir Grupa proučava nove
tehnologije iz ove oblasti, prvenstveno plazma tehnologiju koja se koristi u
Norveškoj. Ako se ustanovi da je racionalno i isplativo prerađivati na ovaj
način piritnu izgoretinu Elixir Grupa će razmotriti mogućnosti investiranja u
ovu tehnologiju. U tom slučaju bi se u potpunosti zatvorio ciklus od nastajanja
piritne izgoretine do potpune separacije svih sastojaka iz nje. Plazma
tehnologijom bi se iskoristili i ostali mineralni sastojci izgoretine, a ne
samo ruda gvožđa. Prosečan hemijski sastav piritnih izgoretina prikazan je u
tabeli II.3.1.3.1.
Tabela II.3.1.3.1. Prosečan hemijski
sastav piritnih izgoretina
Hemijski
element
|
Sadržaj
(%)
|
Fe
ukupno
|
59,10
|
S
|
0,86
|
Cu
|
0,28
|
Pb
|
0,036
|
Zn
|
0,0207
|
Sb
|
0,030
|
CaO
|
0,946
|
SiO2
|
7,8
|
Al2O3
|
1,54
|
Kao
što se vidi ukupan sadržaj gvožđa u piritnoj izgoretini iznosi 59,10 %. To
znači da je po tom osnovu piritna izgoretina prihvatljiva sirovina za dobijanje
gvožđa i čelika. Ono što je tehnološka smetnja da se takva sirovina direktno
upotrebi za dobijanje gvožđa i čelika u visokoj peći jeste sadržaj sumpora od 0,86 %, bakra od 0,28 %, kao i visoka
usitnjenost piritne izgoretine (preko 50 % materjala je usitnjeno ispod 75 µg.
Zbog toga, pre prerade u visokoj peći, piritnu izgoretinu je potrebno
podvrgnuti postupku ukrupnjavanja (peletizaciji) uz dodatak vezivnog sredstva
(bentonita u količini od oko 3 %) i sredstva za hloriranje (rastvora kalcijum
hlorida u količini oko 7 %. Nakon toga peleti se suše na temperaturi oko 200 0
C, a zatim žare na temperaturi oko 1200 0 C. Nakon primene navedenih postupaka pripremljeni
peleti piritne ogoretine sadrže 59,43 % gvožđa, 0,0274 % bakra i sumpora ispod
0,02 % – vidi Hemijski sastav žarenih prečišćenih peleta u Tabeli II.3.1.3.2.
Tabela II.3.1.3.2. Hemijski sastav
žarenih prečišćenih peleta piritne izgoretine
Hemijski
element
|
Sadržaj
(%)
|
Fe
|
59,43
|
S
|
<
0,02
|
Cu
|
0,0274
|
CaO
|
2,63
|
SiO2
|
10,40
|
Al2O3
|
1,83
|
TiO2
|
0,397
|
U visoku peć (visine 23 – 25 m) šarža
se ubacuje sa vrha peći. Šarža se sastoji od mešavine materjala koji sadrži
gvožđe, legirajuće elemente (po potrebi rude Cr, Co, Mn), topitelj (kvarc i
krečnjak) i koksa. Prilikom šaržiranja prvo se ubacuje koks, zatim topitelj i
na kraju pripremljeni peleti piritne izgoretine. Princip rada visoke peći sastoji
se u redukciji oksida gvožđa iz piritne izgoretine sa ugljenikom iz koksa, pri
čemu nastaje metalno gvožđe. Maksimalna temperatura visoke peći je oko 1900 0
C. Konstrukcija visoke peći je od čelika, koji obezbeđuje potrebnu sigurnost
peći. Unutrašnjost peći je ozidana vatrostalnim meterijalom, čija je uloga da
na sebe preuzme uticaj visoke temperature. Vatrostalna obloga treba da ima
dovoljnu vatrostalnost, da bude mehanički dovoljno otporna prema trošenju pri
silaženju šarže kroz peć, dovoljno otporna prema dejstvu tečne troske i metala,
kao i prema dejstvu gasova i para u peći. Radi sprečavanja „pregorevanja“ peći,
ozid peći je opremljen tzv „žaketima“ kroz koje se podešava protok vode radi
regulisanja dozvoljene radne temperature ozida. Zagrejana voda se posredstvom
izmenjivača koristi za dobijanje toplotne energije i nakon hlađenja vraća u
proces. U gornjem delu
pećice uduvava se predgrejan vazduh na oko 1000 0 C. Vazduh
se uduvava kroz duvnice (8 – 16 komada). Iz peći izlazi visokopećni gas sa
temperaturom od 200 0 C do 400 0 C. Šematski
izgled visoke peći prikazan je na sl. II.3.1.3.1.
Osnovni jalovi
minerali su oksidi silicijuma i aluminijuma i oni se tope na višim
temperaturama nego što je to temperatura rada visoke peći. Međutim, dodatkom
topitelja oksidi jalovine grade komponente, koje imaju nižu temperaturu
topljenja nego što je temperatura rada visoke peći. Tako pri topljenju i
prevođenju čvrste faze u tečno stanje na dnu peći (pećici) obrazuju se dva
sloja. Gornji sloj čini troska (šljaka), pošto je lakša od metala, a metal kao
teži pada na dno. Osnovna uloga šljake je da gvožđe iz piritne izgoretine, uz
pomoć topitelja, oslobodi od bakra i sumpora.
U visokoj peći gvožđe je u stalnom
dodiru sa šljakom i njen sastav se silaženjem kroz peć stalno menja. Hemijski
sastav tečne šljake je veoma složen, pa prema tome i njeno dejstvo na metal.
Za dobar rad peći treba uduvavati
maksimalnu količinu vazduha koju ona može da primi. Održavanje konstantnog
režima rada peći jedan je od osnovnih uslova za dobar kvalitet gvožđa, visoku
proizvodnost i visoku ekonomičnost. Poremećaji u toku rada visoke peći mogu da
nastanu usled zahlađenja peći (zbog nepravilnog raspoređivanja sirovine po
preseku peći), povećanje količine rude u šarži, pogoršanje kvaliteta koksa,
suviše brzog spuštanja šarže, duži rad sa nedovoljno napunjenom peći, sniženje
temperature uduvavanog vazduha, prodor veće količine vode u visoku peć, i
nemarnost osoblja.
Proizvodi visoke peći su: gvožđe, šljaka (troska), visokopećni gas i
visokopećna prašina. Gvožđe, koje je osnovni proizvod visoke peći nije
finalni produkt, već se ono koristi kao polazna sirovina za proizvodnju čelika
ili za preradu u livene proizvode. Troska visoke peći, visokopećni gas i
prašina su ranije bili bezvredni proizvodi, a danas se nastoji da se ovi
produkti što racionalnije iskoriste.
U zavisnosti
od namene, gvožđe može biti:
- livačko
gvožđe, koje se pretapa i koristi za livenje raznih predmeta. U ove svrhe se
troši samo oko 1/8 od ukupne količine proizvedenog gvožđa.
- belo gvožđe,
koje se koristi za preradu u čelik, gde se troši oko 7/8 od ukupne količine
gvožđa,
- legirano
gvožđe i ferolegure koji se koriste u proizvodnji čelika za dezoksidaciju, za
legiranje i korekciju sastava čelika itd.
Hemijski proces redukcije oksida gvožđa pomoću
ugljenika ili ugljenmonoksida na visokim temperaturama prikazan je sledećim
reakcijama:
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4
+ CO2
Fe3O4 + CO = 3FeO +CO2
FeO + CO = Fe + CO2
Navedene reakcije i dobijanje gvoždja sa više od 2,14%
ugljenika u industrijskim razmerama se izvode u visokim pećima, koje danas mogu
da imaju i kapacitete od preko 5.000 tona/dan.
Dodavanjem rude mangana reguliše se povoljan sadržaj
mangana u gvožđu. Pored redukcije oksida željeza iz rude ili
koncentrata i drugi prisutni oksidi se u visokoj peći redukuju, na primer:
- oksidi mangana: MnO2 – Mn2O5
– MnO – Mn, oksidi silicijuma: SiO2 – Si, i oni prelaze u metalno gvožđe.
Pri proizvodnji čelika iz gvožđa – prvo
se proizvodi gvožđe a zatim se ono rafinacijom prerađuje u čelik, odnosno, oksidacijom
se rastvorene količine elemenata u gvožđu (ugljenik, silicijum, mangan, fosfor,
sumpor) umanjuju na željene i dozvoljene procente u čeliku.
Priprema sirovine za dobijanje
čelika je znatno jednostavnija nego što je to priprema za dobijanje gvožđa. Priprema
gvožđa obuhvata odstranjivanje sumpora i fosfora maksimalno što je moguće pre
nego se ubaci u peć za proizvodnju čelika.
Otpadni čelik se priprema tako što
se veliki komadi sečenjem usitne, a sitni presovanjem ukrupne.
Kreč, koji se dodaje kao topitelj
mora da bude dobro pečen i odgovarajućeg hemijskog sastava.
Ferolegure koje se dodaju kao
sredstvo za dezoksidaciju i naknadno legiranje, radi postizanja konačnog
sastava čelika, moraju da budu dovoljno usitnjene, osušene i često zagrejane
pre nego se ubace u čelik.
Za dobijanje
čelika koriste se sledeći postupci:
-
Besemerov,
-
Tomasov,
-
Kiseonično – konvertorski,
-
Prerada u elektropeći.
Besemerov postupak
je uveden 1855. godine i izvodi se u konvertoru, u koji se ubacuje tečno gvožđe
i uduvava vazduh. Na najnižem dijelu radnog prostora nalaze se duvnice. Kada se
konvertor napuni tečnim gvožđem počenje se sa uduvavanjem vazduha i konvertor
se ispravi u vertikalni položaj. Prisutni elementi (silicijum, mangan,
ugljenik) se oksidišu i tako obrazovani oksidi prelaze u šljaku, a nakon
smanjenja sadržaja ugljenika obrazuje se čelik. Vatrostalna obloga Besemerovih
konvertora je je silikatna tj. kisela u kojoj je sadržaj SiO2 preko
98%. Besemerovi konvertori mogu u jednoj operaciji da daju i do 25 tona čelika.
Međutim, ovim postupkom se ne može preraditi gvožđe sa visokim sadržajem
sumpora i fosfora.
Tomasov postupak
se takođe izvodi u konvertorima, ali za razliku od postupka po Besemeru u ovom
slučaju vatrostalna obloga je bazna, te zato i šljaka biti baznog karaktera.
Prednost ovog postupka je u tome što može da se preradi u čelik i gvožđe koje
ima veći sadržaj sumpora (0.05 – 0.12%) i fosfora (1.8 – 2.2%). Dok je kod
Besemerovog postupka osnovni izvor toplote oksidacija silicijuma (egzotermna
reakcija), kod Tomasovog postupka izvor toplote je oksidacija fosfora.
Čelik
dobijen po Besemerovom i Tomasovom postupku, zbog pojave koje prouzrokuju azot
i vodonik ne može da se podjednako koristi za izradu svih predmeta od čelika.
Jedan od načina odvajanja azota i vodonika iz čelika vrši se proizvodnjom
čelika po klasičnom konvertorskom postupku, po kome se umesto kiseonika u vidu
vazduha, u konvertor uduvava tehnički čist kiseonik (dobija se iz vazduha
odvajanjem azota i sadrži oko 98% kiseonika). Da bi mogao da se koristi
tehnički čist kiseonik za prevođenje gvožđa u čelik konvertori su morali da se
znatno konstrukcijski izmene. Kiseonički konvertor nema više otvore na dnu,
nego cev kroz koju se odozgo uduvava kiseonik. Na ovaj način postignuto je:
-
rastvaranje
azota i vodonika svedeno je na minimum, tako da čelik dobijen u kiseoničkim
konvertorima može da se primeni za brojne svrhe;
-
gasovi koji
izlaze iz kiseoničkog konvertora imaju znatno manju zapreminu nego gasovi koji
izlaze iz Besemerovog i Tomasovog konvertora, jer ne sadrže azot i zbog toga
imaju manje toplote;
-
mešanje
kiseonika sa metalom u kiseoničnom konvertoru je slabije nego u Tomasovom i
Besemerovom konvertoru, što ima i pozitivnih i negativnih posledica –
nedovoljno mešanje dovodi do nepotpune oksidacije primesa, dok šljaka veoma
brzo reaguje sa sumporom i fosforom i to predstavlja osnovnu prednost
kiseoničkog postupka.
Elektro peći koriste
električnu energiju kao izvor toplote. Peći za topljenje čelika izrađuju se na
dva načina:
-
na bazi
električnog luka, i
-
pomoću
indukcije.
U lučnim
pećima izvor toplote je električni luk, koji se obrazuje između elektroda i
metala, a u indukcionim pećima, se u samom metalu posredstvom naročitog
prevođenja električne struje, indukuje električna sila i na taj način se
električna energija pretvara u toplotu.
Prednost
elektro pećnih čelika u odnosu na konvertorski čelik se sastoji u sledećem:
-
lako se
postižu visoke temperature,
-
nema
preodukata sagorijevanja,
-
metal je
topliji od vatrostalne obloge tj. troši se manje obloge, naročito pri
pretapanju čelika,
-
dodatne legure
manje se oksidišu, čime se lakše reguliše sastav.
Nenad Radulović
Нема коментара:
Постави коментар