Особенности рециклинга лома чёрных металлов

В наступившем тысячелетии металлический лом стал рассматриваться в качестве важнейшего вторичного (техногенного) ресурса современной цивилизации. Лом благородных и редких металлов уже более ста лет в индустриально развитых странах мира считается национальным стратегическим резервом. Из амортизационного лома в настоящее время производится свыше 50 % всего получаемого в мире свинца и до 25 % — алюминия. Однако особое значение имеет стальной металлолом. Рециклинг чёрных металлов в виде стального лома достигает почти 70 % от уровня их производства в качестве готовой продукции [60—63].

Как уже отмечалось выше, металлолом принято подразделять на оборотный, амортизационный и лом металлообработки. Оборотный лом образуется на металлургических предприятиях в виде отходов при производстве стального проката и других видов стальных полупродуктов. Он практически полностью утилизируется в рамках производственного рециклинга, его количество непрерывно уменьшается за счёт внедрения новых способов производства стальной продукции. Наиболее значительное снижение образования оборотного лома (в среднем с 250 до 100 кг лома/т проката) было достигнуто в результате активного внедрения в 1960—1980 гг. технологии непрерывного литья стальных заготовок для прокатки.

Лом металлообработки образуется в процессах переработки стального проката в готовый продукт (потребительский товар). Объём образования этого вида лома также непрерывно снижается за счёт совершенствования технологий металлообработки. Амортизационный лом состоит из стальных, чугунных, железных продуктов, выработавших срок эксплуатации (списанных после окончания срока службы). Спектр амортизационного лома чрезвычайно широк, он включает в себя металлические приборы, автомобили, металлическую тару, электроприборы и т.д.

Химический состав амортизационного лома сильно разнится в зависимости от его происхождения и способа обработки. Средний срок службы стальных конструкций в развитых индустриальных странах постоянно уменьшается и оценивается в настоящее время в 15 лет, а автомобилей и электрооборудования в 3—5 лет. Поэтому количество амортизационного лома непрерывно возрастает.

Современные конвертерный и электропечной способы выплавки стали ориентированы на 100 %-ную непрерывную её разливку, что значительно сокращает ресурсы оборотного лома, получаемого при производстве чёрных металлов. Переход на непрерывную разливку способствует уменьшению тяжеловесной обрези и повышению доли легковесных отходов. В этом же направлении действует увеличение производства мелкосортного проката и катанки, тонколистового и холоднокатаного проката.

В настоящее время потребности чёрной металлургии в ресурсах лома практически в 2 раза превышают объём внутризаводского оборота лома. Поэтому рост потребности металлургии в покупном ломе, получаемом от заводов других отраслей и предприятий по заготовке металлолома, в последние годы стал определяющим для экономичной и стабильной работы сталеплавильных цехов и агрегатов.

Под металлофондом понимается общее количество конкретного металла, накопленного на территории государства в виде изделий, машин, устройств, зданий, сооружений, коммуникаций и т.п. Совместно с металлом, накопленным в техногенных грунтах горнометаллургических регионов, металлофонд представляет собой техногенные ресурсы металла. Основными причинами уменьшения металлофонда являются безвозвратные потери металла в результате процессов коррозии (ржавления) и истирания металлических деталей в процессе эксплуатации, а также диссипации из техногенных месторождений в результате процессов выветривания, вымывания и т.п.

Важнейшей проблемой, с которой сталкивается современная металлургия, является проблема присутствия в амортизационном ломе примесных микроэлементов. Результаты последних исследований, проведённых в индустриально развитых странах, показывают, что между количеством микропримесей в металлоломе, уровнем образования амортизационного лома и жизненным циклом стальных изделий существует сложная взаимосвязь [63—66].

Принципиально новые проблемы создает переработка всё больших количеств таких специфических видов лома как автомобильный, электронный и электротехнический. Главным способом переработки ВЭА и ЭЭО является шредирование. Ценность шредированного лома для электроплавильных производств очевидна. Металлические компоненты, составляющие основную часть автомобиля, перерабатываются как лом чёрных металлов, но из—за широкого использования в конструкции автомобилей оцинкованной листовой стали и из—за примешивания к стальному лому цветных металлов продуктом его переработки на электрометаллургических заводах является сортовой прокат низкокачественных сталей.

Постоянно увеличивающееся применение лома для производства длинномерной и тонколистовой продукции на мини—заводах заставляет проводить интенсивные работы по исследованию влияния содержания элементов—примесей и элементов—следов, что сопровождаться регулярным обновлением действующих стандартов.

Например, в странах Европейского Союза в 2002 г. приняты технические условия на стальной лом. В них указаны желательные концентрации микроэлементов—примесей (Cu, Sn, Cr, Ni, Mo). При выплавке специальных марок стали применяется стандарт, учитывающий максимально допустимое содержание элементов в чугуне и ломе [65].

Технологические и потребительские свойства сталей (особенно специальных) в основном зависят от химического состава, параметров изготовления и термической обработки. Некоторые элементы уже при самых незначительных содержаниях вызывают заметные изменения свойств. В работе [67] даётся следующее определение: «… термином «элемент—примесь» обозначаются элементы, которые не добавляются в сталь специально, но неизбежно в ней присутствуют».

Содержание элемента—примеси в специальных сталях обычно колеблется в пределах от 10—5 до 10—1 % (масс). Знание механизма действия элементов—примесей является предпосылкой для организации целенаправленного управления металлургическими процессами, получения высокого уровня технологических свойств и снижения воздействия на окружающую среду [68—70].

В последние 15—20 лет на фоне изменившегося содержания элементов—примесей в сырье, особенно в связи с ухудшением качества лома и нежелательным обогащением примесями в оборотной системе «сталь — лом — сталь», вопросы влияния элементов—примесей на свойства стали приобрели особую актуальность.

Определение характера влияния каждого элемента—примеси затрудняется в связи с тем, что в сталях их присутствует несколько, и они вступают во взаимодействие между собой и с легирующими элементами. Отрицательное воздействие элементов—примесей на свойтсва стали основывается на местном обогащении при ликвации и (или) образовании новых выделяющихся фаз. Элементы—примеси активно воздействуют на диффузионные процессы, изменяют условия зародышеобразования, нарушают термодинамическое равновесие на границах зёрен.

В зависимости от химического и минералогического состава и предыстории термообработки исходных шихтовых материалов и продуктов металлургических переделов микроэлементы могут присутствовать в чугунах и сталях в твёрдом растворе, в виде продуктов ликвации, кристаллизации из расплава или выделений из твёрдого раствора и т.п. Как правило, существенное влияние микропримесей на свойства металла связано с их присутствием на границах зёрен, определяемым протеканием процессов межкристаллической ликвации.

Хотя равновесная концентрация микроэлементов в стали или чугуне чрезвычайно мала, в результате ликвации на межзёренных и межфазных границах она может оказаться в несколько десятков, сотен и даже тысяч раз выше. Теоретически при диаметре кристаллического зерна 30 мкм и концентрации примесного микроэлемента 10 г/т может оказаться перекрытой вся граница зерна (слоем толщиной в один атом).

Если учитывать процессы макроликвации, то нельзя считать безопасной даже концентрацию 1 г/т. Общеизвестно, что границы зёрен служат препятствием для развития деформации и трещин, придают прочность и вязкость, но, с другой стороны, они же составляют самое слабое место структуры материала в целом. Поэтому межкристаллическая ликвация является причиной «охрупчивания» границ зёрен, межкристаллической коррозии и, как следствие, снижения прочности изделия.

Особое значение имеет проблема так называемых «бродячих элементов». Металлургический термин «бродячие элементы» пришел из американского сленга (бесцельно скитающиеся бродяги, всегда были нежеланными гостями). В отечественной специальной литературе иногда используется термин «циркулирующие элементы». Наиболее важными бродячими элементами считаются: Cu, Sn, Zn, Pb, Bi, Sb, Ni, Cr, Mo, V.

В общем случае элемент—примесь может быть либо микролегирующим, либо бродячим, что определяется его содержанием и общим составом производимого металла. Необходимо отметить, что в специальной литературе нет специального разделения на бродячие, микропримесные или «следовые» элементы.

Распространено мнение, что следовые элементы присутствуют в металлах в столь низких концентрациях и в таких формах, что они не оказывают вредного влияния на качество стали. В отличие от них бродячие элементы не только оказывают вредное воздействие на качество металла, но и не могут быть легко удалены из него и, поэтому, постоянно аккумулируются во время кругооборота «сталь — металлолом — сталь».

Для современного амортизационного лома чёрных металлов типичны повышенные содержания хрома, меди, никеля, олова и мышьяка. Для меди, хрома и никеля в последнее десятилетие утвердилась специальная общепринятая аббревиатура «CCN». Считается, что на эти элементы—примеси металлургическими способами повлиять практически невозможно. Поэтому регламентированные в стандартах значения могут быть выдержаны только при селективном подборе лома. Наличие вышеупомянутых элементов в стальном прокате значительно ухудшает показатели прочности, пластичности и вязкости, что приводит к появлению поверхностных дефектов на готовых изделиях.

Существенные изменения в последние годы происходят и в индустрии добычи природного сырья — железных руд. Железорудная база индустриально развитых стран в основном формируется богатыми месторождениями Бразилии, Австралии, Канады, Швеции, ЮАР и Северо—Западной Африки (Мавритания и Либерия). Запасы железной руды на действующих рудниках уменьшаются. При этом большинство разрабатываемых в настоящее время железорудных месторождений располагается в непосредственной близости к другим железорудным месторождениям, и многие добывающие предприятия увеличивают срок своей деятельности и объём добычи руды путём перехода к эксплуатации соседних месторождений.

Владельцы большинства существующих горных предприятий указывают на большие запасы железной руды в уже освоенных районах и в дальнейшем предполагают производить железорудную продукцию в количестве, удовлетворяющем спрос на неё в течение многих лет, но у специалистов есть основания предполагать, что эта железорудная продукция не будет удовлетворять ряду важнейших требований.

В частности, чётко обозначилась тенденция к тому, что с течением времени руда, добываемая на этих предприятиях, становится мелкокусковой, возрастает количество рудной мелочи. Особо следует отметить, что остаётся руда с высоким содержанием фосфора, серы и примесных микроэлементов.

Поскольку примесным микроэлементам большое значение стали уделять лишь в последние годы, на многих добывающих предприятиях не систематизировали сведения, полученные при прежней геологической разведке, или эти сведения анализировали с совершенно иной точки зрения. Поэтому геологам и работникам, занимающимся планированием, ещё недостаточно хорошо известно, как распределяются микроэлементы в объёме рудного пласта, как они связаны между собой или с минералами и т. д. Для получения этих данных необходимо проведение масштабных дополнительных геостатистических и минералогических исследований.

Новый взгляд на проблему микроэлементов сформировался совсем недавно. В процессе исследований, связанных с разработкой новых технологий рафинирования стали и чугуна, обратили внимание на возможность использования для повышения качества металлоизделий композиций микропримесей, которые ранее считались вредными. К таким композициям относятся: сульфиды, фосфиды, нитриды, бориды, галогениды, арсениды, карбиды.

Исследовательская работа получила новое направление: достижение равномерного распределения микроэлементов в металле и поиск композиций микроэлементов, повышающих качественные характеристики изделий. На повестке дня одним из главных становится вопрос об управлении потоками микроэлементов в рамках производственного и глобального рециклинга материалов и продукции.

В кислородно—конвертерном и электросталеплавильном производстве возможно использование чугуна и лома в широком диапазоне их соотношения в шихте. Плавка и в кислородном конвертере, и в дуговой печи проходит в окислительной среде.

Самое низкое химическое сродство к кислороду при 1600 C имеет медь; далее следуют никель, мышьяк, сурьма, олово, молибден, фосфор, железо, цинк и хром. Если избавиться от примесей посредством окисления невозможно, применяется технология удаления под вакуумом. Однако даже в вакууме не возможно снизить содержание мышьяка, сурьмы и свинца до уровней ниже 0,1 % (масс.). Медь и олово вообще невозможно удалить вакуумированием расплава. Вообще же микропримеси можно подразделить на три группы: неудаля—емые; ограниченно удаляемые; легко удаляемые микропримеси (табл. 5—8) [71, 72].

Сравнительный анализ показывает, что большинство микропримесей вносится с металлоломом. В целом процесс в дуговой печи имеет ряд недостатков по сравнению с кислородно—конвертерным с точки зрения достижения низкого содержания неудаляемых микропримесей. По мнению большинства специалистов, образование и накопление вредных микропримесей в жизненном цикле стальных изделий будет существенно ухудшать ситуацию в будущем.