Επιχειρησιακό Πρόγραμμα Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση «Επικαιροποίηση γνώσεων αποφοίτων Α.Ε.Ι.» ΠΕΓΑ_ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ (MIS: 478889) ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ 1.4. Τεχνολογία ανακύκλωσης σιδηρούχων κραμάτων και κραμάτων Al, Καθηγήτρια Εφαρμογών Α.Ε.Ι. Πειραιά Τ.Τ. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Πρόγραµµατος «Εκπαίδευση και ια Βίου Μάθηση» και συγχρηµατοδοττειται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταµείο) και από εθνικούς πόρους. Οργανώνεται από το Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Τ.Ε. του Α.Ε.Ι. Πειραιά Τ.Τ., σε συνεργασία με το Τμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικών του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων και το Τμήμα Εκπαιδευτικών Μηχανολόγων Μηχανικών της Α.Σ.ΠΑΙ.ΤΕ.
1. Εισαγωγή 1.1 Απόβλητα Αν το ψυγείο χάλασε ή πάλιωσε, το πετάμε στα σκουπίδια. Αν τα οικιακά σκεύη (μεταλλικά, πλαστικά, γυάλινα) έχουν σπάσει, έχουν παλιώσει ή δεν μας χρειάζονται πια, τα πετάμε στα σκουπίδια. Όταν αδειάζουν οι μπαταρίες του τηλεκοντρόλ της τηλεόρασης, τα πετάμε στα σκουπίδια. Όταν παλιώνει ένα ρούχο ή ένα υπόδημα ή δεν μας κάνουν πια ή δεν είναι στην μόδα, απλά τα πετάμε στα σκουπίδια. Όταν λαμβάνουμε δώρα, το αμπαλάζ το σκίζουμε και το πετάμε στα σκουπίδια. Γενικά ως σκουπίδι (ή απόβλητο) ορίζεται κάθε ανεπιθύμητο αντικείμενο. Τα απόβλητα αφήνονται σε συγκεκριμένα σημεία, συλλέγονται από την αρμόδια υπηρεσία και μεταφέρονται σε ειδικούς χώρους (σκουπιδότοπους). 1.2 Ανακύκλωση Η ανακύκλωση είναι μία διαδικασία της μετατροπής των αποβλήτων κάθε είδους σε δυνητικά χρήσιμα υλικά ή προϊόντα. Με τη στενή έννοια, η ανακύκλωση ενός υλικού παράγει ένα νέο προϊόν από το ίδιο υλικό. Το χαρτί γραφείου θα πρέπει να μετατραπεί σε νέο χαρτί γραφείου. Αυτό είναι συχνά δύσκολο ή στοιχίζει ακριβά σε σύγκριση με την παραγωγή του ίδιου προϊόντος από πρώτες ύλες ή άλλες πηγές. Κατά συνέπια η "ανακύκλωση" πολλών προϊόντων ή υλικών περιλαμβάνει την επαναχρησιμοποίηση τους στην παραγωγή διαφόρων υλικών (π.χ. από χαρτί σε χαρτόνι) αντί αυτού. Μια άλλη μορφή της ανακύκλωσης είναι η διάσωση ορισμένων υλικών από σύνθετα προϊόντα, είτε λόγω της εγγενούς αξίας τους (π.χ. μολύβδου από μπαταρίες αυτοκινήτων ή χρυσό από εξαρτήματα ηλεκτρονικών υπολογιστών), ή λόγω της επικίνδυνης φύσης τους (π.χ., αφαίρεση και επαναχρησιμοποίηση του υδραργύρου από διάφορα αντικείμενα). Τα ανακυκλώσιμα υλικά περιλαμβάνουν πολλά είδη όπως, γυαλί, χαρτί, μέταλλο, πλαστικό, υφάσματα, και ηλεκτρονικά. Η κομποστοποίηση και η επαναχρησιμοποίηση των βιοαποδομήσιμων αποβλήτων ( όπως είναι τα τρόφιμα ή τα απορρίμματα κήπων) θεωρείται, επίσης ανακύκλωση. Η ανακύκλωση είναι το βασικό μέσο της σύγχρονης μείωσης των αποβλήτων. Μέσω της ανακύκλωσης: μειώνεται η χρήση των πρώτων υλών, μειώνεται η ενέργεια η οποία δαπανάται κατά την παραγωγική διαδικασία. Πολλές φορές κατά την ανακύκλωση προκύπτει ενέργεια, μειώνεται η ατμοσφαιρική ρύπανση η οποία προκαλείται κυρίως από την αποτέφρωση κάθε είδους σκουπιδιών ή την καύση πρώτων υλών ή από την αποσύνθεση σκουπιδιών, μειώνεται η μόλυνση του νερού που προκαλείται από τα φρεάτια ή την υγειονομική ταφή, μειώνεται η εκπομπή αερίων του θερμοκηπίου στην περίπτωση παραγωγής πλαστικών. Οι επικριτές υποστηρίζουν ότι το κόστος και η ενέργεια που χρησιμοποιείται για τη συλλογή και τη μεταφορά υπερκαλύπτει το κόστος και την ενέργεια που εξοικονομήθηκε κατά την παραγωγική διαδικασία. Επίσης οι θέσεις εργασίας που απαιτούνται στην βιομηχανία ανακύκλωσης υστερούν των θέσεων εργασίας που χάνονται για την εξόρυξη, και άλλες βιομηχανικές δραστηριότητες που συνδέονται με την ατόφια παραγωγή. Επιπλέον, κάποια υλικά όπως το χαρτί 1/12
υφίστανται μόνο μερικές φορές ανακύκλωση, πριν από την υποβάθμιση του υλικού που εμποδίζει την περαιτέρω ανακύκλωση του. Οι υποστηρικτές της ανακύκλωσης και η εγκυρότητα των επιχειρημάτων των επικριτών της έχει οδηγήσει στην διαρκή αντιπαράθεση των δύο πλευρών. 1.3 Νομοθεσία Το πρόγραμμα ανακύκλωσης έχει νομοθετηθεί και αφορά: Την υποχρεωτική συλλογή: Αναφέρεται στις πόλεις και προβλέπει ένα ορισμένο ποσοστό ανακυκλώσιμων υλικών να εκτραπούν από τη ροή των αποβλήτων της πόλης σε συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Την αποθήκευση των δοχείων συσκευασίας: Συνίσταται στην προσφορά επιστροφής χρημάτων για την επιστροφή ορισμένων δοχείων, συνήθως από γυαλί, πλαστικό και μέταλλο. Όταν έχει αγοραστεί ένα προϊόν σε ανακυκλώσιμο δοχείο, προστίθεται στην τιμή μια μικρή επιβάρυνση. Αυτή η προσαύξηση μπορεί να ανακτηθεί από τον καταναλωτή, εάν επιστρέφει το δοχείο σε σημείο συλλογής. Τα προγράμματα αυτά έχουν μεγάλη επιτυχία, και φθάνουν σε 80% ποσοστό ανακύκλωσης. Την απαγόρευση της διάθεσης ορισμένων υλικών ως απόβλητα όπως το χρησιμοποιημένο λάδι, παλιές μπαταρίες, ελαστικά αυτοκινήτου και τα απορρίμματα του κήπου. Ένας από τους στόχους αυτής της μεθόδου είναι να δημιουργηθεί μια βιώσιμη οικονομία για την ορθή διάθεση των απαγορευμένων προϊόντων. Οι απαγορεύσεις συχνά οδηγούν στην αύξηση της παράνομης απόρριψης λόγω ανεπάρκειας των υπηρεσιών ανακύκλωσης. 1.4 Τυποποίηση Η ανακύκλωση είναι μία σύνθετη διαδικασία με ιδιαιτερότητες που σχετίζονται με τα απόβλητα και εκτελείται βάσει προτύπων. Υπάρχουν πρότυπα ISO που σχετίζονται με την τεχνολογία ανακύκλωσης ανά προϊόν, όπως το ISO 15270:2008 για τα πλαστικά και άλλα που σχετίζονται με την διαδικασία, όπως το ISO 14001:2004 για τον έλεγχο του περιβάλλοντος διαχείρισης της πρακτικής της ανακύκλωσης. Τα προϊόντα που προέκυψαν από ανακύκλωση φέρουν ένα ειδικό σήμα (Εικόνα 1) και συνίσταται να προτιμούνται από το αγοραστικό κοινό. Εικόνα 1.Διεθνή σήμα προϊόντος από ανακύκλωση 2/12
1.5 Ανακύκλωση μεταλλικών υλικών Η ανακύκλωση των μετάλλων ξεκίνησε πολύ πριν από την γενική ανακύκλωση των απορριμμάτων για καθαρά οικονομικούς λόγους. Παγκοσμίως, πάνω από 400 εκατομμύρια τόνους μετάλλου ανακυκλώνονται κάθε χρόνο. 2. Ανακύκλωση σιδηρούχων κραμάτων 2.1 Παραγωγή κραμάτων σιδήρου άνθρακα Ο σίδηρος (Fe) είναι ένα σχετικά πυκνό μέταλλο με ασημί λευκή εμφάνιση και μαγνητικές ιδιότητες. Αποτελεί το 5% κατά βάρος του φλοιού της Γης, το τέταρτο πιο άφθονο στοιχείο μετά το οξυγόνο, το πυρίτιο και το αργίλιο. Ο χάλυβας είναι κράμα σιδήρου - άνθρακα και παράγεται σε διάφορες μορφές για 3.500 χρόνια. Στην αρχή ο άνθρωπος χρησιμοποίησε το «μετεωριτικό» σίδηρο. Ο σύγχρονος χάλυβας είναι κατασκευασμένος μεταλλουργικά από σιδηρομετάλλευμα. Τα σιδηρομεταλλεύματα είναι χημικές ενώσεις του σιδήρου τα οποία αξιολογούνται από την περιεκτικότητα τους σε σίδηρο (πλεονέκτημα) και φώσφορο (μειονέκτημα). Τα σπουδαιότερα είναι ό μαγνητίτης (Fe 3 O 4 ) με 72,4%Fe, ο αιματίτης (Fe 2 O 3 ) με 40-65%Fe, ο λειμωνίτης (2Fe 2 O 3 Η 2 Ο) με 20-55%Fe, ο σιδηρίτης (FeCO 3 ) με χαμηλή περιεκτικότητα σε Fe και ο σιδηροπυρίτης (FeS 2 ). Τα μεγαλύτερα κοιτάσματα σιδήρου βρίσκονται στην Αμερική, Ρωσία, Μεγάλη Βρετανία, Γαλλία, Σουηδία, Καναδάς, Βραζιλία και Ινδία. 2.1.1 Η μεταλλουργία του σιδήρου Αρχικά γίνεται εξόρυξη του σιδηρομεταλλεύματος το οποίο υφίσταται μηχανική επεξεργασία (Σχήμα 1). Η μηχανική επεξεργασία περιλαμβάνει: πρώτη θραύση, κοσκίνισμα (απομάκρυνση των γεωδών προσμίξεων), πρωτογενής μαγνητικό διαχωρισμό, δευτερογενής λειοτρίβηση (για κονιοποίηση), εμπλουτισμό (με υδρομηχανικό διαχωρισμό-υδροκυκλώνας ή με επίπλευση), δευτερογενής μαγνητικό διαχωρισμό, πύκνωση, διήθηση, συσσωμάτωση, πύρωση και κοσκίνισμα. Σχήμα 1: Η μηχανουργική επεξεργασία του μεταλλεύματος 3/12
Ακολουθεί η μεταλλουργική επεξεργασία η οποία βασίζεται στην αναγωγή του μεταλλεύματος (απομάκρυνση του οξυγόνου από τα οξείδια του σιδήρου) σε ειδικούς καμίνους. Η αναγωγή των μεταλλικών ενώσεων γίνεται πιο εύκολα στην υγρή κατάσταση. Για παράδειγμα, με την αναγωγή σιδηρομεταλλευμάτων στην υψικάμινο προκύπτει υγρός χυτοσίδηρος. Τα θειούχα σιδηρομεταλλεύματα (όπως ο σιδηροπυρίτης) υποβάλλονται προηγούμενος σε φρύξη. Η φρύξη του μεταλλεύματος έχει σκοπό να μετατρέψει τις κύριες στερεές φάσεις της τροφοδοσίας (μεταλλεύματος ή συμπυκνώματος) σε άλλες φάσεις που είναι πιο ευκατέργαστες. Στην περίπτωση του σιδηροπυρίτη πρώτα παρασκευάζεται διοξείδιο του θείου (και από αυτό θεϊκό οξύ το οποίο απομακρύνεται) και παράλληλα παράγεται οξείδιο του σιδήρου το οποίο χρησιμοποιείται για την παρασκευή του σιδήρου. Η μεταλλουργία του σιδήρου έχει δυο φάσεις: την παρασκευή του χυτοσιδήρου από τα σιδηρομεταλλεύματα και την επεξεργασία του χυτοσιδήρου για να παραχθεί σφυρήλατος σίδηρος και χάλυβας. 2.1.2 Παρασκευή χυτοσιδήρου Για την παρασκευή χυτοσιδήρου χρησιμοποιούνται δυο μεθόδοι: η μέθοδος υψικαμίνου και η μέθοδος Κρουπ-Ρεν. Έως το 1850 η παγκόσμια παραγωγή ρευστού χυτοσιδήρου δεν ξεπερνούσε τα 3 εκ. τόνους. Το 18 ο αιώνα η ανάπτυξη των υψικαμίνων έκανε δυνατή την παραγωγή χυτοσιδήρου σε μεγάλες ποσότητες. Στην μέθοδος υψικαμίνου χρησιμοποιούνται κατακόρυφες κυλινδρικές κάμινοι με διάμετρο 7-8 μέτρα και ύψος 30 μέτρα (Σχήμα 2). Οι υψικάμινοι αποτελούνται από χαλύβδινο μανδύα εσωτερικά επενδυμένο με πυρίμαχες πλίνθους. Από το στόμιο τροφοδοτήσεως εισάγονται σε εναλλασσόμενα στρώματα τα μεταλλεύματα, ο άνθρακας, μεταλλουργικό κοκ και συλλιπάσματα. Ο άνθρακας χρησιμεύει στην θέρμανση της υψικαμίνους, στην αναγωγή των οξειδίων του σιδήρου και στην ενανθράκωση του σιδήρου. Το μεταλλουργικό κοκ υποβοηθά τον άνθρακα. Σχήμα 2: Τομή υψικαμίνου Τα συλλιπάσματα σχηματίζουν ενώσεις με τις ξένες προσμείξεις οι οποίες ονομάζονται σκουριές. Η σκουριά είναι μείγμα τηγμένων οξειδίων που ως 4/12
ελαφρύτερα δεν αναμειγνύονται με το τηγμένο μέταλλο και επιπλέουν πάνω από αυτό. Οι σκουριές τήκονται εύκολα και απομακρύνονται από τον σίδηρο που παράγεται. Το είδος των συλλυπασμάτων εξαρτάται από τις ξένες προσμίξεις του σιδηρομεταλλεύματος. Συνήθως είναι ενώσεις πυριτίου αργιλίου ή ασβεστολιθικά. Από το κάτω μέρος της υψικαμίνου εισέρχεται αέρας τελείως ξερός (αφού πρώτα έχει περαστεί από Silicagel). Ο αέρας της καύσης θερμαίνεται σε 800 ο C, καίγεται ο άνθρακας (κοκ) από το κάτω μέρος της υψικαμίνου και σχηματίζεται διοξείδιο του άνθρακα. Παράλληλα ο άνθρακας που βρίσκεται υψηλοτέρα διαπυρώνεται. Το διοξείδιο του άνθρακα ανεβαίνει υψηλοτέρα ανάγεται από το πυρωμένο άνθρακα και σχηματίζει μονοξείδιο του άνθρακα. Το μονοξείδιο ανεβαίνει στην επόμενη ζώνη της υψικαμίνου (η ζώνη αναγωγής) και ανάγει τα διάφορα οξείδια του σιδήρου προκύπτοντας σίδηρο και διοξείδιο του άνθρακα. Η αναγωγή γίνεται σε θερμοκρασία πολύ χαμηλότερη από την θερμοκρασία τήξης του σιδήρου. Ως αποτέλεσμα το σίδηρο στερεοποιείται και κατεβαίνει στις χαμηλότερες ζώνες, όπου εμπλουτίζεται σε άνθρακα σχηματίζοντας χυτοσίδηρο. Ο χυτοσίδηρος είναι πιο εύτηκτο από το καθαρό μέταλλο, τήκεται και συγκεντρώνεται στο κάτω μέρος του καμίνου. Οι σκουριές επιπλέουν στην επιφάνεια και απομακρύνονται από ειδικό στόμιο. Ο ρευστός χυτοσίδηρος χύνεται στο κατώτερο μέρος της καμίνου σε βαρέλια (κάδους) για να μεταφερθεί σε εγκαταστάσεις παραγωγής χάλυβα, ή σε καλούπια όπου αποψύχεται και στερεοποιείται σε χελώνες. Ανάλογα με την θερμοκρασία στο κάτω μέρους της κάμινου και σύμφωνα με την ταχύτητα αποψύξεως, λαμβάνεται λευκός ή φαιός χυτοσίδηρος. Από το χυτοσίδηρο παράγεται στην συνέχεια ο σφυρήλατος χυτοσίδηρος και ο χάλυβας. 2.1.3 Παρασκευή χάλυβα Οι διεργασίες παραγωγής του σφυρήλατου σιδήρου και του χάλυβα αποσκοπούν στην απομάκρυνση μέρους του άνθρακα και των άλλων προσμίξεων από το χυτοσίδηρο. To 1740 o Benjamin Huntsman έτηξε και απανθράκωσε χυτοσίδηρο σε ειδικά χωνευτήρια των 35 kg, έτσι παράχθηκε ένα ομοιογενές, ελατό χαλύβδινο προϊόν που χρησιμοποιήθηκε για υψηλής ποιότητας ελατήρια ρολογιών και χρονομέτρων. Σήμερα ο χάλυβας παράγεται με τρεις βασικές μεθόδους: -Με αναγωγή σιδηρομεταλλευμάτων σε υψικάμινο για την παραγωγή χυτοσιδήρου, και την μετατροπή του χυτοσιδήρου σε χάλυβα μέσα σε μεταλλάκτη με εμφύσηση οξυγόνου. -Με την άμεση αναγωγή σιδηρομεταλλευμάτων (δηλ. αναγωγή σε στερεά κατάσταση) σε φρεατώδη κάμινο για την παραγωγή σπογγώδους σιδήρου (αγγλ., Direct Reduced Iron ή DRI), και την μετατροπή του σπογγώδους σιδήρου σε χάλυβα μέσα σε κάμινο (κλίβανο) ηλεκτρικού τόξου. -Με την ανάτηξη παλαιοσιδήρου (σκραπ) σε κάμινο (κλίβανο) ηλεκτρικού τόξου (Electric Arc Furnace - EAF). Σύμφωνα με στατιστικά στοιχεία του 2005, το 65,4% της παγκόσμιας παραγωγής χάλυβα προέρχεται από τις δύο πρώτες μεθόδους και το 31,7% από την ανάτηξη παλαιοσιδήρου και σπογγώδους σιδήρου σε κλιβάνους ηλεκτρικού τόξου. Ένα μικρό ποσοστό της παγκόσμιας παραγωγής χάλυβα (2,9% για το 2005) προέρχεται από την μετατροπή χυτοσιδήρου σε κάμινους ανοικτής εστίας ή άλλες μεθόδους. 5/12
Στην Ελλάδα, όλη η παραγωγή χάλυβα (περίπου 2,5 εκατ. τόνοι ετησίως) προέρχεται από την ανάτηξη παλαιοσιδήρου και προορίζεται κυρίως για την παραγωγή χάλυβα οπλισμού σκυροδέματος. Για την παρασκευή του χάλυβα με την μετατροπή του χυτοσιδήρου χρησιμοποιείται λευκό χυτοσίδηρο στο οποίο ελαττώνεται η περιεκτικότητα του σε άνθρακα. Η επεξεργασία του λευκού χυτοσιδήρου γίνεται με τρείς μεθόδους: -Τη μέθοδο Bessemer -Τη μέθοδο Siemens-Martin -Τη ηλεκτρική μέθοδο Η μέθοδος Bessemer Μια τυχαία ανακάλυψη το 1856 οδήγησε στην παραγωγή χάλυβα με εμφύσηση ψυχρού αέρα. Είναι η πρώτη μέθοδος μαζικής παραγωγής χάλυβα. Χρησιμοποιείται ειδική κάμινος σε σχήμα αχλαδιού, που λέγεται απίδι (άπιον του Bessemer) και το οποίο μπορεί να περιστρέφεται από την κατακόρυφη θέση μέχρι τον ορίζοντα, έτσι ώστε να γεμίζει με ρευστό χυτοσίδηρο και στην συνέχεια να χύνεται με ευκολία ο ρευστός χάλυβας (Σχήμα 3). Σχήμα 3: Κάμινο Bessemer Με έμφυση του αέρα (το οποίο περιέχει οξυγόνο) από τις τρύπες του πυθμένα μέσα από το ρευστό χυτοσίδηρο επιτυγχάνεται η οξείδωση μέρους του άνθρακα και των ξένων προσμίξεων. Πρώτα οξειδώνεται το μαγγάνιο και το πυρίτιο και μετά ο άνθρακας. Κατά την έμφυση του αέρα αυξάνεται η θερμοκρασία του τήγματος λόγω της θερμότητας που δημιουργείται από την καύση των ξένων προσμίξεων. Η διαδικασία διαρκεί 20 με 25 λεπτά και ο ρευστός χάλυβας αποχύεται σε κάδους με την αναστροφή του απίου. Η μέθοδος Siemens-Martin Το 1857 προτείνεται η παραγωγή χάλυβα από υγρό χυτοσίδηρο με τη μέθοδο έμφυσης ζεστού αέρα (Siemens- Martin ή Open Hearth Process). Η νέα μέθοδο επιτρέπει την μαζική παραγωγή του χυτοσιδήρου. Το 1905 η παγκόσμια παραγωγή χυτοσιδήρου φθάνει τα 55 εκ. τόνους ( από το οποίο το 70% μετατρέπεται σε χάλυβα) 1929 και το 1929 εκτοξεύεται στα 96 εκ. τόνους. Κατά τη μέθοδο Siemens-Martin θερμαίνεται μίγμα από χυτοσίδηρο και απορρίμματα σφυρήλατου σιδήρου ή χάλυβα (παλιοσίδερο) με λίγο οξείδιο του σιδήρου. Το οξείδιο περιέχει οξυγόνο οξειδώνει τον άνθρακα του χυτοσιδήρου 6/12
ελαττώνοντας την περιεκτικότητα του. Η παρασκευή γίνεται σε ειδικές επίπεδες φλογοβόλους κάμινους (Σχήμα 4). Η θέρμανση γίνεται με αέρια καύσιμα τα οποία προθερμαίνονται σε προθερμαντήρες τοποθετημένες κάτω από την κάμινο. Η θερμοκρασία στην κάμινο φθάνει στους 1700 ο C. Μια κάμινο Siemens-Martin παράγει 100 έως 200 τόνους χάλυβα ανά 10 ώρες. Ο χάλυβας που προκύπτει είναι ανώτερης ποιότητας συγκριτικά με αυτό που προκύπτει με την μέθοδο Bessemer. Η μέθοδος Siemens Martin (πλέον σήμερα απαρχαιωμένη) κυριάρχησε σε πολλές χώρες μέχρι τη δεκαετία του 1960. Σχήμα 4: Κάμινο ανοιχτής εστίας Siemens-Martin Ηλεκτρική μέθοδος Το 1880 ο Arnold fon Siemens περιέγραψε την μέθοδο τήξης του χάλυβα με ηλεκτρικό τόξο συνεχούς ρεύματος (δεν προχώρησε σε εμπορική εφαρμογή). Το 1990 ο Heroilt το πέτυχε στην Γαλλία και για πολλά χρόνια περιοριζόταν μόνο στην παραγωγή υψηλής ποιότητας χαλύβων και σιδηροκραμάτων Το 1920 εμφανίζεται η χρησιμοποίηση εναλλασσόμενου ρεύματος και εφαρμόστηκε στις ΗΠΑ. Από το 1940 έχουμε την παραγωγή χάλυβα σε μεγάλες ποσότητες σε ηλεκτρική κάμινο τόξου διότι είναι εύκολη και φθηνή μέθοδος. Βοήθησε τους συμμάχους για την παραγωγή χάλυβα κατά το 2 ο Παγκόσμιο Πόλεμο. Με την μέθοδο αυτή η παρασκευή χάλυβα γίνεται σε ηλεκτρικές καμίνους με χωρητικότητα 10 έως 30 τόνους. Η θέρμανση του λευκού χυτοσιδήρου γίνεται με ηλεκτρικό τόξο. Σχήμα 3: Κάμινο ηλεκτρικού τόξου 7/12
2.2 Παραγωγή χάλυβα από ανακύκλωση χαλύβων και χυτοσιδήρων Μια άλλη μέθοδος παραγωγής χάλυβα είναι μέσω της ανακύκλωσης των απορριμμάτων αντί της χρήσης σιδηρομεταλλεύματος. Τα απορρίμματα που χρησιμοποιούνται στην παραγωγή χάλυβα ταξινομούνται σε: -Χάλυβες βαριάς τήξης (heavy melting steels) όπως πλάκες, δοκοί, υποστυλώματα με πάνω από 6mm πάχος. Μπορούν επίσης να περιλαμβάνουν βαριά μηχανήματα, μεγάλα εξαρτήματα, καλούπια, και βαριά στοιχεία μηχανών. -Παλιά αμαξώματα, οχήματα με ή χωρίς τους εσωτερικούς χώρους και τις αναρτήσεις. -Χυτοσίδηρος, διάφορα μηχανήματα, σωλήνες και μπλοκ του κινητήρα. -Προϊόντα από χάλυβα, με πάχος κάτω από 6mm όπως ψυγεία, πλυντήρια, σιδερώστρες, θερμοσίφωνες, δεξαμενές νερού και λαμαρίνες κάθε είδους. -Προϊόντα οπλισμού σκυροδέματος και άλλα δομικά προϊόντα. -Μαγνησιούχο χάλυβα, μη μαγνητικό, βαμμένο χάλυβα που χρησιμοποιείται στην εξορυκτική βιομηχανία, μπετονιέρες, σπαστήρες και άλλα εργαλεία υψηλής αντοχής σε κρούση και τριβή. -Ράγες σιδηροδρομικών ή γραμμών τραμ. Η χαλυβουργία χρησιμοποιεί την ανακύκλωση για περισσότερα από 150 χρόνια στην μέθοδο Siemens-Martin, για καθαρά οικονομικούς λόγους. Είναι φθηνότερο και ευκολότερο να παράγεται χάλυβας μέσω ανακύκλωσης (scrap) παρά από την εξόρυξη μεταλλεύματος σιδήρου. Με αυτόν τον τρόπο μειώνονται δραστικά οι ενεργειακές απαιτήσεις σε σχέση με τη παραδοσιακή παραγωγή από χυτοσίδηρο. Ο χάλυβας είναι από τα πιο ανακυκλωμένα υλικά στον κόσμο. Το 2008 στις Η.Π.Α. ανακυκλώθηκαν ~97% του χάλυβα κατασκευών και ~106% των αυτοκινήτων (η ύφεση από το 2000 και σχετικά απότομη πτώση της παραγωγής αυτοκινήτων εξηγεί το ποσοστό πάνω από 100%). Μία τυπική μεταλλική συσκευή έχει περίπου 75% κ. β. χάλυβα και ένα αυτοκίνητο έχει περίπου 65% κ.β. χάλυβα και χυτοσίδηρο. Η βιομηχανία του χάλυβα εξοικονομεί ετησίως ~75% ενέργεια μέσω ανακύκλωσης η οποία είναι αρκετή για να τροφοδοτήσει δεκαοκτώ εκατομμύρια σπίτια για ένα έτος. Σήμερα η παραγωγή του χάλυβα με καύση οξυγόνου χρησιμοποιεί 25-35% χάλυβα ανακύκλωσης, ενώ η παρασκευή σε κάμινο ηλεκτρικού τόξου, σχεδόν 100%. Τα μικρά και μεσαία εργοστάσια παρασκευής χαλύβδινων προϊόντων χρησιμοποιούν κάμινους ηλεκτρικού τόξου για την τήξη και τον εξευγενισμό των σιδηρούχων απορριμμάτων. Ο χάλυβας από καύση οξυγόνου περιέχει συνήθως χαμηλότερες συγκεντρώσεις ξένων στοιχείων (χαλκός, νικέλιο, μολυβδαίνιο, ο κασσίτερος), είναι πιο εύπλαστος και χρησιμοποιείται για προϊόντα ψυχρής κατεργασίας (φτερά αυτοκινήτων, κονσερβοκούτια, κλπ). Ο χάλυβας από ηλεκτρικό τόξο περιέχει μεγαλύτερες συγκεντρώσεις ξένων στοιχείων και χρησιμοποιείται για παραγωγή προϊόντων που δεν υφίστανται ψυχρηλασία (δοκάρια, πλάκες, ράβδους οπλισμού σκυροδέματος). Ανακυκλώνοντας ένα τόνο χάλυβα εξοικονομείται 1,1 τόνο σιδηρομετάλλευμα, 630 κιλά άνθρακα, και 55 κιλά ασβεστόλιθο. Τα προϊόντα από ανακύκλωση χάλυβα φέρουν ειδικό σήμα (Σχήμα 5). Σχήμα 5: The Universal Symbol for Recyclable Steel 8/12
2.3 Παραγωγή χαλύβων κονιομεταλλουργίας Η κονιομεταλλουργία ασχολείται με την παρασκευή μεταλλικών προσόντων από μεταλλικές κόνες. Η διαδικασία αποτελείται από συγκεκριμένες φάσεις οι οποίες είναι: -Η παραγωγή κόνεων των συστατικών του κράματος ορισμένων καθαρότητας και ελεγχόμενων μορφής και μεγέθους τεμαχίων. - Ανάμιξη των κόνεων σε ομοιογενές μείγμα. -Συμπίεση του μείγματος των κόνεων εντός μεταλλικής μήτρας και σε κατάλληλη πρέσα, συνήθως εν ψυχρώ, ώστε να σχηματιστεί το τεμάχιο σε συμπαγή μάζα (συμπίεσμα ή μπιγιέτα). Το συμπίεσμα είναι ψαθυρό αλλά μπορεί να μεταφερθεί με ασφάλεια από θέση σε θέση. -Πυροσισσωμάτωση κατά την οποία το συμπίεσμα θερμαίνεται μέσα σε αναγωγική ατμόσφαιρα (σε προστατευτική ατμόσφαιρα ή κλίβανο κενού) σε θερμοκρασία χαμηλότερη του σημείου τήξεως του πιο δύστηκτου μετάλλου (συνήθως σε θερμοκρασία χαμηλότερη των σημείων τήξεων όλων το συστατικών). Κατά την πυροσυσσωμάτωση τα σωματίδια σκόνης διαλύονται στην βάση (με διάχυση, ανακρυστάλλωση, συγκόλληση) προκύπτοντας ένα μεταλλουργικό προϊόν ορισμένου πορώδες. Η τεχνολογία κονιομεταλλουργίας εφαρμόζεται στην κατασκευή υλικών σύνθετης χημικής σύστασης ή γεωμετρίας και χρησιμοποιείται ευρέως στον τομέα των μεταφορών (αυτοκίνητα, μοτοσικλέτες), σε διάφορα μηχανήματα (μηχανές κλωστοϋφαντουργίας, βιομηχανικές ραπτομηχανές), ηλεκτρονικά είδη (ηλεκτρικά εργαλεία), στην αεροδιαστημική, σε βιομηχανία όπλων, στην βιολογία, την πληροφόρηση και στην πυρηνική βιομηχανία. Θεωρείται πράσινη τεχνολογία διότι είναι φιλική προς το περιβάλλον, «κάνει» σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας καθώς και εξοικονόμησης υλικών (μέσω ανακύκλωσης, υψηλής απόδοσης και υψηλής ακρίβειας) και ενδείκνυται για μαζική παραγωγή. Επιπλέον παράγει ορισμένα πολύπλοκα μέρη τα οποία δεν μπορούν να παραχθούν με παραδοσιακές μεθόδους χύτευσης ή με μηχανουργική κατεργασία. Χρησιμοποιώντας τεχνικές κονιομεταλλουργίας παράγεται απευθείας πορώδες, ημι-συμπαγή ή πλήρης πυκνότητας υλικά και προϊόντα, όπως το έδρανα πετρελαίου, γρανάζια, έκκεντρα, οδηγοί, διάφορα εργαλεία. Επιπλέον ελαχιστοποιείται ο διαχωρισμός των στοιχείων σε σύνθετα κράματα, μπορούν να παρασκευασθούν διάφορες δομές (άμορφη, μίκρο-κρυσταλλική, quasiκρυσταλλική, νάνο-κρύσταλλα υπερκορεσμένα στερεά διαλύματα) και μια σειρά από υψηλής απόδοσης υλικά εκτός ισορροπίας, με εξαιρετικές ηλεκτρικές, μαγνητικές, οπτικές και μηχανικές ιδιότητες. 3. Ανακύκλωση αλουμινίου και κραμάτων του 3.1 Παραγωγή αλουμινίου και κραμάτων του Το αργίλιο είναι το πιο διαδεδομένο στοιχείο του φλοιού της γης μετά από το οξυγόνο και το πυρίτιο. Το 1886 ο Charles Martin Hall, στις Ηνωμένες Πολιτείες, και ο Παύλος Heroult, στη Γαλλία, ενώ εργάζονταν ανεξάρτητα, ανακάλυψαν σχεδόν ταυτόχρονα μια οικονομική διαδικασία για την παραγωγή αλουμινίου από ένα συντηγμένο άλας, χρησιμοποιώντας ηλεκτρόλυση. Από τότε, η χρήση του αλουμινίου έχει αναπτυχθεί ραγδαία και ξεπέρασε άλλα παλαιότερα μέταλλα, όπως χαλκό, κασσίτερο και μόλυβδο. Σήμερα είναι το δεύτερο πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο μέταλλο μετά το σίδηρο (χάλυβα). Η παραγωγή του αλουμινίου από οξείδιο (αλουμίνα) δεν έχει αλλάξει σημαντικά από τότε αλλά η ανάπτυξη της βιομηχανίας έχει επιφέρει τεράστιες αλλαγές 9/12
στην ποσότητα και την πολυπλοκότητα των υλικών, καθώς και σημαντική μείωση της ενέργειας που χρησιμοποιείται ανά μονάδα παραγωγής. Ωστόσο, η παραγωγή του αλουμινίου είναι ακόμα ενεργοβόρα. Για 120 χρόνια η παραγωγή αλουμινίου στηρίχτηκε σε υδροηλεκτρικές πηγές οι οποίες είναι φιλικές προς το περιβάλλον. Σε πολλές περιπτώσεις οι μονάδες παρασκευής τοποθετηθήκαν κοντά σε υδροηλεκτρικά φράγματα. Αν και η αμοιβαία επωφελής σχέση δοκιμάστηκε κατά καιρούς από την ύφεση της αγοράς και την ξηρασία, η σύνδεση συνεχίστηκε για αρκετές δεκαετίες. Από το 2000-2001 η σοβαρή οικονομική ύφεση, σε συνδυασμό με την εξαιρετική ενεργειακή κρίση, διέκοψαν το καθεστώς εφοδιασμού μεταλλουργίας αλουμινίου και την οδήγησε σε "αδράνεια". Η πρώτη ύλη στην παραγωγή αλουμινίου είναι ο βωξίτης (ένυδρο οξείδιο του αργιλίου με προσμίξεις οξειδίου του σιδήρου). Ο βωξίτης καθαρίζεται με υδρομεταλλουργικές κατεργασίες. Τα μέταλλα, όπως και όλα τα στοιχεία, είναι διαλυτά ως ιόντα σε υδατικά διαλύματα. Η υδρομεταλλουργία χρησιμοποιεί υδατικά διαλύματα προκειμένου να επιτύχει την εξαγωγή μετάλλων από ορυκτές πρώτες ύλες και την ανάκτηση αυτών των μετάλλων. Οι υδρομεταλλουργικές κατεργασίες περιλαμβάνουν (Σχήμα 6): -την εκλεκτική εκχύλιση (διαλυτοποίηση των ορυκτών με οικονομικό ενδιαφέρον) με χρήση χημικών ενώσεων (συνήθως οξέα) -τον καθαρισμό του διαλύματος που προκύπτει από την εκχύλιση. Η εκχύλιση γίνεται συνήθως σε αναδευόμενες δεξαμενές. Η ανάδευση γίνεται με μηχανικούς αναδευτήρες ή με εμφύσηση αέρα. -την ανάκτηση του μετάλλου στην μορφή καθαρού στοιχείου ή καθαρού άλατος Ο καθαρισμός του μεταλλοφόρου διαλύματος από άλλες διαλυμένες ακαθαρσίες γίνεται με αντιδράσεις κατακρήμνισης, εξουδετέρωσης ή απλής αντικατάστασης. Σε άλλες πιο σύγχρονες τεχνικές καθαρισμού του μεταλλοφόρου διαλύματος γίνεται χρήση οργανικών (εξαγωγή με οργανικό διαλύτη) ή ανταλλακτικών ρητινών. -η τελική ανάκτηση του μετάλλου γίνεται συνήθως με ηλεκτρόλυση, οπότε γίνεται λόγος για ηλεκτρολυτική ανάκτηση. Σχήμα 6. Η παραγωγή αλουμινίου από βωξίτη συνδυάζει υδρομεταλλουργία (εκχύλιση), κονιομεταλλουργία (φρύξη) και ηλεκτρομεταλλουργία (ηλεκτρόλυση τήγματος). 10/12
Μέταλλα τα οποία δεν ανακτώνται με ηλεκτρόλυση υδατικών διαλυμάτων, ανακτώνται με ηλεκτρόλυση τηγμάτων. Το αλουμίνιο παράγεται με ηλεκτρόλυση τήγματος κρυολίθου (Na3AlF6) αλουμίνας (Al2O3). Η ηλεκτρόλυση χρησιμοποιείται και για τον καθαρισμό ακάθαρτων μετάλλων, οπότε γίνεται λόγος για ηλεκτρολυτικό καθαρισμό. 3.2 Ανακύκλωση αλουμινίου Σήμερα η ανακύκλωση του αλουμινίου είναι ζωτικής σημασίας για τη βιωσιμότητα της βιομηχανίας αλουμινίου. Το μέταλλο μπορεί να επανατήκεται και να ανακυκλώνεται σε νέα προϊόντα, με ελάχιστες απώλειες υλικού. Στην πραγματικότητα, η ανακύκλωση του αλουμινίου εξοικονομεί ~ 95% της ενέργειας που χρησιμοποιείται σε σύγκριση με την κατασκευή του μετάλλου από το αρχικό μετάλλευμα βωξίτη. Το αλουμίνιο είναι ιδανικό υλικό για ανακύκλωση γιατί, μπορεί να διαχωριστεί εύκολα από τα άλλα υλικά, η διαλογή του δεν απαιτεί υψηλό κόστος και η ανακύκλωση του είναι μια διαδικασία που μπορεί να επαναλαμβάνεται συνεχώς. Επιπλέον για την παραγωγή του μετάλλου που προέρχεται από την επαναχύτευση μεταχειρισμένων προϊόντων και απορριμμάτων από αλουμίνιο (scrap) απαιτείται μόνον το 5% της ενέργειας που απαιτείται για την παραγωγή πρωτόχυτου μετάλλου που παράγεται από τον βωξίτη. Σχήμα 7 Τα μεταχειρισμένα προϊόντα και τα απορρίμματα αλουμινίου (scrap) αποτελούν μια πολύ σημαντική πηγή πρώτης ύλης για την παραγωγή εκ νέου 11/12
ίδιων ή άλλων προϊόντων αλουμινίου. Πάνω από το 1/3 του αλουμινίου που καταναλώνεται στην Ευρώπη σήμερα για την παραγωγή διαφόρων τελικών προϊόντων προέρχεται από δευτερόχυτο αλουμίνιο (ανακύκλωση). Βιβλιογραφία [1] http://www.we-dugreen.org/recycle/, PM's advisor hails recycling as climate change action, Lets recycle.com. 2006-11-08, Retrieved April 15, 2014. [2] http://www.earth911.com/metal/steel/facts-about-steel-recycling/, Facts About Steel Recycling, Retrieved 2009-07-18. [3]http://web.archive.org/web/20071011205459/http://wastecap.org/wast ecap/commodities/steel/steel.htm#benefitssteel, Information on Recycling Steel Products, Waste Cap of Massachusetts, Archived from the original 2007-10-1, Retrieved 2007-02-28. [5] http://www.profisol.gr/el/production/steelmaking.aspx [6]http://www.orykta.gr/ekmetalleusi-emploutismos/metallourgikesdiergasies/83-metallourgia-metallourgikes-diergasies [7]http://www.orykta.gr/ekmetalleusi-emploutismos/metallourgikesdiergasies/83-metallourgia-metallourgikes-diergasies [8] Π.Γ. Πετρόπουλου, Μεταλλουργία, Ευγενίδου Ίδρυμα, Αθήνα, 1997. [9] John A.S :Green aluminum recycling and processing and sustainability, ASM International, Materials Park, Ohio, 44073-0002, www.asminternational.org 2007. 12/12