V ocelářském průmyslu , struska je struska , která vzniká při tavení nebo výrobě kovu pomocí kapalných prostředků . Je to směs složená převážně z křemičitanů , hlinitanů a vápna s různými oxidy kovů , s výjimkou oxidů železa . Jeho role v metalurgii roztavených železných kovů jsou rozmanité.
Tento materiál je významným vedlejším produktem z vysokých pecí , ocení jako zásyp nebo jako surovina při výrobě cementu . Jako mléko ocelárny v případě, že struska byl také hlavní odbytiště pro ocelářský průmysl na počátku XX th století, rozvoj moderních mlékárny se stává po optimalizaci metalurgických procesech v ocelářském průmyslu.
Podle Le Petita Roberta se tento termín používá v metalurgii nejméně od roku 1676. Jeho etymologie okamžitě vede zpět ke slovu „ mléko “. Když jsou strusky z vysoké pece úplně bez železa , mají bělost a vzhled připomínající vroucí mléko. Je to slovo obchodu:
„Struska, termín pro zakladatele, který ve své spontánní metaforě dobře překládá oslnivou bělost strusky, která se vznáší v lázni roztavené litiny, zatímco vědecké práce spíše používaly„ strusku “nebo„ strusku ““
- Pierre Masson, Osmnácté století , 1991
Struska je název pro metalurgickou strusku z metalurgie železa a jeho sloučenin:
„Struska neobsahující železo v metalurgii železa a feroslitin se nazývá„ struska “ , což vyhrazuje termín struska pro železné strusky v metalurgii neželezných kovů. Roztavené soli, které jsou výsledkem například elektrolytické redukce halogenidů, se také nazývají struska . "
- Pierre Blazy a El-Aid Jdid, Úvod do extrakční metalurgie
U vysokých pecí „se výraz vedlejší produkt používá velmi dlouho, aniž by kdokoli zjistil chybu ... Aby se však ukázalo, že hodnocení strusek bylo samo o sobě cílem, byl tento výraz v 80. letech nahrazen výraz koprodukci “ . Sémantická debata je stejná pro strusky produkované Thomasovými zpracovateli : tyto strusky musely být co nejvíce bohaté na fosfor, aby ospravedlnily jejich použití jako hnojiva . Na druhé straně je u jiných ocelárenských strusek jejich modernizace zřídka zisková: jedná se o vedlejší produkty bez ekonomického zájmu.
Struska se objevuje při výrobě kovů v tekuté formě. Díky nízké hustotě (2,4) se vznáší nad roztaveným kovem. Kov se z něj snadno odděluje, protože je to iontová sloučenina, nemísitelná s roztaveným kovem.
Jedná se o vedlejší produkt při výrobě litiny ve vysoké peci , kde odpovídá sterilní matrici železné rudy, do které se přidává popel z koksu. Množství vyrobené strusky přímo odpovídá bohatství použité železné rudy . U moderní vysoké pece na rudy bohaté na železo se na 1 tunu vyrobené litiny obvykle dosáhne podílu 180 až 350 kg strusky. Jsou možné extrémní hodnoty 100 kg / t pro vysokou pec, která spotřebovává dřevěné uhlí, 1300 kg / t pro špatné rudy a levné palivo. Tento údaj byl denier klasických až XVIII -tého století ... ale obsah železa vyšší než 5%.
Pro výrobce oceli umožňuje litinová struska kontrolu složení litiny (zejména odstraněním síry , nežádoucího prvku, ale také alkálií , které narušují provoz vysoké pece) a kontrolu opotřebení žáruvzdorných materiálů.
Z tepelného hlediska je však struska sterilní k tavení, i když její entalpie, přibližně 1 800 MJ / t strusky odpovídá pouze 3,5% energetické bilance vysoké pece, její hodnota, i když ne zanedbatelné, je mnohem méně zajímavé než u litiny. Chudé železné rudy, jako je minette z Lorraine , které způsobují vyšší spotřebu koksu ve vysoké peci, byly proto opuštěny, protože množství materiálu, které se má ve vysoké peci ohřívat. Dokonce i pro vysokou pec pracující s rudami bohatými na železo je objem strusky totožný s objemem vyrobené litiny (kvůli rozdílům v hustotě), prodejní cena granulované strusky je méně než 5% výrobní náklady na litinu.
Typické složení strusky ze surového železa (v% hmotnostních) | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Typ strusky | FeO , / Fe 2 O 3 | MnO | SiO 2 | Al 2 O 3 | CaO | MgO | P 2 O 5 | TiO 2 | S |
Vysoká pec ( hematitová litina ) | 0,16 -0,2 | <1 | 34 - 36 | 10 - 12 | 38 - 41 | 7 - 10 | 1 | 1 - 1.5 | |
Kopule | 0,5 - 2,5 | 1 - 2 | 25 - 30 | 5 - 15 | 45 - 55 | 1 - 2 |
Vysokopecní struska s velmi stabilním chemickým složením se často používá při výrobě cementu (BFS-OPC) nebo příležitostněji při výrobě skla: poté se granuluje nebo peletizuje ve formě písku. Tento písek se získává náhlým ochlazením při kontaktu s vodou, aby se zlomil a zeskelnil . Strusku lze také nalít do jámy, kde po pomalém ochlazení krystalizuje a praskne: je pak určena pro veřejné práce ( štěrk , asfalt atd.). Pokud splňuje těžkých podmínkách kvality, může být také použit při výrobě skelné vaty , atd
Roztavená struska tekoucí v peletizačním zařízení .
Granulovaná (nebo vitrifikovaná) vysokopecní struska.
Vzorek granulované strusky.
Blok krystalizované strusky použitý v zásypu.
Za ocelárny , struska pochází jak z měničů , kde je velmi oxidovaných, z pánvové metalurgie, nebo z elektrických pecí . Na jednu tunu vyrobené oceli se vyrobí 150 až 200 kg ocelárenské strusky bez ohledu na odvětví (vysoká pec - zpracovatel nebo tavení šrotu).
Konvertorová struska (nebo černá struska) se vyrábí oxidací nežádoucích prvků (jako je křemík a fosfor ) nebo nevyhnutelnou oxidací v důsledku procesu (jako je železo a mangan ). Tyto oxidy se ředí v materiálech určených k tomu, aby struska měla víceméně zásaditý nebo viskózní charakter. . Tyto materiály jsou obecně zásadité , jako je hořčíkové vápno nebo kazivec .
Typické složení primárních hutních strusek (v% hmotnostních, na konci zrání ) | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Typ strusky | FeO / Fe 2 O 3 | MnO | SiO 2 | Al 2 O 3 | CaO | MgO | P 2 O 5 | S |
Původní Bessemer | 15 | 7 | 75 | 3 | 0 | |||
Originální Thomasův proces | 17 | 9 | 15 | 37 | 10 | 12 | 0,5 | |
Thomas se zlepšil | 10 | 3 | 7 | 2 | 52 | 5 | 20 | 0,3 |
Převaděč typu OLP | 12 | 4 | 7 | 57 | 20 | |||
Převodník typu LD | 20 | 7 | 13 | 48 | 2 | |||
Elektrická oblouková pec s úpravou OLP | 20 - 30 | 7 | 50 | 1 - 2.5 |
Roztavená struska proudící v příkopu a v roce 1941 zanechala převodník Martin-Siemens .
Role sekundární metalurgické strusky (nebo bílé strusky) je stejně proměnlivá jako složitá. Shromažďuje nečistoty a nežádoucí chemické prvky absorpcí inkluzí oxidů rozpuštěných v kovu, které jsou obvykle výsledkem uklidnění . Za tímto účelem je nezbytné řídit jeho složení tak, aby bylo reaktivní. Například vysoký obsah vápna a fluoru podpoří zachycení inkluzí oxidu hlinitého, které jsou kyselé. Tato struska však musí chránit také žáruvzdorné cihly … úprava ocelárenské strusky je proto kompromisem.
Kromě toho mohou určité oxidy strusky, jako je FeO , oxidovat přísady slitin, jako je ferrotitan , hliník , ferrobor ... V tomto případě jsou tyto legující prvky spotřebovány před dosažením tekutého kovu: jejich oxidace je tedy odpadem. Příliš mnoho strusky nebo špatně řízená oxidace strusky je v tomto případě nepřijatelné.
V metalurgii pánve nebo sekundární metalurgii nástroje spojené se zpracováním strusky obvykle sestávají z „hrábě“, který „strusí“ strusku plovoucí na tekuté oceli. Tyto násypky umožňuje přidávání produktů určených k vytvoření nebo změnit strusky.
Ocelářské strusky mají obecně složení vápno- oxid hlinitý pro uhlíkové oceli určené pro ploché výrobky a vápenno- křemičitý pro uhlíkové oceli určené pro dlouhé výrobky. U nerezových ocelí je jejich vysoký obsah chrómu činí nevhodnými pro zásyp, ale jejich vnitřní recyklace v ocelárnách je ekonomicky výhodná.
Typické složení sekundárních metalurgických strusek (v% hmotnostních, na konci zrání ) | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Typ strusky | FeO / Fe 2 O 3 | MnO | SiO 2 | Al 2 O 3 | CaO | MgO | P 2 O 5 | S |
Zušlechtěná ocel z hliníku (odsíření strusky) | 0 | 0 | 10 | 35 | 45 | 10 | 0,1 |
Kůra, která se tvoří na pájecí lázni, se nazývá struska . Chrání tuto lázeň před kyslíkem ve vzduchu a tepelně ji izoluje.
Při svařování elektrodou s povlakem je to povlak, který roztavením vytvoří strusku.
Poté rozlišíme elektrody podle jejich potahu:
Při roztavení je struska roztokem oxidů. Nejběžnější jsou FeO , Fe 2 O 3, Sio 2, Al 2 O 3, CaO , MgO . Mohou tam být také přítomny některé sulfidy , ale přítomnost vápna a oxidu hlinitého snižuje jejich rozpustnost.
Molekulární geometrie roztavené strusky lze rozlišit podle tří skupin oxidů: kyselých, bazických a neutrálních. Nejběžnějšími kyselými oxidy jsou oxid křemičitý a oxid hlinitý. Když jsou tyto oxidy roztaveny, polymerují za vzniku dlouhých komplexů. Kyselé strusky jsou tedy velmi viskózní a samozřejmě těžko asimilují oxidy kyselin přítomné v roztaveném kovu.
Zásadité oxidy, jako je vápno nebo oxid hořečnatý, se rozpouštějí v kyselé strusce jako iontové sloučeniny . Rozbíjejí molekulární řetězce kyselých oxidů na menší jednotky. Struska se poté stává méně viskózní. Asimilace dalších oxidů kyselin se také stává snadnější. Přídavek bazických oxidů v kyselé strusce nebo oxidů kyselin v zásadité strusce snižuje do určité míry teplotu tání .
A konečně neutrální oxidy (ve skutečnosti mírně kyselé), jako je wustit (FeO) nebo oxid měďnatý (Cu 2 O), reagují málo s oxidovými řetězci.
Obecně se elektrická vodivost velmi mění s teplotou a zvyšuje se zásaditostí a obsahem oxidů mědi a železa. Povrchové napětí , je málo závisí na teplotě a zvyšuje se s kyselinou.
Na trhu je přítomno několik kvalit strusky. Nejprve je můžeme klasifikovat podle původu:
Můžeme je také klasifikovat podle toho, jak byly transformovány:
Granulovaná struska a balená struska se obvykle vyrábějí rozprašováním tlakové vody do roztavené strusky přímo z vysoké pece. Získaným produktem je jemný a homogenní písek. Ve výjimečných případech se chlazení provádí na vzduchu, ale mnoho nevýhod (únik plynu, hluk, skleněná vlákna, velikost instalace) tuto praxi omezuje.
Krystalizované strusky se získávají z chlazení vodním postřikem roztavené strusky odlévané na zem. Ztuhnutí a chlazení strusky vede k jejímu praskání. Tento proces je historicky první: vyžaduje pouze zásobní jámu pro roztavenou strusku a zavlažovací rampy. Jeho výroba také spotřebovává jen malé množství vody. K použití tohoto materiálu je však obvykle nutné sekundární drcení. Nevýhodou je skutečnost, že tento materiál vykazuje určitou heterogenitu.
V současné době směřuje trend u vysokopecních strusek ke granulaci, případně ke krystalizaci. Jelikož menší množství strusky vyrobené v ocelárnách nezpůsobuje ziskovost peletizačního nebo peletizačního zařízení, krystalizují se konvertorové , elektrické pece nebo strusky .
Je však třeba poznamenat, že ocelová struska může při požití po šíření (např. 23 dobytek - ve stádě 98 - zemřela za 10 dní v roce) při zachycování určitých sloučenin nebo těžkých kovů velmi znečišťovat půdu, vodu a dokonce i divokou zvěř. Švédsko z akutní otravy vanadem v důsledku šíření metalurgické strusky).
Můžeme definovat tři hlavní třídy použití strusky:
Granulované nebo balené strusky mohou vyvíjet pomalé hydraulické tuhnutí pod účinkem aktivátoru (slínku nebo vápna). Po jemném mletí ( 3 500 až 4 500 zrn ) se současným sušením nacházejí použití jako hlavní nebo sekundární složka cementu.
Tyto takzvané „GGBS“ mléko ( mleté granulované vysokopecní struska , která znamená, že vysokopecní struska granulát Broye ) vstoupit do složení cementových sloučenin, slínku a přísad (strusky, popílku, vápence, atd ).
Použití ve formě agregátůPoužití ve formě kameniva je méně výnosné než použití ve formě hydraulického pojiva. Je však možné použít všechny druhy krystalizované strusky ve formě agregátů.
Použití krystalizované vysokopecní strusky se uznává ve dvou formách:
V obou případech zaznamenáváme použití těchto agregátů:
Praxe elektrických strusek je novější, ale stále častěji nahrazuje předchozí, a to z důvodu postupného úpadku vysokých pecí a stále častěji používaného mletého granulovaného vysokopecního strusky buď jako součásti vysoké pece. přídavek do betonu jako náhrada za cement. Musíme si dávat pozor na různé názvy strusky: pod názvem elektrická struska lze najít kapesní strusky (ve kterých jsou oceli rafinovány, aby poskytly požadované nuance), které obsahují významný obsah těžkých kovů. Současná regulační omezení, jimiž se řídí jejich marketing, však zaručují jejich zdraví a nezávadnost pro životní prostředí.
Všimněte si použití těchto agregátů:
Granulovaná struska také zná dvě další formy použití na základě těchto charakteristik příznivější hustoty betonu.
Použití ocelárny s konvertorem kyslíku je stále experimentální a výhradně v nevázaných agregátech. Ve skutečnosti není neobvyklé najít vápenaté uzliny, které mají možnost hydratace později. To má za následek otok, který může nastat po zavedení této strusky a který způsobí zhoršení vozovky.
K překonání rizika objemové expanze v důsledku hydratace vápna se používá několik metod:
V současné době , Kontrolní úřady povolují několik použití agregátů. Jsou stále široce používány v kontextu experimentálních stránek. Na druhé straně stejná bohatost vápna, která zpomaluje jejich použití jako kameniva, upřednostňuje jejich použití jako produktu pro zpracování půdy na místě nebo jako aktivátoru v hydraulických pojivech (prEN 13282-2). Tato pluralita možných použití, v závislosti na obsahu vápna, stále více ospravedlňuje implementaci tohoto monitorování (sledovatelnosti) na úrovni výroby.
Používejte jako hnojivo a pro úpravu půdyLorraine Minette , je chudá železná ruda obsahující hodně fosforu , vytvořila litiny, který musel být dephosphorized s převodníkem Thomase. Výsledná struska převaděče bohatá na P 2 O 5, je vynikající hnojivo . Kyselina fosforečná zjištěno, že je v podstatě ve formě tetrakalcium fosfátu (4CaO.P 2 O 5): jemné mletí (0/160 µ a celek procházející sítem 630 µ ) je dostatečné k tomu, aby byla struska asimilační vegetací. Písčitá a kyselá půda se vápní bazickou struskou a dopuje se fosforem
Ačkoli Sidney Gilchrist Thomas předpovídal, že „jakkoli směšná je myšlenka, jsem přesvědčen, že nakonec, s přihlédnutím k výrobním nákladům, bude ocel vedlejším produktem a fosforem hlavním produktem“ , ocenění Thomasovy strusky zůstalo okrajová aktivita. Thomasova předpověď se krátce naplnila až na konci druhé světové války .
Pokud se někdy jako hnojivo používají konverzní strusky, zanechání minerálů bohatých na fosfor, jako je minette z Lorraine , činí tento sektor méně atraktivním. A konečně, účinnost moderních hnojiv zastíní zájmy tohoto produktu.
Jiná použitíVysoký obsah oxidu křemičitého ve struskách z nich dělá surovinu pro výrobu skla . Toto použití je vyhrazeno pro nejčistší granulované strusky, tj. Vysokou pec. Jsou nutná preventivní opatření, aby se zabránilo jakémukoli znečištění (suť, prach atd.) Během skladování nebo přepravy.
Francouzská produkce struskového kameniva byla ve Francii v roce 2005 2 080 000 tun za 51 847 000 EUR v deseti společnostech.
Výroba v roce 2009 ukazuje silný vývoj využití:
Objemy použité v agregátech představují:
Tento vývoj jejich používání je způsoben hlavně:
Zbytková loužicí kapalina (výluh nebo perkolát) ze strusek je velmi zásaditá a dosahuje pH 12. Pro exponované pracovníky se proto doporučuje odpovídající ochrana v závislosti na povaze práce (ochranné brýle, rukavice, hledí, ochranný oděv ...) ).
Bylo studováno riziko podráždění a senzibilizace kovů a článek z roku 2014 týkající se experimentů in vitro a in vivo na zvířatech (morče a albín králík) ukazuje, že mléko z elektrických pecí není ani žíravé, ani dráždivé a není odpovědné pro senzibilizaci kůže (výskyt alergie). Koncentrace šestimocného chromu (CrVI) jsou nízké a byly by dokonce nižší než v cementu.
Přítomnost uhličitanu vápenatého (CaCO3) může způsobit benigní přetížení pneumokoniózy s tetováním plic (chalicosis) bez narušení funkce plic nebo predispozice k rakovině nebo infekci (tuberkulóza).
Krystalický volný oxid křemičitý způsobuje maligní pneumokoniózu ( silikózu ). Vysoké teploty kalcinace křemeliny přeměňuje ji na velmi fibrogenního křemičitého ( tridymit a cristobalit ). Silikáty kombinované s kovovými kationty jsou však biologicky méně reaktivní (s výjimkou azbestu a mastku). Oxid křemičitý nacházející se ve struskách je ve formě vápenatých silikátů.
Strusky jako takové nejsou považovány za nebezpečné, i když se u těch, kteří s nimi zacházejí, doporučuje lékařské sledování plicních funkcí (rentgenové a / nebo spirometrické) a pravidelně se přehodnocuje. Lze provádět biologická (v moči exponovaných pracovníků) a atmosférická (v okolním vzduchu na pracovištích) škodlivých produktů.
V některých aplikacích a formulacích se stává nebezpečným. Například se někdy brousí a používá se jako přísada do stříkaného betonu . Tento beton „s vysokým obsahem mleté strusky“ vytváří vrstvu odolnější vůči iontům, slané vodě a ohni, mechanicky velmi odolnou a vykazující sníženou uhlíkovou stopu . Jeho aktivace ale uvolňuje sirovodík (H2S), vysoce toxický. V roce 2019 byl na trh uveden práškový aktivátor, který není zásaditý, nezdržuje nastavení a vylučuje produkci H2S, ale vyžadující speciální stříkací stroj (dávkovací čerpadlo spojené s betonovým čerpadlem).
Strusky jsou potenciálním zdrojem uvolňování těžkých kovů nebo někdy radionuklidů.
Někdy se v přítomnosti síry a určitých bakterií může objevit soběstačný jev silného okyselení substrátu a kyselé odvodnění (nebo „odvodnění kyselého dolu“ v souvislosti s těžebními následky). Tento jev může být doprovázen změnou strusky s vyluhováním s významným uvolňováním toxických kovů, které pak mohou být rozptýleny v životním prostředí.
Kovy přítomné ve strusce nebo jiné kontaminující látky adsorbované ve stejné strusce ( dioxiny , furany atd.) Mohou znečišťovat ovzduší (emise par při výrobě, následované prachovými úlety). Mohou také znečišťovat vodu a půdu ( prosakováním a desorpcí, zejména pokud je voda kyselá a spíše vlažná nebo horká). Tyto jevy jsou srovnatelné s jevy, ke kterým dochází z takzvaného „stabilizovaného“ průmyslového odpadu .
Paradoxně určitá místa velmi znečištěné metalurgické strusky byly rozděleny a jsou chráněna pro vzácných druhů, které stíní (některé chráněné druhy , známé jako „ metallophytes “ nebo „metalloresist“ ), které je vhodné pro úsporu, protože přispívají - do určité rozsah - do fytostabilizace znečišťujících látek, které jsou v jejich přítomnosti méně pravděpodobné, že budou mobilizovány větrnou nebo vodní erozí . Tak je tomu například v průmyslové pustině Mortagne-du-Nord v severní Francii, mimo jiné ve Francii z usinorské strusky jako test v Ústřední laboratoři v Ponts-et-Chausées (LCPC).