Qualitätssicherung bei der Schlackenaufbereitung neue Herausforderung

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1 Qualitätssicherung bei der Schlackenaufbereitung neue Herausforderung ZAR - STIFTUNG ZENTRUM FÜR NACHHALTIGE ABFALL- UND RESSOURCENNUTZUNG Hinwil, Prof. Dr.-Ing. R. Deike; A. Brümmer, M. Sc.; K. Eylers Institut für Metallurgie und Umformtechnik Universität Duisburg-Essen

2 Inhalt 1. Einleitung 2. Untersuchungen der Metallfraktionen 3. Untersuchungen der Schlackenfraktionen 4. Zusammenfassung 1

3 Für die Qualitätssicherung in einem Produktionsbetrieb sind die Mitarbeiter verantwortlich, die - unter Umständen im Schichtbetrieb- den Prozess betreiben und steuern. Von daher müssen Qualitätssicherungsmaßnahmen den Mitarbeitern erklärt werden da es sich in der Regel um eine zusätzliche Arbeit handelt, relativ leicht, unkompliziert und mit einem begrenzten Zeitaufwand durchführbar sein von den Mitarbeitern akzeptiert werden von den Mitarbeitern gewissenhaft durchgeführt und dokumentiert werden zu höherwertigen Produkten bei gleichzeitig verringerten Prozesskosten führen 1. Einleitung 2

4 Darstellung des Schlackenaufbereitungsprozesses der KEZO nach D.Böni; F. Di Lorenzo, ZAR Einleitung 3

5 Mit welchen Verfahren können die Zusammensetzungen der Metallfraktionen im Rahmen von betrieblichen Qualitätssicherungsmaßnahmen prinzipiell bestimmt und zur Prozesssteuerung benutzt werden? 2. Untersuchungen der Metallfraktion 2.1 Klassische Metallographie von eingebetteten Partikeln 2.2 Metallographische Untersuchungen an Presslingen 2.3 Bildanalytische Bestimmung loser Partikel 2.4 Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von Umschmelzproben mittels Funken-Emissions-Spektrometrie 2. Untersuchung der Metallfraktionen 4

6 Probenübersicht 2. Untersuchungen der Metallfraktionen 5

7 Klassische Metallographie an einer in Kunstharz eingebetteten NE-Edel Probe 2.1 Klassische Metallographie von eingebetteten Partikeln 6

8 Bewertung der klassischen Metallographie zur Durchführung möglicher betrieblicher Qualitätssicherungsmaßnahmen Vorteile Nachteile Einfach und schnell Relativ kostengünstig Die metallischen und nichtmetallischen Phasen können deutlich unterschieden werden Ergebnisse sind nicht sehr genau, da die Flächenanteile davon abhängen, wie die Partikel angeschnitten werden Die Partikel können auch in 1.Näherung nicht als kugelförmig angenommen werden Mit höherem Kostenaufwand kann die bildanalytische Auswertung automatisiert werden 2.1 Klassische Metallographie von eingebetteten Partikeln 7

9 Beispiel einer Zusammensetzung der Fraktion NE-edel 3-5 mm NE-Schwer (grob) Unterfraktion / Farbe n_partikel Anteil Masse [g] Anteil Kupfer % 71,31 55,33% Messing % 27,21 21,11% Bronze 32 2% 5,45 4,23% dunkelgrau 108 8% 6,77 5,25% hellgrau 105 8% 5,75 4,46% Blei 105 8% 12,38 9,61% % 128, % 2.2 Metallographische Untersuchungen an Presslingen 8

10 Darstellung der Flächenanteile verschiedener Phasen an NE und Al-Presslingen Phase Anteil [%] Rot (Cu) 39,6 Gelb (Ms) 25,8 Grau (Zn, Al, Pb) 18,0 Schwarz (Fehlstellen) 16,6 Summe 100 P1-4 u Phase Anteil [%] Rot (Cu/Ms) 0,5 Grün (Glas/Keramik) 3,0 Hellgrau (Zn, Al?) 72,7 Dunkelgrau (Pb?) 11,7 Schwarz (Fehlstellen) 12,1 Summe Metallographische Untersuchungen an Presslingen 9

11 Bewertung der metallographischen Untersuchung von Presslingen zur Durchführung möglicher betrieblicher Qualitätssicherungsmaßnahmen Vorteile Größere zu untersuchende Flächen sind möglich Bei der Al-Fraktion können die metallischen und nichtmetallischen Phasen deutlich unterschieden werden Eine automatische bildanalytische Auswertung ist denkbar müsste aber speziell programmiert werden Nachteile Präparation aufwendig Einzelne Partikel brechen beim Schleifvorgang heraus Bei einer rein manuellen Einfärbung der Partikel sind die Ergebnisse zum Teil sehr subjektiv 2.2 Metallographische Untersuchungen an Presslingen 10

12 Darstellung verschiedener unterschiedlicher metallischer Partikel durch eine entsprechende Reinigung der Fraktionen Ausgangsmaterial Säure 1 Säure 2 Säure 3 Kupfer Messing Zink Aluminium Blei 2.3 Bildanalytische Bestimmung loser Partikel 11

13 Darstellung verschiedener unterschiedlicher metallischer Partikel durch eine entsprechende Reinigung der Fraktionen NE edel 3-5mm 2.3 Bildanalytische Bestimmung loser Partikel Alu 3-5mm 12

14 Darstellung verschiedener unterschiedlicher metallischer Partikel durch eine entsprechende Reinigung der Fraktionen NE edel 3-5mm 2.3 Bildanalytische Bestimmung loser Partikel Alu 3-5mm 13

15 Bewertung der bildanalytischen Bewertung loser Partikel zur Durchführung möglicher betrieblicher Qualitätssicherungsmaßnahmen Vorteile Nachteile Partikel lassen sich mit relativ geringem Aufwand reinigen und evtl. anfärben Dunkle Partikel lassen sich nur schwer von einander unterscheiden Partikel können mit einem Scanner oder einer Kamera aufgenommen Durch ein automatisches Erkennungsund Zählverfahren der Partikel wäre eine quantitative Bewertung der Fraktionen möglich Das Zählen der Partikel lässt nur einen bedingten Rückschluss auf den Massenanteil zu 2.3 Bildanalytische Bestimmung loser Partikel 14

16 1-2 mm mm 3-5 mm NE grob Al grob Versuchs- Nr. Gas Einwaage [g] Auswaage [g] metallisch Krätze Kondensat Summe Abgusstemperatur [ C] 1 kein Gas 599,95 417,86 124,76 2,58 545, Ar 1l/min 599,9 296,92 290,77 7,6 595, Ar 1,5l/min 600,11 401,83 176,02 3,03 580, % H2 in Ar 2l/min 600,05 449,25 135,97 5,16 590, kein Gas 170, , , Ar 1,5l/min 169, , , % H2 in Ar 2l/min , , Metallisch Kondensat Krätze Messung Blockoberseite Messung Querschnitt Messung Blockunterseite 2.4 Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von Umschmelzproben durch Funken-Emissionsspektrometrie 15

17 1-2 mm mm 3-5 mm Ausscheidungs- und Seigerungserscheinungen während der Erstarrung Messung Blockoberseite Oberseite (62,2% Cu) Blockgewicht 418 g Mitte (62,9% Cu) Messung Querschnitt Unterseite (64,3% Cu) Messung Blockunterseite Gew % Al Pb Zn Cu Pb Oberseite (66,2% Cu) Blockgewicht 297 g Mitte (66,3% Cu) Fe Au Unterseite (66% Cu) Gew % Al Pb Zn 2.4 Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von Umschmelzproben durch Funken-Emissionsspektrometrie 16

18 Zustandsdiagramm Kupfer-Blei Quelle: National Institute of Standards and Technology, Metallurgy Division Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von Umschmelzproben durch Funken-Emissionsspektrometrie 17

19 Langsame Abkühlung Ausscheidung von Blei während der Erstarrung Schnelle Abkühlung Al C O Zn Cu Pb Summe Spektrum 1 0,62% 6,45% 4,39% 3,13% 1,75% 83,66% Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von Umschmelzproben durch Funken-Emissionsspektrometrie 18

20 Probenunterseite Probenoberseite Durch eine schnelle Erstarrung kann die Ausscheidung von Blei deutlich reduziert werden Cu Zn Pb Al Sn Messung 1 66,21 15,78 12,04 2,90 1,89 Messung 2 65,83 15,59 12,51 2,99 1,89 Messung 3 65,85 15,66 12,49 2,95 1,86 Messung 4 65,90 15,83 12,26 2,93 1,89 Messung 5 66,31 16,01 11,73 2,87 1,89 Mittelwert 66,02 15,77 12,21 2,93 1,88 Standardabw. 0,223 0,163 0,328 0,046 0,013 Rel. Standardabw. 0,003 0,010 0,027 0,016 0,007 Oberseite Unterseite Messung 1 66,40 15,96 11,63 2,87 1,93 Messung 2 66,19 15,85 11,99 2,87 1,91 Messung 3 65,53 15,79 12,63 2,94 1,91 Messung 4 66,28 15,91 11,83 2,86 1,92 Messung 5 66,35 15,76 11,83 2,85 1,96 Mittelwert 66,15 15,85 11,98 2,88 1,93 Standardabw. 0,355 0,083 0,384 0,036 0,021 Rel. Standardabw. 0,005 0,005 0,032 0,012 0, Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von Umschmelzproben durch Funken-Emissionsspektrometrie 19

21 Bewertung der Analyse von Umschmelzproben mittels der Funken-Emissions-Spektrometrie zur Durchführung möglicher betrieblicher Qualitätssicherungsmaßnahmen Vorteile Nachteile Komplette Analyse der metallischen Fraktion in < 30 min Kann im betrieblichen Alltag ohne Probleme eingesetzt werden (Standardanalysemethode in der Stahlund Gießereiindustrie) Die flüchtigen Elemente dampfen ab und können nicht mit analysiert werden Im Verlauf der Erstarrung kann es zu Ausscheidungen kommen, die aber durch eine schnelle Erstarrung deutlich reduziert werden können 2.4 Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von Umschmelzproben durch Funken-Emissions-Spektrometrie 20

22 Mit welchen Verfahren können die Zusammensetzungen der Schlackenfraktionen im Rahmen von betrieblichen Qualitätssicherungsmaßnahmen prinzipiell bestimmt und zur Prozesssteuerung benutzt werden? 3. Untersuchungen der Schlackenfraktionen durch Umschmelzen 3.1 Bestimmung des Gewichtes der Metallfraktion nach dem Umschmelzen 3.2 Bildanalytische Bestimmung des Restmetallgehaltes in der Schlacke nach dem Umschmelzen 3. Untersuchungen der Schlackenfraktionen 21

23 Temperatur [ C] Herstellung von Umschmelzproben der aufbereiteten Feinschlacke und der Feinstschlacke C 1400 C 1300 C 60 Min. Ofenabkühlung K/Min Zeit [Min.] 1300 C Einwaage [g] Rel. Massenverlust AFS 41,08 3,35% FS 38,56 3,14% 1400 C AFS 40,47 3,24% FS 39,03 3,92% 1500 C AFS 39,51 4,81% FS 40,82 4,56% 3. Untersuchungen der Schlackenfraktionen 22

24 Aufbereitete Feinschlacke 1300 C 1400 C 1500 C Feinstschlacke 1300 C 1400 C 1500 C 3. Untersuchungen der Schlackenfraktionen 23

25 Aufbereitete Feinschlacke 1500 C 1 mm 200µm 12,5 : 1 50 : 1 20 : 1 50 : 1 Spektrum C O F P S Fe Ni Cu Sb Pb Summe Mittelwert Metall 5,08 1,23 9,27 0,56 44,78 0,39 38,08 0, Spektrum 1 8,83 5,66 85, Spektrum 2 7,13 1,66 14,32 75,21 0,45 1, Spektrum 3 8,74 0,33 88,62 2, Spektrum 4 8,7 21,4 7,55 62, Untersuchungen der Schlackenfraktionen 24

26 Feinstschlacke 1300 C 1 mm 200µm 12,5 : 1 50 : 1 20 : 1 50 : 1 Spektrum C N F P S Fe Ni Cu Sn Sb Cr Summe Mittelwert Metall 5,02 2,85 10,95 77,61 0,48 2,2 0,6 0, Spektrum 1 11,97 2,31 13,32 71,93 0, Spektrum 2 5,83-3,71 60,63 29,01 8, Spektrum 3 9,45 22,1 9,02 59, Untersuchungen der Schlackenfraktionen 25

27 Richardson-Jeffes Diagramm der Oxide Cu P Fe Al Die physikalische Chemie der Eisen- und Stahlerzeugung, Verlag Stahleisen mbh, Düsseldorf Untersuchungen der Schlackenfraktionen 26

28 Gew % Veränderungen der Schlackenzusammensetzungen durch das Umschmelzen SiO2 CaO Al2O Feinstschlacke Feinstschlacke (umgeschmolzen) Aufbereitete Feinschlacke Aufbereitete Feinschlacke (umgeschmolzen) 3. Untersuchungen der Schlackenfraktionen 27

29 Zustandsdiagramm CaO-Al 2 O 3 -SiO 2 Aufbereitete Feinschlacke Feinstschlacke Aufbereitete Feinschlacke umgeschmolzen Feinstschlacke umgeschmolzen Muan, A.; Osborne, E.F.: Phase equilibria among oxides in steel making 3. Untersuchungen der Schlackenfraktionen 28

30 Bestimmung der Restmetallgehalte in umgeschmolzenen Schlackefraktionen mittels bildanalytischer Auswertung 0,57% Metall 99,43% Schlacke 3. Untersuchungen der Schlackenfraktionen 29

31 Zusammenfassung Für die Herstellung von Presslingen ist der Präparationsaufwand im Vergleich zu den erzielbaren Ergebnissen zu hoch. Die klassische Metallographie ist für einen schnelle subjektive optische Beurteilung evtl. geeignet aber ungenau. Die bildanalytische Bestimmung loser Partikel kann in automatisierter Form evtl. zur Bestimmung nichtmetallischer Partikel in der Al-Fraktion interessant sein. Mit der Herstellung von Umschmelzproben und der anschließenden Analyse mittels der Funken-Emissions-Spektrometrie kann in kurzer Zeit eine komplette Analyse erstellt werden, allerdings unter Inkaufnahme von Verlusten durch eine sich bildende Krätze und abdampfendes Zink. Schlacken können durch ein Umschmelzen relativ einfach mit einer begrenzten Genauigkeit auf ihren gesamten Metallanteil (Gewichtsbestimmung) hin untersucht werden. 4. Zusammenfassung 30