Walschil: Ontstaan, Transport en Praktische Toepassingen in Staalfabricage

Ontstaan, Transport en Toepassingen van Walschil

Walschil is het vlakkige oppervlak van warmvervormd staal en ontstaat door oxidatie van het staaloppervlak tijdens verwarmen, conditioneren, warmwalsen, en warmvormoperaties. Het is een van de afvalstoffen gegenereerd in staalfabrieken en vertegenwoordigt ongeveer 2% van het geproduceerde staal. Het is een harde, bros coating van verschillende duidelijke lagen van ijzeroxiden gevormd tijdens de verwerking van staal en samengesteld voornamelijk uit ijzeroxiden en kan variërende hoeveelheden van andere oxiden en spinels, elementen en sporen verbindingen bevatten. Het vakt makkelijk van het staal af.

Kenmerken van Walschil

Walschil is normaal aanwezig op gewalst staal en wordt vaak verward met een blauwgekleurde primer. De zeer hoge oppervlaktetemperatuur gecombineerd met hoge walsdrukken resulteren in een gladde, blauwgrijze oppervlakte.

Bij visuele inspectie verschijnt walschil als een zwart metaalpoeder opgebouwd uit kleine deeltjes en scheurtjes. De fysieke toestand is vast en poederachtig. De specifieke zwaarte van walschil ligt in het bereik van 5,7 tot 6,2. Het smeltpunt van walschil is rond 1370 °C en kookpunt rond 2760 °C. Het heeft een stabiele toestand en is onoplosbaar in water en basen maar oplosbaar in de meeste sterke zuren. Het wordt normaal geclassificeerd als niet gevaarlijk afvalmateriaal. Afbeelding 1 toont een kleine stapel walschil.

Afbeelding 1: Kleine stapel walschil

De grootte van de walschil varieert normaal van stofgrootte in micron tot meestal 6 mm. De gemiddelde walschil verkregen tijdens de warmvervorming van stalen heeft een ijzerinhoud variërend van 68% tot 72%. Het ijzer in de walschil is aanwezig in verschillende chemische vormen als hieronder gegeven:

• Magnetiet, Fe3O4, van karakteristieke blauwgrijze 'staalachtige' kleur.
• Een extreem dunne buitenfilm van hematiet, Fe2O3.
• De binnenste deel van de magnetiet bevat fijn metaalkorrels en soms, residueel ferro-oxide als FeO, typisch zwart gekleurd.

Walschil kan C, Si, Ca, Na, Al, Mn en andere metaaloxiden bevatten. De toelaatbare grens voor olie-inhoud in de walschil is minder dan 1% voor alle toepassingen behalve batterijen en smeltlading waarvoor tot 3% toegestaan is. Typische chemische analyse van walschil monster is gegeven in Tabel 1.

Verwijdering en Verzameling van Walschil

Walschil wordt meestal verwijderd door proceswater gebruikt voor descaling, rol- en materiaalkoeling, en andere doeleinden. Het wordt verzameld met koel- en smeroliën en normaal in een verzamel/bezinkbak opgeslagen. Vervolgens wordt het herwonnen door zwaartekracht scheidingstechnieken.

Analyse van Walschil

De bulks chemische samenstellingsanalyse van walschil wordt normaal uitgevoerd met behulp van Röntgenfluorescentie [XRF] spectrometrie door de gesmolten kralentechniek of met de oorspronkelijke stof. Voor de gesmolten kralenmethode, typisch, wordt een 0,5 tot 1 gm portie fijn gemalen en ontbrande walschil gemengd met alkali boraat [bijv. lithium metaboraat] in de verhouding 1:10 (monster:boraat) en het mengsel gesmolten en gegoten in een cirkelvormige glazen kralen. Wanneer de oorspronkelijke stof gebruikt wordt, wordt het fijn gemalen en gemengd met een bindmiddel. Het resulterende testmonster wordt vervolgens onderworpen aan multi-element analyse door XRF spectrometrie met behulp van goed gevestigde calibratie.

De FeO inhoud wordt apart bepaald door een nat chemische procedure waarbij een portie fijn gemalen walschil wordt opgelost in zoutzuur in non-oxiderende omstandigheden en het resulterende ijzer (II) in oplossing wordt bepaald door redox titratie, bijv. met kaliumdichromaat. Metaalijzer inhoud wordt bepaald door oplossing van het metaalijzer in brome methanol en, na verdamping van het oplosmiddelmengsel, wordt het residu opgelost in zwavelzuur en het ijzer bepaald door redox titrimetrie na reductie van ijzer (III) tot ijzer (II). Er zijn geen bestaande EN standaarden voor de multi-element analyse van walschil door XRF spectrometrie of voor de bepaling van FeO door redox titrimetrie. Er is echter een gerelateerde ISO standaard [ISO 5416:2006] voor de bepaling van metaalijzer in direct gereduceerd ijzer die toegepast kan worden op walschil.

Multi-element analyse van walschil geeft de algehele concentraties van de hoofdbestanddelen van het product, maar geeft geen indicatie van de identiteit van de individuele verbindingen of chemische fasen aanwezig, d.w.z. de walschil mineralogie. Kwantitatieve fasenanalyse van alle belangrijke chemische fasen aanwezig in walschil kan alleen bereikt worden door middel van Röntgendiffractie [XRD] analyse gecombineerd met Rietveld data analyse. De geïdentificeerde mineralogische fasen aanwezig in walschil zijn hematiet (Fe2O3), magnetiet (Fe3O4), en wustiet (FeO). De principale variatie in walschil mineralogie is in de relatieve verhoudingen van ijzeroxide fasen van hematiet, magnetiet en wustiet. De relatieve concentraties waarvan kunnen variëren afhankelijk van de thermische geschiedenis (houwtijd, verhittingsnelheid, eindtemperatuur, zuurstofpotentieel etc.) van het staalsubstraat. De concentraties van andere elementen in walschil zijn afhankelijk van de samenstelling van het staalsubstraat met betrekking tot legeringselementen.

Walschil en Corrosie

In het gewalste product dat uit de walserij komt, is walschil meestal minder dan 1 mm dik en hecht initieel aan het staaloppervlak en beschermt het tegen atmosferische corrosie mits geen breuk in deze coating optreedt. Als walschil een uniform goed gehecht bedekking is van het staalprofiel, zou het een ideale beschermende barrière maken. Helaas is walschil niet uniform, noch is het goed gehecht.

Walschil is minder reactief (edeler) dan het staal eronder, en consistent met het gedrag van twee ongelijke metalen in contact, zal het meer reactieve metaal (in dit geval staal) oxideren (roesten) ten koste van het minder reactieve metaal (walschil).

Omdat het electrochemisch kathodisch is ten opzichte van staal, veroorzaakt elke breuk in de walschilcoating versnelde corrosie van staal blootgesteld aan de breuk. Walschil is dus een zegening voor een tijdje totdat de coating breekt door afhandeling van het staalproduct of door enige andere mechanische reden. De walschil als het afpop van het oppervlak van het substraat staal scheurt de coating en laat vocht penetreren. Dit laat een galvanische reactie plaatsvinden wat resulteert in putvormende corrosie (roest) aan het basisstaal. Dit resulteert in een groei van de corrosie onder de schil en produceert verdere scheuring van de coating en blootstelt grotere gebieden en dus meer corrosie. Het mechanisme van de walschil geïnduceerde corrosie is getoond in Afbeelding 2.

Afbeelding 2: Mechanisme van de walschil geïnduceerde corrosie

Walschil is een hindernis wanneer het staal verwerkt moet worden. Elke coating aangebracht erover is verspild, aangezien het afgaat met de schil als vochtige lucht eronder komt. Alle walschil moet verwijderd worden om een uniform en schoon oppervlak van het substraat staal te presenteren voor enige toepassing van enige coating op het staal.

Verwijdering van walschil is praktisch onmogelijk met de hand. Het is extreem tedieus en tijdrovend met behulp van elektrisch gereedschap reinigingsmethoden. Geen van deze twee methoden geeft een goede basis om te beginnen. Staal van de warmwalserijen heeft geen oppervlakteprofiel, wat het belangrijkst is voor de algehele hechtingsterkte en integriteit van het coatingsysteem. Walschil wordt normaal van het staaloppervlak verwijderd door vlamreiniging, beizen of straalbehandeling. Deze methoden verwijderen de walschil en bieden een oppervlakteprofiel dat het coatingsysteem zijn ontwerpeisen geeft. Coaten over walschil, hoe verleidelijk ook, is een futiele oefening, aangezien de aanwezigheid van walschil op het staaloppervlak de corrosie van het onderliggende staal versnelt.

Toepassingen en Recycling van Walschil

Walschil verwijst naar een vorm van bijproduct dat gemengd is met water meestal een koelmiddel gebruikt in diverse processen voor staalvormgeving. Hoewel dit materiaal een hoog ijzergehalte van 68%-72% heeft, wordt het heel goedkoop verkocht als industriëel afval in de vorm van ijzeroxide, in plaats van verzameld via een recyclingproces. De meeste walschil in een staalfabriek wordt gerecycled ofwel in de productie van ijzerertsinter of ijzerertpellets die gebruikt worden ofwel voor reductie in ijzerproductieoven of als koelmiddel in een staalvermakingsoven. Walschil recycling wordt ook gedaan door het te briketteren na menging met een binder. Naast deze zijn diverse andere toepassingen voor walschil ontwikkeld. De hoofdtoepassingen van walschil zijn opsomming hieronder.

• Gebruik in sinterladingmix
• Gebruik in pelletiserende voedstof
• Gebruik in briketvorm in boogoven staalvermaking
• Negatieve elektrode voor alkalische opslagbatterijen
• Bereiding en gebruik van katalysatoren
• In de productie van cementklinker
• In de bereiding van zwaar beton en zware gewichtsaggregaten
• Composiet tegengewichten voor wasmachines
• In de productie van ferrofosfor en ferromolybdeen
• In staalgieterij en warmtebehandeling van gietstukken
• In het maken van flux voor lascoating
• Synergistisch agent voor gemengde meststof en materiaal voor fosfaatmeststof
• In de productie van ijzerpoeder voor poedermetallurgie
• In de productie van wrijvingmaterialen
• In de fabricage van gekleurd glas
• In de productie van ijzeroxide pigmenten
• In de methode van het maken van mineraalwol
• In de ijzeroxide verf pigment precursor
• Als een elektromagnetische stralingsscherming materiaal
• Als een component van materialen voor wegbouw
• In de bereiding van sommige refractaire mengsels
• In de behandelingen van water en bodem
• In de productie van exothermische poeders

Kwesties rond Verzending van Walschil

Walschil wordt steeds meer verhandeld als bulkgoederen. Echter, om walschil geschikt te maken voor zeevaart, wordt de voorraadstapel altijd typelijk geaccumuleerd in de haven uit verschillende bronnen, met verschillende deeltjesgroottes door de manier waarop het materiaal eerder is afgehandeld, wat resulteert in individuele voorraadstapels niet homogen. Dit duidt erop dat geen twee zendingen dezelfde kenmerken delen, zelfs als ze afkomstig zijn van dezelfde haven of afzender. Het is ook een lading die gemakkelijk water afvoert, wat zich op de bodem van een voorraadstapel accumeert om een 'natte basis' te vormen.

Walschil wordt effectief verhandeld op dezelfde manier als primair gewonnen ijzerertfijnen aangezien de fysieke aard van walschil vergelijkbaar is met primair gewonnen ijzerfijnen. Echter, het is te noteren dat de walschil geen juiste 'bulk cargo shipping name' (BCSN) is onder de IMSBC (International Maritime Solid Bulk Cargoes) Code. Het is een lading die niet gelijst is in de IMSBC Code. IMO (International Maritime Organization) Circulaire DSC.1/Circ.63 van 12 oktober 2010 stelt dat ijzerertfijnen een lading zijn die kan vloeibaar worden en daarom een 'Groep A' lading zijn. 'Groep A' lading onder de IMSBC Code is een lading die kan vloeibaar worden als verzonden bij vochtgehalte in overmaat van haar transportbare vochtgrens (TML). De termen van deze circulaire gelden ook voor walschil zelfs als walschil normaal in een droge toestand vervoerd wordt met vochtgehalte onder zijn TML.

Hoewel de walschil lading niet gelijst is in de IMSBC Code, specificeert Sectie 1.3 van de IMSBC Code dat niet-gelijste ladingen, zoals walschil, alleen geaccepteerd moeten worden voor laden mits het vergezeld wordt door een certificaat uitgegeven door de nationale bevoegde autoriteit, waarin de geschiktheid van de goederen voor zeevaart van het land van de havens van lading wordt aangegeven.

De IMSBC Code waarschuwt ook over de potentiële vloeibaarheidsgevaar van alle fijnkorrelige mineraalladingen verzonden met inherente vochtinhoud, ongeacht of de lading specifiek geïdentificeerd is als een 'Groep A' lading in de Code. Bijlage 3, Para 2.1 van de code stelt: "Veel fijn-deeltjes ladingen als bezittende een voldoende hoge vochtinhoud zijn geneigd te vloeien. Dus elk vochtige of natte lading bevattende een evenredigheid van fijn deeltjes moet getest worden op vloeikenmerken vóór laden".

Walschil heeft wel fijn deeltjesgroottes met significante inherente vochtinhoud, en valt daarom binnen het bereik van deze bepaling. Daarom worden walschil ladingen behandeld als ladingen die kunnen vloeibaar worden tenzij testen anders aantoont. Voor 'Groep A' ladingen, vereisen SOLAS (veiligheid van het leven op zee) en de IMSBC Code dat afzenders de kapitein voorzien van een certificaat van de vochtinhoud en de TML vóór laden.

Walschil vertoont vaak een 'natte basis'. Dit treedt op wanneer het materiaal goed afvoert en water accumeert op de bodem van de voorraadstapel. Vanwege deze afvoer, kunnen de bovenste secties vrij 'droog' lijken. De natte basis aard van walschil maakt het vitaal dat elke vochtmonstering vóór laden niet alleen focus op het oppervlak van enige voorraadstapels, en dat een volledig representatief monster wordt genomen. De noodzaak voor representatieve bemonstering is ook vitaal voor de bepaling van de TML, met name door de variabele aard van het materiaal. Om voorraadstapels te bemonsteren zijn mechanische graafmachines nodig aangezien handmatig graven in de stapels onmogelijk is. Ten slotte, vanwege de hoge dichtheid van deze lading, zijn de trimvereisten zoals gedetailleerd in de Code dat het plat getrimd moet worden voor de reis om het gewicht gelijkmatig te verdelen over de tanktop. Natte basis ladingen zijn geneigd tot ladingsverschuiving als de bodem vloeibaar wordt en de bovenkant van de hoge-dichtheid stow vrij wordt om over de natte basis te glijden. Het enige remedie daarvoor is om correct te trimmen.