Produkcja stali to drogi interes. Do wytopienia jednej tony potrzebne jest ok. 600 kg koksu. To najdroższa odmiana węgla – tona kosztuje ok. 700-800 zł. Dla porównania cena zwykłego węgla kamiennego na giełdach wynosi ok. 200 zł za tonę. Nic dziwnego, że przemysł szuka sposobów na ograniczenie jego konsumpcji, a przez to obniżkę kosztów.

W grę wchodzą różne sposoby. Hutnicy nauczyli się np. wykorzystywać znacznie tańszy miał węglowy. W użyciu są również technologie, które pozwalają gazy wytworzone w trakcie procesu przetapiania wtłaczać z powrotem do pieca hutniczego, aby wykorzystać w ten sposób unoszoną przez nie temperaturę. Naukowcy z Krakowa poszli jeszcze inną drogą – zastanowili się, czy jest jakaś bardziej energetyczna substancja, z którą można byłoby zmieszać koks?

– Razem z kolegami z Wydziału Inżynierii i Technologii Chemicznej Politechniki Krakowskiej wpadliśmy na pomysł wykorzystania do tego celu tworzyw sztucznych, takich jak polietylen, polistyren czy polipropylen. Wykonuje się z nich przedmioty, które otaczają nas na co dzień: od wykładzin w samochodach po butelki na napoje. Przedmioty, które trafiają ostatecznie na wysypisko śmieci. Dlaczego więc nie zagospodarować tych odpadów w użyteczny sposób? – tłumaczy jeden z autorów wynalazku dr inż. Zdzisław Żółkiewicz z Instytutu Odlewnictwa w Krakowie.

Oczywiście sednem pomysłu nie jest wrzucanie do pieca hutniczego (zwanego wielkim piecem w przypadku wytopu surówki, a żeliwiakiem do wytopu żeliwa) opakowań po napojach. Przed transportem do huty przedmioty z tworzyw sztucznych muszą być poddane segregacji, aby wyizolować te wykonane z właściwych polimerów. Następnie muszą być one pocięte na drobne kawałki i sprasowane do formy peletu. Dopiero w takiej formie tworzywa sztuczne mogą być dodane do koksu, jednak ich zawartość nie powinna przekraczać 10 proc.

Jeśli idzie o najbardziej ogólne zasady działania, to dzisiejsze hutnictwo nie różni się wiele od tego sprzed stu lat. Podstawowym elementem procesu wciąż jest piec wyłożony od wewnątrz materiałem ceramicznym, najczęściej tzw. szamotem, otrzymywanym z ilastej skały osadowej zwanej glinką ogniotrwałą. Najczęściej spotykanym typem pieca jest piec szybowy, który można porównać do długiej, pionowej rury – chociaż bardziej adekwatne będzie porównanie do wysokiego i wąskiego stożka.

Na szczycie pieca znajduje się wlot, do którego trafia oczyszczona ruda (wydobywana spod ziemi skała zawiera przeciętnie 50–60 proc. żelaza, a zdarzają się uboższe; dlatego trzeba ją przed dalszą obróbką oczyścić – proces ten nazywa się wzbogacaniem) oraz koks. Jeden i drugi element ładowane są do pieca naprzemiennie i tworzą wewnątrz warstwy. Dzięki temu zapewnia się optymalne wykorzystanie koksu, który pełni w procesie rolę reduktora – ma za zadanie wyrwać tlen z tlenków żelaza (w takiej postaci ten pierwiastek występuje w rudach wydobywanych w kopalniach), uwalniając w ten sposób żelazo. Do pieca dodaje się także różne substancje, które mają wspomóc zachodzenie procesu (m.in. tzw. topniki). Na samym dole pieca gromadzi się ciekły metal, który spuszcza się co jakiś czas.

Podstawową zaletą tworzyw sztucznych jest to, że charakteryzują się wyższą wartością opałową niż koks. W wyniku spalenia kilograma tego ostatniego otrzymuje się 30–35 MJ (megadżuli) energii. To mniej więcej tyle, ile wynosi energia kinetyczna 30-tonowej lokomotywy poruszającej się z prędkością 160 km/h lub tyle, ile potrzeba do podgrzania 71–83 kg wody z zera do stu stopni. Z kolei ze spalenia kilograma tworzyw sztucznych osiąga się średnio 42–46 MJ/kg, czyli mniej więcej o 12 proc. więcej energii niż w przypadku koksu. W efekcie nie tylko domieszkuje się koks bardziej energetycznym materiałem, ale też znacznie tańszym. Jednocześnie jest to materiał, którego nie powinno zabraknąć. Według branżowych szacunków na całym kontynencie europejskim zbiera się rocznie ok. 1,6 mln ton samych butelek PET, nie wspominając o innych rodzajach tworzyw sztucznych. Owszem, jakaś część z nich już teraz wykorzystywana jest do produkcji nowych opakowań – po uprzednim zmieleniu – niemniej jednak w sytuacji, w której dążymy do tego, aby na wysypiskach zalegało jak najmniej śmieci, dalszy odzysk tego surowca może mieć biznesowy sens. – Oczywiście, w każdym procesie technicznym wytapiania stopów metali zachodzą odpowiednie reakcje chemiczne. W związku z tym, jeśli wprowadzimy teraz tworzywa sztuczne, które zawierają nieobecne dotychczas w standardowych procesach składniki i różne dodatki, to zależy nam, aby nie wpływało to na właściwości techniczne wytapianego materiału – tłumaczy dr Żółkiewicz.

Dlatego inżynier z Krakowa przypomina, że paliwo przed wprowadzeniem na rynek musi być jeszcze gruntownie przebadane w skali przemysłowej. Na razie krakowscy inżynierowie przeprowadzili jedynie testy w skali półtechnicznej. Polegają one na wykonywaniu zdjęć tomograficznych lub radiologicznych gotowego wyboru (w wariancie nowoczesnym) lub przecięciu odlewu po prostu na pół (w przypadku bardziej konserwatywnych metod badawczych) i inspekcji wizualnej. Celem badań jest ustalenie, czy w uzyskanym materiale nie pojawiły się niepożądane pęcherze gazowe. W dobrze skalibrowanym procesie gazy powstałe podczas wytopu uchodzą z pieca i nie powinny wpływać na właściwości stopu. Jeśli jednak po dorzuceniu tworzyw sztucznych wytwarzałoby się ich więcej, to istnieje ryzyko, że zostawałyby wewnątrz metalu, osłabiając jego właściwości mechaniczne. – Niczego takiego jednak nie zaobserwowaliśmy. Warto również zwrócić uwagę, że wbrew rozpowszechnionym opiniom spalanie w piecu hutniczym wykorzystywanych przez nas tworzyw sztucznych nie wytwarza szkodliwych dla człowieka substancji. Inne tworzywa sztuczne owszem, mogą podczas spalania produkować dioksyny, ale nie w proponowanym przez nas procesie wytopu stopów żelaza – cieszy się dr Żółkiewicz.