Modelowanie przemian fazowych i segregacji pierwiastków w żużlach hutniczych

Modelowanie przemian fazowych i segregacji pierwiastków w żużlach hutniczych

  • Kierownik projektu: dr Rafał Warchulski, Uniwersytet Śląski w Katowicach
  • Tytuł projektu: Modelowanie przemian fazowych i segregacji pierwiastków w żużlach hutniczych o zróżnicowanym chemizmie w warunkach ciśnienia atmosferycznego i temperaturach z zakresu 800-1500 st. C
  • Konkurs: PRELUDIUM 11, ogłoszony 15 marca 2016 r.
  • Panel: ST 10

Żużle po procesach hutniczych z pozoru stanowią niewdzięczny temat badawczy – nie zawierają wyjątkowo cennych pierwiastków takich jak złoto, platyna lub ziemie rzadkie, przeważnie posiadają skrytokrystaliczną budowę, a z ich charakterystyki nie sposób odtworzyć historii Ziemi. Przy bliższym spojrzeniu okazuje się jednak, że stanowią one niemal niewyczerpalny materiał badawczy uwzględniający szereg aspektów: ze względu na unikatowy skład chemiczny i warunki krystalizacji stanowią one wielkoskalowy eksperyment geochemiczny i petrograficzny; w ich budowie odnaleźć można wyjątkowo rzadkie minerały; ich wietrzenie wpływa na otaczające środowisko – glebę, wodę oraz materię organiczną, a na ich bazie możliwe jest odtworzenie przebiegu historycznego procesu wytopu.

I tutaj pojawia się problem temperatury krystalizacji żużli. Jest ona tak istotnym czynnikiem, że bez jej precyzyjnego określenia ciężko mówić o pełnym opisie tego materiału. Wpływa ona na jego parametry fizyczne, skład fazowy, skład chemiczny, oraz specjację pierwiastków pomiędzy poszczególnymi fazami. Bez określenia temperatury stopu nie jest możliwy pełny opis reakcji w nim zachodzących zarówno pomiędzy fazami i stopem, jak i rozdziału pierwiastków między stop i ciała stałe. Również odtworzenie historycznego procesu hutniczego bez określenia tego czynnika może być pozbawione podstaw merytorycznych. Dlatego tak kluczowe jest opracowanie możliwie precyzyjnej i dokładnej metody jej wyznaczania. Dotychczas popularnie stosowane techniki mają tendencję do zawyżania uzyskiwanych wyników ze względu na skomplikowany skład żużla, bądź posiadają istotne ograniczenia, często w praktyce uniemożliwiające ich zastosowanie.

Podejście eksperymentalne jest odpowiedzią na te ograniczenia i z założenia umożliwi ono najdokładniejsze przybliżenie temperatury krystalizacji żużli. Podejście to opiera się na wieloczynnikowej analizie podobieństwa pomiędzy żużlami eksperymentalnie wytworzonymi w piecu a tymi pobranymi ze składowiska. Analiza uwzględniać będzie procentowy skład fazowy żużli, cechy morfologiczne kryształów, specjację pierwiastków pomiędzy fazami oraz szkliwem. Poprzez odpowiednie programowanie pracy pieca możliwe będzie nie tylko ogrzanie stopu do blisko 1600°C, ale również symulowanie różnych warunków składowania – szybkie, powolne bądź mieszane chłodzenie stopu.

Warto również podkreślić, że opracowywana metodyka nie odnosi się jedynie do żużli. Z powodzeniem można ją również stosować do naturalnych skał krystalizujących w warunkach wysokich temperatur i niskich ciśnień, czyli większości skał wulkanicznych.


dr Rafał Warchulski

Absolwent studiów geologicznych na Wydziale Nauk o Ziemi Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach. W latach 2014-2016 prowadził własną działalność w zakresie fotografii. Od 2017 r. kierownik grantu PRELUDIUM Narodowego Centrum Nauki oraz broker technologii w Biurze Współpracy z Gospodarką Uniwersytetu Śląskiego. W listopadzie 2017 r. uzyskał stopień naukowy doktora. Autor licznych publikacji. Jego prace pojawiły się m.in. w czasopismach Mineralogical Magazine, European Journal of Mineralogy, Mineralogy & Petrology czy Archaeological and Anthropological Sciences. Swoje wyniki prezentował podczas międzynarodowych konferencji m.in. w Japonii, Turcji czy Włoszech. Od 2013 r. członek Polskiego Towarzystwa Mineralogicznego, od 2016 r. wiceprezes Polskiego Towarzystwa Lizymetrycznego. Laureat nagrody dla Najlepszego Absolwenta Uniwersytetu Śląskiego (2012), nagrody za I miejsce w konkursie na najlepszą pracę magisterską z dziedzin nauk mineralogicznych organizowanym przez Polskie Towarzystwo Mineralogiczne (2013), głównej nagrody w ogólnopolskim konkursie REVITARE na prace naukowo-badawcze dotyczące rewitalizacji terenów zdegradowanych (2014), nagrody naukowej „Incipere auso” za publikację w renomowanym czasopiśmie naukowym w zakresie nauk o Ziemi (2016) oraz głównej nagrody w konkursie Ministerstwa Środowiska GEOLOGIA 2017, w kategorii Młodzi. Zwycięzca plebiscytu Absolwenci z Pasją organizowanego przez Uniwersytet Ślaski w Katowicach (2017).