Mechanism Analysis of Ring Formation on Aluminum Phosphate Refractory Bricks During Treatment of Iron-Bearing Waste in a Coal-Fired Rotary Kiln

Technische Zusammenfassung: Mechanismus-Analyse der Ringbildung auf Aluminiumphosphat-Feuerfeststeinen während der Behandlung von eisenhaltigen Abfällen in einem kohlebefeuerten Drehrohrofen

Problemstellung
Die Stahlindustrie steht unter erheblichem Umweltdruck durch die Entstehung von metallurgischem Staub und Schlamm, die gefährliche Substanzen wie Alkalimetalle und Chloride sowie wertvolle Metalle wie Eisen und Zink enthalten. Während pyrometallurgische Prozesse, insbesondere Drehrohrofenverfahren, eine praktikable Methode zum Recycling von zinkhaltigen Abfällen bieten, wird ihr effizienter Betrieb häufig durch „Ringing“ (die Bildung von Anlagerungen an der Ofenauskleidung) behindert. Ringing führt zu einer sinkenden Pelletqualität, reduzierter Produktionseffizienz und erhöhten Kosten. Obwohl frühere Studien die Ringbildung unter Verwendung von Eisenerz oder ölhaltigem Schlamm untersucht haben, stellen die komplexe und schwankende Zusammensetzung von metallurgischem Staub und Schlamm einzigartige Herausforderungen dar. Es mangelt an detaillierter Forschung zu den spezifischen Korrosionsmechanismen der feuerfesten Ziegel und der anschließenden Ringbildung bei der Behandlung dieser spezifischen eisenhaltigen Abfälle.

Methodik
Diese Studie untersucht das Korrosionsverhalten von Aluminiumphosphat-Feuerfeststeinen und die Mechanismen der Ringbildung während des Röstens von zink-eisenhaltigem Staub und Schlamm.

• Materialien: Proben von eisenhaltigen Abfällen, einschließlich Hochofensstaub (BFD) und Sauerstoffkonverter-Schlamm (OGs), wurden von der Maanshan Iron and Steel Company bezogen. Die Materialien wurden in einem Massenverhältnis von 1:1 gemischt.
• Experimenteller Aufbau: Laborähnliche Simulationen wurden in einem Muffelofen durchgeführt. Gepresste Pellets und lose Pulvermischungen wurden auf rechteckige Aluminiumphosphat-Feuerfeststeine (geschnitten aus im Feld entnommenen Ziegeln) platziert und von 1000 °C bis 1250 °C in Schritten von 50 °C über jeweils 80 Minuten erhitzt.
• Analyse: Die Studie nutzte Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) zur chemischen Zusammensetzung, Röntgendiffraktometrie (XRD) zur Phasenidentifizierung sowie Rasterelektronenmikroskopie mit energiedispersiver Spektroskopie (SEM-EDS), um Mikrostrukturen und die Elementverteilung zu beobachten.
• Thermodynamische Modellierung: Die Software FactSage 8.4 wurde verwendet, um Phasendiagramme für die Systeme CaO-SiO2-FeO-Al2O3 und CaO-SiO2-FeO-Al2O3-MgO zu berechnen, um das Schmelzverhalten und die Reaktionsmechanismen zu erläutern.
• Feldvalidierung: Ringproben wurden aus spezifischen Zonen (8 m, 22 m und 27 m vom Ofenkopf entfernt) eines industriellen Drehrohrofens entnommen, um die Laborbefunde mit den tatsächlichen Produktionsbedingungen zu korrelieren.

Wesentliche Ergebnisse

1. Temperatur und Agglomeration: Die Agglomeration auf den feuerfesten Ziegeln war unterhalb von 1100 °C vernachlässigbar. Zwischen 1100 °C und 1200 °C begannen sich Adhäsionen zu bilden, wobei Pulvermischungen eine schwerwiegendere Agglomeration zeigten als pelletierte Mischungen. Bei 1250 °C haftete die Mischung vollständig an den Ziegeln an und bildete eine feste Korrosionsschicht, die mechanisch nicht entfernt werden konnte.
2. Korrosionsmechanismus:
   • Anfangsphase: Während der Reduktion wird Fe2O3 zu FeO reduziert. FeO akkumuliert auf der Oberfläche des Feuerfestmaterials und reagiert mit Al2O3 zu niedrigschmelzenden flüssigen Phasen. Thermodynamische Berechnungen zeigen, dass das FeO-Al2O3-System das niedrigste Schmelzverhalten unter den beteiligten binären Oxiden aufweist.
   • Sekundärphase: Mit der Bildung der flüssigen Phase reagiert CaO aus dem Abfall mit Al2O3, und SiO2 reagiert mit FeO (unter Bildung von Fe2SiO4). Diese Reaktionen senken den Schmelzpunkt der Schlacke weiter, was das Eindringen der Flüssigkeit in den feuerfesten Ziegel erleichtert.
   • Erstarrung und Ringbildung: MgO, das anfänglich im Abfall vorhanden ist, diffundiert in einer späteren Phase in die erodierte Schicht. Die Reaktion von MgO mit SiO2 und CaO bildet hochschmelzende Verbindungen, spezifisch Ca3MgSi2O8. Diese Reaktion erhöht die Liquidustemperatur der Schlacke. Da der FeO-Gehalt (durch die Reduktion zu metallischem Eisen) abnimmt und MgO akkumuliert, erstarrt die flüssige Schlacke, wodurch eine harte Korrosionsschicht und ringförmige Ablagerungen entstehen.
3. Zusammensetzung des Rings: Industrielle Ringproben enthielten metallisches Eisen (MFe), Zementit (Fe3C) und Schlackenphasen. Das Vorhandensein von Fe3C, das durch die Karburierung von MFe gebildet wurde, senkte den Schmelzpunkt der Eisenphase signifikant, was zur Bindungsstärke und zur Schwierigkeit bei der Entfernung der Ringe beitrug.
4. Zinkentzug: Die Zinkentzugsrate stieg mit der Temperatur an, überstieg 75 % bei 1100 °C und übertraf 90 % bei 1200 °C. Höhere Temperaturen fördern jedoch auch die Ringbildung.

Bedeutung und Ansprüche
Das Papier beansprucht, die spezifischen Korrosions- und Agglomerationsmechanismen von Aluminiumphosphat-Feuerfeststeinen im Kontext der Behandlung von eisenhaltigen Abfällen zu erläutern. Die Studie identifiziert, dass die Bildung von Ringen ein mehrstufiger Prozess ist, der durch FeO-induzierte Korrosion eingeleitet, durch die Einbindung von CaO und SiO2 fortgesetzt und durch die Erstarrung der Schlacke aufgrund der Beteiligung von MgO abgeschlossen wird.

Die Autoren geben an, dass diese Erkenntnisse praktische Referenzen für die Optimierung der Betriebsbedingungen liefern; insbesondere wird vorgeschlagen, dass die Kontrolle der Basizität (CaO/SiO2-Verhältnis) und der Zusammensetzung der Mischung (insbesondere des MgO- und CaO-Gehalts) die Bildung flüssiger Schlacke reduzieren und die Ringbildung mildern kann. Die Forschung zielt darauf ab, die Anwendung von Drehrohrofenverfahren für das Recycling fester Abfälle zu erleichtern, indem sie die zentrale betriebliche Herausforderung des Ringings adressiert und somit die Bemühungen der Industrie unterstützt, den Umweltdruck durch effektive Abfallbehandlung zu verringern.