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

Résumé technique : Analyse du mécanisme de formation de l'anneau sur les briques réfractaires de phosphate d'aluminium lors du traitement de déchets contenant du fer dans un four rotatif à charbon

Énoncé du problème
L'industrie sidérurgique fait face à une pression environnementale significative due à la génération de poussières et de boues métallurgiques, qui contiennent des substances dangereuses telles que les métaux alcalins et les chlorures, ainsi que des métaux précieux tels que le fer et le zinc. Bien que les processus pyrométallurgiques, spécifiquement les fours rotatifs, offrent une méthode viable pour le recyclage des déchets contenant du zinc, leur fonctionnement efficace est fréquemment entravé par la formation d'anneaux (l'accumulation d'adhérences sur le revêtement du four). La formation d'anneaux entraîne une baisse de la qualité des briquettes, une réduction de l'efficacité de la production et une augmentation des coûts. Bien que des études antérieures aient examiné la formation d'anneaux en utilisant du minerai de fer ou des boues huileuses, la composition complexe et fluctuante des poussières et boues métallurgiques présente des défis uniques. Il existe un manque de recherche détaillée sur les mécanismes de corrosion spécifiques des briques réfractaires et la formation consécutive d'anneaux lors du traitement de ces déchets spécifiques contenant du fer.

Méthodologie
Cette étude étudie le comportement de corrosion des briques réfractaires de phosphate d'aluminium et les mécanismes de formation d'anneaux lors de la calcination de poussières et de boues contenant du zinc et du fer.

• Matériaux : Des échantillons de déchets contenant du fer, incluant de la poussière de haut fourneau (BFD) et de la boue de convertisseur à oxygène (OGs), ont été sourcés auprès de la Maanshan Iron and Steel Company. Les matériaux ont été mélangés selon un rapport massique de 1:1.
• Dispositif expérimental : Des simulations de laboratoire ont été réalisées à l'aide d'un four à moufle. Des mélanges de briquettes pressées et de poudre libre ont été placés sur des briques rectangulaires de phosphate d'aluminium (découpées à partir de briques récupérées sur le terrain) et chauffés de 1000 °C à 1250 °C par incréments de 50 °C pendant 80 minutes chacun.
• Analyse : L'étude a utilisé la fluorescence X (XRF) pour la composition chimique, la diffraction des rayons X (XRD) pour l'identification des phases, et la microscopie électronique à balayage avec spectroscopie de dispersion en énergie (SEM-EDS) pour observer les microstructures et la distribution élémentaire.
• Modélisation thermodynamique : Le logiciel FactSage 8.4 a été employé pour calculer les diagrammes de phases des systèmes CaO-SiO2-FeO-Al2O3 et CaO-SiO2-FeO-Al2O3-MgO afin d'élucider le comportement de fusion et les mécanismes de réaction.
• Validation sur le terrain : Des échantillons d'anneaux ont été collectés dans des zones spécifiques (8 m, 22 m et 27 m de la tête du four) d'un four rotatif industriel pour corréler les résultats de laboratoire avec les conditions de production réelles.

Résultats clés

1. Température et agglomération : L'agglomération sur les briques réfractaires était négligeable en dessous de 1100 °C. Entre 1100 °C et 1200 °C, des adhérences ont commencé à se former, les mélanges de poudre présentant une agglomération plus sévère que les mélanges briquetés. À 1250 °C, le mélange adhéait complètement aux briques, formant une couche de corrosion solide qui ne pouvait être éliminée mécaniquement.
2. Mécanisme de corrosion :
   • Stade initial : Pendant la réduction, le Fe2O3 est réduit en FeO. Le FeO s'accumule sur la surface réfractaire et réagit avec l'Al2O3 pour former des phases liquides à bas point de fusion. Les calculs thermodynamiques indiquent que le système FeO-Al2O3 possède le point de fusion le plus bas parmi les oxydes binaires impliqués.
   • Stade secondaire : À mesure que la phase liquide se forme, le CaO provenant des déchets réagit avec l'Al2O3, et le SiO2 réagit avec le FeO (formant du Fe2SiO4). Ces réactions abaissent davantage le point de fusion du laitier, facilitant la pénétration du liquide dans la brique réfractaire.
   • Solidification et formation d'anneau : Le MgO, initialement présent dans les déchets, diffuse dans la couche érodée à un stade ultérieur. La réaction du MgO avec le SiO2 et le CaO forme des composés à haut point de fusion, spécifiquement le Ca3MgSi2O8. Cette réaction augmente la température de liquidus du laitier. À mesure que la teneur en FeO diminue (en raison de la réduction en fer métallique) et que le MgO s'accumule, le laitier liquide se solidifie, formant une couche de corrosion dure et des accumulations de type anneau.
3. Composition de l'anneau : Les échantillons d'anneaux industriels contenaient du fer métallique (MFe), de la cémentite (Fe3C) et des phases de laitier. La présence de Fe3C, formé par la carburation du MFe, a considérablement abaissé le point de fusion de la phase ferreuse, contribuant à la force de liaison et à la difficulté d'élimination des anneaux.
4. Élimination du zinc : Le taux d'élimination du zinc augmentait avec la température, dépassant 75 % à 1100 °C et surpassant 90 % à 1200 °C. Cependant, des températures plus élevées favorisent également la formation d'anneaux.

Signification et revendications
L'article prétend élucider les mécanismes spécifiques de corrosion et d'agglomération des briques réfractaires de phosphate d'aluminium dans le contexte du traitement de déchets contenant du fer. L'étude identifie que la formation d'anneaux est un processus multi-étapes initié par la corrosion induite par le FeO, suivie de l'incorporation de CaO et de SiO2, et finalisée par la solidification du laitier due à la participation du MgO et de la réduction du FeO.

Les auteurs affirment que ces conclusions fournissent des références pratiques pour optimiser les conditions de fonctionnement, suggérant spécifiquement que le contrôle de la basicité (rapport CaO/SiO2) et de la composition du mélange (particulièrement la teneur en MgO et en CaO) peut réduire la formation de laitier liquide et atténuer la formation d'anneaux. La recherche vise à faciliter l'application des fours rotatifs pour le recyclage des déchets solides en abordant le défi opérationnel clé de l'anneau, soutenant ainsi l'objectif de l'industrie de réduire la pression environnementale grâce à un traitement efficace des déchets.