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

तकनीकी सारांश: कोयला संचालित रोटरी भट्टी में लोह-युक्त अपशिष्ट के उपचार के दौरान एल्युमीनियम फॉस्फेट रिफ्रैक्टरी ईंटों पर रिंग निर्माण के तंत्र का विश्लेषण

समस्या विवरण
धातु विज्ञान संबंधी धूल और कीचड़ (स्लज) के उत्पादन के कारण इस्पात उद्योग को महत्वपूर्ण पर्यावरणीय दबाव का सामना करना पड़ रहा है, जिसमें क्षार धातुएं और क्लोराइड जैसे खतरनाक पदार्थ, साथ ही लोहा और जस्ता जैसे मूल्यवान धातुएं शामिल हैं। हालांकि पाइरोमेटालर्जिकल प्रक्रियाएं, विशेष रूप से रोटरी भट्ठियां, जस्ता युक्त अपशिष्ट के पुनर्चक्रण के लिए एक व्यवहार्य तरीका प्रदान करती हैं, लेकिन उनकी कुशल संचालन प्रक्रिया अक्सर "रिंगिंग" (भट्टी की लाइनिंग पर जमाव का निर्माण) के कारण बाधित होती है। रिंगिंग से पेलेट की गुणवत्ता में गिरावट आती है, उत्पादन दक्षता कम होती है और लागत बढ़ती है। यद्यपि पिछले अध्ययनों में लौह अयस्क या तैलीय कीचड़ का उपयोग करके रिंग निर्माण का परीक्षण किया गया है, लेकिन धातु संबंधी धूल और कीचड़ की जटिल और परिवर्तनशील संरचना अनूठी चुनौतियां पेश करती है। इन विशिष्ट लौह-युक्त अपशिष्टों के उपचार के दौरान रिफ्रैक्टरी ईंटों के विशिष्ट संक्षारण तंत्र और उसके बाद होने वाले रिंग निर्माण पर विस्तृत शोध का अभाव है।

कार्यप्रणाली
यह अध्ययन जस्ता-लोह-युक्त धूल और कीचड़ के रोस्टिंग के दौरान एल्युमीनियम फॉस्फेट रिफ्रैक्टरी ईंटों के संक्षारण व्यवहार और रिंग निर्माण के तंत्र की जांच करता है।

• सामग्री: माआनशान आयरन एंड स्टील कंपनी से प्राप्त लौह-युक्त अपशिष्ट नमूने, जिनमें ब्लास्ट फर्नेस डस्ट (BFD) और ऑक्सीजन-कनवर्टर स्लज (OGs) शामिल हैं। इन सामग्रियों को 1:1 द्रव्यमान अनुपात में मिलाया गया था।
• प्रायोगिक सेटअप: मफल फर्नेस का उपयोग करके प्रयोगशाला सिमुलेशन किए गए। आयताकार एल्युमीनियम फॉस्फेट रिफ्रैक्टरी ईंटों (क्षेत्र से प्राप्त ईंटों से काटकर बनाई गई) पर दबे हुए पेलेट्स और ढीले पाउडर मिश्रणों को रखा गया और उन्हें 1000 °C से 1250 °C तक 50 °C के अंतराल पर 80 मिनट तक गर्म किया गया।
• विश्लेषण: अध्ययन में रासायनिक संरचना के लिए एक्स-रे फ्लोरोसेंस (XRF), चरण पहचान (फेज आइडेंटिफिकेशन) के लिए एक्स-रे विवर्तन (XRD), और सूक्ष्म संरचना एवं तत्वों के वितरण को देखने के लिए स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी विद एनर्जी डिस्पर्सिव स्पेक्ट्रोस्कोपी (SEM-EDS) का उपयोग किया गया।
• ऊष्मागतिकी मॉडलिंग (Thermodynamic Modeling): पिघलने के व्यवहार और प्रतिक्रिया तंत्र को स्पष्ट करने के लिए CaO-SiO2-FeO-Al2O3 और CaO-SiO2-FeO-Al2O3-MgO प्रणालियों के फेज डायग्राम की गणना करने के लिए FactSage 8.4 सॉफ्टवेयर का उपयोग किया गया।
• क्षेत्र सत्यापन (Field Validation): प्रयोगशाला के निष्कर्षों को वास्तविक उत्पादन स्थितियों के साथ सह-संबंधित करने के लिए एक औद्योगिक रोटरी भट्टी के विशिष्ट क्षेत्रों (भट्टी के हेड से 8 मीटर, 22 मीटर और 27 मीटर) से रिंग नमूने एकत्र किए गए।

प्रमुख परिणाम

1. तापमान और एकत्रीकरण: 1100 °C से नीचे रिफ्रैक्टरी ईंटों पर एकत्रीकरण नगण्य था। 1100 °C और 1200 °C के बीच, अधेरेंट्स (adherents) बनने लगे, जिसमें पेलेटाइज्ड मिश्रणों की तुलना में पाउडर मिश्रणों में अधिक गंभीर एकत्रीकरण देखा गया। 1250 °C पर, मिश्रण पूरी तरह से ईंटों से चिपक गया, जिससे एक ठोस संक्षारण परत बन गई जिसे यांत्रिक रूप से हटाया नहीं जा सकता था।
2. संक्षारण तंत्र:
   • प्रारंभिक चरण: रिडक्शन (अपचयन) के दौरान, Fe2O3 का FeO में अपचयन होता है। FeO रिफ्रैक्टरी सतह पर जमा होता है और Al2O3 के साथ प्रतिक्रिया करके निम्न-गलनांक वाले तरल चरणों का निर्माण करता है। ऊष्मागतिक गणना दर्शाती है कि शामिल बाइनरी ऑक्साइडों में FeO-Al2O3 प्रणाली का गलनांक सबसे कम है।
   • द्वितीयक चरण: जैसे ही तरल चरण बनता है, अपशिष्ट से प्राप्त CaO, Al2O3 के साथ प्रतिक्रिया करता है, और SiO2, FeO के साथ प्रतिक्रिया करता है (Fe2SiO4 बनाता है)। ये प्रतिक्रियाएं स्लैग के गलनांक को और कम कर देती हैं, जिससे तरल का रिफ्रैक्टरी ईंट के भीतर प्रवेश करना आसान हो जाता है।
   • ठोसीकरण और रिंग निर्माण: MgO, जो प्रारंभ में अपशिष्ट में मौजूद था, बाद के चरण में क्षरित परत में विसरित (diffuse) हो जाता है। MgO की SiO2 और CaO के साथ प्रतिक्रिया उच्च-गलनांक वाले यौगिकों, विशेष रूप से Ca3MgSi2O8 का निर्माण करती है। यह प्रतिक्रिया स्लैग के लिक्विडस तापमान को बढ़ा देती है। जैसे-जैसे FeO की मात्रा कम होती है (धात्विक लोहे में अपचयन के कारण) और MgO जमा होता है, तरल स्लैग जम जाता है, जिससे एक कठोर संक्षारण परत और रिंग जैसी संरचना बनती है।
3. रिंग संरचना: औद्योगिक रिंग नमूनों में धात्विक लोहा (MFe), सीमेंटाइट (Fe3C) और स्लैग चरण शामिल थे। MFe के कार्बराइजेशन द्वारा निर्मित Fe3C की उपस्थिति ने लोहे के चरण के गलनांक को काफी कम कर दिया, जिससे रिंगों की बॉन्डिंग स्ट्रेंथ और उन्हें हटाने में कठिनाई बढ़ गई।
4. जस्ता निष्कासन: तापमान के साथ जस्ता निष्कासन दर बढ़ी, जो 1100 °C पर 75% से अधिक और 1200 °C पर 90% से अधिक हो गई। हालांकि, उच्च तापमान रिंग निर्माण को भी बढ़ावा देता है।

महत्व और दावे
यह शोध पत्र दावा करता है कि यह लौह-युक्त अपशिष्ट के उपचार के संदर्भ में एल्युमीनियम फॉस्फेट रिफ्रैक्टरी ईंटों के विशिष्ट संक्षारण और एकत्रीकरण तंत्र को स्पष्ट करता है। अध्ययन यह पहचानता है कि रिंग का निर्माण एक बहु-चरणीय प्रक्रिया है जो FeO-प्रेरित संक्षारण से शुरू होती है, इसके बाद CaO और SiO2 का समावेश होता है, और अंततः MgO की भागीदारी और FeO अपचयन के कारण स्लैग के ठोसीकरण के साथ समाप्त होती है।

लेखकों का कहना है कि ये निष्कर्ष परिचालन स्थितियों को अनुकूलित करने के लिए व्यावहारिक संदर्भ प्रदान करते हैं, विशेष रूप से यह सुझाव देते हैं कि क्षारीयता (बेसिसिटी - CaO/SiO2 अनुपात) और मिश्रण की संरचना (विशेष रूप से MgO और CaO सामग्री) को नियंत्रित करके तरल स्लैग के निर्माण को कम किया जा सकता है और रिंग निर्माण को कम किया जा सकता है। इस शोध का उद्देश्य रिंगिंग की प्रमुख परिचालन चुनौती का समाधान करके, ठोस अपशिष्ट पुनर्चक्रण के लिए रोटरी भट्ठियों के अनुप्रयोग को सुगम बनाना है, जिससे प्रभावी अपशिष्ट उपचार के माध्यम से पर्यावरणीय दबाव को कम करने के उद्योग के लक्ष्य को समर्थन मिलता है।