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

Sintesi Tecnica: Analisi del Meccanismo di Formazione di Anelli su Mattoni Refrattari di Fosfato di Alluminio durante il Trattamento di Rifiuti Ricchi di Ferro in un Forno Rotativo a Carbone

Definizione del Problema
L'industria siderurgica affronta una significativa pressione ambientale dovuta alla generazione di polveri metallurgiche e fanghi, che contengono sostanze pericolose come metalli alcalini e cloruri, nonché metalli preziosi come ferro e zinco. Sebbene i processi pirometallurgici, specificamente i forni rotativi, offrano un metodo praticabile per il riciclo di rifiuti contenenti zinco, la loro efficiente operatività è spesso ostacolata dalla formazione di "anelli" (l'accumulo di incrostazioni sul rivestimento del forno). La formazione di anelli causa un declino della qualità dei pellet, una riduzione dell'efficienza produttiva e un aumento dei costi. Sebbene studi precedenti abbiano esaminato la formazione di anelli utilizzando minerale di ferro o fanghi oleosi, la composizione complessa e fluttuante delle polveri e dei fanghi metallurgici presenta sfide uniche. Vi è una mancanza di ricerca dettagliata sui meccanismi specifici di corrosione dei mattoni refrattari e sulla successiva formazione di anelli durante il trattamento di questi specifici rifiuti ricchi di ferro.

Metodologia
Questo studio investiga il comportamento di corrosione dei mattoni refrattari di fosfato di alluminio e i meccanismi di formazione degli anelli durante la calcinazione di polveri e fanghi contenenti zinco e ferro.

• Materiali: Campioni di rifiuti ricchi di ferro, inclusi polvere da altoforno (BFD) e fanghi da convertitore a ossigeno (OGs), sono stati reperiti presso la Maanshan Iron and Steel Company. I materiali sono stati miscelati in un rapporto di massa di 1:1.
• Configurazione Sperimentale: Simulazioni di laboratorio sono state condotte utilizzando un forno a muffola. Pellet pressati e miscele di polvere sciolta sono stati posizionati su mattoni rettangolari di fosfato di alluminio (ritagliati da mattoni recuperati sul campo) e riscaldati da 1000 °C a 1250 °C con incrementi di 50 °C ogni 80 minuti.
• Analisi: Lo studio ha utilizzato la fluorescenza a raggi X (XRF) per la composizione chimica, la diffrazione a raggi X (XRD) per l'identificazione delle fasi e la microscopia elettronica a scansione con spettroscopia a dispersione di energia (SEM-EDS) per osservare le microstrutture e la distribuzione degli elementi.
• Modellazione Termodinamica: Il software FactSage 8.4 è stato impiegato per calcolare i diagrammi di fase dei sistemi CaO-SiO2-FeO-Al2O3 e CaO-SiO2-FeO-Al2O3-MgO per chiarire il comportamento di fusione e i meccanismi di reazione.
• Validazione sul Campo: Campioni di anelli sono stati raccolti da zone specifiche (8 m, 22 m e 27 m dalla testa del forno) di un forno rotativo industriale per correlare i risultati di laboratorio con le reali condizioni di produzione.

Risultati Chiave

1. Temperatura e Agglomerazione: L'agglomerazione sui mattoni refrattari è stata trascurabile al di sotto degli 1100 °C. Tra 1100 °C e 1200 °C, gli aderenti hanno iniziato a formarsi, con le miscele di polvere che mostravano un'agglomerazione più severa rispetto alle miscele pelletizzate. A 1250 °C, la miscela aderiva completamente ai mattoni, formando uno strato di corrosione solido che non poteva essere rimosso meccanicamente.
2. Meccanismo di Corrosione:
   • Fase Iniziale: Durante la riduzione, il Fe2O3 viene ridotto a FeO. Il FeO si accumula sulla superficie del refrattario e reagisce con l'Al2O3 per formare fasi liquide a basso punto di fusione. I calcoli termodinamici indicano che il sistema FeO-Al2O3 ha il punto di fusione più basso tra gli ossidi binari coinvolti.
   • Fase Secondaria: Con la formazione della fase liquida, il CaO proveniente dal rifiuto reagisce con l'Al2O3, e il SiO2 reagisce con il FeO (formando Fe2SiO4). Queste reazioni abbassano ulteriormente il punto di fusione della scoria, facilitando la penetrazione del liquido nel mattone refrattario.
   • Solidificazione e Formazione dell'Anello: Il MgO, inizialmente presente nel rifiuto, si diffonde nello strato eroso in una fase successiva. La reazione del MgO con SiO2 e CaO forma composti ad alto punto di fusione, specificamente Ca3MgSi2O8. Questa reazione aumenta la temperatura di liquidus della scoria. Man mano che il contenuto di FeO diminuisce (a causa della riduzione in ferro metallico) e il MgO si accumula, la scoria liquida si solidifica, formando uno strato di corrosione duro e incrostazioni simili ad anelli.
3. Composizione dell'Anello: I campioni di anelli industriali contenevano ferro metallico (MFe), cementite (Fe3C) e fasi di scoria. La presenza di Fe3C, formato dalla carburazione del MFe, ha abbassato significativamente il punto di fusione della fase ferrosa, contribuendo alla forza di legame e alla difficoltà di rimozione degli anelli.
4. Rimozione dello Zinco: Il tasso di rimozione dello zinco è aumentato con la temperatura, superando il 75% a 1100 °C e oltre il 90% a 1200 °C. Tuttavia, temperature più elevate promuovono anche la formazione di anelli.

Significatività e Rivendicazioni
Il documento sostiene di aver chiarito i meccanici specifici di corrosione e agglomerazione dei mattoni refrattari di fosfato di alluminio nel contesto del trattamento di rifiuti ricchi di ferro. Lo studio identifica che la formazione di anelli è un processo multi-stadio iniziato dalla corrosione indotta da FeO, seguita dall'incorporazione di CaO e SiO2, e finalizzata dalla solidificazione della scoria grazie alla partecipazione del MgO e alla riduzione del FeO.

Gli autori affermano che questi risultati forniscono riferimenti pratici per ottimizzare le condizioni operative, suggerendo specificamente che il controllo della basicità (rapporto CaO/SiO2) e della composizione della miscela (particolarmente il contenuto di MgO e CaO) può ridurre la formazione di scoria liquida e mitigare la formazione di anelli. La ricerca mira a facilitare l'applicazione dei forni rotativi per il riciclo dei rifiuti solidi affrontando la sfida operativa chiave dell'anellatura, supportando così l'obiettivo dell'industia di ridurre la pressione ambientale attraverso un trattamento efficace dei rifiuti.