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

Technische Samenvatting: Mechanismeanalyse van Ringvorming op Aluminiumfosfaatrefractaire Bakstenen tijdens de Behandeling van IJzerhoudend Afval in een Kolengestookte Draaitrommeloven

Probleemstelling
De staalindustrie staat onder aanzienlijke milieudruk door de generatie van metallurgisch stof en slib, dat gevaarlijke stoffen bevat zoals alkali-metalen en chloriden, evenals waardevolle metalen zoals ijzer en zink. Hoewel pyrometallurgische processen, specifiek draaitrommelovens, een levensvatbare methode bieden voor de recycling van zinkhoudend afval, wordt hun efficiënte werking regelmatig gehinderd door "ringing" (de vorming van accreties op de voering van de oven). Ringing leidt tot een dalende pelletkwaliteit, verminderde productie-efficiëntie en verhoogde kosten. Hoewel eerdere studies de ringvorming hebben onderzocht met behulp van ijzererts of oliehoudend slib, vormen de complexe en fluctuerende samenstelling van metallurgisch stof en slib unieke uitdagingen. Er is een gebrek aan gedetailleerd onderzoek naar de specifieke corrosiemechanismen van refractaire bakstenen en de daaropvolgende ringvorming bij de behandeling van dit specifieke ijzerhoudende afval.

Methodologie
Deze studie onderzoekt het corrosiegedrag van aluminiumfosfaatrefractaire bakstenen en de mechanismen van ringvorming tijdens het roosteren van zink-ijzerhoudend stof en slib.

• Materialen: IJzerhoudende afvalmonsters, inclusief hoogovenstof (BFD) en zuurstofconverteterslib (OGs), werden verkregen van Maanshan Iron and Steel Company. De materialen werden in een massaverhouding van 1:1 gemengd.
• Experimentele Opstelling: Laboratoriumsimulaties werden uitgevoerd met een elektrische muffeloven. Geperste pellets en losse poedermengsels werden op rechthoekige aluminiumfosfaatrefractaire bakstenen (uit de praktijk verkregen bakstenen) geplaatst en verhit van 1000 °C naar 1250 °C in stappen van 50 °C gedurende elk 80 minuten.
• Analyse: De studie maakte gebruik van röntgenfluorescentie (XRF) voor chemische samenstelling, röntgendiffractie (XRD) voor fase-identificatie, en Scanning Elektronenmicroscopie met Energie-dispersieve Spectroscopie (SEM-EDS) om microstructuren en elementverdeling te observeren.
• Thermodynamische Modellering: FactSage 8.4 software werd ingezet om fasediagrammen voor de CaO-SiO2-FeO-Al2O3 en de CaO-SiO2-FeO-Al2O3-MgO systemen te berekenen om het smeltgedrag en de reactiemechanismen te verduidelijken.
• Veldvalidatie: Ringmonsters werden verzameld uit specifieke zones (8 m, 22 m en 27 m van de kop van de oven) van een industriële draaitrommeloven om laboratoriumbevindingen te correleren met de werkelijke productieomstandigheden.

Belangrijkste Resultaten

1. Temperatuur en Agglomeratie: Agglomeratie op de refractaire bakstenen was verwaarloosbaar onder 1100 °C. Tussen 1100 °C en 1200 °C begonnen adhesies te vormen, waarbij poedermengsels een ernstigere agglomeratie vertoonden dan gepelleteerde mengsels. Bij 1250 °C hechtte het mengsel volledig aan de bakstenen, waardoor een solide corrosielaag ontstond die mechanisch niet verwijderd kon worden.
2. Corrosiemechanisme:
   • Initiële Fase: Tijdens de reductie wordt Fe2O3 gereduceerd tot FeO. FeO accumuleert op het refractaire oppervlak en reageert met Al2O3 om laagsmeltende vloeibare fasen te vormen. Thermodynamische berekeningen geven aan dat het FeO-Al2O3 systeem het laagste smeltpunt heeft onder de betrokken binaire oxiden.
   • Secundaire Fase: Naarmate de vloeibare fase vormt, reageert CaO uit het afval met Al2O3, en SiO2 reageert met FeO (vorming van Fe2SiO4). Deze reacties verlagen het smeltpunt van de slak verder, wat de penetratie van de vloeistof in de refractaire baksteen vergemakkelkt.
   • Solidificatie en Ringvorming: MgO, dat aanvankelijk in het afval aanwezig is, diffundeert in een later stadium in de geërodeerde laag. De reactie van MgO met SiO2 en CaO vormt hoogsmeltende verbindingen, specifiek Ca3MgSi2O8. Deze reactie verhoogt de liquidustemperatuur van de slak. Naarmate het FeO-gehalte afneemt (door reductie tot metallisch ijzer) en MgO accumuleert, stolt de vloeibare slak, wat een harde corrosielaag en ringvormige accreties vormt.
3. Ring-samenstelling: Industriële ringmonsters bevatten metallisch ijzer (MFe), cementiet (Fe3C) en slakfasen. De aanwezigheid van Fe3C, gevormd door de carburering van MFe, verlaagde het smeltpunt van de ijzerfase aanzienlijk, wat bijdroeg aan de bindingssterkte en de moeilijkheid bij het verwijderen van de ringen.
4. Zinkverwijdering: De zinkverwijderingsgraad nam toe met de temperatuur, waarbij deze boven de 75% uitkwam bij 1100 °C en de 90% overschreed bij 1200 °C. Hogere temperaturen bevorderen echter ook de ringvorming.

Betekenis en Claims
Het artikel beweert de specifieke corrosie- en agglomeratiemechanismen van aluminiumfosfaatrefractaire bakstenen te hebben verduidelijkt in de context van de behandeling van ijzerhoudend afval. De studie identificeert dat de vorming van ringen een meerfasig proces is dat wordt geïnitieerd door FeO-geïnduceerde corrosie, gevolgd door de incorporatie van CaO en SiO2, en wordt afgerond door de solidificatie van de slak door de deelname van MgO en FeO-reductie.

De auteurs stellen dat deze bevindingen praktische referenties bieden voor het optimaliseren van de operationele condities, waarbij specifiek wordt gesuggereerd dat het controleren van de basiciteit (CaO/SiO2-ratio) en de samenstelling van het mengsel (met name het MgO- en CaO-gehalte) de vorming van vloeibare slak kan verminderen en ringvorming kan mitigeren. Het onderzoek beoogt de toepassing van draaitrommelovens voor de recycling van vast afval te vergemakkelijken door de belangrijkste operationele uitdaging van ringvorming aan te pakken, waarmee ondersteuning wordt geboden aan het doel van de industrie om de milieudruk te verminderen door effectieve afvalbehandeling.