A study of an autogenous slag for steel production with consideration of possible vanadium extraction

Abstract

I denna avhandling presenteras forskning om den autogena slagg som vid smältning av vätgasreducerade järnmalmspellets (H-DRI pellets) bildas från de kvarstående oxiderna. Studiens motiv är att öka förståelsen om hur användningen av H-DRI pellets påverkar ståltillverkningsprocessen. En möjlig optimering av ståltillverkningsprocessen är att ta vara på det vanadin som finns i järnmalmsråvaran. Därför ligger ett extra fokus på att förstå vanadinets roll vid smältning av H-DRI. 

Ett sätt att dra nytta av den autogena slaggen för att främja processekonomin är att maximalt utnyttja dess fosforreningsförmåga, eller att använda den för att extrahera vanadin. För att öka förståelsen kring hur detta skulle kunna gå till undersöks inledningsvis uppdelningarna av fosfor- och vanadin mellan slagg och metall (L_P och L_V) samt den autogena slaggens fasförhållande. L_P och LV studeras genom att smälta H-DRI med reduktionsgrader mellan 91 och 99% i stängda system vid 1873 K. De erhållna L_P och L_V låg i intervallen 8-26 respektive 501-1994. L_V ökade med minskad reduktionsgrad. L_P ökade med minskad reduktionsgrad ner till en reduktionsgrad på 97%. Ytterligare sänkning av reduktionsgraden korrelerade med en sänkning av L_P. De lägsta fosforhalterna i järnet (130 ppm) erhölls vid smältning av H-DRI med reduktiongrader mellan 94 och 97%. Detta tyder på att den autogena slaggen kan bidra signifikant till fosforreningen. 

För att undersöka fasförhållandet i den autogena slaggen vid 1873 K användes små (5 g) prover av syntetisk slagg, sammansättningsmässigt motsvarande autogen slagg från H-DRI med reduktionsgrader mellan 98.4 och 99.7%. Slaggerna smältes i stängda system med 1 g järn för att styra hur jämvikten ställde in sig. För att bevara högtemperatursfaserna krävdes snabb nedkylning. Av denna anledning användes små prov som släcktes i olja. Spinell, magnesiowüstit samt en flytande fas identifierades som stabila vid 1873 K. De två förstnämnda innehöll höga koncentrationer av vanadin, medan den sistnämnda knappt innehöll något vanadin. Ökad FeO-halt (minskad reduktionsgrad) korrelerade med minskad mängd spinellfas, ökad mängd magnesiowüstitfas samt en minskad halt av vanadin i båda dessa faser.

För att öka förståelsen kring faserna i den autogena slaggen undersöktes undersystemet MgO-V₂O₃ vid liknande förhållanden som vid H-DRI-smältning, nämligen 1661-1873 K och p_O2=1.75×10^-11-1.75×10^-10 atm. Fasgränserna för de tre stabila faserna MgO-halit, spinell och V₂O₃-corundum fastställdes. Syrepotentialen och temperaturen hade en begränsad påverkan på fasgränserna för spinell och V₂O₃-corudum, medan maxlösligheten av V₂O₃ i MgO-halit påverkades i något större utsträckning. Eftersom tidigare forskning har visat att en sur slagg skulle kunna vara lämplig för vanadinextraktion undersöktes även det pseudo-ternära fasdiagrammet mellan Al₂O₃, SiO₂ och V₂O₃ vid 1873 K och p_O2=3.4×10^-11-3.4×10^-9 atm. 5 olika faser identifierades; mullit, Al₂O₃-corundum, V₂O₃-corundum, kristobalit samt en flytande fas. Punkten för samtidig Al₂O₃- och V₂O₃-mättnad i den flytande fasen påverkades mest anmärkningsvärt av syrepotentialen. Vanadinets förmåga att anta olika valenser framhålls i diskussionen som anledningen till att syrepotentialen har en viss påverkan på fasdiagrammen.

För att förstå hur den autogena slaggen bildas från de kvarvarande oxiderna studerades enskilda pellets med reduktionsgraderna 90 och 99% då de värmdes upp till 1773 K eller 1873 K. Det observerades att den autogena slaggen bildas innan järnet smälter. Slaggen bildas troligtvis av att FeO smälter och löser in vissa av de andra kvarvarande oxiderna. Därmed upptas vanadin i den autogena slaggen. Innan järnet smälter kan slaggen enbart röra sig i pelletens pornätverk. När järnet smälter kan slaggen gå samman till större enheter samt flyta upp till ytan. 

Eftersom det visat sig att den autogena slaggen kan innehålla fasta faser undersöktes slutligen hur mängden fast fas påverkar en slaggs förmåga att skumma. Detta gjordes genom att mäta den maximala skumhöjden för slagger innehållande Al₂O₃, CaO, FeO och SiO₂, lika den autogena slaggen i sina sammansättningar. Slaggsammansättningarna valdes så att andelen magnesiowüstitfas utgjorde den huvudsakliga variabeln. Det observerades att lite fast fas (1.6 vol%) höjde den maximala skumhöjden med ca 7%, medan ≥8.7 vol% mer än halverade den maximala skumhöjden.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-343210