سرباره کوره پاتیلی در فرآیند تولید فولاد کربنی

یک نوع امیدوارکننده از سرباره فولادی برای کاربرد، سرباره کوره پاتیلی (LF) است که به عنوان سرباره بازی، سرباره احیاکننده، سرباره سفید و سرباره پالایش ثانویه نیز شناخته می شود. سرباره کوره پاتیلی محصول جانبی پالایش بیشتر فولاد مذاب پس از خروج از یک کوره اکسیژن پایه (BOF) یا یک کوره قوس الکتریکی (EAF) است. استفاده از سرباره کوره پاتیلی در کاربردهای بعدی مستلزم آگاهی از ویژگی های آن است. توصیف سرباره کوره پاتیلی در این مقاله با استفاده از روش های تحلیلی زیر انجام شده است:

 تجزیه و تحلیل شیمیایی با طیف سنجی پراکنده انرژی (EDS)، ترکیب کانی شناسی با پراش اشعه ایکس (XRD)، ویژگی های سطح توسط Brunauer-Emmett-Teller (BET) و روش های بارت-جوینر-هالندا (BJH)، شیمی سطح با طیف سنجی جذب مادون قرمز (FTIR) و تجزیه و تحلیل مورفولوژیکی با میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM). نتایج نشان داد که ترکیبات اصلی اکسیدهای کلسیم، سیلیکون، منیزیم و آلومینیوم هستند و سیلیکات های کلسیم تحت اشکال مختلف آلوتروپیک آنها، ترکیبات اصلی در سرباره کوره پاتیلی هستند. ویژگی های سطح نشان داده است که سرباره کوره پاتیلی یک ماده مزومورف با سطح BET نسبتاً بزرگ است. سرباره کوره پاتیلی یک پسماند صنعتی غیرخطرناک است زیرا ارزیابی سمیت زیست محیطی توسط مایع خروجی آن نشان داده است که سرباره کوره پاتیلی حاوی ترکیباتی نیست که به هر طریق ممکن است بر محیط زیست تأثیر مضری بگذارد.

1. معرفی

میلیون ها تن سرباره تولید می شود زیرا محصول جانبی صنعت آهن و فولادسازی در طی جداسازی آهن مذاب و فولاد از ناخالصی ها است. چهار نوع سرباره صنعت آهن و فولاد وجود دارد که عبارتند از: سرباره فولادی کوره بلند (BF)، سرباره فولادی کوره اکسیژن پایه (BOF)، سرباره فولادی کوره قوس الکتریکی (EAF) و سرباره کوره پاتیلی (LF) که سرباره تصفیه ثانویه یا سرباره سفید نیز نامیده می شود. سرباره بازی کوره بازی در مراحل نهایی فولادسازی، زمانی که فولاد در پاتیل حمل وگوگرد زدایی می شود، طی فرآیندی که عموماً به عنوان فرآیند متالورژی ثانویه شناخته می شود، تولید می شود [1، 2]. مهمترین عملکردهای فرآیندهای پالایش ثانویه عبارتند از گوگردزدایی نهایی، گاززدایی از اکسیژن، نیتروژن و هیدروژن، حذف ناخالصی ها و کربن زدایی نهایی (انجام شده برای فولادهای بسیار کم کربن) [3]. بنابراین افزایش مصرف فولاد عامل تولید بیشتر سرباره است و در نتیجه رشد حجم سرباره بر توسعه روش‌های مختلف استفاده از سرباره تأثیر داشته است. داده‌های مرتبط منتشر شده در دو دهه گذشته، مناسب بودن برخی از این مواد را از منظر فنی و اقتصادی نشان داده‌اند [4، 5]. سرباره های حاصل از تولید آهن و فولاد از دیرباز به عنوان مواد مفید در ساختمان سازی و کارهای عمرانی مورد توجه قرار گرفته اند. سرباره فولاد را می توان در بسیاری از زمینه ها از جمله تهویه خاک، کودها، مواد تف جوشی، تولید سیمان و بتن و غیره استفاده کرد [6]. هر نوع سرباره ویژگی های خاص خود را دارد، مانند استفاده از سرباره آهن BF دانه بندی شده آسیاب شده، به عنوان افزودنی به سیمان پرتلند. علاوه بر این، سرباره BOF و سرباره EAF در مخلوط های آسفالتی و لایه های پایه جاده سازی استفاده می شود. کاربرد عملی سرباره کوره پاتیلی به دلیل ویژگی های خاص آن با دومی متفاوت است. نمونه های خوبی در کشاورزی برای اصلاح اسیدیته خاک و در صنعت سیمان به عنوان ماده خام برای ساخت کلینکر پورتلند یافت می شود [7].

با توسعه سریع صنایعی مانند تاسیسات آبکاری فلزات، عملیات معدنی، صنایع کود، دباغی، باتری سازی، صنایع کاغذسازی، سموم دفع آفات و غیره، پساب های فلزات سنگین به طور مستقیم یا غیرمستقیم به محیط زیست به ویژه در کشورهای در حال توسعه تخلیه می شود. برخلاف آلاینده‌های آلی، فلزات سنگین زیست تخریب‌پذیر نیستند و تمایل به تجمع در موجودات زنده دارند و بسیاری از یون‌های فلزات سنگین سمی یا سرطان‌زا هستند. از این رو، فلزات سنگین آلاینده های اولویت زیست محیطی هستند و به یکی از جدی ترین مشکلات زیست محیطی تبدیل می شوند. بسیاری از روش‌هایی که برای حذف یون‌های فلزات سنگین استفاده می‌شوند عبارتند از: رسوب شیمیایی، تبادل یونی، جذب سطحی، فیلتراسیون غشایی، فناوری‌های تصفیه الکتروشیمیایی و غیره. جذب سطحی فرآیند جداسازی تعادلی است و روشی موثر برای کاربردهای ضد آلودگی آب است. نیاز اولیه برای فرآیند جذب اقتصادی یک جاذب با گزینش پذیری، ظرفیت جذب بالا و هزینه کم است. جذب توسط جاذب های کم هزینه به عنوان یک روش موثر و اقتصادی برای تصفیه فاضلاب فلزات سنگین به عنوان جایگزینی برای کربن فعال گران قیمت شناخته شده است. با این حال، راندمان جذب بستگی به نوع جاذب دارد. محصولات فرعی صنعتی به دلیل فراوانی در طبیعت و نیازهای پردازش پایین تر، جاذب های ارزان قیمتی هستند. سرباره به عنوان جاذب جایگزین به دلیل خواص منحصر به فرد خود برای حذف فلزات سنگین در زمینه محیطی استفاده شده است [9، 10]. مکانیسم های اصلی حذف فلزات سنگین، رسوب و جذب روی سطح جاذب است. این مقاله خصوصیات سرباره کوره پاتیلی را توصیف می کند. خواص شیمیایی و کانی شناسی بررسی شده و سپس داده های سطح و مورفولوژی سطح می تواند استفاده احتمالی از سرباره کوره پاتیلی را به عنوان یک جاذب بالقوه برای جذب مواد مضر از محلول ها پیش بینی کند.

2. مواد و روشها

برای بررسی ترکیب شیمیایی و فازی سرباره کوره پاتیلی، نمونه های ماهیانه گرفته شده در خروجی سیستم سرباره کوره پاتیلی در سال 2011 مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. مراحل زیر انجام شد:

خرد کردن و جداسازی مغناطیسی برای حذف ذرات باقی مانده از مذاب و آسیاب فولاد سرد شده. پنج کیلو از هر نمونه ماهانه همگن شده و به 1000 گرم نمونه کاهش یافت. به این ترتیب، نمونه های ماهانه متوسط از سرباره کوره پاتیلی ایجاد شد و با اعداد 1-12 مشخص شد. یکی از این ها، به عنوان نمونه نماینده الک شده به اندازه ذرات 0.125-0.063 میلی متر، برای آزمایش بیشتر استفاده می شود.

ترکیب شیمیایی سرباره کوره پاتیلی با استفاده از طیف سنجی پراکنده انرژی (EDS) تعیین شده است. نمونه‌های سرباره کوره پاتیلی برای آنالیز EDS به شرح زیر آماده شد: 4 گرم از هر نمونه پودری (اندازه ذرات کمتر از 0.071 میلی‌متر قطر) به گلوله‌هایی با قطر 20 میلی‌متر (فشار 15 تن؛ زمان ماند 30 ثانیه) فشرده شد. هیچ ماده چسباننده استفاده نشد. نمونه ها در نگهدارنده های نمونه استاندارد قرار گرفتند و در دستگاه طیف سنج بارگذاری شدند. نمونه ها توسط اشعه ایکس تولید شده از یک لوله مو تابش شدند (حداکثر ولتاژ بالا: 40 کیلو ولت؛ حداکثر جریان: 900 ❜A). به منظور کاهش پس‌زمینه، از فیلترهایی بین منبع و نمونه استفاده شد. تشخیص تشعشعات پرتو ایکس مشخصه از نمونه با یک آشکارساز رانش Si مدل SXD15C-150-500 (Canberra، Meriden، IL، USA) انجام شد. یک مدل کالیبراسیون برای تجزیه و تحلیل کمی سرباره کوره پاتیلی بر اساس اندازه گیری مواد مرجع استاندارد زیر ایجاد شد: سرباره بازی BCS 174/2 i BCS 382. سرباره بازی ترکیب کانی شناسی نمونه سرباره کوره پاتیلی با روش پراش اشعه ایکس (روش XRD) با استفاده از پراش سنج پرتو X Philips PW3710 (هلند) مجهز به تابش CuK𝛼 و تک رنگ گرافیت تعیین شد.

قبل از تجزیه و تحلیل، نمونه‌های سرباره کوره پاتیلی در دمای 50 درجه سانتیگراد حرارت داده شدند و تحت فشار 10^-3 × 666.5 پاسکال برای حذف هر گونه آلاینده و همچنین رطوبتی که ممکن است روی سطح وجود داشته باشد، تخلیه شدند. مورفولوژی سطح نمونه سرباره کوره پاتیلی با روش میکروسکوپ الکترونی روبشی کیفی (SEM) با استفاده از میکروسکوپ Tescan Vega TS 5136 MM (جمهوری چک) مورد بررسی قرار گرفت. شیرابه DIN38414-S4 با مخلوط کردن نمونه ها با آب مقطر دیونیزه شده به مدت 24 ساعت روی یک شیکر چرخشی (3 دور در دقیقه) تهیه شد. نسبت جامد به مایع 1/10 بود. آزمایش در دمای اتاق انجام شد. ماده جامد معلق با فیلتر کردن از طریق فیلتر الیاف شیشه ای از فاز مایع خارج شد.

3. نتایج و بحث

نمونه‌های جمع‌آوری‌شده از سرباره کوره پاتیلی تشکیل‌شده در چارچوب زمانی اعلام‌شده دارای محدوده ترکیب شیمیایی زیر بودند:

CaO 19.02٪ – 51.34٪، مقدار متوسط 35.54٪. SiO2 11.30٪ – 30.10٪، مقدار متوسط 22.16٪. Al2O3 8.54%–15.18%، مقدار متوسط 11.65%؛ MgO 7.66٪ – 18.84٪، مقدار متوسط 13.83٪. FeO 1.17٪ – 7.45٪، مقدار متوسط 2.53٪. MnO 0.22٪ – 1.34٪، مقدار متوسط 0.48٪. Cr2O3 0.04٪ – 0.92٪، مقدار متوسط 0.15٪. P2O5 1.52٪ – 3.00٪، مقدار متوسط 2.35٪. TiO2 0.08٪ – 0.22٪، مقدار متوسط 0.15٪. K2O 0.19٪ – 0.42٪، مقدار متوسط 0.57٪. و Na2O 0.38٪ – 0.56٪، مقدار متوسط 0.46٪. در این کار، آزمایش بر روی یکی از نمونه‌های سرباره کوره پاتیلی که ترکیب شیمیایی آن در جدول 1 نشان داده شده است، انجام شده است.

بر اساس داده‌های مربوط به ترکیب شیمیایی سرباره فولادی، می‌توان نتیجه گرفت که کیفیت و ترکیب آنها به ضایعات فولادی مورد استفاده به عنوان ماده اولیه، نوع و سهم در گرمای مکمل‌های غیرفلزی خاص، نوع و مقدار فروآلیاژها و سایر فناوری‌ها بستگی دارد. دو نوع سرباره فولادی در کوره های قوسی تولید می شود: سرباره فولاد سیاه در هنگام ذوب مجدد ضایعات فولاد آلیاژی و سرباره فولاد سفید که در هنگام ذوب مجدد ضایعات فولاد آلیاژی ایجاد می شود. این دو نوع سرباره فولادی از نظر ترکیب شیمیایی و در نتیجه معدنی با یکدیگر تفاوت دارند. سرباره فولاد سیاه نشان دهنده مخلوطی از اکسیدهایی با ترکیب شیمیایی نسبتاً پیچیده است. آنها بیشتر حاوی اکسیدهای کلسیم و آهن هستند و پس از آن (بر اساس نمایش) اکسیدهای منیزیم، سیلیس و آلومینیوم.

نتایج آنالیز شیمیایی انجام شده بر روی سرباره کوره پاتیلی مورد بررسی در جدول 1 نشان داده شده است. داده های موجود در مقالات قبلی ترکیب شیمیایی معمولی سرباره پاتیل را نشان می دهد: محدوده CaO از 30٪ تا 60٪، محدوده SiO2 از 2٪ تا 35٪، محدوده Al2O3 از 4.1٪ تا 35.76٪، محدوده MgO است. از 1٪ تا 12.6٪، FeO از 0٪ تا 15٪، MnO از 0٪ تا 5٪، Cr2O3 از 0.03٪ تا 0.37٪، محدوده P2O5 از 0٪ تا 0.4٪، محدوده TiO2 از 0.2٪ تا 0.9 است. ٪، K2O از 0.01٪ تا 0.02٪، و Na2O از 0.06٪ تا 0.07٪ است. بنابراین نتایج به دست آمده با این داده ها مطابقت دارد. این اکسیدها اجزای اجتناب‌ناپذیر سیلیکات‌ها و آلومینات‌های کلسیم و منیزیم موجود در سرباره‌های کوره پاتیلی هستند [2، 3]. سرباره کوره پاتیلی با چنین ترکیبی می تواند به عنوان یک جاذب موثر مانند سایر سرباره های صنعت آهن سازی در نظر گرفته شود. این می تواند مربوط به کسر جرمی اکسیدهای بالای آن باشد (CaO، MgO، و SiO2، جدول 1) زیرا آنها حاوی گروه های عملکردی سطح اکسیژن هستند.

علاوه بر این، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، ترکیبات کانی شناسی شناسایی شده در سرباره کوره پاتیلی را می توان به ماینیت (12CaO⋅7Al2O3، Ca12Al14O33، و C12A7)، پریکلاز (MgO)، گهلنیت (2CaO⋅3⋅2Al7O1) نسبت داد. 𝛽-2CaO⋅SiO2، 𝛽-Ca2SiO4)، شانونیت (𝛾- 2CaO⋅SiO 2، 𝛾-Ca2SiO4)، و تری کلسیم آلومینات (3CaO⋅Al2O2O3، Ca3Al). تجزیه و تحلیل XRD تأیید کرد که سرباره عمدتاً شامل اکسید فلز در اشکال مختلف اکسیدها، سیلیکات و آلومینات است. نتایج تجزیه و تحلیل XRD در سرباره کوره پاتیلی مورد بررسی با نتایج منتشر شده در مقالات قبلی قابل مقایسه است. سیلیکات های کلسیم تحت اشکال مختلف آلوتروپیک خود ترکیبات اولیه در سرباره کوره پاتیلی هستند. برعکس، سرباره فولادی حاصل از فرآیند تولید فولاد بدون آلیاژ، سرباره فولاد سیاه نامیده می شود. این نشان دهنده مخلوطی از اکسیدهای با ترکیب شیمیایی نسبتاً پیچیده است. به عنوان مثال، سیلیکات های دی کلسیم و تری کلسیم (2CaO⋅SiO2، C2S، و 3CaO⋅SiO2)، میلریت قهوه ای (Ca2(Al, Fe)2O5)، ووستیت (FeO) و ماینیت (12CaO⋅7Al2O3 دارای بالاترین فاز معدنی) هستند. طیف IR نمونه سرباره کوره پاتیلی در شکل 2 نشان داده شده است. جذب ها با فازهای غالب مطابقت دارد: پریکلاز و ماینیت به ترتیب در 1474 و 870 cm^-1 . قله های 2051، 2192، 3777، و 2383 cm^-1 (اگرچه ضعیف) با پریکلاز، MgO مطابقت دارد.

جذب یک پدیده سطحی است که در آن مولکول‌های ماده جاذب جذب می‌شوند و به سطح یک جاذب نگاه می‌دارند تا زمانی که تعادل بین مولکول‌های جذب‌شده و مولکول‌هایی که هنوز آزادانه در گاز یا مایع حامل توزیع می‌شوند، حاصل شود. جذب بستگی به برهمکنش بین سطح جاذب و گونه های جذب شده دارد. از این رو، منطقه یک ویژگی اساسی جاذب ها، به ویژه در درک مکانیسم جذب است. مکانیسم های مختلفی وجود دارد که توسط آن یون های فلزی (یا یون های دیگر) از محلول آبی حذف می شوند. اولین بیان می کند که فرآیند بر اساس برهمکنش های الکترواستاتیک جاذب-جاذب است که به وجود عملکرد سطح، به ویژه کمپلکس های سطح اکسیژن (رویکرد تبادل یونی) وابسته است. مورد دوم نشان می دهد که پتانسیل جذب افزایش یافته، همانطور که در باریک ترین ریزتخلخل رخ می دهد، ممکن است به اندازه کافی قوی باشد که یون ها را جذب و حفظ کند [9]. مهمترین ویژگی یک جاذب، مساحت سطح خاص، حجم کل منافذ و توزیع اندازه منافذ آن است.

سرباره کوره پاتیلی دارای سطح BET نسبتاً زیادی است، 𝑆BET = 3.04 m² g^-1 (با توجه به سایر سرباره های آهن و فولاد)، که به این معنی است که ممکن است محل های جذب در دسترس داشته باشد. نتایج به‌دست‌آمده مشابه نتایج سطح BET در سرباره‌های صنعت فولاد و آهن‌سازی به‌عنوان جاذب مس، کادمیوم، روی، نیکل و سرب از محلول‌های آبی بود [17-20]. متوسط قطر منافذ نمونه LF مورد بررسی 𝑑 = 3.21 نانومتر، و حجم کل منافذ (1.7-300 نانومتر) 𝑉𝑝 = 2.6 ⋅ 10-3 cm3 g-1 است. توزیع اندازه منافذ سرباره LF در شکل 3 نشان داده شده است. کسر منافذ کوچک (<10 نانومتر) در بیشترین نسبت وجود دارد.

طبق IUPAC، منافذ مواد متخلخل به سه گروه طبقه‌بندی می‌شوند: ریز منافذ (عرض ❑ < 2 نانومتر)، مزوپورها (2 نانومتر < ❑ < 50 نانومتر)، و درشت منافذ (❑ > 50 نانومتر). در شعاع منافذ بالای 50 نانومتر، تشخیص سطوح منافذ از نظر خصوصیات از سطح خارجی دشوار است. بر اساس نتایج به‌دست‌آمده، سرباره ;کوره پاتیلی ممکن است یک ماده مزوپور در نظر گرفته شود []. مزوپورها علاوه بر سهم قابل توجهی که در جذب دارند، به عنوان کانال اصلی انتقال برای مولکول ها یا یون های جذب شده نیز عمل می کنند. میکروپورها اثرات قابل توجهی بر جذب مولکولهای کوچک املاح دارند. مولکول‌های بزرگ‌تر از ریز منافذ حذف می‌شوند، اما ممکن است در برخی یا همه مزوپورها و ماکروپورها جذب شوند []. مزوپورها بیشترین تأثیر را در جذب املاح آلی دارند، زیرا اندازه ای دارند که سطوح آنها را قادر می سازد برای مولکول های املاح از این نوع و ابعاد قابل دسترسی باشد.

خواص سطحی جاذب ها تا حدی تحت تأثیر عناصر خارجی تثبیت شده روی سطح، به ویژه توسط اکسیژن، از طریق گروه های عاملی مسئول واکنش پذیری سطح است.

سرباره کوره پاتیلی یک ماده ناهمگن است که معمولاً به صورت گرد و غبار متمایل به سفید ارائه می شود. مورفولوژی سطح ذرات سرباره کوره پاتیلی در شکل 4 نشان داده شده است. دانه ها دارای لبه های تیز، تا حدی متراکم و تا حدی متخلخل هستند. تخلخل دو نوع است: از یک طرف، منافذ گرد شکل جدا شده وجود دارد، در حالی که از طرف دیگر، سیستم تخلخل مویرگی و ترک وجود دارد. ترک ها عمدتاً در حاشیه دانه ها ایجاد می شوند و با لبه های دانه ها موازی هستند. آشنایی با اهمیت فنی کاربرد ثانویه مواد زائد و/یا مواد جانبی، بلکه با اثرات زیست محیطی احتمالی آنها نیز بسیار حائز اهمیت است، زیرا برخی از مواد زائد ممکن است حاوی غلظت های فزاینده ای از مواد مضر برای سلامتی یا سلامت انسان باشند. محیط زیست، به ویژه به آب [24-26]. انطباق زیست محیطی سرباره کوره پاتیلی برای سالها مورد بررسی قرار گرفته است که معمولاً با قابلیت شستشوی سرباره قضاوت می شود. به دلیل حلالیت بسیار کم اکثر فازهای معدنی سرباره کوره پاتیلی در آب، سرباره کوره پاتیلی بر محیط زیست تأثیر نمی گذارد. تمام روش‌ها، روش‌ها، آزمایش‌های تعیین، و بررسی‌های اکوتوکسیتی که امروزه استفاده می‌شوند، از اولین روش‌های شستشو با آب مقطر مطابق با استاندارد DIN 38414-S4 (روش‌های استاندارد آلمان برای تخمین آب، پساب و لجن‌ها، خاک‌ها توسعه یافته‌اند. و رسوبات: گروه S، 1984)، که در آن نسبت جامد به مایع 1/10 و دوره اختلاط 24 ساعت است.

4. نتیجه گیری

توصیف سرباره کوره پاتیلی برای به دست آوردن اطلاعات مربوط به استفاده احتمالی آن به عنوان یک جاذب کم هزینه انجام شد. تجزیه و تحلیل شیمیایی نشان داد که ترکیبات اصلی اکسیدهای کلسیم، سیلیکون، منیزیم و آلومینیوم هستند که بیش از 92٪ از کل جرم را نشان می دهند. نتایج تجزیه و تحلیل فاز پراش اشعه ایکس نتایج اولیه را بر اساس آنالیزهای شیمیایی اولیه و کمی تأیید می کند. سیلیکات های کلسیم تحت اشکال مختلف آلوتروپیک خود ترکیبات اصلی در سرباره های کوره پاتیلی هستند. سرباره کوره پاتیلی با چنین ترکیبی می تواند جاذب موثری مانند سایر سرباره های صنعت آهن سازی در نظر گرفته شود. این را می توان به کسر جرمی اکسیدهای بالای آن (CaO، MgO، و SiO2) و سیلیکات های آلومینیومی که حاوی گروه های عاملی سطحی مهم برای توانایی جذب سرباره کوره پاتیلی هستند، مرتبط دانست. تعیین سمیت زیست محیطی زباله با بررسی ترکیب مایع خروجی آن انجام شده است. نتایج نهایی نشان داد که سرباره کوره پاتیل حاوی هیچ ماده ای نیست که به هر طریق ممکن است بر محیط زیست تأثیر مضری بگذارد. مشاهدات میکروسکوپی نشان داد که سرباره کوره پاتیلی یک ماده ناهمگن با دانه های تیز است. بر اساس ویژگی های سطح، سرباره کوره پاتیلی یک ماده مزوپور با سطح BET نسبتاً بزرگ در مقایسه با سایر سرباره های آهن و فولاد است. سرباره کوره پاتیلی به دلیل ویژگی های منحصر به فرد خود می تواند یک جاذب بالقوه در نظر گرفته شود. اما، ارزیابی نهایی از قابلیت کاربرد سرباره کوره پاتیلی به عنوان جاذب، کاربرد واقعی آن را در هر مورد از حذف مواد از محلول آبی نشان می دهد.

آکادمی ویستا پیشرودر ارائه جدیدترین یافته های علمی و عملیاتی در صنایع فولاد، نفت، گاز و پتروشیمی. جهت بهره مندی از خدمات و محصولات شرکت ویستا آسمان با ما در تماس باشید.