بخشی از مقاله
چکیده
غبار فولادسازی در بسیاری از کشورها یک پسماند خطرناک محسوب میشود. همچنین این ماده حاوی مقدار قابل توجهی آهن است که بازیابی آن میتواند سودآور باشد. در این مقاله سعی شد روشی ارائه شود که به وسیله آن، هم آهن محتوی غبار فولادسازی بازیابی شود و هم نمک های موجود در این ماده جداسازی شوند تا مشکلات زیست محیطی به وجود آمده توسط این ماده تا حد ممکن برطرف شود. به این منظور از ابتدا حلسازی نمکهای موجود در این ماده انجام شد. سپس عملیات احیا با زغالسنگ بر روی پسماند فرآیند حل سازی انجام شد و محصول احیا شده وارد فرآیند جدایش مغناطیسی شد تا توسط این فرآیند آهن محتوی غبار به صورت آهن اسفنجی بازیابی شود. در شرایط بهینه احیا یعنی دمای 1300 درجه سانتیگراد و زمان 3 ساعت، محصولی حاوی 91/78 درصد آهن به دست آمد و بازیابی آهن در آن 95/56 درصد بود.
کلمات کلیدی: غبار کوره قوس الکتریکی، بازیابی آهن، احیا، آهن اسفنجی، جدایش مغناطیسی، محیط زیست
مقدمه
غبار کوره قوس الکتریکی معمولاً به عنوان یک پسماند خطرناک قلمداد میشود. یکی از دلایل اصلی این مساله وجود فلزات سنگین در این ماده به صورت ترکیباتی میباشد که به سادگی در آب حل میشوند. از جمله این فلزات میتوان به سرب، روی و کادمیوم اشاره کرد. در صورت دپو شدن غبار در فضای باز، با بارش باران خطر آلوده شدن خاک و آبهای زیرزمینی توسط این فلزات وجود دارد .[1] کوره قوس الکتریکی در حدود 15 کیلوگرم غبار به ازای هر تن فولاد تولیدی، ایجاد میکند. ترکیب این غبار به نوع سنگآهن و غراضه شارژ شده، مدت زمان فرآیند و نوع فولاد تولیدی بستگی دارد. با توجه به ظرفیت بالای واحدهای آهن و فولاد، حجم غبار تولید شده این واحدها بسیار زیاد میباشد و دپو کردن این پسماند برای مدت طولانی ممکن نیست .[2] بزرگترین مساله برای بازیافت این غبار، تبدیل آن به محصول قابل فروش است. به علت عیار پایین آهن و پراکنده بودن آهن در ذرات غبار، فراوری این ماده و یا استحصال آهن با پروسههای معمول احیا، بسیار مشکل است .[3] در این پژوهش سعی شده تا با روش احیا در دمای بالا، بازیابی آهن موجود در غبار با بازدهی بالا انجام گیرد.
روش تحقیق
برای انجام آزمایشهای عملی از غبار کوره قوس الکتریکی استفاده شد. ترکیب شیمیایی این غبار در جدول 1 دیده میشود. ابتدا آزمایش حلسازی روی غبار به منظور حلسازی نمکهای موجود در آن انجام گرفت. سپس غبارهای به جا مانده از حلسازی توسط فیلتر، از محلول جدا شدند. آزمایش احیا روی محصول به دست آمده از فرآیند حلسازی انجام گرفت. برای این منظور از زغالسنگ حرارتی به عنوان احیاکننده و سدیم کربنات به عنوان افزودنی استفاده شد. ترکیب زغالسنگ استفاده شده در جدول 2 دیده میشود. هدف از این مرحله احیا اکسید آهن موجود در غبار و تولید آهن فلزی و همچنین به هم پیوستن این آهنها و افزایش درجه آزادی دانههای آهن در نمونه بود.
برای این منظور کنسانتره، زغال سنگ و افزودنی مخلوط شده و درون بوته آلومینایی ریخته شدند. بوتهها در زمانهای 1، 2 و 3 ساعت و در دماهای 1200، 1250 و 1300 درجه سانتیگراد درون کوره قرار گرفتند - مجموعا 9 آزمایش - . پس از مرحله احیا، محصول احیا شده بلافاصله در آب کوئنچ شد. سپس نمونه کوئنچ شده وارد فرآیند خردایش شد و بعد از آن تحت فرآیند جدایش مغناطیسی قرار گرفت تا آهن موجود در کنسانتره جدا شود. به این منظور از دستگاه دیویس تیوب استفاده شد و تستها در شدت 1000 گوس انجام گرفت.محصول به دست آمده از حلسازی و همچنین آهن و باطله به دست آمده از مرحله جدایش مغناطیسی مورد آنالیز قرار گرفتند و ترکیب شیمیایی آنها بررسی گردید. همچنین از نمونه احیا شده، توسط میکروسکوپ الکترونی تصویربرداری شد و این تصاویر بررسی گردید.
نتایج و بحث
ترکیب نمونه اولیه غبار فولادسازی و پسماند فرآیند حلسازی در جدول 1 دیده میشود. این پسماند به عنوان ماده اولیه فرآیند احیا استفاده شد. به منظور بررسی موفقیتآمیز بودن فرآیند احیا، دو پارامتر عیار و بازیابی آهن محصول در نظر گرفته شد. شکل 1 تاثیر دما بر عیار و بازیابی آهن محصول را نشان میدهد. همانطور که در این شکل مشاهده میشود، عیار و ریکاوری آهن محصول با افزایش دمای احیا افزایش مییابد. همچنین تاثیر دما و زمان بر بازیابی آهن در محصول مغناطیسی در شکل 2 قابل مشاهده است. همانطور که انتظار میرود، بازیابی آهن نیز با افزایش دما و زمان افزایش مییابد.
تصویر میکروسکوپی نمونه احیا شده - پس از کوئنچ شدن - در شکل 3 دیده میشود. همانطور که در شکل دیده میشود در نتیجه احیا نمونه در دمای بالا، آهن فلزی تولید شده توسط فرآیند نفوذ، گرد هم آمدهاند و ذراتی با درجه آزادی بالا را تشکیل دادهاند. در واقع همین مساله است که باعث میشود جداسازی آهن از نمونه امکانپذیر باشد. همچنین در شکل 4، تصویری با بزرگنمایی بالاتر از همان نمونه دیده میشود. در این شکل تاثیر کوئنچ کردن که از اجزای حیاتی فرآیند است، قابل مشاهده میباشد. کوئنچ کردن نمونه از دمای بالا 1300 - درجه سانتیگراد - باعث ایجاد ترک های بین فازی میشود. این مساله به دلیل اختلاف ضریب انبساط حرارتی بین آهن - یک فاز فلزی - و زمینه - از جنس اکسید - میباشد. این ترکهای بین فازی باعث میشود که در عملیات خردایش، شکست دقیقاً در مرز بین دو فاز رخ دهد و این مساله، جدایش دو فاز را به مقدار قابل توجهی بهبود میبخشد.
نتیجهگیری
در تستهای حلسازی مقدار زیادی از نمکهای موجود در غبار حذف شدند. از محلول به دست آمده میتوان برای استحصال نمک های موجود در آن استفاده کرد. پسماند حلسازی عیار بالاتری از آهن را نسبت به ماده اولیه داراست و میتوان از آن برای عملیات احیا استفاده کرد. با استفاده از فرآیند احیا در دمای بالا اکسید آهن موجود در نمونه به آهن فلزی با درجه آزادی بالا تبدیل شد که قابلیت جدا شدن از نمونه را داراست. این آهن توسط فرآیند جدایش مغناطیسی از نمونه جدا گردید. آزمایشهای انجام شده در دماها و زمانهای مختلف نشان میدهد که دما 1300 درجه سانتیگراد و زمان 3 ساعت مناسبترین شرایط برای احیا میباشند. در این شرایط محصولی آهنی با عیار 91/78 درصد آهن و
