Tulenkestävän tiilen ja kaasun välinen vuorovaikutus liekkisulatuksessa

Abstract

Tämä opinnäytetyö keskittyy MgO-MgCr2O4 ja Al2O3-Cr2O3 tulenkestävien tiilien suorituskyvyn mallintamiseen liekkisulatusuunissa rikkipitoisten kaasujen altistuksessa. Tämän opinnäytetyön tarkoituksena on mallintaa termodynaamisesti tiilimateriaalien tasapainoa muuttuvissa olosuhteissa korkeissa lämpötiloissa sekä arvioida huokoisuuden ja raekoon vaikutusta materiaalien lämpöominaisuuksiin. Termodynaamiset mallit on tehty FactSage versio 8.2:lla käyttäen FactPS ja FTOxid tietokantoja sekä lisätty magnesium- ja kalsiumsulfaattien uudemmatta termodynaamiset tiedot. Mallinnuksessa keskityttiin tiilimateriaalin koostumus muutoksiin alkuperäisestä koostumuksesta sekä tiilimateriaalien lämpöominaisuuksien muutoksiin.

Laskelmat tehtiin 0–1500 ˚C lämpötilassa ja 1 atm paineessa. Tiilien kestävyyttä arvioitiin muuttamalla hapen osapainetta ja lisäämällä kaasufaasin, joka koostuu pääasiallisesti rikkiyhdisteistä. Lisäksi lämmönjohtavuuden ja termisen diffuusiokertoimen muutoksia mallinnettiin muokkaamalla tiilien huokoisuutta ja raekokoa.

Termodynaaminen malli näytti, että magnesia-kromia pohjainen tiilimateriaali koostui suurelta osalta magnesium oksidista ja kiinteästä spinelli liuoksesta, joka sisälsi magnesium ja kromi oksidia. Alumina-kromia pohjaisen tiilen koostumus sisälsi yhtä kiinteää korundi liuosta. Hapen osapaine näytti vaikuttavan molempien tiilen koostumukseen. Huomattiin myös, että molemmat materiaalit reagoivat kaasufaasin kanssa muodostaen sulfaatteja. Alumina-kromia kestää korkeissa lämpötiloissa paremmin kuin magnesia-kromia tiili, jossa oksidit hajoavat sulfaateiksi.

This master’s thesis focuses on modeling the performance of MgO-MgCr2O4 and Al2O3-Cr2O3 refractory bricks in a flash smelting furnace under the exposure of sulfur containing gases. The purpose of this thesis is to thermodynamically model the equilibria of brick materials under changing conditions at high temperatures and evaluate the effect of porosity and grain size on the thermal properties of materials. The thermodynamic model was done with FactSage version 8.2 using the FactPS and FTOxid databases and added more recent thermodynamic data for magnesium and calcium sulfates. The focus was on changes in the composition of the brick material from the original composition and on changes in the thermal properties of the brick materials.

Calculations were performed at 0-1500 ˚C in the pressure of 1 atm. The durability of the bricks was assessed by changing the partial pressure of oxygen and adding a gas phase predominantly composed of sulfur compounds. Additionally, changes in thermal conductivity, and thermal diffusivity were modeled by modifying the porosity and grain size of the bricks.

The thermodynamic model showed that the magnesia-chromia based brick material consisted largely of magnesium oxide and a solid spinel solution containing magnesium and chromium oxide. The composition of the alumina-chromia based brick contained one solid corundum solution. The partial pressure of oxygen seemed to affect the composition of both bricks. It was also noticed that both materials react with the gas phase to form sulfates. The alumina-chromia withstands high temperatures better than magnesia-chromia brick, where the oxides break down into sulfates.