Nikkelin sulatuskuonien ominaisuuksien muokkaus hyötykäytön kannalta

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Helsinki University of Technology | Diplomityö
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author

Authors

Date

2009

Department

Materiaalitekniikan laitos

Major/Subject

Metallurgia

Mcode

MT-37

Degree programme

Language

fi

Pages

x + 86 + [43]

Series

Abstract

The utilization of nickel electric furnace slag is limited by the leach ability of harmful elements. The purpose of this master thesis is to examine if the utilization of nickel electric furnace slag is improved by cooling it slowly. In slow cooling atoms have time to organize themselves and more crystallized structure is formed. 5 % and 10 % of potash feldspar was added to the slag, which contains a typical fluxing agent for silicates called potassium oxide K<sub>2</sub>O. This alkali metal oxide lowers the melting point of slag and decreases the viscosity of the melt. This increases diffusivity in melt and complicates formation of amorphous structure. Hypothesis is that in crystallized structure the harmful elements will stay in poorly leachable form. In the theoretical part the differences between crystalline and amorphous material, crystallization of amorphous material, the kinetics and factors affecting on kinetics are discussed. Also magnetization and magnetic separation are reviewed briefly. In the experimental part four samples were examined: fast cooled granulated nickel slag and slowly cooled undoes nickel slag, 5 % and 10 % fluxing agent doped slags. The leach ability tests used were two-stage batch and pH-static test. The microstructure of the samples was analysed with SEMEDS and phase composition with XRD. Solidification of the samples were analysed with TG/DSC with different cooling rates (5, 10, 20 °C/min.). Granulated slag was sieved to fractions. The fractions were analysed with XRF and their magnetic properties were measured with VSM. According to the results, nickel content of granulated slag is increasing according to decreasing fraction. The magnetic properties between different fractions didn't have much variation. During smelting and casting it was noticed that the fluxing agent increased viscosity when doped 10 %. The fluxing agent also stabilized the slags during smelting and cooling and lowered the liquidus point. During slow cooling bigger crystals were formed and heterogeneous and homogenous metal droplets were smaller than in granulated slag. Smelting affected on the leach ability properties of slags. According to two-stage batch test the leach ability of sulphate was smaller than determined limit value in all the other samples, except granulated slag. According to pH-static test the greatest difference between granulated and the other slags were leach ability of nickel and sulphate. Granulated slag had greater leach ability in both cases.

Nikkelisähköuuni (NiSU) -kuonan hyötykäyttöä rajoittaa sen sisältämien haitta-aineiden liukoisuus. Tämän diplomityön puitteissa tutkittiin NiSU-kuonan ominaisuuksia sen hyötykäytön parantamiseksi jäähdyttämällä se hitaasti valanteiksi. Hitaassa jäähdytyksessä atomeilla on aikaa järjestäytyä, jolloin muodostuu enemmän kiteytynyttä faasia kuin nopeassa jäähdytyksessä. Osaan tutkittavaa materiaalia lisättiin 5 % ja 10 % kalimaasalpaa, joka sisältää silikaateille tyypillistä juoksutinta kaliumoksidia K<sub>2</sub>O. Alkalimetallioksidi laskee sulamispistettä ja pienentää tyypillisesti kuonan viskositeettia, mikä lisää diffusiviteettia ja vaikeuttaa amorfisen aineen muodostumista. Oletuksena oli, että kiteytyneessä materiaalissa haitta-aineet jäävät niukkaliukoisempaan muotoon. Teoriaosassa tarkastellaan kiteisen ja amorfisen aineen eroja, amorfisen aineen kiteytymistä, kinetiikkaa sekä kinetiikkaan vaikuttavia tekijöitä. Lisäksi tarkastellaan lyhyesti aineen magneettisuutta sekä magneettista separointia. Kokeellisessa osassa tutkittavia materiaaleja oli neljä: nopeasti jäähdytetty granuli sekä hitaasti jäähdytetyt seostamaton (puhdas), 5 % seostettu ja 10 % seostettu kuona. Haitta-aineiden liukoisuutta tutkittiin liukoisuustestein (kaksivaiheinen ravistelutesti ja pH-staattinen testi). Lisäksi näytteiden mikrorakenteet analysoitiin SEM-EDS:llä ja faasikoostumukset XRD:llä. Näytteiden jäähtymistä tarkasteltiin TG/DSC -kokeilla eri jäähtymislämpötiloilla (5, 10, 20 °C/min.). Granulinäyte seulottiin eri fraktioihin. Fraktiot analysoitiin XRF:llä ja fraktioiden magneettisia ominaisuuksia tutkittiin VSM:n avulla. Tuloksista havaittiin, että Ni-pitoisuus nousee pienempään granulifraktioon mentäessä. Granulifraktioiden magneettisten ominaisuuksien välillä ei ollut suurta eroa. Sulatuksissa ja valuissa kalimaasälvän huomattiin nostavan kuonan viskositeettia seostettaessa sitä 10 %. Kalimaasälpä stabiloi kuonaa termisesti ja alensi likviduspistettä. Hitaassa jäähdytyksessä muodostui suurikiteisempi rakenne, jossa homo- ja heterogeeniset kivipisarat olivat pienempiä kuin granulilla. Sulatus vaikutti kuonan liukoisuusominaisuuksiin. Kaksivaiheisen ravistelutestin mukaan sulfaatin liukoisuus oli kaikilla muilla näytteillä alle määritysraja-arvon, paitsi granulilla. pH-staattisten testien mukaan eroa granulin ja sulatettujen näytteiden välillä oli, etenkin nikkelin ja sulfaatin liukoisuuksissa, jotka olivat granulilla suuremmat kuin muilla näytteillä.

Description

Supervisor

Taskinen, Pekka

Thesis advisor

Peuraniemi, Esa

Keywords

nickel slag, nikkelikuona, potash feldspar, kalimaasälpä, utilization, hyötykäyttö, slow cooling, hidas jäähdytys, leaching tests, liukoisuustestit

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020120556015

Collections

[dipl] Teknillinen korkeakoulu / TKK