Corrosion mechanisms of the heat recovery boiler of copper flash smelting

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2020-02-07
Date
2020
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
78 + app. 78
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 16/2020
Abstract
The flash smelting process is used widely around the world to extract primary copper. Smelting of sulphidic copper ores produces flue dust containing SO2-rich exhaust gas, causing corrosion problems in the gas cleaning equipment of the process, especially in the heat recovery boiler. The aim of this thesis was to understand the corrosion mechanisms of the boiler steels and to determine what kind of steel would provide the best corrosion protection. Especially the flue dust causes corrosion problems due to formation of dust accretions on the boiler walls. Within these presence heavy metal chlorides results in formation of molten salt deposits causing rapid corrosion. In order to understand the corrosion behaviour of the boiler steels, conditions of the heat recovery boiler were simulated in laboratory. Corrosion reactions of carbon steel and three high alloy steels (AISI 304, AISI 316 and Sanicro 28) were studied, focusing on corrosion protection properties of chromium, molybdenum and nickel alloying. In addition, thermogravimetric measurements of oxidation behaviour of a stainless steel (TP347H) with two different grain sizes were studied to determine the effect of grain size on the quality and formation of the steel's protective oxide scale. Melting of the dust accretions was identified as the initiator of series of corrosion reactions between the steels and the environment inside the heat recovery boiler. To verify the possibility of formation of molten salt deposits, phase diagrams of few of the possible chloride systems present in the dust accretions were studied experimentally by equilibration-quenching, scanning electron microscopy and energy-dispersive spectrometry in order to evaluate the melting behaviour of these chlorides. Different binaries of the CuCl-CuCl2-ZnCl2-PbCl2-FeCl3-FeCl2-system were optimized using the CALPHAD-method. In this thesis, a description of the sequence of corrosion reactions is given between steel and the chemical environment of the heat recovery boiler. Understanding the corrosion mechanism of the boiler should help to improve its lifetime by selection of suitable steels or by adjusting the operational parameters. Thus, the effectiveness of copper production can be improved.

Liekkisulatus on yleisimpiä maailmanlaajuisessa käytössä olevia kuparintuotantomenetelmiä. Sulfidisten kuparimalmien sulatus tuottaa suuria määriä lentopölyä ja runsaasti rikkidioksidia sisältävää poistokaasua, joka aiheuttaa korroosio-ongelmia liekkisulatusprosessin kaasunpuhdistuslaitteistossa, erityisesti lämmöntalteenottokattilassa. Tämän työn tarkoituksena on selvittää lämmöntalteenottokattilan korroosiomekanismi sekä määrittää minkälainen teräs soveltuu parhaiten kattilan materiaaliksi. Poistokaasun sisältämä lentopöly aiheuttaa erityisesti korroosio-ongelmia, sillä se muodostaa raskasmetallisuoloja sisältäviä kerrostumia kattilan teräspinnoille. Näissä pölykerrostumissa esiintyvät kloridit laskevat pölyn sulamispistettä siten, että kattilan teräpinnoille muodostuu paikoittain suolasulia, joiden alla oleva teräs syöpyy nopeasti. Lämmöntalteenottokattilan terästen korroosiomekanismin ymmärtämiseksi, kattilan olosuhteita simuloitiin laboratorio-olosuhteissa. Hiiliteräs ja kolme erilaista ruostumatonta terästä (AISI 304, AISI 316 ja Sanicro 28) valittiin näytemateriaaleiksi, sillä kromi-, molybdeeni- ja nikkeliseostuksen välisiä eroja haluttiin tutkia teräksen korroosionkeston kannalta. Myös teräksen (TP347H) raekoon vaikutusta sen pinnalle muodostuvan, suojaavan oksidikerroksen muodostumiseen ja ominaisuuksiin tutkittiin termogravimetrian avulla. Pölykerrostumien sulamisen todettiin olevan pääasiallinen korroosiovaurion mahdollistava tekijä. Suolasulien muodostumisen mahdollisuuden todistamiseksi, joidenkin pölyssä todennäköisesti esiintyvien kloridisysteemien faasitasapainoja mitattiin tasapainotus- sammutus-menetelmällä. Erinäisiä CuCl-CuCl2-ZnCl2-PbCl2-FeCl3-FeCl2-systeemin binäärisiä faasitasapainoja optimoitiin CALPHAD-tekniikalla. Tässä väitöskirjassa kuvataan kuparin liekkisulatusprossin lämmöntalteenottokattilan korroosiomekanismi. Kattilan terästen ja sen olosuhteiden välisten vuorovaikutusten ymmärtäminen mahdollistaa olosuhteisiin nähden parhaan teräksen valinnan tai mahdollisuuden vaikuttaa kattilassa vallitseviin olosuhteisiin korroosion keston kannalta optimaalisella tavalla. Näin kuparin tuotannon tehokkuutta voidaan parantaa.
Description
Supervising professor
Lindberg, Daniel, Prof., Aalto University, Department of Chemical and Metallurgical Engineering, Finland
Thesis advisor
Taskinen, Pekka, Prof. Emeritus, Aalto University, Department of Chemical and Metallurgical Engineering, Finland
Keywords
corrosion, molten salts, copper flash smelting, heat recovery boiler, korroosio, suolasulat, kuparin liekkisulatus, lämmöntalteenottokattila
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Viitala, Hanna; Galfi, Istvan; Taskinen, Pekka. Initial oxidation behaviour of niobium stabilized TP347H austenitic stainless steel – Effect of grain size and temperature, Materials and Corrosion, 66 (2015), 851-862.
    DOI: 10.1002/maco.201407948 View at publisher
  • [Publication 2]: Viitala, Hanna; Taskinen, Pekka. Hot Corrosion Mechanism of Steels Exposed to Heavy Metal Chlorides and Sulphates in SO2 Environment, Oxidation of Metals, 86 (2016), 239-262.
    DOI: 10.1007/s11085-016-9634-z View at publisher
  • [Publication 3]: Viitala, Hanna; Taskinen, Pekka. Influence of nickel alloying on hot corrosion of stainless steels in SO2-environment, Materials Science and Technology, 33 (2017), 49-64.
    DOI: 10.1080/02670836.2016.1159371 View at publisher
  • [Publication 4]: Viitala, Hanna; Taskinen, Pekka; Lindberg, Daniel. Experimental determination and thermodynamic optimization of the CuCl-ZnCl2, ZnCl2-FeCl3, CuCl-FeCl3, CuCl-CuCl2, FeCl2-FeCl3, FeCl2-CuCl2 and CuCl-PbCl2 phase equilibria, Calphad Computer Coupling of phase Diagrams and Thermochemistry, 67, 2019.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202001021392
    DOI: 10.1016/j.calphad.2019.101667 View at publisher
Citation