Factors affecting zinc dissolution from stainless steel production dusts using alkaline media

Abstract

Stainless steel production generates significant quantities of flue dusts that are considered as hazardous waste and are normally treated with pyrometallurgical methods in separate treatment plants. These dusts also contain valuable metals but the extraction and recovery of the valuables is difficult due their complex composition. Especially zinc content of the dust causes troubles in treating the dusts. In this thesis a hydrometallurgical method based on NaOH leaching was investigated as considered to be suitable for on-site treatment. The aim was to selectively remove zinc so that the remaining (Ni, Cr, Fe) oxide material could be recycled back to melting. The studied dust samples included argon-oxygen decarburization (AOD1 and AOD2) converter dusts and electric arc furnace (EAF1 and EAF2) dusts from the two production lines of Outokumpu Stainless Tornio Works. The effect of five different leaching factors (NaOH concentration, temperature, liquid-to-solid ratio, oxygen/nitrogen gas bubbling and agitation) on zinc dissolution was investigated using fractional factorial designs of the experiments. NaOH concentration, temperature and agitation affected zinc extraction predominantly and the greatest zinc extraction was achieved with high level of those three factors. The maximum amount of extracted zinc was: 80 % from AOD1, 50 % from AOD2, 60 % for EAF1 and 30 % for EAF2. Difference in zinc extraction between the dusts arose from the mineralogical differences. In all dusts zinc occurred both as easily soluble zinc oxide and as poorly- soluble ferrite form. This study showed that alkaline leaching of zinc from stainless steel AOD and EAF dusts using NaOH solutions is selective and practically no iron, chromium and nickel were dissolved. However, the dissolution of zinc is limited due to the presence of zinc ferrites. The leaching process can work in zinc removal if zinc ferrites are decomposed prior to leaching, for example by roasting.

Ruostumattoman teräksen valmistuksessa muodostuu huomattavia määriä suodinpölyjä, jotka on luokiteltu haitalliseksi jätteeksi ja käsitellään normaalisti pyrometallurgisin menetelmin erillisissä laitoksissa. Nämä pölyt sisältävät myös arvokkaita metalleja mutta niiden erottaminen ja talteenotto on hankalaa johtuen pölyjen kompleksisesta koostumuksesta. Etenkin pölyn sisältämä sinkki aiheuttaa ongelmia pölyjen käsittelyssä. Tässä työssä tutkittiin NaOH liuotukseen perustuvaa hydrometallurgista menetelmää, jota pidetään mahdollisena tehtaan yhteydessä toimivaksi. Tarkoitus oli selektiivisesti poistaa sinkki pölyistä niin, että jäljelle jäävä (Ni, Cr, Fe) - oksidimateriaali voitaisiin kierrättää takaisin uuniin. Työssä tutkittiin argon-oxygen decarburization - konvertteri pölyjä (AOD1 ja AOD2) sekä valokaariuunin pölyjä (EAF1 ja EAF2) kahdelta eri tuotantolinjalta Outokummun Tornion tehtailta. Faktorikoesarjoilla tutkittiin viiden eri liuosmuuttujan (NaOH konsentraatio, lämpötila, neste-kiinteä suhde, happi/typpikuplitus ja sekoitus) vaikutusta sinkin liukenemiseen. Sinkin liukenemiseen vaikuttivat etupäässä NaOH konsentraatio, lämpötila sekä sekoitus ja sinkin liukeneminen oli suurinta näiden kolmen tekijän korkeilla arvoilla. Maksimissaan sinkkiä liukeni n. 80 % AOD1 pölystä, n. 50 % AOD2 pölystä, n. 60 % EAF1 pölystä ja n. 30 % EAF2 pölystä. Eroavuudet sinkin liukenemisprosenteissa johtuivat pölyjen mineralogisen koostumuksen eroavuudesta. Kaikissa pölyissä sinkin todettiin esiintyvän helposti liukenevana sinkkioksidina sekä lähes liukenemattomana sinkkiferriittinä. Tämä työ osoitti, että sinkki voidaan selektiivisesti liuottaa ruostumattoman teräksen pölyistä NaOH -liuotuksella ja rauta, kromi ja nikkeli eivät käytännössä liuenneet lainkaan. Kuitenkin sinkin ferriittimuoto rajoittaa sen liukenemista mutta emäsliuotusprosessi voisi toimia sinkin poistamiseen ja pölyjen kierrättämiseen mikäli sinkkiferriitit hajotetaan, esimerkiksi pasuttamalla, ennen liuotusta.