Experimental activities on Waelz slag valorization

Electric Arc Furnace (EAF) dusts are classified as hazardous wastes due to their harmful heavy metals content (Fe, Zn, Pb, etc.). The Waelz process is considered as the BAT (Best Available Technology) for the pyrometallurgical treatment of EAF dusts. The company Pontenossa S.p.A (BG) produces zinc oxide, from EAF dusts, with up to 75% of purity. Beside the main product, called Waelz oxide, a high content of solid slag is by-produced, that is currently classified as a non-hazardous waste and landfilled. This thesis is focused on an initial analysis of the literature concerning the treating processes of Waelz slag, followed by experimental activities in laboratory at the company Pontenossa S.p.a. In this work an analysis of Waelz slag and possible treatments to change its classification, from non-hazardous waste to inert, or to recycle it is carried out. Elemental and phase composition characterization of Waelz slag is performed to understand the behaviour of the material after treatments to whom the slag is subjected in this study. At first, a granulometric classification of the slag as such is made, then the elemental distribution and the elution behaviour are analyzed. Ten samples of slag collected in different periods are analyzed. A preferential heavy metals enrichment in one of the granulometric fractions is not observed. A big part of the study is focused on a hydrometallurgical treatment with ammonium chloride solutions to selectively remove Zn and Pb from the slag. Ammonium chloride concentration, contact time, temperature solution, particle size and pH were varied in order to define the best conditions to obtain the higher extraction yield. Leaching tests were performed on the solid residue. Finally, the slag is submitted to magnetic separation tests to investigate the composition and behavior of the magnetic and non-magnetic fractions, with the aim to find out if one or more phases are preferentially concentrated in the non-magnetic fraction, i.e. carbonaceous phases and Zn and Pb phases.

Le polveri dei forni elettrici ad arco (EAF) sono classificate come rifiuti pericolosi a causa del loro contenuto di metalli pesanti nocivi (Fe, Zn, Pb, ecc.). Il processo Waelz è considerato come "Best Available Technology" (BAT) per il trattamento pirometallurgico delle polveri EAF. La società Pontenossa S.p.A (BG) produce ossido di zinco, da polveri EAF, con una purezza fino al 75%. Oltre al prodotto principale, denominato ossido Waelz, viene sottoprodotto un alto contenuto di scorie solide, attualmente classificato come rifiuto non pericoloso e conferito in discarica. La tesi è incentrata su una prima analisi della letteratura relativa ai processi di trattamento delle scorie Waelz, seguita da attività sperimentali in laboratorio presso la società Pontenossa S.p.a. In questo lavoro viene effettuata un'analisi delle scorie Waelz ed eventuali trattamenti per modificarne la classificazione, da rifiuto non pericoloso ad inerte, o per riciclarle. La caratterizzazione della composizione elementare e di fase delle scorie Waelz viene effettuata per comprendere il comportamento del materiale dopo i trattamenti a cui sono sottoposte in questo studio. Dapprima viene effettuata una classificazione granulometrica delle scorie tal quali, poi si è analizzata la distribuzione elementare e il comportamento ad eluizione. Sono stati analizzati dieci campioni di scorie raccolte in diversi periodi. Non si osserva un arricchimento preferenziale di metalli pesanti in una delle frazioni granulometriche. Buona parte della tesi si concentra sul trattamento idrometallurgico con soluzioni di cloruro di ammonio per rimuovere selettivamente lo Zn e il Pb dalle scorie. La concentrazione di cloruro di ammonio, il tempo di contatto, la soluzione di temperatura, la dimensione delle particelle e il pH sono stati variati al fine di definire le migliori condizioni per ottenere una maggiore resa di estrazione. Inoltre, sono state effettuate prove di lisciviazione sul residuo solido. Infine, le scorie sono state sottoposte a prove di separazione magnetica per indagare la composizione e il comportamento delle frazioni magnetiche e non magnetiche, allo scopo di scoprire se una o più fasi sono preferibilmente concentrate nella frazione non magnetica, cioè le fasi carbonacee e le fasi di Zn e Pb.