Effect of basicity and sulphur on secondary metallurgy slag self-dusting

The target of this work is to investigate the role of basicity and sulphur in the spontaneous pulverization (self-dusting phenomen) of secondary metallurgy slags. To analyse the possible causes, seven samples of synthetic slags have been produced mixing lime, magnesia, quartz and alumina in different proportions and by smelting them at 1500°C in a graphite crucible. The content of lime and magnesia is kept constant at 50% and 15% respectively for each slag, while the quartz and alumina concentrations are varied maintaining their sum constant. Slags having a content of quartz greater than 10% and consequently a content of alumina lower than 25% undergo dusting during cooling, even before adding sulphur. The cause of dusting is the volumetric expansion caused by the dicalcium silicate phase transition from beta to gamma. While the stability experienced by slags rich in alumina is attributed to the presence of the mayenite phase which acts as a suppressor of the beta-gamma transition, exerting a hydrostatic pressure on the larnite particles blocking the volumetric expansion. In addition, a further contribution to the slag stability is provided by the presence of alumina ions dissolved inside the dicalcium silicate. The optical basicity is considered as a predicting parameter of dusting behaviour: for optical basicity values greater than 0.75 self-dusting occurs. Five further slag samples were created by adding pure sulphur in a varying concentration in the slag precursor which has reached the stability threshold (sample NS2). During cooling three slags characterised by a residual sulphur content equal or greater than 0.59% underwent pulverization. The reason is attributed to the increasing content of sulphur which in turn implies a linear increase of oldhamite phase, detrimental for slag stability since promotes the formation of the gamma phase of the dicalcium silicate. Moreover, in the dusted slag samples the oldhamite phase obstacles the formation of the mayenite matrix, leaving to the gamma phase the space to be formed.

La finalità di questa tesi prevede la disamina del ruolo della basicità e dello zolfo nella polverizzazione (fenomeno di self-dusting) delle scorie di metallurgia secondaria. Per analizzare le possibili cause di questo fenomeno, sette campioni di scoria sintetica sono stati prodotti mescolando calce, magnesia, quarzo e allumina in proporzioni diverse e i precursori così ottenuti sono stati sottoposti a un trattamento termico a 1500°C in un crogiolo di grafite. Il contenuto di calce e magnesia è stato mantenuto costante al 50% e 15% rispettivamente per ogni scoria, mentre le concentrazioni di quarzo e di allumina sono state variate mantenendo costante la somma. Le scorie con un contenuto di quarzo maggiore del 10% e di conseguenza con un contenuto di allumina minore del 25% si polverizzano durante il raffreddamento in aria, persino prima che lo zolfo venga aggiunto. La causa della polverizzazione è l’espansione volumetrica causata dalla transizione di fase del silicato dicalcico da beta a gamma. Mentre la stabilità delle scorie ricche in allumina e attribuita alla presenza della mayenite, fase che agisce da soppressore della transizione beta-gamma, esercitando una pressione idrostatica sulle particelle di larnite impedendone l’espansione volumetrica. Inoltre, un ulteriore contributo alla stabilità della scoria è attribuito alla presenza di ioni di allumina dissolti all’interno del silicato dicalcico. La basicità ottica può essere considerata come un parametro predittivo per il fenomeno di self-dusting: infatti la polverizzazione si verifica per dei valori di basicità ottica maggiori di 0.75. Cinque ulteriori campioni di scoria sono stati prodotti aggiungendo dello zolfo puro in concentrazioni diverse nella scoria che ha raggiunto la soglia di stabilità (campione NS2). Durante il raffreddamento, tre scorie caratterizzate da un contenuto di zolfo residuo uguale o maggiore dello 0.59% si sono polverizzate. La causa è attribuita al contenuto crescente di zolfo che a sua volta implica una crescita lineare dell’oldhamite, dannoso per la stabilità della scoria in quanto promuove la formazione della fase gamma del silicato dicalcico. Inoltre, nei campioni polverizzati, l’oldhamite ostacola la formazione della matrice di mayenite, lasciando alla fase gamma lo spazio per formarsi.