Investigation of CO2 absorption mechanisms in electric arc and ladle furnace steelmaking slag

Steelmaking slags represent a relevant secondary resource for CO₂ sequestration through mineral carbonation, contributing to the decarbonisation of the steel industry. This thesis investigates the natural carbonation behaviour of Electric Arc Furnace (EAF) and Ladle Furnace (LF) slags sourced from three Italian steelworks, with the aim of identifying the key factors governing their reactivity and the conditions that enhance CO₂ uptake. A 126-day ageing campaign was carried out with frequent early-stage sampling to capture the rapid initial carbonation kinetics. Chemical, mineralogical and thermal analyses (XRF, LECO, XRD and TGA/DTG) were combined to interpret slag evolution under natural exposure. Results showed that EAF slags exhibit negligible carbonation potential due to their dense microstructure and the predominance of stable Ca–Fe–Si and Ca–Mg–Si silicates, which immobilise calcium in non-reactive lattice positions. In contrast, LF slags displayed significantly higher CO₂ uptake, favoured by the presence of hydratable Ca-bearing phases and finer particle size. Moisture significantly accelerated the process, boosting carbonation by 3–4 times compared with dry storage. Carbonation efficiency was found to depend on the availability of reactive calcium rather than total CaO content, while magnesium mainly hydrated to brucite without progressing towards Mg-carbonation under ambient conditions. LF slags, particularly those prone to self-pulverisation, therefore offer promising potential for passive CO₂ sequestration with minimal handling and no chemical activation. The findings provide practical guidance for optimising slag management to support CO₂ reduction in steelmaking and clarify the limited suitability of EAF slags, while outlining opportunities for further process optimisation.

Le scorie siderurgiche rappresentano una risorsa secondaria di interesse per il sequestro di CO₂ tramite carbonatazione minerale, contribuendo alla decarbonizzazione del settore siderurgico. Questa tesi analizza il comportamento di carbonatazione naturale delle scorie da Forno Elettrico ad Arco (EAF) e da Forno Siviera (LF) provenienti da tre acciaierie italiane, con l’obiettivo di individuare i parametri che ne controllano la reattività e le condizioni più favorevoli all’assorbimento di CO₂. È stata condotta una campagna di invecchiamento di 126 giorni con campionamenti frequenti nelle prime settimane per cogliere la fase iniziale a cinetica più rapida. L’interpretazione si basa su analisi chimiche, mineralogiche e termo-analitiche (XRF, LECO, XRD e TGA/DTG) al fine di descrivere in modo completo l’evoluzione delle scorie in condizioni ambientali. I risultati hanno mostrato che le scorie EAF presentano una capacità di carbonatazione quasi nulla a causa della microstruttura densa e della prevalenza di silicati di Ca–Fe–Si e Ca–Mg–Si molto stabili, che immobilizzano la calce in forme non reattive. Le scorie LF hanno invece evidenziato una maggiore capacità di assorbimento della CO₂, favorita dalla presenza di fasi idratabili contenenti calce e da una granulometria fine. L’umidità si è rivelata un fattore determinante, in grado di incrementare il sequestro di CO₂ di 3–4 volte rispetto alla condizione asciutta. È emerso che la capacità di carbonatazione dipende dalla disponibilità di calce reattiva e non dal contenuto totale di CaO, mentre il magnesio tende a idratarsi a brucite senza evolvere verso forme carbonatiche in condizioni ambientali. Le scorie LF, in particolare quelle soggette ad autoframmentazione, rappresentano quindi un’opportunità per un sequestro di CO₂ passivo con gestione minima e senza attivazioni chimiche. I risultati forniscono indicazioni utili per ottimizzare la gestione delle scorie ai fini della riduzione della CO₂ e chiariscono i limiti delle scorie EAF, suggerendo possibili sviluppi futuri.