Lab-scale DC electric arc furnace design and thermodynamic slag optimization for metal recovery from slag phase
Cüruf fazından metal geri kazanımı için laboratuvar ölçekli DC elektrik arf fırını tasarımı ve termodinamik cüruf optimizasyonu
- Tez No: 854162
- Danışmanlar: PROF. DR. SERVET İBRAHİM TİMUR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 129
Özet
Metallerin cüruf fazında hapsedilmesi, verimsiz metal/cüruf ayrımı nedeniyle çeşitli metalurjik cüruflarda ciddi ekonomik kayıplara neden olur. Bu duruma örnek olarak, bakır cürufları %0,5 ila %3,7 arasında bakır içermekte ve standart bakır cevherlerinden daha fazladır. Ayrıca, baskı-devre kartları (PCB'ler), kullanılmış oto-katalitik konvertörler (SAC'ler) ve düşük metal içerikli mücevher atıkları gibi ikincil kaynakların işlenmesi de aynı prensiplerle metal kazanım prosesleri gerçekleştirilebilir. PCB'ler, kayda değer konsantrasyonlarda bakır (Cu) ve altın (Au) içermekte ve bu metallerin cevherlerindeki oranlarına kıyasla sırasıyla 13-26 kat ve 35-50 kat daha yüksektir. SAC içerisindeki seramik yapıda bulunan Pt, Pd ve Rh platin grubu metallerinin konsantrasyonu sırasıyla 100-3000 ppm, 5-1700 ppm ve 5-240 ppm aralığındadır ve bu miktarlar cevher yataklarında yalnızca 0,7 ila 2,8 ppm'dir. Düşük metal içerikli mücevherat atıkları (ramat) farklı kaynaklarda ciddi oranda, 848ppm Au ve 7812 ppm Ag içerdiği rapor edilmiştir. Bu çalışmada, verimli metal/cüruf seperasyonu için pirometalurjik proses tasarımı yapılmıştır. Cu flash fırını cürufu, mücevher atığı cürufu ve PGM içeren kullanılmış oto-katalitik konvertör gibi çeşitli kaynaklarda cüruf fazında bulunan metallerin geri kazanımına yönelik olarak 1800 °C sıcaklığa kısa zamanda çıkabilen, bir doğru akım (DC) elektrik ark ocak (EAF) tasarlanmış ve inşa edilmiştir. Bununla birlikte termodinamik hesaplamalar ve termal incelemeler yoluyla cüruf optimizasyon çalışmaları yapılmıştır. DC-EAF'nin ocak bölümü maksimum 1800 °C'ye ulaşan sıcaklıklara dayanacak şekilde ısı transfer hesaplamalarıyla gereken refrakter malzeme seçilmi yapılmıştır. İç ocak yüksek saflıkta Al2O3 dökülebilir malzeme kullanılarak inşa edilirken, dış ocak MgO tuğlalar ve Al2O3-ZrO çimentosu kullanılarak inşa edilmiştir. Isı transferi hesaplamaları, dış çelik mahfazanın potansiyel olarak 425 °C'ye kadar yüksek sıcaklıklara ulaşabileceğini gösterdi; bu da hem elektrotlar hem de çelik mahfaza için bir soğutma sistemi gerektiğini göstermiştir. Ergitme sırasında elektrot hareketini, iki eksene bağlı iki step motor içeren bir elektrot hareket sistemi tasarlanarak inşa edilmiştir. Ergitme esnasında sürekli ark oluşumu yüksek sıcaklıklara mümkün olduğunca çabuk ulaşmak açısından oldukça önemlidir. Ancak ergime ortamının elektriksel direncinin sıcaklığa bağlı olarak değişmesi, sürekli arkı kesmekte ve bu sebeple de hem voltajı hem de elektrot-elektrot mesafesini (veya ark uzunluğunu) ayarlayabilen bir otomasyon sistemi kullanılarak kontrol edilmiştir. Sürekli ark oluşumu akım-zaman grafikleri kullanılarak incelenmiş ve saniyelik kesilmeler dışında dışında arkın tutarlı bir şekilde oluştuğu gözlenmiştir. Ark ergitme için gerekli enerjiyi sağlamak amacıyla AC'den DC'ye doğrultucu ve elektrot sistemini içeren bir güç kaynağı kullanılmıştır. Ek olarak, ergitme sonrası döküm sürecini kolaylaştırmak için için mekanik bir yatırma sistemi inşa edilmiştir. Cüruf fazından metallerin geri kazanımı, cüruf içerisindeki tüm fazların homojen olarak ergimesi ve düşük viskoziteye sahip olmasına bağlı olduğundan yapılan çalışmadaki cüruf optimizasyonu bu parametreler üzerinden yapılmıştır. Cürufların optimizasyon çalışmaları, termodinamik hesaplamalar ve termal davranış ölçümleri yoluyla gerçekleştirilmiştir. Başlangıçta cüruf örnekleri X-ışını kırınımı (XRD) ve X-ışını floresansı (XRF) kullanılarak karakterize edildi. SAC fazı yüksek miktarda SiO2, Al2O3 ve MgO içerdiğinden kordiyerit fazı bölgesinde yer almaktadır. Cu flaş fırın cürufu, FeO.SiO ile fayalit cürufu içerirken mücevher atığı cürufu, kurşundaki metal fazı toplamak için kullanılan kupelasyon işlemi nedeniyle PbO açısından zengin olduğu gözlemlenmiştir. Bu çalışmada, SiO2, Al2O3, MgO ve FeO'nun ikili faz diyagramları ile flaks ilaveleri (CaO, Na2O, B2O3) sistematik olarak incelenmiş ve düşük sıcaklık fazları, ötektikler ve düşük sıvılaşma sıcaklıkları hakkında önemli bilgiler ortaya çıkarılmıştır. Na2O, CaO ve B2O3 flaks ilaveleriyle harcanmış oto-katalizör (SAC) fazının faz dengesi diyagramları hesaplanmıştır. SAC fazı 1453 °C'da bir ergime noktası gösterirken, Na2O ilavesiyle (0.75 SiO2/Na2O+SiO2 ve 0.05 Al2O3/Na2O+Al2O3) yapı içerisindeki SiO2 ve Al2O3 fazları NaAlO2, NaAlSiO4 ve Na2SiO3 oluşturmuş, ve sistemin ergime sıcaklığı 1100 °düşmüştür. SAC komposizyonuna B2O3'ün 0,5 MgO/B2O3+MgO oranında eklenmesi, yaklaşık 500 °C gibi son derece düşük bir sıcaklıkta Mg3B2O6'nın oluşmasına yol açmıştır. Üstelik yalnızca %30 (ağırlık/ağırlık) B2O3 ilavesi, cüruf sıcaklığını dikkate değer ölçüde 900 °C'ye düşürmesine rağmen yapı içerisindeki SiO2-Al2O3 fazları 1400 °C'lere kadar cüruf fazına katılmamıştır. SAC kompozisyonuna CaO'nun ((0,6 SiO2/CaO+SiO2) ve (0,354 Al2O3/CaO+Al2O3)) dahil edilmesi, SiO2 ve Al2O3 fazların dönüşmesiyle kalsiyum bazlı silikat ve alüminatlar oluşturmuş, ve bu fazlar 1100-1350 °C arası ergime sıcaklıklarına sahip olduğu gözlemlenmiştir. Gibbs serbest enerji hesaplamaları, flaks ve SAC'da bulunan fazlar arasındaki reaksiyonların oluşma enerjilerini incelemek için kullanılmıştır. Çalışmada ayrıca diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) kullanılarak SAC'ın termal davranış araştırılmıştır, cüruf oluşum sıcaklıklarına karşılık gelen endotermik tepe noktaları ortaya çıkarılmış ve viskozite hesaplamalarıyla B2O3'ün düşük konsantrasyonlarda bile (%5-%10) cüruf viskozitesinde 125 Pa.s'ye kadar ciddi bir azalmaya neden olduğunu anlaşılmıştır. Bu kapsamlı araştırma, çalışılan pirometalurjik sürecin termodinamik ve kinetik yönlerine ilişkin değerli bilgiler sağlayarak, ergitme işlemi esnasında cüruf bileşimi hazırlanmasında kullanılması hedeflenmiştir. Termodinamik hesaplamalardanla flux ilaveleri belirlendiğinde SAC'ye (0,75 SiO2/Na2O+SiO2, 0,05 Al2O3/Na2O+Al2O3, 0,5MgO/MgO+B2O3 ve %30 B2O3) ve (0,22 FeO/FeO+Na2O ve %30 B2O3) ) Cu flaş fırın cürufuna eklenmiş ve mücevher cürufuna sadece %30 B2O3 eklenmiş ve geri kazanım verimleri belirlenmiştir. Yapılan çalışmalarda SAC için
Özet (Çeviri)
Entrapment of metals in slag phase cause a drastic economical loss in various metallurgical slags due to inefficient metal/slag seperation. Copper slags, display a substantial copper (Cu) presence, ranging between 0.5% and 3.7%, comparable to or exceeding the copper content observed in standard copper ores. Moreover, treatment of secondary sources such as printed circuit boards (PCBs), spent auto-catalytic converters (SACs) and low grade jewelry waastes could be treated by the very same principles. E-wastes are found to contain notable concentrations of copper (Cu) and gold (Au), with levels approximately 13–26 times and 35–50 times higher, respectively, than those typically present in the minerals conventionally employed for the extraction of these metals. In SACs, Platinum group metals (PGMs) such as Pt, Pd, Rh is typically present in larger quantities with concentrations ranges spanning from 100-3000 ppm, 5-1700 ppm and 5-240 ppm respectively while PGM ore deposits contains only 2.8 to 0.7 ppm. Low-grade jewelry waste including floor sweepings, polishing dusts, rags and tissues, emerge as significant reservoirs of gold (Au) and silver (Ag), exhibiting concentrations as high as 848 ppm Au and 7812 ppm Ag was reported. In contrast, the gold concentration in conventional gold ores typically falls within the range of 1 to 15 ppm. This highlights the potential value in extracting precious metals from seemingly less significant waste materials, underscoring the importance of exploring diverse sources for resource recovery. In this study, a pyrometallurgical process and slag optimization methodology were designed for the efficient separation of metals from slag phase. Particularly, a direct current (DC) electric arc furnace (EAF) capable of reaching a temperature of 1800 °C in a short time was designed and constructed for the recovery of metals trapped in various sources such as Cu flash furnace slag, jewelry waste slag and spent auto-catalyst (SAC) containing platinum group metals (PGMs). Slag optimization studies were made through thermodynamic calculations and thermal investigations. During the construction of the DC-EAF involved several critical components: A hearth design was devised through heat transfer calculations, ensuring the inner crucible's resilience to temperatures reaching a maximum of 1800 °C. Consequently, the inner hearth was crafted using high-purity Al2O3 castable, while the outer hearth was constructed using MgO bricks and Al2O3-ZrO cement. Heat transfer calculations indicated that the outer steel casing could potentially attain temperatures as high as 425 °C, where the incorporation of a cooling system for both electrodes and the steel casing is required. To facilitate electrode motion during smelting, an electrode motion system featuring two step-motors connected in two axes was designed. Continuous arc formation during melting is essential to reach high temperatures as quickly as possible. However, due to the variation in electrical resistance of the melting environment with temperature, presence of solid and liquid phases, arc formation was controlled using an automation system that could adjust both voltage and electrode-electrode distance (or arc length). Continuous arc formation was investigated using current-time graphs and it was observed that the arc consistently formed except for brief short circuits. A power source incorporating an AC to DC rectifier and an electrode system was constructed to provide the requisite energy for arc smelting. Additionally, a mechanical tilting system was implemented to facilitate the straightforward tapping of the system. The recovery of metals from slag phase involved optimizing the melting of slags since the homogeneous melting of all phases in the slag and its connection to viscosity were crucial. Therefore, the optimization of the slags to be melted was carried out through thermodynamic calculations and thermal behavior measurements. Initially, slag samples were characterized using X-ray diffraction (XRD) and X-ray fluorescence (XRF). The SAC phase contained high amounts of SiO2, Al2O3 and MgO thus, located in the cordierite phase region. Cu flash furnace slag contained fayalite slag with FeO.SiO, while jewelry waste slag was rich in PbO due to the cupellation process used to collect the metal phase in lead. In this study, binary phase diagrams of SiO2, Al2O3, MgO and FeO, along with flux additions (CaO, Na2O, B2O3), were systematically examined, revealing crucial insights into low-temperature phases, eutectics and low liquidus temperatures. The phase-equilibrium diagrams for the spent auto-catalyst (SAC) phase, augmented with Na2O, CaO and B2O3 flux additions, were meticulously calculated. Notably, SAC phase demonstrated a melting point of 1453 °C and Na2O addition resulted in the formation of NaAlO2, NaAlSiO4 and Na2SiO3, at 0.75 SiO2/Na2O+SiO2 and (0.05 Al2O3/Na2O+Al2O3 achieving an overall slag formation temperature of 1100 °C. The introduction of B2O3 at a ratio of 0.5 MgO/B2O3+MgO led to the creation of Mg3B2O6 at an exceptionally low temperature of approximately 500 °C. Moreover, a mere 30% (w/w) B2O3 addition remarkably decreased the slag temperature to 900 °C, demonstrating the pronounced influence of B2O3 on reducing viscosity through its interaction with the SiO2-Al2O3 network. Conversely, the incorporation of CaO ((0.6 SiO2/CaO+SiO2) and (0.354 Al2O3/CaO+Al2O3)) formed calcium-based silicate and aluminates, with specific phases transforming at temperatures of 1350 °C, 1200 °C, 1180 °C and 1150 °C. Gibbs free energy calculations elucidated the feasibility of reactions between fluxes and slag phases. When the formation energy of CaB2O4 surpasses that of calcium silicate and aluminates, it does not contribute to a reduction in the melting point of these oxides. On the other hand, Na2O together with B2O3 prove useful as the Na6Si8O19, NaAlO2 target phases forms rather than sodium borate species resulting a decrease in melting temperature and lowered viscosity. The study further explored the thermal behavior using Differential Scanning Calorimetry (DSC), revealing endothermic peaks corresponding to slag formation temperatures and viscosity calculations demonstrated that B2O3 induced a drastic reduction in slag viscosity, even at low concentrations (5%-10%), reaching as low as 125 Pa.s. This comprehensive investigation provides valuable quantitative insights into the thermodynamic and kinetic aspects of the studied pyrometallurgical process, paving the way for enhanced efficiency in metal recovery from diverse sources. When determined flux additions from thermodynamic calculations, (0.75 SiO2/Na2O+SiO2, 0.05 Al2O3/Na2O+Al2O3, 0.5MgO/MgO+B2O3 and 30% B2O3) into SAC and (0.22 FeO/FeO+Na2O and 30% B2O3) into Cu flash furnace slag and only 30% B2O3 added to jewelry slag, recovery efficiencies were determined. The results indicated attainment of
Benzer Tezler
- Tavuk karkaslarında mikrodalga uygulama ile Campylobacter jejuni hedefli yüzey dekontaminasyon proses tasarımı için simülasyon çalışması
A simulation study for surface decontamination of chicken carcasses targeting Campylobacter jejuni using microwave processing
EZGİ SON
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Gıda MühendisliğiAnkara ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FERRUH ERDOĞDU
- Çözeltiden üfleme tekniği ile yeni tip filtre ve membranların geliştirilmesi
Development of novel filters and membranes by solution blowing technique
YUSUF POLAT
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞAFAK YILMAZ
YRD. DOÇ. DR. ALİ KILIÇ
- Ultrahigh resolution optical spectroscopy of liquid microdroplets using tapered optical fiber waveguides
Süperhidrofobik yüzey üzerinde duran sıvı mikrodamlaların inceltilmiş optik fiber ile ultrayüksek çözünürlükte optik spekstroskopisi
YASİN KARADAĞ
Doktora
İngilizce
2013
Fizik ve Fizik MühendisliğiKoç ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALPER KİRAZ
- Management and control of distributed energy generation systems via artificial intelligence techniques
Dağıtık enerji üretim sistemlerinin yapay zeka teknikleri ile yönetim ve kontrolü
ALPER NABİ AKPOLAT
Doktora
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiMarmara ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AHMET EMİN KUZUCUOĞLU
DR. ÖĞR. ÜYESİ ERKAN DURSUN
- Şekil hafızalı ve iletken termoplastik esaslı elektroaktif nanokompozitlerin hazırlanması
Preparation of shape memory and conductive thermoplastic based electroactive nanocomposites
MERVE DOĞU
Doktora
Türkçe
2021
Kimya Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi-CerrahpaşaKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ DURMUŞ