Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται μια ραγδαία αύξηση της χρήσης των προηγμένων κεραμικών σε τεχνολογικές εφαρμογές και στην παρασκευή διαφόρων τεχνολογικών- προϊόντων, λόγω των σημαντικών ιδιοτήτων που παρουσιάζουν. Επιπλέον, μεγάλο ενδιαφέρον παρουσιάζει και ο συνδυασμός κεραμικών με μέταλλα τόσο σε τεχνικές συνένωσης όσο και στην παρασκευή σύνθετων υλικών κεραμικού μετάλλου (κεραμομεταλλικών) με πυροσυσσωμάτωση (sintering) παρουσία ή μη ρευστής μεταλλικής φάσης, με βελτιωμένες ιδιότητες. Σημαντικό ρόλο στη μικροδομή και τις ιδιότητες των υλικών αυτών παίζουν τα φαινόμενα διαβροχής και η ισχύς του δεσμού που αναπτύσσεται στη διεπιφάνεια κεραμικού μετάλλου, καθώς και οι επιφανειακές και διεπιφανειακές ενέργειες των υλικών η των συστημάτων των υλικών που βρίσκονται σε επαφή. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη της συνάφειας και των διεπιφανειακών ιδιοτήτων σε συστήματα κεραμικών οξειδίων σε επαφή με ρευστές μεταλλικές οάσεις και ιδιαίτερα σε συστήματα του κεραμικού οξειδίου του δημητρίου σε επαφή με ρευστά μέταλλα. Στο πρώτο μέρος της εργασίας, στα πλαίσια του προγράμματος ΠΕΝΕΔ 2001 με τίτλο «ΧΥΤΕΥΣΗ ΑΚΡΙΒΕΙΑΣ: Πυροσυσσωμάτωση (sintering) κεραμικών καλουπιών και διεπιφανειακές τους αλληλεπιδράσεις σε επαφή με ρευστά κράματα μετάλλων», πραγματοποιήθηκε μία μελέτη της παραγωγικής διαδικασίας παρασκευής μεταλλικών αντικειμένων με τη μέθοδο της χύτευσης ακριβείας, η οποία οδήγησε στη βελτιστοποίηση των συνθηκών στα στάδια όπου είναι δυνατόν να δημιουργηθούν και να αναπτυχθούν ρωγμές στο κεραμικό κέλυφος (αποκέρωση. έψηση, χύτευση), ενώ επιπλέον διερευνήθηκαν οι διεπιφανειακές αλληλεπιδράσεις κεραμικού κελύφους ρευστών μεταλλικών φάσεων κατά τη χύτευση. οι οποίες επηρεάζουν το σχήμα και τις διαστάσεις του τελικού προϊόντος. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας, προσδιορίσθηκε η θερμοκρασιακή εξάρτηση της επιφανειακής ενέργειας και της ενέργειας ορίων κόκκων του πολυκρυοσταλλιικού οξειδίου του δημητρίου (CeO2) σε υψηλές θερμοκρασίες, καθώς και η διεπιφανειακή ενέργεια και το έργο συνάφειας σε συστήματα του κεραμικού CeO2 σε επαφή με ρευστό Cu, με εφαρμογή της τεχνικής εξισορρόπησης πολλαπλών φάσεων. Παράλληλα, από τη μελέτη της ανάπτυξης εσοχών στα όρια κόκκων του πολυκρυσταλλικού CeO2 προέκυψε ότι ο κυρίαρχος μηχανισμός μεταφοράς μάζας κατά τη θερμική διάβρωση του κεραμικού είναι η επιφανειακή διάχυση και προσδιορίσθηκε ο αντίστοιχος συντελεστής επιφανειακής διάχυσης στο θερμοκρασιακό διάστημα 1473-1773Κ. Χρησιμοποιώντας τη μέθοδο αποτυπώματος σκληρόμετρου υπολογίσθηκε ο συντελεστής δυσθραυστότητας του κεραμικού CeO2 και προσδιορίσθηκε η επιφανειακή ενέργεια του οξειδίου του δημητρίου σε θερμοκρασία δωματίου. Η συνεισφορά των ασθενών δiαμοριακών δυνάμεων Van der Waals (πολικών και διασποράς) στην επιφανειακή ενέργεια του πολυκρυσταλλικού CeO2 σε θερμοκρασία δωματίου προσδιορίσθηκε από πειράματα διαβροχής του κεραμικού σε επαφή με διάφορα πολικά υγρά. Με χρήση ενός συνδυασμού βιβλιογραφικών και πειραματικών δεδομένων σχετικά με τις επιφανειακές ενέργειες και τις γωνίες επαφής σε συστήματα κεραμικών οξειδίων σε επαφή με διάφορα ρευστά μέταλλα εξήχθη μια εμπειρική σχέση η οποία, σε δεδομένη θερμοκρασία, συνδέει άμεσα την επιφανειακή ενέργεια των στερεών οξειδίων με την επιφανειακή ενέργεια των ρευστών μετάλλων και τη γωνία επαφής. Μέσω αυτής της σχέσης είναι δυνατή η εκτίμηση της επιφανειακής ενέργειας ενός στερεού οξειδίου ή της γωνίας επαφής σε μη διαβρέχοντα και μη αντιδρώντα συστήματα κεραμικών οξειδίων ρευστών μετάλλων, όπου η μερική διαλυτοποίηση οξυγόνου του κεραμικού μέσα στο ρευστό μέταλλο δεν επηρεάζει τις διεπιφανειακές ιδιότητες του συστήματος. Η σχέση αυτή επαληθεύθηκε για διάφορα συστήματα κεραμικών οξειδίων ρευστών μετάλλων και επιπλέον εφαρμόσθηκε για τον προσδιορισμό της επιφανειακής ενέργειας του πολυκρυσταλλικού οξειδίου του δημητρίου από τα αποτελέσματα πειραμάτων διαβροχής στο σύστημα CeO2 σε επαφή με ρευστό Sn. / Engineering ceramics are being considered for technological applications due to their strong and sometimes unique properties. The pronounced evolution in the quality of advanced engineering ceramics has stimulated interest in the combination of ceramics with metallic phases for ceramic joining purposes or for the manufacturing of composite materials with enhanced properties. In all this cases the surface and interfacial energies of the materials or the materials systems used, as well as the wetting and bonding phenomena at the interface, play a key role in obtaining materials with the desired properties and microstructure. The aim of the present work is the study of adhesion and interfacial properties in ceramic oxide / liquid metal systems and particularly in systems of polycrystalline ceria (CeO2) in contact with liquid metals. At the first part of this work, in framework of the PENED 2001 programs, the investment casting process was studied at the stages where fracture of the ceramic shell can occur (dewaxing, sintering, casting of liquid metal) in order to optimize the conditions of the production procedure. Moreover, the interactions at the ceramic shell / liquid metal interface which can affect the shape and dimensions of the final cast product were investigated. At the second part of the present work the multiphase equilibration technique has been used for the determination of the equilibrium angles that develop at the interphase boundaries of a solid-liquid-vapor system and the surface and interfacial energies in polycrystalline CeO2 and CeO2/Cu systems were determined in argon atmosphere at the temperature range 1473-1773 K. Linear temperature functions were obtained by extrapolation, for the surface energy and the grain-boundary energy of the ceramic, as well as for the interfacial energy and the work of adhesion of the CeO2/Cu system. Grain-boundary grooving studied on polished surfaces of CeO2 annealed in argon atmosphere at the same temperature range has shown that surface diffusion was the dominant mechanism for the mass transport and the surface diffusion coefficient has been estimated. Engineering ceramics are being considered for technological applications due to their strong and sometimes unique properties. The pronounced evolution in the quality of advanced engineering ceramics has stimulated interest in the combination of ceramics with metallic phases for ceramic joining purposes or for the manufacturing of composite materials with enhanced properties. In all this cases the surface and interfacial energies of the materials or the materials systems used, as well as the wetting and bonding phenomena at the interface, play a key role in obtaining materials with the desired properties and microstructure. The aim of the present work is the study of adhesion and interfacial properties in ceramic oxide / liquid metal systems and particularly in systems of polycrystalline ceria (CeO2) in contact with liquid metals. At the first part of this work, in framework of the PENED 2001 programs, the investment casting process was studied at the stages where fracture of the ceramic shell can occur (dewaxing, sintering, casting of liquid metal) in order to optimize the conditions of the production procedure. Moreover, the interactions at the ceramic shell / liquid metal interface which can affect the shape and dimensions of the final cast product were investigated. At the second part of the present work the multiphase equilibration technique has been used for the determination of the equilibrium angles that develop at the interphase boundaries of a solid-liquid-vapor system and the surface and interfacial energies in polycrystalline CeO2 and CeO2/Cu systems were determined in argon atmosphere at the temperature range 1473-1773 K. Linear temperature functions were obtained by extrapolation, for the surface energy and the grain-boundary energy of the ceramic, as well as for the interfacial energy and the work of adhesion of the CeO2/Cu system. Grain-boundary grooving studied on polished surfaces of CeO2 annealed in argon atmosphere at the same temperature range has shown that surface diffusion was the dominant mechanism for the mass transport and the surface diffusion coefficient has been estimated.

Το ηλεκτροπαραγωγικό δυναμικό της ΔΕΗ περιλαμβάνει άνω των 40 πετρελαϊκών σταθμών συνολικής ισχύος 2100MW και οι μεγαλύτεροι είναι του διασυνδεδεμένου συστήματος και λειτουργούν στο Λαύριο και το Αλιβέρι. Οι υπόλοιποι λειτουργούν στο αυτόνομο σύστημα των νησιών του Αιγαίου και Κρήτης. Κατά τους καθαρισμούς των προθερμαντών αέρος και των δεξαμενών μαζούτ των μονάδων αυτών παράγονται σήμερα άνω των 500t στερεών καταλοίπων ετησίως με αυξητική τάση. Τα κατάλοιπα αυτά χαρακτηρίζονται σύμφωνα με την Ευρωπαϊκή οδηγία ως επικίνδυνα. Σύμφωνα με τους κανονισμούς της Ε.Ε. είναι υποχρεωτική η αδρανοποίησή τους και η διασφάλιση της ασφαλούς τους απόθεσης. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής πραγματοποιήθηκε πλήρης χαρακτηρισμός προεπεξεργασμένων και μη στερεών καταλοίπων. Προσδιορίστηκε ότι τα κατάλοιπα αυτά περιέχουν 1.6-13.4%V και 0.8-5.5%Ni, δηλαδή αποτελούν πολύ πλουσιότερες πρώτες ύλες από τα αντίστοιχα κοιτάσματα μεταλλευμάτων βαναδίου και νικελίου. Για παράδειγμα τα Ελληνικά νικελιούχα σιδηρομεταλλεύματα που καμινεύονται στη Λάρυμνα έχουν περιεκτικότητα μόλις 0.93-1.02% σε νικέλιο. Δεν ανιχνεύθηκε οργανικό φορτίο στα κατάλοιπα και το βανάδιο εντοπίστηκε σ’ αυτά στη μορφή VO2. Βασικός στόχος της διατριβής ήταν η ανάπτυξη μεθόδου, που να συνδυάζει την αδρανοποίηση των καταλοίπων με την ανάκτηση των περιεχόμενων μετάλλων. Η μέθοδος περιλαμβάνει και στάδιο πυροσυσσωμάτωσης των ανεπεξέργαστων καταλοίπων, στοχεύοντας στη συσσωμάτωση και εμπλουτισμό τους στα πολύτιμα κραματικά μέταλλα. Εξασφαλίζεται παράλληλη αποθείωση, απανθράκωση και ξήρανσή τους. Τα συσσωματώματα περιέχουν μέχρι και 6.0% Ni και 14.7% V, δηλαδή επιτυγχάνεται ο εμπλουτισμός τους κατά 8% σε Ni και κατά 10% σε V, με ταυτόχρονη απομάκρυνση θείου και άνθρακα σε ποσοστά 73 και 85% αντίστοιχα. Η πυροσυσσωμάτωση λειτουργεί ως αυτογενής διεργασία με την πλήρη ενεργειακή εκμετάλλευση της χημικής ενέργειας του άνθρακα και του θείου. Αποτελεί δε ταυτόχρονα το πρώτο βήμα για την ανάκτηση των περιεχόμενων μετάλλων. Συνακόλουθα, η εξασφάλιση ασφαλούς απόθεσης των αδρανοποιημένων και iii εμπλουτισμένων στα πολύτιμα μέταλλα καταλοίπων δίνει τη δυνατότητα δημιουργίας σοβαρού αποθέματος σωρεύοντας υλικό από το εσωτερικό αλλά και εισάγοντας παρόμοιου τύπου κατάλοιπα από ομοειδή εργοστάσια του εξωτερικού. Έτσι μια μεταλλουργική μονάδα ανάκτησης των μετάλλων θα μπορεί να εξασφαλίζει τη λειτουργία της με οικονομικότητα. Η εκτίμηση των επιπτώσεων της υπαίθριας απόθεσης των μελετούμενων στερεών αποβλήτων και των πυροσυσσωματωμάτων αποτελεί αδήριτο ανάγκη. Προς τούτο πραγματοποιήθηκε προσομοίωση της διεργασίας της έκπλυσής τους από τα όμβρια ύδατα. Το μοντέλο με την υπόθεση του μη αντιδρώντος πυρήνα, φαίνεται να περιγράφει με επαρκή ακρίβεια τη διεργασία. Οι σταθερές και ο πλήρης μηχανισμός του μοντέλου προσδιορίσθηκαν και επιβεβαιώθηκαν πειραματικά. Κατά την έναρξη της διεργασίας φαίνεται ότι η χημική αντίδραση αποτελεί το ρυθμορυθμιστικό βήμα για τη μεταφορά των μετάλλων στην υγρή φάση. Με την πρόοδό της έκπλυσης ελέγχεται από φαινόμενα διάχυσης. Την πρακτική εφαρμογή των μοντέλων που καταστρώθηκαν αποτέλεσε η πρόβλεψη των μακροχρόνιων επιπτώσεων της υπαίθριας απόθεσης των ανεπεξέργαστων και πυροσυσσωματωμένων καταλοίπων. Φάνηκε ότι απαιτείται μεγάλο χρονικό διάστημα, κατ’ ελάχιστο 10 έτη για την μείωση των συγκεντρώσεων των μετάλλων σε επιτρεπτά επίπεδα στον υδροφόρο ορίζοντα. Το τελευταίο στάδιο της προτεινόμενης μεθόδου περιλαμβάνει την αναγωγική τήξη των καταλοίπων. Πραγματοποιήθηκε σειρά πειραματικών χυτηρίων σε χωνευτήριο γραφίτη σε κάμινο Tammann. Μελετήθηκε η διεργασία αναγωγής των μεταλλοξειδίων καθώς και προσδιορίσθηκε η θερμοδυναμική ισορροπία των ετερογενών δράσεων μεταξύ ρευστής σκωρίας και μετάλλου σε θερμοκρασίες 1375-1600οC. Προσδιορίσθηκαν πειραματικά οι θερμοδυναμικές συναρτήσεις ισορροπίας για τα μεταλλοξείδια του βαναδίου, σιδήρου και νικελίου. Τα πειραματικά χυτήρια έδωσαν τελικούς βαθμούς ανάκτησης μετάλλων 85-98% για το Ni και 78-95% για το V, με παράλληλη παραγωγή αδρανοποιημένης σκωρίας κατάλληλης για απόθεση ή άλλες χρήσεις. Οι συνθήκες οι οποίες μεγιστοποιούν τις ανακτήσεις των Ni και V όπως έδειξαν οι πειραματικές δοκιμές είναι:  υψηλές θερμοκρασίες  χρήση χωνευτηρίου γραφίτη iv  προσθήκη σιδηροπυριτίου ως αναγωγικού μέσου Αντίθετα από την επικρατούσα άποψη, αποδείχθηκε, ότι επιτυγχάνονται υψηλοί βαθμοί ανάκτησης σε υψηλά επίπεδα βασικότητας CaO/SiO2>2, κάτι, που εξασφαλίζει την πυρίμαχη επένδυση της καμίνου και την περαιτέρω χρήση της παραγόμενης σκωρίας. Εναλλακτικά, μελετήθηκε και η απευθείας αναγωγική τήξη των φυσικοχημικά προεπεξεργασμένων καταλοίπων. Σημαντικό είναι το εύρημα, ότι η προσθήκη βωξίτη βοημιτικού τύπου σε μικρά ποσοστά προσθηκών μέχρι 10% δρα ενισχυτικά στις ανακτήσεις του νικελίου και του βαναδίου με βαθμούς ανάκτησης άνω του 98%. Διερευνήθηκαν επίσης η κινητική της αναγωγής των οξειδίων του σιδήρου και του βαναδίου από την σκωρία στο λουτρό σιδήρου και προσδιορίστηκαν οι αντίστοιχες σταθερές και τα ρυθμορυθμιστικά βήματα. Συνολικά, προτείνεται μια ολοκληρωμένη μέθοδος ανακύκλωσης των στερεών καταλοίπων πετρελαϊκών σταθμών παραγωγής ενέργειας σε συνδυασμό με υψηλότατους βαθμούς ανάκτησης των περιεχόμενων σε αυτά πολύτιμων κραματικών στοιχείων νικελίου και βαναδίου αποφεύγοντας την εξουδετέρωσή τους με ακριβές μεθόδους αδρανοποίησης. Με αυτόν τον τρόπο εξασφαλίζεται η εξουδετέρωση των επικίνδυνων αυτών υλικών με σημαντικά οικονομικά οφέλη από την ανάκτηση των μετάλλων. / The power generating installations of P.P.C. include m ore than 40 oil-fired power stations of about 2100MW total capacity. The mos t important stations are those of the interconnected system that ope rate in L avrio and Aliv e ri. The rest operate in the autonom ous system of the A eg e an islands and Cre te . M ore than 500t of solid w aste s are produce d annually during the w ashing proce sses of the air pre -he aters and the crude oil tanks of the aforementioned units w ith increasing te nden cy. These residue s are classifie d as hazardous according to the Europe an directive s. The ir neu tralizati on and safe de position is c om pulsory according to the E.U. re gulations. In the current the sis, complete characte rization of pretre ate d and untre ated re sidues was carried out. It w as found that the re sidues exa mined contained 1.6-13.4 %V and 0.8-5.5%Ni, being the refore a conside rably richer raw material than the vanadium and nickel ore deposits. For instance, the H elle nic nicke lferrous ore s, that are smelted in L arym na contain only 0.93-1.02% Ni. No organic compounds w ere de te cte d in the re sidues and the presence of vanadium was identified as VO 2. The fundam ental task of the thesis w as the de ve lopment of a method that com bine s the neutralization of the re sidue s with the recovery of the me tals containe d. The propose d me thod includes also a sinte ring stage of the untre ated residues, aiming at their agg lom e ration and e nrichm e nt in the pre cious alloying metals. The re sidues de sulphurization, de carburization and drying is achieved sim ultaneously. The sinter products contain up to 6.0% Ni and 14.7 % V, sugge sting that en richment of 8% in N i and 10 % in V w as achiev ed, with simultaneous loss of sulphur and carbon in the rates of 73 and 85% respe ctive ly. S inte ring, acts as an indigen ous process with total exploitati on of the che mical en e rgy of carbon and sulphur. It also rep re sents the first ste p for the re covery of the m etals containe d in the residues. Mo reov e r, provided the safe depo sition of the neutralize d and en riche d in valuable m e tals re sidue s, it is possible to ge ne rate a significant stock by piling m aterial from the indige nous sou rce s and imports of such residues. Thus a me tallurgical unit of m e tals re covery could operate at profit. The e valuation of the effects of the ground disposal of the investigate d solid re sidue s and sinte r produ cts is a mus t. The simulation of their le aching by rainfall wa s thus vii conducted. The hypothesis of the unreacted core mode l see ms to describe the proce ss ade que ntl y. The mode l constants and its complete m e chanism we re de te rmined and confirm ed expe rimentall y. Initially chem ical re action se ems to be the rate-de te rmining ste p for the transfe r of me tals in the liquid phase. W ith the e lution prog re ss the me chanism is controlled by diffusion phenomen a. The prediction of the long -te rm effects of the ground de position of the untre ate d and sinte red residue s w as att empted by applying the sugge sted models . It was shown that substantia l amount of time, 10 ye ars minim um, is ne e de d for the drop of the m e tals conce ntrations in the leachate to allowa ble lev e ls. The final stage of the proposed method contains the red uction smelting of the re sidues. A serie s of tests w as conducted in graphite crucibles in Tam mann furnace. The metal oxides re duction proce ss w as investi gated and the the rmod ynamic equilibrium of the hete rogen e ous actions betw e en liquid slag and me tal w as de te rmined in tempe ratures ranging from 1375 to 1600 oC. The therm od ynam ic equilibria functions conce rning the nickel, vanadium and iron oxides w ere exper ime ntally dete rmined. The e xpe rimental test heats yie lded final me tals recove ry rates of 85-98% for Ni and 78-95% for V , with simultaneous production of ne utralized slag suitable for deposition or othe r usage . The conditions that ma ximize the Ni and V re cove ries according to the expe rime ntal findi ngs we re:  the high tempe ratures  the use of graphite crucible  the Fe S i addi tions as re ductant In contrast to the dominating opinion, it w as shown that high rec ove ry rate s w e re achieved in high basicity rates of CaO/Si O 2>2, ensuring the re fractory lining of the furnace and the furthe r use of the produced slag. Alternatively, the direct re duction smelting of the physicochemic ally pretre ated re sidues was inve stigated. The finding that the small a dditions up to 10 % of boe hm itic type of bauxite improve the rec ove ries of nickel and in rate s highe r than 98% is ve ry important. The kinetics of the redu ction of iron and vanadium oxide s from the slag to the iron bath w ere also inve sti gate d and the corresponding constants and rate de te rmining ste ps we re de te rmined. viii A holisti c method of recycling the solid residue s of the oil-fire d stati ons is propose d The propose d me thod, in addition to high re cove ry rate s of the valuable alloying eleme nts containe d (nickel and vanadium) avoids the re sidue s treatment with expe nsive neutralization me thods. Mo reov e r, the ne utralization of these hazardous ma terials is achiev ed w ith substantial financial profit from the me tals re cove ry at the same time.

Μεγάλο τμήμα της παραγόμενης ενέργειας στην Ελλάδα προέρχεται από την καύση λιγνίτη στην Βόρεια (Δυτική Μακεδονία) και Νότια (Πελοπόννησος) Ελλάδα. Η καύση του λιγνίτη έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή μεγάλων ποσοτήτων στερεών παραπροϊόντων, όπως η ιπτάμενη τέφρα (ΙΤ) και η τέφρα πυθμένα (ΤΠ), των οποίων η συνολική παραγωγή ανέρχεται σήμερα σε 14Mt ετησίως. Η ποσότητα των παραπροϊόντων αυτών αναμένεται να αυξηθεί τα επόμενα χρόνια εξ’ αιτίας της συνεχώς χαμηλότερης ποιότητας λιγνίτη που χρησιμοποιείται (χαμηλότερη θερμογόνος δύναμη). Ένα τμήμα της παραγόμενης ΙΤ (10-12%) στην Ελλάδα αξιοποιείται ως πρώτη ύλη στη παραγωγή τσιμέντου, ενώ η ΤΠ δεν απορροφάται μέχρι σήμερα από καμία εφαρμογή, κυρίως λόγω του υψηλού ποσοστού άνθρακα που περιέχει. Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η αξιοποίηση, πρωτίστως, της ΤΠ και, μετέπειτα, της ΙΤ ως πρώτες ύλες στην παραγωγή τεχνητών ελαφροαδρανών για χρήση τους στην παραγωγή ελαφροσκυροδέματος. Για την παραγωγή των τεχνητών ελαφροαδρανών εφαρμόστηκε η διεργασία της πυροσυσσωμάτωσης σε σχάρα (grate sintering) έπειτα από σφαιροποίηση μιγμάτων των δύο τεφρών. Πραγματοποιήθηκε διερεύνηση των φυσικοχημικών χαρακτηριστικών των λιγνιτικών τεφρών (Κεφάλαιο 2) με σκοπό τον προσδιορισμό και την κατανόηση των χαρακτηριστικών τους, τα οποία αναμένεται να έχουν σημαντική επίδραση στην εφαρμογή της διεργασίας και στην ποιότητα του παραγόμενου προϊόντος. Επιπλέον, γίνεται αναλυτική αναφορά στα βασικά χαρακτηριστικά των διεργασιών σφαιροποίησης και πυροσυσσωμάτωσης (Κεφάλαιο 3). Για την εφαρμογή της επιλεγμένης διεργασίας παραγωγής τεχνητών ελαφροαδρανών πραγματοποιήθηκε σχεδιασμός μιγμάτων με διαφορετικές αναλογίες ΤΠ και ΙΤ (Κεφάλαιο 4). Ο περιεχόμενος άνθρακας της ΤΠ αποτελεί το καύσιμο της διεργασίας πυροσυσσωμάτωσης, ενώ η υψηλή περιεχόμενη υγρασία της ΤΠ αξιοποιείται ως το κύριο συνδετικό υλικό κατά την διάρκεια σφαιροποίησης για τον σχηματισμό σφαιριδίων. Οι διαφορετικές αναλογίες ΤΠ και ΙΤ αντιστοιχούν σε διαφορετικό ποσοστό στερεού καυσίμου στο μίγμα (προκύπτει από τις διαφορετικές vi αναλογίες), μία παράμετρος η οποία έχει επίδραση στην ολοκλήρωση της πυροσυσσωμάτωσης και στην ποιότητα του παραγόμενου (ελαφροαδρανούς) προϊόντος. Η πυροσυσσωμάτωση ολοκληρώθηκε με επιτυχία με ελάχιστο ποσοστό στερεού καυσίμου (περιεχόμενο άνθρακα ΤΠ) 6.5%κβ (Κεφάλαιο 5). Πραγματοποιήθηκε φυσικοχημικός χαρακτηρισμός όλων των προϊόντων της πυροσυσσωμάτωσης των μιγμάτων λιγνιτικών τεφρών της Μεγαλόπολης, και διαπιστώθηκε ότι το ποσοστό περιεχόμενου άνθρακα της ΤΠ είναι μια πολύ σημαντική παράμετρος για την παραγωγή ελαφροαδρανών υλικών. Ο σχηματισμός πορώδους δομής στο εσωτερικό των πυροσυσσωματωμένων πελλετών, στην οποία οφείλεται και το χαμηλό βάρος των παραγόμενων αδρανών, προκαλείται από την ταυτόχρονη εξέλιξη δύο διεργασιών: α) την παραγωγή αερίων σε υψηλές θερμοκρασίες και β) τον σχηματισμό ρευστής φάσης στην εξωτερική επιφάνεια της πελλέτας στο ίδιο χρονικό διάστημα (Κεφάλαιο 6). Οι αντοχές των πυροσυσσωματωμένων πελλετών οφείλονται σε αντιδράσεις και στον σχηματισμό νέων φάσεων είτε στερεών μέσω διάχυσης είτε ρευστών που προέρχονται από επιτήξεις στα όρια των κόκκων. Στην συνέχεια τα παραγόμενα ελαφροαδρανή χρησιμοποιήθηκαν για την παραγωγή δοκιμίων θερμομονωτικού και δομικού ελαφροσκυροδέματος και πραγματοποιήθηκε έλεγχος των θερμικών και μηχανικών τους ιδιοτήτων, αντίστοιχα (Κεφάλαιο 7). Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι τα τεχνητά ελαφροαδρανή μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή θερμομονωτικού και δομικού ελαφροσκυροδέματος. Η επιτυχής παραγωγή τεχνητών ελαφροαδρανών από μίγματα λιγνιτικών τεφρών Μεγαλόπολης αποτέλεσε και την βάση για δοκιμές πυροσυσσωμάτωσης των παραπροϊόντων αυτών με άλλα στερεά βιομηχανικά παραπροϊόντα όπως η ερυθρά ιλύς (ΕΙ), η οποία παράγεται από την επεξεργασία βωξίτη προς παραγωγή αλουμινίου (Κεφάλαιο 8). Για την διαπίστωση της συνεργασίας των δύο διαφορετικών παραπροϊόντων πραγματοποιήθηκε προσθήκη μέχρι και 30%κβ ΕΙ σε μίγματα λιγνιτικών τεφρών. Πραγματοποιήθηκε φυσικοχημική διερεύνηση των προϊόντων της πυροσυσσωμάτωσης και χρήση τους στην παραγωγή δοκιμίων σκυροδέματος. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η αύξηση της προστιθέμενης ΕΙ στο μίγμα λιγνιτικών vii τεφρών της Μεγαλόπολης επιφέρει αύξηση στο βάρος των παραγόμενων αδρανών, ενώ μπορούν να χαρακτηριστούν ελαφροαδρανή τα προϊόντα πυροσυσσωμάτωσης μιγμάτων μέχρι και 20%κβ προσθήκης ΕΙ. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων των μηχανικών αντοχών των δοκιμίων σκυροδέματος δείχνουν ότι η ΕΙ επιφέρει αύξηση στις αποκτώμενες αντοχές σε ποσοστό προσθήκης μέχρι και 15%κβ. Η εφαρμογή που προτείνεται σε αυτή την διατριβή για την παραγωγή τεχνητών ελαφροαδρανών υλικών από τα στερεά λιγνιτικά παραπροϊόντα του ΑΗΣ Μεγαλόπολης αποτελεί την πρώτη πρόταση για αξιοποίηση της ΤΠ στην Ελλάδα. Η πυροσυσσωμάτωση μιγμάτων των λιγνιτικών τεφρών μπορεί να οδηγήσει στην παραγωγή τεχνητών ελαφροαδρανών για χρήση τους στο δομικό και θερμομονωτικό ελαφροσκυρόδεμα ενώ ο περιεχόμενος άνθρακας της ΤΠ, ο οποίος αξιοποιείται ως το καύσιμο διεργασίας παραγωγής, αποτελεί σημαντική παράμετρο για την ποιότητα των τεχνητών ελαφροαδρανών. Επιπλέον, οι λιγνιτικές τέφρες της Μεγαλόπολης μπορούν να συνεργαστούν με άλλα στερεά βιομηχανικά παραπροϊόντα όπως η ΕΙ για την παραγωγή τεχνητών ελαφροαδρανών διαφορετικής ποιότητας. Επίσης, η συγκεκριμένη πρόταση αφορά στην μαζική αξιοποίηση της ΤΠ και πιθανή εφαρμογή έχει την δυνατότητα να απορροφήσει το μεγαλύτερο τμήμα του παραγόμενου αυτού παραπροϊόντος. / Large part of energy demand in Greece is covered by lignite combustion in West Macedonia and Peloponnesus. Lignite combustion results in production of, approximately, 14Mt/year of solid byproducts, such as fly ash (FA) and bottom ash (BA). The quantity of these byproducts is going to be increased in future because of the low quality of available lignite (lower calorific value). Part of FA (10-12%) produced in Greece is utilized as raw material in cement production while there is no application of BA, mainly because of its high carbon content. This study investigates a new method for utilization of BA, primarily, and FA, afterwards, as raw materials in the production of lightweight aggregates and further utilization of produced aggregates in lightweight aggregate concrete. A two stage process, pelletization and sintering, is applied in BA and FA mixtures. Physical and chemical analyses of Megalopolis lignite ashes are performed (Chapter 2) in purpose of characterization of process raw materials. Furthermore, fundamental theory of pelletization and grate sintering is presented (Chapter 3) in purpose of better understanding of process details. Mixtures of different BA/FA ratio are prepared for sintering tests (Chapter 4). Carbon contained in BA is utilized as the fuel of the process, while high water content of BA is utilized as the primary binding material during pelletization in purpose of pellets formation. Different BA/FA ratios represent different solid fuel percentages in sintering mixtures. This is an important parameter, which strongly affects the completion of the process and the quality of product. Successful completion of sintering process is achieved with minimum solid fuel content (BA carbon) 6.5wt% in mixture (Chapter 5). Physical and chemical characterization is performed for products of all different sintering mixtures. The results show that BA carbon content is an important parameter for the production of lightweight aggregates. Porous structure formation inside the sintered pellets, which is responsible for aggregates low weight, is caused by simultaneous development of two different processes: a) production of gases in high temperatures and, b) liquid (glassy) phase formation in the outer part of pellets in the same time period (Chapter 6). ix Formation of either solid state bonds, through diffusion, and/or glassy phase bonds at the points of particles mutual contact are responsible for pellet strength. Lightweight aggregates produced are used in the production of insulating and structural lightweight aggregate concrete specimens and thermal and mechanical tests are performed, respectively. According to tests results artificial lightweight aggregates can be used for insulating and structural purposes. The successful experimental results from the utilization of lignite solid byproducts in the production of LWA offered new opportunities for collaboration of these byproducts with other industrial solid residues, such as red mud (RM) which is produced during bauxite treatment for aluminum production (Chapter 8). In purpose of investigation of collaboration of these different byproducts sintering mixtures are prepared with low RM addition, up to 30wt%, in lignite ashes mixtures. Physical and chemical characterization is performed for products of all sintering mixtures and they are used for production of concrete specimens. Results show that increase of RM addition brings increase in aggregates weight, while aggregates formed by RM addition up to 20wt% can be considered as lightweight ones. The results of mechanical strength tests in concrete specimens show that RM addition up to 15wt% brings increase in aggregates strength. This is the first proposed method for utilization of lignite BA in Greece in the production of lightweight aggregates. Sintering of mixtures of lignite ashes results to the production of lightweight aggregates and the produced aggregates can be used for insulating and structural lightweight aggregate concrete. BA carbon content, which is utilized as the fuel of the process, is an important parameter for lightweight aggregate production and porous structure formation. Furthermore, Megalopolis lignite ashes can be treated in collaboration with other industrial solid byproducts, such as RM for the production of lightweight aggregates of different quality. Finally, the proposed method targets to massive utilization of BA produced in Megalopolis power station.