An in-depth study has been carried out to investigate refractory degradation during continuous steel casting processes. Slag/refractory interactions have been investigated through a study of the wetting behaviour and gas generation phenomena at the slag/refractory interface at 1550oC using sessile drop experiments. The influence of carbon content and slag composition was investigated. Two different steel casting slags (slag1: MnO 50%, SiO2 25%, Al2O3 25%; and slag2: MnO 40%, SiO2 60%) have been studied along with yttria stabilized zirconia refractory substrates respectively containing 10%, 15% and 20% carbon. The gas generation has been measured using the Infrared gas analyser, and its influence has also been investigated by taking optical images at varying times. The total amount of gases emitted has shown the dependence on the compositions of refractory substrates and the existence of casting slags. Under the investigation of zirconia-carbon refractory, a new phenomenon that the gas generated can push the liquid slags away and minimise the contact of slags and refractory substrates has been proven.

Western Mining Corporation produces nickel matte at the Kalgoorlie Nickel Smelter(KNS)from nickel sulphide concentrates within an integrated flash smelter.

Thesis (M.Eng.)(Metallurgical)--University of Pretoria, 2006. / Includes summary. Includes bibliographical references. Available on the Internet via the World Wide Web.

Thesis (M.Sc.(Applied Science-Metallurgy))--University of Pretoria, 2008. / Abstract in English. Includes bibliographical references (leaves 136-145).

Thesis (PhD.(Metallurgy)--University of Pretoria, 2008. / Includes bibliographical references.

Thesis (B.S.)--University of Wisconsin -- La Crosse, 2008. / Also available online. Includes bibliographical references (leaves 29-31).

Thesis (M.A.)--University of Toronto, 2007. / "PCA R&D Serial No. 3030." (cover)

Στην παρούσα εργασία, εξετάστηκε η δυνατότητα χρήσης της σκωρίας κλιβάνου ηλεκτρικού τόξου (Electric Arc Furnace Slag- EAFS), ως πρώτη ύλη στη διεργασία παραγωγής τσιμέντου μπελιτικού τύπου. Η σκωρία κλιβάνου ηλεκτρικού τόξου (EAF) είναι ένα παραπροϊόν της μεταλλουργικής βιομηχανίας. Προκύπτει από την τήξη σε κλίβανο ηλεκτρικού τόξου (Electric Arc Furnace - EAF) παλαιοσιδήρου (ferrous scrap). Σύμφωνα με την American Society for Testing Materials (ASTM), η σκωρία ορίζεται ως ένα μη μεταλλικό προϊόν. Η σκωρία είναι ένα τήγμα που αποτελείται κυρίως από πυριτικές ενώσεις του ασβεστίου ενωμένες οξείδια σιδήρου, αλουμινίου, ασβεστίου και μαγνησίου και παράγεται ταυτόχρονα με τον χάλυβα μέσα σε κλίβανο. Η ποσότητα σκωρίας που παράγεται στα χαλυβουργεία, ως παραπροϊόν της παραγωγικής διαδικασίας, αποτελεί ποσοστό περίπου 13% - 18% επί της συνολικής ποσότητας τροφοδοσίας του κλιβάνου με αποτέλεσμα οι μεταλλουργικές σκωρίες να είναι ένα από τα μεγαλύτερα σε ποσότητα βιομηχανικά παραπροϊόντα. Ως συνέπεια, οι χαλυβουργίες αντιμετωπίζουν προβλήματα απόθεσης και διάθεσης των σκωριών καθώς και τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις που προκύπτουν από αυτά. Μια κατηγορία τσιμέντων για την οποία υπάρχει έντονο ενδιαφέρον τα περίπου τελευταία 20 χρόνια είναι τα μπελιτικά τσιμέντα, καθώς παρουσιάζουν μειωμένη, θερμοκρασία έψησης και εκπομπή CO2. Η διαφορά των ανωτέρω τσιμέντων με τα τσιμέντα τύπου Portland είναι τα μειωμένα επίπεδα της φάσης του πυριτικού τριασβεστίου (C3S), απόρροια της χαμηλής θερμοκρασίας έψησης (~1350°C) γεγονός που τα κατατάσσει στην κατηγορία των φιλικών προς το περιβάλλον τσιμέντων. Επιπρόσθετα η αξιοποίηση παραπροϊόντων ως A! Ύλες, που παρουσιάζουν χημική σύσταση κατάλληλη για την παραγωγή τσιμέντου, οδηγεί σε μερική μείωση της ζήτησης Α! υλών και σε ελάττωση των εκπομπών CO2, καθώς αποτελούν πηγή CaO ελαττώνοντας την ανάγκη για απανθράκωση του CaCO3. Μελετήθηκε η δυνατότητα προσθήκης σκωρίας EAF ως Α! ύλης για την παραγωγή τσιμέντων μπελιτικού τύπου. Οι πρώτες ύλες που χρησιμοποιήθηκαν για την προετοιμασία των μιγμάτων ήταν ασβεστόλιθος, αργιλικός σχιστόλιθος καθώς και σκωρία κλιβάνου ηλεκτρικού τόξου (EAF). Η EAFS προήλθε από την χαλυβουργία «SOVEL» (θυγατρική της «ΣΙΔΕΝΟΡ») της οποίας η ετήσια παραγωγή σε χάλυβα είναι 750 kt ενώ σε EAFS 97.5 kt. Οι πρώτες ύλες αναλύθηκαν ως προς την χημική τους σύσταση με τη χρήση φθορισμομετρίας ακτίνων X (XRF, Philips PW 2400) και προσδιορίστηκε η ορυκτολογική τους σύσταση μέσω περιθλασιμετρία ακτίνων Χ (XRD, D5000 Siemens) ποιοτικά και ποσοτικά (QXRD, μέθοδος Reitveld). Για τη σκωρία πραγματοποιήθηκε παρατήρηση της μικροδομής της καθώς και στοιχειακή ανάλυση με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM-EDS), βάση των οποίων κρίθηκε κατάλληλη να υποκαταστήσει μέρος των Α! υλών στην παραγωγή τσιμέντου . Τέσσερεις τύποι clinker παρήχθησαν με 0κ.β.% (BC), 5κ.β.% (BC5) 10κ.β.% (BC10) και 20κ.β.% (BC20) σκωρία EAF με στόχο την διατήρηση του μπελίτη σε υψηλή περιεκτικότητα (>55%). Η έψηση των clinker πραγματοποιήθηκε στους 1380ºC. Η θερμοκρασία έψησης προσδιορίστηκε από προκαταρκτικές δοκιμές έψησης στο θερμοκρασιακό εύρος 1280°C-1400°C, με βάση τα αποτελέσματα της ελευθέρας ασβέστου και την εξέλιξη της μικροδομής. Η μικροδομή των παραγόμενων clinker αποτελείται κυρίως από κρυστάλλους μπελίτη και αλίτη, ενώ η ρευστή φάση (C3A+C4AF) παρουσιάζεται ως μήτρα γύρω από τους κρυστάλλους με λεπτοκρυσταλλική δομή. Τα παραγόμενα τσιμέντα υστερούν σε πρώιμες αντοχές. Εντούτοις, τα αποτελέσματα των αντοχών για τις 28 ημέρες που για τα BC, BC5, BC10 και BC20 είναι 47.5 MPa, 46.6 MPa , 42.8 MPa και 35.5 MPa αντίστοιχα πληρούν τις προϋποθέσεις για ένταξή τους στην κατηγορία OPC CEMI 32.5N, σύμφωνα με το EN 197-1. Παρατηρήθηκε επίσης, ότι τα BC10 και BC20 συμπεριφέρονται ως ταχύπηκτα, ενώ η υγεία σε όλες τις περιπτώσεις δεν υπερβαίνει το 1mm. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η σκωρία EAF μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή των εν λόγω τσιμέντων αλλά και ότι τα τσιμέντα αυτού του τύπου υστερούν στην ανάπτυξη των πρώιμων αντοχών έναντι των Portland. Επίσης, παρασκευάστηκαν 6 blended τσιμέντα, με ανάμιξη με BC, BC5 και BC10 σε διάφορα ποσοστά, με OPC_42.5Ν. Τα blended τσιμέντα έδωσαν βελτιωμένες συνολικά αντοχές. Οι πρώιμες αντοχές παρουσίαζαν μικρή μείωση σε σχέση με το OPC_42.5N. Ελέγχθηκε κατά πόσο το τελικό προϊόν που παράγεται μέσω της πειραματική-εργαστηριακής διαδικασία αποκλίνει ποιοτικά από αυτό που έχει προέλθει από την βιομηχανική παραγωγική διαδικασία, και τα αποτελέσματα ήταν ικανοποιητικά. Όσον αφορά τις βιομηχανίες τσιμέντου και χάλυβα, η παραγωγή μπελιτικών τσιμέντων με παράλληλη αξιοποίηση σκωρίας ως Α! ύλη συνεπάγεται κέρδος τόσο περιβαλλοντικό όσο και οικονομικό. Συνολικά κατά την παραγωγή τους απαιτείται λιγότερη ενέργεια, εκπέμπεται μικρότερη ποσότητα CO2 και η ζήτηση σε πρώτες ύλες είναι επίσης μειωμένη. Η μελέτη της περιβαλλοντικής συμπεριφοράς των BC5 και BC10 τσιμέντων, πραγματοποιήθηκε με βάση το πρότυπο NEN 7345-tank test που αναφέρεται σε μονολιθικά υλικά. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι στην περίπτωση του V δεν ανιχνεύεται καμία μετρήσιμη εκλουόμενη ποσότητα για τα δύο δοκίμια ενώ στην περίπτωση του Cr η συνολική έκλουση που καταγράφεται μετά από 64 ημέρες είναι 78.72 mg/m2 για το BC5 και 113.81 mg/m2 για το BC10. Οι τιμές του εκλουόμενου Cr και για τα δυο δοκίμια, δεν υπερβαίνουν το όριο Existing (NEN7375) Monolithic Waste Acceptance Criteria_mg/m2 at 64 days (500 mg/m2), σύμφωνα με τον moWaC. Ο προσδιορισμός του μηχανισμού που οδηγεί στην απελευθέρωση χρωμίου για τα δοκίμια προσδιορίστηκε ότι είναι διάχυση. / In the present work studied the valorization of the electric arc furnace slag (Electric Arc Furnace Slag-EAFS), as raw material in the production of belite cement. The electric arc furnace slag (EAF) is a byproduct of the metallurgical industry, resulting from melting in electric arc furnace ferrous scrap. According to the American Society for Testing Materials (ASTM), the slag is defined as a non-metallic product. The slag is a molten phase consisting mainly of calcium silicate compounds joined together with oxides of iron, aluminum, calcium and magnesium and is produced simultaneously with steel in a furnace. The quantity of slag produced in steel industries, as a byproduct of the production process, represents approximately 13% - 18% of the total quantity supplied to the furnace so that the metallurgical slag is one of the major industrial products in quantity. As a result, steel industries are facing problems with the deposition and disposal of the slag and the environmental impacts arising from them. The scientific interest over the last 20 years was turned to the production of belite cements, which present low firing temperature and CO2 emission. This type of cement, unlike conventional OPC, contains a higher percentage of belite (C2S) and a lower percentage of alite (C3S), result of low firing temperature (~1350°C) which classifies them in the category of environmentally friendly cements. Additionally, the valorization of industrial byproducts, as raw materials, which present chemical composition suitable for cement production, leads to partial reduction of raw materials demand and CO2 emissions, as they constitute source of CaO by reducing the need for decarbonation of CaCO3. The valorization of EAF slag as raw material in the producing of belite cement was studied. The raw materials used to prepare the mixtures were limestone, clay and EAF slag. The EAF slag derived from the steel industry «SOVEL» (subsidiary of "Sidenor") which annual production of steel is 750 kt while EAF slag is 97.5 kt. Their chemical analysis was performed by X-ray fluorescence spectrometry (XRF, Philips PW 2400). The crystalline phases of the raw materials were identified by X-ray diffraction analysis (D5000 Siemens). Qualitative analysis was performed by the DIFFRACplus EVA® software (Bruker-AXS) based on the ICDD Powder Diffraction File. The mineral phases were quantified using a Rietveld-based quantification routine with the TOPAS® software (Bruker-AXS). The slag was characterized by SEM/EDS micro-analysis, results shown that was appropriate to partially substitute the raw materials in cement production. Four types of clinker produced with 0w.t.% (BC), 5 w.t.% (BC5), 10 w.t.% (BC10) and 20 w.t.% (BC20) EAF slag, aimed at maintaining high belite (> 55%) levels. The firing temperature of the clinker was at 1380ºC. The firing temperature was determined by preliminary burnability tests at the temperature range of 1280°C-1400°C, based on the results of free lime content and the microstructure evolution. The microstructure of the produced clinker consisting mainly of belite and alite crystals, while the (C3A + C4AF) is presented as an interstitial phase around the crystals with micro-crystalline structure. The produced cements present low early strength. However, the strength results of 28 days for BC, BC5, BC10 and BC20 are 47.5 MPa, 46.6 MPa, 42.8 MPa and 35.5 MPa respectively, meet the conditions for integration into the category OPC CEMI 32.5N, according to EN 197-1. Also observed that the BC10 and BC20 behave as ‘‘flash-set’’ cements. The expansion (soundness) was measured 1mm for all the samples. The results show that the EAF slag could be used for the production of such cements, which disadvantage in the development of early strength towards OPC. Moreover, 6 blended cements prepared by mixing BC, BC5 and BC10 at different proportions, with OPC_42.5N. The blended cements provided improved overall strength. The early strength showed a slight decrease compared with OPC_42.5N. Was examined the qualitative difference of the cement which was produced by laboratory-experimental procedure with the one from the industrial production process, the results were satisfactory. With regard to cement and steel industries, belite cements production with parallel valorization of EAF slags as raw material implies both environmental and energy profits. Overall their production requires less energy, less amount of CO2 emitted and also the demand of raw materials is reduced. The study of the environmental behavior of BC5 and BC10 cement, carried out according to the NEN 7345-tank standard test referred to monolithic materials. The results showed no V release, while the release of Cr increased according with the increment of the slag content. The total leached quantity after 64 days is 78.72 mg/m2 for BC5 and 113.81 mg/m2 for BC10. The values of the leachate Cr for both samples, not exceeding the limit of Existing (NEN7375) Monolithic Waste Acceptance Criteria_mg/m2 at 64 days (500 mg/m2). The determination of the mechanism leading to the release of chromium samples, determined to be diffusion.

Metaller som bryts och utvinns primärt förekommer tillsammans med många andra metaller i malmer och mineral. Avfallsströmmar från metallindustrin har därför ett varierat innehåll av många olika metaller. Metallerna är ofta skadliga för miljön och kan skapa problem för metallproducenterna om halterna är så höga att avfallen inte ens kan deponeras. Det finns skräddarsydda metallurgiska processer för att upparbeta metallhaltigt avfall, i syfte att utvinna de värdefulla metallerna och producera en lakstabil slagg med lågt metallinnehåll. En lakstabil slagg kan ha miljömässiga fördelar som gör att den kan ersätta jungfruligt brutet material, exempelvis bergkross, som fyllnadsmaterial eller i andra anläggningsändamål. I detta projekt studerades två slagger som uppkommit genom behandling av metallhaltigt avfall. För båda slaggerna analyserades metallinnehåll och lakbarhet och resultaten jämfördes mot några valda bedömningsgrunder. Dels innehåller avfallsförordningen gränsvärden för det totala innehållet av metaller för att ett avfall ska betraktas som icke farligt, dels finns mottagnings-kriterier på deponier för avfall i olika farlighetsklasser. I mottagningskriterierna finns gränsvärden för koncentrationen av metaller i lakvätskan vid L/S-kvoten 0,1 l/kg samt den kumulativt utlakade mängden vid L/S-kvoten 10 l/kg. Lakbarheten testades med två olika metoder. På ackrediterat laboratorium gjordes ett standardiserat perkolationstest där materialet packas i en kolonn som sedan sakta genom-strömmas med vatten. Koncentrationen av olika ämnen mäts i lakvätskan när förutbestämda vattenvolymer passerat igenom och kan sedan räknas om till utlakad mängd. Det är endast resultat från ett sådant test som kan användas för att klassificera materialet enligt gällande deponeringskriterier. En billigare och enklare metod kan dock användas för jämförelse-provtagning. Det är ett tvåstegs skaktest där en uppvägd mängd material skakas med en bestämd vattenvolym. Fyra upprepade försök gjordes för varje slagg och lakvattnen sändes till laboratorium för analys. Koncentrationen i lakvätskan mättes och kunde räknas om till utlakad metallmängd. Vissa resultatskillnader mellan de båda metoderna noterades, men låga utlakade mängder uppmättes och materialen uppfyllde nästan alla mottagningskriterier för att kunna tas emot på deponier för inert avfall. Resultaten från kolonnlakningen visade på lägre utlakade mängder än resultaten från skakförsöken. Det kan förklaras med längre kontakttid mellan vatten och material i skakflaskorna. Där sker en nötning av materialet som frilägger nya lakbara ytor. I kolonnen är det hela tiden nytt vatten som kommer i kontakt med materialet. Fler tester bör göras för att bestämma totalhalten av metaller i slaggerna innan man beslutar att använda dem i någon tillämpning. Slaggerna bör inte nyttiggöras inom vattenskyddsområde eller annan plats där känsligt vatten riskerar att förorenas. / Primarily mined and extracted metals are in nature often found together with many other metals in ores and minerals. Therefore, waste from the metal industry might have a varied content of many different metals. These metals are often harmful to the environment and can cause problems. For the metal producers, there is a problem if the metal content in their waste is higher than what is accepted on landfills. There are accurate metallurgical processes to recover the valuable metals from the waste and produce a slag with a low metal content that also is leach stable. Such a leach stable slag might have environmental advantages though it could replace natural material such as gravel as a filler or in other construction purposes. In this project, two slags resulting from the treatment of metal-containing wastes has been studied. For both slags, the metal content and the leachability were analyzed and the results were compared against some selected criteria. The waste regulation declares limits for the total content of metals for which the waste can be considered non-hazardous. Also, there is acceptance criteria on landfills for waste in different hazard classes. The acceptance criteria describes limits for the concentration of metals in the leachate at L/S ratio of 0.1 l/kg, and the cumulative leached amount at L/S ratio of 10 l/kg. The leachability was studied with two different methods. At an accredited laboratory, a standardized percolation test was made. In such tests, material is packed in a column and then slowly perfused with water. The concentration of various substances is measured in the leachate when predetermined volumes of water has passed through the column and can then be converted into leached amount. It is only the results of such a test that can be used to classify material according to local landfill criteria. A cheaper and easier method which can be used for comparison testing is a two stage batch test. In these tests, a weighed amount of material is shaken with a given water volume for a given time. Four repeated attempts were made for each slag and the leachates was sent to the same laboratory for analysis. The concentration in the leachate were measured and could be counted on to leached metal variety. Some differences between the two methods was noticed, but low leached amounts were measured all over and the materials met almost all criteria in order to be accepted at landfills for inert waste. The results of the percolation test showed lower leached amounts than the results of the batch test. This can be explained by the longer contact time between the water and materials in the bottles. There, an abrasion of the material that uncovers new leachable surfaces occurs. In the column, there is always new water that comes in contact with the material. Extended testing should be done to determine the total content of metals in the slags before deciding to use them in any application. Slags should not be utilized in a water protection area or other place where there is a risk for contamination of any sensitive water.

A Drenagem Ácida de Mina (DAM) é proveniente da oxidação natural de materiais sulfetados quando em contato com o ar e com a água. Este problema atinge em alto grau a mineração de carvão. A DAM advém principalmente de depósitos de rejeitos de carvão que contém uma alta concentração de pirita (FeS2). Uma das tecnologias de prevenção da geração da DAM consiste no método de aditivos alcalinos. Assim, o objetivo do presente trabalho foi avaliar, em estudos de laboratório, o controle da DAM pela mistura de um rejeito de carvão com um resíduo industrial alcalino. O rejeito de carvão estudado foi obtido de uma mineração de carvão do Rio Grande do Sul - Brasil. Os resíduos alcalinos avaliados foram cinzas leves e de fundos de termoelétricas bem como escórias de uma usina siderúrgica semi-integrada, situadas no mesmo Estado. Determinou-se o potencial de geração de acidez e o potencial de neutralização dos materiais pelo método de contabilização de ácidos e bases. Após, realizaram-se ensaios cinéticos em células úmidas pelo Método ASTM D 5744-96. Os resultados demonstram que o rejeito de carvão gera DAM. Contudo, os problemas ambientais podem ser em grande parte resolvidos pela mistura do rejeito com as cinzas de termoelétrica em uma proporção de 1:4 ou pela mistura do rejeito com a escória de aciaria em uma proporção de 4,8:1. Os ensaios cinéticos demonstram que, nesta condição, ocorre um aumento do pH e uma redução na liberação de acidez, metais e sulfatos na água lixiviada. Desta forma, foi demonstrada que a disposição conjunta de rejeitos de carvão com materiais alcalinos é uma alternativa viável para o controle da geração de DAM em minerações de carvão. / The Acid Mine Drainage (AMD) is the result of the natural oxidation of sulphide minerals when exposed to the combined action of water and oxygen. This problem reaches in high degree the coal mining. Sources of AMD are mainly the coal waste deposits that contain high pyrite (FeS2) concentrations. One of the technologies to prevent the AMD consists in the alkaline additive method. Thus, the aim of this work was to study, at laboratory scale, the AMD control by blending coal tailings with alkaline wastes. A coal-tailing sample was collected from a coal mine in Rio Grande do Sul State, Brazil. The alkaline wastes were bottom and fly ashes from thermoelectric plants and slags from a semi-integrated steel plant, both located in the same State. Static tests were carried out by the acid-base account method to determine the balance between the acid producing and acid consuming (neutralizing) mineral components of the sample. Later, kinetic tests were conducted in humidity cells, following the ASTM D 5744-96 method. The results showed that the coal tailing generates AMD. However, the environmental problems can be minimized by mixing the coal waste with bottom ash in 1:4 proportion or by mixing coal tailing with the metallurgical slag in a 4,8:1 proportion. The kinetic experiments proved that, in this condition, the lixiviate presents a higher pH and lower concentration of acidity, metals and sulphate. Finally, it is possible to conclude that blending coal tailings with alkaline wastes can be a viable alternative for DAM control in coal mining.