SUPERVISOR
Ali Saidi,Ali Shafyei
علي سعيدي (استاد راهنما) علي شفيعي (استاد راهنما)
STUDENT
Ahmad Nazari
احمد نظري
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
Stabilization of Toxic Materials in Electric Arc Furnace Dust by Production of Glass-Ceramic
Due to the presence of toxic compounds, steel making dust (EAFD) is causing environmental pollution especially in ground water cycle. So toxic elements should be stabilized before these dusts are landfilled. In this research work, production of glass and glass ceramic from EAF dust with regard to stabilization of toxic elemnts was investigated. Different amounts of EAF dust was mixed with silica sand, sodium carbonate and calcium oxide and were melted and casted in steel molds. Mixing of these materials were chosen based on ternary diagrams of CaO-MgO-Al 2 O 3 -SiO 2 . Sodium carbonate was added to the mixture in order to reduce the melting temperature of the mixture and increase the viscosity the melt. Appropriate heat treatment were applied to the casted glass to produce glass ceramic. Produced glass-ceramic was investigated from the view of stable compounds, microscopic structure and mechanical properties. By thermal analysis (differential thermal analysis) suitable conditions of heat treatment were determined to get appropriate microscopic structure and mechanical properties. for nucleation of crystalline phases in produced glass, two-stage and single-stage heat treatment were applied. In the first stage of two stage heat treatment, small and stable nucleatio of ceramic crystals are formed in preferred locations. Preferred locations for nucleation of crystalline phase are interfaces or free surfaces. In the second stage of two stage heat treatment, growth of crystal nucleations are occured and in single-stage heat treatment, the nucleation and growth of ceramic crystals are occured simultaneously. Leaching tests were performed to investigate the stability of the compound according to Environmental Protection Agency (EPA) standard. The leaching tests on electric arc furnace dust showed that amount of Zn and Cd exceeded from extent permitted, also the leaching tests on glass and glass ceramic showed that produced glass and glass-ceramic were chemically very stable, and ions emission in solution with pH=5 was about zero. The x-ray diffraction studies on produced glass-ceramics indicated that The dominant phase in most samples was wollastonite. Scaning electron microscopic images taken from the samples of glass ceramic showed that the overall shape of crystals in glass ceramic are dendritic and with increase in amount of dust in the initial mixtures, the crystalline phases increases. By applying heat treatment, hardness of glass ceramics were significantly reduced and their mechanical strength was extremely increased. Produced glasses had average 800 vickers microhardness and after heat treatment its value reduced to 500 vickers and it was observed that with increase in amount of electric arc furnace dust in the initial mixture, the micro-hardness of glass ceramics severely reduced. When 30 wt% EAF dust was used in the initial mixture, glass ceramic with highest mechanical property was obtained. Key words: electric arc furnace dust, heavy metals, glass-ceramic
چکيده غبار کوره هاي فولادسازي(EAF) به دليل حضور ترکيبات سمي باعث آلودگي محيط زيست بخصوص چرخه آب هاي زيرزميني مي شود لذا بايستي قبل از دفن، عناصر سمي تثبيت شود. در اين تحقيق تبديل غبار فولادسازي به شيشه و شيشه سراميک با توجه به تثبيت عناصر سمي در آن مورد بررسي قرار گرفت. براي اين منظور مقادير مختلفي از غبار فولادسازي با ماسه سيليسي، کربنات سديم و اکسيد کلسيم ذوب و ريخته گري شد.نسبت اختلاط اين مواد بر اساس دياگرام سه تايي CaO-MgO-Al 2 O 3 -SiO 2 طوري انتخاب شد که مخلوط مورد نظردر محدوده تشکيل شيشه قرار گيرد. کربنات سديم خاصيت گدازآوري دارد و با اضافه شدن به مخلوط دماي ذوب مخلوط را کاهش مي دهد و سياليت را افزايش مي دهد همچنين اکسيد کلسيم اضافه شده ترکيب شيميايي مخلوط را به ترکيب شيمايي شيشه نزديک مي کند و در حضور iO 2 شرايط را براي تشکيل شيشه فراهم مي سازد. شيشه توليدي توسط عمليات حرارتي مناسب به شيشه سراميک تبديل شد. شيشه سراميک توليدي از نظر پايداري شيميايي، ساختار ميکروسکوپي و خواص مکانيکي بررسي شد. توسط آناليز حرارتي (DTA) شرايط مناسب عمليات حرارتي براي بدست آوردن ساختار ميکروسکوپي و خواص مکانيکي مناسب تعيين شد. بدين ترتيب براي جوانه زني فازهاي کريستالي در شيشه توليد شده، شيشه بدست آمده تحت عمليات حرارتي دو مرحله اي و تک مرحله اي قرار گرفت. در عمليات حرارتي دومرحله اي در مرحله اول جوانه زني، توده هاي کوچک و پايدار کريستال هاي سراميک در مکانهاي مرجح تشکيل مي شود. مکانهاي ترجيحي براي جوانه زني فاز کريستالي فصل مشترک ها يا سطح آزاد مي باشد. در مرحله دوم عمليات حرارتي نيز رشد جوانه هاي کريستالي بوجود آمده اتفاق مي افتد و در عمليات حرارتي تک مرحله اي نيز مرحله جوانه زني و رشد کريستالهاي سراميکي صورت مي گيرد. به کمک آناليز EDAX توزيع عناصر در شيشه سراميک هاي توليد شده مورد بررسي قرار گرفت. آزمايش هاي فروشويي براي بررسي پايداري ترکيبات سمي طبق استاندارد EPA صورت گرفت. آزمايشات فروشويي روي غبار کوره قوس الکتريک نشان مي دهد که ميزان عناصر Zn و Cd بيشتر از حد مجاز است همچنين آزمايشات فروشويي روي شيشه و شيشه سراميک هاي توليدي از غبار کوره قوس الکتريک نشان مي دهد که شيشه و شيشه سراميک توليدي از نظر شيمايي بسيار پايدار بوده و آزاد سازي يون در محلول هاي با 5pH= تقريبا صفر است. با بررسيهاي آناليز XRD بر روي شيشه سراميک هاي توليدي مشخص شد که فاز غالب در اغلب نمونه ها وولاستونيت بود و تصاوير SEM گرفته شده از نمونه hy;هاي عمليات حرارتي شده نشان داد که شکل کلي کريستالهاي تشکيل شده در زمينه شيشه بصورت دندريتي است و با افزايش ميزان غبار در مخلوط هاي اوليه درصد فازهاي کريستالي افزايش مي يابد و در 30% وزني غبار کوره قوس الکتريک بيشترين ميزان فازهاي کريستالي تشکيل مي شود. با اعمال عمليات حرارتي، سختي نمونه هاي شيشه سراميک بطور قابل توجه اي کاهش پيدا کرد و استحکام خمشي نمونه هاي شيشه سراميک به شدت افزايش پيدا کرد. شيشه هاي توليدي داراي ميکروسختي متوسط 800 ويکرز بودند که پس از عمليات حرارتي مقدار آن به متوسط 500 ويکرز کاهش پيدا کرد و با افزايش ميزان غبار در مخلوط هاي اوليه مشاهده شد که ميزان ميکرو سختي در شيشه سراميک ها کاهش شديدي پيدا مي کند . همچنين مشاهده شد که در ميزان غبار 30% وزني در مخلوط اوليه بهترين شرايط براي توليد شيشه سراميک با خواص مکانيکي مناسب وجود دارد. کلمات کليدي: غبارکوره قوس الکتريک، فلزات سنگين، شيشه سراميک