On the Formation of Vanadium Ferrites in CaO–SiO2–FeO–V2O5 Slags

Selective extraction of valuable elements (such as V, Cr, Mn, etc.) and their compounds from metallurgical slag is in a focus of many researchers. Although vanadium may be present in slag as oxides and/or complex spinels with Fe, Mn, etc. during an alloyed steel production, the majority of vanadium in metallurgical slags typically exists as V₂O₅, which comprises up to 3–5 wt% of the slag in some cases. Due to the vanadium toxicity, these slags are forbidden in many civil engineering applications. As a result, hundreds of thousand tonnes of V₂O₅‐bearing slags are landfilled every year. In the present work, the formation of vanadium ferrites (FeV₂O₄ and Fe₂VO₄) in synthesized CaO–SiO₂–FeO–V₂O₅ slags containing 5 wt% V₂O₅ was examined under different partial pressures of oxygen. For the current slag chemistry range, an XRD analysis confirmed the presence of vanadium ferrite in slag samples treated at 1773 K in an argon atmosphere (PO₂ = 10^?1–10^?2 Pa) while no solid was noted in samples treated in air. Results were discussed based on thermodynamic consistency.     

Verlauf der Kalksättigung im System FeO–Fe2O3–CaO–SiO2–P2O5–MgO–MnO beim Gleichgewicht mit einer Eisenschmelze

Durch Auswertung zahlreicher, in Laborversuchen bei 1580–1650°C erschmolzener kalkgesättigter Schlacken mit gleichzeitigen Gehalten an FeO, Fe₂O₃, SiO₂, P₂O₅, MgO und MnO ist die aus metallurgischen Gründen angestrebte Kalksättigung komplexer Schlacken der Stahlerzeugung für 1600°C neu festgelegt worden. Ausgehend von der Beschreibung der Schlackenzusammensetzungen in den Grundsystemen CaO′–FeO′_n–SiO′₂ und CaO′–FeO′_n–P₂O₅ wird dabei die Beeinflussung der Kalksättigung durch MgO und MnO sowie qualitativ durch dreiwertige Eisenanteile angegeben. Die untersuchten Schlacken lassen in beiden Grundsystemen einen stetigen, von hohen FeO′_n-Gehalten bis hinunter zu Massengehalten von 8% gültigen Verlauf der Kalksättigung ohne einsetzende Dicalciumsilikat- bzw. Tetracalciumphosphatausscheidung erkennen. Durch die bewertende Umrechnung der P₂O₅-, MgO- und MnO-Gehalte wird eine nahezu alle Komponenten erfassende Darstellung komplexer kalkgesättigter Schlacken in einem einfachen Quasidreistoffsystem CaO^*–FeO^*-SiO^*₂ erreicht und die resultierende, dicht belegte Kalksättigungslinie mathematisch beschrieben. Der Einfluß von Al₂O₃-Gehalten auf die Kalksättigung wird abgeschätzt sowie das maximale Lösungsvermögen der kalkgesättigten Schlacke für MgO durch die Berechnung der Schnittlinie zwischen der Kalk- und der Magnesiowüstitsättigungsfläche festgelegt. Ein Ansatz zur Erfassung des Temperatureinflusses auf die Kalksättigung erlaubt schließlich eine vollständige mathematische Beschreibung der Kalksättigungsgehalte im System CaO^*–FeO^*_n–SiO₂ sowohl in Abhängigkeit von der Schlackenzusammensetzung als auch von der Temperatur. Damit können die Kalkgehalte komplexer Betriebsschlacken unterschiedlicher Temperatur mit den erreichbaren Gleichgewichtssättigungswerten verglichen und die Sättigungszustände der Schlacken nach Berechnung eines Sättigungsgrades S_CaO beurteilt werden.     

Untersuchungen im Schlackensystem Fe–CaO–FeOn–P2O5–SiO2 bei 1600°C

Erläuterungen zur Versuchsdurchführung. Zusammensetzungen der entmischten silikophosphatgesättigten Schlacken auf der phosphorsäure- sowie auf der kalkreichen Seite. Darstellung der Silikophosphatsättigungslinien im Rand-system CaO–P₂O₅–SiO₂ und der Begrenzungslinien der Silikophosphatsättigungsfläche im Vierstoffsystem. Untersuchung der einphasigen silikophosphatgesättigten Schlacken.     

Das Zustandsschaubild des Systems CaO–FeOn–P2O5–SiO2 bei 1600 °C

Beschreibung eines schematischen Entwurfes für das Zustandsschaubild CaO–FeO_n–P₂O₅–SiO₂. Veränderungen im System CaO–FeO_n–P₂O₅ durch Zusatz von Kieselsäure und im System CaO–FeO_n–SiO₂ durch Zusatz von Phosphorsäure. Ausbildung einer Silikophosphatbarriere. Bedeutung des vorgelegten Entwurfes für phosphatische und silikatische Stahlwerksschlacken.     

Der Eisenoxydapatit im Zustandsschaubild Fe–FeOn–CaO–P2O5

Schmelzversuche in Kalziumphosphattiegeln im Bereich von 1300 bis 1550 °C zur Einstellung der Sättigungen an 3 CaO · P₂O₅, 4 CaO · P₂O₅ und Eisenoxydapatit. Ermittlung des Beständigkeitsbereiches des Eisenoxydapatites. Festlegung wesentlicher Punkte der Mischungslücke. Mikroskopische Untersuchung der Schlackengefüge erstarrter Schmelzen. Elektronenstrahl-Mikroanalyse zur Festlegung des Mischkristallbereiches sowie zur Aufstellung einer Bruttoformel für den Eisenoxydapatit.     

Manganese Distribution between FeO‐MnO‐SiO2–CaO–MgO‐Al2O3 Slags and Molten Iron

Pretreatment of high manganese hot metal is suggested to produce hot metal suitable for further processing to steel in conventional LD converter and rich manganese slags satisfy the requirements for the production of silicomanganese alloys. Manganese distribution between slag and iron represents the efficiency of manganese oxidation from hot metal. The present study has been done to investigate the effect of temperature, slag basicity and composition of oxidizer mixture on the distribution coefficient of manganese between slag and iron. Ferrous oxide activity was determined in molten synthetic slag mixtures of FeO‐MnO‐SiO₂–CaO–MgO‐Al₂O₃. The investigated slags had chemical compositions similar to either oxidizer mixture or slags expected to result from the treatment of high manganese hot metal. The technique used to measure the ferrous oxide activity in the investigated slag systems was the well established one of gas‐slag‐metal equilibration in which molten slags contained in armco iron crucibles are exposed to a flowing gas mixture with a known oxygen potential until equilibrium has been attained. After equilibration, the final chemical analysis of the slags gave compositions having a particular ferrous oxide activity corresponding to the oxygen potential of the gas mixture. The determined values of ferrous oxide activity were used to calculate the equilibrium distribution of manganese between slag and iron. Higher manganese distribution between slag and iron was found to be obtained by using oxidizer containing high active iron oxide under acidic slag and relatively low temperature of about 1350°C.     

Die Phosphorgehalte im Eisen unter Schlacken des Systems CaO–FeOn–P2O5–SiO2 bei 1600°C

Phosphorgehalte im flüssigen Eisen bei entmischten silikophosphatgesättigten Schlacken. Schaubild für die Phosphorgehalte des Eisenbades im System Fe–CaO–FeO_n–P₂O₅–SiO₂. Einfluβ der Kieselsäure auf das Gleichgewicht der Entphosphorung. Metallurgische Betrachtungen über die Phosphorgehalte im Eisen unter phosphatischen Stahlwerksschlacken.     

Sulphide Capacities of CaO‐SiO2‐Al2O3‐MgO Slags

In Japanese steelworks, hot metal is now being produced by a scrap melting process. With this process, removals of sulphur is very much handicapped because of very high sulphur levels (0.04‐ to 0.09‐ pct by weight) and relatively low tapping temperatures (1623 to 1723 K). In order to overcome such handicaps, the authors explored on the respective phase diagrams. These explorations revealed that {CaO‐SiO₂‐Al₂O₃‐MgO} slags with Al₂O₃ contents of 30‐ to 35‐pct by weight would be good candidates as reagents for sulphur removal from high sulphur hot metal at relatively low temperatures. For better understanding of the thermodynamic properties of the candidate slags, in this study, sulphide capacities were determined through gas/slag equilibrium technique. The experimental results suggest that there would be, at least, a “window” to remove sulphur from high sulphur hot metal as relatively low temperatures.     

Untersuchungen im Sechsstoffsystem CaO–FeOn–MgO–MnOn–P2O5–SiO2 bei 1600 °C im Gleichgewicht mit Eisen

Ebene Darstellung von Mehrkomponentensystemen durch mehrfache Parallelprojektion. Auswertung des Schrifttums. Entwicklung der Phasengleichgewichte für technisch interessierende Sättigungsräume in den beteiligten Fünfstoffsystemen bis zum Sechsstoffsystem. Ergänzende eigene Versuche und exemplarische Darstellung des Raumes entmischter silicophosphatgesättigter Schmelzen. Darstellung von Gleichgewichten für konstante Gehalte an MgO, MnO_n und SiO₂, entsprechend den Schlackenzusammensetzungen des LD-AC-Verfahrens.     

Die Gleichgewichte zwischen Eisenschmelzen und Schlacken des Systems FeOn–CaO–P2O5–MgO bei 1600 °C

Entwurf des Schlackensystems FeO_n–CaO–P₂O₅–MgO für 1600 °C aus vorliegenden Schrifttumsangaben. Beschreibung des eigenen Untersuchungsverfahrens zur genaueren Bestimmung des Vierstoffsystems. Versuchsergebnisse zur Bestimmung der Sättigungsflächen des Trikalziumphosphates, des Tetrakalziumphosphates und des Kalkes. Gleichgewichtsphosphorgehalte im Eisenbad unter den Schlacken des untersuchten Vierstoffsystems. Folgerungen für die technische Stahlherstellung.     

Untersuchung zur Gleichgewichtseinstellung der festen Phasen im System CaO–2CaO · SiO2–3CaO · P2O5

Bedeutung der Kenntnis der Phasenbeziehungen im Bereich CaO–2CaO · SiO_2–3CaO · P₂O₅ des Systems CaO–P₂O₅–SiO₂ für die Weiterverarbeitung von Eisenhüttenschlacken. Untersuchung des Einflusses des 3 CaO · P₂O₅ auf die Beständigkeit von 3 CaO · SiO₂ mit Hochtemperatur-Röntgenaufnahmen. Angabe der Phasengleichgewichte im System CaO–2 CaO · SiO_2–3 CaO · P₂O₅ für den festen Zustand unterhalb 1450 °C. Erklärung der Primärausscheidung von Silikophosphaten aus technischen Schlackenschmelzen.     

The Dissolution of Alumina in CaO‐SiO2‐Al2O3 Slags

The dissolution of alumina inclusions in CaO‐SiO₂‐Al₂O₃ based slags have been measured using laser scanning confocal microscopy (LSCM). Experiments were carried out over a temperature range of 1477 to 1577°C. It was found that diffusion coefficients calculated from the experimental results showed a dependence on the slag viscosity. This is considered strong evidence that the dissolution process is at least in part controlled by mass transfer in the slag phase. The diffusion coefficients for the alumina particles are estimated to be in the range 10^?11 to 10^?10 m²/s.     

Viscosities of the Quaternary Al2O3‐CaO‐MgO‐SiO2 Slags

Viscosities of some quaternary slags in the Al₂O₃‐CaO‐MgO‐SiO₂ system were measured using the rotating cylinder method. Eight different slag compositions were selected. These slag compositions ranging in the high basicity region were directly related to the secondary steel making operations. The measurements were carried out in the temperature range of 1720 to 1910 K. Viscosities in this system and its sub‐systems were expressed as a function of temperature and composition based on the viscosity model developed earlier at KTH. The iso‐viscosity contours in the Al₂O₃‐CaO‐MgO‐SiO₂ system relevant to ladle slags were calculated at 1823 K and 1873 K for 5 mass% MgO and 10 mass% MgO sections. The predicted results showed good agreement with experimental values and the literature data.