JultikaUniversity of Oulu repository

Abstract

The transition to fossil-neutral steel production involves finding a substitute for fossil-based carbonaceous materials used in the EAF process. Foaming of slag is an important part of EAF steelmaking, where usually fossil-based carbonaceous material is injected into the melt to cause the foaming of the slag. The aim of this thesis is to study the suitability of biochar as a foaming agent.

In the theory part of the thesis the EAF process and the slag foaming phenomenon are reviewed at a general level. The properties of the slag and their effect on the foaming phenomenon are reviewed, and the composition limits of the slag favorable for the foaming are evaluated. In addition, biochar, its production and properties are briefly presented. The theory part also includes a literature review of previously made studies related to the use of biochar as a slag foaming agent.

In the experimental part of the thesis some laboratory-scale slag foaming experiments were performed. The slag used in the experiments was from an actual EAF process. The observation of the foaming during the experiments was performed by imaging the experiments with a CCD camera using a laser light source. By analyzing the obtained video image, the foaming behavior could be evaluated. After the experiments the cooled slag and the crucibles were analyzed with microscopical methods. Based on the results, the biochar used in the experiments acted as a foaming agent in a similar way to the coke dust. During the injection the iron oxide in the slag was reduced, creating CO bubbles that caused the foaming phenomenon and an increase in the volume of the slag.

Biohiilen käyttö kuonan kuohutuksessa valokaariuunissa

Tiivistelmä

Siirryttäessä fossiilineutraaliin terästuotantoon täytyy valokaariuuniprosessissa käytettäville fossiilisille hiilimateriaaleille löytää korvaaja. Kuonan kuohutus on valokaariuuniprosessin tärkeä vaihe, jossa käytetään tavallisesti fossiilista, injektoitavaa hiilimateriaalia kuohun aikaansaamiseksi. Tämän diplomityön tavoitteena on selvittää biohiilen soveltuvuutta kuohutusagentiksi.

Työn teoriaosassa on esitetty yleisesti valokaariuuniprosessi sekä kuonan kuohuminen ilmiönä. Kuonan ominaisuuksia ja niiden vaikutusta kuohumiseen käydään läpi, ja kuohumisilmiön kannalta suotuisia kuonan koostumusrajoja pyritään arvioimaan. Lisäksi biohiili, sen valmistus ja ominaisuudet esitellään lyhyesti. Teoriaosaan on sisällytetty myös kirjallisuusselvitys aiemmin suoritetusta tutkimuksesta biohiilen käyttöön kuohutusagenttina liittyen.

Työn kokeellisessa osiossa suoritettiin laboratoriotason kuonankuohutuskokeita. Kuonana kokeissa käytettiin todellisesta valokaariuuniprosessista saatua kuonaa. Kuohumisen havainnointi kokeiden aikana suoritettiin kuvaamalla CCD-kameralla laservalonlähdettä apuna käyttäen. Saatua videokuvaa analysoimalla kuohumiskäyttäytymistä voitiin arvioida. Kokeiden jälkeen jäähtynyttä kuonaa ja upokkaita analysoitiin mikroskooppisilla menetelmillä. Tulosten perusteella kokeissa käytetty biohiili toimi kuohutusagenttina hyvin samankaltaisesti kuin koksipöly. Injektoinnin aikana kuonan sisältämä rautaoksidi pelkistyi muodostaen kuohumisreaktion aiheuttavia CO-kuplia, ja kuonan tilavuus kasvoi.