Interaction between pre-reduced ilmenite and high titania slag melts

Abstract

I titanium industrien er ilmenitt ett av de viktigste r˚amaterialene. Ilmenitt behandles ved bruk av reduksjonsmetoder som involverer kull/koks. Det er et ønske om ˚a bevege seg bort fra kull/koks (CO) reduseringsmetoden som er i bruk i industrien, dette er p˚a grunn av CO2-utslippene som medfører denne metoden. Bruken av andre reduksjonsgasser som H2 eller en blanding av H2 og CO blir undersøkt og viser lovende resultater. Denne masteroppgaven har som m˚al ˚a undersøke grensesnittet mellom ulike pre-reduserte ilmenittpellets og høytitania-slagg. Disse ulike pre-reduserte ilmenittpelletsene inkluderer H2-reduserte, CO-reduserte og en blanding av de to gassene. I denne masteroppgaven har det blitt utviklet en vellykket metode for ˚a slippe ilmenittpellets ned i smeltet høytitania-slagg. Denne metoden ble utviklet for Tube Furnace 2 (TF2). TF2 er en ovn ved NTNU Trondheim som har en kontrollerbar atmosfære, grafitt varmings elementer og mulighet for ”br˚akjøling”. Det eksperimentelle arbeidet som ble utført i denne masteroppgaven brukte to forskjellige digel systemer, Mo og BN-belagt SiC. Det var ogs˚a fem typer ilmenittpellets med ulike reduksjonsmidler. Tre av pellettypene kommer fra relatert arbeid, G-pelletsene, og to ble laget spesielt for denne eksperimentelle metoden, A-pelletsene. • G1 ble redusert med 100% CO i 2 timer og hadde en reduksjonsgrad p˚a 65%. • G3 ble redusert med en blanding av 60% CO og 40% H2 i 2 timer og hadde en reduksjonsgrad p˚a 83%. • G6 ble redusert med 100% H2 i 2 timer og hadde en reduksjonsgrad p˚a 113%. • A1 ble redusert med 100% CO i 3 timer og hadde en reduksjonsgrad p˚a 76%. • A2 ble redusert med 100% H2 i 20 minutter og hadde en reduksjonsgrad p˚a 61%. Sammensetningen av slagget som ble brukt, er 85% TiO2 + 10% FeO + 5% CaO i vektprosent, og sammensetningen er den samme for alle eksperimentene som ble utført. Dette slagget er laget ved ˚a bruke rene oksider p˚a laboratoriet. G-pelletsene ble brukt i kombinasjon med BN-belagt SiC-digler. A-pelletsene ble brukt i kombinasjon med molibden digler. BN-belagt SiC-digelen viste seg ˚a ha store reaksjoner med slagg systemet. Hvor jernet ble redusert til en metallisk fase, Si-oksid faser ble dannet. Begge disse fasene ble dannet p˚a grunn av SiC-digelen. Et grensesnitt mellom pelletene og slagget kunne sees i eksperimentene med en temperatur p˚a 1600°C og 0 minutter drop tid, hvor det var mulig se en ikke smeltet del av pelletene. For eksperimentene med Mo-digelen hadde digelen en mindre grad av reaksjon med slagg systemet. Jernet ble ikke redusert og var fortsatt i en Fe-oksid fase. Mo hadde sm˚a metalliske faser spredt rundt i slagget. Det var ogs˚a Mo til stede i en oksidfase i slagget. Pellet/slagg-grensesnittet ble ikke funnet i eksperimentene med Mo-digel, siden pelleten var fullstendig smeltet i alle forsøkene. Smeltehastigheten for pelletsene var funnet til ˚a være veldig rask, som medførte en vansklighet med ˚a finne grensesnittet.

In the titanium industry, ilmenite is one of the most important raw materials. It is processed using reduction methods involving coke/coal. There is a desired change away from this reduction method in the industry due to the CO2 emission that this method entails. The use of other reducing gases such as H2 or a mixture of H2 and CO is being looked at and is showing promising results. This master thesis aims to examine the interface between different pre-reduced ilmenite pellets and high titania slag. These different pre-reduced ilmenite pellets include H2 reduced, CO reduced, and a mixture of the two gases. There has been developed a successful method of dropping ilmenite pellets into melted high titania slag. This method was developed for the Tube Furnace 2 (TF2). TF2 is a furnace at NTNU Trondheim that has a controllable atmosphere, graphite heating elements, and a ”quenching” possibility. The experimental work carried out in this master thesis used two different crucible types/systems, Mo and BN-coated SiC, and five ilmenite pellet types with different reduction agents. Three of the pellet types come from earlier and related work, the G-pellets. And two were created specifically for this experimental method, the A-pellets. • G1 reduced with 100% CO for 2 hours having a conversion degree of 65% • G3 reduced with a mixture of 60% CO and 40% H2 for 2 hours having a conversion degree of 83% • G6 reduced with a 100% H2 for 2 hours having a conversion degree of 113% • A1 reduced with 100% CO for 3 hours having a conversion degree of 76% • A2 reduced with a 100% H2 for 20 minutes having a conversion degree of 61% The composition of the slag used is 85%TiO2+10%FeO+5%CaO in wt% and is the same for all experiments run. This slag was created using pure oxides in the laboratory. The G-pellets were used in combination with the BN-coated SiC crucible. The A-pellets were used in combination with the molybdenum crucible. The BN-coated SiC crucible ended up having major reactions with the slag system. The Fe ended up reducing to a metallic phase, and Si-oxide phases were created. Both these phases were created due to the SiC crucible. An interface between the pellet and the slag could be seen in the experiments with a temperature of 1600°C and 0 min drop time, a visible pellet was found. For the Mo crucible experiments, the crucible had a lesser degree of reaction with the slag system. The Fe was not reduced and was in a Fe-oxide phase, the Mo had small metallic phases scattered around in the slag and were present in an oxide phase. The pellet/slag interface was not found in the Mo crucible experiments since the pellet was completely melted. The melting time for the pellets was found to be very quick, meaning difficulties finding the interface.