Thermal conductivity of titanium slags

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2018-10-02
Department
Major/Subject
Sustainable Metals Processing
Mcode
CHEM3026
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
71+32
Series
Abstract
Ilmenite (FeTiO3) is smelted in electric arc furnace (EAF) to produce high-titania slag. The slag is highly corrosive, and a freeze-lining is required to protect the refractory lining. The thickness and stability of the freeze-lining is dependent on the heat flux through the furnace wall layers. This thesis seeks to investigate the thermal conductivity of the high-titania slag. A secondary aim is to compare two measurement methods, transient plane source (TPS) and laser flash analysis (LFA). The thermal conductivity of two titania slag samples is measured from room temperature to 400 °C with the TPS method, using Hot Disk instruments TPS 2500 S. Three slag samples and an additional sample of excavated freeze-lining are measured with Netzsch LFA 457 from room temperature to 1100 °C. Additionally one slag sample was measured with Netzsch LFA 427 at 1400 °C. Additional characterization included SEM-EDS and CT. Prior research did not include values for thermal conductivities of titania slag. Measured values were compared to data of other slags, and refractory materials. The thermal conductivity of the samples was found to increase with increasing temperature. An exception was the freeze-lining sample. Its thermal conductivity began to decrease starting from room temperature up until 500 °C. With further heating, thermal conductivity began to climb. Values for all samples at all temperatures ranged from 1 W/mK to 5 W/mK, being in the same order of magnitude. There appears to be a trend of increasing temperature dependence of the thermal conductivity for all the slags.

Titaanidioksidikuonaa valmistetaan sulattamalla ilmeniittiä (FeTiO3) valokaariuunissa. Kuona on hyvin syövyttävää, ja uunin reunoille täytyy muodostaa kerros jähmettynyttä kuonaa tulenkestävän vuorauksen suojelemiseksi. Tämän jähmettyneen kerroksen paksuus riippuu uunin seinäkerrosten läpi kulkevasta lämpövirrasta. Tämän diplomityön päätavoite on selvittää titaanidioksidikuonan lämmönjohtavuutta. Toisarvoisena päämääränä on tarkoitus verrata kahta erilaista lämpöominaisuuksien mittausmenetelmää, hetkellistä tasolähdettä (transient plane source, TPS) ja laserpulssianalyysiä (laser flash analysis, LFA). Kahden titaanidioksidikuonan lämmönjohtavuus mitattiin huoneenlämmöstä 400 °C:n TPS-menetelmällä, Hot Disk Instruments TPS 2500 S-laitteella. Netzsch LFA 457-laitteella mitattiin huoneenlämmöstä 1100 °C asti kolme kuonanäytettä, ja yksi seisakin aikana uunin seinämästä kaivettu, jähmettynyttä kuonakerrosta edustava näyte. Lisäksi yksi kuonanäytteistä mittautettiin Netzsch LFA 427 -instrumentilla 1400 °C:ssa. Lisäksi näytteiden karakterisointiin käytettiin SEM-EDS:a ja tietokonetomografiaa. Aikaisemmasta tieteellisestä tutkimuksesta ei löytynyt mitattuja arvoja titaanikuonan lämmönjohtavuudelle. Kokeellisesti saatuja arvoja verrattiin täten muunlaisten metallurgisten kuonien ja tulenkestävien materiaalien lämmönjohtavuuden arvoihin. Kuonanäytteiden lämmönjohtavuus kasvoi lämpötilan noustessa. Uunin seinämästä peräisin olevan näytteen lämmönjohtavuus laski huoneenlämpötilasta 500 °C asti, kääntyen kasvuun lämpötilan noustessa. Näytteiden lämmönjohtavuus pysyi samassa kokoluokassa, vaihdellen 1 ja 5 W/mK välillä. Kuonanäytteiden lämmönjohtavuuden riippuvuus lämpötilasta vaikuttaa voimistuvan lämpötilan kasvaessa.
Description
Supervisor
Jokilaakso, Ari
Thesis advisor
Kekkonen, Marko
Haimi, Timo
Keywords
freeze-lining, ilmenite, EAF, thermal conductivity
Other note
Citation