Direct reduction of chromite using the FFC Cambridge method

Abstract. The guest for finding fossil-free alternatives to today’s metal production processes goes strong. The FFC Cambridge process is one alternative to provide CO₂-lean or CO₂-free alternatives to conventional metal production processes. The FFC Cambridge process has been used to reduce a plethora of metal oxides via electrolysis, but the reduction of sintered chromite pellets from the industrial steel belt sintering process has not yet been experimented with. The main goal of this thesis was to study the applicability of the FFC Cambridge direct reduction method for reducing the sintered chromite pellets from Outokumpu Tornio works to ferrochrome. Also, the possibility of using inert anodes was reviewed together with discussion about the issues faced during the experiments that would pose challenges to the scale up of the process. The experimental part of the study presents the experimental apparatus and the factors that needed to be evaluated before the experiments such as safety and experimental constraints. Additionally, the composition of chromite was analysed with FESEM-EDS and XRF. An experiment was conducted under voltage of 2.8 V, temperature of 900 °C and one hour electrolysis time in a CaCl₂ electrolyte. The results showed promise in the reduction of some chromite particles, but many challenges were identified for the future experiments and the possible scale-up of the process such as the low mechanical integrity of the pellets, low efficiency of the process, the expensiveness of the process, the need to reoptimize the ferrochromium manufacturing process, and the corrosive nature of the electrolyte.Kromiitin suorapelkistys FFC Cambridge -menetelmällä. Tiivistelmä. Fossiilivapaiden metallintuotantoprosessien etsintä käy kuumana. FFC Cambridge -menetelmä on yksi vaihtoehto tällaiseksi CO₂-päästöjä pienentäväksi tai jopa kokonaan poistavaksi tuotantoprosessiksi. FFC Cambridge -menetelmää on käytetty jo useiden eri metallien pelkistykseen, mutta sitä ei ole vielä kokeiltu teräsnauhasintrattujen kromiittipellettien pelkistykseen. Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia FFC Cambridge -menetelmän soveltuvuutta Outokummun sintrattujen kromiittipellettien pelkistämiseen. Lisäksi työssä selvitettiin erilaisten inerttien elektrodien käyttömahdollisuuksia sekä pohdittiin, mitä haasteita FFC Cambridge -menetelmälle on mahdolliseen tuotannon ylösskaalaukseen laboratoriokokeiden perusteella. Työn kokeellisessa osassa esiteltiin käytetty koelaitteisto ja tutkittiin, mitä turvallisuusseikkoja kokeissa tulee ottaa huomioon. Lisäksi koesuunnitelmassa pohdittiin koeolosuhteiden mahdollisia rajoja ja selvitettiin kromiitin todellista koostumusta FESEM-EDS:n sekä XRF:n avulla. Työssä tehtiin koe 2,8 V jännitteellä, 900 °C lämpötilassa koeajan ollessa yksi tunti. Elektrolyyttinä toimi CaCl₂. Kokeen tulokset olivat toivoa herättäviä, sillä pieni määrä ferrokromia saatiin pelkistettyä onnistuneesti. Kokeet kuitenkin toivat esille useita eri haasteita seuraaville mahdollisille kokeille sekä mahdolliselle teolliseen mittakaavaan skaalaukselle: pellettien huono mekaaninen kestävyys, prosessin alhainen tehokkuus, hintavuus, tarve suunnitella ferrokromin valmistusprosessi uudelleen tätä prosessointimenetelmää varten ja elektrolyytin korroosiovaikutus