DE
ENProjekt 1.7
Valorisation of steelmaking slags
Einleitung
Das Projekt befasst sich innovativen Behandlungsmöglichkeiten von Stahlwerksschlacken, um deren Wertschöpfung durch verbesserte Rückgewinnung diverser Fraktionen zu erhöhen. Durch die Abtrennung unerwünschter Nichteisenmetalle kann eine eisenreiche Fraktion als Sekundärressource in den Stahlherstellungsprozess zurückgeführt werden. Darüber hinaus soll bewertet werden, mineralische Fraktionen zu gewinnen, die als Sekundärressourcen für andere Industriezweige als die Stahlindustrie verwendet werden könnten.
Im Rahmen des Projekts werden verschiedene primärmetallurgische Schlacken untersucht, darunter Schlacken aus dem Konverter und gegebenenfalls aus dem Elektrolichtbogenofen. Die Laugung von Konverterschlacke wird mit organischen oder anorganischen Säuren und tiefen eutektischen Lösungsmitteln (quaternäre Aminverbindungen) durchgeführt, um die Metalllöslichkeit zu erhöhen.
Eine weitere primärmetallurgische Schlacke, die im Mittelpunkt des Projekts steht, wird aus einem elektrischen Schmelzer (Smelter) stammen, die einem Direktreduktionsprozess nachgeschaltet ist, und zur Herstellung von einem roheisenähnlichen Material, dient, und eben eine hochofenähnliche Schlacke generiert. Diese künftig anfallende Schlacke wird hinsichtlich ihrer latent hydraulischen Eigenschaften bewertet, um ihre Eignung als Sekundärrohstoff, z. B. für die Zementindustrie zu ermitteln.
Die Verwertung von Stahlwerksschlacken zielt darüber hinaus auf die Rückgewinnung von Phosphor ab. Phosphor gilt als kritischer Rohstoff, der weltweit nur in begrenztem Umfang in nutzbarer Form zur Verfügung steht und seine Rückgewinnung aus Schlacken hat eine erhebliche wirtschaftliche Bedeutung. Über den Grad der Phosphorrückgewinnung sowie über die Qualität des zurückgewonnenen Phosphors liegen nur wenige Erkenntnisse vor. Das pyrometallurgische InduRed-Verfahren (induktiv beheizter Koksbettreaktor) wird für Versuche zur Schlackenreduktion und Phosphorrückgewinnung eingesetzt.
Ziele und Motivation
- Erprobung verschiedener Laugungsansätze für gemahlene Konverterschlacke einschließlich des Einsatzes organischer oder anorganischer Säuren, gefolgt von mineralischen Aufbereitungsmethoden (Magnetabscheidung) und der Verwendung tief eutektischer Lösungsmittel, um möglicherweise die Metalllöslichkeit oder die Abscheidungseffizienz zu erhöhen
- Entwicklung eines Massen- und Energiebilanzierungswerkzeugs einschließlich Parameterstudien zur Bewertung der Granulierung von Smelter-Schlacke sowie der Bewertung der Aufbereitung von Hüttenwerksreststoffen als potenzielle Einsatzstoffe für den Smelter
- Bestimmung der (latent) hydraulischen Eigenschaften von Smelter-Schlacke
- Quantifizierung der Qualität des zurückgewonnenen Phosphors aus dem pyrometallurgischen InduRed-Prozess
Vorgehensweise
- Screening potenziell verwendbarer organischer Säuren, wie z. B. Zitronensäure, unter Variation der Prozessparameter (Temperatur, Druck, Laugungsdauer, Säuremenge und Fest-Flüssig-Verhältnis) und Upscaling einer geeigneten Apparatur zur Laugung von Konverterschlacke auf ein Volumen von 3-5 Liter
- Mineralogische Analyse der Schlackenmatrix vor und nach der Laugung mittels Rasterelektronenmikroskopie
- Vorbehandlung von gemahlener Konverterschlacke mit tief eutektischen Lösungsmitteln und Quantifizierung anderer potenziell verwendbarer anorganischer Lösungsmittel wie spezifischer Salze (z. B. kalium- oder natriumhaltige Materialien)
- Entwicklung eines Offline-Modells auf der Grundlage von MS-Excel zur Simulation der Nachbearbeitung der Smelter-Schlacke und zur Bewertung des Vorbehandlungsprozesses von Hüttenwerksreststoffen wie Walzzunder oder Schlämmen, die als mögliche Einsatzstoffe für den Smelter verwendet werden können
- Zementprismentests zur Quantifizierung der (latent) hydraulischen Eigenschaften der Smelter-Schlacke
- Behandlung von gemahlenen Stahlwerksschlacken in der InduRed-Anlage unter variierenden Prozessbedingungen (Temperatur, O2-Partialdruck, Schlackenbasizität, Reduktionsmittelmenge) sowie Analyse des Abgases zur Quantifizierung der erzeugten Phosphorkomponenten und des Phosphoraustrags in das Prozessgas in Abhängigkeit von den gewählten Betriebsbedingungen
- Ableitung grundlegender thermodynamischer Daten für die Bildung von Phosphorkomponenten während der reduzierenden Schlackenbehandlung
Ergebnisse und Anwendung
Im Rahmen des Projektes werden auf Basis der Ergebnisse der durchgeführten Laugungsversuche geeignete Laugungsmittel und optimierte Laugungsprozessparameter für abgekühlte und gemahlene Konverterschlacke ermittelt. In einem weiteren Schritt soll die Mineralphasenstruktur der Schlacke vor und nach der Laugungssequenz sowie nach der Magnetabscheidung abgeleitet werden. Die Quantifizierung des Grades der Eisenentfernung aus der verbleibenden mineralischen Schlackenmatrix ist ein weiteres zu erwartendes Ergebnis.
Ein Modellwerkzeug für die Schlackengranulation mit Massen- und Energiebilanzen zur Untersuchung von Anwendungsfällen der Smelter-Schlacke soll verwendet werden. Darüber hinaus soll der Aufwand für die Vorbehandlung von feinkörnigen Hüttenwerksreststoffen (Zunder, Stäube, Schlämme), die als potenzielle Einsatzstoffe für den Smelter dienen, quantifiziert werden. Durch die Quantifizierung der latent hydraulischen Eigenschaften von granulierter Smelter-Schlacke sollten mögliche Anwendungsbereiche als Sekundärrohstoff für Nicht-Stahlsektoren definiert werden.
Der Grad der Phosphorentfernung aus Stahlwerksschlacken in Abhängigkeit von den InduRed-Prozessbedingungen soll bestimmt und thermodynamische Daten von Phosphorkomponenten bereitgestellt werden. Schließlich soll die zu erwartende Qualität des zurückgewonnenen Phosphorprodukts nach der Abgaswäsche des InduRed-Verfahrens (Phosphor vorliegend z.B. als phosphorige Säure oder Calciumphosphat) bewertet werden.