Einleitung
Im Rahmen der Stahlherstellung mit dem Sauerstoffblasverfahren (LD Verfahren) fallen in Österreich 900.000 t/a LD Schlacke an. Für die Verwertung gibt es die Möglichkeit einer stofflichen Trennung, bei denen die Metalle in ihrer oxydischen Form verbleiben. Diese können infolge der Abtrennung unerwünschter Begleitelemente wie Phosphor und mineralische Schlackenbildner für einen Wiedereinsatz in der Stahlherstellung nutzbar gemacht werden. Der generelle Nachteil der aus dem Bereich der Mineralaufbereitung bekannten Verfahren besteht bei Anwendung auf LD-Schlacke aber in einer unvollständigeren Trennung durch sehr feine Verwachsungen in der Kristallstruktur.
Daneben besitzt die Metallrückgewinnung aus LD-Schlacke unter reduzierenden Bedingungen mehr Potenzial in Hinblick auf eine vollständigere Trennung der Metall- und Mineralfraktion. Die grundsätzliche Herstellbarkeit eines latent hydraulischen mineralischen Einsatzstoffes in der Zementindustrie wurde in der vorangegangenen Förderperiode des K1-MET Programms nachgewiesen. Allerdings besteht noch erheblicher Forschungsbedarf, um mit möglichst geringem Verbrauch an zusätzlichen Einsatzstoffen eine Matrix mit hohem Glasanteil sicherzustellen, um letztendlich ausreichend hohe Festigkeitswerte des abgebundenen Mineralprodukts zu erreichen.
Neben der LD-Schlacke wird auch für sekundärmetallurgische Schlacken in der Stahlindustrie nach Recyclinglösungen gesucht. Der überwiegende Teil der anfallenden sekundär-metallurgischen Schlacken (z. B. Gießpfannenschlacke) muss deponiert werden. In der Literatur wird neben der Rückführung im Stahlwerk über die Verwendung in der Baustoffindustrie als Rohmehl für Zementklinker und als Zumahlstoff berichtet. Dieses Streben nach Verwertungsmöglichkeiten gibt es auch in der Nichteisenmetallindustrie. Schlacken aus der Kupferraffination enthalten neben dem Kupfer weitere Wertmetalle wie Nickel, Blei, Zinn und Zink. Eine Entfernung dieser Metalle kann eine baustofftechnische Verwertung der mineralreichen Restfraktion ermöglichen. Schlacken aus der Kupfermetallurgie werden momentan als Baustoff, im Wasserbau und vor allem als Strahlmittel für die Oberflächenbehandlung von Stahl verwendet. Zunehmend strengere behördliche und gesetzliche Anforderungen erschweren diesen Verwertungsweg. Im Sinne einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft ist eine Verwendung notwendig.
Ziele und Motivation
- Konzept einer mineralischen Aufbereitung von LD-Schlacke zur maximalen Abtrennung der phosphorreichen von der eisenreichen Fraktion
- Energieeffiziente reduzierende Schlackenbehandlung zur möglichst vollständigen Phosphorabtrennung aus der Schlackenmatrix über die Gasphase
- Optimierung der mineralischen Produktfraktion aus der reduzierenden LD-Schlackenbehandlung sowie Wertmetallfraktion mit positivem Marktwert
- Mögliche Verwertungswege für Gießpfannenschlacke und für Schlacke aus dem Kupferraffinationsprozess
Vorgehensweise
Eine druckbeaufschlagte CO2-Zugabe ermöglicht eine Karbonatbildung zur Trennung der eisen- von der phosphorreichen Phase. Die optimalen Prozessparameter sind noch nicht bekannt und ein Verfahrenskonzept ist noch nicht untersucht und bewertet worden. Neben der Zugabe von reinem CO2 sollen auch andere CO2-haltige Trigger zur Verbesserung der Verwachsungsverhältnisse betrachtet werden.
Bei der LD-Schlackenbehandlung unter reduzierenden Bedingungen müssen Fragen hinsichtlich der optimalen Zusammensetzung der mineralischen Produktfraktion für die Erreichung eines hohen Glasanteils mit minimalen Kosten für zusätzliche Additive zur Basizitätseinstellung geklärt werden. Für das zweite Produkt, die Metallphase, soll ein phosphorarmes Produkt erzeugt, werden, um einen positiven Marktwert zu generieren. Das in der ersten Förderperiode (2015-2019) entwickelte InduRed-Verfahren (induktiv beheizter Graphitbettreaktor, InduCarb-Reaktor genannt) zur Abtrennung des Phosphors über die Gasphase vermeidet den grundsätzlichen Nachteil einer nachfolgenden oxidierenden Behandlung und die damit verbundenen Verluste an Wertmetallen sowie den Anfall eines Reststoffes. Das Potenzial dieses Verfahrens wird vor allem in der Behandlung der Frischschlacke gesehen, in der sich bei der oxidierenden Behandlung die Wertmetalle Chrom und Mangan sowie Phosphor anreichern. Ziel ist es herauszufinden, unter welchen Prozessbedingungen es möglich ist, den Phosphor aus der Frischschlacke in die Gasphase zu transferieren, um diesen aus der Prozessgasreinigung durch einen nachgeschalteten Wäscher verfügbar zu machen.
Neben der LD-Schlacke befasst sich das gegenständliche Projekt mit weiteren metallurgischen Schlacken, sowohl aus der Eisen- und Stahl- wie auch der Nichteisenmetallurgie, um diverse Stoffkreisläufe annähernd zu schließen. Für Gießpfannenschlacke und Schlacken aus der Kupferraffination sollen mögliche Recyclingrouten erarbeitet werden. In der Kupferraffination werden oftmals Sekundärrohstoffe (Reststoffe und Abfallprodukte) verhüttet, sodass in den Schlacken eine große Anzahl unterschiedlicher Schwermetalle enthalten ist und eine direkte Verwertung nicht möglich ist.
Ergebnisse und Anwendung
Am Ende des Projektes 1.2 sollen unterschiedliche Konzepte zur Behandlung metallurgischer Schlacken vorliegen, die technisch soweit untersucht sind, dass sie in weiterer Folge auf ihre Tauglichkeit und Wirtschaftlichkeit überprüft werden können. Daneben ist es auch das Ziel, einen Erkenntniszuwachs darüber generiert zu haben, ob die aus der Behandlung erzeugbaren Produkte nachhaltig vermarktet werden können.
Ein zur reduzierenden Route alternatives Konzept der LD-Schlackenbehandlung mit nassmechanischen Verfahren und geringem Energieverbrauch soll mit dem Ziel einer maximal möglichen Abtrennung der Eisenfraktion erstellt werden. Dieses Eisenprodukt soll einen möglichst kleinen Phosphoranteil enthalten.
Bei der reduzierenden Schlackenbehandlung ist es ein Ziel, die Phosphorabtrennung in die Gasphase mit der in der vorangegangenen Förderperiode entwickelten Indu-Red-Anlage zu optimieren. Das wichtigste Forschungsfeld liegt in der Behandlung einer Schlacke, welche aus dem Frischvorgang des Metallprodukts nach einer konventionellen Reduktion von LD-Schlacke generiert wurde. Die Hauptstoßrichtung der Entwicklung liegt dabei auf der Erzeugung von sehr P-armen Metallgemischen. Dies erfordert möglichst hohe Abscheideraten in die Gasphase.
Für das Mineralprodukt ist es das Ziel, eine optimale chemische Zusammensetzung zu ermitteln, welche zu einem glasigen Material mit ausreichend hohen zementtechnischen Eigenschaften führt.
Für den Bereich der sekundärmetallurgischen Schlacken ist es das Ziel des gegenständlichen Projektes, mögliche Recyclingrouten für die Pfannenschlacke aufzuzeigen, damit diese in Zukunft nicht mehr deponiert werden müssen. Letztendlich geht es auch um die Bewertung einer Nutzung der Kupferhüttenschlacke in Anwendungsgebieten der Baustoffindustrie oder dem Straßen- und Wegebau. Die dafür vorliegenden baustofflichen, umwelttechnischen und physikalischen Untersuchungsergebnisse sollen die Tauglichkeit bewerten, ob das Mineralprodukt als qualitativer Baustoff auf den Markt gebracht werden kann.