Projektmenu

Einleitung

Die klassische Hauptanwendung für Stahlwerksschlacken lag bisher im Straßenbau. Flüssige Schlacke wird zur Herstellung von Gesteinskörnungen in Beete gekippt, kühlt dort unter Umgebungsbedingungen langsam ab und wird anschließend gebrochen und gesiebt. Künstliche Gesteinskörnungen weisen sehr gute anwendungsspezifische Eigenschaften (z.B. Abriebfestigkeit) auf und Primärressourcen können durch den Einsatz von behandelter Stahlwerksschlacke geschont werden. Aufgrund einer immer kritischeren Betrachtung der Verwertung metallurgischer Stahlwerksschlacken im Straßenbau sowie infolge der gesetzlichen Rahmenbedingungen sind verfügbare Anwendungsmöglichkeiten derzeit limitiert und der erzielbare Erlös ist sehr gering.

Beim gegenständlich eingesetzten Verfahren der Behandlung von Stahlwerksschlacke wird ein Teil des metallischen Eisens (Fe) mittels Grobkorn-Schwachfeld-Magnetscheidung abgetrennt und im Hüttenwerk wieder eingesetzt (z.B. Sinterprozess). Der Hauptanteil des metallischen Fe sowie der sonstigen metallischen Wertstoffe verbleiben aber oxidisch gebunden in Form feinster Kristallverwachsungen in der Schlackenmatrix. Somit können die Metalle nicht von der silikatischen Schlackenphase getrennt werden.

Basierend auf dem hohen Einsparpotenzial, das sich aus dem Ersatz von primären Ressourcen, insbesondere Fe-, Chrom- und Manganträgern, erzielen ließe, wurden in den letzten Jahren Bemühungen zur Entwicklung von Verfahren zum Recycling dieser Wertmetalle angestellt.

Stahlwerksschlacke (voestalpine Stahl GmbH)

Ziele und Motivation

  • Eine endotherme, reduzierende Schlackenbehandlungsstrategie zur möglichst vollständigen Rückgewinnung der Wertmetalle
  • Eine Weiterentwicklung der der oxidierenden Behandlung von Stahlwerksschlacken - Ermittlung der Relation zwischen chemischer Zusammensetzung sowie dem Oxidationsgrad
  • Die Entwicklung geeigneter Aufbereitungsmethoden für die Wertstoffabtrennung
  • Eine Rückführung von Wertmetallfraktionen in den hüttenwerksinteren Produktionsweg
  • Die Nutzung der metallarmen Fraktion als Ersatzmaterial in der Baustoffindustrie (Produktentwicklung)

Vorgehensweise

Den Großteil der im gegenständlichen Projekt geplanten Methoden stellen Laborversuche dar. Hinsichtlich der oxidierenden Behandlung von Stahlwerksschlacke sollen zunächst Schmelzversuche mit modifizierter Stahlwerksschlacke durchgeführt werden, welche z.B. mit Magnesiumoxid (MgO) angereichert wird. Mögliche Versuchsaggregate sind der Tammann-Ofen (ausgestattet mit einer elektrischen Widerstandsheizung), ein Top Blown Rotary Converter (TBRC, Drehkonverter, ausgestattet mit einer Lanzeneindüsung über den Konverterdeckel) und, falls erforderlich, mit Nachbehandlung in einem Induktionsofen. Ein wissenschaftlicher Projektpartner, der Lehrstuhl für Nichteisenmetallurgie der Montanuniversität Leoben, verfügt im lehrstuhleigenen Technikum über diese eben genannten Anlagen. 

Daneben soll die Möglichkeit einer reduzierenden Behandlung von Stahlwerksschlacke untersucht werden. Die Behandlung zielt auf die Untersuchung des Reduktionsverhaltens von Phosphor (P) und metallischen Wertstoffen wie z.B. Mangan in Abhängigkeit Fe-Reduktionsgrades ab. Des Weiteren sollen grundlegende Erkenntnisse hinsichtlich des Verbleibs von P und den Wertmetallen in der Metall- bzw. Schlackenphase gewonnen werden. Der InduCarb Reaktor im Technikum des Lehrstuhls für Thermoprozesstechnik der Montanuniversität Leoben stellt ein dafür geeignetes Aggregat für die geplanten reduzierenden Kampagnen dar.

Die erzeugten Produkte sollen mittels mineralischer Aufbereitungstechniken weiter behandelt werden. Im Zuge der Ermittlung von Suszeptibilitäts-Spektren soll eine mögliche magnetische Fe-Abtrennung bewertet werden. Des Weiteren soll auch die Technologie der Flotation als Möglichkeit zur Anreicherung bestimmter Produktfraktionen untersucht werden. Ein weiterer wissenschaftlicher Partner an der MUL, der Lehrstuhl für Aufbereitung und Veredelung, wird diese magnetischen Abscheide- und Flotationsversuche durchführen. 

Ein Unternehmenspartner im Projekt 1.3 plant trockene Granulationsversuche von Stahlwerksschlacken nach Reduktion der Wertmetalle. Diese Versuche werden mit einer Laboranlage erfolgen, welche nach dem Rotating-Cup Prinzip (rotierender Drehteller) betrieben wird. Im Zuge dieser Forschungsaktivitäten soll die Entstehung möglicher schnell abbindender Zementphasen für eine Verwertung von aufbereiteter Schlacke untersucht werden, um die entstehenden Produkte als Zuschlagstoff in der Zementindustrie einsetzen zu können. Dabei geht es um die Charakterisierung der Produkteigenschaften, welche nach den Gesichtspunkten Form und Größenverteilung des Granulates, Menge und Oxidationsgrad der enthaltenen Metalle sowie der entstandenen Phasen erfolgen soll. Des Weiteren soll die Möglichkeit einer Rückgewinnung von Energie aus der heißen schmelzflüssigen Schlacke während der Schlackengranulation analysiert und bewertet werden. 

Neben experimentellen Kampagnen im Technikumsmaßstab sollen die während der oxidierenden bzw. reduzierenden Behandlung entstehenden Phasen mithilfe von Rasterelektronen-Mikroskop-Aufnahmen (kurz REM) untersucht und quantifiziert werden. Damit sollen die Verwachsungsstrukturen der gebildeten Kristalle betrachtet werden. Dies dient als Grundlage z.B. für die Diskussion, ob Fe mittels magnetischer Abscheidung abgetrennt werden kann.

Sauerstoffbehandlung von Stahlwerksschlacke (voestalpine Stahl GmbH)

Ergebnisse und Anwendung

Bei der oxidierenden Schlackenbehandlung wird erwartet, dass es durch die Zugabe von Magnesiumoxid (MgO) bis zur Sättigung bei rund 1.600 °C sowie einer ausreichenden Oxidation des zweiwertigen Fe2+ zum dreiwertigen Fe3+ zu einer Bildung von stark magnetisierbaren inversen Spinellen, insbesondere von Magnesioferriten, kommt. Diese Verbindungen könnten mithilfe einer nachgeschalteten magnetischen Aufbereitung effizienter abgeschieden werden wodurch sich ein höheres Fe-Ausbringen erzielen ließe. Bei der reduzierenden Schlackenbehandlung sollen anhand der genauen Kenntnis des Reduktionsverhaltens von Phosphor und den Wertmetallen bei Reduktion im flüssigen und festen Aggregatzustand die Grenzen der Rückgewinnung von Mn bei einer gleichzeitigen Phosphor-Abtrennung ermittelt werden.

Letztendlich wird erwartet, nach Durchführung der Schlackenbehandlungsversuche und der mineralischen Aufbereitungsschritte, Basisparameter für ein Anlagenkonzept zur Behandlung von Stahlwerksschlacken generieren zu können. Geeignete Apparatetypen für eine Mahlung, Magnetscheidung und Flotation sollen identifiziert und mögliche Verwendungsbereiche der erzeugten Produkte definiert werden.

Basierend auf den Ergebnissen der trockenen Granulierung von Stahlwerksschlacke soll spezifisches Grundlagenwissen hinsichtlich möglicher Absatzmärkte der erzeugbaren Produkte in der Baustoffindustrie generiert werden. Daneben soll das Potenzial zur Energierückgewinnung abgeschätzt und eventuell weiterverfolgt werden. 

Belitkristalle (C2S, 2 CaO*SiO2) von behandelter Stahlwerksschlacke (voestalpine Stahl GmbH)