Aufbereitung von Edelstahlschlacken

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1 Aufbereitung von Edelstahlschlacken Aufbereitung von Edelstahlschlacken Dietmar Guldan 1. Einleitung Ziele Chemische und stoffliche Eigenschaften des Eingangsmaterials Edelstahlschlacke Auswahl der Zerkleinerungstechnik Aufbau und Wirkungsweise Rotorshredder Aufbau und Wirkungsweise Prallbrecher Aufbau und Wirkungsweise Rotorschleuderbrecher Aufbau und Wirkungsweise Rotorprallmühle Einsatzmöglichkeiten der Prallbrecher bei der Aufbereitung von Edelstahlschlacken Sieblinien Rotorshredder RS 2018 Edelstahlschlacke 63 bis 250 mm Sieblinien Prallbrecher PB 0806 Edelstahlschlacke 16 bis 90 mm Sieblinie Rotorschleuderbrecher RSMX 1222 Ringpanzerung Edelstahlschlacke 4 bis 22,4 mm Sieblinie Rotorprallmühle RPM 1113 Edelstahlschlacke Sand 0 bis 4 mm Grundlage zur Planung von Anlagen zur Aufbereitung von Edelstahlschlacken Primärstufe Vorzerkleinerungsstufe Rotorshredder Sekundärstufe Nachzerkleinerungsstufe Rotorschleuderbrecher Tertiärstufe Nachzerkleinerungsstufe Rotorprallmühle Versuche, Probeentnahmen und Auswertungen Zusammenfassung Literaturverzeichnis

2 Dietmar Guldan Die BHS Sonthofen hat für die Aufbereitung von Schlacken Rotorbrecher entwickelt, die je nach Aufgabenstellung weiche, mittelharte bis harte sowie verschleißintensive Materialien, verarbeiten können. Die bevorzugten Maschinen sind Prallbrecher mit horizontaler Welle, sowie Rotorshredder, Rotorschleuderbrecher und Rotorprallmühlen mit vertikaler Welle. Die Rotorshredder und Prallbrecher sind sehr gut als Vorbrecher für grobe Körnungen einsetzbar, Rotorschleuderbrecher und Rotorprallmühlen, auch VSI-Brecher (Vertical-Shaft-Impactor) genannt, finden vorwiegend als Nachbrecher mit einer begrenzten Aufgabekorngröße Verwendung. Außerdem sind die VSI- Brecher in der Lage kleinere Körnungen von 0 bis 4 mm leicht zu verarbeiten. Durch einen effizienten anlagentechnischen Einsatz dieser Maschinen besteht die Möglichkeit mittels selektiver Zerkleinerung ein optimales Ergebnis beim Aufschluss von Schlacke und Metall zu erzielen. Bei der Aufbereitung dieser Sekundärrohstoffe ist eine konstante, gleichbleibende Qualität über die gesamte Lebensdauer der Verschleißteile gegeben. Dabei können die Durchsatzmengen je nach Kundenwunsch und Aufgabenstellung angepasst werden. Das Unternehmen hat sich mit einer großen Auswahl an Rotorbrechertypen und Systemen für Aufbereitung von Schlacken als bevorzugter Lieferant etabliert und verfügt über langjährige Erfahrung und weltweite Referenzen. Zur Durchführung von Test- und Versuchsreihen stehen im Technikum Maschinen im Produktionsmaßstab zur Verfügung. Im nachfolgenden Beitrag werden die Funktionsprinzipien und Anwendungsgebiete der Rotorbrecher vorgestellt. 1. Einleitung Der Begriff Schlacke ist ein metallurgischer Ausdruck und bezeichnet allgemein die nichtmetallischen, mineralischen Bestandteile, die bei der Gewinnung von Metallen im Schmelzprozess entstehen. Schlacke Eisenhüttenschlacke Metallhüttenschlacke Hochofenschlacke Stahlwerksschlacke Metallhüttenschlackegranulat Metallhüttenstückschlacke Hochofenstückschlacke Hüttensand LD-Schlacke Elektroofenschlacke Edelstahlschlacke Sekundärmetallurgische Schlacke Stahlwerkslagerschlacke Bild 1: Schema zu den aus der Eisen- und Stahlverhüttung entstandenen Schlackenarten 566

3 Aufbereitung von Edelstahlschlacken Eisenhüttenschlacken werden heute in der Regel für die Baustoffindustrie gleichberechtigt neben den Natursteinen gehandelt, sowohl auf nationaler als auch auf europäischer Ebene. Eine Sonderstellung nehmen dabei die bei der Herstellung von Edelstahl anfallenden Schlacken ein. Hier wird eine vollständige Materialnutzung im Sinne wirtschaftlicher und umwelttechnischer Aspekte, wie Rückgewinnung des Metallanteils und Erhaltung der Schlacke als Baumaterial, angestrebt. Eine effiziente Materialnutzung und Ressourcenschonung stehen im Vordergrund. Edelstahlschlacken (EDS) gehören zur Gruppe der Eisenhüttenschlacken, die dort den Stahlwerksschlacken untergeordnet sind. Diese Schlacken entstehen aus der Herstellung von höher legierten Stählen. Sie enthalten verfahrensbedingt Metallanteile in Form von Granalien (unregelmäßig geformte Metallkörner bzw. -stücke), die einen hochwertigen Rohstoff darstellen. Auf Grund des weltweiten Rückgangs an Rohstoffen und der hohen Kosten für die im Edelstahl vorhandenen Legierungsbestandteile wie Chrom, Nickel, Molybdän usw. wird die Rückgewinnung der in der Schlacke enthaltenen Metallanteile eine immer größere Herausforderung für die Stahlindustrie [1]. 2. Ziele Bei Edelstahlschlacken besteht das Ziel der Aufbereitung darin, einerseits einen möglichst hohen Anteil an Metall zu separieren, andererseits aber den Schlackenanteil als Baumaterial zu erhalten. Edelstahlschlacken erfüllen auf Grund der chemischen und stofflichen Eigenschaften nicht die Anforderungen der Technischen Lieferbedingungen für Gesteinskörnungen im Straßenbau TL Gestein-StB 04. Trotzdem kann die Schlacke als untergeordneter Baustoff im Wege- und Deponiebau verwendet werden. Somit sind die Ziele der Aufbereitung von Edelstahlschlacken ganz konkret definiert: maximales Ausbringen an Edelstahl mit einem Gehalt größer 80 % Wertstoff, Erhalt der Nutzungsfähigkeit der Schlacke als Baumaterial der Metallgehalt der vermarktungsfähigen Schlacke soll kleiner 2 % betragen, Erhaltung der Kornstruktur. Es bestand somit die Notwendigkeit ein Aufbereitungsverfahren zu entwickeln, das die Anforderungen der Stahl- bzw. Recyclingindustrie in vollem Umfang erfüllt. Das Aufbereitungsverfahren sollte dabei folgende Kriterien beinhalten: Aufbereitung der Edelstahlschlacke durch selektive Zerkleinerung, Einsatz einer Separationstechnik für die nicht magnetischen Metallanteile aus der Edelstahlschlacke, Rückgewinnung eines schlackenarmen Metalls als Wertstoff, Erzeugung eines Schlackenkorngemisches zur Nutzung als Baustoff, trockene Verarbeitung bzw. Aufbereitung der Edelstahlschlacke ohne zusätzliche Trocknung des Eingangsmaterials, Ausschluss eines Nassverfahrens. 567

4 Dietmar Guldan Die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens ergibt sich aus dem Vergleich der bis dahin üblichen Nassaufbereitung von Edelstahlschlacken. Die Effizienz der Nassaufbereitung wird dabei durch folgende Faktoren in Frage gestellt: aufwändige Zerkleinerungstechnik zur Fein- bzw. Feinstmahlung der Schlacke für den Waschprozess, zusätzliche Technik für den Waschprozess der Schlacke innerhalb des Verfahrens notwendig, aufwändige Aufbereitung und Reinigung des Nutzwassers erforderlich, Schlackenschlämme müssen ggf. aufwändig und kostenintensiv entsorgt bzw. deponiert werden. Die Wertschöpfung einer Trockenaufbereitung von Edelstahlschlacken ergibt sich somit aus dem zurückgewonnenen Metall, einem nutzbaren Schlackenprodukt als Baustoff, Einsparung der Ressource Wasser unter dem Gesichtspunkt der umwelttechnischen Auflagen und der Einsparung von wertvollem Deponieraum. Aus diesen Gründen folgt die Stahl- bzw. Recyclingindustrie im zunehmenden Maße dem Trend der Trockenaufbereitung von Edelstahlschlacken. 3. Chemische und stoffliche Eigenschaften des Eingangsmaterials Edelstahlschlacke Die Edelstahlschlacke wird als sogenannte Gesteinsschmelze bei etwa C in Tröge abgegossen und erstarrt dort langsam zu einem kristallinen Gestein. Je nach den Abkühlungsbedingungen kann dann die Edelstahlschlacke als grobe und feine Körnung vorliegen. Nach der Abkühlung ist eine mechanische Aufbereitung durch Brechen, Separieren, Sieben und Dosieren jeder Zeit möglich. Unter den Prozessbedingungen der bei der Edelstahlerzeugung entstandenen Schlacken handelt es sich um kalksilikatische oder kalkalumosilikatische Schlacken. Sie werden im Wesentlichen aus dem zur Schlackenbildung zugesetzten Kalk und/oder Dolomit gebildet. Bei der langsamen Abkühlung der flüssigen Edelstahlschlacke kommt es zur Bildung kennzeichnender Mineralphasen. Es dominieren dabei Calciumsilikate, Calciumaluminate und Eisenoxide, die im Wesentlichen für die Intensität des Verschleißes an den Brechorganen in der Zerkleinerungstechnik verantwortlich sind. Die chemische Zusammensetzung der Edelstahlschlacken ist in Tabelle 1 angegeben [2]. Zusammen mit den chemischen Eigenschaften müssen hinsichtlich der mechanischen Bearbeitbarkeit und Verfahrenstechnik zusätzliche stoffliche Eigenschaften bei der Aufbereitung von Edelstahlschlacken berücksichtigt werden: Edelstahlschlacke ist sehr spröde und lässt sich sehr leicht zerkleinern, besitzt eine geringe Festigkeit, 568

5 Aufbereitung von Edelstahlschlacken Inserat Fesil Sales GmbH 569

6 Dietmar Guldan Inserat Recycling und Rohstoffe 570

7 Aufbereitung von Edelstahlschlacken auf Grund der chemischen Zusammensetzung und dem Metallgehalt ist die Zerkleinerung der Schlacke sehr verschleißintensiv, die Aufgabekorngröße kann mit einem sehr hohen Feinkornanteil vorliegen, Metallteile können in Größen von 0,5 mm bis 400 mm vorhanden sein, die Feuchtigkeit der Schlacke, hauptsächlich im Feinbereich kleiner 22,4 mm kann bis zu 20 % betragen, der Anteil primär magnetischer Metallbestandteile in jeder Korngrößenfraktion ist nicht definiert, Vorhandensein von Fremdstoffen, vor allem in den Grobfraktionen, hohe Wahrscheinlichkeit von versteckten, massiven Metallbestandteilen bis knapp unter die Korngröße des Schlackenstückes. Tabelle 1: Chemische Zusammensetzung von Edelstahlschlacke im Feststoff aus dem FGSV- Merkblatt über Verwendung von Eisenhüttenschlacken chemische CaO CaO frei SiO 2 MgO Al 2 O 3 Fe 2 O 3 MnO P 2 O 5 Cr 2 O 3 Analyse Anteil 20,0 1,0 10,0 1,0 1,0 0,1 0,1 0,02 0,1 Masse-% 60,0 20,0 40,0 15,0 12,0 10,0 4,0 0,7 7,0 Quelle: FGSV-Merkblatt über Verwendung von Eisenhüttenschlacken im Straßenbau. Ausgabe 1999, Stand Diese chemischen und stofflichen Eigenschaften erfordern eine variable Aufbereitungstechnik der Edelstahlschlacken. Durch eine richtige Auswahl der Zerkleinerungstechnik und einer optimalen Separationstechnik der Metallanteile - Schlacke kann eine hohe Wirtschaftlichkeit und Effektivität erzielt werden. 4. Auswahl der Zerkleinerungstechnik Ein geeignetes Zerkleinerungsprinzip für die Schlacken, insbesondere für Edelstahlschlacken, ist die Prallzerkleinerung. Bei diesem Zerkleinerungsprinzip erfolgt eine selektive Zerkleinerung des Aufgabematerials. Sprödharte Stoffe wie die Eisenhüttenschlacken werden stark zerkleinert. Die duktilen Stoffe (hauptsächlich Metalle) innerhalb dieser Schlacken werden dabei verformt aber nicht zerkleinert. Durch die Prallbeanspruchung kommt es wegen der hohen Sprödigkeit der Edelstahlschlacke und des großen Unterschiedes beim Elastizitätsmodul zwischen Metall und Schlacke zu einem wesentlich besseren Aufschluss der Metallanteile als bei der Druckzerkleinerung z.b. Kegelbrecher und Backenbrecher. Nach der Prallzerkleinerung liegen die Metallbestandteile in relativ hoher Reinheit im Brechgut vor. Somit wird es möglich, die bei der Zerkleinerung entstandene Trennung von Metall und Mineralstoffanteilen (Schlacke) als stoffliches Merkmal zur Sortierung bzw. Separierung zu verwenden. Durch die Prallbeanspruchung der Edelstahlschlacke kommt es zudem zu einer zeitlich begrenzten Magnetisierung der Metallbestandteile. Dieser Effekt kann zur magnetischen Trennung genutzt werden. Damit wird es möglich, hinter jeder Zerkleinerungsstufe mittels geeigneter Magnettechnik Edelstahl in guter Reinheit zu separieren. 571

8 Dietmar Guldan Um den Ansprüchen an Qualität und Quantität optimal gerecht zu werden, wurden von der BHS Sonthofen hinsichtlich der Prallzerkleinerung vier Maschinensysteme unter anderem zur Aufbereitung von Eisenhüttenschlacken erfolgreich entwickelt und weltweit eingesetzt. Rotorshredder mit vertikaler Welle, als Vorbrecher für die Zerkleinerung von s.g. Steinen und Bären mit einer Korngröße bis maximal 400 mm, Prallbrecher mit horizontaler Welle, als Vorbrecher für eine Schlackenkorngröße bis maximal 100 mm, Rotorschleuderbrecher mit vertikaler Welle, geeignet für Korngrößen bis maximal 63 mm, Rotorprallmühle mit vertikaler Welle, zur Aufbereitung von Schlackensand bis maximal 4 mm. Das wichtigste Unterscheidungsmerkmal der Maschinensysteme ist die Rotorbauform und die daraus resultierenden unterschiedlichen Zerkleinerungsvorgänge in der Maschine. Die Anordnung und Befestigung der einzelnen Werkzeuge am Rotor bewirkt einen optimalen Aufschluss der Metall- und Schlackenbestandteile. Dabei sollte aus verschleißtechnischer Sicht der Füllungsgrad insbesondere beim Rotorschleuderbrecher und bei der Rotorprallmühle beachtet werden. Die vorgegebene Korngrößenverteilung und die damit zu erwartende Größe der vorhandenen Metallbestandteile bestimmen den Einsatz der Zerkleinerungstechnik. Die Rotorshredder und Prallbrecher werden anlagentechnisch ausschließlich als Vorbrecher für die Grobzerkleinerung eingesetzt. Die Edelstahlschlacke wird so vorzerkleinert, dass die daraus entstandene, definierte Korngröße problemlos auf den Rotorschleuderbrecher bzw. Rotorprallmühle aufgegeben werden kann. Große freigelegte Metallteile werden vorher separiert und ausgeschleust. Beim Rotorschleuderbrecher oder auch bei der Rotorprallmühle tritt der selektive Zerkleinerungseffekt besonders stark hervor. Bedingt durch ihr physikalisches Prinzip der Einzelkornzerkleinerung durch einen zentralen Stoß werden die Schlackenanteile sehr gut und die Metallteile nicht zerkleinert. Insbesondere bei Maschinen, die mit einem Spalt arbeiten, muss die Aufgabekorngröße begrenzt werden. Dies betrifft die Prallbrecher und die Rotorprallmühlen ebenso, wie die Backen und Kegelbrecher. Die Spaltweite sollte dabei größer sein, als die maximale Aufgabekorngröße. Bei Backen- und Kegelbrechern kommt hinzu, dass sich die auftretenden Kräfte durch die Druckbeanspruchung auf die Metallteile vervierfachen und somit einen sehr hohen Verschleiß oder sogar ein Brechen der Werkzeuge verursachen können. Backen- und Kegelbrecher sind empfindlich gegenüber nicht zerkleinerbaren Metallen Aufbau und Wirkungsweise Rotorshredder Der weltweit patentierte Rotorshredder besteht aus einem zylindrischen Gehäuse. Innerhalb dieses Gehäuses befindet sich eine senkrecht stehende, schnell laufende Welle. Daran sind paarweise Arbeitswerkzeuge übereinander fliegend angeordnet. Durch die 572

9 Aufbereitung von Edelstahlschlacken Fliehkraft werden die Arbeitswerkzeuge horizontal ausgerichtet und stabilisiert. Die flexible Aufhängung der Werkzeuge an der Welle dient gleichzeitig als Überlastsicherung beim Brechvorgang der massiven und kompakten Schlackensteine und Bären. Bild 2: Rotorshredder für die Vorzerkleinerungsstufe der Edelstahlschlacke, Aufgabekörnung bis maximal 400 mm Bild 3: Innenansicht des Rotorshredders RS

10 Dietmar Guldan Die Gehäusewand ist doppelt ausgebildet. Innen besteht Sie aus einem massiven Spaltrost, dessen Öffnungen je nach geforderter Korngröße variiert werden können. Das grobe Schlackengut wird dem Brechraum von oben zugeführt. Beim Eintritt in den Schlagkreis der Werkzeuge wird es durch Schlag, Prall und Scherung intensiv beansprucht. Das Ergebnis ist eine selektive Zerkleinerung mit der Wirkung, dass eine große Körnung zielgerecht zerkleinert wird, Schlackenverbunde werden getrennt und die Metalle werden freigelegt. Das aufgeschlossene Metall-Schlacke -Gemisch mit einer Körnung bis maximal 63 mm verlässt den Brechraum anschließend durch den Spaltrost. Massive Metallteile, die sich nicht zerkleinern lassen, können durch größere Auslassöffnungen oder durch eine separate Schleuse den Arbeitsraum verlassen. Der Rotorshredder arbeitet kontinuierlich, so dass eine rationelle Einbindung in ein komplettes Verfahren möglich ist. Der Einsatz des Rotorshredders erfolgt ausschließlich als Vorbrecher für die Grobzerkleinerung großer Schlackenstücke bis 400 mm. Metallstücke ebenfalls in dieser Größenordnung werden restlos von Schlackenanhaftungen frei geschlagen. Diese Maschine vereint die selektive Zerkleinerung mit einer deutlich erhöhten Unempfindlichkeit gegenüber größeren Metallteilen Aufbau und Wirkungsweise Prallbrecher Die Prallmühlen bzw. Prallbrecher sind die idealen Zerkleinerungsmaschinen für große Aufgabekörnungen, jedoch ohne massive Metallbestandteile innerhalb der Schlackenkörnung. Hauptmerkmal dieser Brecher ist ein Rotor mit horizontal liegender Welle. Am Rotor befestigt sind die Schlagleisten als die eigentlichen Zerkleinerungselemente. Die Anzahl der Schlagleisten richtet sich im Wesentlichen nach dem Rotordurchmesser. Üblich sind zwei bis vier Schlagleisten je nach Maschinengröße. Ein weiteres wesentliches Element dieser Maschinengruppe sind die Prallplatten. Durch eine spezielle Einstellmechanik an den Prallplatten kann der Spalt zwischen dem Rotor und den Prallplatten manuell bzw. hydraulisch eingestellt werden. Für Wartungsarbeiten und Verschleißteilwechsel kann das Brechergehäuse mechanisch oder hydraulisch aufgeklappt werden. Das in den Brecher aufgegebene Material wird durch Schlag und Prall zerkleinert. Beim Eintauchen des Aufgabegutes in den Schlagkreis des Rotors wird dieses primär durch Schlag zerkleinert. Durch die nachfolgenden Schlagleisten erhält das Material eine hohe Beschleunigung in Richtung der Prallplatten, an denen eine weitere Zerkleinerung durch den Aufprall erfolgt. Durch den Rückprall von den Prallplatten wird das Brechgut wieder von den Schlagleisten des Rotors erfasst, so dass sich der Zerkleinerungsprozess solange wiederholt, bis das Material die Maschine durch den Auslaufschacht verlassen kann. Die verfahrenstechnisch wichtigsten Einflussgrößen bei der Zerkleinerung sind die Rotorumfangsgeschwindigkeit und die Spaltweite zwischen Rotor und Prallplatten. Schon bei niedrigen Umfangsgeschwindigkeiten ist eine sehr gute Zerkleinerungswirkung feststellbar. Die Spaltweite des Prallbrechers muss so eingestellt werden, dass das größte zu erwartende Metallstück den Brecher noch ohne Ausweichbewegung der Prallplatte passieren kann. 574

11 Aufbereitung von Edelstahlschlacken Die Prallbrecher werden in der Schlackenaufbereitung vorwiegend zur Grobzerkleinerung mit einer Aufgabekörnung von 63 mm bis maximal 100 mm eingesetzt. Die Rotorumfangsgeschwindigkeit kann bis zu 70 m/s in Abhängigkeit von Aufgabematerial, Maschinengröße und Aufgabekorngröße betragen. Bild 4: Prallbrecher PB für die Vorzerkleinerungsstufe der Edelstahlschlacke, Aufgabekörnung bis maximal 100 mm 4.3. Aufbau und Wirkungsweise Rotorschleuderbrecher Beim Rotorschleuderbrecher ist ein kompakter Rotor mit zwei großzügig dimensionierten Schleuderkammern auf einer vertikal gelagerten Welle montiert. Das Aufgabegut wird von oben mittig zugeführt und im Rotor von den beiden Schleuderkammern aufgenommen. Durch die hohe Rotorumfangsgeschwindigkeit wird das Material in den zwei Schleuderkammern nach außen hin sehr stark beschleunigt. Der Materialfluss innerhalb des Rotors bewirkt den Aufbau einer autogenen, sich selbst erneuernden Materialschicht. Dieses Materialbett dient als Gleitbahn bei der Beschleunigung der Materialkörnung nach außen. Die konstruktive Gestaltung des patentierten Zwei-Kammer-Rotors unterstützt diesen Energieeintrag optimal. Aus der Austrittsöffnung des Rotors wird die Körnung entsprechend der gewählten Rotorumfangsgeschwindigkeit (v max. = 70 m/s) herausgeschleudert. Zerkleinert wird das Material in erster Linie durch einen gerichteten eimaligen Aufprall eines jeden Aufgabekorns an eine feststehende, ringförmige Wand, die wahlweise aus einer Ringpanzerung oder einem stabilen Materialbett im Gehäuseoberteil besteht. Es entsteht dabei ein sehr gut kubisch geformtes Korn. Durch den gezielten Aufprall eines jeden Einzelkorns auf die Ringpanzerung wird die Schlacke, die eine geringe Festigkeit besitzt, vom Metall abgeschlagen und liegt somit als mineralische Körnung vor. Über die Auslaufschächte werden die zerkleinerte Schlacke und das freigelegte Metall nach unten ausgetragen und der Separationstechnik zugeführt. Die optimale Aufgabekorngröße für den Rotorschleuderbrecher bei der Aufbereitung von Edelstahlschlacken beträgt 4 bis 22,4 mm. Darüber hinaus ist der Brecher auch für die Zerkleinerung feinkörniger Schlackensande 0 bis 4 mm und für Körnungen bis 63 mm geeignet. 575

12 Dietmar Guldan Bild 5: Rotorschleuderbrecher RSMX für die Nachzerkleinerungsstufe der Edelstahlschlacke, Aufgabekörnung bis maximal 63 mm Bild 6: Funktionsprinzip des Rotorschleuderbrechers RSMX mit Ringpanzerung und Materialbett im Rotor, in dem das Aufgabegut intensiv beschleunigt wird 4.4. Aufbau und Wirkungsweise Rotorprallmühle Bei der Rotorprallmühle ist der Rotor, auf dem hufeisenförmige Schlagelemente aufgelegt sind, ebenfalls auf einer vertikal gelagerten Welle montiert. Bild 7: Rotorschleuderbrecher RSMX für die Nachzerkleinerungsstufe von Schlackensanden Das Material wird beim Auftreffen auf den Rotor durch Fliehkräfte erzeugt durch die hohe Rotorumfangsgeschwindigkeit (v max. = 70 m/s) nach außen beschleunigt, von den hufeisenförmigen Schlägern erfasst und gegen die Ringpanzerung geschlagen. Hier beginnt die Zerkleinerung durch die Prallwirkung. Das von der Ringpanzerung zurückprallende Material wird wiederum von den Schlägern erfasst, dabei durch einen erneuten Schlag zerkleinert und gegen die Ringpanzerung zurückgeschleudert. Dieser Vorgang läuft mehrmals ab und bewirkt eine intensive Zerkleinerung, bis das Mahlgut durch den Spalt zwischen Schlägerspitze und Ringpanzerung ausgetragen wird. Es entsteht ein sehr großes Zerkleinerungsverhältnis, so dass z.b. eine hohe Sandausbeute je nach Härte und Korngröße des Aufgabegutes von bis zu 80 % gegeben ist. Als variable Einflussgrößen stehen die Rotorumfangsgeschwindigkeit und die Spaltweite zwischen Rotor und Ringpanzerung zur Verfügung. Die Mühle wird wechselseitig im Rechts- und Linkslauf betrieben. 576

13 Aufbereitung von Edelstahlschlacken Bild 8: Funktionsprinzip der Rotorprallmühle RPM bei der Aufbereitung von Schlackensand Die Rotorprallmühle wird hauptsächlich für den bei der Aufbereitung der Edelstahlschlacke anfallenden Sand 0-4 mm eingesetzt. Hier werden letztendlich die im Schlackensand verbliebenen Metallgranalien bis 4 mm restlos frei geschlagen. Auf Grund der Spaltproblematik und auch aus verschleißtechnischen Gründen ist eine größere Aufgabekörnung für diese Maschine nicht sinnvoll. Die Schlackensande weisen stets eine hervorragend kubische Kornform auf. 5. Einsatzmöglichkeiten der Prallbrecher bei der Aufbereitung von Edelstahlschlacken Die folgenden Sieblinienbeispiele zeigen die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten der Prallbrecher. Eine wichtige Voraussetzung hierfür sind die entsprechenden Brechversuche im Technikum. Die Versuche werden mit Originalmaschinen mit verschiedenen Umfangsgeschwindigkeiten gefahren, um ein optimales Zerkleinerungsergebnis zu erzielen. Anschließend wird aus den Materialproben eine Siebanalyse erstellt. Die für den Kunden optimale Sieblinie wird für die weitere Berechnung und Auslegung eines Verfahrensschemas verwendet. Wichtige Kriterien sind dabei der Maschinendurchsatz, Bild 9: Maschinen zur Aufbereitung von Edelstahlschlacken im Technikum: Rotorshredder RS 2018 vorn, Prallbrecher PB 0806 dahinter als Vorbrecher Bild 10: Maschinen zur Aufbereitung von Edelstahlschlacken im Technikum: Rotorschleuderbrecher RSMX 1222 vorn, Rotorprallmühle RPM 1113 dahinter als Sekundär- bzw. Tertiärbrecher 577

14 Dietmar Guldan die Maschinenleistung, Rotorumfangsgeschwindigkeit, die anfallende Kornverteilung, die gewünschte Zielkornfraktion und die optimale Trennung Schlacke Metall. Durch die Versuche im Technikum wird die Investitionsentscheidung des Kunden zukunftssicher unterstützt Sieblinien Rotorshredder RS 2018 Edelstahlschlacke 63 bis 250 mm Die Sieblinien zeigen, dass die Edelstahlschlacke in dieser Größenordnung problemlos auf eine Korngröße von 0 bis 63 mm zerkleinert werden kann. Es wurde ein extrem festes, sehr grobstückiges Material aufgegeben. Für die Zerkleinerung ist eine mittlere Rotorumfangsgeschwindigkeit ausreichend, um das Brechgut 0 bis 63 mm dem Folgeprozess problemlos zuführen zu können. Im Austragsgut lagen die groben, massiven Siebdurchgang % ,09 0,25 0,50 1,00 Maschenweite (Quadratloch) der Prüfsiebe mm Aufgabekörnung Edelstahlschlacke 60 bis 250 mm Versuch 1 RS 2018 Edelstahlschlacke 60 bis 250 mm Versuch 2 RS 2018 Edelstahlschlacke 60 bis 250 mm Versuch 3 RS 2018 Edelstahlschlacke 60 bis 250 mm Versuch 4 RS 2018 Edelstahlschlacke 60 bis 250 mm Versuch 5 RS 2018 Edelstahlschlacke 60 bis 250 mm 2,00 3,15 4,00 5,00 6,30 8,00 11,20 16,00 22,40 31,50 45,00 63,00 90,00 120,00 200,00 250,00 315,00 Bild 11: Sieblinien und Korngrößenverteilung mit einem Rotorshredder RS 2018 nach dem Brechen von Edelstahlschlacke Aufgabekörnung 63 bis 250 mm 578

15 Aufbereitung von Edelstahlschlacken Metallteile freigelegt vor. Bei allen gefahrenen Umfangsgeschwindigkeiten war das Metall optisch sehr sauber. Außerdem erfolgte eine Aufmagnetisierung dieses Metalls, so dass eine Magnetseparierung nach der Maschine möglich ist. Um den Verschleiß der nachfolgenden Prallbrecher- und Separationstechnik so gering wie möglich zu halten, wird das Material nach dem Shredder auf eine Körnung von 0 bis 4 mm und 4 bis 22,4 mm abgesiebt. Der Sand 0 bis 4 mm ist das Aufgabematerial für die Rotorprallmühle, die Schlackenkörnung 4 bis 22,4 mm wird dem Rotorschleuderbrecher zugeführt. Das Überkorn größer 22,4 mm muss im Rücklauf wieder auf den Rotorshredder aufgeben werden Sieblinien Prallbrecher PB 0806 Edelstahlschlacke 16 bis 90 mm Die Sieblinien zeigen das Brechergebnis eines Prallbrechers PB 0806 beim Brechen von Edelstahlschlacke mit der Aufgabekörnung 12,5 bis 90 mm. Der Brecher wird dann als Vorbrecher eingesetzt, wenn das extrem grobkörnige Material im Aufgabegut nicht vorhanden ist. Die Aufgabekorngröße kann ohne weiteres auch auf den Rotorshredder Siebdurchgang % ,09 0,25 Maschenweite (Quadratloch) der Prüfsiebe mm Aufgabekörnung Edelstahlschlacke 12,5 bis 90 mm Versuch 1 PB 0806 Edelstahlschlacke 12,5 bis 90 mm Versuch 2 PB 0806 Edelstahlschlacke 12,5 bis 90 mm Versuch 3 PB 0806 Edelstahlschlacke 12,5 bis 90 mm Versuch 4 PB 0806 Edelstahlschlacke 12,5 bis 90 mm Versuch 5 PB 0806 Edelstahlschlacke 12,5 bis 90 mm 0,50 1,00 2,00 3,15 4,00 5,00 6,30 8,00 10,00 12,50 16,00 20,00 25,00 31,50 45,00 63,00 71,00 90,00 Bild 12: Sieblinien und Korngrößenverteilung mit einem Prallbrecher PB 0806 nach dem Brechen von Edelstahlschlacke Aufgabekörnung 12,5 bis 90 mm 579

16 Dietmar Guldan aufgegeben werden. Die Sieblinie zeigt die Zerkleinerung der Schlacke auf ein Körnungsband von 0 bis 22,4 mm. Nach entsprechender Siebung ist dieses Brechergebnis gleichzeitig die Aufgabekörnung für den Rotorschleuderbrecher oder die Rotorprallmühle. Die Spaltweite zwischen Schlagleiste und Prallplatten wurde hier auf 100 mm oben und 60 mm unten festgelegt Sieblinie Rotorschleuderbrecher RSMX 1222 Ringpanzerung Edelstahlschlacke 4 bis 22,4 mm Die Sieblinien zeigen das Brechergebnis des Rotorschleuderbrechers RSMX 1222 mit Ringpanzerung bei der Zerkleinerung von Edelstahlschlacke mit einer Körnung von 4 bis 31,5 mm. Es handelt sich dabei um das abgesiebte Material aus dem Rotorshredder oder auch aus dem Prallbrecher. Diese Korngrößenverteilung des Aufgabematerials ist Siebdurchgang % ,09 0,25 Maschenweite (Quadratloch) der Prüfsiebe mm Aufgabekörnung Edelstahlschlacke 4 bis 31,5 mm Versuch 1 Edelstahlschlacke 4 bis 31,5 mm Versuch 2 Edelstahlschlacke 4 bis 31,5 mm Versuch 3 Edelstahlschlacke 4 bis 31,5 mm Versuch 4 Edelstahlschlacke 4 bis 31,5 mm Versuch 5 Edelstahlschlacke 4 bis 31,5 mm 0,50 1,00 2,00 3,15 4,00 5,00 6,30 8,00 10,00 12,50 16,00 20,00 25,00 31,50 45,00 Bild 13: Sieblinien und Korngrößenverteilung mit einem BHS Rotorschleuderbrecher RSMX 1222 nach dem Brechen von Edelstahlschlacke Aufgabekörnung 4 bis 22,4 mm (mit Überkorn). 580

17 Aufbereitung von Edelstahlschlacken für die selektive Zerkleinerung des Schlacke-Metall-Verbundes im Rotorschleuderbrecher optimal. Die Schlacke wird beim Auftreffen auf die Ringpanzerung gleichmäßig zerkleinert und die Metallteile werden freigelegt. Durch den Aufprall der Edelstahlgranalien auf die Ringpanzerung erfolgt eine kurzzeitige Magnetisierung dieser Metallteile. Dieser Magnetisierungseffekt wird für die anschließende Separierung des Metalls genutzt. Das Brechgut wird hier ebenfalls bei 0 bis 4 mm abgesiebt und ggf. getrocknet, um es dann der Rotorprallmühle zuführen zu können Sieblinie BHS Rotorprallmühle RPM 1113 Edelstahlschlacke Sand 0 bis 4 mm Siebdurchgang % Bild 14: Maschenweite (Quadratloch) der Prüfsiebe mm Aufgabekörnung Edelstahlschlacke 0 bis 4 mm Versuch 1 RPM1113 Edelstahlschlacke 0 bis 4 mm Versuch 2 RPM1113 Edelstahlschlacke 0 bis 4 mm Versuch 3 RPM1113 Edelstahlschlacke 0 bis 4 mm Sieblinien und Korngrößenverteilung mit einer Rotorprallmühle RPM 1113 nach dem Brechen von Edelstahlschlacke Aufgabekörnung 0 bis 4 mm 581

18 Dietmar Guldan Die Rotorprallmühle eignet sich optimal für den Aufschluss des im Schlackensand 0 bis 4 mm enthaltenen Restmetalls. Durch die geringe Aufgabekorngröße wird der Verschleiß der Rotorprallmühle in Grenzen gehalten. Die Sieblinien zeigen deutlich, dass hier eine Feinmahlung und somit eine Trennung des Schlacke-Metall-Verbundes vorhanden ist. Eine Magnetisierung der kleinsten Metallteile im Sand erfolgt ebenfalls durch den Aufprall der Teilchen auf die Ringpanzerung. 6. Grundlage zur Planung von Anlagen zur Aufbereitung von Edelstahlschlacken Bunker und starrer Rost mm (Bären) Sieb 0-22,4 22, Magnet Metall Kastenbeschicker 0-22,4 mm Kastenbeschicker 22,4-63 mm Lesestation Steine mm Fremdstoffe Sieb mm ,4 Magnet Gemisch Schlacke Metall 22,4-63 Bunker Fremdstoffe Trockner optional 0-4 mm Separation Neodym unmag.= Schlacke 4-22,4 mm RS 0-63 (bis 400)mm Bunker Metall bis 400 mm Kastenbeschicker 0-4 mm Bunker 4-22,4 mm Schlacke Kastenbeschicker 4-22,4 mm Separation Neodym mag.=0-4 mm unmag. = Schlacke Absaugung RSMX 0-16 (22,4) mm Brechen/Polarisieren Absaugung 0-0,5 mm 0-0,5 mm Magnet Gemisch Schlacke + Metall Metall Bunker 0-0,5 mm Schlackenstaub RPM Sieb mm 0-2 (4) mm Ausschleusung Metall = Batchbetrieb Bunker 0-4 mm Schlacke ,4 Metall Ausschleusung Metall = Batchbetrieb Bunker Metall Bild 15: Verfahrensschema einer Aufbereitungsanlage für Edelstahlschlacke in drei Brechstufen mit dem Rotorshredder RS, dem Rotorschleuderbrecher RSMX und der Rotorprallmühle RPM 582

19 Aufbereitung von Edelstahlschlacken Das beschriebene Verfahrensschema beruht auf den Erkenntnissen aus der derzeit betriebenen Anlage der Firma TKMSS in Krefeld, den Ergebnissen aus einer Forschungsarbeit Aufbereitung von Edelstahlschlacken in Zusammenarbeit mit den Firmen TKMSS, dem Institut FEhS und der BHS Sonthofen sowie den im Rahmen dieses Forschungsprojektes durchgeführten Zerkleinerungsversuchen. Das Anlagenschema ist in drei Aufbereitungsstufen aufgegliedert: Primärstufe Grobzerkleinerung mit dem Rotorshredder der s.g. Steine und Bären, Sekundärstufe Zerkleinerung der mittleren Kornfraktionen z.b. 4 bis 22,4 mm mit dem Rotorschleuderbrecher, Tertiärstufe Zerkleinerung der Fein- und Sandfraktion 0 bis 4 mm mit der Rotorprallmühle. Die Separationstechnik wurde den Austragsergebnissen aus diesen drei Zerkleinerungsstufen entsprechend den Eigenschaften der Edelstahlschlacke, dem Mengenanfall und dem Bedarf an verschiedenen Schlackenfraktionen optimal angepasst. Zum Separieren der Fraktionen 0 bis 4 mm und 0 bis 22,4 mm haben sich Spannwellensiebe optimal bewährt. Das dargestellte technologische Verfahren könnte somit die Basis für eine Anlagenplanung sein Primärstufe Vorzerkleinerungsstufe Rotorshredder Als Primärbrecher kommt der Rotorshredder Pos.100 zum Einsatz. Damit kann die Aufgabekorngröße auf 400 mm angehoben werden. In diesem Falle muss die Lesestrecke Pos. 700 vor dem Brecher angeordnet werden. Dies ist notwendig, um Fremdstoffe (Holz, Plastik, Kabelreste) vor dem Brecher zu entfernen. Dieses Material würde durch den Shredder so stark zerkleinert, dass es im Endprodukt 0 bis 22,4 mm wieder zu finden wäre. Der vor dem Leseband Pos. 300 installierte Metalldetektor soll dem Klauber anzeigen, wenn ein großes, massives, freies Metallstück auf dem Band liegt. Die Siebmaschine Pos. 300 trennt das Frischmaterial 0 bis 400 und das Shredderrücklaufmaterial in 0 bis 22,4 mm und 22,4 bis 63 mm und 63 bis 400 mm. Durch die Beanspruchung im Rotorshredder wird die Schlacke auf 0 bis 22,4 mm zerkleinert. Die Fraktion größer 22,4 mm wird erneut über den Shredder geleitet. Dabei wird das bereits freigelegte Metall vom Magneten Pos. 601 vor dem Shredder herausgezogen, die Schlacke mit eventuellem Metalleintrag kleiner 22,4 mm wird in der Nachzerkleinerungsstufe weiter zerkleinert. Unter diesen verfahrenstechnischen Bedingungen kann der Rotorshredder Pos. 100 mit mittlerer Geschwindigkeit, etwa 60 m/s, betrieben werden. Bei ausreichender Zerkleinerungswirkung wirkt sich das positiv auf die Durchsatzleistung, den Verschleiß, den Energieverbrauch und die Staubluftmenge aus. Durch die Nutzung des Magnetisierungseffektes direkt hinter dem Shredder wird sehr viel Metall mit hoher Reinheit aus dem Materialstrom separiert. 583

20 Dietmar Guldan 6.2. Sekundärstufe Nachzerkleinerungsstufe Rotorschleuderbrecher Die Nachzerkleinerungsstufe hat die Aufgabe die in der Grobzerkleinerungsstufe anfallende Fraktion 0 bis 22,4 mm weiter aufzuschließen. Durch das Sieb Pos. 301 wird die Fraktion 0 bis 22,4 mm in die Sandfraktion 0 bis 4 mm und die Fraktion 4 bis 22,4 mm getrennt. Beide Fraktionen werden separat über Starkfeldmagnete geleitet. Hier erfolgt eine Trennung in unmagnetisches Material (Schlacke) und in magnetisches Material (Metall oder Metall mit Schlacke ummantelt). Der Sand 0 bis 4 mm sollte für die Weiterverarbeitung getrocknet werden. Vom Rotorschleuderbrecher Pos. 101, mit Ringpanzerung, wird die Schlacke zerkleinert und dabei das enthaltene Metall aufgeschlossen und aufmagnetisiert. Durch den unmittelbar hinter dem Brecher positionierten Magneten wird das hochwertige Metall separiert. Das Material (Gemisch Schlacke Metall) Bild 16: Rotorschleuderbrecher RSMX 0913 in einer Aufbereitungsanlage für Edelstahlschlacke wird dann auf die Spannwellensiebmaschine Pos. 302 aufgegeben und in die Fraktionen 0 bis 4 mm, 4 bis 16 mm und 16 bis 22,4 mm getrennt. Bei dem Anteil 16 bis 22,4 mm sollte es sich vorwiegend um nichtmagnetisches, nicht magnetisierbares, sehr reines Metall handeln. Die Fraktion 4 bis 16 mm kann wahlweise mehrere Umläufe über den Rotorschleuderbrecher absolvieren, um es dann erfahrungsgemäß als reines Metall auszuschleusen. Das reine Metall kann aber ebenso mittels Magnetscheider (Neodym) oder Induktionsscheider aus dem Maschinenkreislauf entfernt werden Tertiärstufe Nachzerkleinerungsstufe Rotorprallmühle In der Praxis haben die Untersuchungen gezeigt, dass es möglich ist, aus der Fein- bzw. Sandfraktion 0 bis 4 mm ebenfalls hochwertiges Metall zu separieren. Das Sand-Metall-Gemisch wird dabei zuerst über einen Neodymmagneten geleitet um die unmagnetische Schlacke vorab auszuschleusen. Die magnetische Schlacke ist das Aufgabematerial für die Rotorprallmühle. Hier erfolgt dann die Reinigung der vorhandenen Metallteilchen vom Schlackensand. Die Separation Schlacke Metall erfolgt dann wiederum durch die Rückführung des Materialgemisches auf den Neodymmagneten. Die Fraktion 0 bis 4 mm kann auch wahlweise mehrere Umläufe im Batchbetrieb über die Rotorprallmühle absolvieren. Das reine Metall kann dann per Sichtkontrolle oder über Neodymscheider aus dem Maschinenkreislauf ausgeschleust werden. 584

21 Aufbereitung von Edelstahlschlacken 7. Versuche, Probeentnahmen und Auswertungen Auf der Grundlage der im Technikum durchgeführten Versuche wird unter Berücksichtigung der technologischen sowie kapazitiven Gegebenheiten und Vorstellungen des Kunden bzw. des Anlagenherstellers ein Verfahrensschema für die Aufbereitung von Edelstahlschlacken erstellt. Die prozentualen Anteile der einzelnen Fraktionen werden dem Versuchsprotokoll entnommen. Die Größe der Maschine und die damit erzielbaren Durchsätze und elektrischen Leistungen werden ebenfalls an Hand der Versuche bestimmt und berechnet. Im Verfahrensschema kann dann genau nach der Mengenangabe des Kunden die Größe und Anzahl der in der Anlage benötigten Maschinen angegeben werden. Für die Auslegung der Siebtechnik und Separationstechnik sind diese Angaben von höchster Wichtigkeit. Diese Werte sind unter anderem Richtwerte für die Berechnung der benötigten Siebflächen innerhalb der Anlage. Eine detaillierte Anlagenübersicht mit den genauen Standorten der Zerkleinerungstechnik, der Siebtechnik, der Fördertechnik usw. wird dann vom Anlagenhersteller erstellt. Der aus der Aufbereitung der Edelstahlschlacke erzielte Metallanteil wird durch gezielte Probeentnahmen aus der Aufbereitungsanlage im Labor ausgewertet und ermittelt. Aus der Dichte der Gesamtprobe, der Dichte des Metalls und der Dichte der Schlacke ohne Metall lässt sich der Metallgehalt berechnen. Die Dichte des Materials wird dabei über das Pyknometerverfahren für Körnungen bis maximal 31,5 mm und dem Drahtkorbverfahren für Körnungen größer 31,5 mm bestimmt [3]. 8. Zusammenfassung Bei der Aufbereitung von Edelstahlschlacke steht die Rückgewinnung der Metalle unter Nutzung des Effekts der Selektiven Zerkleinerung im Vordergrund. Die metallfreie Schlacke wird als Baumaterial im Wege- und Deponiebau weiter genutzt. Dazu sind im Folgenden die wichtigsten Kriterien und Faktoren zusammengefasst: Edelstahlschlacke ist sehr spröde, lässt sich sehr leicht zerkleinern und bildet schon bei niedrigen Umfangsgeschwindigkeiten einen hohen Anteil kleiner 4 mm. Die Kornform der Brechprodukte ist sehr gut und liegt durchgängig bei > 95 % kubischem Korn. Bei der Prallzerkleinerung Rotorshredder (Prallbrecher), Rotorschleuderbrecher, Rotorprallmühle erfolgt ein wesentlich besserer Aufschluss der Metallanteile als bei der Druckzerkleinerung (Kegelbrecher, Backenbrecher). Damit liegen nach der Prallzerkleinerung Metallbestandteile in relativ hoher Reinheit im Brechgut vor. Wegen der Wahrscheinlichkeit von versteckten massiven Metallbestandteilen in der Schlacke, muss bei Maschinen, welche mit einem Spalt arbeiten, die Aufgabekorngröße begrenzt werden. 585

22 Dietmar Guldan Der Rotorshredder ist mit den derzeit verfügbaren Baugrößen und Ausführungen für die Primärzerkleinerung der Edelstahlschlacke sehr gut geeignet. Aus maschinentechnischer Sicht sollte die Aufgabekorngröße auf kleiner 400 mm begrenzt werden. Durch die Prallzerkleinerung kommt es zu einer Aufmagnetisierung der Metallanteile, welche es ermöglicht, mittels geeigneter Magnettechnik einen hohen Anteil an Metall in guter Reinheit zu separieren. Mit der Rotorprallmühle ist es möglich, den Schlackensand 0 bis 4 mm noch zu zerkleinern. In dieser Korngröße ist ebenfalls ein sehr guter Trenneffekt Schlacke Metall und die Magnetisierung des Metalls gegeben. Der Reinmetallgehalt der separierten Metallbestandteile < 22,4 mm liegt zumeist bei größer 80 %. Das geeignete Zerkleinerungsprinzip für die Aufbereitung von Edelstahlschlacken ist die Prallzerkleinerung. Die bauliche Variabilität der verschiedenen Prallzerkleinerungsmaschinen innerhalb einer verfahrenstechnischen Systemkette (von einer Aufgabekorngröße bis 400 mm bis zu Schlackensand 0 bis 4 mm) bewirkt in einem sehr hohen Maße die individuell auf die Zerkleinerungsaufgabe abgestimmten Ergebnisse. 9. Literaturverzeichnis [1] Mudersbach, D.: Report Dezember 2009 Innovatives Verfahrenskonzept zur Abtrennung von hochlegiertem Stahl aus Edelstahlschlacken zur nachhaltigen Ressourcenschonung. FEhS Institut für Baustoff-Forschung e.v. [2] FGSV-Merkblatt über Verwendung von Eisenhüttenschlacken im Straßenbau. Ausgabe 1999, Stand [3] Winkels, M. A.: Zerkleinerung von Schlacke Kleinbären im Hinblick auf das Herauslösen von enthaltenen Metallbestandteilen. Hochschule Bochum,Abschlussarbeit zur Erlangung des akademischen Grades Bachelor of Engineering 586