Schlackendesign für die Fasererzeugung aus eisenarmgeschmolzenem Rotschlamm

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1 Aschen, Schlacken, Stäube; , Berlin Schlackendesign für die Fasererzeugung aus eisenarmgeschmolzenem Rotschlamm Friedrich, B.; Kaußen, F. (RWTH Aachen) Balomenos, E.; Panias,D.; Papaliaris, I. (NTUA Athen) IME Metallurgische Prozesstechnik und Metallrecycling, RWTH Aachen University Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Bernd Friedrich

2 Rotschlammanfall Quelle: AOS Ständig steigende Aluminiumnachfrage und - produktion führt zu steigendem Rotschlammaufkommen Erwartet werden ca. 120 mio t Rotschlamm pro Jahr

3 Rotschlammzusammensetzung Calciumaluminat Hauptkomponenten: in ppm Ga Sc Y Ce La Nd Nebenkomponenten Vorkommende mineralische Phasen: in Gew.-% In Gew.-% Hämatit/ Goethit Silica Sodalit Cancrinit Boehmit Gibbsit Calcit Perovskit Rutil Anatas Kaolinit

4 Verwendeter Rotschlamm Rückbau und Vermeidung von Rotschlammdeponien Primärziel: Rückbau bestehender Altdeponien in Gebieten intensiver Flächennutzung Rotschlammdeponie Lünen (ehem. VAW) - Betrieb Fläche 25 ha, - 5 mio m³ (~18 mio t) - Wet-Discharge Verfahren - Rotschlamm aus 5 Jahrzehnten verschiedener Herkunft, Phasen und Al-Gehalte Hauptkomponenten Al 2 O 3 Fe 2 O 3 SiO 2 CaO TiO 2 Na 2 O in Gew.-% 27 29,5 13,1 3,8 8 7

5 Produkte Fe-Armschmelzen von Rotschlamm Roheisen % wt %Fe 87.09% %C 4.05% %S 0.05% %P 0.20% %Si 1.70% %Ti 0.45% %V 0.28% %Cr 4.43% TOTAL 99.83% Fe % Recovery 97% Schlacke % wt % Na 2 O 1.89% %MgO 4.65% % Al 2 O % % SiO % % - SO % % CaO 29.65% %TiO % % Cr 2 O % % Fe 2 O % %C 0.49% TOTAL % Basizität 1.05 Enthält 31%wt des Rotschlammeinsatzes Enthält 43% wt des Rotschlammeinsatzess

6 Kurzvideo Fe-Armschmelzen von Rotschlamm am IME

7 Rotschlamm - Interessenslage Wirtschftl. Interessen Basismetalle (Al, Fe) strategische Metalle (Ga, Sc) Vermeidung teurer Deponierung Politisch/gesellschaftl. Interessen Rückgewinnung von Nutzraum Umweltschutz Versorgungssicherheit Besondere Zusammensetzung Einfluss von Verwitterung seit 50 Jahren Hohe Restgehalte an Wertmetallen Abtrennung und Gewinnung von Eisen und evtl. Aluminium ist naheliegend, aber Hauptherausforderung: Aus der verbleibenden Mineralphase ein werthaltiges Produkt herzustellen: Ansatz I: Herstellung von technischen (Verstärkungs-) Glasfasern Ansatz II: Herstellung von Glaswolle (Dämmmaterial)

8 Anfangsbedingungen und Ansatz I Glasfaser Oxide in wt.-% E-Glas für Allgemeine Anwendung en [D13 00] E-Glas R&G Rotschlamm Master Schlacke 0,3 Rotschlamm Master Schlacke 0,5 Hauptkomponenten zur Glasherstellung sind vorhanden Hauptsächlich SiO 2 muss hinzugefügt werden Weitere Kalkzugabe möglich SiO ,66 23,98 Al 2 O ,51 26,13 CaO ,09 11,31 TiO 2 0-1,5-16,01 21,26 Fe 2 O 3 0,05-0,8 0 2,00 2,00 Na 2 O <1 16,01 9,28 Li 2 O 0-2 (Summe) K 2 O MgO 0-5 <5 0 0 B 2 O Cr 2 O ,19 0,7 Durch die Zugabe von Additiven Verdünnung der Komponenten, die erhöhte Werte aufweisen (TiO 2, Al 2 O 3 ) Grundvoraussetzung für die Erzeugung von Glasfasern: Unterbindung von Kristallisation Niedrige Liquidustemperatur Schlackendesign nötig

9 Vereinfachte Ausgangslage und Zielbereich - Ansatz I Blau: Ausgangszusammensetzung Grün: Zielbereich Quelle: Schlackenatlas. Verlag Stahleisen, 1981

10 SiO 2 -Zugabe zur Verringerung der Liquidustemperatur Liquidustemperatur [ C] mol SiO 2 in Zugab zu 70 mol RS-Schlackee Enges Prozessfenster, beste Additivmenge: 29 mol SiO mol CaO (entspricht ca. 20 Gew.-% Zuschläge (19 % SiO 2, 1 % CaO) pro kg Rotschlamm)

11 Ansatz 1 (Glasfaser) - Schwierigkeiten Bisher: Vernachlässigung des Begleitelemente TiO 2 Bildung von Ausscheidungen, die Kristallisation begünstigen und eine amorphe Glasphase verhindern Erste Kristallisation von TiO 2 bei 1310 C Bei weiterer Additivzugabe: Erste Kristallisation erst bei 1210 C

12 Erfolgreiches Fasernziehen Mineralphase Glasfasern Faser Gelaugter Rotschlamm Reduzierendes Reduzierendes Einschmelzen Einschmelzen Metallphase

13 Ansatz II: Mineralwolle ausgezeichnetes anorganisches Wärmeund Schalldämmmaterial für privaten und gewerblichen Gebrauch Stein- und Glaswolle dominiert aktuell den europäischen Markt für Wärmedämmung Lose Füllung Matte

14 Spezifikationen von Mineralwolle Kontinuierli che Glasfaser Glasswolle Steinwolle Schlackenw olle Hochtemper aturwolle Hochtemper atur- Glaswolle Siliziumarme Steinwolle Dämmwolle Faser für Spezialanwe ndung SiO Al 2 O < CaO < 1 MgO < 1 MgO + CaO BaO ZnO Na 2 O < 1 K 2 O < 1 Na 2 O + K 2 O < B 2 O < 1 < 1 < 1 Fe 2 O < 1 FeO TiO ZrO Al 2 O 3 + TiO 2 < 6 + ZrO 2 P 2 O 5 < F S 0 2 SO Li 2 O Typische chemische Zusammensetzungen, in Gewichtsprozent, für verschiedene Klassen von wirtschaftlich bedeutenden Mineralwollen.

15 BR Mineralwolle-Produktion im Technikum ENEXAL Schlackenschmelze innerhalb empirischer Indizes Faser mit guter Qualität: λ = 0,034 W /(mk) [UNI EN 12667] Durchschnittlicher Faserdurchmesser 7 µm Helle Farbe (niedriger Mn-Gehalt) Hohe mechanische Belastbarkeit durch hohen TiO 2 -Gehalt Schlacke No. 1 No. 2 Fe 2 O SiO CaO Al 2 O Cr 2 O MgO TiO Na 2 O

16 Prozessschema Rotschlammschlacke Gleichzeitige Herstellung von Mineralwolle und Roheisen verbessert insgesamt die Ressourceneffizienz und führt zu einem signifikanten wirtschaftlichen Vorteil in der Glaswolle-Produktion

17 Morphologie der erzeugten Glaswolle ENEXAL BR Mineralwolle Kommerzielle Mineralwolle

18 Zusammenfassung und Markteintrittsbarrieren Roheisen: Keine Barriere Mineralwolle: Pro Tonne Roheisen entstehen 2t Schlacke, woraus wegen der Zuschlagsstoffe ca. 3-4t Mineralwolle entstehen große Mengen an Mineralwolle fallen an Transportkosten für leichte Mineralwolle beschränken den Einsatz auf naheliegende Einsatzorte Für einen stabilen Prozess sind hohe Zugaben von Zuschlagstoffen nötig Eisenarmgeschmolzener Rotschlamm wird dadurch eher Zuschlagstoff zur Faserherstellung als Ausgangsmaterial, was aber hilft natürliche Ressourcen zu schonen Ergänzende Verfahren müssen betrachtet werden, für eine vollständige Aufbereitung aller Nebenprodukte

19 Danksagung Die Forschungsarbeiten zum Thema technische Glasfasern aus Rotschlamm wurden finanziell unterstützt durch das BMBF (R3-033R085) Die Forschungsarbeiten zum Thema Glaswolleherstellung aus Rotschlamm wurden finanziell unterstützt durch die EU (ENER/ FP7EN/249710/ENEXAL)

20 Aschen, Schlacken, Stäube; , Berlin Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! IME Metallurgische Prozesstechnik und Metallrecycling, RWTH Aachen University Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Bernd Friedrich