AT400037B - Verfahren zum herstellen von stahl und hydraulisch aktiven bindemitteln - Google Patents

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Description

AT 400 037 B
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Stahl und hydraulisch aktiven Bindemitteln, wie z.B. Hochofenschlacke, Klinker od. dgl.
Bei der Stahlherstellung entsteht Stahlschlacke, welche einen relativ hohen Eisenoxidgehalt, bedingt durch den Frischeprozeß enthalt. Übliche Stahlschlacke enthält MnO und FeO in einem Ausmaß, welches bis zu 33 Gew.% beträgt.
Wahrend Hochofenschlacke sich durch günstige hydraulische Eigenschaften und durch einen wesentlich geringeren Eisenoxidgehalt auszeichnet und damit einer Verwertung als Baugrundstoff leichter zugeführt werden kann, bereitet die Entsorgung von Stahlwerksschlacken zunehmend Schwierigkeiten, da die Stahlwerksschlacke in der anfallenden Zusammensetzung, d.h. ohne nachträgliche metallurgische Bearbeitung, nicht ohne weiteres für Bauzwecke od. dgl. verwendbar ist. Es wurde bereits vorgeschlagen, Stahlwerksschlacken gemeinsam mit Hochofenschlacken zu granulieren und als Schüttungsmaterial im Straßenbau zu verwenden. Der relativ hohe CaO-Gehalt der Stahlwerksschlacke läßt aber auch hier nur den Einsatz von begrenzten Mengen an Stahlwerksschlacke zu.
Eine metallurgische Aufarbeitung der Stahlwerksschlacke, um zu einem höherwertigen Produkt zu gelangen, ist in der Regel mit hohem Energieverbrauch verbunden und dadurch nicht ohne weiteres wirtschaftlich.
Die Erfindung zielt nun darauf ab, Stahlwerksschlacke der eingangs genannten Art unmittelbar in einem Stahlwerk weiter aufzubereiten, um in ein besser verwertbares Endprodukt, nämlich in hydraulisch aktive Bindemittel, umzuwandeln. Zur Lösung dieser Aufgabe besteht das erfindungsgemäße verfahren darin, daß Roheisen durch Zusatz von Stahlschlacke gefrischt wird. Bei diesem Verfahren wird somit der hohe Eisenoxidgehalt der flüssigen Stahlschiacke ausgenützt, um flüssiges Roheisen, welches einen relativ hohen Kohlenstoff- und Siliziumgehalt aufweist, zu frischen. Grund-sätzlich setzt sich hiebei Eisenoxid mit Kohlenstoff bzw. Eisenkarbid zu Eisen und Kohlenmonoxid um, wohingegen das Eisenoxid der Schlacke gemeinsam mit dem Silizium des Roheisenbades zu Eisen und SiÜ2 reagiert Diese Reaktionen sind teilweise exotherm, sodaß eine hohes Maß an Wirtschaftlichkeit erzielt wird. Durch die Reduktion des Eisenoxidgehaites in der Stahlschiacke, da dieses ja für die Oxidation des Roheisenbades Verwendung findet und die oben genannten hauptsächlichen Reaktionen kann der Eisenoxidgehalt der Schlacke auf etwa ein Drittel seines ursprünglichen Wertes ab gesenkt werden, wobei sich durch diese Reduktion des Eisenoxides insgesamt die Mengenanteile der anderen Komponenten der Stahlschlacke in ihrem Anteil an der Gesamtschlacke erhöhen. Es kann somit eine Schlackenanalyse erzielt werden, welche nicht mehr der ursprünglichen Stahlschlackenanalyse entspricht, welche sich jedoch durch äußerst günstigen hydraulischen Modul und einen überaus hohen Alitgehalt auszeichnet. Auch wenn das auf diese Weise erzielte Schlackenendprodukt, welches als Zementklinker bezeichnet werden kann, nicht einem genormten Portlandzementklinker entspricht, wird ein höchstwertiger Alitzementklinker erhalten, der als eine überaus günstige Basis für eine Mischung mit anderen hydraulischen oder latent hydraulischen Stoffen geeignet ist. Insbesondere eignet sich der auf diese Weise erhältiche Zementklinker für eine Mischung mit Puzzolanen, wobei eine besonders hohe 28-Tagefestigkeit erzielt werden konnte.
Wesentlich für die eingangs erwähnten grundsätzlichen Reaktionen, wie sie im Roheisenbad ablaufen, ist die Einhaltung relativ hoher Temperaturen. Trotz der zumindest teilweise exothermen Reaktion kann durch Wärmeverluste die erforderliche Temperatur absinken, wobet die Verlustwärme in besonders einfacher Weise über Badelektroden wiederum eingebracht werden kann. Das Schmelzbad kann aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung in besonders einfacher Weise als elektrischer Widerstand, und das Roheisenbad als Gegenelektrode verwendet werden. In allen Fällen ist es für eine besonders wirtschaftliche Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und vor allen Dingen, um die gewünschten Reaktionen in einer annehmbaren Zeit zu Ende zu führen, erforderlich, daß die flüssige Stahlschlacke bei Temperaturen von über 1550* C, insbesondere 1600" C, und flüssiges Roheisen bei Temperaturen von 1450 bis 1550* C eingesetzt wird, wobei mit Vorteil so vorgegangen wird, daß die flüssigen Phasen gemeinsam 4 bis 8 Stunden, insbesondere etwa 6 Stunden bei Temperaturen über 1550* C, insbesondere etwa 1660" C, gehalten werden. Für die Ergänzung der Verlustwärme wird mit Vorteil so vorgegangen, daß als Mischgefäß ein elektrisch beheizbarer Kipp-Konverter eingesetzt wird.
Der Eisenoxidgehalt der Schlacke vermindert sich entsprechend dem Mengenverhältnis Schlacke zu Roheisen, wobei naturgemäß immer nur Gleichgewichtsreaktionen erzielt werden, sodaß eine vollständige Umsetzung des Eisenoxidgehaltes nicht ohne weiteres denkbar ist. Eine besonders wirtschaftliche und effiziente Verfahrensweise ergibt sich dann, wenn flüssiges Roheisen der flüssigen Schlackenphase in Gewrchtsmengen von 1 zu 2 bis 1 zu 3 zugesetzt wird.
Der flüssige Zementklinker kann in üblicher Technologie weiterverarbeitet werden. Mit Vorteil wird die reduzierte Schlacke einer Klinkerkühl- und Granuliervorrichtung zugeführt, wobei in besonders einfacher 2
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Weise der Klinker mit Luft im Direktverfahren gekühlt wird.
Auch das gefrischte flüssige Roheisen, welches bereits weitgehend einer Stahlzusammensetzung entspricht, kann anschließend nach bekannten Stahlnachbehandlungsverfahren weiterverarbeitet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Beispiel 1:
Einem Teil Stahlschlacke wurde 0,5 Gewichtsteile flüssiges Roheisen zugesetzt, wobei die beiden Phasen gemeinsam 6 Stunden bei 1660’ C gehalten wurden. Bei der Umsetzung entwickelten sich je kg Stahlschlackenschmelze 35 g Kohlenmonoxid, entsprechend 28 Normlitem. Die Stahischlacke wies folgende Analyse auf:
SiOa 8 AI2O3 7 CaO 45 MgO 5 MnO + FeO 30,5 TiOj 1
Das Roheisen wies nachfolgende Analyse auf:
Si 4 C 5 Fe 91
Nach sechsstündiger Reaktion veränderten sich die Schlackenanalyse und die Stahlanalyse im nachfolgenden Sinne:
Schlackenanalyse (%) S1O2 13 AI2O3 8,9 CaO 60 MgO 6,4 MnO + FeO 10,5 ΠΟ2 1.3
Stahlanalyse (%) Si 0 C 2 Fe 97
Bei der Bewertung der Schlacke, welche als Zementklinker zum Einsatz gelangte, erfolgte eine übliche zementtechnologische Bewertung, welche folgende Werte ergab. In der nachfolgenden Tabelle sind auch die typischen Bereiche für Portlandklinker zum Vergleich angeführt. 3
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Kriterium Wert typischer Bereich (Portland-Klinker) Hydraulischer Modul 1,85 1,7-2,3 Silikatmodul 0,67 1,8-3,2 Kieselsäuremodul 1,46 2,5 - 3,5 Tonerdemodul 0,85 1,5-2,5 Kalkstandart 112 0,8 - 0, 95 Alitgehalt (C3S) 70,7
Insgesamt wurde ein höchstwertiger Alitzementklinker erhalten. Die 28-Tagefestigkeit nach DIN 1164 betrug 62 N/mm2, was als extrem hoch eingestuft werden kann. Es handelt sich allerdings nicht um einen genormten Portlandzementklinker, wobei dann, wenn ein der Norm entsprechender Portlandzementklinker erwünscht wird, eine weitergehende Reduktion des Eisenoxides und eine geringe Zugabe von Additiven, wie beispielsweise von Tonen zur Anhebung der S1O2- und AI2O3-Gehalte möglich wäre.
Beispiel 2:
Zur Umsetzung der in Beispiel 1 bereits angeführten Stahlschlacke in eine Zielschlacke, welche als Hochofenschlacke bezeichnet werden könnte und nachfolgende Zusammensetzung aufweisen soll: % Zielschlacke S1O2 36,5 AfeOs 8,5 CaO 48 MgO 5,5 MnO + FeO 0 TiQz 1,5 muß die ursprüngliche Stahlschlacke zur Zielschlacke reduziert werden. Je kg Stahlschlacke wird 733 g Roheisen benötigt, wobei 950 g Stahl gebildet wird und 60 g C0 bzw. 48 Normliter CO freigeset2t werden. Zusätzlich wurden zur Herstellung der oben genannten Zielschlacke 225 g Quarzsand zugesetzt. Die Roheisen- und
Stahlzusammensetzung ist in der nachfolgenden Tabelle angegeben: % Roheisen Stahl Si 4 0 C 5 1,5 Fe 91 98
Die Schmelztemperatur betrug etwa 1600* C, und es wurde eine Redoxzeit von ungefähr 4,5 Stunden eingehalten. Die gebildete Hochofenschlacke ist als hydraulisch aktives Bindemittel ausgezeichnet verwendbar. Die diesbezüglichen Kenndaten wurden wie folgt bestimmt:
Hydraulischer Index (Keil) = 92 % (sehr gut)
Puzzolanität (ASTM C 618) = 118 (ausgezeichnet)
Insgesamt lassen sich somit durch Zugabe von S1O2 und gegebenenfalls AI2O3-Trägern wie Tonen, Quarzsand und Bauxit optimierte Hochofenschlacke hersteilen, wobei gleichzeitig die Schmelzviskosität erheblich vermindert wird. Bei der Reduktion derartiger Schmelzen lassen sich Stahltröpfchen leichter durch Sedimentieren abschalten, sodaß der freie Eisengehalt im hydraulischen Bindemittel wesentlich herabgesetzt werden kann. 4

Claims (7)

  1. AT 400 037 B Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einfacher Weise in einem Stahlwerk vorgenommen werden. Unter der Annahme eines stündlichen Schlackenanfalles von etwa 15 t müßte ein Konverter mit etwa 125 t aktivem Gewicht, bzw. 35 m3 aktivem Volumen eingesetzt werden, um jeweils 90 t Stahlschlacke bzw etwa 30 m3 mit ungefähr 341 Roheisen (etwa 5 m3) vermischen zu können. Die Klinkerphase wird getrennt vom Stahl abgezogen und in ein Mischgefäß abgestochen, wo die Fertigstellung erfolgt. In diesem Mischgefäß kann beispielsweise durch die Zugabe von Additiven, wie beispielsweise von Tonen, und weitere Reduktion eine Veredelung zu Portlandzementklinker erfolgen. Im übrigen kann aber in einem derartigen Mischgefäß in erster Linie ein Ausgleich von Schlackenfluktuationen erfolgen. Die Klinkerkühl- und Granuliervorrichtung kann mit Luft im Direktverfahren gekühlt werden. In solchen Fällen wird Luft bei Temperaturen von 20' C auf etwa 1100' C erwärmt, und der Klinker von etwa 1600* C auf 250* C abgekühlt Die gebildete Menge CO stellt eine weitere Energiequelle dar. Das CO fällt bei Temperaturen von etwa 1600* C an und beinhaltet somit neben der latenten chemischen thermischen Energie auch fühlbare Wärme. Wenn bei entsprechend gut isoliertem metallurgischem Behälter mit einem Wärmeverlust von maximal 30 % gerechnet wird, bedeutet dies, daß das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung vom Stahl und Klinker exotherm betrieben werden könnte, wenn die gebildeten brennbaren Gase optimal verwertet werden können. Insgesamt läßt sich durch das erfindungsgemäße Verfahren in besonders einfacher Weise eine schwer weiterverwertbare Stahlschlacke zu Erzzementtklinker umwandeln, wobei gleichzeitig Frischarbeit geleistet wird. Der erfindungsgemäße Prozeß erlaubt es weiters, große, in konventionellen Prozessen nicht ohne weiteres verwertbare Wärmemengen auszunutzen, und auf diese Weise auch die Emission an Gasen, insbesondere CO2, herabzusetzen. Patentansprüche 1. Verfahren zum Herstellen von Stahl und hydraulisch aktiven Bindemitteln, dadurch gekennzeichnet, daß Roheisen durch Zusatz von Stahlschlacke gefrischt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß flüssige Stahlschlacke bei Temperaturen von über 1550” C, insbesondere über 1600* C, und flüssiges Roheisen bei Temperaturen von 1450' C bis 1550' C eingesetzt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß flüssiges Roheisen der flüssigen Schlackenphase in Gewichtsmengen von 1 zu 2 bis 1 zu 3 zugesetzt wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssigen Phasen gemeinsam 4 bis 8 Stunden, insbesondere etwa 6 Studen bei Temperaturen über 1550' C, insbesondere etwa 1660* C, gehalten werden.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Mischgefäß ein elektrisch beheizbarer Kipp-Konverter eingesetzt wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß die reduzierte Schlacke einer Klinkerkühl- und Granuliervorrichtung zugeführt wird.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet daß der Klinker mit Luft im Direktverfahren gekühlt wird. 5
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