DE10084841B4

DE10084841B4 - Brikett, geeignet zur Verflüssigung von Hüttenschlacke, und die Brikett-Herstellungsmethode

Info

Publication number: DE10084841B4
Application number: DE10084841T
Authority: DE
Inventors: Volf Michajlowitsch Leschinsky; Alexandr Nikolajewitsch Stepanenko; Viktor Ivanowitsch Boldenkow; Ljubow Arsentevna Nikitina; Karel Knap
Original assignee: Impexmetal Dobris S R O; IMPEXMETAL DOBRIS SRO
Current assignee: Impexmetal Dobris S R O; IMPEXMETAL DOBRIS SRO
Priority date: 1999-08-23
Filing date: 2000-08-14
Publication date: 2005-04-07
Anticipated expiration: 2020-08-15
Also published as: ES2200716A1; DE10084841T1; WO2001014605A1; US6602316B1; AU6554300A; PL353178A1; SK1452002A3; ES2200716B1

Abstract

Brikett zur Verflüssigung von Hüttenschlacke, das aus einer Mischung geschaffen ist, die aus Schlacke aus der sekundären Aluminiumverarbeitung, als Hauptkomponente, aus einem polymeren Bindemittel und aus Wasser besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung folgendes enthält:
85 bis 98 Gewichts-% Schlacke aus der sekundären Aluminiumverarbeitung,
1 bis 8 Gewichts-% Polyvinylazetat-Dispersion,
als polymeres Bindemittel
und ein Rest Wasser,
und dass das Brikett Wasser als Restfeuchtigkeit in einer Menge von bis zu 1,5 Gewichts-% enthält, bezogen auf das Gesamtgewicht des Briketts, wobei das Brikett ein spezifisches Gewicht von 1500 bis 5000 kg/m³ und eine Druckfestigkeit von mindestens 20 MPa aufweist.

Description

Bei der Herstellung von Aluminium entstehen Schlacken mit verschiedenem Gehalt an Begleitelementen und deren Verbindungen. Die Schlacke aus der sekundären Aluminiumverarbeitung ist zur Zeit Abfall bei der Aluminiumherstellung und nimmt in Form von Halden große Nutzflächen ein. Außer der Tatsache, dass diese Schlacke auf Halden gelagert wird, zersetzt sie sich unter dem Einfluss atmosphärischer Bedingungen, scheidet übelriechendes und schädliches Ammoniak aus und trägt so erheblich zur Umweltbelastung bei. Während der Lagerung erhält diese Schlacke nach und nach feinkörnige Konsistenz, und es entsteht eine Menge von sowohl kristallinem als auch aluminiumhaltigem Staub.
Die Schlacken aus der Aluminiumherstellung werden so weiterverarbeitet, dass sie zerkleinert und zum Zweck der Restaluminiumgewinnung ausgewaschen werden. Der restliche Teil, der sich aus einer Mischung von Oxiden, Chloriden, Fluoriden und Metallpartikeln vor allem auf der Basis von Al, Na, K, Si zusammensetzt, wird überwiegend auf Halde gelagert oder ist sehr schwierig nutzbar.
Viele der bereits eingeführten Technologien richten sich entweder auf die Gewinnung des metallischen Teils aus den Abfällen, oder diese metallischen Teile werden nach granulometrischer Aufbereitung des Abfalls, vor allem durch Zerkleinern und Zermahlen mit Wasser ausgewaschen. Bei dem ersten Verfahren entsteht ein Abfallteil, der nicht weiter verarbeitet werden kann, und zwar die erwähnte Mischung aus Metallteilen und Oxiden.
In anderen Fällen, wenn diese Abfälle nach dem Zermahlen ausgelaugt werden, bilden sie große Mengen von Gasen, unter ihnen Ammoniak, Acetylen, Methan, manchmal Arsine, Phosphine usw., weiterhin Salzlösungen und Schlamm. Diese Produkte sind mit dem Entstehen gefährlicher Gase von Salzlösungen und Schlämmen belastet, die entweder mit großem energetischem Aufwand oder in komplizierten Anlagen beseitigt werden müssen (Vergleich Technologie KVS Ekodivize a.s., CZ, 74201 Bruntal).

So ist zum Beispiel in der veröffentlichten tschechischen Patentanmeldung PV 830-95 ein Verfahren zur Verarbeitung des Staubanteils des Aluminiumabfalls beschrieben, bei der der Abfall und der Aluminiumabfall ohne jede Bearbeitung ausgelaugt werden und sich ohne Luftzutritt in der Laugenlösung lösen, die Chloridcoionen enthält, in der sich Karbide, Nitride zersetzen und das Aluminium reagiert. Die entstehenden Produkte Ammoniak, Wasserstoff, Methan und eventuell Phosphine und Arsine und weitere entstandene Produkte werden bei einer Temperatur von 800 bis 1000 °C verbrannt. Das restliche Verbrennungsprodukt wird abgefiltert. Aus der Wasserlösung wird unter Wärme eine Mischung aus Chloridsalzen auskristallisiert. Der Filterkuchen wird getrocknet und bereits ohne Karbide, Karbonnitride, Metall-Aluminium usw. in Pellets oder Briketts granuliert.

Der Nachteil dieser Lösung ist eine komplizierte Maschinenanlage, die überwiegend nicht rostfrei oder anders gegen Korrosion geschützt ist, wobei diese Lösung durch Probleme betastet ist, die das Abfangen der sich entwickelnden Gase aus hygienischen und ökologischen Gründen betreffen. Gleichzeitig ist das relativ komplizierte Verfahren energetisch anspruchsvoll und hinsichtlich der Investition und der Produktion relativ kostenaufwändig.

Eine gewisse Verbesserung stellt das komplexe Reagens dar, das in der veröffentlichten tschechischen Anmeldung einer Erfindung AZ PV 2914-90 beschrieben ist, die sich mit der Verflüssigung von Schlacke mit Entschwefelungseffekten befasst, wobei beim Stahlblasverfahren als Verdünnungskomponente der Schlacke eine Kryolitablagerung eingesetzt wird, die als Abfallstoff bei der elektrolytischen Herstellung von primärem Aluminium entsteht. Das komplexe Reagens lässt sich in zerkleinertem Zustand ohne weitere Behandlung und Zusätze anderer Komponenten verwenden. Die Erfindung löst die Problematik der Verwendung von Abfällen aus der Produktion von primärem Aluminium jedoch nicht, bei der es in der Regel notwendig ist, staub- und feinkörnige Schlackeanteile aus dieser Produktion festzustampfen.

Im Hüttenwesen wird bei der Schmelze von Eisen und Stahl zum Vermindern der Viskosität und zum Erleichtern der Schlackenbeseitigung als eine der Komponenten zur Schlackenverflüssigung Fluorit eingesetzt, das schmalprofilig und finanziell relativ kostenaufwändig ist.

Als wertvoller Austausch gegen Fluorit kann Schlacke aus der Sekundärverarbeitung von Aluminium dienen, die bislang Produktionsabfall ist. Die Verwendung der Schlacke aus der Aluminium-Sekundärverarbeitung im Eisen- und Stahl-Hüttenwesen als Verflüssigungskomponente in ursprünglicher Form des streufähigen und pulverisierten Materials ist nicht möglich, weil sie von Unannehmlichkeiten bei der Handhabung und großer Staubentwicklung am Arbeitsplatz begleitet ist und damit den Vorschriften der Arbeitssicherheit widerspricht.

Deshalb erfolgt im Eisen- und Stahl-Hüttenwesen unter Verwendung von Schlacke aus der Aluminium-Sekundärverarbeitung eine Brikettierung, die eine Verbesserung der Ökologie von Umwelt und Arbeitsplatz ermöglicht.

Zur Herstellung von Briketts aus Schlacke werden verschiedene Typen gängiger Bindemittel eingesetzt, z. B. Wasserglas, Kalkmilch, Melasse und andere Typen geeigneter Klebesubstanzen, die allerdings keine hinreichende Festigkeit der Briketts sichern (Verwendet z. B. bei NHKG Ostrava und Vitkovicke zelezarny, CZ, 700 00 Ostrava).

Im österreichischen Patent AT Nr. 390 965 wird eine Technologie der Verarbeitung von Aluminiumabfällen beschrieben, und zwar grobkörnige Abfälle die zerkleinert werden. Aus ihnen gewinnt man metallisches Aluminium, und der feste Rest wird weiter zu Briketts für die Verflüssigung von Hüttenschlacke verarbeitet. Als Bindemittel werden komplizierte Polymere mit einer großen Menge an Radikalen eingesetzt; es werden z. B. Methylgruppe CH₃, Ammongruppe NH₄, Phenylengruppen, Zyanidgruppen CN und Spuren von Metallen verwendet. Solche Polymere werden mit komplizierten Technologien hergestellt. Außerdem zersetzen sie sich bei hohen Temperaturen und scheiden Giftstoffe aus, zu denen z. B. Phenol oder Zyanwasserstoff gehören. Für die Polymerisation der Mischungen werden sehr hohe Temperaturen von 1800 bis 2800 °F bzw. 900 bis 1540 °C eingesetzt. Die Erhitzung auf eine solche Temperatur macht den technischen Prozess der Polymerisation teuer und kompliziert. Die angeführte Technologie der Granulation ist für Schlacke aus der sekundären Aluminiumverarbeitung ungeeignet, weil unter Berücksichtigung ihrer großen Reaktionsfähigkeit in den Granula eine Zersetzungsreaktion eintreten wird, was bei den Granula zur Minderung der Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Zerfall führt. Die größte Festigkeit der gewonnenen, trockenen Granula ist 21,9 psi bzw. 0,16 MPa. Die größte Festigkeit der Granula wird durch Beifügung von Ton zur Mischung erzielt. Das Hinzufügen von Ton zum Zweck der Verbindung der Aluminiumschlacke-Partikel erscheint angesichts der deutlichen Erhöhung des SiO₂-Gehalts in der Mischung und der hohen Ausbrenntemperaturen von 2800 °F bzw. 1540 °C ebenfalls nicht als besonders geeignet. Die Absenkung des Tongehalts führt zur schnellen Verminderung der Festigkeit des Briketts bis auf 0,016 – 0,02 MPa. Deshalb wird deutlich, dass die Zusammensetzung des Bindemittels und die Herstellung von Granula nicht besonders vorteilhaft für die Brikettierung von Schlacke aus der sekundären Aluminiumverarbeitung sind.

Das Ziel dieser Erfindung ist die Gewinnung einer billigen Verflüssigungskomponente aus Schlacke aus der sekundären Aluminiumverarbeitung, wobei diese Verflüssigungskomponente identische Eigenschaften wie Fluorit bei der Verflüssigung von Hüttenschlacke aufweist, und zwar mit einem solchen Verfahren oder in einer solchen Anlage, das bzw. die die vorstehend zitierten Nachteile einschränkt.

Zusammenfassung der Erfindung

Dieses Ziel wird bei einem Brikett für die Verflüssigung von Hüttenschlacke erreicht. Das Brikett besteht aus einer Mischung, die sich zusammensetzt aus Schlacke aus der sekundären Aluminiumverarbeitung, einer Grundkomponente, aus einem polymeren Bindemittel und aus Wasser. Die Mischung enthält gewichtsmäßig 85 bis 98 Gewichts-% Schlacke aus der sekundären Aluminiumverarbeitung, 1 bis 8 Gewichts-% einer Polyvinylazetat-Dispersion als polymeres Bindemittel und einen Rest Wasser. Das Brikett enthält Wasser als Restfeuchte in einer Menge von bis zu 1,5 % des Gewichts, vorzugsweise bis zu 0,5 % des Gewichts, bezogen auf das Gesamtgewicht des Briketts. Das Brikett weist ein spezifisches Gewicht von 1500 bis 5000 kg/m³ und eine Druckfestigkeit von wenigstens 20 MPa auf.

Vorzugsweise enthält die Mischung 90 bis 92 % Gewichtsschlacke aus der sekundären Aluminiumverarbeitung, 1 bis 3 Gewichts-% Polyvinylazetat-Dispersion und einen Rest Wasser.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Mischung auch 0,5 bis 2 Gewichts-% ungesättigte Säure, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Ölsäure und/oder Palmen- und/oder Stearinöl einschließt und einen hydrophoben Zusatzstoff enthält.

Das Brikett besitzt in vorteilhafter Ausführung eine Walzenform.

Das Brikett wird nach dieser Erfindung mit dem Produktionsverfahren gemäß dieser Erfindung gewonnen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass sich die einzelnen Komponenten der Mischung, und zwar die Schlacke aus der sekundären Aluminiumverarbeitung, die Polyvinylazetat-Dispersion sowie Bindemittel, Wasser und eventuell hydrophober Zusatzstoff, im Mischer zu einem homogenen Zustand in einem Zeitraum von 10 bis 60 s. mischen. Die gewonnene homogene Mischung wird mit einem spezifischen Pressdruck von 110 bis 130 MPa in die Brikettform gepresst. Das Brikett wird anschließend bei einer Temperatur von 120 bis 200 °C in einem Zeitraum von 30 bis 60 Minuten in Abhängigkeit vom Gewicht des Briketts bis zum Gehalt von maximal 1,5 Gewichts-% an Restwasser im Brikett getrocknet. Nach dem Trocknen wird das heiße Brikett ausgekühlt. Das gekühlte Brikett wird zum Schutz vor dem Feuchtwerden bis zur Zeit der weiteren Verwendung oder Verarbeitung verpackt.

Beim Mischen der Komponenten im Mischer bis zum Erreichen eines homogenen Zustands wird gleichzeitig die Mischung auf eine Temperatur im Bereich von 25 bis 99 °C vorteilhaft vorgeheizt.

Nach dem Trocknen und vor dem Verpacken kann das Brikett auf 30 bis 50 °C zwangsgekühlt werden.

Der Hauptvorteil dieser Erfindung ist die Möglichkeit des Einsatzes der Schlacke als Verflüssigungsmittel im Hüttenwesen, z. B. bei der Herstellung von Eisen und Stahl, zur Absenkung der Viskosität der Schmelze, wodurch die Kosten erheblich gesenkt werden. So wird der Abfall bei der Aluminiumherstellung verwertet, weil sich dieser auf Halden gelagerte Abfall unter dem Einfluss verschiedener klimatischer Bedingungen zersetzt, wobei gleichzeitig übelriechende oder schädliche Stoffe, wie Ammoniak, Methan, Wasserstoff, Phosphine, u. a. ausgeschieden werden. Daraus ergibt sich ein weiterer Vorzug dieser Erfindung, und zwar die Verbesserung der Ökologie der Umwelt und des Arbeitsmilieus und die Räumung der Nutzflächen von Schlackehalden. Es wird so ermöglicht, die schwierig zu bearbeitenden Abfälle in ein Produkt einzubinden, das aus der Sicht des Umweltschutzes günstig ist.

Damit die Briketts eine hinreichende Druckfestigkeit von minimal 20 MPa erreichen, wird die Zusammensetzung der Briketts mit einem Polymerbindemittel vorgeschlagen, und zwar mit Polyvinylazetat. Die Briketts können für die Verflüssigung von Hüttenschlacke eine verschiedene Festigkeit und Beständigkeit bei der Lagerung in Abhängigkeit von der entsprechenden Wahl des Typs der polymeren Substanz und deren Zusammensetzung haben. Die größte Festigkeit weisen Briketts in Zylinderform mit einem Gewicht im Bereich von 50 bis 250 g auf. Zur gleichmäßigen Verteilung der Bindepartikel der polymeren Substanz zwischen den Schlackenpartikeln enthalten die Briketts Wasser.

Die Schlacke ist entsprechend ihrer physikalischen Eigenschaften ein verdichteter Stoff. Das spezifische Gewicht der Schlacke vor der Brikettierung ist rund 1100 kg/m³. Zur Gewinnung von ausreichend festen Briketts ist es notwendig, dass deren spezifisches Gewicht 1500 bis 5000 kg/m³ beträgt.

In der vorgeschlagenen Erfindung wird das folgende, sehr einfache und produktionsmäßig nicht teure Polymer Polyvinylazetat eingesetzt:

das ein Radikal hat, und zwar die Azetatgruppe OCOCH₃.

Beim Zersetzen dieses Polymers werden Stoffe ausgeschieden, die für lebende Organismen unschädlich sind, wie Wasser, Kohlenoxid und Essigsäure. In ihrem Wesen ist die polymere, grob disperse, nicht plastifizierte, visköse Flüssigkeit weiß, leicht gelb mit Partikeln der Größe 1 bis 3 Mikrometer, ohne Luppen und fremde mechanische Einschlüsse. Der Gewichtsanteil des Trockenrests ist minimal 51 %. Der Gewichtsanteil des verbleibenden Momomers beträgt bis zu 0,5 %. Die normale Viskosität gemäß des Verfahrens mit einem genormten Messgefäß für hochmolekulare Verbindungen ist 11 – 40, ausgedrückt als Sayboldt-Zahl. Die Klebrigkeit beträgt minimal 450 N/m².

Damit Briketts gemäß dieser Erfindung für die Verflüssigung von Hüttenschlacke eingesetzt werden können, müssen die Briketts nicht nur eine hinreichende Festigkeit und Beständigkeit bei der Lagerung aufweisen, sondern auch einen minimalen Preis haben. Bei der Erhöhung des Gehalts an polymeren Zusatzstoffen in der Zusammensetzung der Briketts erhöht sich dessen Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Zerfall; allerdings steigen die Eigenkosten sprunghaft an, und zwar auf das 10- bis 20fache. Deshalb kann zur Beibehaltung minimaler Eigenkosten und zur Gewinnung der unerlässlichen Festigkeit und Widerstandsfähigkeit der Briketts die polymere Substanz teilweise gegen hydrophobe Zusätze ausgetauscht werden. Das Hinzufügen wenigstens eines hydrophoben Zusatzstoffes zur Mischung für die Brikettherstellung in einer Menge von 0,5 bis 2 Gewichts-% wirkt wasserabweisend, senkt die Saugfähigkeit des Briketts erheblich und steigert dessen Lagerungsfähigkeit sehr deutlich. Als hydrophober Zusatzstoff wird ungesättigte Säure, wie Palmitin-, Stearin- und Oleinsäure eingesetzt. Am häufigsten wird Oleinsäure eingesetzt, die mit der chemischen Formel C₁₇H₃₃ COOH beschrieben wird, die in den zwei kristallinen Modifikationen Alpha und Beta mit Schmelztemperaturen von 13,4 und 16,3 °C existieren. Bei Zimmertemperatur hat diese Säure ein spezifisches Gewicht von 0,089 g/cm³.

Beide Säuren können als reine Chemikalie benutzt werden oder in Mischungen von 0 bis 100 % in variablen Kombinationen. Diese Säuren senken die hydroskopischen Eigenschaften der Mischung, und die anschließende Aufnahme von Luftfeuchtigkeit. Sie dienen ebenfalls als Schmiermittel in Pressgeräten.

Zur gleichmäßigen Verteilung der Bindepartikel der polymeren Substanz und des hydrophoben Zusatzstoffes zwischen den Schlackenpartikeln sowie auch zur Senkung der äußeren und inneren Reibekräfte, die infolge des Pressvorgangs entstehen, wird den Briketts Wasser zugegeben, das Leitungswasser oder Nutzwasser sein kann.

Damit die Briketts aus der sekundären Aluminiumverarbeitung zur Verflüssigung von Hüttenschlacke eingesetzt werden können, müssen sie eine hinreichende Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Zerfall haben. Die Herstellung von Briketts aus der sekundären Aluminiumverarbeitung mit einer normalen Berieselungstechnologie ist nicht möglich, weil die gewonnenen Briketts beim Trocknen an der Luft im Laufe von 20 – 40 Minuten zerfallen. Dies erfolgt deshalb, da einige Komponenten der Schlacke, zum Beispiel Nitride, Aluminiumnitride Al_xN_y und Aluminium Al, eine chemische Reaktion mit Wasser eingehen, bei der Wärme und Gase, z. B. Ammoniak und Wasserstoff, entwickelt werden. Die freiwerdenden Gase stören die Verbindung zwischen den Partikeln und das Brikett zerfällt.

Die Komponenten der Brikettiermischung mischen sich im Mischer zu einem homogenen Zustand in einem Zeitraum von 10 bis 60 s. Die Mischdauer von 10 s. stellt die minimale Zeit dar, die notwendig ist, damit die Mischung hinreichend durchfeuchtet; die Dauer von 60 s. stellt die maximale Mischzeit dar, um die Beschleunigung der Zersetzung der Schlacke zu verhindern. Zuerst werden die Bindezusatzstoffe und das Wasser in einem Mischer besonderen Typs, z. B. Ringtyps, gemischt. In diesem Mischer wird anschließend die polymere Dispersion mit der Schlacke aus der sekundären Aluminiumverarbeitung gemischt. Als homogen wird die Mischung angesehen, wenn sich die homogenisierte Brikettiermischung leicht verdichtet und ihre einzelnen Komponenten nicht ausscheiden.

Das Pressen von Brikett-Halbfabrikaten wird mit einem spezifischen Pressdruck im Bereich von 110 bis 130 MPa ausgeführt, der die Druckfestigkeit des Briketts und das Herauspressen des Bindemittels garantiert und eventuell des hydrophoben Zusatzes an die Oberfläche der Schlackenkörnchen sichert.

Zum Trocknen des Briketts wird die Einwirkung einer Temperatur von 120 bis 200 °C für die Dauer von 30 bis 60 Minuten in Abhängigkeit vom Gewicht des Briketts empfohlen, damit das Wasser, das für das Benetzen der Schlackenoberfläche erforderlich ist, wegen der unerwünschten Zersetzung der Schlacke beseitigt wird. Die Temperaturen zur Polymerisation und Trocknung der Briketts sind also hinreichend niedrig, wodurch sich die Bearbeitungskosten erheblich vermindern. Die Trocknung kann in einer Rotationstrockenanlage ausgeführt werden.

Nach dem Austrocknen wird das Brikett gewöhnlich einfach abgekühlt, weil sonst die Gefahr droht, dass das Brikett die Feuchtigkeit wieder aufnimmt und zerfällt. Das Brikett kann auf 30 bis 50 °C nach Art der danach erfolgenden Verpackung zwangsgekühlt werden. Die Kühlung kann frei oder zwangsweise auf dem Kühlfließband durchgeführt werden.

Das gekühlte Brikett wird zum Schutz vor dem Feuchtwerden z. B. durch atmosphärische Niederschläge und übermäßige Feuchtigkeit bis zum Zeitpunkt seiner weiteren Verwendung oder Verarbeitung verpackt.

Das vorgeschlagene Verfahren erlaubt es, den Teil der schwer zu bearbeitenden Abfälle zu einem Produkt zu verarbeiten, das unter Berücksichtigung des Umweltschutzes akzeptierbar ist und gleichzeitig die primären Rohstoffquellen schont, vor allem Fluorit, Quarzsand, lehmiges Oxid oder Bauxit.

Übersicht der Abbildungen in den Zeichnungen

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Das kurzgefasste, technologische Verfahren der Brikettherstellung wird auf der beigefügten Abbildung schematisch dargestellt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung
Beispiel 1

Die Schlacke, die aus der sekundären Aluminiumverarbeitung gewonnen wird und zur Brikettierung bestimmt ist, hat folgende chemische Zusammensetzung in Gewichts-%:

60 – 65 %	Al₂O₃,
8 – 10 %	SiO₂,
5 – 10 %	Al(OH)₃,
7 – 10 %	MgO,
5 – 7 %	NaCl + KCl,
bis 3 %	Na₃AlF₆,
bis 1,5 %	ZnO,
bis 1,5 %	CaO,
bis 1,5 %	Al_xN_y,
bis 1,5 %	Fe,
bis 1,5 %	Cu,
Spuren von bis zu 25 %	Al,
Spuren von:	P, As, C, Ni, V, Cr, Mo, Ti.

Mineralogisch ist die Schlacke Aluminiumsilikat.
Das Modul der Aktivität Ma bewegt sich um den Wert 6,5.
Das Modul des Basengrads beträgt gewöhnlich 0,17.
Die Schlacke ist sauer; sie zerfällt bei Lagerung spontan. Sie enthält hygroskopische Komponenten, wie Nitride, Karbide und reagierendes Aluminium, das die Umgebungsfeuchtigkeit absorbiert. Komponenten, wie zum Beispiel Aluminiumnitride Al_xN_y und Aluminium Al, zersetzen sich bei der Anwesenheit von Wasser und scheiden große Mengen Wärme und Gase aus, z. B. Ammoniak und Wasserstoff: AlN + 3H₂O = Al (OH)₃ + NH₃, 2 Al + 6H₂O = 2Al (OH)₃ + 3H₂.
Unter dem Einfluss der ausgeschiedenen Gase zerfällt die Schlacke in einzelne Partikel mit einer Größe von 0,1 bis 1,5 mm. Diese Abmessung entspricht völlig den Anforderungen an die Körnung des Glühguts bei der Brikettherstellung und hilft bei der Schlackenfeinvermahlung. Bei der Brikettherstellung wird die Schlacke direkt von den Halden in natürlichem Zustand oder auch von der Mahlanlage dem Mischer zugeführt. Als Einschluss sind Staub- oder einzelne größere Partikel von 4 – 6 mm zulässig.
Bevor die Polyvinylazetat-Dispersion der Schlacke zugeführt wird, wird sie in Wasser vorgelöst. Das Vorhandensein von Wasser ist für die gleichmäßige Verteilung der Partikel der Polyvinylazetat-Dispersion zwischen den Schlackepartikeln notwendig, aber auch für die Verringerung der inneren und äußeren Reibekräfte, die durch das Pressen der Schlacke entstehen. Das Wasser darf hier nur in einer bestimmten Menge benutzt werden, weil ein Überschuss während des Pressens über die Ränder der Pressanlage ausgeschieden wird, wodurch technologische Schwierigkeiten eintreten, die Maschine beschädigt und der Arbeitsplatz verunreinigt wird. Im Gegenteil dazu führt Wassermangel zu ungleichmäßiger Verteilung der Partikel des polymeren Bindemittels; dadurch werden die Eigenschaften der hergestellten Briketts ebenfalls negativ beeinflusst. Das Wasser ist für das Brikett in Wirklichkeit schädlich, sein Gehalt wurde in den beispielhaften Ausführungen als Optimum für eine konkrete Schlacke festgelegt. In Wirklichkeit deckt der Wassergehalt die schwankende Schlackenzusammensetzung, vor allem aus der Sicht der Nitride des metallischen Aluminiums, der Karbonnitride und eventuell weiterer Verbindungen.
Briketts zur Verflüssigung von Hüttenschlacke gemäß dieser technischen Lösung werden wir folgt hergestellt:
Zuerst wird Polyvinylazetat in einem gesonderten Mischer durchgemischt und in einer bestimmten Menge in einen weiteren Mischer gegeben, in dem die Schlacke und der hydrophobe Zusatzstoff sorgfältig durchgemischt werden. Nach dem Mischen tritt die gewonnene Brikettiermischung in die Presse ein, in der die Briketts mit einem spezifischen Pressdruck von 110 bis 130 MPa, vorzugsweise 125 MPa, gepresst werden. Nach dem Pressen werden die Briketts in die Ringtrockenanlage mit Kühlfließband weitergeleitet. Nach dem Abkühlen werden die Briketts, z. B. in Polyäthylen, verpackt.
In Bezug auf die Dosierung existiert ein Dosiergerät mit kontinuierlichem und zyklischem Gang, der bei der Betonherstellung eingesetzt wird. Bei der Herstellung von Schlackenmischungen ist eine genauere Dosierung der einzelnen Komponenten notwendig, deshalb sind für diese Technologie Volumen-Dosiergeräte vorteilhafter. Bei der Herstellung der Schlackenmischung wird Aluminiumstaub ausgeschieden, was sich negativ auf den Zustand des Arbeitsmilieus auswirkt; es ist also wünschenswert, die Anwesenheit von Menschen im Misch-Steuerungsprozess auszuschließen. Daher ist es zweckmäßig, bei zyklischen Dosiergeräten automatische Steuersysteme für die Dosierung und der Abgabe der Materialien einzusetzen. Automatische Gewichtsdosiergeräte mit indirekter Tätigkeit nach dem Prinzip der automatischen Regelsysteme gliedern sich in Dosiergeräte mit direkter und indirekter Wirkung. Dosiergeräte mit Direktwirkung haben eine Einrichtung zum Wiegen und zur Messwerterfassung der Materialien. Dosiergeräte mit indirekter Wirkung haben zwei selbständige Gerätteile, ein Gerätteil zum Wiegen und einen zweiten Gerätteil zur Messwerterfassung des Materials. Die Gewichtsdosiergeräte des Vorratsbehälters bestehen aus folgenden Hauptteilen: einen Gewichtsabmess- bzw. Vorratsbehälter der Ladeanlage, eine Waage für die Frachtannahme, einen Waagemechanismus und einen Steuerungsmechanismus. Das Laden kann zum Schluss ausgeführt werden, wobei der Fluss der Materialien gestartet und reguliert wird, die in das Dosiergerät aus dem Vorratsbehälter eingegeben werden. Bei der Herstellung der Schlackenmischung können Spezialdosiergeräte für die Dosierung von Schlacke und für das Flüssigkeitsdosiergerät eingesetzt werden. Das automatische Flüssigkeitsdosiergerät kann mit einer Doppelfraktion arbeiten und ermöglicht das Abwiegen von zwei Komponenten: Wasser und polymerem Zusatz. Die automatischen Schlackendosiergeräte dieser Typen können unterschiedlich abgeändert sein, wodurch ihre Verwendung für Fertigungsbänder verschiedener Leistungsfähigkeit ermöglicht wird. Zur Sicherung der Arbeit der Dosiergeräte im automatischen Modus sind digitale Indikatoren mit einstellbarer Dosierung und mit Datenfernübertragung und automatischer Steuerung ausgestattet.
Was die Technologie des Mischens anbelangt, ist es beim Prozess des Mischens der Schlacke mit dem polymeren Stoff – wie bereits erwähnt – notwendig, dass die Wassermenge in der Schlackenmischung einerseits minimal ist; andererseits hat sie zu sichern, dass die Vermischung der Schlacke mit dem polymeren Zusatz homogen abläuft. Deshalb muss der Mischer, der den Mischprozess ausführt, so produktiv wie möglich sein; er muss das homogene Vermischen der einzelnen Komponenten in kurzer Zeit ermöglichen; er muss hohe Produktivität erreichen und eine hinreichende Mischtrommelkapazität haben. Anhand von Versuchen wurde festgestellt, dass von den Mischern verschiedenen Typs zyklische Mischer für Betonmischungen mit Komponentenzwangsmischung vom Rotations- und Turbulenztyp den Forderungen am meisten entsprechen. Die technischen Parameter dieser Mischer ändern sich in folgenden Grenzen: Mischdauer 10 – 60 Sekunden, Leistungsfähigkeit 2,6 – 32 m³/h. Die angeführten, technischen Charakteristiken ermöglichen den Einsatz dieser Mischer für Fertigungsstraßen mit verschiedener Leistungsfähigkeit.
Die Schlackenbrikettiermischung, die zur Brikettierung vorbereitet ist und eine bestimmte Zusammensetzung hat, wird bei präziser Dosierung der einzelnen Komponenten, d. h. Schlacke, Wasser und Zusatzstoffe, vor deren Hinzufügen in den Schlackenmischer erreicht. Eine Ungenauigkeit in der Dosierung der einzelnen Komponenten der Schlackenmischung ist bei Wasser und Zusatzstoffen von ± 2 Gewichts-%, bei Schlacke von ± 3 Gewichts-% zulässig.
Nach dem Mischen im Mischer geht die Schlackenmischung weiter in die Presse, die den Brikettierprozess ausführt.
Die oben angeführte Schlacke ist nach ihren physikalischen Eigenschaften ein verdichteter Stoff. Zum Gewinnen eines hinreichend festen Briketts ist es notwendig, dass sein spezifisches Gewicht minimal 1500 kg/m³ beträgt, eventuell bis 5000 kg/m³. Ein solches spezifisches Gewicht wird mit Hilfe eines Pressdrucks erzielt, der etwa 110 bis 130 MPa, vorzugsweise z. B. 125 MPa beträgt; das erlaubt den Einsatz einer Pressanlage mit geringer Leistung. Erfordert der Fertigungsprozess eine hohe Leistungsfähigkeit, kann ein Pressen nach dem Kassettenverfahren bei Pressen mit großer spezifischer Presskraft eingesetzt werden. Zur Steigerung der Leistungsfähigkeit der Fließbänder ist es notwendig, auch automatische Pressen zu benutzen, die eine automatische Manipulation und ein automatisches Entladen der Presse ermöglichen.
Der Prozess der Briketttrocknung hat keine unbedeutende, sondern entscheidende Bedeutung bei der Herstellung von Briketts aus Schlacke der sekundären Aluminiumverarbeitung.
Wie bereits oben erwähnt wurde, hat das Wasser, das für den Brikettierungsprozess unerlässlich ist, letztendlich negativen Einfluss auf die Festigkeit und Widerstandsfähigkeit eines Briketts. Im Brikett läuft nach dem Pressen im Verlauf von 25 – 40 Minuten eine chemische Reaktion aufgrund der Anwesenheit von Al_xN_y und H₂O in ihm ab, bei der das Brikett seine Festigkeit verliert und zerfällt. Gerade dieser Grund hatte bis heute Einfluss darauf, dass es nicht möglich war, Schlacke aus der sekundären Aluminiumverarbeitung im Eisen- und Stahl-Hüttenwesen direkt ohne Aufbereitung zu benutzen. Durch Zusetzen eines polymeren Zusatzstoffes binden sich die Partikel nicht nur gegenseitig, sondern es verlangsamt sich auch die Geschwindigkeit der Reaktion beträchtlich, wobei deren Ablauf aber nicht verhindert werden kann. Deshalb ist es notwendig, die Briketts nach dem Pressen sofort der Trocknung zu unterziehen. Als Trockenanlage lässt sich jedes Erhitzungsaggregat einsetzen, bei dem die Temperatur in der Arbeitskammer bis zu 200 °C betragen muss. Der Trocknungsprozess muss bis zur minimalen Feuchtigkeit im Brikett durchgeführt werden, bei einer Temperatur von 120 bis 200 °C für die Dauer von 30 bis 60 Minuten, in Abhängigkeit vom Gewicht des Briketts.
Wie Versuche bewiesen, haben Form und Größe eines Briketts Einfluss auf Festigkeit und Haltbarkeit der Briketts. Als die festesten und widerstandsfähigsten erwiesen sich Briketts mit kleiner Zylinderform, deren Gewicht sich im Bereich von 50 bis 250 g, vorzugsweise bei 120 g, bewegte.
Schlacke aus der sekundären Aluminiumverarbeitung ist ein hygroskopisches Material. Das führt zu einem schrittweisen Auftreten von Feuchtigkeit im Brikett, die zur Senkung der Festigkeit des Briketts und seiner Lagerdauer und daher seiner Haltbarkeit führt. Die Briketts verlieren nach und nach ihre Festigkeit, und nach dem Ablauf einer gewissen Zeit werden sie für ihren weiteren Einsatz unbrauchbar.
So beträgt diese Zeit bei einem Brikett mit Zylinderform mit einem Gewicht von 100 bis 150 g 5 bis 7 Monate. In gewisser Weise kann eine Polyäthylen-Verpackung oder auch die Lagerung in Räumen mit niedriger relativer Feuchtigkeit die Haltbarkeitsdauer der Briketts beeinflussen.
Mit dem beschriebenen Verfahren enthalten Briketts aus Brikettiermischungen mit einem Gehalt von über 95 Gewichts-% Schlacke aus der sekundären Aluminiumverarbeitung, Polyvinylazetat-Polymer bis zu 5 Gewichts-% und am besten bis zu 1,5 Gewichts-%, mit einer Restfeuchtigkeit von maximal 1,5 Gewichts-% Wasser und am besten von 0,5 Gewichts-% Wasser, bezogen auf das Gesamtgewicht des Briketts, mit einem spezifischen Gewicht von 1500 bis 5000 kg/m³ und am besten von 2000 kg/m³ und mit einer Druckfestigkeit von minimal 20 MPa und am besten von 100 MPa.
Bei den gewonnenen Briketts kommt es selbstverständlich nicht nur auf die Ausgangsrohstoffe an, sondern vor allem auf die Zusammensetzung und die Eigenschaften der Schlacke, des Gehalts an Polyvinylazetat-Dispersion, eventuell des hydrophoben Zusatzstoffs und des Wassers, aber ebenfalls auch auf das Verarbeitungsverfahren dieser Schlacke, das auch das spezifische Gewicht und die Druckfestigkeit bei verschiedenen Brikettformen beeinflusst.
Die Brikettiermischung enthält in ihrer optimalen Zusammensetzung:
92 Gewichts-% Schlacke aus der sekundären Aluminiumverarbeitung,
1 Gewichts-% Polyvinylazetat-Dispersion und
7 Gewichts-% Wasser.
Aus dieser Zusammensetzung der Brikettiermischung erhält man mit dem angeführten Verfahren ein Brikett mit optimalen Eigenschaften in Zylinderform mit einem Durchmesser von 35 bis 50 mm bei einer Höhe von 15 bis 50 mm, mit einem Gewicht von etwa 120 g, bei einem speziellem Gewicht von rund 2000 kg/m³, mit einer Druckfestigkeit gegen Zerfall von 100 MPa, bei einem Restwassergehalt von höchstens 0,5 %, und mit einer Widerstandsfähigkeit gegen Zerfall nach der Verpackung von etwa 7 Monate und mehr.
Andere mögliche Ausführungsbeispiele der Brikettiermischungen und der Briketts mit einer Widerstandsfähigkeit gegen Zerfall von 7 Monaten und mehr sind im Weiteren beschrieben.
Beispiel 2
Die Brikettiermischung enthält:
91 Gewichts-% Schlacke aus der Aluminium-Sekundärverarbeitung,
2 Gewichts-% Polyvinylazetat-Dispersion und
7 Gewichts-% Wasser.
Mit dem genannten Verfahren gewonnene Briketts besitzen eine Druckfestigkeit von 95 MPa, ein Wassergehalt von 0,6 Gewichts-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Briketts und auf das spezielle Gewicht von 2000 kg/m³.
Beispiel 3
Die Brikettiermischung enthält:
90 Gewichts-% Schlacke aus der sekundären Aluminiumverarbeitung,
3 Gewichts-% Polyvinylazetat-Dispersion und
7 Gewichts-% Wasser
Mit dem genannten Verfahren gewonnene Briketts besitzen eine Druckfestigkeit von 95 MPa, einen Wassergehalt von 0,4 Gewichts-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Briketts und auf das spezielle Gewicht von 2100 kg/m³.
Beispiel 4
Die Brikettiermischung enthält:
91,5 Gewichts-% Schlacke aus der sekundären Aluminiumverarbeitung,
1,0 Gewichts-% Polyvinylazetat-Dispersion,
0,5 Gewichts-% hydrophobe Zusätze, und zwar Oleinsäure, und
7,0 Gewichts-% Wasser.
Mit dem genannten Verfahren gewonnene Briketts besitzen eine Druckfestigkeit von 85 MPa, einen Wassergehalt von 0,5 Gewichts-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Briketts und auf das spezielle Gewicht von 2100 kg/m³.
Beispiel 5
Die Brikettiermischung enthält:
91 Gewichts-% Schlacke aus der sekundären Aluminiumverarbeitung,
1 Gewichts-% Polyvinylazetat-Dispersion,
1 Gewichts-% hydrophobe Zusätze, und zwar Oleinsäure und/oder Stearinsäure und
7,0 Gewichts-% Wasser.
Mit dem genannten Verfahren gewonnene Briketts besitzen eine Druckfestigkeit von 90 MPa, einen Wassergehalt von 0,5 Gewichts-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Briketts und auf das spezielle Gewicht von 2000 kg/m³.
Beispiel 6
Die Brikettiermischung enthält:
87,5 Gewichts-% Schlacke aus der sekundären Aluminiumverarbeitung,
8,0 Gewichts-% Polyvinylazetat-Dispersion,
0,5 Gewichts-% hydrophobe Zusätze, und zwar Oleinsäure und/oder Palmitinsäure, und
4,0 Gewichts-% Wasser.
Mit dem genannten Verfahren gewonnene Briketts besitzen eine Druckfestigkeit von 110 MPa, einen Wassergehalt von 0,5 Gewichts-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Briketts und auf das spezielle Gewicht von 2300 kg/m³.
Beispiel 7
Die Brikettiermischung enthält:
95,0 Gewichts-% Schlacke aus der sekundären Aluminiumverarbeitung,
2,0 Gewichts-% Polyvinylazetat-Dispersion,
0,2 Gewichts-% hydrophobe Zusätze, und zwar Oleinsäure, und
2,8 Gewichts-% Wasser.
Mit dem genannten Verfahren gewonnene Briketts besitzen eine Druckfestigkeit von 100 MPa, einen Wassergehalt von 0,5 Gewichts-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Briketts und auf das spezielle Gewicht von 2300 kg/m³.
Die angeführten Beispiele zur Durchführung des Verfahrens schränken weitere mögliche Kombinationen und Lösungsvarianten im Rahmen des Umfangs der Patentansprüche nicht ein.
Industrielle Verwendbarkeit
Die Briketts sind nicht nur für die Verflüssigung von Hüttenschlacke, sondern ebenfalls zur Vorbereitung von Rohstoffen zur Zementherstellung, zur Behandlung von Abfall, der für die Deponielagerung bestimmt ist, eventuell für das Verbinden von Grafit-, Kohlenstoff oder anderen Materialien geeignet.
Briketts, die nach der Erfindung gewonnen sind, sind vor allem zur Verdünnung der Schlacken in den Schlackerinnen, zur Bearbeitung des Aluminiummoduls für Schlacken bei der Zementherstellung, zur Schaffung synthetischer Schlacken der Pfannenmetallurgie, zur Verdünnung von Schlacken im Elektrolichtbogenofen, als Ersatz für Fluorit, Kalkstein, Bauxit, Quarzsand usw. bestimmt. Die Briketts weisen bei ihrem Einsatz ebenfalls eine mäßig entschwefelnde und entphosphorisierende Wirkung auf.

Claims

Brikett zur Verflüssigung von Hüttenschlacke, das aus einer Mischung geschaffen ist, die aus Schlacke aus der sekundären Aluminiumverarbeitung, als Hauptkomponente, aus einem polymeren Bindemittel und aus Wasser besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung folgendes enthält: 85 bis 98 Gewichts-% Schlacke aus der sekundären Aluminiumverarbeitung, 1 bis 8 Gewichts-% Polyvinylazetat-Dispersion, als polymeres Bindemittel und ein Rest Wasser, und dass das Brikett Wasser als Restfeuchtigkeit in einer Menge von bis zu 1,5 Gewichts-% enthält, bezogen auf das Gesamtgewicht des Briketts, wobei das Brikett ein spezifisches Gewicht von 1500 bis 5000 kg/m³ und eine Druckfestigkeit von mindestens 20 MPa aufweist.
Brikett nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Restfeuchtigkeit in einer Menge von bis zu 0,5 Gewichts-% aufweist, bezogen auf das Gesamtgewicht des Briketts.
Brikett nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung folgendes enthält: 90 bis 92 Gewichts-% Schlacke aus der sekundären Aluminiumverarbeitung, 1 bis 3 Gewichts-% Polyvinylazetat-Dispersion und einen Rest Wasser.
Brikett nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung weiterhin enthält: 0,5 bis 2 Gewichts-% ungesättigte Säure, die aus einer Gruppe, die Oleinsäure und/oder Palmitinsäure und/oder Stearinsäure als hydrophoben Zusatz einschließt, gewählt ist.
Verfahren zur Brikettherstellung nach einem der Ansprüche 1 – 4, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Komponenten der Mischung, und zwar Schlacke aus der sekundären Aluminiumverarbeitung, Polyvinylazetat-Dispersion als Bindemittel, Wasser, und eventuell ein hydrophober Zusatzstoff, in einer Zeit von 10 bis 60 s. im Mischer homogen gemischt werden, dass die gewonnene, homogene Mischung mit einem spezifischen Pressdruck von 110 bis 130 MPa zu einem Brikett gepresst wird, das getrocknet wird, und zwar bei einer Temperatur von 120 bis 200 °C im Zeitraum von 30 bis 60 Minuten in Abhängigkeit vom Gewicht des Briketts bis zu einem Gehalt von maximal 1,5 Gewichts-% Restwasser im Brikett, und dass das heiße Brikett nach seiner Trocknung gekühlt und das gekühlte Brikett zum Schutz vor dem Feuchtwerden bis zum Zeitpunkt seiner Weiterverwendung oder Verarbeitung verpackt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung beim homogenen Mischen der Komponenten im Mischer gleichzeitig auf eine Temperatur im Bereich von 25 bis 99 °C vorgeheizt wird.