DE102004048804A1 - Agglomeratstein zum Einsatz in Schacht-, Corex- oder Hochöfen, Verfahren zur Herstellung von Agglomeratsteinen und Verwendung von feinkörnigem Al2O3 - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Agglomeratstein zum Einsatz in Schacht-, Corex- oder Hochöfen, der (in Gew.-%) 1-30% eines Bindemittels, wahlweise bis zu 10% an einem Erstarrungs- und Verfestigungsbeschleuniger und als Rest Al¶2¶O¶3¶ in Form von Partikeln mit einer Körnung von weniger als 3 mm aufweist sowie eine Druckfestigkeit von mindestens 5 N/mm·2· bei Temperaturen bis 400 DEG C besitzt, ein Verfahren zur Herstellung von Agglomeratsteinen und eine Verwendung von feinkörnigem Al¶2¶O¶3¶. Die erfindungsgemäßen Agglomeratsteine lassen sich auf an sich bekannten Steinfertigungsmaschinen herstellen, wie sie beispielsweise für die Produktion von Pflastersteinen eingesetzt werden. Derartige Steinfertigungsmaschinen ermöglichen eine besonders kostengünstige Herstellung und tragen mit dazu bei, dass die erfindungsgemäßen Agglomeratsteine zu einem besonders günstigen, die Wirtschaftlichkeit ihres Einsatzes weiter steigernden Preis hergestellt werden können.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Agglomeratstein zum Einsatz in Schacht-, Corex- oder Hochöfen, ein Verfahren zur Herstellung derartiger Agglomeratsteine sowie die Verwendung von in feiner Körnung vorliegendem Al₂O₃.
• Bauxit wird üblicherweise als Zuschlagsstoff bei der Roheisengewinnung eingesetzt, um die Schlackenbildung so zu führen, dass die aus dem Hochofenprozess erhaltene Schlacke für die Zementherstellung geeignet ist.
• Beispielsweise bei der Gewinnung, Aufbereitung, Vorbereitung und Verarbeitung von Bauxit fallen Al₂O₃-haltige Stäube mit feinster und feiner Körnung von bis zu 3 mm in großen Mengen an. Bauxit findet im Hochofenprozess Einsatz, um die Schlackenzusammensetzung im Hinblick auf eine spätere Verwendung zu konditionieren. Auch liefert die industrielle Verarbeitung von Aluminiumoxid im großen Umfang Al₂O₃-haltige Stäube in pulvriger oder fein granulierter Form.
• Beim Pelletieren werden feinstkörnige Ausgangsstoffe mit Korngrößen weit unter 1 mm zu kleinen Kugeln geformt, deren Durchmesser bei üblicher Vorgehensweise 10 – 15 mm beträgt.
• Zu diesem Zweck wird der jeweils verarbeitete Staub angefeuchtet und mit bis zu 10 Gew.-% eines beispielsweise einem aus Hochofenschlacke und Zement bestehenden Bindemittels vermengt. In Drehtrommeln oder auf Drehtellern werden aus dieser Mischung dann die so genannten "Grünpellets". Die erhaltenen, noch feuchten Grünpellets werden getrocknet und bei Temperaturen von mehr als 1000 °C in einem Schachtofen, Drehrohrofen oder auf einem Wanderrost gebrannt. Eine detaillierte Darstellung des Standes der Technik im Bereich der Pelletierung von metalloxidhaltigen feingekörnten Stäuben findet sich in der DE 33 07 175 A1 .
• Bei den durch Pelletieren erzeugten Pellets kann eine im Vergleich zu stückigem, natürlichen Vorkommen gleichmäßige Körnung, eine konstante Qualität und eine gute Durchgasung garantiert werden. Allerdings besteht die Gefahr, dass die Pellets bei ihrer Reduktion zusammenbacken oder ihre Form verlieren mit der Folge, dass die im Hochofenprozess angestrebte Wirkung nicht im angestrebten Umfang erreicht wird.
• Ausgehend von dem voranstehend erläuterten Stand der Technik bestand die Aufgabe der Erfindung darin, ein Produkt anzugeben, das auch in feiner und feinster Körnung vorliegende Al₂O₃-Stäube so nutzbar macht, dass sie unter hoher Wirksamkeit im Hochofenprozess eingesetzt werden können. Darüber hinaus sollte ein Verfahren angegeben werden, mit dem sich dieses Produkt herstellen lässt und es sollten Verwendungen für Aluminiumoxid-Fein- und Feinststäube benannt werden.
• In Bezug auf das Produkt wird diese Aufgabe durch einen Agglomeratstein zum Einsatz in Schacht-, Corex- oder Hochöfen gelöst, der (in Gew.-%) 1 – 30 % eines Bindemittels, wahlweise bis zu 10 % an einem Erstarrungs- und Verfestigungsbeschleuniger und als Rest Al₂O₃ in Form von Partikeln mit einer Körnung von weniger als 3 mm aufweist sowie eine Druckfestigkeit von mindestens 5 N/mm² bei Temperaturen bis 400 °C besitzt.
• Im Gegensatz zum Stand der Technik werden gemäß der Erfindung Al₂O₃-Fein- und Feinststäube für die Herstellung eines Produktes genutzt, dass sich im Hochofenprozess für die Schlackenführung einsetzen lässt. Diese Stäube werden mit einem geeigneten Binder ggf. unter Zumengung weiterer Zuschlagsstoffe zu Steinen verarbeitet, die grundsätzlich andere Eigenschaften als die im Stand der Technik bisher aus Rest- und Kreislaufstoffen erzeugten Reststoffsteine besitzen.
• So besitzen Al₂O₃-Steine der erfindungsgemäßen Art eine wesentlich höhere Früh- und Endfestigkeit als die bekannten Reststoffsteine. Aufgrund der bei erfindungsgemäßen Agglomeratsteinen im fertigen Zustand vorhandenen hohen Druckbelastbarkeit von mindestens 5 N/mm² bei Temperaturen bis zu 400 °C können sie dem Druck der Schüttsäule im Hochofen sicher widerstehen.
• Die besondere Festigkeit und Formhaltigkeit erfindungsgemäßer Agglomeratsteine machen diese Steine besonders geeignet für den Einsatz in Schacht-, Corex- oder Hochöfen.
• Mit den erfindungsgemäßen Agglomeratsteinen ist es somit möglich, kostengünstig erhältliche, bisher nicht nutzbringend verwendbare Fein- und Feinststäube, die bei der Gewinnung und Aufbereitung von natürlichem Al₂O₃-Vorkommen an der Lagerstätte selbst anfallen, für den Hochofeneinsatz zu verwerten. Wird beispielsweise Zement als Binder eingesetzt, so lassen sich dabei auch noch feinste Stäube zu einem festen Block formen, der sowohl für seine Herstellung selbst als auch für seine Verwendung optimale Gebrauchseigenschaften besitzt.
• Zu den Vorteilen der Erfindung im Hinblick auf die Problematik der Entsorgung von Rest- und Kreislaufstoffen trägt auch bei, dass erfindungsgemäße Agglomeratsteine bis zu 20 % an Zuschlagsstoffen enthalten können. Bei diesen Stoffen handelt es sich um Materialgemenge, die neben Eisen in metallischer und oxidischer Form weitere Verunreinigungen enthalten können. Derartige Rest- und Kreislaufstoffe fallen beispielsweise bei der Stahlerzeugung und -verarbeitung in Form von Filterstäuben, Schlacke oder Walzzunder an.
• Die Endfestigkeit der erfindungsgemäßen Agglomeratsteine ist jeweils so hoch, dass sie den beim Einsatz im jeweiligen Ofen auftretenden Belastungen sicher standhalten. Da erfindungsgemäße Agglomeratsteine deutlich größer sein können, sind sie zum Einsatz in großen Öfen, wie Schacht-, Corex- oder Hochöfen geeignet und stellen dort die verbesserte Durchgasung beim Hochofenprozess sicher.
• Gleichzeitig reicht die Frühfestigkeit von mindestens 5 N/mm², die erfindungsgemäß beschaffene Agglomeratsteine nach drei Tagen erreichen, dazu aus, dass sie sich bereits kurze Zeit nach ihrer Herstellung transportieren lassen. Dies ermöglicht es beispielsweise, die erfindungsgemäßen Agglomeratsteine bald nach ihrer Formung in einem Trocknungsraum zu stapeln, in dem sie dann besonders effektiv getrocknet werden können.
• Erfindungsgemäße Agglomeratsteine lassen sich auf an sich bekannten Steinfertigungsmaschinen herstellen, wie sie beispielsweise für die Produktion von Pflastersteinen eingesetzt werden. Derartige Steinfertigungsmaschinen ermöglichen eine besonders kostengünstige Herstellung und tragen mit dazu bei, dass die erfindungsgemäßen Agglomeratsteine zu einem besonders günstigen, die Wirtschaftlichkeit ihres Einsatzes weiter steigernden Preis hergestellt werden können.
• Aufwändige Wärmebehandlungen, wie sie beispielsweise beim Sintern oder Pelletieren erforderlich sind, sind für die Herstellung der erfindungsgemäßen Steine nicht erforderlich. So werden beispielsweise die beim Sintern unvermeidbaren Röstgase eingespart und eine deutliche Entlastung der Umwelt erreicht.
• Erfindungsgemäße Agglomeratsteine ermöglichen die wirtschaftliche Nutzung von Al₂O₃-Stäuben über die gesamte Breite der denkbaren Körnungen bis 3 mm. So lassen sich Stäube mit einer Körnung von bis zu 1 mm ebenso problemlos verarbeiten und effektiv nutzen wie Al₂O₃-Stäube mit einer Körnung von bis zu 500 μm, die im Bereich bestimmter Lagerstätten typischer Weise auftreten. Untersuchungen zeigen zudem, dass selbst in wässriger Lösung aufgefangene, bei der Herstellung von Al₂O₃-Konzentraten anfallende Stäube mit Körngrößen von bis zu 7 μm gewinnbringend zur Erzeugung von erfindungsgemäßen Agglomeratsteinen genutzt werden können.
• Das in erfindungsgemäßen Agglomeratsteinen in feiner Körnung enthaltene Al₂O₃ liegt bevorzugt in natürlicher Form vor, wobei der Körnungsdurchmesser ebenso bevorzugt weniger als 0,1 mm beträgt.
• Besonders hervorzuheben ist hier, dass die Erfindung es ermöglicht, auch schlecht sinter- oder pelletierbare Al₂O₃-haltige Materialien dem Hochofenprozess zuzuführen.
• Um eine möglichst effektive Nutzung bei der Schlackenbildung zu gewährleisten, sollte bei einem erfindungemäßen Agglomeratstein der Gehalt an Al₂O₃ mindestens 15 Gew.-% betragen.
• Die Erfindung nutzt den an sich bereits bekannten Gedanken, das zu verwertende, in pulvriger oder feingranulierter Form vorliegende Al₂O₃ ohne besondere Wärmebehandlung mit Hilfe eines geeigneten Binders, beispielsweise Zement, kalt zu binden. Neben der bereits erwähnten Nutzung von nur schwer sinter- oder pelletierbaren Al₂O₃stäuben ermöglicht es die erfindungsgemäße kalte Einbindung in ein Trägermaterial darüber hinaus, Zuschlagsstoffe in den Agglomeratstein aufzunehmen, die ebenfalls einen positiven Einfluss auf den Hochofenprozess und die Schlackenführung haben. Zuschlagsstoffe, die dafür in Frage kommen, sind beispielsweise CuO, Fe₂O₃, SiO₂, Al₂O₃, MgO..
• Als Bindemittel wird erfindungsgemäß bevorzugt ein Zement verwendet. Dazu bieten sich beispielsweise Portlandzement oder Hüttenzement an, die kostengünstig erhältlich sind.
• Das betreffende Bindemittel wird mit dem Al₂O₃staub als hydraulische Zementphase vermengt. Tonerdeschmelzelemente sind aufgrund ihres hohen Al₂O₃-Gehaltes ebenfalls geeignet. Besonders gute Gebrauchseigenschaften bei gleichzeitig optimierter Ressourcenschonung stellen sich dabei dann ein, wenn erfindungsgemäße Agglomeratsteine 6 – 15 Gew.-% an Zement-Binder enthalten. Bei derart bemessenen Gehalten an Zement wird die für erfindungsgemäße Agglomeratsteine garantierte Heißdruckfestigkeit von mindestens 10 N/mm² bei bis zu 400 °C besonders sicher erreicht. Abhängig vom Gehalt an ihren sonstigen Bestandteilen kann es jedoch auch sinnvoll sein, die Gehalte an Zement-Binder bis zu 20 Gew.-% zu erhöhen oder auf weniger als 5 Gew.-% abzusenken.
• Als besonders vorteilhaft für den Einsatz in einem Ofen zur Roheisengewinnung hat sich das besondere Verhalten der erfindungsgemäßen Agglomeratsteine bei Erwärmung herausgestellt. So ergibt die erfindungsgemäße Einbettung der im Steinformat vorliegenden Al₂O₃stäube in einen Zement-Binder bei Temperaturen von bis zu 400 °C einen Anstieg der Festigkeit. Im Temperaturbereich von mehr als 400 °C bis 800 °C kommt es lediglich zu einem langsamen Festigkeitsabfall. Aufgrund dieses Verhaltens behalten die Agglomeratsteine auf ihrem Weg durch den Ofen ihre Form so lange bei, dass sie sicher bis zur heißen Schmelzzone transportiert werden. Erst bei Temperaturen oberhalb von 800 °C bis 1000 °C fällt ihre Festigkeit dann schneller ab.
• Sofern dies aus produktionstechnischer Sicht beispielsweise für das Einhalten bestimmter Taktzeiten sinnvoll ist, kann erfindungsgemäßer Agglomeratstein neben dem Zement-Bindemittel wahlweise auch einen Erstarrungs- und Verfestigungsbeschleuniger, wie Wasserglas, Tonerdzement, Calciumchlorid, ein Alkali-Salz, insbesondere ein Na-Salz, oder einen Cellulose-Klebstoff, wie Kleister oder Ligninderivat, enthalten.
• Erfindungsgemäße Agglomeratsteine sollen eine zylindrische, quaderförmige oder vieleckige Form besitzen, um einerseits eine ausreichende Stabilität und andererseits nach dem Einfüllen in den Ofen sicherzustellen, dass zwischen ihnen für die Durchgasung der Schüttung ausreichende Abstände entstehen. Insbesondere dann, wenn die Agglomeratsteine eine Blockform mit einer mehreckigen, insbesondere sechseckigen Grundfläche aufweisen, wird die formgebende Fläche optimal genutzt.
• Als "Grünkörper", d.h. nach seiner Formgebung im noch feuchten Zustand, sollte der Wassergehalt des erfindungsgemäßen Agglomeratsteins weniger als 25 betragen. Die Herstellung von erdfeucht-krümeligen Grünkörpern ist gegenüber der Verarbeitung von Massen mit höherem Feuchtigkeitsgehalt vereinfacht. Zudem wird durch die erfindungsgemäße Begrenzung des Wassergehalts der Grünkörper vermieden, dass überflüssiges Wasser im Ofen mit hohem Energieaufwand ausgetrieben werden muss.
• Indem die Erfindung die Verwendung von in fein- bis feinstkörniger Fraktion vorliegendem Al₂O₃ mit einer Körnung von bis zu 3 mm zur Herstellung von Agglomeratsteinen vorschlägt, lassen sich auch solche Al₂O₃-Feinstäube für die Roheisenerzeugung nutzen, die bisher nur schwer oder nicht wirtschaftlich für diesen Zweck eingesetzt werden können.
• Erfindungsgemäße Agglomeratsteine lassen sich besonders einfach herstellen. Dazu wird das als Pulver oder feines Granulat vorliegende natürliche oder aus der Kreislaufwirtschaft oder sonstigen Produktionsstätten stammende Al₂O₃ in Form von Fein- oder Feinststäuben mit einer maximalen Körnung von 3 mm mit einem Bindemittel sowie wahlweise mit einem Erstarrungs- und Verfestigungsbeschleuniger mit der Maßgabe gemischt, dass der Anteil des Bindemittels an der erhaltenen Mischung (in Gew.-%) 1 – 30 % sowie der Anteil an Erstarrungs- und Verfestigungsbeschleunigern bis zu 10 % beträgt. Die erhaltene Mischung wird in Formen gefüllt. Gemäß einer ersten Verfahrensvariante wird die Mischung dann verpresst, bevor sie getrocknet wird. Alternativ ist es jedoch auch möglich, anstelle des Verpressens ein Rütteln der in die Form eingefüllten Mischung durchzuführen, um eine möglichst homogene Verteilung und Verbindung der einzelnen Bestandteile der Mischung zu erreichen. Optimale Eigenschaften der Agglomeratsteine lassen sich dadurch erzielen, wenn das Verpressen und Rütteln in Kombination oder in geeigneter Weise aufeinander folgend durchgeführt wird.

Claims (15)

1. Agglomeratstein zum Einsatz in Schacht-, Corex- oder Hochöfen, der (in Gew.-%) 1 – 30 % eines Bindemittels, wahlweise bis zu 10 % an einem Erstarrungs- und Verfestigungsbeschleuniger und als Rest Al₂O₃ in Form von Partikeln mit einer Körnung von weniger als 3 mm aufweist sowie eine Druckfestigkeit von mindestens 5 N/mm² bei Temperaturen bis 400 °C besitzt.
2. Agglomeratstein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Al₂O₃ in Form von Fein- oder Feinststäuben vorliegt.
3. Agglomeratstein nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Körnung des Al₂O₃s bis 1 mm beträgt.
4. Agglomeratstein nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sein Gehalt an Al₂O₃ mindestens 15 Gew.-% beträgt.
5. Agglomeratstein nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel Portlandzement, Tonerdeschmelzzement oder Hüttenzement ist.
6. Agglomeratstein nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Erstarrungs- und Verfestigungsbeschleuniger Wasserglas, Tonerdzement, Calciumchlorid, ein Alkali-Salz, insbesondere ein Na-Salz, oder ein Cellulose-Klebstoff, wie Kleister oder Ligninderivat, ist.
7. Agglomeratstein nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er eine zylindrische, quaderförmige oder vieleckige Form besitzt, insbesondere eine Blockform mit einer mehreckigen, insbesondere sechseckigen Grundfläche aufweist.
8. Agglomeratstein nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er als Grünkörper vor seiner Trocknung einen Wassergehalt von weniger als 25 % aufweist.
9. Verwendung von Al₂O₃ mit einer Körnung von bis zu 3 mm zur Herstellung von Agglomeratsteinen für die Roheisengewinnung.
10. Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Agglomeratsteine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 beschaffen sind.
11. Verwendung von gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 beschaffenen Agglomeratsteinen in Schacht-, Corex- oder Hochöfen.
12. Verfahren zur Herstellung von gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 beschaffenen Agglomeratsteinen, bei dem – Al₂O₃ mit einer maximalen Körnung von 3 mm mit einem Bindemittel sowie wahlweise mit einem Erstarrungs- und Verfestigungsbeschleuniger mit der Maßgabe gemischt wird, dass der Anteil des Bindemittels an der erhaltenen Mischung (in Gew.-%) 1 – 30 % und der Anteil an Erstarrungs- und Verfestigungsbeschleuniger bis zu 10 % beträgt, – die erhaltene Mischung in Formen gefüllt wird, – die in die Formen gefüllte Mischung verpresst wird, und – die verpresste Mischung getrocknet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung während des Verpressens einer Rüttelbewegung ausgesetzt wird.
14. Verfahren zur Herstellung von gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 beschaffenen Agglomeratsteinen, bei dem – Al₂O₃ in Form mit einer maximalen Körnung von 3 mm mit einem Bindemittel sowie wahlweise mit einem Erstarrungs- und Verfestigungsbeschleuniger mit der Maßgabe gemischt wird, dass der Anteil des Bindemittels an der erhaltenen Mischung (in Gew.-%) 1 – 30 % sowie der Anteil an Erstarrungs- und Verfestigungsbeschleunigern bis zu 10 % beträgt, – die erhaltene Mischung in Formen gefüllt wird, – die in die Formen gefüllte Mischung einer Rüttelbewegung ausgesetzt wird, und – die gerüttelte Mischung getrocknet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung, während sie der Rüttelbewegung ausgesetzt ist, zusätzlich verpresst wird.