DE102016104702B4

DE102016104702B4 - Verfahren zur Herstellung von Schaumschlacke

Info

Publication number: DE102016104702B4
Application number: DE102016104702.3A
Authority: DE
Inventors: Karoline Gajda
Original assignee: Steinbeis Transfer GmbH
Current assignee: GAJDA, KAROLINE, DE
Priority date: 2016-03-15
Filing date: 2016-03-15
Publication date: 2018-03-22
Anticipated expiration: 2036-03-16
Also published as: DE102016104702A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Schaumschlacke, umfassend: 1) Bereitstellen einer schmelzflüssigen Rohschlacke; 2) Granulieren der schmelzflüssigen Rohschlacke; 3) Konditionieren der granulierten Rohschlacke um eine konditionierte Schlacke zu erhalten; und 4) Zuführen von Wärme zur der konditionierten Schlacke, um eine schmelzflüssige Schlacke zu erhalten. 5) Bereitstellen einer schmelzflüssigen Schlacke; und 6) zumindest teilweises Vermischen der schmelzflüssigen Schlacke mit einem Schaummittel, aus dem in dem Temperaturbereich, der zur Schmelzflüssigkeit der Schlacke führt, zumindest ein Gas freigesetzt wird, um die Schaumschlacke zu erhalten, wobei das teilweise Vermischen zum Aufschäumen der Schlacke direkt nach dem Abstich im schmelzflüssigen Zustand erfolgt; und das Schaummittel ein Schaummittel ist, das sich in dem Temperaturbereich, der zur Schmelzflüssigkeit der Schlacke führt, endotherm zersetzt, wobei durch die endotherme Zersetzung des Schaummittels der Schlacke Wärme entzogen und, durch Erstarren der Schlacke, die Schaumschlacke gebildet wird, wobei – die schmelzflüssige Schlacke vor und/oder während und/oder nach dem Vermischen der schmelzflüssigen Schlacke mit dem Schaummittel mit zumindest einem weiteren Stoff zumindest teilweise vermischt wird, wobei der weitere Stoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Glas, Glasbestandteilen, fester Schlacke, siliziumhaltigen Materialien oder Mischungen derselben; – das Schaummittel ausgewählt ist aus Kaolinit (Al2Si2O5(OH)4), Talkum (Mg3(OH)2Si4O10) oder Mischungen derselben; – das Vermischen der schmelzflüssigen Schlacke mit dem Schaummittel durch Einsprühen des Schaummittels und Sauerstoff mittels einer Sauerstofflanze erfolgt; – das Vermischen der schmelzflüssigen Schlacke mit dem Schaummittel durch ein schichtweises Auftragen des Schaummittels und der schmelzflüssigen Schlacke in eine definierte Form erfolgt; – die Schlacke Hochofenschlacke mit einer Zusammensetzung von 35–42% CaO, 33–43% SiO2, 8–13% Al2O3, 4–12% MgO, < 0,7% Fe, < 1,5% Mn und 1,2–1,9% S, Stahlwerkschlacke mit einer Zusammensetzung von 44–55% CaO, 11–18% SiO2, < 6% Al2O3, < 6% MgO, 12–20% Fe, < 6% Mn und < 0,2% S, oder eine Elektroofenschlacke mit einer Zusammensetzung von 24–42% CaO, 10–28% SiO2, 1–15% Al2O3, 1–13% MgO, 4–40% Fe, < 6% Mn und < 0,4% S ist; und ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Schaumschlacke.
Schaumglas ist in der Bauindustrie ein gefragtes Produkt für diverse Anwendungen, insbesondere als Isoliermaterial. Das Produkt hat durch eine geschlossene Porenstruktur eine geringe Wärmeleitfähigkeit und Dichte, gleichzeitig aber eine hohe Festigkeit.
Schaumglas des Stands der Technik wird üblicherweise aus Altglas unter Zugabe diverser Mineralien hergestellt. Die Schaumglasherstellung setzt sich im Wesentlichen aus den folgenden sechs Schritten zusammen (Reyer, E., Schild, K., Völker, S., Wärmedämmstoffe, in: E. Cziesielski (Ed.), Bauphysik-Kalender, Ernst, Berlin, (2002)):

1. Aufschmelzen einer Altglasmischung bei rund 1250°C
2. Auskühlen der Schmelze
3. Mahlen der ausgekühlten Schmelze unter Zugabe eines Schaummittels, wie z. B. Kohle
4. Aufschäumen der Glasschmelze bei 700–900°C
5. Auskühlen des Schaumglases
6. Ggf. Zuschneiden der Schaumglasplatten

Die Idee, Schaumglas mit Hochofenschlacke anzureichern, wurde im Stand der Technik bereits untersucht (L. Ding, W. Ning, Q. Wang, D. Shi, L. Luo, Preparation and characterization of glass-ceramic foams from blast furnace slag and waste glass, Materials Letters 141 (2015) 327–329). Allerdings wurde Hochofenschlacke hier erst im dritten der obigen Prozessschritte, dem Mahlprozess, mit bis 50 Gewichts-% als abgekühlter Feststoff hinzugefügt und die Mischung anschließend, unter Zugabe von Flussmitteln, nämlich Na₂B₄O₇·5H₂O, angelehnt an den Schaumglasprozess, aufgeschäumt.
Nachteilig an diesen Verfahren ist das energieintensive Mahlen der Ausgangsmaterialen. Gleichzeitig kann das Wärmepotential von Schlacke mit einer Gesamtenergie von etwa 1650 kJ/kg nicht genutzt werden, da die eingesetzte Schlacke zum Zeitpunkt der Verarbeitung bereits ausgekühlt ist.
Des Weiteren wird für die Schlacken-Schaumglasherstellung des Stands der Technik nur Hochofenschlacke berücksichtigt, da andere Schlacken, beispielsweise durch hohe Eisengehalte, die Wärmeleitfähigkeit des hergestellten Schaumglases erhöhen und damit die Isoliereigenschaften der hergestellten Materialien herabsetzen.
Im Bereich der Schlackenaufbereitung aus dem schmelzflüssigen Zustand gibt es eine Vielzahl an Verfahren, die durch Zugabe von Zuschlagstoffen die Schlacke mineralisch verändern, um ihre Eigenschaften in bekannten Einsatzgebieten, wie dem Wege- und Straßenbau, zu verbessern. Als ein Beispiel sei das sauerstoffunterstütze Eintragen von SiO₂ genannt. Nachteilig ist auch hierbei, dass die Energie der heißen Schlacke nicht genutzt werden kann.
Als bekanntes Verfahren zur Aufschäumung von Schlacke, sei die Herstellung des sogenannten Hüttenbimses genannt. Hier wird Hochofenschlacke mit Gasen wie CO₂ und Wasserdampf bedüst und zu porösem Gestein erkaltet. Dieses Verfahren ist allerdings mit starker Schwefelemission verbunden und daher vor dem Hintergrund strenger Umweltauflagen in der Praxis kaum relevant.
Im Bereich der Wärmerückgewinnung aus schmelzflüssiger Schlacke gibt es einige Verfahrensvorschläge, wie beispielsweise das Rotating Cup oder das BSSF Verfahren, welche allesamt ein feinkörniges Schlackengranulat produzieren, das in Deutschland keine Anwendung findet (Mudersbach, D. und Motz, H., Wärmerückgewinnung aus Stahlwerksschlacken, in: M. Heußen, H. Motz (Eds.), Schlacken aus der Metallurgie, Band 3: Chancen für Wirtschaft und Umwelt [3. Symposium Schlacken aus der Metallurgie; Meitingen, Oktober 2014], TK-Verl. Thomé-Kozmiensky, Neuruppin, 2014, pp. 149–165).
Schaumschlacken werden auch in den Druckschriften DE 10 2006 004 532 A1 , DE 199 32 382 A1 , EP 0 922 679 A1 und DE 10 89 679 B genannt.
Es ist demnach die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Nachteile des Stands der Technik zu überwinden. Insbesondere soll ein Verfahren bereitgestellt werden, das direkt in den Prozess der Stahlherstellung integriert werden kann und/oder mit diesem verbunden werden kann, um so die Wärmeenergie schmelzflüssiger Schlacke, die Bestandteil des Prozesses der Stahlherstellung ist, zu nutzen. Ebenso ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Schaumschlacke mit definierter Zusammensetzung, etwas mit einem gewünschten Eisengehalt, herzustellen, um so die Herstellung von Schaumschlacke mit gewünschten Eigenschaften zu gewährleisten.
Die oben genannte Aufgabe wird gelöst gemäß einem Verfahren nach Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Diese Aufgabe wird insbesondere gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Schaumschlacke, umfassend: 1) Bereitstellen einer schmelzflüssigen Rohschlacke; 2) Granulieren der schmelzflüssigen Rohschlacke; 3) Konditionieren der granulierten Rohschlacke um eine konditionierte Schlacke zu erhalten; und 4) Zuführen von Wärme zur der konditionierten Schlacke, um eine schmelzflüssige Schlacke zu erhalten; 5) Bereitstellen einer schmelzflüssigen Schlacke; und 6) zumindest teilweises Vermischen der schmelzflüssigen Schlacke mit einem Schaummittel, aus dem in dem Temperaturbereich, der zur Schmelzflüssigkeit der Schlacke führt, zumindest ein Gas freigesetzt wird, um die Schaumschlacke zu erhalten, wobei das teilweise Vermischen zum Aufschäumen der Schlacke direkt nach dem Abstich im schmelzflüssigen Zustand erfolgt; und das Schaummittel ein Schaummittel ist, das sich in dem Temperaturbereich, der zur Schmelzflüssigkeit der Schlacke führt, endotherm zersetzt, wobei durch die endotherme Zersetzung des Schaummittels der Schlacke Wärme entzogen und, durch Erstarren der Schlacke, die Schaumschlacke gebildet wird, wobei – die schmelzflüssige Schlacke vor und/oder während und/oder nach dem Vermischen der schmelzflüssigen Schlacke mit dem Schaummittel mit zumindest einem weiteren Stoff zumindest teilweise vermischt wird, wobei der weitere Stoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Glas, Glasbestandteilen, fester Schlacke, siliziumhaltigen Materialien oder Mischungen derselben; – das Schaummittel ausgewählt ist aus Kaolinit (Al₂Si₂O₅(OH)₄), Talkum (Mg₃(OH)₂Si₄O₁₀) oder Mischungen derselben; – das Vermischen der schmelzflüssigen Schlacke mit dem Schaummittel durch Einsprühen des Schaummittels und Sauerstoff mittels einer Sauerstofflanze erfolgt; – das Vermischen der schmelzflüssigen Schlacke mit dem Schaummittel durch ein schichtweises Auftragen des Schaummittels und der schmelzflüssigen Schlacke in eine definierte Form erfolgt; – die Schlacke Hochofenschlacke mit einer Zusammensetzung von 35–42% CaO, 33–43% SiO₂, 8–13% Al₂O₃, 4–12% MgO, < 0,7% Fe, < 1,5% Mn und 1,2–1,9% S, Stahlwerkschlacke mit einer Zusammensetzung von 44–55% CaO, 11–18% SiO₂, < 6% Al₂O₃, < 6% MgO, 12–20% Fe, < 6% Mn und < 0,2% S, oder eine Elektroofenschlacke mit einer Zusammensetzung von 24–42% CaO, 10–28% SiO₂, 1–15% Al₂O₃, 1–13% MgO, 4–40% Fe, < 6% Mn und < 0,4% S ist; und – das Konditionieren das zumindest teilweise Abtrennen eisenhaltiger Schlackebestandteil unter Einwirkung eines magnetischen Felds umfasst.
Der wesentliche Unterschied der Erfindung zu den aus dem Stand der Technik bekannten Techniken ist die Kombination der Verarbeitung, d. h. der Aufschäumung, von Schlacke im schmelzflüssigen Zustand zur Herstellung von Schaumglas mit Schlackenanteilen. Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch dieses Verfahren gelöst. Zum einem kann durch das Aufschäumen der Schlacke direkt nach dem Abstich im schmelzflüssigen Zustand die thermische Energie der Schlacke genutzt und die Energie für den Mahlprozess eingespart werden. Zum anderen entsteht durch die eingesetzten Schaummittel eine geschlossene Porenstruktur, die dazu führt, dass die entstehenden Gase eingeschlossenen werden und kaum entweichen. So können, anders als beim aus dem Stand der Technik bekannten Hüttenbims, die Emissionen von Schwefeloxiden minimiert werden.
Erfindungsgemäß soll Schlacke als ein Gemisch von Metalloxiden, -sulfiden, -chloriden, -fluoriden u. a. verstanden werden, das bei der Metallerzeugung oder Erzverhüttung im Schmelzfluss entsteht. Schlacke bildet sich beim Schmelzprozess und den dabei auftretenden Reaktionen aus den Schlacke bildenden Bestandteilen von Erzen (Gangart) und den Zuschlägen (Kalkstein, Sand, arme Erze) und schwimmt aufgrund geringerer Dichte auf der metallischen Phase. Erfindungsgemäß vorgesehen sind Hochofenschlacke, Stahlwerksschlacke und Elektroofenschlacke.
Erfindungsgemäß ist als Schaum eine Anordnung von gasförmigen Bläschen, die durch feste oder flüssige Wände eingeschlossen sind, zu verstehen. Die festen oder flüssigen Wände werden hierbei von der die Gasbläschen bildenden schmelzflüssigen Schlacke gebildet. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Gasbläschen zunächst von flüssigen Wänden (schmelzflüssiger Schlacke) umschlossen werden, die anschließend durch Abkühlen der durch Aufschäumen erhaltenen Struktur in feste Wände überführt werden. Als schmelzflüssig im Sinne der Erfindung soll Schlacke dann angesehen werden, diese durch Schmelzen in den flüssigen Zustand überführt wurde. Schmelzflüssige Schlacke kann etwa in den oben beschriebenen Prozessen als Nebenprodukt erhalten werden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass als Schlacke, die im schmelzflüssigen Zustand in dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Schaumschlacke umgewandelt werden soll, Hochofenschlacke, Stahlwerksschlacke oder Elektroofenschlacke verwendet wird.
Hochofenschlacke hat hierbei eine Zusammensetzung von 35–42% CaO, 33–43% SiO₂, 8–13% Al₂O₃, 4–12% MgO, < 0,7% Fe, < 1,5% Mn und 1,2–1,9% S.
Stahlwerksschlacke besteht aus 44–55% CaO, 11–18% SiO₂, < 6% Al₂O₃, < 6% MgO, 12–20% Fe, < 6% Mn und < 0,2% S.
Elektroofenschlacke besteht aus 24–42% CaO, 10–28% SiO₂, 1–15% Al₂O₃, 1–13% MgO, 4–40% Fe, < 6% Mn und < 0,4% S.
Während Hochofenschlacke in einem Temperaturbereich von 1300 bis 1500°C (unter Normdruck) schmelzflüssig vorliegt, liegen Stahlwerkschlacke und Elektroofenschlacke bei 1500 bis 1700°C (unter Normaldruck) schmelzflüssig vor.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist vorgesehen, dass die schmelzflüssige Schlacke durch einen Prozess der Stahlherstellung bereitgestellt wird. In einem solchen Prozess fällt Schlacke als Nebenprodukt in schmelzflüssigem Zustand an.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist ferner vorgesehen, dass die schmelzflüssige Schlacke vor und/oder während und/oder nach dem Vermischen der schmelzflüssigen Schlacke mit dem Schaummittel mit zumindest einem weiteren Stoff zumindest teilweise vermischt wird, wobei der weitere Stoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Glas, Glasbestandteilen, vorzugsweise Soda, fester Schlacke, siliziumhaltigen Materialien oder Mischungen derselben.
In wissenschaftlichen Untersuchungen, bei der Herstellung aus kaltem pulverförmigen Ausgangsmaterial, hat sich herausgestellt, dass Glas, hauptsächlich bestehend aus SiO₂, die Eigenschaften der Schaumschlacke beeinflusst, indem die Dichte des Produkt mit höheren Glasanteil, bzw. SiO₂-Anteil, steigt und gleichzeitig die Wasserabsorptionsfähigkeit sinkt (L. Ding, W. Ning, Q. Wang, D. Shi, L. Luo, Preparation and characterization of glass-ceramic foams from blast furnace slag and waste glass, Materials Letters 141 (2015) 327–329). Demzufolge kann eine Zugabe der weiteren Stoffe, beispielsweise in Form von Glaspartikeln, -mehl oder ebenfalls im schmelzflüssigen Zustand, von Vorteil sein. Schlacke als Feststoff zuzuführen senkt die Temperatur im Schlacken-Glas-Mineral Gemisch und hilft die Temperatur für die Zersetzung zu regeln. Gleiche Effekte können durch die Zugabe siliziumhaltiger Materialien erreicht werden.
Hierbei ist bevorzugt, dass das Glas ausgewählt ist aus Glaspartikeln, Glasmehl, Glasmischungen im schmelzflüssigen Zustand oder Mischungen derselben; und/oder die feste Schlacke ausgewählt ist aus Schlackenpartikeln oder Schlackenmehl.
Mit den beschriebenen bevorzugten Stoffen, die als weiterer Stoff im erfindungsgemäßen Sinne der Schlacke vor, während oder nach dem Vermischen mit dem Schaummittel zugegeben werden können, wurden die besten Ergebnisse hinsichtlich der Dichte und der Wasserabsorptionsfähigkeit erreicht.
Es ist bevorzugt, dass das Gas, das aus dem Schaummittel freigesetzt wird, Wasserdampf ist, insbesondere das Schaummittel ausgewählt ist aus Kaolinit und/oder Talkum.
Durch die Verwendung von Wasserdampf oder Kohlendioxid wurden die besten Ergebnisse beim Aufschäumen der Schlacke erreicht. Diese Vorteilhaftigkeit schlägt sich in den Eigenschaften der erhaltenen Schaumschlacke nieder. Insbesondere wurde eine gleichmäßige Schaumstruktur und eine hohe mechanische Belastbarkeit der hergestellten Materialien erreicht. Die als bevorzugt aufgeführten Schaumbildner haben sich als besonders geeignet erwiesen, um den beschriebenen Effekt zu erreichen, da diese in zuverlässiger Art und Weise beim Einsatz in dem Verfahren Wasserdampf oder Kohlendioxid freisetzen. Herausragende Ergebnisse wurden erzielt, wenn als Schaumbildner Calcit, Dolomit, Kaolinit, Magnesit, Talkum oder Mischungen derselben eingesetzt wurden.
Ebenso ist vorgesehen, dass das Schaummittel ein Schaummittel ist, aus dem das Gas oberhalb der Zersetzungstemperatur des Schaummittels freigesetzt wird. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass eine gleichmäßige Gasfreisetzung erfolgt, die sich in einer gleichmäßigen Porenstruktur widerspiegelt.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass vor und/oder während und/oder nach dem zumindest teilweisen Vermischen der schmelzflüssigen Schlacke mit dem Schaummittel der schmelzflüssigen Schlacke ein Flussmittel zugefügt wird. Vorzugsweise vorgesehen sind hierbei natürliche Flussmittel, die beispielsweise auch in Glas, vor allem in Glasschaum, enthalten sind. Als beispielhaft soll hierbei Soda genannt werden. Erfindungsgemäße Flussmittel senken den Schmelzpunkt der schmelzflüssigen Schlacke und helfen eine geschlossene Oberfläche bzw. die geschlossene Porenstruktur zu erhalten. Erfindungsgemäße Flussmittel können etwa durch die Zugabe von Altglas oder dessen Bestandteilen erhalten werden.
Das Vermischen der schmelzflüssigen Schlacke mit dem Schaummittel im zweiten Verfahrensschritt b) kann prinzipiell mittels jedes Verfahrens erfolgen, das eine zur Schaumbildung ausreichende Vermischung der Bestandteile erlaubt.
Ebenso kann bevorzugt vorgesehen sein, dass das Vermischen der schmelzflüssigen Schlacke mit dem Schaummittel durch ein schichtweises Auftragen des Schaummittels und der schmelzflüssigen Schlacke in eine Form. Auf diese Weise kann eine besonders gleichmäßige Schaumporenbildung erreicht werden.
Darüber hinaus ist vorgesehen, dass das Vermischen der schmelzflüssigen Schlacke mit dem Schaummittel durch Einsprühen des Schaummittels und Sauerstoff mittels einer Sauerstofflanze erfolgt. Durch die Verwendung einer Sauerstofflanze zur Ausbildung der Schaumstruktur kann eine ausgezeichnete räumliche Positionierung der Schaumbildung erreicht werden.
Darüber hinaus ist vorgesehen, dass den Verfahrensschritten a) und b) die folgenden Verfahrensschritte 1 bis 4 vorangestellt werden: 1) Bereitstellen einer schmelzflüssigen Rohschlacke; 2) Granulieren der schmelzflüssigen Rohschlacke, vorzugsweise unter Wärmerückgewinnung; 3) Konditionieren der granulierten Rohschlacke um eine konditionierte Schlacke zu erhalten; und 4) Zuführen von Wärme zur der konditionierten Schlacke, um die schmelzflüssige Schlacke zu erhalten.
Diese zusätzlichen Verfahrensschritte haben einen positiven Effekt auf die Zusammensetzung der Schaumschlacke. Bei zu großen Störfaktoren, wie einem erhöhten Eisengehalt in der Ausgangsmischung, die beispielsweise aus einem Gemisch aus Hochofen-, Stahlwerk- oder Elektroofenschlacke und Glas besteht, kann dem Aufschäumprozess so ein Granulationsprozess zur Reduzierung des Störfaktors vorangehen. Dieser findet vorzugsweise unter Wärmerückgewinnung statt. So kann die Wärmeenergie, die im Verfahrensschritt 4 der konditionierten Schlacke zugeführt wird, durch diese Wärmerückgewinnung energieeffizient gewonnen werden. Die Granulation von Schlacke ist aus dem Stand der Technik wohl bekannt. Unter Schlackengranulation versteht man die Aufarbeitung der in verschiedenen industriellen Prozessen auftretenden Schlacken.
Unter Granulation im erfindungsgemäßen Sinne soll das Zerkleinern von Schlackepartikeln durch mechanische Beanspruchung verstanden werden. Die Partikel können durch Zerstäubung oder durch Mahlen entstehen. Hochofenschlacke kann beispielsweise durch Rotating-Cup-Verfahren von Siemens VAI zerstäubt und durch Luftkühlung (inklusive Wärmerückgewinnung) gekühlt und erstarrt werden. Boasteel Slag Short Flow granuliert Stahlwerkschlacke, indem diese in einer wassergekühlten Kugelmühle zerschlagen wird. Durch das Wasser und die Stahlkugeln kann teilweise Wärme zurückgewonnen werden.
Unter Konditionieren im erfindungsgemäßen Sinn soll jede Veränderung der Schlackenzusammensetzung durch Abtrennung eines Teils der in der Rohschlacke enthaltenen Bestandteile verstanden werden. Beispielsweise kann das Konditionieren das zumindest teilweise Abtrennen eisenhaltiger Schlackebestandteile unter Einwirkung eines magnetischen Felds umfassen. Umfasst sein sollen ferner alle zur Abtrennung von Störfaktoren geeigneten Verfahren. Denkbar ist etwa eine Trennung der Rohschlacke in ihre Bestandteile aufgrund unterschiedlicher Dichten.
Als Störfaktor soll in diesem Zusammenhang jegliches in der Rohschlacke enthaltende Material verstanden werden, das geeignet ist, die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Schaumschlacke negativ zu beeinflussen. Dies gilt insbesondere für Stoffe, die die Wärmeleitfähigkeit der erhaltenen Schaumschlacke heraufsetzen oder die Bruchfestigkeit derselben herabsetzen.
In einer Ausführungsform zur Reduzierung des Eisen- und Eisenoxidgehalts findet eine Granulierung unter Wärmerückgewinnung statt. Nachteilig ist bisher bei allen Granulationsverfahren des Stands der Technik, wie beispielsweise dem Baosteel Slag Short Flow (BSSF) Verfahren oder dem Rotating Cup-Drum-Atomizer von POSCO (Motz, H., Ehrenberg, A. Mudersbach, D., Dry solidification with heat recovery of ferrous slag, in: Proceedings of the 3nd European slag conference, 2013, pp. 37–55), dass die Schlackenpartikelgröße für eine Nutzung im Wege- und Straßenbau zu gering sind und in Deutschland somit deponiert werden müssen. Im Einsatz als Basis für Schaumschlacke, kann allerdings die eisen- oder eisenoxidreiche Schlacke nach dem Granulationsverfahren weiter gemahlen und vom Eisen separiert werden, um schließend unter Wärmezufuhr geschäumt zu werden. Die kleinen Partikelgrößen mit teilweise 90% kleiner als 3 mm erleichtern das anschließende Mahlen für die Eisenrückgewinnung und als Vorbereitung für die Schaumschlacke.
Schließlich wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst durch eine Schaumschlacke, die erhältlich ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Im Folgenden soll die Erfindung im Detail in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben werden, wobei die angegeben Details nicht den Schutzbereich der Erfindung begrenzen sollen, sondern lediglich der Veranschaulichung dienen. In diesem Zusammenhang zeigen die Figuren die folgenden Aspekte.
1: Einsprühen des Schaumittels (3) mittels einer Düse (4), allein oder als Gemisch der Zuschlagsstoffe, in schmelzflüssige Schlacke (2) direkt nach dem Abstich oder aus einem Schlackenbehälter (1) in eine definierte Form (11).
2: Schichtweise Auftragen des Schaummittels (3) und der schmelzflüssigen Schlacke in eine Form oder auf ein Förderband (6) zur Herstellung von Schaumschlacke (5) mit geschlossenen Poren (9).
3: Einsprühen des Schaummittels (3) und Sauerstoff (7) mittels einer Sauerstofflanze in schmelzflüssige Schlacke (2) in einem Schlackenbehälter (1).
4: Der Wärmetransport (10) findet von der schmelzflüssigen Schlacke (2) in das Schaummittel (3) statt (links), mit Erreichen der Zersetzungstemperatur expandiert das Schaummittel endotherm und es entstehen geschlossene Poren (9) in der Schaumschlacke (5) (rechts).
Der Kern der Erfindung ist der Einsatz eines Schaummittels, etwa in Form von mineralischen Partikeln, zur Aufschäumung von Schlacke aus dem schmelzflüssigen Zustand, vorzugsweise in einem Verfahrensschritt, direkt an einem der Stahlherstellungsprozesse angrenzt. Das Schaummittel zersetzt sich bei einer kritischen Temperatur unter Freisetzung von Gasen, wie CO₂ und H₂O. Durch die endothermen Zersetzung entziehen die Zersetzungsprodukte, hier die Mineralien und das expandierende Gas, der umgebenden Masse, hier der Schlacke oder dem Schlacke-Glas Gemisch, Wärme. Diese Abkühlung führt zur Erstarrung der umgebenden Masse und zu einer geschlossenen Porenstruktur, d. h. der erfindungsgemäßen Schaumschlacke.

Im Folgenden sind Schaummittel mit ihrer Zersetzungstemperatur, dem entstehenden Gas, dem Aufschäumpotential sowie die zum Erreichen der Zersetzungstemperatur benötigte Energie bei einer Ausgangstemperatur von 10°C genannt.

Mineral	Chemische Formel	Zersetzungstemperatur in °C	Expandierendes Gas in mol	Notw. Energie zur Zers. in kJ/mol Gas
Calcit	CaCO₃	825	1CO₂	158
Dolomit	CaMg(CO₃)₂	750/840	2CO₂	134
Kaolinit (erfindungsgemäß)	Al₂Si₂O₅(OH)₄	530	2H₂O	133
Magnesit	MgCO₃	620	1CO₂	116
Talkum (erfindungsgemäß)	Mg₃(OH)₂Si₄O₁₀	850	1H₂O	543

Die mineralischen Partikel, d. h. das Schaummittel, werden allein (oder mit Glasmehl gemischt) vorgewärmt oder bei Raumtemperatur zur schmelzflüssigen Schlacke hinzugefügt. Die Energie der Schlacke führt dabei zur Erwärmung der mineralischen Partikel auf die kritische Temperatur oder höher und letztendlich zur Zersetzung der Partikel. Die hierbei auftretende Gasentwicklung führt zum Schäumen der Schlacke.
Die Zugabe des mineralischen Schaummittels (3), allein oder als Mineral-Glas-Gemisch, kann auf unterschiedliche Weise erfolgen, wie beispielsweise durch Einsprühen mit einer Düse (4) im Gießprozess (1) in eine Form oder auf ein Förderband (6), durch mehrschichtiges Auftragen auf ein Förderband (6) (2) oder in eine gegebene Form.
Bei eisen- und eisenoxidhaltiger Schlacke besteht des Weiteren die Möglichkeit, das mineralische Schaummittel (3) allein oder als Mineral-Glas-Gemisch über eine Sauerstofflanze (8) einzutragen (3). Hier wird das u. a. von Kühl entwickelte Verfahren zur Hilfe genommen (M. Kühn, P. Drissen, H. Schrey, Treatment of liquid steel slags, in: Proceedings of the 2nd European slag conference, 2000, pp. 123–135). Das enthaltene Eisen oder Eisenoxid oxidiert durch den Sauerstoff (7) exotherm und der Eisen- bzw. Eisenoxidgehalt kann weiter reduziert werden.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen, sowie den Zeichnungen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
Bezugszeichenliste

1: Schlackenbehälter
2: Schmelzflüssige Schlacke
3: Schaummittel
4: Düse
5: Schaumschlacke
6: Förderband
7: Sauerstoff
8: Sauerstofflanze
9: Geschlossene Pore
10: Wärmetransport
11: Definierte Form

Claims

Verfahren zur Herstellung von Schaumschlacke, umfassend: 1) Bereitstellen einer schmelzflüssigen Rohschlacke; 2) Granulieren der schmelzflüssigen Rohschlacke; 3) Konditionieren der granulierten Rohschlacke um eine konditionierte Schlacke zu erhalten; und 4) Zuführen von Wärme zur der konditionierten Schlacke, um eine schmelzflüssige Schlacke zu erhalten. 5) Bereitstellen einer schmelzflüssigen Schlacke; und 6) zumindest teilweises Vermischen der schmelzflüssigen Schlacke mit einem Schaummittel, aus dem in dem Temperaturbereich, der zur Schmelzflüssigkeit der Schlacke führt, zumindest ein Gas freigesetzt wird, um die Schaumschlacke zu erhalten, wobei das teilweise Vermischen zum Aufschäumen der Schlacke direkt nach dem Abstich im schmelzflüssigen Zustand erfolgt; und das Schaummittel ein Schaummittel ist, das sich in dem Temperaturbereich, der zur Schmelzflüssigkeit der Schlacke führt, endotherm zersetzt, wobei durch die endotherme Zersetzung des Schaummittels der Schlacke Wärme entzogen und, durch Erstarren der Schlacke, die Schaumschlacke gebildet wird, wobei – die schmelzflüssige Schlacke vor und/oder während und/oder nach dem Vermischen der schmelzflüssigen Schlacke mit dem Schaummittel mit zumindest einem weiteren Stoff zumindest teilweise vermischt wird, wobei der weitere Stoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Glas, Glasbestandteilen, fester Schlacke, siliziumhaltigen Materialien oder Mischungen derselben; – das Schaummittel ausgewählt ist aus Kaolinit (Al₂Si₂O₅(OH)₄), Talkum (Mg₃(OH)₂Si₄O₁₀) oder Mischungen derselben; – das Vermischen der schmelzflüssigen Schlacke mit dem Schaummittel durch Einsprühen des Schaummittels und Sauerstoff mittels einer Sauerstofflanze erfolgt; – das Vermischen der schmelzflüssigen Schlacke mit dem Schaummittel durch ein schichtweises Auftragen des Schaummittels und der schmelzflüssigen Schlacke in eine definierte Form erfolgt; – die Schlacke Hochofenschlacke mit einer Zusammensetzung von 35–42% CaO, 33–43% SiO₂, 8–13% Al₂O₃, 4–12% MgO, < 0,7% Fe, < 1,5% Mn und 1,2–1,9% S, Stahlwerkschlacke mit einer Zusammensetzung von 44–55% CaO, 11–18% SiO₂, < 6% Al₂O₃, < 6% MgO, 12–20% Fe, < 6% Mn und < 0,2% S, oder eine Elektroofenschlacke mit einer Zusammensetzung von 24–42% CaO, 10–28% SiO₂, 1–15% Al₂O₃, 1–13% MgO, 4–40% Fe, < 6% Mn und < 0,4% S ist; und – das Konditionieren das zumindest teilweise Abtrennen eisenhaltiger Schlackebestandteil unter Einwirkung eines magnetischen Felds umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Granulieren der schmelzflüssigen Rohschlacke unter Wärmerückgewinnung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Glasbestandteile Soda sind.