Projekt 11524/01

Drehteller-Granulation von Gießereischlacken

Projektdurchführung

Mineralmühle Leun, Rau GmbH & Co. KG
Braunfelser Str. 8 - 12
35638 Leun

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

In Eisengießereien fallen jährlich ca. 200 000 t Schlacken als Abfallprodukt an. Für diese geringen Mengen lohnen sich in den einzelnen Betrieben keine Aufbereitungsanlagen. Die Schlacke wird auf Halden entsorgt und dort evtl. energie-, kosten-, staub- sowie lärmintensiv mechanisch zerkleinert, um als Beimengungen für natürliche Minerale bzw. in der Baustoffindustrie Verwendung zu finden. Innerhalb dieses Projektes ist eine Anlage für ein diskontinuierliches Verfahren, das direkt in den einzelnen Gießereien angewendet werden kann, zum ökonomischen Zerkleinern der flüssigen Schlacke unter Vermeidung aufwendiger Prozeßstufen zu entwickeln. Es soll bei den Versuchen im Hinblick auf die spätere Verwendung ein Teilchengrößenspektrum in einem Durchmesserbereich von < 3 mm angestrebt werden. Denkbare Verwendungen der durch Drehteller-Trockengranulation gewonnenen sphärischen Teilchen sind Freistrahlmittel, harzgebundene Füllstoffe und Gleitmittel für das Strangpressen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Forschungsarbeiten wurden vom Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM), Dresden, durchgeführt. Es war eine Laboranlage zum Verdüsen (Granulieren) von Kupolofenschlacken direkt aus dem schmelzflüssigen Zustand zu entwickeln, zu konstruieren und zu bauen. Dabei sollte zum Erhitzen der Schlacke ein Schmelztiegel mit induktiver Heizung entstehen. Die Zerstäubung des Schmelzstrahles in kugelige Teilchen geschieht mittels Zentrifugalkraft auf einer rotierenden, horizontal angeordneten metallischen Scheibe. Der Einfluss der technologischen Parameter, wie z. B. Gießtemperatur, Drehzahl des Granuliertellers und Massefluss der Schmelze auf die Partikelbildung und -Geometrie war zu untersuchen. Da die Temperatur und die Viskosität der Schlacke eine entscheidende Rolle dafür spielen, mußte eine Variation der Schlackenzusammensetzung in engen Grenzen, z. B. durch Zugabe von Kalk oder Sand, mit betrachtet werden. Die entstehenden kugeligen Teilchen waren auf ihren möglichen glasigen oder amorphen Zustand und auf ihre Porosität zu untersuchen. Gleichzeitig waren Anwendungsfelder für die Partikel zu erschließen. Die ersten Gedanken führten auf Freistrahlmittel für die Oberflächenveredlung (Shot-peening-Verfahren), auf das Ersetzen von Glasperlen bei harzgebundenen Füllstoffen und auf den Gleitmittel-Einsatz als Stranggusspulver (Wollastonit-Ersatz).


Ergebnisse und Diskussion

Innerhalb des Vorhabens ist eine Anlage zum Granulieren bzw. Verdüsen von flüssiger Schlacke mittels Drehteller zu sphärischen Partikeln erstellt worden. Diese Anlage hat die erwarteten Forderungen erfüllt. Aus den Ergebnissen hat sich ergeben, dass es möglich ist, flüssige Schlacke mit einem Drehteller zu verdüsen. Dabei können die Betriebsparameter so eingestellt werden, dass ein Anfall der unerwünschten Fasern und Wolle fast völlig vermieden wird. Gleichzeitig sind die größten Bruchstücke bzw. entstandenen Produkte nur ca. 10 mm im Durchmesser, so dass damit ein günstiges Weiterverarbeiten (z. B. zusätzliches energiearmes Aufmahlen ohne vorheriges lärmintensives Aufbrechen wie bei stückig erstarrter Schlacke) möglich wird. Die wesentlichen Parameter des Verdüsprozesses können so gestaltet werden, dass eine optimale Ausbeute garantiert wird. Maximal sind bisher bei der Kupolofenschlacke im gewünschten Bereich zwischen 1,4 und 4 mm Durchmesser der Kügelchen Ausbeuten von 45 % erreicht worden. Diese Ausbeute stellt die verwendungsfähige Masse der eingesetzten Schlacke entsprechend der aufgestellten Forderungen (Kugelgrößen ca. 1 bis 4 mm im Durchmesser) dar, was für eine sehr gute Startphase der Versuche an der Verdüsanlage spricht. Dabei ist der Faseranteil mit 2,4 % akzeptabel, aber noch verbesserungsbedürftig. Mit dem bisherigen Projektergebnissen kann gesagt werden, dass es bei einer verhältnismäßig niedrigen Schlackentemperatur von 1550 bis 1600 C möglich ist, die Schlacke vorrangig zu kugeligen Teilchen im Bereich von 1,4 bis 4 mm zu verdüsen. Diese Schlackentemperatur liegt nur wenig über der Abgusstemperatur bei Kupolöfen von 1530 OC, so dass nur ein geringfügiges oder gar kein Aufheizen in dem für den Verdüsvorgang ausgelegten Zwischengefäß nötig sein wird. Die momentane Ausbeute von ca. 50 % scheint derzeit für eine ökonomische industrielle Nutzung noch zu gering zu sein, wobei aber durch längere Flugbahnen der entstandenen Teilchen und durch eine optimierte Drehtellergeometrie dieser Wert wesentlich gesteigert und somit für die Industrie attraktiv gestaltet werden könnte. Die physikalischen Eigenschaften wie Druckbelastung und Härte zeigen bei den entstandenen Kügelchen aus der Kupolo-fenschlacke ausgezeichnete Ergebnisse, mit denen in entsprechenden Anwendungsfällen die Glas- und Basaltkugeln jederzeit ersetzt werden können. Bemerkenswert ist dabei, dass die Schlackenzusammensetzung eine wesentliche Rolle bei den Ergebnissen der Druckbelastung spielt. Hier bietet sich noch ein weites Forschungsfeld in Bezug auf verschiedene Materialzugaben an. Selbst bei einer Ausbeute nahe 100 % ist durch nachfolgende Klassier- und Sortierprozesse der Gutanteauszulesen, was schon Stand der Technik ist und z. B. von der Glaskugelherstellung problemlos übernommen werden könnte. Ein Abtrennen der kugeligen Teilchen mittels rotierender Glasscheibe hat sich im Labormaßstab schon bewährt.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Erste Kontakte zu Anwendern sind mit der Übergabe von Probenmaterial hergestellt worden. Die Einsatzergebnisse müssen noch abgewartet werden. Neben diesem gezielten Ansprechen von Partnern sind bzw. werden die Ergebnisse des geförderten Vorhabens auf mehreren Veranstaltungen vorgestellt.
- Vorstellung auf dem Industrietag des Fraunhofer-Institutes für angewandte Materialforschung in Dresden am 29. 04. 99
- Vorstellung auf der Hannover-Messe 19. - 24. 04. 99
- Vorstellung auf der Hannover-Messe 20. - 25. 03. 00
- Vorstellung auf der Materialica in München 27. - 30. 09 99
- Weitere Veröffentlichungen sind in den beiden nachfolgend erwähnten Zeitschriften in Kürze geplant: Technische Rundschau und Zuliefermarkt


Fazit

Die vorgestellten Ergebnisse des von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt geförderten Projektes zeigen, dass es möglich ist, Kupolofenschlacken aus Eisengießereien auf einer innerhalb dieses Projektes konstruierten und gebauten Anlage mittels rotierenden metallischen Drehtellers zu kugeligen Teilchen zu verdüsen. Die Tagesleistung (3-Schicht-Rhythmus) würde, abgeleitet aus den momentanen Versuchsergebnissen, beim Betrieb einer Anlage bis zu 5 t zu verdüsender Schlacke betragen. Der Gutanteil der Ausbeute für die interessierende Fraktion mit einem Durchmesserbereich der Partikel von 1,4 bis 4 mm liegt nach den Resultaten dieses Vorhabens bei 50 %. Dieser Wert muß aber durch zusätzliche Versuchsserien und Entwicklungsarbeiten noch gesteigert werden. Die noch anfallenden Ausschusspartikel können im Gegensatz zum jetzigen Aufbrechen der stückig erstarrten Schlacke Energie schonend weiter aufgemahlen werden, da nur maximal 10 bis 15 mm im Durchmesser große Teilchen entstehen. Auch ein Verkippen auf Deponien wäre keinesfalls mehr nötig, da für die gebildeten Partikel jederzeit ein Einsatz als Zuschlagstoff möglich ist. Die mit dem metallischen Drehteller hergestellten kugeligen Partikel weisen infolge der Schnellerstarrungseffekte (feines homogenes Gefüge) ausgezeichnete mechanische Eigenschaften auf (Druckbelastung und Härte), die von Glas und Basalt sogar teilweise übertreffen. Ein Einsatz der verdüsten Kügelchen aus Kupolofenschlacke kann vorerst in Bereichen, wo Druckbelastungen auftreten (z. B. harzgebundene Füllstoffe in druckbelasteten Bauteilen, Bohrlochverfüllungen) erwartet werden. Weitere Anwendungsgebiete erfordern noch detaillierte Untersuchungen. Die angeführten Probleme sollten in einem Folgeprojekt bearbeitet werden. Dabei müssen industrielle Anwendungen in starkem Umfang einbezogen werden.