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Stahlwerksschlacken – hauptsächlich inert und dabei doch interessant?
 

Im direkten Vergleich zur Stahlerzeugung mittels klassischer Hochöfen ist die Stahlgewinnung durch Elektrolichtbogentechnik „flexibler, spezialisierter und umweltfreundlicher“ (Swiss Steel Group). Es ist daher erwartbar, dass die Menge an erzeugten EAF-Schlacken (Electric-Arc-Furnace-Slags) als verwertbarer „Reststoff“ aufgrund einer zunehmenden Installation von Elektroöfen in Zukunft ansteigen wird. Die Verwendung von EAF-Schlacken (Abbildung 1) findet derzeit in der Bauindustrie, der Abwasserbehandlung und untergeordnet auch in der Zementindustrie statt. Zudem sind diese Schlacken als landwirtschaftliche Düngemittel nutzbar. Die Verwendung innerhalb der Zementproduktion umfasst dabei die Substitution von Rohmehl zur Klinkerherstellung sowie den Einsatz im Zement und Beton (Teo et al. 2020).

 

Abbildung 1: Grobkörnige EAF-Schlacke (Terrones-Saeta et al., 2021)

 

Zementtechnologisch ist Stahlwerksschlacke überwiegend als inert einzustufen, sodass der EAF-Schlacke in den meisten Fällen nur ein geringer Beitrag zur Festigkeitsentwicklung zugeschrieben werden kann (Ehrenberg, 2009). Eine Zugabe von 5-10% Stahlwerksschlacke zu Portlandzement kann eine Festigkeitsentwicklung bewirken, die mit der eines Portlandzements vergleichbar ist (Tao et al. 2020).

Chemische Analysen weltweit erzeugter EAF-Schlacken zeigen CaO-Gehalte zwischen 16,9 und 50,0%. Die Magnesiumoxid-Gehalte reichen dabei von ~1,5 bis 14,0% (Tao et al., 2020). Theoretisch betrachtet kann durch eine Rekarbonatisierung der oxidisch gebundenen Mineralphasen, worunter im Wesentlichen das CaO und MgO verstanden werden soll, CO dauerhaft eingebunden werden. Dabei kann maximal der bei der Erzeugung der EAF-Schlacke entstandene CO-Gehalt wieder aufgenommen werden. Untersuchungen zeigen, dass eine CO-Einbindung während der Vermahlung der EAF-Schlacke generell möglich ist. Durch die Erzeugung hoher Feinheiten und frischer spezifischer Oberflächen während der Mahlung ist eine ausreichend hohe Reaktionsgeschwindigkeit erwartbar, jedoch noch nicht genauer quantifizierbar. Ebenso sind die Randbedingungen (Temperatur, Verweilzeit, etc) noch unbekannt und müssen daher untersucht werden. Somit könnten EAF-Schlacken durch die Vermahlung und unter gleichzeitigem Einleiten und Einbinden von CO zukünftig klimaneutral im Zement und Beton weiterverwendet werden. Untersuchungen zeigen, dass bei einer Nassvermahlung von EAF-Schlacken unter Einleitung von gasförmigem CO ein Teil des Treibhausgases absorbiert werden kann. Gegenüber einer klassischen Trockenvermahlung – wie sie typischerweise in der Zementindustrie angewandt wird – ist bei einer Nassvermahlung der Rekarbonisierungseffekt erheblich höher als im direkten Vergleich zu einer Trockenvermahlung (u.a. Kurusta et al., 2023; Yokoyama et al., 2010).

 

Wie geht man mit Schwermetall-Konzentrationen in den Schlacken um?
 

Ein problematischer Aspekt bei der Aufbereitung von Stahlwerksschlacken ist der Umgang mit Schwermetallen, die im günstigsten Fall während der Nassvermahlung ausgelaugt, nachträglich chemisch gefällt sowie anschließend entsorgt werden müssen. In Bezug auf die Laugung und Fällung von Schwermetallen sind bereits bei einem Forschungsprojekt zum Thema By-passstaubwäsche vielversprechende Ergebnisse gewonnen worden. Durch die Nassbehandlung von Bypassstäuben lassen sich Schwermetalle und störende Chlorsalze auswaschen, sodass die gereinigten Stäube dem Drehrohrofen wieder als CO-neutrale Komponente zugeführt werden können. Dieses Verfahren ist weiterhin Bestandteil aktueller Forschung. Generell ist bei einer technischen Realisierbarkeit und bei entsprechend belastbaren Ergebnissen auch eine parallele Aufbereitung von Bypassstäuben und EAF-Schlacken sowie eine gemeinsame Nachbehandlung der Schwermetalle denkbar.
 

Literatur

Swiss Stell Group – Internetauftritt www.dew-stahl.com. Zugriff am 20.11.2023 um 13:41 Uhr.

Teo P.T., Zakaria, S.K., Salleh, S.Z., Taib, M., Sharif, N., Seman, A., Mohamed, J., Yusoff, M., Yusoff, A., Mohamad, M., Masri, M. and Mamat, S., 2020: Assessment of Electric Arc Furnace (EAF) steel slag waste’s recycling options into value added green products: A review. Metals 2020, 10, 1347.

Ehrenberg, A., 2009: Verwendung von Stahlwerksschlacken in der Zementindustrie. ZKG 06/2010.

Kurusta, T., Mucsi, G., Kumar, S. and Kristaly, F., 2023: Carbon-dioxide sequestration by mechanical activation of Linz-Donawitz steel slag; the effect of water on CO2 capture. Fuel 352.

Yokoyama, S., Sato, R., Nik, H.B., Umemoto, M., 2010: Behavior of CO2 absorption in wet-grinding of electric arc furnace reducing slag by vibration ball mill. ISIJ International, Vol. 50, No. 3, pp. 482-489.
 

Bildnachweis

Abbildung 1    Entnommen aus Terrones-Saeta, J., Suarez-Macias, J., Moreno-Lopez, E. and Corpas-Iglesias, F.A., 2021: Determination of the chemical, physical and mechanical characteristics of electric arc furnace slags and environmental evaluation of the process for their utilization as an aggregate in bituminous mixtures. Materials 2021, 14, 782.

Ihr Ansprechpartner

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Dr. Stefan Seemann
Umwelt und Betriebstechnik

(0211) 45 78-254
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