19.11.2021

Temperaturmessung am kleintechnischen Lichtbogenofen der BAM

Temperaturmessung am kleintechnischen Lichtbogenofen der BAM

Quelle: BAM, Fachbereich Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung

Projektlaufzeit

01.02.2021 - 31.01.2024

Projektart

Verbundforschungsprojekt

Projektstatus

Laufend

Kurzbeschreibung

Stahlwerksschlacken sind Nebenprodukte der Rohstahlherstellung, die einen Massenanteil von bis zu 30% Eisen enthalten. Das Projekt SlagCEM untersucht die Rückgewinnung des Eisens bei gleichzeitiger Herstellung eines hydraulischen Bindemittels.

Ort

Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Unter den Eichen 87
12205 Berlin

Am kleintechnischen Lichtbogenofen der BAM: Löffelprobe

Am Lichtbogenofen der BAM: Löffelprobe

Quelle: BAM, Thermochemische Reststoffbehandlung


Allein in Deutschland werden jedes Jahr über 5 Millionen Tonnen an Stahlwerksschlacke erzeugt, die derzeit vor allem im Straßen-, Erd- und Wasserbau eingesetzt wird. Bei dieser Verwendung geht das in den Schlacken enthaltene Eisen für die Kreislaufwirtschaft verloren. Das in SlagCEM angewendete Verfahren ermöglicht die Rückgewinnung dieses Eisens. Zusätzlich entsteht während des Prozesses ein Material ähnlich dem Portlandzementklinker, das als Bindemittel in der Zementindustrie eingesetzt werden kann.

Ein Pfeil in der Mitte einer Zielscheibe

Quelle: BAM

SlagCEM hat eine möglichst vollständige Verwertung von Stahlwerksschlacken zum Ziel: Das enthaltene Eisen soll zurückgewonnen und das mineralische Material als hydraulisches Bindemittel nutzbar gemacht werden. Das Verfahren trägt damit zur Einsparung von Primärrohstoffen und zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen in der Zementindustrie bei.

Stilisierter Programmablaufplan

Quelle: BAM

Das größtenteils oxidisch gebundene Eisen der Stahlwerksschlacke wird in der Schmelze bei hohen Temperaturen zu metallischem Eisen reduziert. Um diesen Prozess in großtechnischem Maßstab rentabel zu machen, muss er im Stahlwerk direkt an der flüssigen Schlacke bei ~1600 °C erfolgen. Hierfür wird die chemische Zusammensetzung der Schlacken so modifiziert, dass deren Schmelztemperatur und Viskosität in einem technisch geeigneten Bereich liegen.

Händeschütteln

Quelle: BAM

Projektleitung
Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
Fachbereich Thermochemische Reststoffbehandlung, Wertstoffrückgewinnung

Projektpartner
ArcelorMittal Eisenhüttenstadt
Technische Universität Berlin
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
FEhS - Institut für Baustoff-Forschung e.V.
thyssenkrupp Industrial Solutions
Öko-Institut e.V.
LTB Lasertechnik Berlin

Stahlwerksschlacken – Ein Nebenprodukt mit Potential

Allein die deutsche Rohstahlproduktion produziert jährlich über 5 Millionen Tonnen Stahlwerksschlacke. Dieses Nebenprodukt enthält noch einen Massenanteil von bis zu 30 % Eisenoxid, das bei der derzeit gängigen Verwendung der Schlacken im Verkehrsbau jedoch für die weitere Nutzung verloren geht.

Das Projekt SlagCEM untersucht die Rückgewinnung von Roheisen aus Stahlwerksschlacken. Durch die Abtrennung des Eisens aus der Schlacke wird deren chemische und mineralogische Zusammensetzung stark an die des Portlandzementklinkers angeglichen. Dadurch ist es möglich, im gleichen Prozess ein hydraulisches Bindemittel für die Zementindustrie herzustellen.

Großtechnische Umsetzung des Hochtemperaturprozesses

Die Rückgewinnung des größtenteils oxidisch gebundenen Eisens kann durch dessen Reduktion zu metallischen Eisen aus der Schlackeschmelze in einem Hochtemperaturprozess bei ca. 1800 °C erfolgen. Diese Temperaturen sind in einem großtechnischen Prozess unwirtschaftlich und bzgl. des Feuerfestmaterials problematisch.

In SlagCEM soll das Verfahren so angepasst werden, dass eine großtechnische Umsetzung unter ökonomischen Bedingungen realisierbar ist. Dazu soll die Zusammensetzung der Schlacke modifiziert werden, um die Schmelztemperatur und Viskosität in einen technisch geeigneten Bereich zu bringen und eine Eisenrückgewinnung bei geringeren Temperaturen zu ermöglichen. Ziel ist die Reduktion an flüssigen Stahlwerksschlacken im Stahlwerk bei ca. 1600 °C durchzuführen. Gleichzeitig soll ein mineralisches Produkt mit guten zementtechnischen Eigenschaften erzeugt werden.

Projektteam aus Forschung, Stahl- und Zementindustrie

Mit Fachkompetenz aus Forschung, Stahl- und Zementindustrie soll ein technisch, logistisch und ökonomisch handhabbares Verfahren entwickelt werden, das marktfähige Produkte erzeugt. Dafür werden an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), der Technischen Universität Berlin (TUB), dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und dem FEhS - Institut für Baustoff-Forschung die Auswirkungen der Modifizierung auf das Schmelzverhalten von Stahlwerksschlacken von ArcelorMittal Eisenhüttenstadt und auf die zementtechnischen Eigenschaften des erzeugten Bindemittels untersucht. Mittels Online-LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) der LTB Lasertechnik Berlin ist es möglich die stofflichen Änderungen bereits während der Experimente zu analysieren. Die Kooperationspartner CEMEX Deutschland AG und Spenner GmbH & Co. KG bewerten die Leistungsfähigkeit des Produktes als Bindemittel.

Auf Basis der Projektergebnisse wird ArcelorMittal einen großtechnischen Demonstrator planen, mit dem der Prozess in einem Hüttenwerk erprobt und integriert werden kann. Eine abschließende Einschätzung der ökologischen Auswirkungen des Verfahrens, sowohl für die Stahl- als auch für die Zementindustrie, soll eine durch das Öko-Institut e.V. erstellte Ökobilanz (LCA) des gesamten Recyclingprozesses erlauben.

Projektleitung

Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)

Projektpartner

Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Fachbereich Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung
ArcelorMittal Eisenhüttenstadt
TUB Technische Universität Berlin
DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
FEhS Institut für Baustoff-Forschung e.V.
thyssenkrupp Industrial Solutions
Öko-Institut e.V.
LTB Lasertechnik Berlin

Förderung

Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) in der Förderrichtlinie „Ressourceneffiziente Kreislaufwirtschaft – Bauen und Mineralische Stoffkreisläufe (ReMin)“ gefördert, die Teil des Rahmenprogramms FONA ist.