Eisenerz-Agglomeration: Historische Entwicklung und Verfahren

Eisenerz-Agglomeration: Verfahren und historische Entwicklung

Es gibt vier Haupttypen von Agglomerationsverfahren, die sich historisch entwickelt haben: (i) Brikettieren, (ii) Nodulieren, (iii) Sintern und (iv) Pelletieren.

Brikettieren und Nodulieren

Brikettieren ist das einfachste und älteste Verfahren. Feinkörnige Erze werden unter hohem Druck mit Wasser oder Bindemitteln zu kissenförmigen Briketts gepresst.

Beim Nodulieren werden Feinerze oder Konzentrate mit kohlenstoffhaltigem Material in einem geneigten Drehrohrofen erhitzt. Die Temperatur reicht zum Erweichen, nicht zum Verschmelzen. Die resultierenden Nodulen variieren stark in der Zusammensetzung, sind zu dicht, schlackeartig und weisen unzureichende Porosität auf – weshalb sich das Verfahren nicht durchsetzen konnte.

Beide sind Kaltbindeverfahren und dienen hauptsächlich der Wiederverwertung von Eisenerzabfällen im Stahlwerk.

Sintern und Pelletieren: Die dominierenden Verfahren

Sintern und Pelletieren sind die wichtigsten Verfahren für die Roheisenproduktion. Laut World Steel Association wurden 2014 weltweit 1.183 Mio. t Roheisen (Hochofen) und 73 Mio. t direktreduziertes Eisen produziert. Der überwiegende Teil stammt aus Sintern und Pellets. Während Hochofen sowohl Sinter als auch Pellets nutzen, benötigt die Direktreduktion ausschließlich Pellets. Die Weltproduktion von Sinter und Pellets zusammen wird auf über 1.300 Mio. t/a geschätzt.

Historischer Hintergrund

Ursprünglich wurden Hochofen mit natürlichen Klumperzen beschickt. Beim Abbau fielen große Mengen Feinerze an, die ungenutzt deponiert wurden. Die Erschöpfung hochwertiger Klumperzvorkommen zwang zur Entwicklung des Sinterns, um diese Feinerze nutzbar zu machen. Gleichzeitig trieb die Erschließung minderwertiger Erze, die fein gemahlen und angereichert werden mussten, die Entwicklung des Pelletierens voran. Diese Agglomerate verbesserten die Hochofenleistung drastisch und führten zu einem fundamentalen Wandel in der Hochofenbeschickung.

Geschichte des Eisenerzsinterns

Die Wurzeln reichen bis 1887 zurück, als F. Haberlein und T. Huntington in England das Aufwärts-Sintern (Up-Draft) für Sulfiderze patentierten (Patent Nr. 786.814, 1905). Das Verfahren nutzte Töpfe, in denen das Gemisch von unten mit Luft durchblasen wurde. Es litt unter ungleichmäßiger Produkqualität: Der untere Bereich versinterte zu dichtem Schlacke, der obere blieb ungesintert.

Wichtige Meilensteine

• 1902: W. Job – Sintern von Pyritkies und staubigen Erzen mit Kohlezusatz (DE-Patent 137.438)
• 1905: E.J. Savelsberg – Eisenerzsintern mit Kohle/Kokszusatz (DE-Patent 210.742)
• 1906: A.S. Dwight & R.L. Lloyd – Band-Sintermaschine für Vakuumsintern (USA)
• 1909: Von Schlippenbach – Drehrohr-Sinternmaschine (DE-Patent 226.033)
• 1913: W. Barth – Sinterband mit Aufwärtsblasung (DE-Patent 276.424)
• 1914: J.E. Greenawalt – Rechteckige Kippwannen für Vakuumsintern (US-Patent 1.103.196)
• 1930: V.A. Sakharnov – Kreisrunde Sintermaschine

Der Durchbruch: Dwight-Lloyd-Verfahren

Das Huntington-Haberlein-Verfahren war vor dem Dwight-Lloyd-Patent (US 882.517, 1908) führend, aber ineffizient. Dwight und Lloyd erkannten die Kernprobleme: variabler Druck im Schichtgut und Partikelbewegung durch aufsteigende Luft. Ihre Lösung: Dünnschichtbeschickung und Ruhe der Partikel während der Verbrennung – erreicht durch Abwärtsblasung (Down-Draft) mit Zündung an der Oberfläche oder Aufwärtsblasung mit Siebstabilisierung.

Die erste Anlage nach diesem Prinzip wurde 1906 in der Kupfermine Cananea (Mexiko) gebaut. 1908 folgte die Ohio Colorado Smelting Co. in Salida, Colorado – eine kontinuierliche Maschine mit Abwärtsblasung und automatischer Entladung.

Greenawalt entwickelte parallel einen intermittierenden Topfprozess mit Abwärtsblasung (Denver, ca. 1909), der ab 1910 für Sulfiderze und ab 1912 für Eisenerze kommerziell genutzt wurde.

Das Dwight-Lloyd-Verfahren mit Abwärtsblasung setzte sich weltweit durch. 1910 erste US-Anlage für Eisenerz, 1917 erste deutsche Anlage. Das Grundprinzip – Dünnschicht, Abwärtsblasung, partikelfreie Verbrennung – ist bis heute unverändert.

Geschichte des Pelletierens

Pelletieren unterscheidet sich grundlegend: Es werden grüne (ungerbrannte) Pellets geformt und anschließend durch Erhitzen gehärtet.

Erste Phase: Europa (1912–1930er)

• 1912: A.G. Andersson (Schweden) – erstes Pelletierpatent (Nr. 35.124)
• 1913: C.A. Brackelsberg (Deutschland) – Patent
• 1926: Pilotanlage (120 t/Tag) bei Krupp in Rheinhausen – 1937 für Sinteranlage abgebaut

Zweite Phase: USA (1940er–1950er)

Treiber war die Nutzung der Taconite-Erze am Mesabi Range (Minnesota): niedriggradig (25–30 % Fe), hart, magnetitführend, Feinmahlung auf 80 % < 325 Mesh nötig. Konzentrat: ~65 % Fe, 8 % SiO₂.

Unter Dr. E.W. Davis (Mines Experiment Station, Univ. Minnesota) entstanden erste Versuche: Nasskonzentrat im Drehtrommel granullieren, im Schachtöfen härten. 1943 erste experimentelle Pellets im Schachtofen. 1947 ähnliche Anlage in Schweden.

Technologische Herausforderungen und Lösungen

Schachtofen zeigten Probleme: ungleichmäßige Gasverteilung, ungleichmäßiger Schüttgutabstieg, begrenzte Kapazität, Skalierungsunsicherheiten. Die Reserve Mining Company adaptierte den Lepol-Ofen (Zementindustrie): Kugelung → bewegter Rost (Trocknung/Vorwärmung) → Drehrohrofen (Endhärtung) → Heißgasrückführung zum Rost.

1954: 1.000 t/Tag Versuchsanlage (Allis-Chalmers/Arthur G. McKee). Heißluft von oben trocknet, Heißgas von unten härtet, Kühlung auf dem Band mit Wärmerückgewinnung. Erfolg führte zu sechs Großanlagen in Silver Bay (Lake Superior).

Parallel: Erie Mining Co. (Hoyt Lakes, 1957) – 24 Schachtofen, größte Anlage dieser Art.

Magnetit vs. Hämatit

Magnetit: körnig, große Oberfläche, oxidiert exotherm beim Brennen → Festigkeitszuwachs. Straight-Grate oder Schachtofen üblich.

Hämatit (z. B. Michigan-Jaspilite): plättchenförmig, Flotation/Konzentration nötig, keine exotherme Oxidation. Cleveland Cliffs entwickelte Grate-Kiln (Lepol-Prozess): 1956 Eagle Mills (Rost), später zwei große Grate-Kiln-Anlagen. Für Hämatit bewährt, für Magnetit eher Straight-Grate/Schachtofen.

Kommerzielle Entwicklung

• 1952: Erste kommerzielle Pelletieranlage in Babbitt, Minnesota (USA)
• 1960: Erste Grate-Kiln-Anlage in Humboldt Mine, Michigan
• Allis-Chalmers (→ Metso): ~50 Grate-Kiln-Anlagen (wenige vor 1975 noch in Betrieb)
• Kobe Steel: Erste Anlage 1966 (Kobe Works), >10 Anlagen, meist noch in Betrieb
• Seit 2000: Explosionsartiger Ausbau in China (Shougang Grate-Kiln-Technologie, neue Hersteller: Jiangsu Hongda, Citic)