Optimierung des Falcon-Konzentraters zur Eisengewinnung aus Hochofenschlamm mittels Box–Behnken-Design

Abfall als verborgene Ressource nutzen

Eisen- und Stahlwerke produzieren beim Reinigen der Ofenabgase große Mengen staubigen Schlamms. Dieser Abfall, als Hochofenschlamm bekannt, ist reich an Eisen und Kohlenstoff, lässt sich jedoch schwer wiederverwenden und kann bei einfacher Lagerung oder Entsorgung Umweltschäden verursachen. Die Studie hinter diesem Artikel stellt eine einfache Frage mit weitreichenden Folgen: Kann man diesen problematischen Abfall mit einem kompakten, rotierenden Separator in eine verwertbare Eisenquelle verwandeln, um sowohl Verschmutzung als auch den Bedarf an frischem Erz zu reduzieren?

Warum Schlamm aus Stahlwerken wichtig ist

Bei der Herstellung von Roheisen werden feine Partikel aus Eisen, Kohle und anderen Mineralien im heißen Gasstrom aus dem Ofen mitgerissen und später in Filtern und Absetzbecken zurückgehalten. Das Ergebnis ist ein dunkles, schlammiges Material, das zwar viel Eisen und Kohlenstoff enthält, aber auch sehr feine Partikel und unerwünschte Metalle wie Zink. Die feine Korngröße erschwert den Umgang in den üblichen Eisenaufbereitungsprozessen, und die enthaltenen Begleitmetalle können Ausrüstung korrodieren oder sich bei einfacher Rückführung in den Ofen problematisch anreichern. Gleichzeitig zwingen strengere Vorgaben zur Deponierung und die wachsende Sorge über Schwermetalle in Böden und Gewässern die Werke dazu, klügere Wege zur Rückgewinnung von Wertstoffen aus diesem Material zu finden, anstatt es als reinen Abfall zu betrachten.

Eine rotierende Schale zur Trennung wertvoller Körner

Die Forschenden prüften ein Gerät namens Falcon-Konzentrat, das wie eine tiefere, rotierende Schale geformt ist. Beim Drehen erzeugt die Schale Kräfte, die vielfach größer sind als die normale Schwerkraft. Eine als Aufgabeschlämme zugeführte Suspension aus Hochofenschlamm und Wasser wird in die Schale eingebracht. Schwere, eisenreiche Partikel werden nach außen gegen die Wand gedrückt, während leichtere, kohlenstoffreiche oder staubige Partikel leichter von einem kontrollierten Wasserstrom durch das Bett weggespült werden. Durch das Einstellen dreier Stellgrößen – Feststoffgehalt der Zufuhr, Stärke des Wasserstroms und Drehzahl der Schale – zielte das Team darauf ab, einen eisenreichen Fraktion zu separieren, die in die Roheisenherstellung zurückgeführt werden kann, und gleichzeitig einen leichteren Abfallstrom zu verwerfen.

Das optimale Betriebsfenster finden

Statt per Trial-and-Error zog die Studie einen strukturierten statistischen Plan, das Box–Behnken-Design, heran, um Kombinationen der drei Schlüsselparameter zu erkunden. In 15 sorgfältig ausgewählten Versuchen wurden der Eisengehalt des Konzentrats und der Anteil des insgesamt zurückgewonnenen Eisens gemessen. Computermodelle stellten dann Verknüpfungen zwischen den Maschineneinstellungen und diesen beiden Ergebnissen her. Die Analyse zeigte, dass der Feststoffgehalt in der Zufuhr innerhalb des getesteten Bereichs kaum Wirkung hatte, während zwei Faktoren die Leistung dominierten: der Druck des Wassers, das das Bett auflockert, und die Drehbeschleunigung, angegeben als Vielfaches der Erdbeschleunigung. Höherer Wasserdruck führte zu einem saubereren, eisenreicheren Produkt, ging jedoch zulasten eines Teils des Eisens, das in den Abfallstrom gelangte. Schnellere Rotation bewirkte das Gegenteil: Sie zog mehr Eisen ins Konzentrat, brachte aber gleichzeitig mehr unerwünschte Bestandteile mit, sodass der Eisengehalt sank.

Qualität und Ausbeute ausbalancieren

Da die Industrie sowohl an einem akzeptablen Eisengehalt als auch an hoher Rückgewinnung interessiert ist, suchte das Team nach einem Kompromiss statt nach einer einzigen optimalen Zahl. Mit einem Mehrzieloptimierungsansatz fanden sie Betriebsbedingungen, die ein Konzentrat mit etwa 51 % Eisen lieferten, ausgehend von einem Schlamm mit rund 34 % Eisen, und dabei fast 58 % des im Ausgangsmaterial vorhandenen Eisens erfassten. Um die Ausbeute weiter zu steigern, führten sie den Abfallstrom aus diesem ersten Durchgang ein zweites Mal durch den Falcon unter denselben Einstellungen. Durch die Kombination der Produkte beider Stufen erreichten sie eine Gesamt­rückgewinnung von etwa 78 % des Eisens bei einem Endprodukt mit einem Eisengehalt knapp unter 50 % und warfen fast die Hälfte der ursprünglichen Masse als minderwertiges Rückstandsmaterial ab.

Was das für sauberere Stahlherstellung bedeutet

Für Nichtfachleute ist die Kernbotschaft: Eine sorgfältig abgestimmte, zweistufige Rotation in einem kompakten Separator kann problematischen Stahlschlamm in eine konzentriertere Eisenquelle verwandeln und gleichzeitig die Menge des Materials reduzieren, das weiterbehandelt werden muss. Das Verfahren löst nicht alle Probleme: Der Großteil des in der Ausgangsschlämme enthaltenen Zinks landet im eisenreichen Produkt, sodass vor einer vollständigen Wiederverwendung im Ofen noch ein zusätzlicher Schritt nötig ist. Dennoch bietet der Ansatz durch die Verringerung des Volumens, das diese Zusatzbehandlung erfordert, und durch die Rückgewinnung eines erheblichen Teils des Eisens einen vielversprechenden Weg zu einer saubereren und ressourceneffizienteren Stahlproduktion.

Zitation: Çerik, Ç. Optimization of Falcon concentrator for iron recovery from blast furnace sludge using Box–Behnken design. Sci Rep 16, 13588 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43785-1

Schlüsselwörter: Hochofenschlamm, Eisengewinnung, Schwerkrafttrennung, Falcon-Konzentrat, Recycling in der Stahlindustrie