Modernisierung der nass betriebenen Aufbereitungsanlage im Werk Aspang

Das Konzept der neuen Nassaufbereitung sieht neben der Optimierung der Muskovitproduktion auch die Produktion von Quarzsand für die Betonindustrie vor. Die Optimierung der Muskovitproduktion ist im ersten Schritt durch die Erhöhung des Ausbringens an Muskovit bedingt, ohne Veränderung der Trennschnitte in den Hydrozyklonstufen, die in der ersten Modernisierungsphase unberührt bleiben. Da der Trennschnitt im 66″-Schraubenklassierer unverändert bleibt, kann die Optimierung nur durch eine Verringerung des Muskovitgehalts in der Sandfraktion erfolgen. Aus mineralogischen Untersuchungen konnte ein Muskovitgehalt in der Sandfraktion 0/4 mm von ca. 20 bis 30 % ermittelt werden. Der Muskovit, der in der Sandfraktion enthalten ist, ist einerseits in Körnern gebunden, andererseits an gröberen Körnern anhaftend (Abb. 4). Dieser anhaftende Anteil soll durch den Einsatz einer Attritionsmaschine dem Trübestrom zugeführt werden, um so das Ausbringen zu erhöhen.

Um die Machbarkeit im Vorfeld zu testen, wurden im Technikum der Binder+Co AG in Gleisdorf Versuche mit einer 2‑zelligen Attritionsmaschine durchgeführt. Diese Versuche zeigten die Möglichkeit einer deutlichen Erhöhung des Muskovitausbringens und bildeten die Grundlage für die Auslegung der Attritionsmaschine sowie der gesamten Nassaufbereitung.

Die Modernisierung der Nassaufbereitung wurde an Hand des Konzepts von Binder+Co beginnend mit Oktober 2016 umgesetzt (Abb. 5).

Die neuen aufbereitungstechnischen Kernkomponenten des Konzepts waren eine Kreisschwinger-Siebmaschine mit Bebrausungsanlage (Sieb 1) für einen nominellen Trennschnitt von 8 mm oder 4 mm, ein Schraubenklassierer für einen nominellen Trennschnitt von 160 µm, eine Attritionsmaschine zur Läuterung des Schraubenklassierer-Grobgutes, ein weiterer Kreisschwinger mit Bebrausungsanlage (Sieb 2) zur optionalen Absiebung eines Produktes 4/8 mm, ein Hydrozyklon zur Abscheidung einer Feinguttrübe und eine Entwässerungssiebmaschine mit Bebrausungsanlage zur Entwässerung sowie zusätzlichen Entschlämmung der Hydrozyklon-Unterlauftrübe 0/4 mm. Hinsichtlich aufbereitungstechnischer Maschinenauslegung kamen neben der Berücksichtigung von Versuchsauswertungen ein Simulationsprogramm (vereinfachtes Fließschema siehe Abb. 5 und 8) und diverse Berechnungsprogramme zur Auslegung der einzelnen Maschinen zum Einsatz.

Bei den Simulationsrechnungen erwies sich zur Beschreibung der Stoffströme die Festlegung von einer aus 11 Merkmalsklassen (Korngrößenklassen) bestehenden Feststoffphase und einer Wasserphase als zielführend. Als obere Kornklassengrenzen zu den Korngrößenklassen galten 20 mm, 8 mm, 4 mm, 2 mm, 1 mm, 0,5 mm, 0,315 mm, 0,2 mm, 0,125 mm, 0,063 mm und 0,04 mm. Der Aufgabestoffstrom konnte durch die Angabe der Feuchtgut-Fließrate in t/h, die Angabe von Feststoffgehalt bzw. Wassergehalt in % und die Angabe der Durchgangswerte in % zu den vorhin genannten Korngrößenklassengrenzen beschrieben werden. Zur Simulation von „Sieb 1“ diente ein sehr einfaches Rechenmodell, wobei als wesentliche Rechenmodellparameter der nominelle Trennschnitt und der Wassergehalt des Siebüberlaufs zu nennen sind. Die Brausewassermenge wurde gemäß einem zweiten Aufgabestoffstrom unter Angabe der Fließrate in t/h und Angabe eines Wassergehaltes von 100 % berücksichtigt. Das Rechenmodell „Splitter“ ermöglicht die Lenkung der Siebunterlauftrübe von „Sieb 1“ zum 36″-Schraubenklassierer oder in Richtung „Sieb 2“ (Umgehung der Attrition beim „Quarzsandprozess“; siehe Abschn. 4.2). Die Trenncharakteristik des 36″-Schraubenklassierers basiert gleichsam auf vier Rechenmodellparametern. Drei Parameter dienen der Festlegung der grobgutbezogenen Teilungszahlen zu den einzelnen Korngrößenklassen. Mit dem vierten Parameter wird der Wassergehalt des Schraubenklassierer-Grobgutes festgelegt, woraus sich zu jedem Iterationsschritt der jeweiligen Simulationsrechnung automatisch die entsprechenden Fließraten an Wasser sowohl für das Klassierergrobgut als auch für die Klassiererfeinguttrübe errechnen. Vor der Attrition ermöglicht ein dritter Aufgabestoffstrom die optionale Zugabe von Verdünnungswasser. Hinsichtlich der Attrition ist ein sehr einfaches Rechenmodell hinterlegt, das im Wesentlichen nur der Darstellung der Massenflüsse dient. Für die Auslegung der Attritionsmaschine waren vorwiegend die in Gleisdorf durchgeführten Versuche relevant. Zur Simulation von „Sieb 2“ diente ein Rechenmodell mit vier Modellparametern. Drei Parameter dienen der Festlegung der grobgutbezogenen Teilungszahlen zu den einzelnen Korngrößenklassen. Mit dem vierten Parameter wird der Wassergehalt des Siebüberlaufs festgelegt, woraus sich zu jedem Iterationsschritt automatisch die entsprechenden Fließraten an Wasser sowohl für den Siebüberlauf als auch für die Siebunterlauftrübe errechnen. Die Brausewassermenge für „Sieb 2“ wurde gemäß einem vierten Aufgabestoffstrom in ähnlicher Weise wie bei „Sieb 1“ berücksichtigt. Die Unterlauftrübe von „Sieb 2“ und die Überlauftrübe des 36″-Schraubenklassierers werden der Hydrozyklon-Kompaktanlage zugeführt.

Die Hydrozyklon-Kompaktanlage entspricht einer zweistufigen Klassierung. Als erste Stufe gilt der eigentliche Zyklon. Als zweite Stufe dient eine Entwässerungssiebmaschine mit Bebrausungsanlage, wobei die Siebunterlauftrübe gemäß einem Kreislaufstrom wiederum dem Hydrozyklon aufgegeben wird. Das Rechenmodell zur Simulation des Hydrozyklons und das Rechenmodell zur Simulation der Entwässerungssiebmaschine sind ähnlich strukturiert wie jenes zur Simulation des Schraubenklassierers. Die Produkte der Hydrozyklon-Kompaktanlage sind der Hydrozyklonüberlauf (Dünntrübe) und der Überlauf der Entwässerungssiebmaschine (entwässertes und „entschlämmtes“ Sandprodukt). Bei der Muskovitproduktion wird der Hydrozyklonüberlauf als wertvolles Zwischenprodukt zum 3‑stufigen Hydrozyklonsystem („Altbestand“) weitergeleitet, beim Quarzsandprozess kann der Hydrozyklonüberlauf als Abwasser bezeichnet werden.

Die Simulationsrechnungen lieferten zu den entsprechenden Stoffströmen die Fließraten an Feststoff und Wasser sowie die zugehörigen Korngrößenverteilungen und bildeten somit die Basis zur aufbereitungstechnischen Maschinenauslegung.

Beginnend mit Oktober 2016 wurde der Abriss der alten Anlage in Angriff genommen. Die Modernisierung umfasst die Generalsanierung der Läutertrommel und des 66″-Schraubenklassierers sowie den kompletten Neubau der Aufbereitungsanlagen für die Grobfraktion. Die Hydrozyklonstufen und die damit verbundenen Aggregate sind von dieser ersten Umbauphase nicht betroffen. Beim 66″-Schraubenklassierer ist anzumerken, dass dieser von einem 3‑gängigen auf einen 1‑gängigen rückgebaut wurde.

Im Anschluss an den 66″-Schraubenklassierer wurde eine Eindecker-Kreisschwinger-Siebmaschine 1 × 1,3 m installiert. Mit dieser Maschine wird der Trennschnitt von 4 mm realisiert (siehe Abb. 5; „Sieb 1“ im Fließschema des Simulationsprogramms). Die Nennkörnung größer 4 mm wird nicht weiter behandelt und mittels Förderband auf Halde transportiert. Die Siebunterlauftrübe 0/4 mm wird zum neuen 36″-Schraubenklassierer gepumpt. Hier erfolgt die Nachwäsche der Sandfraktion. Die dabei gewonnene Feinguttrübe, die de facto reinen Muskovit beinhaltet, wird dem Feinguttrübestrom des 66″-Schraubenklassierers zugeführt. Die Sandfraktion gelangt nach dem 36″-Schraubenklassierer in die 2‑zellige Attritionsmaschine (Abb. 6). Auf Basis der Vorgaben und der Technikumsdaten wurde diese Attrition für eine Aufgaberate von 25,2 t/h Feststoff bei einem Feststoffgehalt von ca. 72 % ausgelegt. Das Zellenvolumen beträgt in Summe 4 m³, woraus eine nominelle Verweilzeit von ca. 12 min resultiert. Nach der Attrition wird die Sandfraktion in eine Hydrozyklon-Kompaktanlage gepumpt. Der Hydrozyklon-Unterlauf gelangt direkt auf ein Entwässerungssieb 1,3 × 3 m, dessen Überlauf wird mittels Förderband auf Halde transportiert. Hierbei ist anzumerken, dass im Anschluss an das Förderband, das vom Entwässerungssieb wegfördert, ein 15 m Schwenkband im Anlagenkonzept enthalten ist, um eine getrennte Lagerung der Sande aus dem Leukophyllit und jenem aus den Semmeringquarziten zu ermöglichen. Anhand der Ergebnisse des Jahres 2017 konnte gezeigt werden, dass eine Steigerung des Ausbringens von 12,2 % auf 15,7 % erzielt werden konnte (Abb. 7).

Dies bedeutet, dass um die gleiche Menge Muskovit zu produzieren, der Leukophyllitabbau um ca. 22 % zurückgefahren werden kann, woraus sich neben dem ökonomischen Effekt eine Schonung der Lagerstätte ergibt.

Die Quarzsandproduktion stellt den zweiten Betriebszustand der Nassaufbereitung dar. Im Wesentlichen ist die Konzeption der Quarzsandproduktion ähnlich wie jene der Muskovitproduktion. Der Unterschied besteht darin, dass die Überlauftrübe des 66″-Schraubenklassierers in Absetzbecken gepumpt und anschließend verhaldet wird, das Hydrozyklon-System wird in diesem Betriebszustand nicht benötigt. Zusätzlich wird, um den Verschleiß hintanzuhalten, der 36″-Schraubenklassierer und die Attritionsmaschine mittels einer Bypasslösung umfahren, sodass der Quarzsand direkt nach der ersten Kreisschwinger-Siebmaschine der Hydrozyklon-Kompaktanlage zugeführt wird (Abb. 8). Um die Verwendbarkeit der in Aspang vorliegenden Semmeringquarzite zu evaluieren, wurde bereits im Jahr 2015 eine Diplomarbeit zur Charakterisierung dieser Quarzite vergeben [1]. Auf Basis der Erkenntnisse dieser Arbeit wurden die Vorversuche und anschließend die Erstprüfung gemäß der ÖNORM EN 12620 – Gesteinskörnungen für Beton [2] vorgenommen. Mit der Durchführung der Erstprüfung wurde die Materialprüfanstalt Hartl GmbH [3] beauftragt. Hierbei ist anzumerken, dass der Sand hinsichtlich des Gehaltes an Feinanteilen der Kategorie f3 [2] entspricht, somit für den Einsatz für Spritzbeton gemäß OVBB-Richtlinie Spritzbeton [4] prinzipiell geeignet ist. Ein wichtiger Punkt für den Einsatz in der Betonindustrie stellt zudem die Beurteilung der Alkali-Silika-Reaktivität dar. Diese Beurteilung erfolgt gemäß den Anforderungen der ÖNORM B 3100 [5], wobei zwei Möglichkeiten der Beurteilung geben sind. Einerseits der petrographische Vergleich innerhalb eines Abbaugebietes [6], für welches positive Erfahrungen hinsichtlich der AKR-Beständigkeit vorliegen, andererseits die Prüfung der AKR im Schnell- oder Langzeittest [7, 8]. In diesen Tests wird die Längenänderung eines Mörtel- bzw. Betonkörpers nach Lagerung in einer einmolaren NaOH-Lösung beurteilt. Beide Tests wurden positiv bestanden, sodass den Anforderungen für einen Einsatz in der Betonindustrie grundlegend genüge getan wurde. Im Gegensatz zur Produktion von Muskovit wurde die Anlage bei dieser Fahrweise auf eine Aufgaberate von 50 t/h ausgelegt, wobei die Voruntersuchungen ein Ausbringen an Quarzsand von ca. 70 % ergaben. Zu erwähnen ist, dass neben den Feinanteilen (<0,063 mm) noch eine Grobfraktion analog der Muskovitproduktion an der ersten Siebmaschine abgetrennt wird. Diese Körnung weist eine Nennkorngröße von 4/32 mm auf und fällt mit einem Masseausbringen von ca. 20 % an. Aufgrund des vorliegenden Sandsteingefüges der Semmeringquarzite weist diese grobe Gesteinskörnung niedrige Kornfestigkeit auf, was sich in hohen Los Angeles-Koeffizienten gemäß ÖNORM EN 1097-2 widerspiegelt [9, 10]. Aus diesem Grund erfolgt die normative Einstufung gemäß der ÖNORM EN 13242 [11] für untergeordnete Anwendungen. Auf Basis der ersten Produktionsmonate konnte ein Ausbringen an Quarzsand von ca. 65 % ermittelt werden, wobei die nächste Zielsetzung eine Steigerung des Sandausbringens und somit eine Verringerung des Anteils der groben Gesteinskörnung ist.