Metaalslakken

1. Beschrijving

1.1. Definitie

Tijdens metallurgische processen ontstaan er, naast de beoogde metalen, ook een aantal (bijproducten en) afvalstoffen. Een belangrijke materiaalstroom zijn de metaalslakken. Afhankelijk van de metalen die bewerkt worden, kunnen er verschillende soorten van metaalslakken ontstaan, bv. aluminothermische slakken, FeMo-slakken, fosforslakken, gieterijslakken, hoogovenslakken, koperslakken, LD-slakken, loodslakken en RVS-slakken.

Aluminothermische processen, waarbij aluminium fungeert als de reductor, worden toegepast voor de productie van verschillende legeringen. De gevormde legering is daarbij zwaarder dan de opdrijvende slakken die aluminothermische slakken genoemd worden, ook wel kortweg aangeduid als ATS. De in Vlaanderen toegepaste ATS komen vrij bij de productie van nikkel- en ferroniobiumlegeringen. Aluminothermische slakken worden onderverdeeld bij de non-ferro slakken.

IjzerMolybdeen slakken ontstaan bij de productie van FerrroMolybdeen (FeMo) en Molybdeenoxide producten. Qua korrelgrootte zijn er verschillende fracties beschikbaar: FeMo-slib, FeMo-zand en FeMo-slak. FeMo-slak wordt ingedeeld bij de non-ferro slakken.

Fosforslak is een steenachtig bijproduct dat vrijkomt bij het productieproces van fosfor (P) uit fosfaaterts. In dit productieproces worden fosfaaterts, cokes (reductor) en kiezels (voor slakvorming) in een oven verwarmd tot 1500°C. Bij deze temperatuur wordt de fosfor gereduceerd, dat als gas de oven verlaat. De calciumoxide die in de oven achterblijft reageert met de (kiezel) en vormt zo een calcium silicaat slak. Deze vloeibare slak wordt afgetapt, gekoeld en gegranuleerd. Naast de calcium silicaat slak wordt ook ferro fosfor slak gevormd doordat ijzer als onzuiverheid in de fosfaatertsen aanwezig is.

Bij het afslakken van vloeibaar gietijzer in ijzergieterijen ontstaan gieterijslakken. Dit afslakken vindt zowel plaats bij de smeltovens als bij de warmhoudovens en gietautomaten. De slakken zelf ontstaan als reactie- en oxidatieproducten in de smeltoven (vaak inductieoven of koepeloven) en worden gebonden door slakkenbinders. Na een snelle afkoeling worden ze gegranuleerd en zijn ze toepasbaar als grondstof. Gieterijslakken behoren tot de groep van de ferro-slakken.

In de hoogoven wordt ruwijzer uit het ijzererts gereduceerd. Daarbij wordt ook hoogovenslak gevormd, die drijft op het ruwijzerbad en de smeltmiddelen en de niet-ijzerhoudende fractie uit het ijzererts bevat. Na aftapping van de vloeibare hoogovenslak vloeit deze naar een granulatie-installatie, die de slak verkorrelt door ze af te schrikken met water. De gegranuleerde hoogovenslak wordt vervolgens in filtreertrommels van het water gescheiden, waarna ze terug als grondstof kan aangewend worden. Hoogovenslakken kunnen gecatalogeerd worden als ferro-slakken.

Koperslakken zijn een bijproduct van de pyrometallurgische productie van koper (Cu) en bestaan voornamelijk uit ijzersilicaat. Ze zijn bovendien aangerijkt in Cr, Cu, Pb, Ni en Zn en worden ingedeeld bij de non-ferro slakken.

Bij staalproductie via het LD proces ontstaat, naast gesmolten staal, ook LD–slak. LD verwijst daarbij naar het Linz-Donawitz proces om staal te maken. Dit procédé werd gecommercialiseerd door twee staalbedrijven in Oostenrijk: Voest in Linz en ÖAMG in Donawitz. LD–slakken behoren net als andere staalslakken tot de groep van ferro slakken.

Loodslakken ontstaan bij de productie van lood (Pb) uit loodhoudende grondstoffen. Deze slakken worden achteraf gebroken en zijn op die manier beschikbaar als grind of zand. Loodslakken behoren tot de categorie van de non-ferro slakken.

RVS–slakken ontstaan bij de productie van roestvast staal (RVS), dat ook bekend staat als inox. Vandaar dat RVS–slakken ook worden afgezet onder de naam STINOX. Deze slakken zijn beschikbaar als zand, fijne fractie en granulaat als resultaat van een breekproces. De fijne fractie en het zand kunnen nog verder verwerkt worden tot kunstgranulaten door ze te mengen met verschillende materialen (zoals cement, kalksteenzand e.d.). RVS slakken behoren tot de ferro slakken. 

1.2. Hoeveelheden

Een overzicht van de hoeveelheden aan metaalslakken die jaarlijks in Vlaanderen worden geproduceerd is weergegeven in Tabel 1. Deze cijfers zijn grotendeels gebaseerd op een studie uitgevoerd door VITO en WTCB, in opdracht van OVAM (Dierckx et al., 2014) en de grondstofverklaringen. Voor alle types metaalslakken samen bedraagt de jaarlijkse productie ca. 2.000 kton, waarvan hoogovenslakken ongeveer de helft van uitmaken. Volgens het monitoringssysteem duurzaamoppervlaktedelfstoffenbeleid (MDO, 2013) werden er in 2011 ca. 1.300 kton slakken afgezet.

Tabel 1. Overzicht van jaarlijks geproduceerde metaalslakken in Vlaanderen (Dierckx et al., 2014).

Metaalslakken

Jaarlijkse hoeveelheid (kton)

Aluminothermische slakken

0,2-0,3

FeMo-slakken

16-20

Fosforslakken

/

Gieterijslakken

7,3

Hoogovenslakken

1.121

Koperslakken

186

LD-slakken

380-400

Loodslakken

150

RVS-slakken

200

 

De enige producent van FeMo-slakken in Vlaanderen produceert jaarlijks 7,5 kton FeMo-zand en 15 kton FeMo-slak. Daarnaast komen ook FeMo-slakken vrij bij grondwerken, bodemsaneringswerken en wegenwerken waarbij deze als onderfundering werden gebruikt. Uit de databank van grondstofverklaringen blijkt dat op die manier jaarlijks 1 tot 5 kton FeMo slakken beschikbaar worden als bouwstof.

In Vlaanderen mag jaarlijks maximaal 220 kton forsforslak toegepast worden als bouwstof op basis van bestaande grondstofverklaringen. Deze grondstofverklaringen betreffen de import van fosforslak uit Nederland, geproduceerd door ThermPhos. Door het faillissement van ThermPhos zijn en worden geen fosforslakken in Vlaanderen afgezet.

In Vlaanderen is er slechts één producent van hoogovenslakken. Zij produceerden in 2012 4.078 kton ruwijzer, waarbij 1.121 kton hoogovenslak als bijproduct vrijkwam. Deze productiehoeveelheid is vrij stabiel doorheen de jaren.

Anno 2013 is er 186,2 kton aan koperslak vervat in grondstofverklaringen voor gebruik als bouwstof. Jaarlijks wordt er ca. 153 kton hiervan ingezet als bouwstof in Vlaanderen. De overige hoeveelheid koperslak wordt aangewend als straalgrit.

In 2012 produceerde de enige Vlaamse producent van LD-slakken een hoeveelheid van 380 kton. Voor 2013 wordt een productiehoeveelheid tussen de 380 en 400 kton verwacht. Deze slakken worden verwerkt tot een fijne fractie die dienst doet als meststof (bv. in Duitsland en Frankrijk), terwijl de grove fractie als bouwstof wordt gebruikt. In 2010 werd 160 kton van deze grove fractie ingezet als bouwstof, waarvan 58 kton in Vlaanderen. Bovendien worden uit Duistland ook LD-slakken geïmporteerd (max 50 kton) die gebruikt kunnen worden als bouwstof in Vlaanderen.

In Vlaanderen komen er bij de productie van lood jaarlijks ca. 150 kton loodslakken vrij die ingezet kunnen worden als bouwstof. In 2010 werd zo 17 kton aan loodslakken ingezet als zand, terwijl 53 kton werd gebuikt als grind. Een overige hoeveelheid van 32 kton werd ingezet voor eigen gebruik.

In 2010 werd 211 kton onverwerkte RVS-slak geproduceerd in Vlaanderen, dewelke als bouwstof kan worden aangewend. Hiervan werd ongeveer 120 kton ingezet als granulaat en 73 kton als zand. Opwerking van deze zand fractie tot granulaten leidt tot een maximale jaarlijkse productie van 200 kton aan kunstgranulaten. In 2011 werd 199 kton RVS-slak geproduceerd in Vlaanderen. De cijfers van 2012 en 2013 liggen in dezelfde lijn, al zijn exacte hoeveelheden niet gekend. Jaarlijks kan in Vlaanderen maximaal 300 kton RVS-slak vrijkomen. Door de economische situatie is de werkelijke productie anno 2013 slecht 60-70% van de maximale productie.  

2. Wetgeving

2.1. Vlaamse wetgeving

De regelgeving voor het beheer van metaalslakken in Vlaanderen is terug te vinden in het Materialendecreet en het VLAREMA.

Voor het gebruik van metaalslakken als bouwstof is via de VLAREMA wetgeving (Afdeling 2.2 en 2.3) in principe een grondstofverklaring vereist. Een uitzondering op deze regeling wordt echter beschreven in het ministerieel besluit van 4 september 2012. In dit ministerieel besluit wordt een regeling getroffen betreffende materialen, afkomstig van metallurgische productieprocessen voor ferro-metalen, die bestemd zijn voor rechtstreeks gebruik zonder verdere behandeling. Voor de betreffende materialen moet dan geen grondstofverklaring aangevraagd worden bij de OVAM, wat een administratieve vereenvoudiging inhoudt. In het ministerieel besluit van 4 september 2012 wordt onder andere beschreven dat hoogovenslakken met een bepaalde samenstelling en herkomst geen grondstofverklaring vereisen voor bepaalde specifieke bestemmingen van grondstof. Zo is voor het gebruik van hoogovenslakken in de cementindustrie geen grondstofverklaring vereist.

Metaalslakken bevatten zware metalen, wat vanuit milieuhygiënisch standpunt problemen kan geven naar uitloging toe. Opmeten van deze uitloging is dan ook vereist voor het gebruik als bouwstof. Deze opmeting zit vervat in de VLAREMA wetgeving (Afdeling 2.2 en 2.3, Artikel 2.3.2.1 en bijlage 2.3.2) en de analyseverplichtingen opgenomen in de grondstofverklaringen. 

2.2. Europese wetgeving

Een beleidskader om de grondstoffenefficiëntie te verhogen is een van de doelstellingen van de  Waste Framework Directive (2008/98/EC). Voor wat betreft metaalslakken is onder andere artikel 6 (einde-afvalfase) van belang:

1. Sommige specifieke afvalstoffen zijn niet langer afvalstoffen in de zin van artikel 3, punt 1), wanneer zij een behandeling voor nuttige toepassing, waaronder een recyclingsbehandeling, hebben ondergaan en voldoen aan specifieke criteria die opgesteld moeten worden onder de volgende voorwaarden:

a)  de stof of het voorwerp wordt gebruikelijk toegepast voor specifieke doelen;

b)  er is een markt voor of vraag naar de stof of het voorwerp;

c)  de stof of het voorwerp voldoet aan de technische voorschriften voor de specifieke doelen en aan de voor producten geldende wetgeving en normen; en tevens

d)  het gebruik van de stof of het voorwerp heeft over het geheel genomen geen ongunstige effecten voor het milieu of de menselijke gezondheid.

De criteria omvatten, indien nodig, grenswaarden voor verontreinigende stoffen, en houden rekening met eventuele nadelige milieugevolgen van de stof of het voorwerp.

3. Inzameling, verwerking en recyclage

Door hun fysische en chemische eigenschappen bieden metaalslakken heel wat valorisatiemogelijkheden. Tot dusver is het gebruik van metaalslakken als bouwstof een van de meest gangbare toepassingen. Door hun grote waarde worden metaalslakken ook steeds meer in andere toepassingen ingezet, bv. bij de cementproductie of als carbon sink. Door de stijgende materiaal en energieprijzen verwacht men dat valorisatie van metaalslakken via allerlei opties in de toekomst alsmaar aan belang zal winnen (Delbecq et al., 2013). Hieronder volgt een beschrijving van mogelijke valorisatieopties voor metaalslakken (Geysen et al., 2010).

·        Aggregaten

Verschillende types van metaalslakken kunnen ingezet worden als bouwstof. De slakken vormen hierbij, net zoals het bouw- en sloopafval, een alternatief voor de primaire delfstoffen. Er zijn een aantal specifieke toepassingen in de bouwsector waarvoor metaalslakken een meerwaarde kunnen bieden. Door hun grote sterkte en ruwheid zijn ze bijvoorbeeld goed geschikt voor de toplaag van asfalt. De hoge densiteit van de metaalslakken biedt dan weer voordelen als fundering voor constructies in water, zoals windmolens op zee. Maar ook voor eenvoudigere toepassingen zijn metaalslakken als aggregaten geschikt. Belangrijke parameters hierbij zijn de korrelgrootte, stabiliteit, uitloging, densiteit en de ruwheid. Onderzoek is volop aan de gang hoe deze parameters reeds tijdens de vorming van de slakken beïnvloed kunnen worden.

·        Terugwinning van metalen

De aanwezigheid van metalen in metaalslakken kan variëren van grote stukken tot kleine fragmenten (mm tot µm). De grote stukken metaal die nog aanwezig zouden zijn, zijn het resultaat van een slechte of moeilijke slakkenvorming. De gangbare methode om metalen uit de slakken terug te winnen is door ze eerst te verkleinen of breken en vervolgens de metalen te scheiden aan de hand van magneten. Hoe kleiner de slakken gebroken worden, hoe meer metaal er gerecupereerd kan worden. Indien de metaalslakken nadien ook als aggregaten zouden gebruikt worden, moet er een afweging gemaakt worden tussen korrelgrootte en het recupereren van metalen.

·        Interne recyclage

Bij de productie van staal bestaan de slakken voornamelijk uit vloeimiddelen en onzuiverheden. In plaats van steeds nieuwe slakken te produceren tijdens de staalproductie, is het mogelijk om deze slakken te hergebruiken. In de non-ferro en de edelmetalen metallurgie worden slakken gebruikt om specifieke metalen te collecteren en te scheiden. Door verschillende processtappen te combineren kunnen slakken hergebruikt worden van de ene stap in de andere.

·        Cementproductie

Eén van de middelen om te komen tot een meer duurzame beton- en cementindustrie, is een maximalisatie van het gebruik van industriële bijproducten zoals hoogovenslakken. Het inzetten van hoogovenslakken in de cementproductie kan leiden tot een aanzienlijke reductie van de milieu-impact. Indien in het beton Portlandklinker gedeeltelijk vervangen wordt door hoogovenslakken, wijzigen echter ook de hydratatieprocessen en worden de structuurontwikkeling en de mechanische en duurzaamheidskarakteristieken beïnvloed. Onderzoek toonde aan dat de aanwezigheid van slakken de cementhydratatie bevordert (Gruyaert, 2011). Opdat de hoogovenslakken geschikt zouden zijn voor de cementproductie, moeten ze de juiste samenstelling en eigenschappen bezitten. Het is hierom belangrijk dat de slakken snel worden afgekoeld. Vervolgens worden de slakken gedroogd en geslepen. In heel wat landen is het gebruik van hoogovenslakken in de cement productie een gangbare praktijk.

·        Slakkenwol

Hoogovenslakken kunnen ook, in kleine hoeveelheden, worden gebruikt bij de productie van minerale wol. Het zou eveneens mogelijk moeten zijn om ook andere types van metaalslakken hiervoor te gebruiken, maar het lijkt momenteel rendabeler om goedkope slakken met een constante kwaliteit hiervoor te gebruiken.

·        Carbon sink

Om CO2 emissies te vangen en op te slaan kan er naast natuurlijke sinks ook industrieel afval gebruikt worden, zoals metaalslakken. Aan de hand van een ‘carbonation’ proces wordt er onder hoge druk CO2 opgeslaan in de slakken. Het toepassen van carbonation op slakken wordt echter vooral rendabel indien het wordt gecombineerd met de productie van bouwmaterialen of met het terugwinnen van energie. Voor meer informatie over de productie van hoogwaardige bouwmaterialen op basis van slakken en CO2 verwijzen we naar Carbstone innovation (VITO-website).

4. Referenties en contactpersonen

  • Delbecq, J.M., Franceschini, G., Fixaris, M. 2013. Blast-furnace and steelmaking slags: which future valorisation in the next 20 years? 3rd International Slag Valorisation Symposium, Leuven, March 2013.
  • Geysen, D., Jones, P.T., Pontikes, Y., Arnout, S., Cizer, Ö., Van Gerven, T., Blanpain, B. 2010. Slag valorisation as an example of high temperature industrial ecology. The Minerals, Metals & Materials Society, EPD Congress 2010.
  • Gruyaert, E. 2011. Effect of Blast-Furnace Slag as Cement Replacement on Hydration, Microstructure, Strength and Durability of Concrete. PhD thesis, Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur, UGent.
  • OVAM, 2012. Bedrijfsafvalstoffen productiejaar 2004-2010 (uitgave 2012).
  • Dierckx, P., Vrijders, J., Broos, K., Nielsen, P., Bergmans, J. en Janssen, A. 2014. Catalogus: Grondstoffen, toepassingen en praktijkvoorbeelden. Studie uitgevoerd door VITO en WTCB in opdracht van OVAM.
  • VITO, 2013. Carbstone innovation. Hoogwaardige bouwmaterialen op basis van slakken en CO2.
  • MDO, 2013. Monitoringsysteem Duurzaam Oppervlaktedelfstoffenbeleid. Inzet primaire delfstoffen en alternatieve grondstoffen in Vlaanderen in 2011. LNE, OVAM, VITO.