Trockenaufbereitung von Eisenerz

1 Einführung

Nach Zahlen der Worldsteel Association hat sich die Roheisenproduktion seit 1970 von 595 Millionen Jahrestonnen (Mta) auf 1952 Mta im Jahr 2021 mehr als verdreifacht. Bild 1 zeigt, welchen Anteil die einzelnen Länder derzeit an der Roheisenproduktion haben, wobei die Kreisgröße proportional zur Menge ist. China allein kommt auf 52,9 % der weltweiten Produktionsmengen. Auf den folgenden Plätzen folgen Indien, Japan und die USA. Deutschland ist der größte Produzent in Westeuropa mit etwa nur 2 % der weltweiten Produktion. Prognosen zu dem globalen Wachstum bis 2030 und 2040 sind insbesondere durch zwei Parameter geprägt: den zukünftigen Bedarf Chinas und die erforderlichen CO₂-Minderungsanstrengungen der Stahlindustrie. Deshalb wird erwartet, dass die Roheisenproduktion bis 2030 jährlich nur um 1 bis 2 % steigt. Es gibt aber auch optimistischere und weniger optimistische Prognosen.

Von der weltweiten Roheisenproduktion im Jahr 2019 in Höhe von 1875,3 Mta entfielen gemäß Worldsteel 70,8 % bzw. 1327,1 Mta auf die Produktion in Hochöfen und 111,3 Mta auf Direktreduktionsverfahren. Dazu wurden 2019 insgesamt 2315,7 Mta Eisenerz mit einem Eisenmineralanteil von 1436 Mta bzw. einem durchschnittlichen Eisengehalt von 62,0 % verwendet. Die wichtigsten Eisenerze sind Hämatit (Fe₂O₃) mit bis zu 69,9 % Eisenanteil, Magnetit (Fe₃O₄) mit bis zu 74,2 % und Siderit (FeCO₃) mit bis zu 48,2 % Eisenanteil. Allerdings sind die Erzvorkommen durch Beimengungen (Gangarten) wie Silicate oder silicathaltiges Gestein verunreinigt, und Magnetit-Erz kann selten mit höheren Eisengehalten als 50 % abgebaut werden. Eisenerz mit einem hohen Eisengehalt über 62 % ist knapp und teuer geworden. Während für hochgradiges Eisenerz Preiszuschläge erzielt werden, wird der Abbau von niedrig-gradigem Eisenerz infolge von Preiseinbußen immer unwirtschaftlicher.

2 Eisenerz-Reserven und Reichweiten

Nach aktuellen Zahlen des US Geological Survey (USGS) betrugen im Jahr 2019 die weltweiten Eisenerzreserven etwa 170 Mrd. t mit einem durchschnittlichen Eisengehalt von 47,6 % bzw. 81 Mrd. t Eisen. Bild 2 zeigt die Verteilung der Mengen auf die wichtigsten Förderländer. Gemessen an dem Eisengehalt ist Australien führend mit 23 Mrd. t, vor Brasilien (15 Mrd. t) und Russland (14 Mrd. t). Australien führt ebenfalls bei den Eisenerzreserven mit 48 Mrd. t, vor Brasilien (29 Mrd. t), Russland (25 Mrd. t) und China (20 Mrd. t). Die durchschnittlichen vorhandenen Eisenerzgehalte an den Reserven sind aber sehr unterschiedlich. Auf höchste Anteile kommen Südafrika, Indien, Russland, der Iran und Brasilien, auf niedrigste Anteile kommen Kanada, Kasachstan, die Ukraine, China und die USA. Australien und Schweden liegen auf mittleren Plätzen.

Die momentan größten Fördermengen an Eisenerz werden von Australien mit 930 Mta, Brasilien mit 480 Mta, China 350 Mta, Indien 210 Mta und Russland 99 Mta erreicht. Mit einer weltweiten Fördermenge von 2450 Mta beträgt die rechnerische Reichweite der bekannten Reserven etwa 69,4 Jahre. Als Reserve wird die Menge an Erz bezeichnet, die mit heutiger Technologie wirtschaftlich gewinnbar ist. Zu den Reserven lassen sich auch die nachgewiesenen Ressourcen hinzurechnen, die evtl. zu einem späteren Zeitpunkt wirtschaftlich abbaubar sind. Am Beispiel von Australien sollen diese Zahlen verdeutlicht werden. Dort wurden in 34 in Betrieb befindlichen Eisenerzminen im Jahr 2018 etwa 900 Mta Eisenerz abgebaut. Diese Minen verfügen noch über Reserven von 11,6 Mrd. t sowie nachgewiesene Ressourcen von 25,5 Mrd. t und vermutete Ressourcen von 40,1 Mrd. t.

Damit betragen in Australien mit den vorhandenen Fördermengen die Reichweiten der Reserven 13 Jahre, und die der nachgewiesenen und vermuteten Ressourcen 28 bzw. 73 Jahre. Mit dem weiteren Abbau der Reserven schrumpfen auch die Eisenerzgehalte der Minen. Dies wurde bereits besonders deutlich in China und den USA, wo die durchschnittlichen Eisenerzgehalte derzeit nur noch bei 34,5 % bzw. 33,3 % liegen. Dadurch, dass immer mehr Minen versiegen, müssen für gleichbleibende weltweite Fördermengen etwa 60 Mta Eisenerz neu erschlossen werden. Der Aufwand für die Eisenerzaufbereitung steigt dabei und bisherige Nasstechnologien stoßen aus verschiedenen Gründen, wie den hohen Wasserbedarf oder der Gefahr durch Tailings, an ihre Grenzen [1; 2]. Der Trend geht heute zur trockenen Eisenerzaufbereitung.

3 Technologien zur Eisenerzaufbereitung

Je nach Eisengehalt ist die Aufbereitung der Eisenerze für die Vermarktung relativ einfach bis komplex. In Bild 3 ist die typische Aufbereitung von den Oxid-Eisenerzen Magnetit und Hämatit dargestellt. Am einfachsten lassen sich Hämatit-Erze (unterer Bildteil) verarbeiten. Die Verfahrensschritte umfassen vereinfacht „Mine-Crush-Screen-Sell" und werden auch als DSO-Verfahren bezeichnet (DSO = high grade direct shipping ore = hochwertiges Direktversand-Erz). Aufgrund der geringen Prozesskosten werden DSO-Erze auch mit Eisengehalten von 58 % hergestellt. Bei den Magnetiterzen erfolgt typischerweise eine komplexere Aufbereitung mit feinerer Erzaufmahlung und anschließenden DMS (Dense Media Separation) und LIMS (Low Intensity Magnetic Separation) Trennverfahren. Für die DMS und LIMS kommen verschiedene Technologien zum Einsatz.

Bild 4 zeigt die Verfahrensstufen einer möglichen Erzaufbereitung für Magnetit-Erze oder auch Siderit- und Taconiterze, die nur über einen niedrigen bis mittleren Eisengehalt verfügen. Nach erfolgter Zerkleinerung und Siebklassierung werden der Groberz- und Feinerzstrom separat behandelt. Der Groberzstrom geht in eine DMS-Trommel und anschließende Nasssiebklassierung. Der Feinerzstrom durchläuft eine Entschlämmung und der Überlauf wird weiter durch einen DMS-Zyklon (Bild 5) und/oder eine Setzmaschine aufbereitet. Alternativ werden auch WHIMS-Verfahren (WHIMS = Wet High Intensity Magnetic Separation) verwendet. Das Feinerz aus dem Unterlauf gelangt dagegen in einen Spiralklassierer, wobei in mehreren Stufen eine Dichtetrennung von dem Metallerz und der Gangart erfolgt. Für noch größere Eisenausbeuten kann der Klassierung auch eine Flotation nachgeschaltet werden.

Während die DSO-Verfahren mit Zerkleinerung und Siebklassierung als Trockenverfahren ausgeführt werden können, werden die oben genannten nachfolgenden Aufbereitungsverfahren in der Regel noch als Nassverfahren ausgeführt. Es gibt inzwischen aber auch Anlagen und Verfahrensschritte, die als Trockenverfahren ausgeführt werden können. Dazu zählen beispielsweise Trocken-Setzmachinen, Wirbelschichtsortierer und trockene Magnetabscheide-Verfahren für die Fein-Abscheidung von Magnetiterzen. Für die trockene Magnetscheidung sind in den letzten Jahren insbesondere in Australien, China und Indien verschiedene Verfahren entwickelt worden. Ein erstes großtechnisches Verfahren wurde jetzt von Vale mit dem FDMS-Verfahren (FDMS = Fine Dry Magnetic Separation) (Bild 6) auf den Markt gebracht, bei dem Seltene-Erden Hochleistungsmagneten zum Einsatz kommen und eine Anreicherung des Magnetits auf einen Eisengehalt von 68 % ermöglichen.

Vale ist daneben bestrebt, seine Eisenerz-Aufbereitung weitgehend auf Trockenverfahren umzustellen. Dabei erfolgt die Abtrennung von Gangarten wie Silika aus dem bis zu 15 % feuchten Erz aus den Übertageminen quasi durch eine Trockensiebung (Bild 7), wobei dem Verfahren kein Wasser hinzugeführt wird. Dies wird durch neuentwickelte Vibrationssiebe ermöglicht. Dazu hat Haver & Boecker NIAGARA eine neuartige innovative Siebtechnologie entwickelt, bei der durch eine

hohe Beschleunigung eine Verstopfung der Siebmaschen durch das klebrige und extrem abrasive Erz vermieden wird. Als Siebbelag kommen spezielle PU-Hybridmaterialien zum Einsatz.

4 Verschiedene Fallbeispiele

4.1 Australien und Südafrika

Eisenerze für den Export kommen fast ausschließlich als sogenannte DSO-Erze in den Handel. Dabei dominiert weltweit eine Gruppe von 5 Produzenten wie BHP Billiton, Rio Tinto, Anglo American, Fortescue und Vale, die 2020 etwa 45 % des weltweiten Eisenerzes herstellten (Bild 8) und für etwa 85 % der weltweiten Exportmengen per Schiff nach China, Europa und anderen Ländern verantwortlich sind. Die Unternehmen sind in der Lage, Eisenerz mit 62 % Eisenanteil zu Cash-Kosten von 15 bis 18 US$/t, FOB Verschiffungshafen zu produzieren, womit bei den relativ großen Preisschwankungen für Eisenerz am internationalen Spot-Markt auch bei fallenden Preisen unter 50 US$/t immer noch gute Gewinne erzielt werden können. Unternehmen, die nur über Eisenerze mit niedrigen Eisengehalten verfügen, können im Exportgeschäft nicht mithalten, produzieren für die eigene Stahlproduktion aber meist noch wirtschaftlich.

BHP Billiton hat im Jahr 2020 ca. 248 Mta Eisenerz produziert. In der Pilbara Region in Westaustralien verfügt man über 5 Minen und 2 Aufbereitungs-Hubs. Zum Juni 2021 verfügte man in Westaustralien über nachgewiesene Eisenerz-Reserven von 1850 Mt mit durchschnittlichen Eisengehalten der Minen von 56,9 % bis 62,8 %. Aus der Jimblebar Mine (Bild 9) wurde bisher ein Eisenerz mit 60.5 % Eisengehalt im DSO-Verfahren als ‚Fine blends‘ hergestellt. BHP musste bei den Erlösen aber einen Discount von 20 $/dry metric ton (dmt) gegenüber dem Referenzpreis für 62 % Eisenerz hinnehmen. Das Unternehmen plant deshalb eine Aufbereitungslinie für 60 Mta Erz bis 2024 zu errichten, mit dem Ziel, den Eisengehalt im Produkt anzuheben. Allerdings hat man sich dabei für eine Aufbereitung mit Nasssieben, DMS-Zyklonen und Bandfilter für die Eindickung der Tailings entschieden.

Rio Tinto, der größte australische Produzent von Eisenerz produzierte in der Pilbara Region 319,7 Mta Eisenerz (266,8 Mta Eigenanteil) im Jahr 2021 und erzielte dabei durchschnittliche Preise von 132,2 $/t FOB (bei 8 % Feuchte). Man verfügt über 16 Minen, mehrere Aufbereitungslinien, 4 Hafenterminals und 1700 km Eisenbahnnetz (Bild 10) zu den Häfen. Es werden 5 unterschiedliche Produkte produziert, darunter der sogenannte Pilbara Blend. Die Erzreserven betragen 3050 Mt. 2018 wurde das Gudai-Darri (Koodaideri) Eisenerzprojekt mit einer Kapazität von 43 Mta begonnen, welches in der 2. Jahreshälfte 2022 mit einer Aufbereitungslinie für Pilbara Blend in Betrieb geht. Mine und Aufbereitungslinie werden mit neuester Technologie ausgestattet. Dabei soll eine Trockenzerkleinerung und -absiebung zum Einsatz kommen. Als Produkte werden grob- und feinkörmiges HG (High-grade) Eisenerz hergestellt. 

Die Fortescue Metals Group ist seit ihrer Gründung in 2003 zum drittgrößten australischen Eisenerzhersteller aufgestiegen. Im Geschäftsjahr 2021 wurden 182.2 Mta Erz für den Export nach China, Japan und Südkorea produziert. Das Unternehmen betreibt in der Pilbara Region die 3 Minen Western Hub, Solomon Hub und Chichester Hub mit der Erzaufbereitungsanlage Christmas Creek (Bild 11). Noch im Jahr 2022 soll das Portfolio in der Pilbara Region um das Iron-Bridge Projekt erweitert werden. Dabei handelt es sich um eine Magnetit-Mine, die in einer ersten Ausbaustufe eine Menge von 22 Mta Eisenerz liefert [3]. Die Investitionskosten beliefen sich auf 3,3 bis 3.5 Mrd. US$. In der Aufbereitungsanlage werden als Tertiärbrecher Hochdruckrollenpressen (HPGR) mit anschließender Trockenabsiebung und Trockenmagnetabscheidung eingesetzt, um ein Konzentrat mit 67 % Eisengehalt zu erzeugen.

CITIC Pacific Mining hatte 2013 in der Pilbara Region eine erste Linie von insgesamt 6 für die Produktion eines Magnetit Eisenerzkonzentrats in Betrieb genommen. Die Leistung des Sino-Iron Projekts (Bild 12) beträgt 180 000 Tagestonnen bzw. 24 Mta. Im Gegensatz zum Iron Bridge Projekt kam hier noch eine Nassaufbereitung mit SAG-Mühlen, Nass-Kugelmühlen und Nass-Magnetabscheidern zum Einsatz. Das HQ-Magnetit-Konzentrat wird an Abnehmer in China geliefert, die den hohen Eisengehalt von 65 % und die geringen Produkt-Verunreinigungen wertschätzen.

Zu den großen Eisenerzproduzenten zählt ebenfalls AngloAmerican, die die beiden Hämatit-Minen Sishen und Kolomela in der nördlichen Kapprovinz in Südafrika sowie die Eisenerzmine Minas Rio im Bundesstaat Minas Gerais in Brasilien betreiben. Im Jahr 2020 wurden insgesamt 61 Mta Eisenerz erzeugt. Das Hämatiterz in Südafrika wird im Trockenverfahren zu einem HQ-Lump-Erz mit 64 % Eisengehalt sowie ein Sinter-Feinerz mit 63,5 % Eisengehalt verarbeitet. Für die Feinerzaufbereitung kommen Nassverfahren zum Einsatz. Minas Rio soll in den kommenden Jahren von 26,5 Mta Kapazität auf 28 Mta erweitert werden. Die Erzaufbereitung erfolgt dort im Nassverfahren. Für die Tertiärvermahlung kommen Vertimills zum Einsatz.

4.2 Brasilien

Das derzeit weltweit größte Eisenerzunternehmen Vale ist dabei, seine Produktion in Brasilien weitgehend von Nass- auf Trockenverfahren umzustellen. Im Jahr 2021 hat das Unternehmen dort 275,5 Mta Eisenerz und 32,3 Mta Eisenerzpellets produziert. Man verfügt über die 3 Minenkomplexe Southeastern System (1) und Southern System (2) in Minas Gerais und Northern System (3) in Pará (Bild 13) mit nachgewiesenen Eisenerz-Reserven von 3859 Mt und vermuteten Reserven von 8638 Mt (Stand 31.12.2021). Die Eisengehalte der nachgewiesenen Reserve betragen durchschnittlich 46,2 % (1), 49,2 % (2) und 66,1 % (3). Einen wichtigen Meilenstein bei der trockenen Eisenerzaufbereitung erreichte Vale mit dem Conceição Itabiritos Projekt (Bild 14) in Minas Gerais, welches 2014 in Betrieb ging und Eisenerz mit Qualitäten > 40 % Fe aufbereitet.

Ein weiteres wichtiges Projekt wird als S11D bezeichnet (Bild 15) und umfasst die Carajás und S11D Minen im Bundesstaat Pará, wo seit 2018 Eisenerz mit 200 Mta im Trockenverfahren aufbereitet wird [4]. Bisher verfügt man bei Vale bereits über 11 Linien, die nach dem Trockenverfahren arbeiten. Nach dem Nassverfahren arbeiten derzeit noch 6 weitere Linien. Nach 8 % wasserloser Technologie im Jahr 2008 ist man 2018 schon bei 60 % angekommen, im Jahr 2024 soll der Wert bei Vale bei 70 % stehen. Vales Ziel ist es, aus den Eisenerzminen Premium-Produkte mit bis zu 68 % Eisengehalt herzustellen. Dies ist 2021 mit durchschnittlichen Erlösen von 140,4 US$/t für Eisenerz und 218,3 US$/t für Eisenerzpellets auch gut gelungen. Deshalb werden für Feinerz auch weiter Verfahren wie trockene Magnetscheidung und Trockenabsiebung forciert.

5 Aussichten

Die trockene Eisenerzaufbereitung wird momentan zweifelsfrei von Vale in Brasilien vorangetrieben. Das Unternehmen will seine Kapazitäten von derzeit 340 Mta Eisenerz in Zukunft auf 450 Mta ausbauen, die trockene Aufbereitung soll dabei um 10 % von derzeit 60 % weiter zunehmen. Entsprechend wird die trockene Aufbereitungskapazität um etwa 110 Mta zunehmen. Eine wichtige Rolle spielen dabei auch Projekte zur Eisenerzkonzentratgewinnung mittels trockener Magnetabscheidung (Bild 16). Drei Projekte mit insgesamt 9,6 Mta sind bereits in der Bauphase, ein weiteres Projekt mit 8,5 Mta Kapazität betrifft die Produktion von Eisenerzpellets. Zu den aussichtsreichen Projekten der Eisenerzaufbereitung bei Vale zählen die Betriebe Serra Sul (+ 18 Mta), S11D (+ 10 Mta), Capanema (+ 18 Mta) sowie weitere sogenannte Replacement-Projekte.

Die fortschreitende Ausbeutung von hochgradigen Eisenerzminen wird auch auf den anderen Kontinenten die Produzenten von Eisenerz dazu zwingen, den Aufbereitungstechnologien eine größere Beachtung zu schenken. Dies wird dadurch forciert, dass die Verhüttung von Eisenerz mit niedrigeren Eisengehalten immer größere Kosten und Umweltemissionen bei den Hochofenanlagen nach sich zieht. Dies hat in der letzten Zeit vermehrt zu deutlichen Preisabschlägen für niedrigere Eisenerzqualitäten geführt. Ein Thema, welches insbesondere auch die Eisenerzanbieter aus Australien gespürt haben. So sind beispielsweise auch die Aktivitäten von Rio Tinto und Fortescue entsprechend einzuordnen.