Metalle
Sensorgestützte Sortierung von legierten Metallschrotten
Martin Geisler, Sven Connemann und Cord Fricke-Begemann
1. Recycling und Handel von legierten Metallschrotten ...567
1.1. Handel von legierten Metallschrotten ...568
1.2. Identifikation von Legierungen ...569
1.3. Anforderungen in Nischenmärkten ...570
2. PLUS ...571
2.1. Analyse mit Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) ...571
2.1.1. Das LIBS-Verfahren ...571
2.1.2. LIBS-Analyse an Testchargen ...572
2.2. Automatisierter Austrag ...577
3. Zusammenfassung und Ausblick ...578
4. Literatur ...578 Der Handel mit legierten Metallschrotten ist ein globales Geschäft. Die Warenströme umspannen die ganze Welt, um Industrie- und Schwellenländer mit kritischen Roh- stoffen zu versorgen. Der Schrott ist dabei ein knappes Gut und das Recycling durch die Wertigkeit der Materialien selbsttragend. Die Preisbildung der gehandelten Ware steht unter dem Einfluss immer volatilerer Rohstoffmärkte an die sich die Recycling- unternehmen anpassen müssen. Um die von Schmelzwerken geforderten Qualitäten einhalten zu können, kommen modernste Technologien zur Erkennung und Sortie- rung von Legierungen zum Einsatz. Der folgende Beitrag behandelt das Recycling legierter Metallschrotte allgemein und die Notwendigkeit zum Einsatz sensorgestützter Sortierprozesse. Im Fokus steht der Einsatz der Laser-Emissionsspektroskopie zur Legierungsidentifikation.
1. Recycling und Handel von legierten Metallschrotten
Rohstoffe sind ein entscheidender Faktor zur Wohlstandssicherung im Industrieland Deutschland. Seit Jahrzehnten sind insbesondere Energierohstoffe wie Öl und Gas Themen der öffentlichen Debatte. Die Energiewende, der Ausstieg aus Kernenergie und fossilen Energieträgern, hat die Diskussionen in den letzten Jahren immer wieder befeuert. Daneben spielt die Versorgung der deutschen Wirtschaft mit Industrieme- tallen eine untergeordnete Rolle in der Öffentlichkeit. Es schien als handele es sich um Märkte, die sich über Angebot und Nachfrage sehr ausgewogen selbst regulieren.
Erst als die Preise begannen sich extrem volatil zu verhalten, setzte ein Umden- ken ein. Zahlreiche Initiativen wurden von der Politik ins Leben gerufen und die
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Beschaffung kritischer nichtenergetischer mineralischer Rohstoffe rückte bei Unterneh- men in den Fokus [7]. Für die Versorgungssicherheit mit Metallen ist das Recycling ein bedeutender Faktor, da Metalle ohne Qualitätsverlust immer wieder eingeschmolzen und wiederverwendet werden können. Die deutsche Industrie ist auch deshalb auf das Recycling angewiesen, da Deutschland dahingehend selbst keine bedeutenden Bodenschätze besitzt und somit die Förderung von Erzen in Deutschland keine Rolle spielt. Für das Recycling liegen die Metalle selten in ihrer reinen Form vor. In der Regel werden Metalle in Gemischen verwendet, den sogenannten Legierungen. Eine Legierung in der Metallurgie ist ein Gemenge mit metallischem Charakter aus zwei oder mehr Elementen, von denen mindestens eines ein Metall ist. Aus der Vielfalt an Elementen und deren Kombination zu verschiedenen Legierungen hat sich im Laufe der Jahrzehnte eine enorme Materialkomplexität ergeben. Diese lässt sich im Bereich der technisch genutzten Metalle wie folgt kategorisieren [3]:
• Eisen (Fe) und Eisenlegierungselemente (Mn, Si, Cr, Ni, etc.),
• Nichteisenmetalle (NE-Metalle) (Cu, Pb, Sn, etc.),
• Leichtmetalle (Al, Mg, Ti),
• Edelmetalle (Au, Ag, Pt, etc.),
• Refraktärmetalle (W, Mo, Ta),
• Hochtechnologiemetalle (Li, Ga, In, etc.) und
• Seltenerdmetalle (Sc, Y, Ce, etc.).
Den größten Anteil am Recyclingstrom haben dabei die Eisen-Kohlenstoff-Legierun- gen. Nach DIN EN 10020 gelten Eisenwerkstoffe mit einem Kohlenstoffanteil über zwei Prozent als Gusswerkstoffe, darunter wird von Stahl gesprochen. Stähle wiederum werden in drei Klassen eingeteilt: die unlegierten Stähle, die nichtrostenden Stähle und andere legierte Stähle. Sowohl unlegierte als auch legierte Stähle lassen sich in Qualitäts- und Edelstähle einteilen. Die Edelstähle zeichnen sich durch eine höhere Reinheit und höhere Festigkeitswerte aus. Schwefel- und Phosphorgehalt dürfen maxi- mal 0,025 Prozent betragen. Die Gleichsetzung von Edelstahl und rostfreiem Stahl aus der Umgangssprache ist damit nach dieser Definition nicht richtig.
Die Verfügbarkeit legierter Metallschrotte ist begrenzt. Die zur Verfügung stehende Menge hängt von verschiedenen Faktoren ab. Die Lebensdauer der Produkte, in de- nen die Legierungen eingesetzt werden, bestimmen die Zeitspanne bis zum Rücklauf.
Anschließend bestimmen die Sammelquote, Verluste im Prozess und die technische Recyclingfähigkeit die erzielbaren Recyclingquoten [7]. Wie die zur Verfügung ste- henden Schrotte nach der Wiedergewinnung gehandelt werden, wird im nächsten Abschnitt erläutert.
1.1. Handel von legierten Metallschrotten
Die Wirtschaftlichkeit des Recyclings legierter Schrotte hängt zum einen von der Legierung, den enthaltenden Elementkonzentrationen und ihrer Wertigkeit, zum anderen von den eingesetzten Recyclingverfahren und deren Kosten ab. Liegen die
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Kosten der Wiedergewinnung der Sekundärrohstoffe unter den Kosten des Einsatzes von Primärrohstoffen, ist das Recycling wirtschaftlich sinnvoll, sofern auch die Quali- tätsanforderungen eingehalten werden [3]. Primär- und Sekundärmarkt beeinflussen sich dabei gegenseitig. Bei höheren Preisen für Primärmetall steigt die Verfügbarkeit der entsprechenden Schrotte. In Phasen fallender oder niedriger Preise werden Schrotte in Erwartung steigender Preise zurückgehalten [7].
Schrotte werden am Markt wie Produkte gehandelt. Sie werden in unterschiedliche Qualitäten unterschieden wie z.B. im Bereich Kupfer in Kupferkabel, Kupferblech oder Kupfer-Raff, der schlechtesten Qualitätsstufe für Reinkupfer. Legierte Schrotte werden hinsichtlich ihrer Legierungselemente und deren Konzentration kategorisiert.
Für einen rostfreien CrNi-Stahl, wie den in Deutschland unter dem Handelsnamen bekannten V2A, ist der Gehalt an Chrom und Nickel entscheidend. Zusammen mit dem Basiselement Eisen werden die beiden Elemente entsprechend ihrer Konzentrati- on in der Legierung mit ihrem jeweiligen Preis multipliziert und dann summiert. Auf die Summe wird dann der Schrottabschlag gebildet, welcher ebenfalls Schwankungen unterworfen ist.
Der Preis des Sekundärmetalls orientiert sich an den Preisen der jeweiligen Primärme- talle, welche auf unterschiedliche Weise festgesetzt werden können. Ausschlaggebend für den Chrompreis sind die quartalsweise ausgehandelten Lieferverträge zwischen den größten Produzenten und Abnehmern, während Nickelmetall an der Börse, der London Metal Exchange, gehandelt wird. Durch Wirtschaftskrisen, Handelsbeschränkungen oder aber auch Spekulationen sind extreme Preisschwankungen möglich. Ein Beispiel aus dem Jahr 2018 zeigt die Entwicklung des Cobaltpreises. Innerhalb von fünfzehn Monaten hat sich der Preis ausgehend von 32.500 USD pro Tonne verdreifacht, um im Anschluss innerhalb weniger Monate wieder unter 60.000 USD pro Tonne zu fallen.
Innerhalb weniger Tage verlor Cobaltmetall in diesem Zeitraum zwanzig Prozent an Wert [8]. Diese Volatilität birgt Risiken für die betroffenen Handelsunternehmen. Ge- ringe Margen im Handel mit Sekundärrohstoffen sowie eine schwierige Marktsituation verschärfen die Risiken.
Um die entsprechenden Preise für die gekauften Legierungen festsetzen und abrechnen zu können, muss die Legierungszusammensetzung bekannt sein. Da die Nachvoll- ziehbarkeit durch die Mischprozesse innerhalb des Schrotthandels nicht gegeben ist, muss eine entsprechend aufwendige Wareneingangsprüfung stattfinden. Diese wird im nächsten Abschnitt beschrieben.
1.2. Identifikation von Legierungen
Kern der Wareneingangsprüfung im Handel mit legierten Schrotten ist die Identifi- kation der gelieferten Legierung, die Anteilsbestimmung der enthaltenen Elemente sowie, falls nötig, die Sortierung. Wie aufwendig dieser Prozess gestaltet wird hängt von dem gehandelten Material und dessen entsprechenden Qualitätsanforderungen ab. So existieren im Bereich der legierten Schrotte Massenmärkte, wie beispielsweise der Markt der rostfreien Stähle. Hinsichtlich Tonnage und Anforderungen an den Recyclingprozess unterscheiden sie sich von Märkten mit kleineren Volumen, wie den Nickelbasis-Superlegierungen oder dem Titanmarkt.
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Gängige Hilfsmittel bei der Identifizierung von Legierungen sind portable Spektro- meter. Bild 1 zeigt einen mobilen Röntgenfluoreszenz-Analysator. Im linken Teil ist zu erkennen wie das Messgerät auf die Oberfläche des zu identifizierenden Stücks aufgesetzt wird. Dabei ist auf eine saubere, öl- und rostfreie Oberfläche zu achten.
Nach wenigen Sekunden, abhängig von den Elementen, die bestimmt werden sollen, erscheint im Display die ermittelte Zusammensetzung. Der rechte Teil der Abbildung zeigt das Messergebnis eines V4A-Stahls.
Bild 1: links: Messung mittels Röntgenfluoreszenz-Spektrometer; rechts: Darstellung Messer- gebnis
Neben der Röntgenfluoreszenz werden weitere Technologien zur Identifikation einge- setzt, wie zum Beispiel die optische Emissionsspektrometrie. Neu im Markt der mobilen Analysatoren ist die LIBS-Technologie (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy). [6]
Trotz des Einsatzes modernster Technik sind bei der Wareneingangsprüfung Sorgfalt und Erfahrung unabdingbar. In den Massenmärkten findet keine vollständige, sondern eine repräsentative Überprüfung der Wareneingänge statt. Nach dem ökonomischen Prinzip ist so viel wie nötig aber so wenig wie möglich zu prüfen.
1.3. Anforderungen in Nischenmärkten
Die repräsentative Überprüfung von Wareneingängen ist allerdings nicht für alle Märkte und Metallschrotte geeignet. Für bestimmte Materialströme verlangen die Schmelz- werke eine sortenreine Aufbereitung. Dies kann eine vollständige Überprüfung aller Schrottstücke einschließen. Neben den oben genannten Nickelbasis-Superlegierungen und Titanlegierungen sind Schnellarbeitsstahl und Hartmetall weitere Beispiele für solche Nischenmärkte.
Neben den Masseanteilen der einzelnen Elemente an den Legierungen gibt es weitere Sortierkriterien, die zu beachten sind. Die Schmelzwerke geben spezifische Vorgaben hinsichtlich der maximalen und minimalen Abmessungen und des maximalen und minimalen Gewichts je Schrottstück. Ebenso ist auf bestimmte Beschichtungen, Ver- unreinigungen und Anhaftungen zu achten.
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Stand der Technik hinsichtlich der Sortierung ist die Handklaubung und Sichtprüfung.
Unterstützt wird der Prozess, wie oben erwähnt, durch verschiedene spektrometrische Verfahren. Für Metallschrotte mit geringen Einzelgewichten pro Stück und geringwerti- gen Legierungen ist dieser Sortierprozess häufig nicht wirtschaftlich. Dadurch entstehen Materialströme, in denen nicht alle Elemente gezielt verwertet und wiedergewonnen werden. Es kommt zum Downcycling, was in diesem Zusammenhang insbesondere die stoffliche Verwertung von Elementen in Materialien meint, in welchen sie entweder unerwünscht sind oder technisch nicht genutzt werden.
Ziel sollte es sein ein solches Downcycling zu verhindern und die Kreisläufe aller Legierungselemente zu schließen. Das Projekt PLUS (Pilotanlage zur lasergestützten Sortierung von Sonderlegierungen) versucht dieses Ziel durch den Einsatz von Auto- matisierungs- und Lasertechnik zu erreichen.
2. PLUS
PLUS wird im Rahmen der Fördermaßnahme r+Impuls – Innovative Technologien für Ressourceneffizienz – Impulse für industrielle Ressourceneffizienz durch das Bundesmi- nisterium für Bildung und Forschung gefördert. Projektpartner sind das Fraunhofer- Institut für Lasertechnik ILT und die Cronimet Ferroleg. GmbH.
Das Projekt ist auf die legierungsspezifische Sortierung innerhalb der Materialklassen Schnellarbeitsstahl (HSS), Hartmetall (HM) und Titan ausgerichtet. Die Klassen sind in Tabelle 1 gegenübergestellt.
Tabelle 1: PLUS - Materialklassen
Materialklassen Basiselement Legierungselemente
(Plus-Klasse) (keine vollständige Auflistung)
Schnellarbeitsstahl (1xx) Eisen Molybdän, Wolfram, Vanadium, Cobalt, Chrom
Titan (2xx) Titan Aluminium, Niob, Vanadium
Hartmetall (3xx) Wolfram Cobalt, Kohlenstoff, Nickel
Die Hauptkomponenten der Pilotanlage sind die Objekterkennung, das LIBS-Modul und der automatisierte Austrag in mehrere Zielfraktionen. Die Komponenten werden in den folgenden Kapiteln vorgestellt.
2.1. Analyse mit Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS)
2.1.1. Das LIBS-Verfahren Die Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (kurz: LIBS, deutsch: Laser-Emissions- spektrometrie) ist eine Methode zur schnellen und berührungslosen chemischen Analyse von festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen. Das Prinzip dieses Verfahrens ist in Bild 2 dargestellt. Ein hochenergetischer Laserpuls wird auf ein zu analysieren- des Objekt fokussiert. Ein Teil der Laserstrahlung wird lokal absorbiert und erwärmt somit die Probe. Bei gepulsten Lasern mit Pulsdauern zwischen 1 ns und 100 ns wird ab Intensitäten oberhalb von 1x106 W/cm² eine mikroskopische MaterialmengeMetalle
verdampft und in den Plasmazustand überführt. Die durch den Laserpuls eingebrachte Energie stimuliert das Plasma, das aus Elektronen, Atomen, Ionen und Molekülen besteht, zu elementspezifischen Linienemissionen, die sich vom UV- bis hin zum IR- Spektralbereich erstrecken. Nach einigen zehn Mikrosekunden ist das laser-induzierte Plasma abgekühlt und zerfallen [4, 5]. Bei festen Objekten verbleibt ein Krater in der untersuchten Probe. Aufgrund der Vielzahl von Elementen, die gleichzeitig spekt- rometrisch analysiert werden können, zählt LIBS zu den Multi-Element-Verfahren.
Aufgrund dieser Eigenschaft und der berührungslosen Analysemöglichkeit ist LIBS insbesondere für online Analyseaufgaben prädestiniert. In den vergangenen Jahren wurde eine Vielzahl von Industrieanwendungen mit dieser Methode realisiert [2, 6].
Bild 2: Prinzip der Laser-Emissionsspektrometrie
2.1.2. LIBS-Analyse an Testchargen
Für die Sortierung von Metallteilen auf Förderbändern anhand ihrer Zusammenset- zung hat das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT das Verfahren der scannenden LIBS-Analyse entwickelt [1]. Zur Erstellung von Machbarkeitsstudien, zur Analyse kleinerer Probenchargen und zur Präsentation der LIBS-basierten Analyse dient am Fraunhofer ILT in Aachen die iSort Sortieranlage (Bild 3). Sie besteht im Wesentlichen aus einem Förderband, einer Objekterkennung, dem LIBS-Analyse Modul und einer Druckluft-basierten Sortierung.
Im ersten Schritt werden durch die, auf dem Laserlichtschnittverfahren beruhende, Objekterkennung Proben auf dem Förderband lokalisiert und ihre Oberflächenform ausgewertet. Einen Teil der Verarbeitung der 3D-Höheninformation veranschaulicht Bild 4. Die von der Objekterkennung automatisch erkannten Objektränder sind grün und die umschreibenden Rechtecke sind lila im Graustufenbild dargestellt. Des Wei- teren wird eine Vielzahl von Positionen (gelb) auf jedem Objekt auf die Eignung zur folgenden LIBS-Analyse hin überprüft.
L: Laserstrahl, O: Objekt, EM: erhitzte Materialmenge, D: Materialdampf, P: Plasma, LE: elementspezifische Linienemission, PT: Materialpartikel, K: Krater
Metalle Bild 3: links: Foto der LIBS-basierten elementspezifischen Sortieranlage; rechts: schematische
Darstellung der wesentlichen Anlagenkomponenten
Förde rband
Objekterkennung LIBS-Analyse
Druckluft-basierte Sortierung
Bild 4: Höheninformation der Objekterkennung; links: Foto von zwei unterschiedlichen Gewindeschneidern; rechts: mit der Objekterkennung gemessene und ausgewertete Höheninformation derselben Gewindebohrer
Das Prinzip der nachfolgenden LIBS-Analyse ist in Bild 5 dargestellt. Ein gepulster Laserstrahl aus einem Nd:YAG-Laser wird über zwei bewegliche Spiegel auf die zu analysierenden Proben im Messvolumen gelenkt. Eine integrierte Fokussiereinheit, die aus einer beweglichen Plankonkavlinse und einem fokussierenden Linsendublett besteht, ermöglicht eine rasche Änderung der Fokuslage mit einem maximalen Hub von etwa 120 mm. Auf diese Weise können unterschiedliche Höhen der Analyseproben berücksichtigt werden.
Die emittierte Plasmastrahlung wird entgegengesetzt zur Propagationsrichtung des Laserstrahls über die beiden Scannerspiegel auf einen im 45°-Winkel zur optischen Achse positionierten dichroitischen Spiegel gelenkt. Dieser reflektiert die Messstrahlung auf eine Quarzlinse, die das Licht in eine Glasfaser einkoppelt. Von diesem Lichtwel- lenleiter wird das Licht des LIBS-Plasmas in das Spektrometer geführt, wo es spektral aufgespalten und von CCD-Zeilensensoren aufgenommen wird. Die so gewonnenen Spektren werden zur Analyse der chemischen Zusammensetzung der Probe verwendet.
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Bild 5: Schematische Darstellung des LIBS-Analysenvorgangs
Zur Untersuchung der Machbarkeit der Unterscheidung der Legierungsklassen in- nerhalb der der drei Materialklassen HSS, HM und Titan wurden Analysen an einer bereitgestellten Materialcharge durchgeführt. Diese besteht aus zu recycelnden Proben die somit Oberflächenverschmutzungen sowie für das Bulk-Material nicht repräsenta- tive Beschichtungen aufweisen. Um eine Beeinflussung der LIBS-Analyse durch diese Deckschichten zu verhindern wird ein sogenannter maßgeschneiderter Laserpulszug verwendet. Dieser besteht aus einem ersten Anteil mit mehreren Laserpulsen gerin- gerer Energie zur effektiven Laserablation und einem zweiten, um eine Zeit ΔtRP-DP, verzögerten Doppelpuls zur Erzeugung intensiver Laserplasmen [9].
Während des Durchlaufs der Probe durch das Messvolumen muss der Laserstrahl der Probe folgen, damit Reinigungs- und Doppelpuls auf die gleiche Position auf der Probenoberfläche fokussiert werden.
Nd:YAG-Laser, L1: Zerstreuungslinse, L2: Objektivlinse, DS: Dichroitischer Spiegel, SS1, SS2: Scannerspiegel, PO: Probenoberfläche, FB: Förderband, MV: Messvolumen, L3: Linse, GF: Glasfaser zum Spektrometer
Metalle Bild 6: Anwendung eines maßgeschneiderten Pulszuges zur Vorreinigung der Probenoberfläche
am Ort der LIBS-Analyse
Die Geschwindigkeit des Förderbandes lässt sich von 0,15 bis 5 m/s frei einstellen.
Hierdurch können je nach Anforderung an die Analytik entweder bis zu 60 Messungen an einer Probe durchgeführt oder ein hoher Probendurchsatz mit jeweils einer Mes- sung erzeugt werden. Bild 7 zeigt Fotos von LIBS-Analyse an einem Bohrer bei einer Förderbandgeschwindigkeit von 0,3 m/s.
Bild 7: Links: Foto einer LIBS-Analyse an einem Bohrer; rechts: mit langer Belichtungszeit aufgenommenes Foto zur Visualisierung mehrerer Analysen an einer Probe
Die Klassifikationslogik in PLUS folgt den realen Gegebenheiten des Recyclings legierter Metallschrotte. Die drei Hauptklassen Schnellarbeitsstahl, Hartmetall und Titan liegen bei der Rückführung der Schrotte grundsätzlich getrennt vor, können jedoch geringe Verunreinigungen aufweisen. Ziel der Klassifikation in PLUS ist die Unterscheidung der gebildeten Subklassen. Die Subklassen unterscheiden sich hinsichtlich der Legie- rungselemente, welche entweder in verschiedenen Konzentrationen vorliegen oder auch nur in einzelnen Subklassen Verwendung finden. Die festgelegten Grenzwerte für die Klassifikation ergeben sich aus der Zusammensetzung der Legierungen und werden im Projekt so weit wie möglich gefasst, um eine eindeutige Zuordnung zu den Subklassen zu ermöglichen.
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0
385.000 386.500 388.000 389.500 391.000 392.500 Wellenlänge nm
Co I 387.312 Co I 387.396 Co I 398.408 Co I 393.597 Co I 399.531 Co I 399.791
394.000 395.500 397.000 398.500 400.000 120
240 360 480 600 Intensität w.E.
Zur leichteren Benennung der Klassen und zur automatisierten Datenverarbeitung wurden die sogenannten Plus-Klassen als Bezeichner für die im Rahmen des PLUS- Projektes verwendeten Materialien eingeführt. Diese Bezeichner sind zusammengesetzt aus der Hauptklasse (1xx, 2xx oder 3xx) und der jeweiligen Subklasse (xx = 01-11).
Das Klassenschema ist für spätere zusätzliche Anwendungen erweiterbar. Anhand der Materialspezifikationen wurden Kriterien zur Unterscheidung der einzelnen Klassen voneinander bestimmt. Die Matrixelemente sind für die Hauptklasse 100/HSS Eisen, für 200/Titan Titan und für 300/HM Wolfram. Zur Unterscheidung der einzelnen Legierungsklassen müssen die Gehalte der Elemente Fe, Ti, W, Co, Al, Nb und Ni laserspektroskopisch gemessen werden. Des Weiteren werden die Elemente Mo, V, Cr, Mn, Sn, Zr, C, Cu, Pd untersucht.
Zur Untersuchung der Möglichkeiten einer laserspektroskopischen Materialklassi- fizierung wurden LIBS-Messungen durchgeführt und anhand der Messdaten Streu- diagramme zu den Materialklassen erstellt. Hierfür wurden die Signale von über 60 Spektrallinien ausgewählt, in jedem Spektrum integriert und über jeweils fünf Mes- sungen gemittelt. Die so erhaltenen Messvektoren wurden standardisiert und unter Berücksichtigung ihrer Klassenzugehörigkeit einer linearen Diskriminanzanalyse unterzogen. Als Beispiel der so erzielten Ergebnisse dienen die Streudiagrammen (Bilder 9 und 10) der zur Verfügung gestellten Proben der Klassen HSS und Titan.
Bild 8: Beispielspektren der Legierungsklassen 304 bis 306 im Wellenlängenbereich von 385 bis 400 nm; einzelne Emissionslinien von Cobalt sind beispielhaft gekennzeichnet
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-4-6 -4 0
Vec3 104
Vec2
-2 2 4 6 8
-3 -2 -1 0 1 2 3
105 106 107 108 109 110 111
-1,5 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 Vec1
Vec2 -1,0
-0,5 0 0,5 1,0 1,5
105 106 108
Bild 9: Links: Streudiagramm der HSS-Klassen 104 bis 111; rechts: die im linken Diagramm nicht eindeutig zu trennenden Klassen 105, 106 und 108 sind unter Verwendung anderer Vektoren klar voneinander trennbar
2.2. Automatisierter Austrag
Nach der Identifikation der Metallschrotte durch das LIBS-Modul der Pilotanlage erreicht das Material auf dem Förderband den automatisierten Austrag. Zum Einsatz kommt ein über dem Förderband hängender Delta-Roboter. Die Kriterien zur Auswahl der Austragstechnik waren Handhabungskapazität, Geschwindigkeit, Flexibilität und Prozesssicherheit sowie die Wirtschaftlichkeit. Ein solches System wird industriell derzeit vor allem bei der Sortierung gleichförmiger Teile eingesetzt. Für das PLUS- Projekt ist somit eine der Herausforderungen die Variabilität der Objekt-Geometrie
0,04 0,03 0,02 0,01 0 -0,01 -0,02 -0,03 -0,04 -0,05
-0,020 -0,015 -0,010 -0,005 0
-0,005 -0,010 -0,015 Vec2
Vec3 201 202 203
Bild 10: Streudiagramm der Titanklassen 201 bis 203
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zu beherrschen. Der erste Testgreifer für diesen Zweck ist in Bild 11 dargestellt. Es handelt sich um einen pneumatischen Klemmgreifer, der sich insbesondere eignet stab- oder stiftförmige Objekte zu greifen. Neben mechanischem Klemmen könnte das Erfassen der Schrottteile auch über einen Vakuum-Sauger realisiert werden. Die Untersuchungen im Rahmen der Versuchsphase des Projekts werden zeigen, welche Greiferlösungsansätze zu einer möglichst flexiblen, durchsatzorien- tierten, prozesssicheren und ökonomisch sinnvollen Applikation führen.
Bild 11: Klemmgreifer mit HSS-Schrott
Für die Pilotanlage ist nach dem Greifen der Schrottteile vom Band der Abwurf auf bis zu sechs verschiedene Abwurfrutschen geplant. Die gewünschten Zielfraktionen können diesen Rutschen flexibel zugeordnet werden.
3. Zusammenfassung und Ausblick
Das Recycling legierter Schrotte leistet einen wichtigen Beitrag den europäischen Wirtschaftsstandort mit versorgungskritischen Metallen zu versorgen. Die Rahmen- bedingungen für diese Versorgung werden komplexer. Die Materialvielfalt erhöht sich, nicht nur aus Sicht der Werkstofftechnik allgemein, sondern auch innerhalb einzelner Produkte. Dies führt im Recycling zu mehr gemischten Massenströmen mit kleiner werdenden Anteilen der einzelnen Fraktionen. Die Anforderungen an Identifikation und Handhabung im Metallrecycling steigen. Technologien wie die in diesem Beitrag beschriebene Laser- und Robotertechnik gewinnen damit an Bedeutung. Entscheidend für die Verbreitung dieser Technologien im Recycling wird sein, inwieweit die automa- tisierten Systeme auf die Unwägbarkeiten bei der Aufbereitung von Wertstoffen, wie den legierten Metallschrotten, reagieren können.
4. Literatur
[1] Aydin, Ü.; Noll, R.; Makowe, J.: Automatic sorting of aluminium alloys by fast LIBS identification.
In: Progress in analytical chemistry in the steel and metal industries: 7th International Workshop on Progress in Analytical Chemistry in the Steel and Metal Industries, 16 to 18 May 2006 in Luxemburg CETAS, Verlag Glückauf, 2006 S.309-314
[2] Connemann, S.; Ambrosch, R.; Bergmann, K.; Britten, S.; Brumm, H.; Eschen, M.; Fricke-Be- gemann, C.; Gehlen, C.; Kurylak, W.; Noll, R.; Sellin, G.; Siguier, M.; Tori, A.; Veglia, F. Next generation urban mining – Laser-based sensing and sorting of electronic scrap. In: Pretz, T.;
Wotruba, H.; Feil, A.: 8th Sensor-based sorting & control 2018, S. 29-37
[3] Martens, H,: Goldmann, D.: Recyclingtechnik. 2. Auflage. Springer Vieweg Verlag, Wiesbaden, 2016, S. 107-120
Metalle [4] Noll, R.: Laser-Induced Breakdown Spectroscopy. Fundamentals and Applications. Heidelberg:
Springer Berlin Heidelberg, 2012, S. 467-488
[5] Noll R.; Sturm, V.; Aydin, Ü.; Eiler, D.; Gehlen, C.; Höhne, M.: Laser-induced breakdown spect- roscopy - From research to industry, new frontiers for process control. In: Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy 63 (10), 2008, S. 1159–1166
[6] Noll, R.; Fricke-Begemann, C.; Connemann, S.; Meinhardt, C.; Sturm, V.: LIBS analyses for in- dustrial applications - an overview of developments from 2014 to 2018. In: Journal of Analytical Atomic Spectrometry 33 (6), 2018, S. 945-956
[7] Pilarsky, G.: Wirtschaft am Rohstofftropf: Der Kampf um die wichtigsten mineralischen Res- sourcen. Springer Gabler Verlag, Wiesbaden, 2014, S. 13-92
[8] The London Metal Exchange (Hrsg.): LME Cobalt Price graph. https://www.lme.com/Metals/
Minor-metals/Cobalt#tabIndex=2; aufgerufen am 19.01.2019
[9] Werheit, P.; Fricke-Begemann, C.; Gesing, M.; Noll, R.: Fast single piece identification with a 3D scanning LIBS for aluminium cast and wrought alloys recycling. In: Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 26, 2011, S. 2166-2174
Ansprechpartner
Dipl.-Wirt.-Ing. Martin Geisler CRONIMET Ferroleg. GmbH Projektmanager
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Sven Connemann, M. Sc.
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT Lasermesstechnik und EUV-Technologie Steinbachstraße 15
52074 Aachen, Deutschland +49 241-8906-8050
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Redaktion und Lektorat: Dr.-Ing. Stephanie Thiel, Dr.-Ing. Olaf Holm, Elisabeth Thomé-Kozmiensky, M.Sc.
Erfassung und Layout: Elisabeth Thomé-Kozmiensky, Claudia Naumann-Deppe, Janin Burbott-Seidel, Ginette Teske, Sarah Pietsch, Roland Richter, Cordula Müller, Gabi Spiegel
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