Innovative Sorting of Aluminum and Zorba

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1 process Innovative Sorting of Aluminum and Zorba There are no limits set to the recycling of metals, they can be reused without limitation and to one hundred percent. Of course, metals have to be separated from non-metal impurities and different metals have to be sorted in pure fractions to be able to use them as secondary raw material. Due to the use and substitution of primary raw materials by secondary raw materials not only primary raw materials can be saved, but in many cases also the use of energy and therefore also process costs can be considerably minimized. Innovative Sortierung von Aluminium und Zorba Der Wiederverwendung von Metallen sind aus stofflicher Sicht keine Grenzen gesetzt, Metalle können zu 100 % und uneingeschränkt wiederverwendet werden. Natürlich bedarf es einer Trennung der Metalle von nichtmetallischen Störstoffen sowie einer Separation der unterschiedlichen Metalle in reine Fraktionen, um diese als Sekundärrohstoff nutzen zu können. Durch den Einsatz und die Substitution von Primärrohstoffen durch Sekundärrohstoffe können nicht nur Primärrohstoffe eingespart werden, sondern in vielen Fällen auch der Energieeinsatz und somit auch die Prozesskosten erhebliche minimiert werden. Author/Autor DI Martin Weiss, BT Wolgang-Binder, Gleisdorf/Austria 2 recovery

2 process H owever, the resources of mother Earth are exhaustible, making it more and more important to use secondary raw materials. If we take aluminum as an example: By using secondary raw materials, the energy-intensive electrolysis process for the primary production can be saved, thereby reducing energy costs in total to approx. 10 % compared to the primary production. It should also be noted that the mining of many ores for primary production occurs in politically unstable regions and sometimes under inhumane working conditions. Even the environmental impact, both due to the ore mining and the process chain from ore to metal extraction (e.g. toxic red mud) should not be neglected. Away from the old standard The global demand for ferrous and nonferrous metals increases from year to year. The modern industrial production in all areas of daily life devours an enormous quantity of aluminum and nonferrous metals such as copper, brass, nickel, stainless steels, tin, zinc, lead etc. The Institute of Scrap Recycling Industries Inc. (ISRI) in the United States defined various terms for mixed metals such as ZORBA, ZEBRA; ZEPPELIN, ZURIK etc. The sorting method currently used for the sorting of ZORBA, Zurik or metals of similar composition are sink-float separation processes or sensor-based sorting systems based on camera technology. There is still a considerable proportion of manual sorting. Manual sorting results in very high purities, in industrial countries however the process is very cost-intensive and should therefore only serve as final check and quality control. Furthermore, not all metals can be sorted manually as there are simply no visual differences. Grey D ie Ressourcen von Mutter Erde jedoch sind nicht unendlich, wodurch es immer wichtiger erscheint Sekundärrohstoffe zu nutzen. Am Beispiel Aluminium kann der bei Nutzung von Sekundärrohstoffen energieintensive Elektrolyseprozess der Primärherstellung eingespart werden, womit sich die Energiekosten in Summe auf nur ca. 10 % gegenüber der Primärherstellung reduzieren. Auch ist anzumerken, dass der Abbau vieler Erze für die Primärherstellung in politisch oft instabilen Regionen passiert und teilweise unter menschenunwürdigen Arbeitsbedingungen geschieht. Auch die Umweltauswirkung durch den Erzabbau sowie durch die weitere Prozesskette der Erz- und Metallgewinnung (z.b. giftiger Rotschlamm etc.) ist nicht zu vernachlässigen. 1 Copper left: dirty/ Copper right: clean Kupfer links: verschmutzt/ Kupfer rechts: rein Weg vom alten Standard Der globale Bedarf an Eisen- und Nichteisenmetallen steigt von Jahr zu Jahr. Die moderne industrielle Produktion in allen Bereichen unseres Lebens verschlingt eine enorme Menge an Aluminium und The technology makes an element-specific sorting of mixed metal waste possible Nichteisenmetallen wie Kupfer, Messing, Nickel, Edelstähle, Zinn, Zink, Blei etc. Das Institute of Scrap Recycling Industries Inc. (ISRI) in den Vereinigten Staaten hat für die unterschiedlichen Fraktionen eine Vielzahl an Begriffen definiert (ZORBA, ZEBRA, ZEPPELIN, ZURIK etc.) Stand der Technik für die Sortierung von ZORBA, Zurik oder Metallgemischen ähnlicher Zusammensetzung sind Schwimm-Sink-Prozesse oder sensorgestützte Sortiersysteme basierend auf Kameratechnologie. Auch ist der Anteil an manueller Sortierung noch immer recovery

3 2 Brass left: dirty/ Brass right: clean Messing links: verschmutzt/ Messing rechts: rein metals can only be sorted to a certain extent and e.g. stainless steel cannot be separated visually at all. The sink-float process is used in many treatment plants to separate materials of different densities. This process requires huge quantities of water and very expensive additives such as Ferro-Silicon. The separation efficiency is also very limiting, and thus only aluminum can be separated from heavy metals and other impurities of low density (e.g. plastics, wood, etc.). The mix of heavy metals must be treated in another way or has to be sorted manually. Most heavy metals are exported to Asia for further manual sorting, which increases the dependence on these countries, particularly on China. The aluminum gained cannot be further separated either. The use of sensor-based sorting systems represents an economic and reasonable alternative to manual or density sorting. Sorting by color using a color camera is one possibility of sensor-based sorting. However, the separation efficiency is quite limited, therefore only fractions which are clearly distinguishable by color, such as copper and brass, can be separated. All grey heavy metals such as zinc, lead, nickel, etc. and stainless steels are not sortable. The sorting by color camera is further very inefficient in case of surface contamination and color impurities. Sorting tests and experience with different input materials have shown that only part of the copper and brass fraction is also optically recognizable. Only about one-third of the whole copper and brass fraction corresponds to the color definitions of these two nonferrous metals. The remaining quantity, that is two-thirds of the total fraction, remains unidentified due to surface contaminations and therefore unsorted within the heavy metal fraction. The XRT technology (X-ray Transmission) is also limited in its sorting efficiency and can therefore only be regarded as an alternative to the sink-float separation process. The transmission technology X-rays the material and is based upon the detection of density differences (an X-ray image is a very good comparison). Dense material (bones) weakens the X-rays much more than less dense material (tissue). The X-ray transmission, just as the sinkfloat process, is a kind of dense sorting. groß. Manuelle Sortierung bringt sehr hohe Reinheiten, jedoch ist der Prozess in industriellen Ländern sehr kostenintensiv und sollte nur als End- und Qualitätskontrolle Verwendung finden. Des Weiteren sind manche Fraktionen auch per Hand nur schwer oder gar nicht trennbar, da keine visuellen Unterschiede vorhanden sind. So können z.b graue Metalle nur bedingt per Hand getrennt werden sowie z.b. Edelstähle untereinander gar nicht sortiert werden. Der Schwimm-Sink-Prozess findet Anwendung in vielen Aufbereitungsanlagen, um Materialien mit unterschiedlicher Dichte zu trennen. Dieser Prozess benötigt enorme Mengen an Wasser und sehr kostenintensiven Additiven wie z.b. Ferrosilizium. Darüber hinaus ist die Trennschärfe sehr limitierend, so kann nur Aluminium von Schwermetallen und anderen Störstoffen geringer Dichte (z.b. Kunststoffe, Holz, etc.) getrennt werden. Der Mix aus Schwermetallen muss anderwärtig aufbereitet oder manuell sortiert werden. Auch wird ein Großteil der Schwermetalle nach Asien zur weiteren (manuellen) Sortierung exportiert. Dies erhöht die Abhängigkeit zu diesen Ländern, allen voran China. Das gewonnene Aluminium kann ebenfalls nicht weiter getrennt werden. Die Verwendung von sensorgestützen Sortiersystemen ist eine sinnvolle und kostengünstige Alternative zur manuellen Sortierung oder Dichtesortierung. Die Sortierung nach Farbe mittels Farbkamera ist eine Möglichkeit der sensorgestützen Sortierung. Die Trennschärfe ist jedoch stark begrenzt, so können nur farblich unterscheidbare Fraktionen wie Kupfer und Messing erkannt werden wobei sämtliche graue Schwermetalle wie Zink, Blei, Nickel etc. und Edelstähle nicht sortierbar sind. Wenn es um oberflächliche Verschmutzungen und farbliche Verunreinigungen geht, ist die Sortierung mittels Farbkamera sehr ineffizient. Sortierversuche und Erfahrungswerte mit unterschiedlichem Inputmaterial zeigen, dass nur ein Teil der Kupfer- und Messing-Fraktion auch optisch erkennbar ist. So entspricht nur ca. ein Drittel der gesamten Kupferund Messing-Fraktion auch den farblichen Definitionen dieser beiden Nichteisenmetalle. Der Rest, also zwei Drittel der Gesamtfraktion bleibt aufgrund von 4 recovery

4 3 Functional principle of X-ray fluorescence Funktionsprinzip der Röntgenfluoreszenz Towards state-of-the-art technology Another possibility of sensor-based sorting is sorting with XRF (X-ray fluorescence). A few years ago REDWAVE, in cooperation with Olympus, developed a sensor-based sorting system based upon X-ray fluorescence. Olympus is one the leading companies for producing portable XRF-systems for rapid on-site measurements and has extensive experience in the field of X-ray fluorescence. REDWAVE offers optical sorting systems in the field of environmental and processing engineering, and moreover REDWAVE also offers everything from one source: from 3D-system planning to the complete turn-key plant. The sorting system REDWAVE XRF was initially used in the field of glass sorting, more precisely for the separation of heat-resistant and leaded glass from the waste glass cullet. Soon it became apparent that the fields of application go far beyond the glass sector. The use of this innovative technology along with the development of a new machine design set new standards in metal sorting, in particular in the sorting of nonferrous metals. Using this technology it is possible to separate also material which has so far been considered to be not sortable. Principle of X-ray fluorescence An X-ray tube emits X-rays (so-called primary X-ray fluorescence radiation) thereby exciting the metal piece. Depending on the composition of the metal piece, this excitation leads to the emission of characteristic X-rays (secondary X-ray fluorescence radiation). This radiation emitted from the metal piece is representative for the composition of the metal. Each element of the periodic table has a unique and distinctive energy and can thus be individually recognized. If, for example, a pure copper oberflächlichen Verunreinigungen unerkannt und somit unsortiert in der Schwermetallfraktion. Auch die XRT-Technologie (X-Ray Transmission) ist in ihrer Trennschärfe begrenzt und kann nur als Alternative zur Schwimm-Sink-Trennung angesehen werden. Die Transmissionstechnologie durchleuchtet das Material und basiert auf der Erkennung von Dichteunterschieden (ein sehr guter Vergleich ist das Röntgenbild). Dichtes Material (Knochen) schwächt die Röntgenstrahlung stärker ab als weniger dichtes Material (Gewebe). Die Röntgentransmission ist wie das Schwimm-Sink-Verfahren eine Dichtesortierung. Soon it became apparent that the fields of application go far beyond the glass sector Hin zum neuen Stand der Technik Eine weitere Möglichkeit der sensorgestützten Sortierung ist die Sortierung mit XRF (X-Ray Fluoreszenz; zu Deutsch RFA = Röntgenfluoreszenz). Vor einigen Jahren hat REDWAVE in Kooperation mit Olympus ein sensorgestützten Sortiersystems basierend auf Röntgenfluoreszenz entwickelt. Olympus ist eine der führenden Firmen bei der Herstellung von portablen XRF-Systemen für schnelle Vor-Ort-Messungen und verfügt über ausgedehnte Erfahrung auf dem Gebiet der Röntgenfluoreszenz. REDWAVE ist Anbieter von optischen Sortieranlagen in der Umwelt- und Aufbereitungstechnik und bietet darüber hinaus alles aus einer Hand: von der 3D-Anlagenplanung bis hin zur schlüsselfertigen Gesamtanlage. Wurde das Sortiersystem REDWAVE XRF anfangs für den Bereich der Glassortierung, genauer gesagt der Abtrennung von hitzebeständi- recovery

5 4 REDWAVE XRF Functional principle REDWAVE XRF Funktionsprinzip piece is excited, only the radiation with the typical energy of copper is emitted. On the other hand, when exciting the element brass the typical radiation of copper and zinc is perceived. This radiation is captured by special sensors and then evaluated. The technology makes an element-specific sorting of mixed metal waste possible. Besides this elementspecific detection, the most important benefit of the XRF technology is the metal sorting regardless of color and surface contamination. Compared to the camera technology, also dirty and non-characteristic color pieces of copper and brass, for example, can be accurately detected and sorted. Of course, it is also possible to separately detect and sort metals of same or similar color. This unique detection mechanism also enables the separation of grey heavy metals into single elements. There are also no limits set to the sorting logic. One element, several elements or the combination of two or more elements can be used as sorting criterion. The threshold values and sensitivities of each single element are variably adjustable. gen und bleihaltigen Gläser aus dem Altglaskreislauf verwendet, so stellte sich rasch heraus, dass die Einsatzmöglichkeiten weit über den Glassektor hinausgehen. Die Verwendung dieser innovativen Technologie zusammen mit der Entwicklung eines neuen Maschinendesigns setzen neue Maßstäbe in der Sortierung von Metallen, insbesondere Nichteisenmetallen. Durch diese Technik kann Material, welches bis dato als unsortierbar galt, getrennt werden. Prinzip der Röntgenfluoreszenz Eine Röntgenröhre emittiert Röntgenstrahlung (sogenannte primäre Röntgenfluoreszenzstrahlung), welche das Metallstück anregt. Je nach Zusammensetzung des Metallstücks führt diese Anregung zur Aussendung von charakteristischer Röntgenstrahlung (sekundärer Röntgenfluoreszenzstrahlung). Diese emittierte Strahlung abgehend vom Metallstück ist repräsentativ für die Zusammensetzung des Metalls. Jedes Element im Periodensystem besitzt eine einzigartige und unverwechselbare Energie und kann somit gezielt erkannt werden. Wird z.b. ein reines Kupferstück angeregt, so wird nur Strahlung mit der typischen Energie des Kupfers emittiert. Andererseits wird bei der Anregung von Messing die typische Strahlung von Kupfer und Zink wahrgenommen. Diese Strahlung wird von speziellen Sensoren detektiert und ausgewertet. Durch diese Technologie ist es möglich, elementspezifisch ein Metallgemisch zu sortieren. Der große Vorteil der XRF-Technologie neben dieser elementspezifischen Erkennung ist die farb- und schmutzunabhängige Sortierung der Metalle. Im Vergleich zur Kameratechnologie können zum Beispiel auch verschmutzte oder farblich nicht charakteristische Kupfer und Messingstücke exakt erkannt und sortiert werden. Ebenso ist es natürlich möglich Metalle gleicher oder ähnlicher Farbe getrennt zu erkennen und somit zu sortieren. Durch diesen einzigartigen Detektionsmechanismus können auch graue Schwermetalle in die einzelnen Metalle getrennt werden. Auch sind der Sortierlogik keine Grenzen gesetzt. So können ein Element, mehrere Elemente oder die Verknüpfung von zwei oder mehreren Elemente als Sortierkriterium herangezogen werden, sowie ist es möglich die Grenzwerte/Empfindlichkeiten für jedes einzelne Element variabel einzustellen. Anwendungsbeispiele Die Anwendungsmöglichkeiten der XRF-Technologie in der Metallsortierung sind vielseitig. So können zum Beispiel Nickel-basierte Edelstähle von Nickelfreien Edelstählen getrennt werden (selbiges gilt für Molybdänbasierte Edelstähle), Gold, Silber, Platin und andere wertvolle Metalle aus einem Altschrottgemisch abgetrennt werden, aber auch Aluminium von Schwermetallen sowie die einzelnen Schwermetalle in reine Fraktionen sortiert werden. Auf die Sortierung von Zorba soll an dieser Stelle etwas näher eingegangen werden: Zorba setzt sich in der Regel wie folgt zusammen: > 70 % Aluminium, Messing, Zink, Kupfer, Eisen, 6 recovery

6 Application examples The application possibilities of the XRF technology within metal sorting are versatile. For example, nickelbased stainless steels can be separated from nickel-free stainless steels (the same applies to molybdenum-based stainless steels), gold, silver, platinum and other precious metals can be sorted out of a mixture of scrap metals, and aluminum can also be separated from heavy metals as well as single heavy metals into pure fractions. Here, the sorting of Zorba shall be discussed in more detail: Zorba is usually composed as follows, > 70 % aluminum, brass, zinc, copper, iron, stainless steels in different percentages as well as accompanying metals such as lead, silver alloys, etc. Using the REDWAVE XRF sorting machine it is possible to gain all components of Zorba according to type and to sort aluminum on the basis of the alloying elements copper, zinc and iron. In the first sorting step all metals, besides aluminum, are positively separated thereby generating two fractions, a heavy metal fraction and an aluminum fraction. Then, all heavy metals are successively recovered in an off-line set up operation and the high-grade and very precious metals such as copper, brass, zinc, stainless steel, etc. are directly fed to the recycling process as secondary raw materials. Now, it is also possible to further separate the aluminum fraction from the first sorting step. Based on the detection of the alloying components copper, zinc and iron in the aluminum alloys it is possible to separate aluminum alloys which are rich in iron, copper and zinc. The pure aluminum fraction thus generated corresponds to the primary aluminum quality 6061 and can also be directly recycled. With this sorting process, precious heavy metals have neither to be sorted manually, nor to be exported to low-wage countries, and a high-purity aluminum fraction can be produced as well. The sorting of ZURIK is similar to the sorting of ZORBA. First of all, the ZURIK fraction is separated from metals which are harmful or undesirable for further processing of stainless steel. Thus copper, brass, tin, zinc, etc. can be separated, which results in the generation of a stainless steel and a mixed metal fraction. The mixed metal fraction can be further separated in an off-line set up operation as described above to obtain precious fractions such as copper and brass. The stainless steel fraction can be further sorted on the basis of the different alloy components (e.g. positive separation of nickel-based or molybdenumbased stainless steels). Summary Besides the high throughput and purity, the flexible and versatile application possibility of the XRF sorting technology is a great advantage compared to other sorting techniques such as camera or X-ray transmission. The applicability of the X-ray fluorescence technology is very multifaceted and not limited to one material class or application. Compared to other technologies, moisture, coloring and surface Nickel-based stainless steels can be separated from nickel-free stainless steels Edelstähle im unterschiedlich hohen Prozentbereich sowie Begleitmetalle wie Blei, Silberlegierungen, etc. Durch die REDWAVE XRF ist es möglich, sämtliche Bestandteile des Zorba sortenrein zu gewinnen und das Aluminium anhand der Legierungsbestandteile Kupfer Zink und Eisen zu sortieren. In einem ersten Sortierschritt werden sämtliche Metalle, welche nicht Aluminium sind positiv abgetrennt, wodurch eine Schwermetallfraktion sowie eine Aluminiumfraktion erzeugt wird. Danach werden die Schwermetalle in einem off-line set up- Betrieb nacheinander gewonnen, wodurch diese hochwertigen und äußerst wertvollen Metalle wie Kupfer, Messing, Zink, Edelstahl, etc. sortenrein als Sekundärrohstoffe direkt dem Recycling zugeführt werden. Nun ist es auch möglich, die Aluminiumfraktion aus dem ersten Sortierschritt weiter zu sortieren. Anhand der Erkennung der Legierungsbestandteile Kupfer, Zink und Eisen in den Aluminiumlegierungen können eisen- und kupferund zinkreiche Aluminiumlegierungen abgetrennt werden. Die erzeugte reine Aluminiumfraktion entspricht der Primäraluminiumqualität 6061 und kann ebenfalls direkt einem Recycling zugeführt werden. Durch diesen Sortierprozess müssen kostbare Schwermetall weder handsortiert noch in Billiglohnländer exportiert werden, um eine hochreine Aluminiumfraktion zu erzeugen. Ähnlich wie die Sortierung von ZORBA, kann ZURIK sortiert werden. Zuerst wird die ZURIK- Fraktion von Metallen befreit, welche für die weitere Edelstahlaufbereitung schädlich oder unerwünscht sind. So können Kupfer, Messing, Blei, Zinn, Zink, etc. abgetrennt werden, wodurch eine Edelstahlfraktion sowie eine Mischmetallfraktion erzeugt wird. Die Mischmetallfraktion kann wie oben beschrieben in einem off-line set-up weiter sortiert werden, um wertvolle Fraktionen wie Kupfer und Messing zu gewinnen. Die Edelstahlfraktion kann anhand der unterschiedlichen Legierungsbestandteile weiter sortiert werden (z.b. positive Abtrennung von nickeloder molybdenbasierten Edelstählen). Zusammenfassung Neben dem hohen Durchsatz und der Reinheit ist die flexible und vielseitige Anwendungsmöglichkeit der Sortierung mittels XRF ein großer Vorteil dieser im Vergleich zu anderen Sortiertechniken wie Kamera oder Röntgentransmission. Die Technik der Röntgenfluoreszenz ist sehr vielseitig in der Anwendung und nicht auf eine Materialklasse oder Applikation beschränkt. Im Vergleich zu anderen Technologien haben Feuchtigkeit, Farbgebung sowie oberflächliche Verunreinigungen keinen nennenswerten negativen Einfluss auf die Erken- recovery

7 contamination have no significant negative impact on the detection. Due to the sorting processes, highpurity metal fractions are produced, which can be directly and profitably sold. Assuming the current revenues for the recovered metals for the sorting of ZORBA, the payback of the machine including labor and operating costs shall be reached in less than a year. The flexibility of the XRF technique and the sophisticated sorting logic enable the response to changing sorting processes at cyberspeed. A great variety of sorting steps can be carried out with the same machine using different preset sorting programs. Under https://www.youtube.com/watch?v=ydrugupfsvs a video shows the above described sorting process. nung. Durch die Sortierprozesse werden hochreine Metallfraktionen erzeugt, welche direkt und gewinnbringend verkauft werden können. Unter Annahme der derzeitigen Erlöse für die gewonnenen Metalle ist der Payback der Maschine inkl. Personal- und Betriebskosten bei einer Sortierung von ZORBA in nicht einmal einem Jahr erreicht. Die Flexibilität der XRF-Technik und ausgereiften Sortierlogik ermöglicht es, auf Änderungen der Sortierprozesse blitzschnell einzugehen. Eine Vielzahl von Sortierschritten können mit derselben Maschine bei unterschiedlich voreingestellten Sortierprogrammen durchgeführt werden. Unter https://www.youtube.com/watch?v=ydrugupfsvs zeigt ein Video die Sortierung der oben beschriebenen Anwendung. 8 recovery

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