Recycling von Aluminiumkrätze im industriellen Kontext

Warum Krätzebemusterung?

Aluminiumkrätze, oft auch als Salzkrätze, Oxidkrätze oder kurz „Krätze“ bezeichnet, entsteht als unvermeidliches Nebenprodukt der Schmelz- und Recyclingprozesse von Aluminium. Während des Schmelzprozesses reagiert flüssiges Aluminium mit Sauerstoff. Diese Reaktion führt zur Bildung von Aluminiumoxid (Al₂O₃), das sich als Krätze an der Oberfläche absetzt [1].

Die Zusammensetzung von Aluminiumkrätze ist heterogen und hängt stark von der Art der Schmelzführung, den eingesetzten Rohstoffen (Schrotte, Primärmetall und Legiermetalle) und der Ofentechnologie ab. Neben metallischem Aluminium und Aluminiumoxid weist Aluminiumkrätze Anteile an Salzen (NaCl, KCl) sowie Schwermetalloxiden auf [2]. Je nach Literaturquelle werden unterschiedliche Verteilungsbreiten angegeben und der Metallinhalt in der Krätze hat eine Variationsbreite von 15 % bis 80 % [1, 2, 3, 4].

Für Verwerter von Aluminiumkrätze, zu denen auch die AMAG casting GmbH zählt, wird Krätze nicht als Abfall, sondern als wertstoffhaltiger Sekundärrohstoff betrachtet. In Dreh- und Kipptrommelöfen (Bild 1) kann Krätze unter Salz umgearbeitet und das metallische Aluminium zurückgewonnen werden. Dafür wird Aluminiumkrätze auf Temperaturen von etwa 650–800 °C erhitzt, sodass das metallische Aluminium in die Schmelze übergeht, während die oxidischen Bestandteile überwiegend fest vorliegen. Durch die rotierende Bewegung sowie den Zusatz von Schmelzsalz als Flussmittel werden Oxidkrusten aufgebrochen, die Benetzbarkeit verbessert und Aluminiumtröpfchen zur Koaleszenz gebracht. Das flüssige Aluminium trennt sich anschließend gravitativ von der Krätzematrix und wird abgestochen bzw. abgekippt, während ein oxidischer-salzhaltiger Reststoff verbleibt. Der wirtschaftliche Wert der Krätze wird dabei an dem jeweiligen Anteil von metallischem Aluminium gemessen und in Prozent als Metallinhalt angegeben. Um den Metallinhalt von einzelnen Krätzeanlieferungen zu bestimmen, ist ein repräsentatives Probenahme- und Bemusterungsverfahren erforderlich. Die AMAG casting GmbH widmet sich intensiv der Optimierung dieser Prozessabläufe. Einerseits sind faire Wettbewerbsbedingungen für Lieferanten und Verwerter essenziell, andererseits ist auch die Prozessführung in der Umarbeitung in hohem Maße auf eine korrekte Bemusterung angewiesen. Bei negative abweichenden Metallinhalten lässt sich das Rückgewinnungspotenzial nicht vollständig ausschöpfen, wodurch für die Verwerter zusätzliche Fertigungskosten entstehen.

Das Recycling von Aluminiumkrätze weist eine maßgebliche energieökonomische Relevanz und ein erhebliches wirtschaftliches Potential auf. Durch die Rückgewinnung von Aluminium und Aluminiumoxid entstehen wertvolle Sekundärrohstoffe, die wesentlich zur Wettbewerbsfähigkeit der Aluminiumindustrie beitragen [5]. Deshalb ist eine professionelle und repräsentative Bemusterung eine Grundvoraussetzung für den fachgerechten und effizienten Einsatz von Aluminiumkrätzen als Sekundärrohstoff mit einer Wiederverwertungsrate von nahezu 100 % bezogen auf die eingesetzte Menge. Durch den Schmelzvorgang wird der Anteil an metallischem Aluminium zurückgewonnen. Die verbleibende Salzschlackenfraktion wird einer separaten Aufbereitung unterzogen, bei der die enthaltenen Salze rückgewonnen und dem Prozesskreislauf erneut zugeführt werden können. Die restlichen oxidischen Bestandteile können als mineralischer Sekundärrohstoff stofflich weiterverwendet werden. Die Verteilung ist direkt abhängig von der Aluminiumausbeute der eingesetzten Krätze.

Herausforderungen bei der Probenahme und Bemusterung

Die Bemusterung von Aluminiumkrätze ist eine Herausforderung, die sich aus der starken Heterogenität des Materials ergibt. Die Zusammensetzung weist nicht nur Unterschiede zwischen verschiedenen Chargen auf, sondern ist auch innerhalb einzelner Proben variabel. Dies ist auf die Art der Entstehung von Krätze im Schmelzprozess zurückzuführen, bei dem sich oxidische Phasen, Metalleinschlüsse, Salze und mineralische Anteile in unterschiedlichen Größenverteilungen vermischen [6].

Wird die Krätze aufgrund des Prozessverlaufes weiterführend mechanisch behandelt, etwa durch Auspressen oder Drainagieren, so resultiert dies in einer weiteren Inhomogenität, da insbesondere der metallhaltige Anteil zum Großteil zurückgewonnen wird, während ein zunehmend oxidreicher Feinanteil zurückbleibt [7]. Infolgedessen unterscheiden sich gepresste oder drainagierte Krätzen deutlich von unbehandelten Materialien und erschweren den gesamten Bemusterungsprozess deutlich. Gepresste Ausläufer sind in der Regel durch einen Pressstempel und Drainagelöcher gut erkennbar (Bild 2).

Ein weiterer wesentlicher Faktor, den es bei der Bemusterung zu berücksichtigen gilt, ist der Anteil an Feinfraktionen. Feinpartikuläres Material besitzt eine große spezifische Oberfläche und ist damit besonders anfällig für Oxidation und Feuchtigkeitsaufnahme. Aus diesem Grund weisen die Feinfraktionen tendenziell einen deutlich geringeren Metallinhalt als die Grobfraktionen auf.

Die Kombination dieser Faktoren bedingt, dass eine repräsentative Probennahme und somit eine zuverlässige Bestimmung des Metallinhalts keine triviale Aufgabe darstellt. Minimale Diskrepanzen in der Partikelverteilung oder im Restmetallinhalt können die Resultate signifikant beeinflussen.

Fraktionierung zur Homogenisierung

Ein grundlegender Schritt zur Sicherstellung einer repräsentativen Probenahme besteht in der Unterteilung der heterogenen Anlieferung in möglichst homogene Fraktionen. Im industriellen Maßstab wird dies bei der AMAG casting GmbH durch eine physische Separation in Grob- und Feinfraktionen realisiert. Die Trennung erfolgt unter Einsatz von Radlader und Baggergreifer. Als Feinfraktion wird dabei jener Materialanteil definiert, der manuell durch einen Mitarbeiter mit einem handelsüblichen 10-Liter-Kübel noch „schaufelbar“ ist (Bild 2).

Die Grobfraktion setzt sich aus den verbleibenden Ausläufern zusammen, die entweder – wie in Bild 2 dargestellt – gepresst und drainagiert vorliegen, oder ohne mechanische Nachbehandlung lediglich in Wannen abgeschöpft wurden.

Nach der Separation der Krätzeanlieferung in Grob- und Feinfraktion erfolgt die Verwiegung beider Anteile mit geeigneten Wiegesystemen. Dieser Schritt ist essenziell, da nur so eine verlässliche Bestimmung der Masseverteilung gewährleistet wird. Aufgrund der höheren Schüttdichte der Feinfraktion wird deren Anteil in der Praxis häufig unterschätzt, obwohl er den Gesamtmetallinhalt maßgeblich beeinflusst. Zudem zeigen sich erhebliche Unterschiede in der Verteilung der Fraktionen in Abhängigkeit vom jeweiligen Lieferanten und der Entfallstelle. Aus den Ergebnissen der Bemusterungsabteilung der AMAG casting GmbH geht hervor, dass der Massenanteil der Feinfraktion zwischen 10 % und 70 % der Gesamtlieferung betragen kann.

Die richtige Probenahme

Zur Bestimmung des Gesamtmetallinhalts einer Lieferung werden Schmelzproben in einem 100-kg-Drehtrommelofen durchgeführt. Dabei wird jeweils eine repräsentative Probe der Grob- und der Feinfraktion entnommen, um den entsprechenden Metallinhalt zu ermitteln. Unter Berücksichtigung der zuvor durch Separation und Verwiegung bestimmten Masseverteilung lässt sich daraus der gewichtete Gesamtmetallinhalt der Lieferung berechnen (Tabelle 1). Die Auswertung der Bemusterungsdaten über einen längeren Zeitraum zeigen, dass der Metallinhalt der Grobfraktion in Abhängigkeit von Lieferant und Materialqualität zwischen 32 % und 89 % variieren kann. Für die Feinfraktion wurde ein Metallinhalt im Bereich von 18 % bis 72 % ermittelt.

Der zentrale und zugleich anspruchsvollste Prozessschritt im gesamten Bemusterungsverfahren ist die repräsentative Probenahme, da sie die Grundlage für eine valide Bestimmung des Metallinhalts bildet.

Die Probenahme der Feinfraktion gestaltet sich unkomplizierter, da aufgrund der geringeren Partikelgrößen eine grundsätzlich homogenere Verteilung vorliegt. Dennoch ist es erforderlich, die Gesamtfraktion vor der Probenahme durch mechanisches Durchmischen weiter zu homogenisieren. Bei der anschließenden Probenahme sollte zudem darauf geachtet werden, dass die Partikelgrößenverteilung der gezogenen Probe derjenigen der Gesamtfraktion entspricht. Methodische Grenzen bestehen insofern, als insbesondere feine Partikelanteile zur Entmischung neigen und damit die Repräsentativität der Probe beeinträchtigen können. Eine sorgfältige Handhabung und standardisierte Vorgehensweisen sind daher unerlässlich.

Für die Erstellung einer repräsentativen Probe der Grobfraktion sind zusätzliche Behandlungsschritte erforderlich. Einerseits muss das Material so aufbereitet werden, dass es im Bemusterungsschmelzofen chargierbar ist, andererseits weist die Grobfraktion aufgrund ihrer Beschaffenheit keine ausreichende Homogenität auf. Dazu kann erschwerend wirken, dass einzelne Anlieferungen verschiedene Arten und Qualitäten von Krätzen enthalten können. Besonders in der Grobfraktion wird diese Heterogenität deutlich, da sie sowohl gepresste und drainagierte als auch unbehandelte Ausläufer umfassen kann. Der Metallinhalt einzelner Ausläufer kann zudem erheblich variieren. Unabhängige Schmelzversuche der AMAG casting GmbH haben gezeigt, dass die Schwankungen innerhalb der Grobfraktion einer Lieferung bis zu 20 % betragen können. Hierfür wurden zwei Ausläufer derselben Lieferung mithilfe eines Baggermeißels zerkleinert und anschließend einzeln umgeschmolzen. Die Ursachen dieser Abweichungen liegen vor allem in der unterschiedlichen Vorbehandlung der Ausläufer (gepresst, drainagiert oder unbehandelt), in variierenden Oxid- und Salzgehalten sowie in Restfeuchtigkeit oder Anhaftungen. Diese Faktoren beeinflussen maßgeblich sowohl den Metallinhalt als auch die Homogenität der Fraktion.

Darüber hinaus wurde festgestellt, dass vermehrt gepresste Ausläufer in sich eine ausgeprägte Inhomogenität aufweisen. Durch den Pressvorgang wird das metallische Aluminium nach außen gedrückt, um es zurückzugewinnen, wodurch sich vor allem an den Oberflächen der Ausläufer dünne Metallschichten bilden. Diese metallische Außenhaut vermittelt optisch häufig einen höheren Metallinhalt, während das Innere überwiegend aus bereits ausgepresstem Material mit entsprechend geringem Metallinhalt besteht (Bild 3).

Für eine repräsentative Probenahme ist es daher zwingend erforderlich, die Ausläufer durch mechanische Zerkleinerung aufzubereiten. Hierbei werden pro Ausläufertyp etwa 20 % des Materials aufgeschlossen, aus denen anschließend die Probe für den Grobanteil erstellt wird. Diese Vorgehensweise gewährleistet eine hinreichend aussagekräftige Bemusterung, da durch den teilweisen Aufschluss sowohl die äußeren als auch die inneren Materialbereiche erfasst werden. Der Anteil von 20 % stellt dabei einen praxisgerechten Kompromiss zwischen statistischer Repräsentativität und operativer Effizienz dar. Auf diese Weise lässt sich die wesentliche Heterogenität der Grobfraktion abbilden und gleichzeitig potenzielle Fehlerquellen im Probenahme-Prozess minimieren. Bild 3 zeigt einen Ausläufer vor und nach der Aufbereitung.

Zusammenfassung der Erkenntnisse

Die Untersuchungen verdeutlichen, dass Aluminiumkrätze ein stark heterogenes Material darstellt, wobei der Metallinhalt einzelner Fraktionen innerhalb einer Lieferung erheblich variieren kann. Besonders problematisch sind gepresste und drainagierte Krätzen, die aufgrund ihrer inhomogenen Struktur nach außen hin durch eine metallische Schicht einen hohen Metallinhalt vortäuschen, während sich im Inneren häufig ausgepresstes, metallarmes Material befindet. Hinzu kommt die ungleichmäßige Verteilung von Grob- und Feinanteilen, die eine repräsentative Probenahme zusätzlich erschwert. Da viele Lieferungen zudem von schwankender Qualität geprägt sind, ist eine sorgfältige mechanische Aufbereitung und die Erstellung aussagekräftiger Bemusterungsproben unerlässlich, um Fehlerquellen zu minimieren und verlässliche Ergebnisse zu erhalten.

Zusammenfassend zeigt sich, dass nur durch einen klar strukturierten und reproduzierbaren Bemusterungsprozess belastbare Aussagen über die Qualität und Verwertbarkeit von Aluminiumkrätzen möglich sind. Bild 4 veranschaulicht die dargestellten Ergebnisse und stellt den vollständigen Bemusterungsprozess in strukturierter Form dar. Damit wird nicht nur eine methodische Nachvollziehbarkeit und Reproduzierbarkeit sichergestellt, sondern zugleich eine belastbare Grundlage für die praxisorientierte Bewertung und Verwertbarkeit von Aluminiumkrätzen geschaffen.