„Die Wertschöpfung soll im Werk bleiben“: Aluminiumrecycling per Zentrifuge

Aluminium lässt sich gut in Kreislaufprozessen verarbeiten. Problematisch sind allerdings Schrotte mit hohen Anteilen an Fremdstoffen. Eisen kann sich im Recyclingkreislauf anreichern und intermetallische Phasen bilden, die die Werkstoffeigenschaften beeinträchtigen. Daneben entstehen bei jedem Arbeiten mit flüssigem Aluminium sogenannte Krätzen, die nichtmetallische Rückstände, insbesondere Oxide, enthalten. Simon Reichstein von der TH Nürnberg arbeitet an einem Verfahren, mit dem sich auch stark verunreinigte Aluminiumschrotte mittels Zentrifugieren aufbereiten lassen. Im Interview mit EUROGUSS 365 erklärt der Experte, welche Schrotte sich dafür eignen und für welche Betriebe sich ein industrieller Einsatz rechnen könnte.

Geschrieben von Editors EUROGUSS 365

Glühende Metallstücke in einem Tiegel im Gasofen

Herr Professor Reichstein, welches Problem des heutigen Aluminiumrecyclings soll das Verfahren lösen, an dem Sie arbeiten?

Porträt von Professor Simon Reichstein, TH Nürnberg — Professor Simon Reichstein

Simon Reichstein: Unser Ziel ist es, stark verunreinigte Aluminiumschrotte direkt am Ort ihrer Entstehung zu recyceln. Dazu gehören insbesondere Rückstände aus der Schmelzereinigung, so genannte Krätzen. Hinzu kommen andere Schrotte, die heute in normalen Schmelzöfen nicht direkt wiederverwertet werden und deshalb bislang häufig an externe Recycler gehen.
Dazu zählen beispielsweise Reste mit Eingussteilen wie Filtern, Verbundgussteile und spezielle Legierungen mit sehr hohen Fe-Gehalten wie Alt-Alfinmetall. Solche Materialien wollen wir mit dem Verfahren wieder für eine Weiterverwertung im eigenen Werk zugänglich machen.

Was unterscheidet die Zentrifugalbehandlung von Ihren früheren Arbeiten zur Abtrennung Fe-reicher Phasen?

Simon Reichstein: Wir haben verschiedene physikalische Ansätze erprobt. Dazu gehören insbesondere die selektive Erstarrung sowie die Erstarrung unter Zentrifugation. Bei der Bewertung eines solchen Verfahrens geht es jedoch nicht allein darum, ob die Trennung technisch funktioniert. Entscheidend sind auch der erreichbare Wirkungsgrad sowie der technische und wirtschaftliche Aufwand bei der Umsetzung. In dieser Gesamtbetrachtung erscheint uns der aktuelle Ansatz bislang am günstigsten.

Können Sie uns einen Einblick in den aktuellen Stand Ihrer Forschung geben? Welche Erkenntnisse haben Sie bislang gewonnen?

Simon Reichstein: Inzwischen verfügen wir über einen Laborprozess, der sowohl hinsichtlich des Wirkungsgrads als auch der Kosten funktioniert. Wir erreichen Ausbeuten und Reinheitsgrade beim recycelten Material, die auch unter Berücksichtigung der Kosten für die technische Umsetzung Einsparungen bei den Materialkosten gegenüber dem heutigen Stand der Technik ermöglichen.

Versuchszentrifuge mit Metallrahmen und Antriebseinheit — Für die Versuche wurde eine Zentrifuge verwendet, die mittels Elektromotor und Frequenzumrichter angetrieben wurde.

Der nächste Schritt ist nun die Übertragung auf einen größeren Maßstab. Aktuell planen wir bei der Rauschert Heinersdorf-Pressig GmbH die Hochskalierung der Anlage. Damit wollen wir insbesondere die Taktzeiten und Standzeiten der Komponenten unter praxisnäheren Bedingungen untersuchen und optimieren.

Welche technischen Herausforderungen stehen beim Schritt vom Laborprozess in einen industriell nutzbaren Maßstab im Mittelpunkt?

Simon Reichstein: Für das Hochskalieren des Prozesses wird zum einem die Frage der Übertragbarkeit der Laborergebnisse entscheidend sein. Also: Wie verändern sich die Wirkungsgrade, Verunreinigungsgehalte und Taktzeiten, wenn wir von Chargen zu circa ein Kilogramm auf Chargen von 500 Kilogramm hochgehen. Zweiter entscheidender Punkt wird sein, den Automatisierungsgrad und den Nacharbeitsbedarf soweit zu optimieren, dass Wirtschaftlichkeit gegeben ist.

Für welche Legierungen und Schrottqualitäten eignet sich das Verfahren, und wo liegen seine Grenzen?

Tiegel mit glühenden Rückständen aus Aluminiumkrätze — Die feste Krätze wurde grobstückig in Tiegel gegeben wurde, um sie im Gasofen aufzuschmelzen. Dadurch wurde das enthaltene metallische Aluminium verflüssigt und mittels Zentrifugation von der Festphase separiert. Das Bild zeigt die oxidischen Rückstände nach dem Reinigungsprozess.

Simon Reichstein: Besonders gut eignet sich der Prozess für Krätzen und Alt-Alfinmetall sowie für Kreislaufmaterial, das Bestandteile enthält, die nicht eingeschmolzen werden können. Dazu gehören beispielsweise Keramikfilter oder Stahlteile.

Auch Schrotte, die aufgrund ihrer Zusammensetzung oder ihres hohen Anteils an nichtmetallischen Bestandteilen in normalen Schmelzöfen nicht mehr effizient verarbeitet werden können, lassen sich mit dem Verfahren behandeln. Dazu zählen beispielsweise bestimmte Drahtreste oder Späne.

Für welche Unternehmen kommt ein industrieller Einsatz infrage, und welchen Nutzen könnten Druckgießereien daraus ziehen?

Simon Reichstein: Die Zielgruppe sind grundsätzlich Unternehmen, die mit flüssigem Aluminium arbeiten und bei denen die genannten Schrotte anfallen. Die Idee besteht darin, einen größeren Teil der Wertschöpfung im eigenen Werk zu halten. Die Schrotte müssten dann nicht mehr zur externen Aufbereitung abgegeben werden, sondern könnten direkt vor Ort behandelt werden.

Zusätzlich entfallen entsprechende Transporte. Bei einer geeigneten Umsetzung können außerdem Energiekosten eingespart werden. Besonders interessant ist das Verfahren daher für Niederdruckgießereien, Schwerkraft-Kokillengießereien und Sandgießereien.

Auch Druckgießereien können davon profitieren, allerdings in geringerem Umfang. Dort fallen typischerweise geringere Mengen an Krätzen an. Ob sich die Investition in eine entsprechende Anlage lohnt, hängt deshalb unter anderem von der Größe der Gießerei und den tatsächlich anfallenden Materialmengen ab. Letztlich muss für den jeweiligen Betrieb eine Kosten-Nutzen-Rechnung zeigen, ob eine eigene Anlage wirtschaftlich sinnvoll ist.

In einer späteren Phase der Kommerzialisierung können auch Recyclinganlagen für Aluminium-Knetlegierungen von dem Verfahren profitieren. Aufgrund der dort verarbeiteten größeren Mengen sind dafür jedoch eine weitere Hochskalierung des Prozesses und entsprechende Weiterentwicklungen erforderlich.

Über Simon Reichstein

Simon Reichstein ist Professor für Produktionstechnik und Produktionsplanung an der Fakultät Werkstofftechnik der Technischen Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm. Er studierte Werkstoffwissenschaften an der Universität Erlangen-Nürnberg und arbeitete nach seiner Promotion mehrere Jahre in der Industrie, unter anderem an Werkstoffen und Herstellungsverfahren für Aluminiumkolben. Seit 2009 lehrt und forscht Reichstein an der TH Nürnberg. Seit 2019 hat er dort eine Forschungsprofessur inne, seit 2021 leitet er das gemeinsam mit Rauschert betriebene TechCenter. Zur Umsetzung und Kommerzialisierung des Verfahrens gründete Reichstein die Bavariaguss GmbH.

Autor

Editors EUROGUSS 365

euroguss365@nuernbergmesse.de