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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zusammenstellung einer Zielfraktion wiederverwertbarer Rohstoffe.
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Bei der Erzeugung von Werkstoffen mittels eines Schmelzverfahrens können sowohl Primär- als auch Sekundärrohstoffe eingesetzt werden, wobei unter Sekundärrohstoffen wiederverwertbare Materialien verstanden werden. Hierbei kann es sich insbesondere um Metallschrotte, aber auch um gebrauchte Kunststoffteile handeln. Die Sekundärrohstoffe liegen in der Regel als Fraktionen vor, die aus einer Vielzahl an einzelnen Rohstoffstücken bestehen. Zumeist entstammen die einzelnen Fraktionen nicht einer einzelnen Entfallstelle (Entstehungsort), sondern setzen sich aus Entfall unterschiedlicher Herkunft zusammen. Selbst der Entfall aus einer bestimmten Entfallstelle kann wiederum unterschiedliche chemische Zusammensetzungen bei den Einzelstücken aufweisen. Insgesamt sind somit die einzelnen Fraktionen meist nur hinsichtlich unterschiedlicher Rohstoffkategorien wie Zugehörigkeit zu einem Basiswerkstoff und der Abmessung vorsortiert, unterscheiden sich aber in ihrer chemischen Zusammensetzung oft beträchtlich. Beispielsweise setzen sich Metallschrotte aus einzelnen Teilen unterschiedlicher Legierungsgehalte zusammen.
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Die verschiedenen Fraktionen werden nach dem Stand der Technik eingeschmolzen, um eine Vorschmelze zu erhalten, wobei je nachdem, ob überwiegend mit Primär- oder mit Sekundärrohstoffen gearbeitet wird, von einem Primär- oder Sekundärschmelzverfahren gesprochen wird. Je nach Zusammensetzung der Vorschmelze müssen anschließend weitere Stoffe, insbesondere Legierungs- oder wie bei Polymeren auch Füllstoffe zugesetzt werden, um eine Zielschmelze zu erhalten, die in ihrer Zusammensetzung dem herzustellenden Werkstoff entspricht. Dies ist in der Regel nur unter Zusatz von Anteilen an Primärrohstoffen möglich, wobei gilt, dass mit den Ansprüchen an die Zielschmelze der Anteil an Primärrohstoffen steigt. Wünschenswert wäre jedoch angesichts knapper werdender Ressourcen und begrenzter Versorgungssicherheit ein möglichst hoher Sekundärrohstoffanteil auch in komplexen Zielschmelzen.
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Noch problematischer ist die Tatsache, dass u. U. aus der Vorschmelze unerwünschte Legierungs- oder Füllbestandteile entfernt oder diese verdünnt werden müssen, damit ihre Konzentrationen nicht über die in der Zielzusammensetzung des herzustellenden Werkstoffs vertretbaren Konzentrationen hinausgehen. Im Bereich der Gießereiindustrie wird z. B. zur Herstellung von hochfestem und zähem Guss zum Einsatz in der Automobil- und Energieindustrie ein Stahlschrott benötigt, der arm an sog. Perlitbildnern wie Mangan ist und nur Spuren an die Graphitbildung negativ beeinflussenden Legierungsstoffen wie sog. Feinkornbildnern enthält. Erschwerend kommt hinzu, dass ein Zinkbelag des Stahlschrotts unerwünscht ist, ein Großteil des heute verwendeten Stahls, insbesondere Flachstahl wie Feinblech aber zum Schutz vor Korrosion mit einer Zinkbeschichtung versehen ist. Das hohe Schrottaufkommen der Feinblechverarbeitung kann so in zunehmendem Maße nicht mehr als eigentlich unentbehrlicher Rohstoff für die Gießereiindustrie eingesetzt werden. Andere Begleitelemente des Stahlschrotts wie Kupfer oder Zinn sind Stahlfeinde, weil metallurgisch nicht entfernbar und von negativer Wirkung auf die mechanischen Eigenschaften.
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Für eine Zielschmelze nicht benötigte, aber über die Sekundärrohstoffe unkontrolliert eingetragene Legierungselemente werden bislang meist verschlackt und somit dem Rohstoffkreislauf entzogen oder durch Hinzufügen anderer Elemente soweit verdünnt, dass ihre Anwesenheit hingenommen werden kann. Es wäre jedoch von Vorteil, gerade diese oft knappen und damit teuren Rohstoffe gezielt im Rohstoffkreislauf zu halten.
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Wünschenswert wäre ein Verfahren, das es ermöglicht, auf Primärrohstoffe dadurch weitgehend zu verzichten, dass der Vorschmelze keine weiteren Stoffe zur Erreichung der Zielschmelzenzusammensetzung zugeführt werden müssen. Darüber hinaus sollte auf die aufwändige Abtrennung von Bestandteilen aus der Vorschmelze verzichtet werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Zusammenstellung einer Zielfraktion wiederverwertbarer Rohstoffe bekannter Grundzusammensetzung, wobei sich die Rohstoffe hinsichtlich ihrer exakten Zusammensetzung unterscheiden und wobei die Rohstoffe Sekundärrohstoffe und ggf. zusätzlich Primärrohstoffe sind und die Rohstoffe in Form von Rohstoffstücken vorliegen, die eine Mindestgröße von 2 mm haben, mit folgenden Schritten:
- a) Festlegung einer Zielzusammensetzung wiederverwertbarer Rohstoffe hinsichtlich des Gehalts der einzelnen Bestandteile und hinsichtlich der Masse der zu erzeugenden Zielfraktion, wobei für die einzelnen Bestandteile Obergrenzen definiert werden,
- b) ggf. Zerkleinerung der wiederverwertbaren Rohstoffstücke,
- c) ggf. Behandlung der Rohstoffstücke mit zumindest einer Flüssigkeit zur Reinigung der Oberfläche und/oder zur Ablösung von Oberflächenbeschichtungen,
- d) Vereinzelung der Rohstoffstücke,
- e) Analyse der Zusammensetzung und Bestimmung der Masse der Rohstoffstücke,
- f) automatische Aussortierung von unzureichend aufbereiteten Rohstoffstücken und solchen Rohstoffstücken, die keine Analyse der Zusammensetzung gemäß Schritt e) zulassen,
- g) Vergleich der Zusammensetzung der Rohstoffstücke mit der Zielzusammensetzung,
- h) automatische Zusortierung der Rohstoffstücke zur Zielfraktion, sofern für keinen Bestandteil der Rohstoffstücke der auf die Rohstoffstücke bezogene Gehalt oberhalb der für die Zielzusammensetzung definierten, auf die Zielzusammensetzung bezogenen Obergrenze liegt,
- i) Errechnung der zum jeweiligen Zeitpunkt vorliegenden Zusammensetzung der Zielfraktion hinsichtlich des Gesamtgehalts der einzelnen Bestandteile und hinsichtlich der Masse,
- j) im Falle von Rohstoffstücken, die in Schritt h) nicht automatisch der Zielfraktion zusortiert wurden, Errechnung der Zusammensetzung der Zielfraktion nach Zugabe der Rohstoffstücke zur Zielfraktion hinsichtlich des Gesamtgehalts der einzelnen Bestandteile und hinsichtlich der Masse und Vergleich mit der Zielzusammensetzung,
- k) automatische Zusortierung der Rohstoffstücke aus Schritt j) zur Zielfraktion, sofern der in Schritt j) errechnete Gesamtgehalt der einzelnen Bestandteile nach Zugabe der Rohstoffstücke zur Zielfraktion und die Masse innerhalb der durch die Zielzusammensetzung vorgegebenen Grenzen liegt,
- l) Wiederholung der Schritte d) bis k) für weitere Rohstoffstücke bis die Zielfraktion der einzuschmelzenden Rohstoffe die gewünschte Masse erreicht hat und in der Zusammensetzung der Zielzusammensetzung weitgehend entspricht.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit die Stufe der Vorschmelze umgangen. Durch präzise Auswahl von Rohstoffstücken aus den einzelnen Fraktionen wird unmittelbar eine Zielfraktion von wiederverwertbaren Rohstoffen geschaffen, die in ihrer Zusammensetzung der Zielzusammensetzung weitgehend oder idealerweise exakt entspricht. In der Regel handelt es sich um einschmelzbare Rohstoffe. Diese müssen somit nur noch eingeschmolzen werden, um eine Zielschmelze der gewünschten Zusammensetzung zu erhalten; eine Beimischung weiterer Stoffe oder eine Entfernung von Stoffen aus der Schmelze ist nicht mehr oder allenfalls noch in sehr geringem Umfang notwendig. Auf diese Weise kann ein neuer Werkstoff erzeugt werden, der in seiner Zusammensetzung weitgehend der mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltenen Zielzusammensetzung entspricht, wobei ggf. der ofenspezifische Abbrand berücksichtigt werden muss.
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Im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Sortierverfahren, wie sie beispielsweise in den Patentanmeldungen
WO 2010/139032 A2 ,
DE 43 02 283 A1 oder
US 6 795 179 B2 beschrieben werden, handelt es sich beim erfindungsgemäßen Verfahren um ein Assortierverfahren. Dabei wird nicht nur jedes einzelne, sortierte Rohstoffstück für sich betrachtet, stattdessen wird der Gehalt der verschiedenen Bestandteile des Rohstoffstücks zusammen mit der Masse ausgewertet und zur Zusammensetzung der Zielfraktion in Beziehung gesetzt, um als Ergebnis des Verfahrens eine Zielfraktion zu erhalten, die der vorher festgelegten Zielzusammensetzung entspricht. Dies manifestiert sich insbesondere in den Schritten i), j) und k). Im Ergebnis werden auch Rohstoffstücke der Zielfraktion zusortiert, die bei herkömmlichen Sortierverfahren aussortiert worden wären, weil sie in ihrer stückbezogenen Zusammensetzung nicht der Zielzusammensetzung entsprechen. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es hingegen möglich, auch Rohstoffstücke, die eigentlich nicht der Zielzusammensetzung entsprechen bzw. in ihrem Gehalt an Bestandteilen prozentuale Obergrenzen der Zielzusammensetzung überschreiten, wiederzuverwerten, wenn sich dies durch Zugabe anderer Rohstoffstücke, die möglicherweise für sich betrachtet ebenfalls nicht innerhalb der Spezifikation liegen, kompensieren lässt.
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Die eingesetzten Rohstoffe müssen hinsichtlich ihrer Grundzusammensetzung bekannt sein, nicht jedoch hinsichtlich ihrer exakten Zusammensetzung, in der sie sich unterscheiden und die erst bei der Analyse ermittelt wird. Es ist u. a. hilfreich zu wissen, um welches Basismaterial es sich handelt und welches Schichtsystem auf den eingesetzten Rohstoffen vorhanden ist. Bei bekannter Grundzusammensetzung kann entschieden werden, ob eine Behandlung der Rohstoffstücke mit einer oder mehreren Flüssigkeiten zur Reinigung der Oberfläche und/oder zur Ablösung von Oberflächenbeschichtungen, d. h. ein Abbeizen notwendig ist. Hier können unterschiedliche Vorgehensweisen sinnvoll sein, je nachdem, ob es sich z. B. um verzinkten, emaillierten oder mit einer Kunststoffbeschichtung versehenen Schrott oder um Kunststoffreste handelt. Beispielsweise können als Abbeizmittel zur Entfernung von organischen Beschichtungen organische Lösungsmittel wie aliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffe, Chlorkohlenwasserstoffe, Alkohole, Glykolether, Dicarbonsäureester, Aceton usw. verwendet werden. Besonders häufig verwendet wird Methylenchlorid. Zur Entfernung einer Zinkschicht können Säuren oder Basen eingesetzt werden. Entsprechende Verfahren sind dem Fachmann bekannt. Sofern sich die eingesetzten Rohstoffe hinsichtlich ihrer Grundzusammensetzung zu stark unterscheiden, ist u. U. eine Vorsortierung erforderlich, um beispielsweise im Fertigungsprozess vermischte Aluminium- und Stahlneuschrotte voneinander zu separieren.
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Je nach Größe der Rohstoffstücke kann es sinnvoll sein, diese vor der Vereinzelung und der Analyse der Zusammensetzung zu zerkleinern, um sie besser handhabbar zu machen. Damit eine sinnvolle Analyse der Zusammensetzung möglich ist, ist eine gewisse Mindestgröße erforderlich. Da die Analyse häufig mit Hilfe eines Lasers durchgeführt wird, der einen Brennfleck von ca. 0,4 mm Durchmesser aufweist, sollte die Mindestgröße der einzelnen Rohstoffstücke nicht unter 2 mm liegen, wobei unter Größe die Maße in den zwei Dimensionen der Auflagefläche, beispielsweise auf einem Transportband, verstanden werden, d. h. das Rohstoffstück sollte mindestens 2 mm lang und breit sein. Vorteilhafterweise gilt die Größe für sämtliche Dimensionen einschließlich der Höhe. Zweckmäßig ist es, wenn die einzelnen Rohstoffstücke größer sind, beispielsweise eine Größe von mindestens 1 cm, bevorzugt mindestens 5 cm aufweisen. Auf der anderen Seite ist die Handhabung zu voluminöser Rohstoffstücke bei der Förderung schwierig, weshalb die Rohstoffstücke nach einem möglichen Zerkleinerungsschritt max. eine Größe von 200 cm aufweisen sollten. Bevorzugt ist eine max. Größe von 100 cm, weiter bevorzugt von 50 cm. Der Zerkleinerungsschritt kann ggf. auch nach dem Schritt der Reinigung bzw. der Ablösung von Oberflächenbelägen durchgeführt werden.
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Vor der eigentlichen Analyse ist eine Vereinzelung der Rohstoffstücke notwendig, um die Rohstoffstücke analysieren zu können, ohne dass die Analyse einzelner Rohstoffstücke durch andere Rohstoffstücke behindert wird. Die Vereinzelung der Rohstoffstücke kann fördertechnisch in der Weise erfolgen, dass mehrere Module hintereinander angeordnet werden, die die Rohstoffstücke mit unterschiedlicher Geschwindigkeit bewegen. Beispielsweise kann ein erstes Modul die Rohstoffstücke mit relativ geringer Geschwindigkeit von z. B. 5 m/min bewegen. Von diesem Modul werden die Rohstoffstücke an ein weiteres Modul übergeben, das die Rohstoffstücke mit deutlich höherer Geschwindigkeit von z. B. 180 m/min bewegt. Auf diese Weise wird der Abstand zwischen den Rohstoffstücken gezielt vergrößert, d. h. es findet eine Vereinzelung statt, die die getrennte Analyse erlaubt. Bei Bedarf können zwischen den Modulen mit minimaler und maximaler Geschwindigkeit weitere untereinander geschwindigkeitsgeregelte Module angeordnet werden, durch die Rohstoffstücke mit mittleren Geschwindigkeiten bewegt werden. Eine typische Geschwindigkeitskaskade ist etwa: 5 m/min – 25 m/min – 100 m/min – 180 m/min. Falls erforderlich kann nach Vereinzelung der Rohstoffstücke die Geschwindigkeit wieder reduziert werden, um die Analyse durchführen zu können. Bei den Modulen kann es sich sowohl um Schwingförderer als auch um Transportbänder handeln, wobei typischerweise die Module mit niedrigerer Geschwindigkeit Schwingförderer und die Module mit höherer Geschwindigkeit Transportbänder sind. Insbesondere kann es sich bei dem Modul mit minimaler Geschwindigkeit um einen Schwingförderer (Schwingrinne oder Schüttelrutsche) und bei dem Modul mit maximaler Geschwindigkeit um ein Transportband handeln. Der Einsatz von Schwingförderern zu Beginn der Vereinzelung ist auch insofern hilfreich, als miteinander lose verbundene, z. B. leicht verhakte Rohstoffstücke auf diese Weise voneinander getrennt werden können. Ggf. kann es ausreichend sein, die Vereinzelung lediglich so weit durchzuführen, dass jeweils nur wenige Rohstoffstücke zusammen vorliegen, d. h. es ist nicht in jedem Fall erforderlich, eine Vereinzelung in dem Sinne vorzunehmen, dass sämtliche Rohstoffstücke vollkommen separiert sind.
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Für den Fall, dass sich einzelne Rohstoffstücke als nicht analysierbar erweisen oder es sich um unzureichend aufbereitete oder aus zu vielen unterschiedlichen Stoffen zusammengesetzte Stücke wie etwa Verbundwerkstoffe, komplette Elektromotoren o. ä. handelt, können diese automatisch aussortiert und von der eigentlichen Sortierung ferngehalten werden.
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Grundsätzlich ist es wünschenswert, wenn die Zielfraktion in ihrer Zusammensetzung so weit wie möglich der Zielzusammensetzung entspricht. Das erfindungswesentliche Ziel wird jedoch auch dann schon zu einem Großteil erreicht, wenn die Konzentration bestimmter Bestandteile in die Nähe der Konzentration in der Zielzusammensetzung gebracht wird, kleine Mengen jedoch noch zugeführt werden müssen. Wichtig ist jedoch, dass in der am Ende des Verfahrens vorliegenden Zielfraktion keine Bestandteile mit höherem Gehalt, d. h. in höherer Konzentration als für die Zielzusammensetzung festgelegt vorhanden sind, so dass eine Entfernung solcher Bestandteile entbehrlich ist.
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Erfindungsgemäß entfallen somit die Teilprozesse auf dem Weg von der Vorschmelze zur Zielschmelze. Insbesondere können im Anschluss an das beschriebene Verfahren Schmelztechniken angewendet werden, bei denen während des Schmelzvorgangs praktisch keine Reststoffe wie Schlacken anfallen. Auch die Menge an Emissionen wird erheblich reduziert.
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Um dies zu erreichen, müssen die Zusammensetzung und die Masse der einzelnen Rohstoffstücke bestimmt werden. Anschließend werden die Rohstoffstücke so sortiert, dass die Gesamtzusammensetzung der Zielzusammensetzung entspricht. Die Sortierung erfolgt mit Hilfe eines automatisierten Verfahrens über einen Computer oder eine andere elektronische Datenverarbeitungsvorrichtung. Dabei werden unterschiedliche Parameter berücksichtigt. Beispielsweise werden Rohstoffstücke aussortiert, wenn sie Bestandteile in einer Konzentration oberhalb eines bestimmten Grenzwerts enthalten. Andere Rohstoffstücke werden konkret der Zielfraktion zusortiert, wenn sie einen bestimmten Stoff enthalten und die Konzentration dieses Stoffs in der Zielfraktion zu diesem Zeitpunkt noch unterhalb der Zielkonzentration des Stoffs liegt. Bei der Zusortierung muss natürlich nicht nur die Zusammensetzung, sondern auch die Masse des Rohstoffstücks berücksichtigt werden. Die Einstellung der Zusammensetzung der Zielfraktion erfolgt, indem die ermittelten Gehalte der einzelnen Rohstoffstücke zur Zusammensetzung der bis dahin vorliegenden Zielfraktion unter Berücksichtigung der Massen in Beziehung gesetzt werden.
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Im Einzelnen werden Rohstoffstücke, bei denen für keinen Bestandteil des Rohstoffstücks der Gehalt oberhalb des für die Zielzusammensetzung definierten Gehalts liegt, automatisch der Zielfraktion zusortiert. Verglichen wird dabei jeweils der prozentuale Gehalt für das Rohstoffstück mit dem prozentualen Gehalt für die Zielzusammensetzung insgesamt. Ist beispielsweise für die Zielzusammensetzung eine Obergrenze von 0,5 Gew.-% Mangan festgelegt worden, so kann ein Rohstoffstück, das einen Gehalt von weniger als 0,5 Gew.-% Mangan enthält, unmittelbar der Zielfraktion zusortiert werden, sofern auch für die weiteren Bestandteile die festgelegte Obergrenze nicht überschritten wird.
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Im Gegensatz zu im Stand der Technik bekannten Sortierverfahren, können jedoch auch Rohstoffstücke der Zielfraktion zusortiert werden, bei denen für ein oder mehrere Bestandteile der prozentuale Gehalt oberhalb des für die Zielzusammensetzung festgelegten prozentualen Gehalts liegt, vorausgesetzt, durch Zugabe des Rohstoffstücks wird der Gesamtgehalt eines bestimmten Bestandteils nicht über die für diesen Bestandteil festgelegte Obergrenze gebracht. Beispielsweise kann, wenn entsprechend dem oben genannten Beispiel für die Zielzusammensetzung eine Obergrenze von 0,5 Gew.-% Mangan festgelegt worden ist, auch ein Rohstoffstück mit einem Mangangehalt von 1,0 Gew.-%. der Zielfraktion zusortiert werden. Der bezüglich dieses Rohstoffstücks zu hohe Gehalt an Mangan wird durch den entsprechend niedrigeren Gehalt anderer Rohstoffstücke ausgeglichen. Auf diese Weise wird erreicht, dass eine bedeutend höhere Zahl an Rohstoffstücken der Zielfraktion zusortiert werden kann als gemäß dem Stand der Technik, die Recyclingquote ist entsprechend höher. Während bei herkömmlichen Sortierverfahren nur der Gehalt des jeweiligen Rohstoffstücks betrachtet wird, wird erfindungsgemäß dieser Gehalt jeweils zum Gesamtgehalt der bis zu diesem Zeitpunkt vorliegenden Zielfraktion in Beziehung gesetzt. Die Gesamtzusammensetzung der Zielfraktion ist zu jedem Zeitpunkt bekannt, es findet eine Aufintegration hinsichtlich des Gehalts der einzelnen Bestandteile statt, die sich aus den Gehalten und den Massen der bis zum jeweiligen Zeitpunkt der Zielfraktion zugegebenen Rohstoffstücke ergibt.
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Idealerweise gleichen sich unterschiedliche Gehalte an Bestandteilen der einzelnen Rohstoffstücke so weit aus, dass am Ende eine Zielfraktion erhalten wird, die die Zielzusammensetzung aufweist. Sofern sich dies nicht erreichen lässt, weil etwa sämtliche Rohstoffstücke einen Gehalt in Bezug auf einen bestimmten Bestandteil aufweisen, der unterhalb des für die Zielzusammensetzung festgelegten Gehalts liegt, können gezielt Rohstoffstücke mit hohem Gehalt dieses Bestandteils zusortiert werden, so dass die Zielfraktion die gewählte Zielzusammensetzung erreicht. Ggf. kann es sich bei diesen Rohstoffstücken auch um Primärrohstoffstücke handeln.
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Die Masse, die die zu erzeugende Zielfraktion mit Hilfe des Verfahrens erreichen soll, wird normalerweise als Zielmasse zu Beginn des Verfahrens festgelegt. Bei Bedarf kann eine gewisse Anpassung nach oben oder unten erfolgen, wenn sich herausstellt, dass eine Zielfraktion der gewünschten Zielzusammensetzung bereits vor Erreichen der festgelegten Masse erhalten wurde oder bei Erreichen der Zielmasse die Zusammensetzung noch geringfügig von der Zielzusammensetzung abweicht, jedoch absehbar ist, dass eine Zielfraktion der gewünschten Zielzusammensetzung durch eine gewisse Erhöhung der Zielmasse erreichbar ist. Insofern kann die Zielmasse in gewissem Maße variabel sein, sie liegt jedoch typischerweise innerhalb einer bestimmten Bandbreite. Die Zielmasse muss naturgemäß auch abgestimmt sein auf einen für die Zielfraktion vorgesehenen Behälter und darf nicht über dessen Fassungsvermögen hinausgehen. Darüber hinaus sollte die Zielfraktion in einer Charge wiederverwertet, insbesondere eingeschmolzen werden, um zu gewährleisten, dass die erzeugte Schmelze die exakte Zielzusammensetzung aufweist; es ist daher dafür Sorge zu tragen, dass eine Verwertung der kompletten Zielfraktion erfolgt, ohne diese erneut aufzutrennen. Entsprechend ist eine Abstimmung auf das Fassungsvermögen eines Schmelzofens sinnvoll. Denkbar ist allerdings auch, die Zielfraktion nach Zusammenstellung so weitgehend zu homogenisieren, dass eine getrennte Verwertung erfolgen kann, was insbesondere bei kleinstückigen Rohstoffen möglich ist.
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Bestandteile im Sinne der Erfindung sind im Falle von Metallschrotten vor allen Dingen die einzelnen Elemente, die im Metallschrott vorhanden sind, beispielsweise Chrom, Mangan, Vanadium, Nickel etc. Im Falle von Kunststoffen hingegen handelt es sich in erster Linie um die einzelnen Polymere, bspw. Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid, Polystyrol, Polyurethan, Polyethylenterephthalat etc., die als Homopolymere oder auch als Copolymere vorliegen können
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Rohstoffstücke, die weder in Schritt h) noch in Schritt k) der Zielfraktion zusortiert werden können, müssen aussortiert werden. Dies ist z. B. der Fall, wenn die Rohstoffstücke Werkstoffschädlinge enthalten, die in der Zielfraktion unerwünscht sind. Beispiele sind sog. Eisenbegleiter (Phosphor, Schwefel) oder auch Kupfer oder Refraktärmetalle in Eisenschmelzen. Ebenso ist es möglich, sämtliche Schrotte, die einen zu großen Gehalt an Perlit- oder Feinkornbildnern wie Mangan und Titan aufweisen, auszusortieren, da diese in der Gießereiindustrie unerwünscht sind. Ein Aussortieren ist auch erforderlich, wenn der Gehalt an Bestandteilen so ist, dass die Zusortierung zur Zielfraktion das Erreichen der Zielzusammensetzung gefährden oder unmöglich machen würde. Auch die beim Aussortieren erhaltenen Nebenfraktionen können jedoch gesondert weiterverwertet werden. Sie können weitere Zielfraktionen oder Fraktionen bilden, die weiteren Zielfraktionen nahe kommen.
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Der Zielfraktion können bewusst Rohstoffstücke zugegeben werden, die bestimmte Bestandteile angereichert enthalten. Hierzu können Rohstoffstücke aus einer gesonderten Fraktion verwendet werden, bei der hohe Konzentrationen bestimmter Komponenten zu erwarten sind, z. B. Chrom in Schrott aus Haushaltsmaschinen.
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Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es auch möglich, bestimmte Stoffe, insbesondere Legierungselemente, konkret aufzukonzentrieren. Dies ist besonders sinnvoll für hochpreisige und in der Zukunft möglicherweise nicht mehr versorgungssichere Legierungselemente wie Nickel, Niob oder Tantal oder auch für Seltene Erden.
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Die Sortierung kann mit Hilfe gängiger Verfahren mechanisch oder pneumatisch erfolgen, beispielsweise indem kontinuierlich über ein Förderband geförderte Metallschrotte je nach Bedarf geleitet und in unterschiedlichen bereitgestellten Behältnissen gesammelt werden. Die Zuführung zur Zielfraktion kann bspw. mit Hilfe von Luftstößen erfolgen, wie dies in der
DE 100 29 951 A1 beschrieben wird. Möglich ist jedoch auch die Verwendung von mechanischen Klappen, Greifvorrichtungen o. ä.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren erhält man ein wesentlich bis ausschließlich aus Sekundärrohstoff zusammengesetztes Ausgangsmaterial für die weitere Aufbereitung, insbesondere das Einschmelzen. Im Idealfall kann vollständig auf Primärrohstoffe verzichtet werden. Das Entfernen oder Zuführen von Legierungsstoffen zur Vorschmelze entfällt vollständig bzw. wird auf ein Minimum reduziert. Im Schmelzaggregat, beispielsweise in einem Induktionsofen, wird somit keine metallurgische Aufarbeitung mehr durchgeführt, vielmehr reicht der einfache Vorgang des Schmelzens zur Herstellung des gewünschten Werkstoffs aus. Entsprechend vereinfacht sich auch der Aufbau der Schmelzaggregate. Durch die Erfindung wird gewissermaßen die Einstellung der Zielzusammensetzung vom Schmelzofen weg verlagert. Stattdessen kann die Einstellung bereits auf dem Schrottplatz erfolgen.
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Mit Hilfe der verbesserten Recyclingtechnik gemäß der Erfindung können gleichwertige (Recycling) oder sogar überlegene Produkte (Upcycling) gegenüber aus Primärrohstoffen gewonnenen Produkten hergestellt werden. Im Gegensatz dazu waren aus Sekundärrohstoffen gewonnene Produkte bislang meist eher von niedrigerer Qualität bzw. nur für weniger anspruchsvollen Einsatz geeignet (Downcycling).
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Bei den einzuschmelzenden Rohstoffen handelt es sich insbesondere um Metallschrotte, beispielsweise Stahlschrotte. Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße Verfahren jedoch auch für andere Metallschrotte einsetzbar. Zu nennen sind insbesondere Aluminium-, Kupfer-, Zink- und Titanschrotte. Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch auch im Bereich der Kunststoffindustrie und der Aufarbeitung von Polymerabfällen, beispielsweise Polypropylen, zum Einsatz kommen. Ebenso möglich ist der Einsatz beim Sortieren von Glas.
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Sinnvoll ist es gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform auch, mehrere Zielfraktionen einzuschmelzender Rohstoffe zusammenzustellen, wobei mehrere Zielzusammensetzungen festgelegt werden und in den Schritten h) und k) des Verfahrens eine Zuordnung der Rohstoffstücke zu unterschiedlichen Zielfraktionen in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Rohstoffstücke erfolgt. Auf diese Weise werden nicht nur eine, sondern gleich mehrere Zielzusammensetzungen erzeugt. Darüber hinaus wird auf diese Weise erreicht, dass auch Rohstoffstücke, die für eine bestimmte Zielfraktion nicht geeignet sind, einer anderen Zielfraktion zugeordnet werden können, so dass die Mehrzahl der Rohstoffstücke einer sinnvollen Verwendung zugeführt wird.
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Die Analyse der Zusammensetzung der Rohstoffstücke erfolgt bevorzugt spektroskopisch, wobei bevorzugt mehrere spektroskopische Bestimmungen der Zusammensetzung pro Rohstoffstück erfolgen, um diese statistisch auszuwerten. Hierfür geeignete Verfahren sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise die Laserspektroskopie, die Röntgenfluoreszenzspektroskopie oder die Photoelektronenspektroskopie. Besonders bevorzugt ist das Verfahren der Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS), bei der ein sehr kurzer, energiereicher Laserpuls auf die zu untersuchende Oberfläche fokussiert wird. Die dort stattfindende lokale starke Erhitzung des Materials führt zur Ausbildung eines lichtemittierenden Plasmas, wobei die Emission charakteristisch für das jeweilige Material ist. Ein anderes Verfahren ist die Laserablation, bei der durch den fokussierten Laserstrahl kleine Probenmengen abgetragen werden, welche mittels eines Gasstroms in einen Detektor gebracht und dort charakterisiert werden.
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Im Falle der Röntgenfluoreszenzspektroskopie wird die Materialprobe durch eine hochenergetische Röntgenstrahlung angeregt, woraufhin die kernnahen Elektronen der in der Materialprobe vorhandenen Atome herausgeschlagen werden. Elektronen aus höheren Energieniveaus nehmen die Plätze der herausgeschlagenen Elektronen ein, die dabei frei werdende Energie wird in Form von elementspezifischer Fluoreszenzstrahlung abgegeben und kann mit Hilfe eines Strahlungsdetektors ausgewertet werden.
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Im Falle der Photoelektronenspektroskopie wird zunächst ein Elektron im zu analysierenden Festkörper durch ein einfallendes Photon angeregt und zur Oberfläche transportiert, bevor es schließlich als Photoelektron austritt. Die Austrittsrichtung und die kinetische Energie der Photoelektronen erlaubt Rückschlüsse auf die Zusammensetzung des Festkörpers. Insbesondere kann es sich um Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) handeln.
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Um die Stellen zu ermitteln, an denen eine spektroskopische Analyse der Zusammensetzung möglich ist, kann eine Bestimmung der Positionen der Rohstoffstücke sowie eine Bestimmung von räumlichen Informationen bezüglich der Rohstoffstücke durchgeführt werden. Als Ermittlung von räumlichen Informationen wird insbesondere die teilweise oder vollständige Ermittlung der Form der Rohstoffstücke verstanden. Die Position ist insbesondere die Position des Rohstoffstücks auf der Fördereinrichtung. Wenn die Rohstoffstücke auf der Fördereinrichtung bewegt werden, ändert sich selbstverständlich die Position der Rohstoffstücke im Raum, nicht jedoch im Verhältnis zur Fördereinrichtung.
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Die Bestimmung der Position der Rohstoffstücke ist mit Hilfe eines 3D-Scanning-Schritts möglich, der auch dazu dienen kann, räumliche Informationen zu den Rohstoffstücken zu gewinnen. Es ist somit möglich, die Form der Rohstoffstücke zu erfassen. Die räumlichen Informationen zu den Rohstoffstücken, insbesondere die Form, wird automatisch daraufhin ausgewertet, an welchen Positionen eine spektroskopische Analyse problemlos möglich ist. Auf diese Weise kann die Analyse deutlich beschleunigt werden, da die Zahl nicht erfolgreicher Analyseschritte minimiert wird. 3D-Scanning-Technologien, zumeist mit Hilfe eines Lasers ausgeführt, sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt und werden vielfältig eingesetzt, beispielsweise zur Bestimmung der Form von Zahnbögen, beim Rapid Prototyping etc.. Lediglich beispielhaft wird auf den
Übersichtsartikel von W. R. Scott, G. Roth, ACM Computing Surveys, Vol. 35, 2003, S. 64–96 "View Planning for Automated Three-Dimensional Object Reconstruction and Inspection" verwiesen.
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Anstatt Position und Form mit Hilfe von 3D-Scanning zu erfassen, sind auch andere Möglichkeiten denkbar. Beispielsweise kann die Position des Rohstoffstücks im Falle von Metallen durch elektromagnetische Induktion bestimmt werden. Hierzu können Spulen vorgesehen sein, beispielsweise unterhalb der Transportbänder, die zusammen mit einem Kondensator einen Schwingkreis bilden, so dass die Position eines metallischen Rohstoffstücks elektronisch erfasst wird. Vorrichtungen, bei denen mit Hilfe von elektromagnetischer Induktion die Gegenwart eines metallischen Gegenstandes erfasst werden kann, sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt.
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Die Gewinnung von räumlichen Informationen zu den Rohstoffstücken ist auch dadurch möglich, dass über einen (gepulsten) Laser parallel zur Transportrichtung eine Höhenlinie jedes Rohstoffstücks über die Lichtlaufzeit ermittelt wird. Dies dient dazu, bei Rohstoffstücken, die in sich oder von Stück zu Stück eine starke Höhendifferenz aufweisen, den nachfolgenden Analysevorgang so vorzubereiten, dass ein lichtoptisches Verfahren sich zur eigentlichen Messung genügend präzise fokussieren kann. Die erhaltenen räumlichen Informationen werden dazu verwendet, die Stellen festzulegen, an denen eine Analyse der Zusammensetzung im Folgeschritt stattfindet. Durch die Ermittlung der Höhenlinie wird die Taktzeit der Messvorgänge erhöht und die Messgenauigkeit gesteigert. Zudem wird so der Einfluss etwaiger Relativbewegungen der Rohstoffstücke relativ zum Transportband messtechnisch weitgehend eliminiert.
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Die spektroskopische Analyse der Zusammensetzung der Rohstofftücke erfolgt vorzugsweise in Bewegung, d. h. das gesamte Verfahren wird in einem kontinuierlichen Prozess durchgeführt. Vorzugsweise erfolgen auch weitere Verfahrensschritte wie die Aussortierung und Zusortierung in Bewegung. Um für einen hohen Durchsatz zu sorgen, ist es sinnvoll, die Rohstoffstücke mit einer Geschwindigkeit von mindestens 2 m/s zu bewegen. Dabei können insbesondere Transport- oder Förderbänder zum Einsatz kommen.
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Häufig ist eine spektroskopische Analyse der Zusammensetzung von Rohstoffstücken schwierig, da gerade Metallschrottteile mit einer Beschichtung versehen sind, die z. B. vor Korrosion schützen soll. Besonders im Bereich der Automobilindustrie werden elektrolytisch oder im Schmelztauchverfahren verzinkte Stähle eingesetzt. Daneben kommen bei Feinblech auch organische Beschichtungen auf einer in der Regel vorher aufgebrachten Zinkschicht in Form von Nass- und Pulverlacksystemen oder applizierte Folien zum Einsatz, beispielsweise bei sogenannter weißer Ware, d. h. bei Haushaltsgeräten. Im Falle von Weißblech wird eine elektrolytisch aufgebrachte Zinnbeschichtung verwendet. Weißblech spielt insbesondere eine Rolle bei der Herstellung von Blechdosen für Lebensmittel, Getränke sowie im Bereich von Aerosolsprühdosen, wobei häufig eine Lackierung oder Folienbeschichtung der Weißblechdosen hinzukommt. Aus dem Stand der Technik ist das Nehmen von Stichproben mit Hilfe von tragbaren Analysegeräten bekannt, wobei jedoch zuvor mit Hilfe eines Handschleifgeräts die Beschichtung abgelöst werden muss. Da ein solches Verfahren wegen des damit verbundenen Aufwands nur für einen kleinen Teil der Rohstoffstücke durchführbar ist, kann jedoch keine detaillierte Analyse und Einzelsortierung von Rohstoffstücken erfolgen, vielmehr ist die Analyse statistisch unzureichend.
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In solchen Fällen, in denen die unmittelbare spektroskopische Analyse der Zusammensetzung nicht möglich ist, ist es sinnvoll, die Rohstoffstücke vor der Analyse mit zumindest einer Flüssigkeit zur Reinigung und Ablösung von Oberflächenbeschichtungen zu behandeln. Ggf. kann vor der Analyse noch eine Trocknung der mit der Flüssigkeit behandelten Stücke durchgeführt werden, um anhaftende Flüssigkeitsreste zu entfernen. Von besonderem Vorteil ist, dass die Ablösung von Oberflächenbeschichtungen durch Behandlung mit einer Flüssigkeit für eine Vielzahl von Rohstoffstücken zugleich erfolgen kann. Die Ablösung der Beschichtungen ist auch insofern von Vorteil, als beim später erfolgenden Schmelzen die Emissionen verringert werden.
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Bei den Oberflächenbeschichtungen handelt es sich insbesondere um die in großem Umfang verwendeten Metalle Zink und Zinn. Insbesondere die Ablösung einer Zinkbeschichtung kann mit Hilfe einer sauren oder einer alkalischen Lösung erfolgen, wobei die Verwendung einer sauren Lösung aufgrund der deutlich rascheren Ablösung der Beschichtung bei niedrigeren Temperaturen bevorzugt ist. Wie in den internationalen Patentanmeldungen
WO 2011/038746 A1 und
WO 2010/034465 A1 beschrieben wurde, kann dabei auch die bei der sauren Entzinkung an sich auftretende unerwünschte Mitlösung von Eisen durch Zugabe eines Öls oder durch Vorbeladung der sauren Lösung mit Zinkionen weitgehend unterdrückt werden. Es hat sich nämlich gezeigt, dass die Gegenwart von Zinkionen in der sauren Lösung zu einer deutlichen Beschleunigung der Zinkauflösung führt, so dass die Kontaktzeit mit dem zu entzinkenden Schrott so kurz gehalten werden kann, dass die Eisenauflösung praktisch gerade erst begonnen hat. Darüber hinaus sind aus dem Stand der Technik Möglichkeiten zur Entfernung des Eisens aus einer Lösung bekannt, beispielsweise eine Fällung in Form des Hydroxids, in Form von Jarosit, Goethit oder Hämatit. Die entsprechenden Verfahren sind z. B.
Ullmanns Enzyklopädie Technische Chemie, 4. Aufl., Band 24, S. 602 ff. zu entnehmen. Als Säure wird insbesondere Schwefelsäure verwendet; die Konzentration der Schwefelsäure beträgt typischerweise 100–600 g/l, insbesondere 250–500 g/l, beispielsweise ca. 400 g/l. Diese wird in einem Temperaturbereich von typischerweise 15 bis 70°C, vorzugsweise 40 bis 60°C eingesetzt, wobei in der Regel eine Kontaktzeit der sauren Lösung mit dem Stahlschrott von wenigen Minuten ausreichend ist. In Versuchen hat sich sogar eine Kontaktzeit von 60 s als ausreichend herausgestellt.
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Möglich ist aber auch eine Entzinkung in alkalischem Milieu, wie sie bspw. in der europäischen Patentschrift
EP 0 996 774 B1 beschrieben wird. Typischerweise wird eine Natrium- oder Kaliumhydroxidlösung verwendet, wobei die Menge an Natrium- bzw. Kaliumhydroxid vorteilhafterweise mindestens 15 Gew.-% beträgt, um eine ausreichend schnelle Ablösung der Zinkschicht zu gewährleisten. Die Reaktionstemperatur sollte > 75°C liegen, damit die Reaktion innerhalb von max. 2 h ablaufen kann. Um die Auflösungsgeschwindigkeit des Zinks weiter zu erhöhen, kann die Ablösung der Zinkschicht als galvanische Korrosion erfolgen, d. h. das Zink dient als Anode, an der die das Zink in Zinkionen überführende Oxidation stattfindet, während ein zweites, in der alkalischen Lösung stabiles Metall als Kathode dient, an der sich Wasserstoff entwickeln kann.
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Die Behandlung der Oberflächen mit der Flüssigkeit kann sowohl in der Form erfolgen, dass die Rohstoffstücke durch ein entsprechendes Tauchbecken geführt werden (Tauchbeizen), als auch in der Form, dass die Oberfläche mit der Flüssigkeit besprüht wird (Sprühbeizen). Das Sprühbeizen, beispielsweise auf einem Schwingförderer, hat dabei den Vorteil, dass das Verfahren kontinuierlich durchgeführt werden kann, ohne dass von Zeit zu Zeit der Inhalt eines gesamten Tauchbeckens erneuert werden muss.
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Die Flüssigkeiten zur Ablösung der Beschichtungen können aufgearbeitet werden, um in den Rohstoffstücken enthaltene oder anhaftende Stoffe zurückzugewinnen. Bei diesen Stoffen kann es sich insbesondere um Metalle handeln, beispielsweise um Zink oder Zinn, die in erheblichen Mengen zum Einsatz kommen. Die Aufarbeitung erfolgt z. B. elektrolytisch.
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Zur weiteren Erhöhung der Effizienz können die zu behandelnden Rohstoffstücke zweckmäßigerweise vor Inkontaktbringen mit der Flüssigkeit mechanisch vorbehandelt, insbesondere zerkleinert, zerschreddert, aufgeraut und/oder in anderer Weise deformiert werden, um die Kontaktflächen zur Flüssigkeit zu vergrößern.
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Insbesondere bei Vorliegen von zusätzlichen organischen Beschichtungen können die Rohstoffstücke auch nacheinander mit mehreren verschiedenen Flüssigkeiten in Kontakt gebracht werden, um die verschiedenen Beschichtungen abzulösen. Beispielsweise kann zunächst eine Behandlung mit einem Abbeizmittel erfolgen, um eine organische Beschichtung zu entfernen, bevor die Kontaktierung mit der Schwefelsäure erfolgt, die für die Entzinkung sorgt. Je nach Reaktionsführung ist es aber auch möglich, die organische Beschichtung im Zuge der Schwefelsäurebehandlung mit zu entfernen.
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Es ist zweckmäßig, das Verfahren soweit wie möglich automatisiert ablaufen zu lassen. Dabei können die Rohstoffstücke am Sensor des Spektrometers vorbeigeführt werden, ebenso ist es jedoch möglich, umgekehrt den Sensor an den Rohstoffstücken vorbeizuführen. Vorzugsweise werden nicht lediglich, wie im Stand der Technik, Stichproben genommen, vielmehr sollte eine Analyse der Zusammensetzung zumindest eines Großteils der Rohstoffstücke und idealerweise jedes einzelnen Stücks durchgeführt werden, so dass selbst bei Vermischung von Fraktionen unterschiedlicher Herkunft eine genaue Sortierung erfolgen kann. Auch die Bestimmung der Masse kann bevorzugt hinsichtlich jedes einzelnen Rohstoffstücks erfolgen, wobei auch dann zufrieden stellende Ergebnisse erhalten werden, wenn die Masse mehrerer Rohstoffstücke zusammen gemessen wird. In diesem Fall kann die Ermittlung der Masse auch vor dem Vereinzelungsschritt durchgeführt werden.
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Die Bestimmung der Masse der Rohstoffstücke kann über einen Wagevorgang erfolgen, alternativ sind jedoch auch andere Methoden denkbar. Beispielsweise ist es möglich, über die Bestimmung der Zusammensetzung der Rohstoffstücke indirekt die Dichte zu ermitteln. Parallel dazu kann über ein 3D-Scanning-Verfahren oder eine andere vergleichbare Methode die räumliche Struktur des Rohstoffstücks und damit das Volumen bestimmt werden. Auf Basis dieser Informationen ist dann die Masse zu errechnen.
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Ausführungsbeispiel
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Zu Testläufen zum Assortieren wurden als Rohstoff etwa 1.250 Stücke Schredderschrott einer industriellen Großschredderanlage verwendet. Zum Vergleich wurde der Schredderschrott einem herkömmlichen Sortierverfahren und dem erfindungsgemäßen Assortierverfahren unterzogen, wobei die Sortierung und die Assortierung nach fünf Schrottspezifikationen für die Erzeugung von Sphäroguss erfolgten. Bei der herkömmlichen Sortierung wurde jedes Schrottstück für sich betrachtet (ohne Berücksichtigung der zum jeweiligen Zeitpunkt vorliegenden Zielfraktion), nicht der Spezifikation entsprechende Schrottstücke wurden aussortiert. In der folgenden Tabelle wird der Anteil an gemäß den Spezifikationen für den Verwendungszweck wiederverwertbarem Schredderschrott prozentual wiedergegeben:
| Schredderschrottspezifikation | Sortieren % | Assortieren gemäß Erfindung % |
| 1 | 54,6 | 97,4 |
| 2 | 49,5 | 85,2 |
| 3 | 30,5 | 76,8 |
| 4 | 21,9 | 62,0 |
| 5 | 14,0 | 47,2 |
| Durchschnitt | 34,1 | 73,7 |
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Man erkennt unmittelbar, dass im Schnitt der Anteil an wiederverwertbarem Rohstoff 2,2 mal so hoch ist wie bei herkömmlichen Sortierverfahren. Bei im Hinblick auf die Spezifikation günstig zusammengesetzter Schredderschrottfraktion (Spezifikation 1) kann eine nahezu vollständige Wiederverwertung erreicht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2010/139032 A2 [0009]
- DE 4302283 A1 [0009]
- US 6795179 B2 [0009]
- DE 10029951 A1 [0025]
- WO 2011/038746 A1 [0040]
- WO 2010/034465 A1 [0040]
- EP 0996774 B1 [0041]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Übersichtsartikel von W. R. Scott, G. Roth, ACM Computing Surveys, Vol. 35, 2003, S. 64–96 ”View Planning for Automated Three-Dimensional Object Reconstruction and Inspection” [0034]
- Ullmanns Enzyklopädie Technische Chemie, 4. Aufl., Band 24, S. 602 ff. [0040]