Metal Dünyası

Şarj Reçetesi ve Hurda Hazırlama

Giriş
İkincil alüminyum tesislerinde ve alüminyum dökümhanelerinde temel hedefler:

• Maksimum metal verimi ile üretim yapmak,
• Minimum birincil külçe ya da daha pahalı, yüksek kaliteli hurda kullanmak, başka bir deyişle düşük kaliteli hurdadan, yüksek kaliteli ürün üretmek,
• Minimum enerji tüketimi ile çalışmak (özellikle ergitme operasyonunda),
• Minimum karbon ya da eşdeğeri gaz salınımı,
• Alüminyum ile birlikte, hurdalardan maksimum oranda alaşım elementlerinin de ikincil malzemeye transferini sağlamak, yani alaşım elementlerinden tasarruf etmek şeklinde özetlenebilir.

Bu amaçlara ulaşabilmek için ise aşağıdaki araçlar ve yöntemler kullanılmalıdır:

• Üretilmesi planlanan hedef ürünün kimyasal bileşimine ve özelliklerine uygun şarj reçetesi hazırlamak,
• Hurda hazırlama ve zenginleştirme işlemleri,
• Ergitme teknolojisinin doğru seçimi ve kullanılması,
• Alüminyum rafinasyon teknolojilerinin ve bu amaçla kullanılan kimyasalların doğru seçimi ve uygulanması,
• Üretim operasyonlarının doğruluğu ve kalitesi.

Şarj Reçetesi ve Hurda Hazırlama
Geridönüşüm proseslerinde ideal yapı, “kapalı döngü geridönüşüm” koşullarını sağlamaktadır. Yani kullanım ömrünü doldurmuş hurdadan, orijinal ürünü yeniden üretmek, hem teknik hem de ekonomik açıdan en uygun yöntemdir. Örneğin alüminyum içecek kutusu hurdasından, tekrar alüminyum içecek kutusu üretmek. Ancak pratikte sistem genellikle “açık döngü çalışır”, yani farklı hurdalardan farklı ürünler üretilir.

Açık döngü çalışma koşulları, doğal olarak birçok zorluk yaratır:

• 450’den fazla alüminyum alaşımı hemen hemen her sektörde kullanılmaktadır ve bunun doğal sonucu olarak, hurda çeşitliliği oldukça geniştir,
• Bu hurda çeşitliliği sadece kimyasal kompozisyon olarak değil, beraber oldukları diğer metal ya da metal-dışı malzemelerin varlığından dolayı da ilave sorunlar yaratır (boya, lak, serbest demir gibi).
• Özellikle Türkiye gibi hurda hazırlama sektörünün oluşmadığı ya da kısmen oluştuğu ülkelerde, hurda hazırlama ve zenginleştirme proseslerini de ikincil tesis yapmak durumunda kalmaktadır. Hurda hazırlama ve zenginleştirme proses yatırımları pahalı yatırımlardır ve bu nedenle çoğu ikincil tesisi daha çok geçici çözümlere gitmeye tercih etmektedir (el ile ayıklama ya da döner fırın gibi). 

Açık döngü geridönüşüm koşullarında en azından işlem alaşımı hurdasından işlem alaşımı, döküm alaşımı hurdasında döküm alaşımı üretmek, hem proses maliyeti hem de tekniği açısından dikkate alınması gereken bir konudur. 

Bu noktadan hareketle, uygun şarj reçetelerinin hazırlanması önem taşır. Doğru şarj reçetesi hazırlayabilmenin ön-koşulu ya da başka bir deyişle standart olmayan hammaddenin standart hale getirilmesidir (hurda hazırlama işlemleri). 

Reçete doğru hazırlanmadığında, eldeki sıvı metali hedef kimyasal bileşime ulaştırmak için üç çözüm söz konusu olacaktır:

• Birincil malzeme ya da daha temiz (ve dolayısıyla pahalı) hurda kullanarak, analizi düzeltmek,
• Hedef alaşım yerine, eldeki bileşime uygun, daha düşük kalitede ve daha ucuz başka bir alaşım üretmek (downgrading),
• Eğer sorun Magnezyum dan kaynaklanıyorsa, magnezyumu okside ederek ergiyikten uzaklaştırmak.

Her üç çözüm de maliyeti arttıran ve zaman kaybına neden olarak, üretkenliği düşüren çözümlerdir. Örneğin, magnezyum alüminyumdan daha pahalıdır ve magnezyum giderme işlemi ile magnezyumu üretimi için harcanan hammadde ve enerji heba edilecektir (Pidgeon prosesi ile 1 ton magnezyum üretmek için yaklaşık olarak 10-12 ton dolomit, 1.1-1.3 ton ferrosilis, 300-3500 kWh elektrik enerjisi ve 200-2000 Nm3 doğal gaz harcanır).

Alüminyum Hurdaların Sınıflandırılması
Yaşam döngüsü analizi esasında bakıldığında ikincil hammaddeleri 4 gruba ayırmak mümkündür:

• Eski hurda, kullanım ömrünü doldurmuş ya da işlevini kaybetmiş alüminyum ürünler,
• Yeni hurda, özellikle alüminyum prosesleri sırasında oluşan, hurda ve artıklar,
• İkincil külçeler,
• Curuf.

Alüminyum Hurdalar
Alüminyum hurdalar genellikle 3 çeşit kirlilik içerir:

1. Metalik kirlilikler:

• Hedef ürün alaşımını bozar,
• Metal verimini düşürür
  •      Alüminyum diğer metaller içim mükemmel bir çözücüdür!
  •      Metalik oksitler alüminyum ile tepkimeye girerler: Al + 3MO →Al₂O₃ + 3M_Al
  •     Reaksiyon sırasında oluşan ısı, alüminyumun oksidasyonunu arttırır ve termit reaksiyon başlatır.

2. Organik Kirlilikler

• Ergime sırasında kontrol edilemeyen yanmaya neden olur, fırın içinde lokal olarak sıcaklık artar ve oksidasyon başlar.
• Hidrokarbon içeren organikler –özellikle döner fırın operasyonlarında- yakıt olarak değerlendirilebilir,
• Al₄C₃ oluşumuna neden olur.

3. Toz, toprak, pas gibi metal-dışı Kirlilikler
 

• Özellikle Si ve Fe ergime sırasında okside olarak, metali kirletir,
• Kontrollü curuf oluşumunu engeller.

Ticari sınıflandırmada ise, genellikle Amerika kaynaklı ISRI (International Scrap Institute) kodları kullanılır. ISRI, 50’den fazla alüminyum hurda çeşidi tanımlamıştır ve periyodik olarak listesini güncellemektedir. ISRI kodlarına göre en sık kullanılan hurda tipleri Şekil 4’te görülebilir.

Bununla birlikte ergitme prosesi açısından bakıldığında, ikincil hammaddeleri içerdikleri uçucu organik maddeler (Volatile Organic Compounds, VOC) esasına göre de tasnif etmek mümkündür: Bakınız: Şekil 5

Hurda Hazırlama İşlemleri
Ana esasları itibari ile, birincil ve ikincil metal üretim (ekstraksiyon) benzer rota izlenir. Burada hurda hazırlama işlemi, “cevher hazırlama ve zenginleştirme” işlemine karşılık gelmektedir.

Optimum ikincil kaynak kullanımı da en az geridönüşüm kadar değerlidir.
Hurda hazırlama ile;

• Doğru bir reçete ile hedef alaşım kimyasal bileşimini yakalamak mümkün olur,
• Ergitme verimi artar,
• Ardından gelen işlemler için gerek duyulur (ısıl boya/lak giderme, kurutma ve ince kesitli hurda şarjı)
•  Taşıma ve trafik kolaylaşır,
• Patlayıcı özelliği taşıyan yabancı maddeler uzaklaştırılır:
  •      Yağlar,
  •      Nitrat ve süifat gibi atıklar ve diğer oksitleyici maddeler,
  •      Su ve diğer uçucu sıvılar,
  •      Flaks artıkları,
  •      Şişeler, basınçlı kaplar ve diğer patlayıcılar.
  •      Radyoaktif atıklar, poliklorürbifenil gibi tehlikeli kimyasallar ve selenyum, kadmiyum, kurşun, civa, arsenik, berilyum ve antimuan gibi tehlikeli elementler uzaklaştırılır.

Hurda kalitesi arttıkça proses verimi artar! 
Hurda hazırlama işlemlerini iki bölümde incelemek mümkündür:

Yığın Ayırma (Bulk Separations)

Hurdanın yoğunluk, şekil, manyetik davranışı, elektrik iletkenliği gibi fiziksel özelliklerine bağlı olarak ve parça boyutunda ayrımına dayanır. Bu nedenle hurda hazırlama işlemlerinde ilk adım kırma ve parçalama (shredding) işlemleridir.

• Su ya da diğer akışkan bir ortam içinde, yoğunluk farkına dayanan batırma-yüzdürme yöntemi (sink-float),
• Yoğunluğu farklı malzemelerin, düşey hareketli akışkan bir ortam içinde tabakalar halinde ayrılması, jig,
• Yüksek en/boy oranına sahip ve düşük yoğunluklu parçaların hava ortamında ayrılması,
• İnce parça ve tozların elek, siklon ve torbalı filtrelerle ayrılması,
• Ferro manyetik parçaların (demir, çelik, pas) manyetik ayırıcılarla ayrılması,
• Eddy-current akumı ile iletken parçaların farklı iletkenlik/yoğunlıuk oranına bağlı olarak ayrılması. 
   

Yığın tipi ayırma teknikleri, hafif metallerin parçalanmış karışık hurdalardan ayrılması için kullanılan, ekstraktif metalurji uygulamalarında uzun yıllardır bilinen ve yatırım değeri nisbeten düşük tekniklerdir.
 

 Parça Ayırma (Particle Sorting) İnsan gücüne dayalı elle ayırma bir çok işletmede hala kullanılan bir yöntemdir. Özellikle ZORBA (parçalanmış, karışık demir-dışı metaller) ve TWITCH (flotasyonla fraksiyonlara ayrılmış işlem ve döküm alaşımları karışık otomotiv hurdaları) için elle ayırma, özellikle Çin’de tercih edilir.

Parçalanmış karışık hurdalar, parça şekline, ağırlığına, rengine ve yüzeylerindeki boya ve kaplamaya göre ayrılır. İşçiler parçaları levha, profil, döküm, tel ve radyatör gibi ana gruplara dağıtırlar. 

Özellikle Amerika ve Avrupa’da sensör esaslı ayırıcılar, elle ayırma yöntemine tercih edilir. Eddy-current, renge göre ayırma ve XRT teknolojileri ile parçalanmış hurdanın içerdiği metal-dışı kirlilikler uzaklaştırılır, manyetik olmayan diğer metaller ayrılır ve alüminyum hurda ana gruplara göre sınıflandırılır. 

Bir ileri aşamada ise XRT ve LIBS teknolojileri ile büyük oranda alaşım gruplarına göre ayrım mümkün olmaktadır. LIBS ile Si da dahil hafif metaller ve XRT ile ise yüksek atom ağırlığına sahip elementler yığın içinden kazanılabilir.

LIBS: Laser-Induced Breakdown Spectroscopy XRF: X-Ray Fluorescence  XRT: X-Ray Tranmission  PGNAA: Prompt Gamma Neutron Activation Analysis

LIBS teknolojisi ile alaşım bazında ayırım, ciddi oranda münkün olmaktadır.

Kaynaklar:

1. Erman Car, Alüminyum Üretim Teknolojileri, TMMOB Metalurji Mühendisleri Odası, Yayın No:2, 2011
 

2. Gabrielle G. Gaustad, Towards sustainable material usage: Time-Dependent Evaluation Of Upgrading Technologies For Recycling, Massachusetts Institute Of Technology June 2009
 

3. The Aluminium Automotive Manual, European Aluminium Association, 2002
 

4. Franz Niedermair, Guenther Wimroither, Latest Trends in Post Consumer and Light Gauge Scrap Processing to Include Problematic Processing Material such as UBC, Edge Trimmings and Loose Swarf, Light Metals 2011, Edited by Stephen J. Lindsay, TMS 2011
 

5. Roadmap from Europe and North America: Workshop on Aluminium Recycling, June 2010, NTNU
 

6. 6. A.J. Gesing, M.A. Gesing, T. Erdmann, Advanced Industrial Technologies for Aluminium Scrap Sorting, Aluminium-21/Recycling, St.Petersburg, October 12-14, 2010.