Aluminium dat wordt gebruikt voor de productie van tal van voorwerpen is steeds vaker afkomstig van gerecycled aluminium producten. De toename van het beschikbare gerecyclede metaal vormt een gunstige trend, omdat de productie van secundair aluminium uit gerecycled metaal ongeveer 2,8 kWh/kg vergt, tegen 45 kWh/kg voor de fabricage van primair aluminium.
A.J. Schornagel
Aard van gerecycled metaal
Representatieve samenstellingen van schroot dat bestaat uit monsters gesorteerd op kneed- en gietlegeringen alsmede een mengsel van beide, zijn vermeld in tabel 1. Deze representatieve samenstellingen geven een beeld van de fundamentele complicaties die optreden bij het direct hergebruiken van aluminium schroot:
Zelfs gescheiden kneedschroot kan sterk uiteenlopende samenstellingen vertonen. De partijen 3 en 4 in tabel 1 bijvoorbeeld bevatten hoge kopergehaltes als gevolg van meer legeringen uit de 2xxx reeks en hoge zinkgehaltes als gevolg van meer legeringen uit de 7xxx reeks, dan het geval is bij de partijen 1 en 2. Het lijkt erop dat legeringen voor autobumpers, zoals 7029, en voor carrosserieplaat, zoals 2036, oververtegenwoordigd waren in de partijen 3 en 4.
Sommige partijen gerecycled kneedmetaal (partijen 1 en 2) komen redelijk overeen met bestaande kneedlegeringen, bijvoorbeeld 3005 en 3104, 3105 en 6061 en die kunnen vrij makkelijk worden hergebruikt. Anderen, zoals de partijen 3 en 4 zijn moeilijker direct te hergebruiken.
Schroot afkomstig van gietlegeringen kan aanzienlijk variëren in samenstelling. Gietschroot kan sterk in samenstelling variëren. Bovendien verschilt gietschroot sterk van kneedschroot, met name in het totale legeringsgehalte, hoger siliciumgehalte en , afhankelijk van het type legering, hoger kopergehalte (afkomstig van 380.0 en 390.0) en zink (afkomstig van 7xx.0 legeringen).
Samenstellingen die het gevolg zijn van mengsels van kneed- en gietschroot zullen moeilijker direct zijn te gebruiken wegens hun combinaties van hoger silicium-, koper- en zinkgehalte.
Met uitzondering van gerecyclede drankblikjes, gaat het bij het merendeel van het gerecyclede aluminium om een mengsel van legeringen afkomstig van een breed scala aan toepassingen, waaronder gietlegeringen met een hoog percentage silicium. Hoewel er zich in het algemeen geen problemen voordoen bij het recyclen van het merendeel van dit metaal in de vorm van gietstukken, is er wel sprake van een moeilijke opgave bij het verkleinen, sorteren en, in sommige gevallen, verder zuiveren van het metaal teneinde aanvaardbare zuiverheidsniveaus te verkrijgen voor producten anders dan gietstukken, waaronder dunne en dikke plaat, smeedstukken en extrusiewerk.Dit is zeker waar voor de speciale legeringen die vandaag de dag worden geproduceerd, zoals die welke in de ruimtevaart worden gebruikt waar eisen met betrekking tot buitengewoon hoge taaiheid en sterkte heel gewoon zijn. Zulke prestatie eisen vragen om zeer nauwe beheersing van zowel het ijzer- als het siliciumgehalte. Onzuiverheidsniveaus boven 0,15% Fe of 0,25% Si zijn onaanvaardbaar voor ruimtevaart legeringen zoals 7050, 7055 en 7475.
Evenzo geldt er voor hoogwaardige legeringen voor de automobielindustrie (bijvoorbeeld 5457 en 6111) dat het ijzer- en siliciumgehalte maximaal 0,40% mag bedragen. Beide elementen (ijzer en silicium) zijn moeilijk onder controle te houden bij gerecycled metaal en hebben de neiging om zachtjes aan toe te nemen naar mate het metaal vaker wordt gerecycled. Vooral ijzer kan veel last geven wegens zijn neiging om geleidelijk toe te nemen in metaal dat keer op keer wordt gerecycled, primair als gevolg van opname uit de machinerie die wordt gebruikt voor de schrootverwerking. IJzer is een ideale kandidaat voor toepassing in alternatieve producten, waarvan het gebruik van hoog ijzerhoudend aluminium als een desoxidatiemiddel in de staalproductie. Er zij opgemerkt dat andere elementen dan ijzer, bijvoorbeeld magnesium, nikkel en vanadium, ook kunnen toenemen bij het herhaaldelijk recyclen en dat ze speciale aandacht vereisen.
Schroot van gietlegeringen
Gerecycled metaal afkomstig van gietstukken kan vaak direct worden gebruikt voor nieuw te gieten producten, doorgaans gaat het dan om legeringen uit de reeksen 3xx.0 en 4xx.0, omdat hun verontreinigingengrenzen relatief hoog zijn en ze bijna allemaal relatief veel silicium bevatten hetgeen hun vloeibaarheid in de gietvorm verbetert. Tabel 2 geeft voorbeelden van gietlegeringen waarvoor schroot kan worden gebruikt. Zelfs deze betrekkelijk tolerante grenzen vormen een lastige opgave voor direct hergebruik. Met uitzondering van 336.0, waarvoor geen "overigen" grens bestaat, zijn de gehalten aan "overigen" zoals die in schrootmonsters worden aangetroffen hoger dan wenselijk. In de 4xx.x reeks vormt de nauwe grens van het magnesiumgehalte een probleem. Niettemin bezitten gietlegeringen over de gehele linie hogere onzuiverheidsgrenzen dan kneedlegeringen en zijn ze beter geschikt voor direct recyclen.
Schroot van kneedlegeringen
De huidige mogelijkheden alsmede de uitdaging van het hergebruik van gerecycled schroot van kneedlegeringen zonder het aan te zuiveren met primair metaal zijn veel groter. Dit kan worden geïllustreerd door de samenstellingen uit tabel 2 te vergelijken met die van verscheidene commerciële kneedlegeringen die worden beschouwd als goede schrootgebruikers (tabel 3). Zoals al eerder is aangeduid kan materiaal afkomstig uit partijen 1 en 2 worden gebruikt in legeringen als 3105 en 6061. Zelfs bij deze legeringen kan het maximum gehalte "overigen" een probleem vormen, omdat die waarde voor kneed 1 iets hoger is dan de grenswaarde. Schroot uit partijen 3 en 4 kan niet rechtstreeks worden gebruikt zonder flexibele onzuiverheidsgrenzen. Metaal uit de gietpartijen kan om dezelfde reden evenmin rechtstreeks worden gebruikt voor deze kneedlegeringen. Er moet nog een bijkomend probleem met verontreinigende elementen worden onderkend en dat is de algemene trend van het stijgen van het ijzergehalte in schroot dat keer op keer wordt hergebruikt. Met slechts enkele uitzonderingen is ijzer vandaag de dag een verontreiniging en is het een ideale kandidaat voor toepassing in alternatieve producten (bijvoorbeeld desoxidatiemiddel bij de productie van staal). Maximalisering van dit vermogen komt ten goede aan zowel de aluminium- als de staalindustrie. Een andere mogelijke benadering van het toenemende ijzergehalte is gebruik maken van de affiniteit van zirconium voor ijzer, hetgeen resulteert in zware deeltjes die naar de bodem van de smeltpotten zinken tijdens verwerking.
Legeringen ontworpen voor recyclen
Het zou plezierig zijn als het aantal legeringen dat zonder een extra zuiveringsstap kan worden gerecycled tot hoogwaardige producten. Dit is sterke mate het geval met drankblikjes, indien het schroot niet wordt gemengd met enig ander materiaal. Een dergelijke benadering vraagt om op maat gemaakte legeringen. Het doel van het identificeren van recyclevriendelijke aluminium-legeringssamenstellingen is het vergroten van de mogelijkheid van het direct of met slechts een minimum aan aanpassingen hergebruik van verschrotte aluminium producten. Zo'n benadering vereist samenstellingen met betrekkelijk brede specificatiegrenzen voor de hoofd-legeringselementen, zoals koper en magnesium, plus wat tolerantere (lees: hogere) grenswaarden voor ijzer, silicium en andere onzuiverheden, zonder significante restricties aan de prestatiekarakteristieken voor veel toepassingen. Volledige ontwikkeling van deze benadering vereist verscheidene belangrijke stappen, die evenzo vele fazen vormen in een ontwikkelingsprogramma. Deze fazen kunnen het volgende omvatten:
Identificatie met toenemende nauwkeurigheid van het gebied van de verwachte huidige en toekomstige hoeveelheden schroot, waarbij gebruik kan worden gemaakt van gegevens van organisaties die al op dit terrein ervaring hebben verzameld.
Identificatie van om en nabij vijf tot zeven mogelijke samenstellingen van legeringen die gerecycled metaal direct kunnen opnemen en die beschikken over aanvaardbare/wenselijke prestatiekarakteristieken voor een breed toepassingsgebied, waaronder constructie elementen voor bruggen en gebouwen, toepassingen bij hoge temperatuur en gebruik in de architectuur.
Evalueer de prestaties van deze kandidaat legeringen in representatieve productieaantallen, naast de gebruikelijke treksterkte en ontwerpeigenschappen in het bijzonder de volgende eigenschappen om na te gaan of ze voldoen aan de eisen zoals die ook worden gesteld aan bestaande legeringen:
Weerstand tegen atmosferische corrosie
Scheurgroei als gevolg van spanningscorrosie
Sterkte aan de hand van scheurproeven en/of breuksterkteproeven (voor dikwandige secties)
Vervormbaarheidsproeven
Er zullen zeker nadelige effecten optreden, de vraag is echter in hoeverre die in de weg staan voor hun bruikbaarheid in hoog-volume toepassingen.
Ontwikkeling van recyclevriendelijke samenstellingen
Gebaseerd op wat er bekend is over gerecycled aluminium, kunnen er voorlopige kandidaten voor recyclevriendelijke legeringen worden beschouwd. Hierbij wordt voornamelijk aandacht besteed aan kneedlegeringen, omdat gietlegeringen al kunnen worden geproduceerd in tamelijk grote hoeveelheden van gerecyclede gietproducten. De grootste opgave is direct gebruik van gerecyclede kneedproducten. Doel is te komen tot vaststelling van legeringsspecificaties waaraan makkelijk kan worden voldaan bij gebruik van gerecycled aluminium zonder toevoeging van primair metaal. Beoogde toepassingen voor deze nieuwe recyclevriendelijke aluminiumlegringen omvatten veel van die waarvoor ook al bestaande tegenhangers voor worden gebruikt. Voorbeelden kunnen zijn:
3xxx: pijpen voor warmtewisselaars en voor chemische doeleinden
4xxx: gesmede of gegoten machine onderdelen
5xxx: plaat voor vaten, behuizing onderdelen
6xxx: geëxtrudeerde constructie onderdelen
Hoewel er aan geschikte prestatie eisen bij het hogere onzuiverheidsniveau mogelijk niet geheel zal worden voldaan, stellen stappen in die richting de aluminiumindustrie in staat om de recycledoelstelling te maximaliseren.
Kandidaat samenstellingen voor recyclevriendelijke legeringen
Bij het ontwikkelen van kandidaat samenstellingen wordt gebruik gemaakt van de volgende basisrichtlijnen:
Voor hoofdlegeringselementen in een bepaalde reeks (bijvoorbeeld koper in de 2xxx reeks, silicium en magnesium in de 6xxx reeks, enzovoort) gelden betrekkelijk brede specificatiegrenzen. Kies legeringselementen die gewoonlijk worden gebruikt in legeringen van de diverse reeksen, bijvoorbeeld 2024 of 2219 uit de 2xxx reeks, of 7005 uit de 7xxx reeks.
Stem de grenswaarden voor elementen die doorgaans niet met opzet worden toegevoegd of voor onwenselijke onzuiverheden (bijvoorbeeld ijzer, nikkel en vanadium) af op wat er typisch in gerecycled metaal wordt aangetroffen.
Tabel 4 toont zes voorlopige kandidaat samenstellingen voor kneedlegeringen die in enige redelijkheid kunnen worden gemaakt van gerecycled en gesorteerd schroot kneedproducten met minimale toevoeging van enkele legeringselementen. In deze lijst is telkens een samenstelling gekozen uit elke legeringsreeks. Andere kandidaten kunnen worden samengesteld door aanpassingen in de hoofd-legeringselementen en/of toevoeging van andere neven-legeringselementen. Dit zijn slechts voorlopige kandidaten en er kunnen nog aanzienlijke veranderingen gaan optreden in hun samenstelling. Een en ander kan ook aanleiding zijn om de aandacht te richten op verschillende kandidaten uit specifieke reeksen die maximale overeenkomst vertonen met het binnenkomende metaal (de reeksen 3xxx, 5xxx en 6xxx representeren de grootste volumes gerecycled metaal).
De toepassingsdoelstellingen voor deze kandidaat samenstellingen zijn vrijwel dezelfde als die voor hun bestaande tegenhangers met nauwere grenswaarden, waarbij rekening wordt gehouden dat ze waarschijnlijk minder geschikt zullen zijn voor meer breuk-kritische objecten. De mogelijkheid bestaat echter dat ze naar volle tevredenheid zullen presteren in toepassingen zoals leidingen in chemische installaties (A-2xxx), pijpen voor warmtewisselaars (B-3xxx), gesmede of gegoten machine onderdelen (C-4xxx), gewalste en geëxtrudeerde constructie onderdelen (D-5xxx en E-6xxx) en zelfs voor niet-kritische vliegtuig onderdelen (F-7xxx).
Eenheidslegeringen
Een andere benadering die kan worden overwogen en die in het verleden ook grondig is bestudeerd, is het ontwikkelen van een of twee "eenheidslegeringen", dat wil zeggen legeringen die aan alle eisen voor een grootschalige toepassing voldoen, bijvoorbeeld verpakking van voedingswaren, automobiel onderdelen, of elementen in de architectuur. Het concept van eenheidslegeringen is het eerst ontwikkeld door Golden Aluminum in de late jaren 80 van de vorige eeuw en was gericht op legering AA5017 met 2% Mg en 0,7% Mn. Het concept was afgeleid uit het idee dat eenheidslegeringen een gemiddeld gewogen samenstelling had van drankblikjes legering AA3004 en drankblikjesbodem legering AA5182. Het idee heeft beperkte toepassing gekregen wegens economische en commerciële factoren. Bij de huidige stijgende prijzen van primair aluminium en zijn legeringselementen, zoals magnesium, mangaan en koper, gekoppeld aan de wens van de samenleving om te komen tot verhoging van het aantal gerecyclede producten, wordt het tijd om het idee van eenheidslegeringen te heroverwegen. Dit is echter moeilijk gebleken wegens de uiteenlopende prestatie eisen van de verschillende toepassingen. Zelfs bij autopanelen bijvoorbeeld, leiden de verschillende eisen ten aanzien van deukweerstand van de buitenpanelen en optimale vormgeving van de binnenpanelen tot het gebruik van twee verschillende legeringstypen (bijvoorbeeld 6111 voor buitenpanelen, dat is warmtebehandeld voor hoge deukweerstand en 5754 voor binnenpanelen, dat is zachtgegloeid voor maximale vervormbaarheid).
Slot
De grote ontwerpervaring waarover de aluminiumindustrie beschikt kan heel goed uitmonden in een sceptische houding ten aanzien van de kans van slagen en de schijnbaar achterwaartse gang van zaken bij het toestaan van hogere onzuiverheidsniveaus bij nieuwe legeringskandidaten. Er is inderdaad enige reden voor een sceptische houding, omdat het algemeen bekend is dat voor het optimaliseren van bijvoorbeeld de breuksterkte, er scherpe controle vereist is ten aanzien van de onzuiverheden, met name ijzer en silicium. Het is dus kennelijk verstandig om van te voren rekening te houden met het feit dat het misschien onmogelijk is om het stadium te bereiken waar gerecycled metaal in onbehandelde toestand wordt gebruikt voor aluminium producten, zoals breuk-kritische onderdelen als vliegtuigvleugels en dergelijke. De eisen met betrekking tot breuksterkte zijn eenvoudig te stringent om er zonder controle op onzuiverheden aan te kunnen voldoen.
Aluminiumlegeringen voor vliegtuigen nemen slechts ongeveer 8% van het totaal van de 14 tot 18 miljoen ton gelegeerd aluminium die jaarlijks wordt gebruikt voor hun rekening. De aanname van een recyclingvriendelijk legeringssysteem dat toepasbaar is voor de meeste andere toepassingen biedt dus een zeer groot economisch en ecologisch voordeel. Aan de prestatie eisen voor veel aluminium producten die in grote hoeveelheden worden geproduceerd, zoals voor de bouwwerken en wegenbouw en onderdelen voor de chemische industrie, kan heel goed worden voldaan door legeringen met een hoger niveau aan onzuiverheden dan nu het geval is. De meeste samenstellingsgrenzen zijn vastgesteld toen het merendeel van het productievolume bestond uit primaire legeringen en er geen noodzaak bestond voor het bepalen van hogere onzuiverheidsniveaus. De grenzen werden niet gedicteerd door prestatie eisen maar door inkomende metaalcomposities. Er moet rekening worden gehouden met het feit dat pogingen tot het verkrijgen van geschikte prestatie eisen bij hogere niveaus onzuiverheden geen succes zullen hebben. Daar staat echter tegenover dat elke stap in die richting de aluminium industrie in staat zal stellen om de mogelijkheden van recycleren te optimaliseren
Schrijf je hier in voor de wekelijkse Nieuwsbrief en blijf op de hoogte van alle niet te missen ontwikkelingen in de Aluminium Roestvast en Staal branche!
