The effect of compaction and thermal treatment in the recovery of coated aluminium scrap through FTIR off-gas analysis and remelting in molten heel

Abstract

Økt fokus på global oppvarming har medført at alle teknologiske sektorer ser etter løsninger på problemer tilknyttet energibruk og utslipp. Aluminiumsektoren har de siste tiårene opplevd en økt primærproduksjon noe som også fører til økte mengder med avfall, for eksempel fra brukt matemballasje. Denne typen emballasje er ofte lakkert og kan derfor trenge varmebehandling før den smeltes for å fjerne urenheter. Forbrenning av lakk kan føre til økt oksidasjon av metallet under, samt utslipp av miljøfiendtlig gass. Oksidasjonen kan også resultere i økt metall-tap ved omsmeltning da aluminiumsoksider ikke kan gjenvinnes, men fører til store mengder generert slagg.

Denne masteroppgaven har undersøkt kombinasjonen av kompaktering og varmebehandling for best mulig aluminiumresirkulering. En 600 μm tykk og lakkert 8111-legering av aluminium ble kuttet opp i små flak og like store mengder av materialet ble deretter presset til briketter med uniaksialt trykk (100 kN) eller presset med uniaksialt trykk (100 kN) og torsjon (MPT). En tilsvarende mengde materiale forble også som flak. Halvparten av materialet ble varmebehandlet i en lukket ovn med FTIR avgassmåling. Ovnen var fylt av en nitrogenatmosfære med 5 % oksygen. Oppvarmingshastigheten var satt til 350 °C/t og slutt-temperaturen 550 °C. Materialet ble holdt ved 550 °C i 30 minutter. Både varmebehandlede og ikke varmebehandlede prøver ble smeltet i flytende aluminium under en argonatmosfære og slagg ble fjernet før støpning. En serie med omsmelting av rene legeringsflak ble også gjennomført. Det ble gjennomført TGA- og DSC-analyse av lakkert materiale og et pyrolysekondensat ble analysert med GC/MS.

Forsøkene med FTIR ga høyere integrerte og maksimale avgassverdier for løst lakkert materiale enn for presset, og de uniaksiale brikettene ga mer gass enn MPT brikettene. Det målte vekttapet etter varmebehandling var også større for løst materiale enn for briketter. I forsøkene for briketter ble det konsumert mindre oksygen, noe som kan tyde på lavere forbrenning og et større potensiale for oksidasjon. Varmebehandlingen hadde ingen påvirkning på genererte mengder slagg, men MPT brikettene frembrakte mer slagg enn de andre lakkerte materialene. Det ulakkerte løse materialet frembrakte minst slagg. DSC analysen indikerte en endoterm og en eksoterm reaksjon, og TGA analysen viste at høyere vekttap var mulig enn det som ble oppnådd ved FTIR varmebehandling. Pyrolysekondensatet besto av ulike komplekse organiske forbindelser. Dessverre ble et par planlagte forsøk ikke gjennomført på grunn av reparasjon på FTIR apparatet. Likevel tyder resultatene på at løst eller løst presset materiale gir best resultater for økte avgassmengder og mindre slagg, men varmebehandling minsket ikke mengden slagg.

With increasing focus on global warming, all technological fields need to rethink their current situation and find solutions to energy consumption and emission problems. As for the aluminium industry, increasing primary production leads to proportional end-of-life waste generation, which requires proper recycling. Varied types of aluminium scrap demand different treatments. Regarding coated packaging post-consumer products, thermal treatment for decoating and compaction for reduced metal oxidation can be applicable. However, burning the coating can increase oxidation and lead to environmentally unfriendly off-gassing. Oxidation can lead to metal loss and dross formation.

This master thesis has explored the combination of compaction and thermal treatment for optimised aluminium recycling. A coated aluminium 8111-alloy of thickness 600 μm was shredded into chips, and equal parts of the resulting material were compacted with uniaxial pressure (100 kN), compacted with uniaxial pressure (100 kN) and torque (MPT), or kept as chips. Half of the material was thermally treated in a closed furnace with FTIR off-gas analysis with a heating rate of 350 °C/h and a target temperature of 550 °C. A nitrogen atmosphere with 5 % oxygen was used. Thermally treated and not thermally treated samples were remelted in a molten aluminium heel in an argon atmosphere. The samples were de-drossed before casting. One series with remelting of uncoated alloy chips was also conducted. Coated material was analysed with TGA and DSC, and a pyrolysis condensate was analysed with GC/MS.

The FTIR trials found increased off-gassing from the coated chips compared to the briquettes in terms of integrated and maximum values. The uniaxial briquettes had a higher off-gassing compared to the MPTs. The calculated mass loss during thermal treatment was largest for chips, corresponding to the higher off-gassing. Less oxygen was consumed during the treatment of briquettes, suggesting less combustion and possible increased oxidation. Thermal treatment did not impact dross amounts, but the MPT briquettes generated more dross than the uniaxial briquettes and the chips. Remelting of uncoated chips resulted in the least dross. DSC analysis indicated one endothermic and one exothermic peak, and the pyrolysis condensate was found to consist of various organic compounds. The mass loss from FTIR thermal treatment was lower than that from TGA analysis. Unfortunately, some planned trials were not completed due to repairs on the FTIR equipment. Nevertheless, the obtained results show the most off-gassing and least dross formation for loose or loosely compacted material, but thermal pretreatment did not influence the dross generation.