Präzise Trennung Sensor-gestützte Sortierung von Quarz mithilfe von Multi-Channel-Laser-Erkennung

Einführung

Die von TOMRA patentierte Multi-Channel-Laser-Erkennung misst Reflexion, Absorption und Fluoreszenz mehrerer Laser unterschiedlicher Wellenlängen gleichzeitig und deckungsgleich am selben Punkt. Dadurch ist es möglich, die Strukturen unterschiedlicher Mineralien zu analysieren. Eine dieser Strukturanalysen hilft, z.B. hochreinen Quarz aus alluvialen Lagerstätten direkt zu erkennen.

Der hochreine Quarz zeichnet sich durch einen grob monokristallinen Aufbau des Steines aus. Da die Kristallstruktur des Quarzes transluzent ist, dringt das einfallende Laserlicht in den Stein ein und wird hierbei gestreut. Diese Streuung bringt den Stein scheinbar zum Leuchten. An den feinkristallinen und opaken Steinen wird das Licht hingegen nur reflektiert (Bild 1). Die TOMRA-Multi-Channel-Laser-Technik kann dieses unter Umständen auch nur geringe Leuchten, welches der Hinweis auf den erwähnten Strukturunterschied ist, messen und so eine sehr gute Unterscheidbarkeit der zu trennenden Materialien erzielen, unabhängig von deren Farbe.

Lasersortierung

Optische Laseranwendungen haben in den vergangenen rund 60 Jahren nach und nach Einzug in viele Technologien und Industrien gefunden. So hat die TOMRA-Gruppe die Lasertechnologie bereits seit 1997 im Portfolio der Lebensmittelsortiergeräte. Sie ist mit inzwischen mehr als 3000 installierten Lasersortierern eine weltweit etablierte und anerkannte Erkennungsmethode. Diese von TOMRA patentierte Sortiertechnologie wurde speziell an die besonderen Bedürfnisse des Bergbaus angepasst und weiterentwickelt.

Basis für den neuen Lasersortierer ist die kompakte PRO-Baureihe (Bild 2), die sich seit Jahren im Bergbau bewährt hat. Der Freifallsortierer ist mit zwei im 180°-Winkel zueinander angeordneten Multi-Channel-Laser-Systemen ausgerüstet, die es ermöglichen, das Material von zwei Seiten zu erkennen.

Die sogenannte doppelseitige Sensoranordnung macht es möglich, den größten Teil der Oberfläche eines jeden Steins zu erfassen und somit möglichst viele Informationen zur Beschaffenheit der Materialoberfläche zu bekommen. Dies ist bei der Sortierung von Materialien mit Kontaktzonen notwendig, da diese meist nur auf einer Seite des Steines erkennbar sind.

Anwendung

Ein Einsatzgebiet der Lasersortierung im Mineralienbereich ist beispielsweise die Gewinnung von qualitativ hochwertigem Quarz zur Herstellung von Silizium. Hierfür wird grobkörniger Quarz (SiO₂) benötigt, der in Schmelzöfen zu Silizium (Si) reduziert wird. Der Quarz muss neben einer Korngröße von 20–120 mm einen geringen Gehalt an Eisen, Aluminium und Titan aufweisen. Bisher wurden die geforderten Qualitäten in der Regel durch Handsortierung erzielt, seit ca. 15 Jahren vermehrt auch mithilfe von Farbsortiergeräten. Diese können dann zum Einsatz kommen, wenn eine Korrelation zwischen beispielsweise dem Eisengehalt und der Färbung des Quarzes besteht [1]. Diese Korrelation ist allerdings nicht immer gegeben. So weisen besonders Quarzkiesel aus sedimentären Lagerstätten die unterschiedlichsten Färbungen auf und lassen sich farblich nicht vom Nebengestein unterscheiden (Bilder 3 und 4).

Mit Röntgentransmission und Nahinfrarot haben sich in den letzten Jahren zusätzliche Erkennungsmethoden etabliert, die bestimmte Sortieraufgaben erledigen, welche zuvor nicht oder nur unzureichend durch Farbsortierung durchführbar waren [2]. Beide Techniken sind aber für die Sortierung von Quarzkieseln ungeeignet, da sie nicht in der Lage sind, die geringen Unterschiede in den Eisengehalten zu erkennen. Der für den Miningbereich neu entwickelte Multi-Channel-Laser-Sortierer bietet hier Anwendungsmöglichkeiten für eine Reihe bisher unlösbarer Sortieraufgaben.

Er kann Strukturunterschiede erkennen und so eine sehr gute Unterscheidbarkeit des Aufgabematerials unabhängig von dessen Farbe erzielen (Bilder 5 und 6).

Felderfahrung

Nach eingehenden Kundentests in dem auf Bergbau spezialisierten TOMRA-Testcenter in Wedel bei Hamburg ist der erste Lasersortierer für diese Sortieraufgabe im Oktober 2016 in einer Anlage in Spanien in Betrieb gegangen. Der Kunde baut im Tagebau Wandkies ab, welcher in der Mine vorgesiebt, zur Aufbereitungsanlage transportiert, intensiv gewaschen, klassiert und sortiert wird. Bisher wurde das Material mit einer Korngröße von 40–120 mm handsortiert. Dazu wurden im Durchschnitt 12 bis 16 Mitarbeiter benötigt.

Der im Oktober 2016 installierte Lasersortierer (Bild 2) sortiert die Fraktion des Korngrößenbereichs von 20 - 70 mm mit einer Leistung von 70 t/h. Die Grobfraktion + 70 mm wird weiterhin handsortiert, allerdings mit weniger Arbeitern.

Zusätzlich zu den verringerten Arbeitskosten und den Sicherheitsaspekten gibt es zwei weitere Vorteile:

1. Der Kunde sortiert zusätzlich die Fraktion 20–40 mm, wodurch sich die Gesamtausbeute des Werkes erhöht.

2. Er kann schlechtere Wandkiesqualitäten verarbeiten, die bisher von Hand nicht auf die geforderten Qualitäten sortiert werden konnten. Dies erhöht die Ausbeute, den Umsatz und die Lebenszeit der Mine.

Tabelle 1 zeigt die Analysen der Sortierergebnisse. Alle für die Siliziumherstellung benötigten Qualitäten werden erzielt.

Ausblick

Neben der Erkennung und Sortierung von hochwertigem Quarz zur Siliziumherstellung sind weitere Anwendungen mit der Multi-Channel-Laser-Technologie in der Entwicklungsphase oder bereits im Feld installiert. Hier sind unter anderem folgende Anwendungen zu nennen:

Detektion von goldhaltigen Mineralien mittels Erkennung der Kontaktzone von Quarz und dem Nebengestein

Sortierung von Steinsalz und Nebengestein bzw. dessen Verwachsungen

Abtrennung von Fluorit (Flussspat) aus Bergematerial

Trennung von lithiumhaltigen Mineralien und Nebengestein

Die doppelseitige Erkennung des Sortierers ermöglicht eine präzise Bewertung sowohl von reinem als auch von verwachsenem Material. So kann je nach Mineralwertigkeit der Schwerpunkt auf eine hohe Produktreinheit oder eine hohe Rückgewinnung gelegt werden.