高通量感測系統提供廢鋁精準分選
高通量感測系統提供廢鋁精準分選
瞭解 LIBS（雷射誘導擊穿光譜）技術如何在回收過程中提高高品質廢鋁的產量，是提升回收效益的關鍵。Austin AI 與 Ocean Applied（Ocean Insight 的一部分）合作，與英國一家大型回收商實現了這一目標。
鋁是地球上最豐富且環保的金屬，通常被稱為“綠色金屬”。鋁具有可持續性，可在不損失其固有特性的情況下被回收和重複利用。鋁回收是最有效的回收形式之一，與從原材料製造鋁相比，可節省高達95%的能源。
全球鋁需求持續增長，而原鋁生產量卻下降，回收鋁預計將幫助填補這一缺口。原鋁生產商正在生產含有大量回收鋁的新產品，這部分受以下因素的驅動：
1. 原鋁製造的高能耗；
2. 消費者對環保產品的需求；
3. 企業可持續發展目標。
在鋁回收過程中，廢鋁被分為不同等級、輕金屬和重金屬。初步分選完成後，輕金屬可以作為混合等級出售給鋁生產商，用於製造新合金或再加工。然而，分選越精確，廢鋁的價值越高。穩定供應高純度廢鋁意味著熔煉調整需求減少，生產出更環保的產品。
本文詳細說明了 Austin AI 利用 Ocean Applied 的 LIBS 感測器，與 H Ripley & Co, Ltd.（英國最大的廢金屬回收商之一）合作開發的一種快速且高效的分選系統的理由與實施過程。
問題
快速且具成本效益的鋁分選一直是廢料回收商的需求。H Ripley & Co 位於英國海爾舍姆，是一家經營超過100年的第五代家族企業。與大多數廢料場一樣，Ripley 處理鐵及非鐵廢料，但他們已經從事鋁粉碎業務超過30年。
商務總監 Jason Ripley 早就意識到，若有合適的分選工具，鋁可帶來更高的價值。由於缺乏快速高效的分選工具來進行分類，他們不得不出售包含多種高價值等級的混合鋁，而人工分選並不可行。他說：「這一需求一直存在，但以前沒有適合的技術來快速有效地分選鋁。」過去十年鋁需求的顯著增長進一步加強了這一需求。
H Ripley & Co 和其他廢料回收商一樣，使用手持式XRF（X射線熒光）技術，也了解在線X射線解決方案。雖然XRF對重金屬分選效果良好，但不適合鋁分選。Jason Ripley 經由一位客戶推薦，認識了總部位於美國德州奧斯汀的 Austin AI。該客戶是一家大型英國擠壓鋁錠與板錠生產商，成功應用 Austin AI 的解決方案，並建議 Ripley 深入了解。
感測器分選技術
Austin AI的首席執行官 Rick Comtois 是一位擁有元素分析經驗的專家，專注於在線感測器分選技術超過20年。他實施了多個基於核磁共振（NMR）和XRF技術的系統，但在2014年開始轉向研究LIBS技術，認為LIBS在輕元素分選方面無可匹敵，這是其他方法無法實現的。
Austin AI對輕元素分選解決方案的興趣促使他們與 Hydro Aluminum（hydro.com）合作，建造了一個專門用於從建築與拆除（C+D）材料中分離6063鋁合金的分選系統。此過程使 Hydro Aluminum 和其他二級冶煉廠能夠獲得可直接熔煉的“綠色材料”，從而顯著降低碳足跡。
圖1. Austin AI 的廢鋁分類系統整合了 Ocean Applied 的基於 LIBS 的 SpeedSorter，以更精確地分類最理想的鋁等級。
Austin AI 的 LIBS 分選系統（見圖1）具備以下優勢：
• 可靠、穩健的模組化設計，移動部件少；
• 靈活設置，提供1或6條分選通道；6通道設計允許內部更換LIBS模組以保持正常運行時間；
• 通道設計讓樣本直接掉落到 LIBS 雷射前方，無需根據樣本調整焦距；
• 適用於乾淨的生產廢料與後消費廢料，無需預處理；
• 世界最低的重量成本比；
• 與 Ocean Applied 的 SpeedSorter LIBS 感測器相容。
在線分選相比人工分選有明顯優勢，包括更高的速度、準確性、一致性和效率，還能降低人工成本，提高安全性，並提供優化鋁分選的有價值數據。
Rick Comtois 解釋了在線分選的投資回報：“我們的分選系統每小時處理4-5噸時，全面成本僅需幾美分每公斤，而這些成本遠低於每卡車高價熔煉準備廢料帶來的收益。”
LIBS 與 SpeedSorter
雷射誘導擊穿光譜（LIBS）是一種原子發射光譜技術，利用高度聚焦的高能量雷射脈衝將樣品表面的一小部分轉化為等離子體，導致原子和離子發射其特徵光譜線。對許多人來說，LIBS被認為是光學發射光譜（OES）的變體，只是使用雷射代替了電弧或火花源。LIBS 技術已經在實驗室和研究環境中使用了近五十年。
最近的技術進步使得像 Ocean Applied 推出的 SpeedSorter（圖2）這樣的在線LIBS感測器設計成為可能，並能應用於工業場景中。這一發展迅速推動了 LIBS 的使用，尤其是在鋁分選和分析等現場操作中。
圖2：SpeedSorter 利用 LIBS 技術在工業環境中快速分選非鐵廢金屬
LIBS 比手持式XRF更適合分析鋰（Li）、鋁（Al）、鎂（Mg）和鈹（Be）等輕元素，因此迅速在業界被接受為鋁廢料中特定合金分選的首選方法。
Ocean Applied 的 SpeedSorter 是一種工業級高通量感測系統，專為困難環境下的在線非鐵廢料分選設計。基於 LIBS 技術，SpeedSorter 能快速確定每個鋁廢料物件的化學成分，並將結果傳遞至 Austin AI 的分選系統。利用 SpeedSorter，可以輕鬆實現鍛鋁與鑄鋁的分離、鋁與鎂的區分，以及如6XXX系列合金等混合鋁廢料的等級分選。
SpeedSorter 可根據客戶的具體需求進行定制，考慮輸送帶能力、輸入材料尺寸以及所需的輸出和分流控制。
「Ocean Applied 設計了 SpeedSorter，讓LIBS金屬分選具備了商業可行性，」Ocean Applied 的副總裁兼總經理 Lu Luo 表示，「該技術克服了以往LIBS感測器的問題，能夠每小時分選數噸材料，實現高純度後消費者廢料分選，甚至從Twitch或Zorba（一種鋁廢料類型）中分離出精確的合金。」
H Ripley 的在線 LIBS 分選技術
H Ripley 於2020年底開始實施 Austin AI 的分選系統，項目目標是從混合鋁廢料中提取穩定的6063鋁合金。Ripley 與 Austin AI 和Ocean Applied 密切合作，整合了 LIBS 分選系統，用於磁性分離和渦流分離後的碎屑、乾燥、清潔材料的分選。
在實施之前，Ripley主要將混合鋁銷往亞洲市場。系統實施後，Ripley 將有價值的部分分離出來，銷售給一家大型英國擠壓鋁錠與板錠生產商。
Ripley 的客戶對收到的6063鋁合金非常滿意，該合金符合其規定的公差和標準（圖3）。去除銅和鋅是關鍵，因為擠壓生產商希望材料中的銅和鋅含量低於0.1%的最大允許值，且越低越好。
圖3：SpeedSorter 操作界面簡潔直觀，操作員僅需接受最少的培訓即可開始分選
以下是 Ripley 希望實現的6063鋁合金（AlMg0.7Si）規範：
| Element | Specifications |
| Si | 0.2-0.6% |
| Fe | 0.35% (max) |
| Cu | 0.10% (max) |
| Zn | 0.10% (max) |
| Mg | 0.45-0.9% |
| Cr | 0.10% (max) |
| Mn | 0.10% (max) |
| Others | 0.05% each (max 0.15%) |
該英國擠壓鋁錠與板錠生產商對其材料極為滿意。Ripley 的 LIBS 分選系統為其提供了一條“無憂”的低碳足跡、低銅低鋅的6063材料供應鏈。
儘管因 Covid-19 相關延誤及其他不可預見問題導致 LIBS 分選系統的最終運行模式配置比預期晚了幾個月，但 Jason Ripley 表示，各方都非常努力：「Austin AI、Ocean Applied 和 Ripley 有一個共同目標，那就是讓這個項目順利完成，因此我們毫不懷疑，該系統一旦可能就能正常運行並有效工作。」
在運行的最初幾個月裡，Ripley 每小時處理3-4噸材料。Rick Comtois 和 Jason Ripley 指出，材料應保持乾燥，因為乾燥的材料在系統中流動效果更好。材料尺寸可以有所變化，但5-6英寸被認為是中等範圍，適合更高的處理量。在過程中增加額外篩選將進一步提高材料純度。
未來展望
Jason Ripley 為 LIBS 分選系統在其設施中的應用感到自豪。他多年來一直知道這種需求存在，也相信技術最終能夠實現這一目標。
Ripley & Co 發現，業界對 LIBS 或此類感測技術的存在知之甚少，這使得擴展Ripley的客戶群比最初預期更具挑戰性。Jason Ripley 甚至提到，他願意為新客戶贊助一批 LIBS 分選材料的試驗裝載，讓他們充分了解這項技術的能力。
Austin AI 的分選系統與SpeedSorter集成，為Ripley等客戶提供了靈活性，允許根據需要改變分選程序，以適應特定的合金和公差要求。這將使 Ripley 更容易吸引有特殊應用需求的新客戶。
在其他處理大量非鐵金屬的廢料場中安裝 LIBS 分選系統，以及 LIBS 手持系統在輕元素分析中的普及，將有助於技術的進一步採用。
Austin AI 和 Ocean Applied 很高興為鋁行業提供一種快速高效的解決方案，用於回收可直接熔煉的非鐵廢料。LIBS 分選系統促進了高效回收、資源節約、降低能源消耗和碳排放，推動了循環經濟的轉型，為更綠色的環境和可持續發展目標作出了貢獻。