Lasergestützte Online-Analyse ­mineralischer Rohstoffe

1 Einleitung

Für eine effiziente Nutzung natürlicher Rohstoffvorkommen sowie eine hochwertige Verwertung ist bei vielen, vor allem komplex strukturierten und inhomogenen Lagerstätten sowohl eine genaue Kartierung der Lagerstätte, als auch eine Sortierung des abgebauten Rohstoffs erforderlich. Die in der Aufbereitung mineralischer Rohstoffe eingesetzten Sortierverfahren trennen das zu sortierende Gut mittels eines Sortierkriteriums, das nur indirekt mit der chemischen Zusammensetzung des Materials korreliert. So werden Erze beispielsweise nach ihrer Dichte oder ihrer Oberflächenbenetzbarkeit getrennt. Für eine Sortierung, die tatsächlich direkt nach dem angestrebten Kriterium, wie z.B. Wertstoff- oder Störstoffgehalt trennt, ist jedoch die Charakterisierung des Materials notwendig, wofür wiederum geeignete Messtechnologien zur Verfügung stehen müssen [1]. Für die Erstellung von Lagerstättenmodellen werden in der Regel Proben aus Explorations- oder Sprenglochbohrungen im Labor auf die chemische Zusammensetzung untersucht. Wegen des erheblichen zeitlichen und finanziellen Aufwands dieser Untersuchungen müssen bei der Genauigkeit des Lagerstättenmodells Kompromisse in Kauf genommen werden. Eine dynamische Anpassung des Bohrrasters für den Abbau ist nicht möglich.

Laserlicht ist prädestiniert für die Online-Messung physikalischer und chemischer Größen, wie beispielsweise der Geometrie von Objekten oder deren stofflicher Zusammensetzung. Lasermessverfahren arbeiten schnell und über Abstände von einigen Zentimetern bis Metern. Dabei können die Messobjekte direkt in einer Produktionslinie untersucht werden, ohne diese zu entnehmen oder den Prozessablauf zu beeinflussen. Die Fähigkeit zur Online-Analytik eröffnet hierdurch neue Möglichkeiten zur optimierten Prozessführung, die mit herkömmlichen Methoden nicht zugänglich sind.

Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik und die RWTH Aachen haben in Verbundprojekten mit Industriepartnern und Förderung durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie [2] Verfahren entwickelt, die eine laser-gestützte Online-Analytik mineralischer Rohstoffe ermöglichen. In einem Projekt wurden diese Verfahren eingesetzt, um durch Analyse des bei Sprenglochbohrungen entstehenden Bohrmehls ein Lagerstättenmodell aufzunehmen. In einem anderen Projekt wurde die Technologie der lasergestützten Analytik mit einer Technologie zur Einzelkorn-Sortierung der Produkte kombiniert. Beide Verfahrensansätze wurden zunächst für die Kalksteingewinnung und -aufbereitung umgesetzt und sind auf viele andere Anwendungsfelder übertragbar.

2 Materialanalyse mit Lasern

Für die schnelle Elementanalyse vieler Materialien eignet sich die Laser-Direktanalyse basierend auf der Emissionsspektrometrie laser-induzierter Plasmen [3]. Wird der Strahl eines gepulsten Lasers auf ein Messobjekt fokussiert, werden lokal kurzzeitig Leistungsdichten im Bereich von GW/cm² erreicht. Diese reichen aus, jedes Material zu verdampfen, die chemischen Verbindungen aufzulösen und das Material bis auf Temperaturen über 10 000 Grad aufzuheizen. In diesem Zustand emittiert das Material Licht in seinen spezifischen Spektrallinien, das mit einem Spektrometer analysiert wird. Solche laser-induzierte Plasmen auf Kalkstein sind in Bild 1 abgebildet. Die spektral aufgelöste Detektion der emittierten Linienstrahlung erlaubt die qualitative und quantitative Bestimmung der Zusammensetzung des Objektes. Die rein optische Anregung und die simultane Erfassung der Spektrallinien ermöglichen die Analyse metallischer und nichtleitender Materialien innerhalb weniger Mikrosekunden. Hierdurch ist auch die Untersuchung schnell bewegter Objekte möglich. Die Laser-Emissionsspektroskopie, im Englischen laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS), ist ein Verfahren zur Elementanalyse, das abweichend auch als Laser-Plasmaspektroskopie oder Laser-OES bezeichnet wird. Im Gegensatz zu anderen optischen Messverfahren wie der laser-induzierten Fluoreszenz (LIF) und der Infrarot-Spektroskopie (IR/NIR) können die Elementgehalt unabhängig von den vorliegenden chemischen Verbindungen oder kristallinen Strukturen bestimmt werden. Dabei ist eine gleichzeitige Messung alle Elemente mehr als 1000mal pro Sekunde möglich.

Dieses sogenannte LIBS-Verfahren wurde durch das Fraunhofer ILT bereits in unterschiedlichen industriellen Anwendungen vor allem zur Prozesskontrolle eingeführt und hat sich auch für vollautomatische Messaufgaben bewährt [4]. Unter anderem wurde es bereits für die Analyse metallischer Rohstoffe für das wertstoffliche Recycling realisiert [5] und steht durch die Weiterentwicklung nun für den Einsatz in der Aufbereitung mineralischer Rohstoffe zur Verfügung. Zur Gewinnung quantitativer Analyseergebnisse ist eine Kalibrierung des Verfahrens notwendig. Hierzu wurden Gesteinsproben verwendet, von denen ein Teil abgetrennt und gemahlen wurde. Dieser Teil wurde mit dem etablierten Standard-Verfahren der Röntgen-Fluoreszenz-Analyse (RFA) untersucht. Die an den Gesteinsproben gewonnenen Laser-Messwerte wurden mit diesen Werten abgeglichen und eine Kalibrierfunktion für die zu messenden Element-Konzentrationen berechnet.

3 Online-Analyse bei der Erkundung und Gewinnung

Der erste Schritt bei der Herstellung hochwertiger und konstanter Produktqualitäten ist die Verwendung hoher und geprüfter Qualitäten der Ausgangsmaterialien. Die Online-Analyse bei der Sprenglochbohrung ermöglicht die Echtzeit-Erfassung eines Lagerstättenmodells mit einem bisher nicht praktikablen Detailierungsgrad. Damit kann das Bohrraster dynamisch auf die Erfordernisse der nachgeschalteten Verarbeitungsschritte angepasst werden. Abbau, Transport und Deponierung von Nebengestein können mit erheblichen Effizienzgewinnen reduziert werden. Durch genaue Kenntnis der Zusammensetzung des gesprengten Haufwerks kann gezielt die für die Verarbeitung gewünschte Materialqualität eingestellt werden.

Am Bohrgerät wird das Bohrklein standardmäßig durch einen Zyklon in eine Grob- und eine Feinfraktion getrennt. Die staubförmige Feinfraktion mit Korngröße kleiner 60 µm wird durch einen Schlauch in eine Filtereinheit im Maschinenkörper geführt, wo der Staub auf Filtern abgeschieden wird.

Das kompakte, autonom arbeitende Laseranalysemodul enthält alle Komponenten zur Durchführung einer Laser-Analyse und ist für die Umweltbedingungen im Steinbruch angepasst. Dieses Modul wird direkt an den Staubschlauch angesetzt. Der Laserstrahl wird durch ein Loch von 2 cm Durchmesser in der Schlauchwand direkt in den Staubstrom fokussiert. Eine Freihaltevorrichtung, die zum Patent angemeldet wurde, sorgt dafür, dass die optischen Elemente dauerhaft frei von Staub bleiben. Ein Prototyp des Moduls für Vor-Ort-Versuche im Steinbruch ist in Bild 2 in messbereitem Zustand an einem Bohrgerät gezeigt. Die Analyseergebnisse können mit Daten des Bohrgeräts wie beispielsweise der Bohrtiefe und der Position kombiniert werden, um ein Lagerstättenmodell zu erstellen.

4 Online-Analyse und Rohstoff-Sortierung

Oftmals ist für die Erzielung vermarktbarer oder die Erzeugung hochwertigerer Produkte aus den mineralischen Rohstoffen einer Lagerstätte eine Sortierung erforderlich. Diese Sortierung soll beispielsweise den Wertstoffgehalt im Produkt anreichern, den Massenstrom für nachgeschaltete Prozesse reduzieren oder für den Gehalt eines Störstoffs im Produkt einen Grenzwert einhalten.

Hierbei soll ein gleichmäßiges Produkt innerhalb vorgegebener Spezifikationen erzeugt werden, wobei der Wertstoffverlust möglichst gering zu halten ist. Um diese Anforderungen möglichst effektiv zu erfüllen wurde der Ansatz einer Einzelkorn-Sortierung mit vollständiger Laser-Analyse aller Einzelkörner verfolgt.

Das zu sortierende Gut mit einer Korngröße von 50 bis
150 mm (Bild 3) wird zunächst vereinzelt und dann auf ein Transportband mit einer Bandgeschwindigkeit von 3 m/s aufgegeben. Wie in Bild 4 dargestellt, werden die Einzelkörner auf dem Band optisch identifiziert und ihre Lage und Geometrie bestimmt. Anschließend wird der Laser-Strahl zur Analyse gezielt auf die Einzelkörner gelenkt. Die Analyseergebnisse werden in Sekundenbruchteilen ausgewertet und eine Sortierentscheidung für jedes Einzelkorn getroffen. Anhand der Analyse- und Positions-Informationen werden die Druckluft-
Düsen in der Austragseinheit so angesteuert, dass die Einzelkörner gezielt in zwei oder mehr Fraktionen getrennt ausgeschleust werden können. Durch die schnelle Direktanalyse können die einzelnen Stufen des Sortierverfahrens praktisch abstandslos hintereinander angeordnet werden. Die Transportstrecke von der 3D-Erkennung bis zum Bandende beträgt weniger als
2 m. Damit die Einzelkörner auf dem Band ruhen, muss vor der Sortiereinheit zusätzlich eine ausreichende Beruhigungsstrecke vorhanden sein.

Bild 5 zeigt die Laser-Analyseeinheit für die Einzelkorn-Sortierung. Das Lasermodul ist über dem Transportband installiert. Laser, Spektrometer und Steuermodul sind robust, industrietauglich und für den Einsatz unter Tagebaubedingungen ausgelegt. Mit einer Messrate von 15 Hz sind im Korngrößenbereich 50-150 mm Massendurchsätze von bis zu 100 t/h zu erreichen. Weiterentwicklungen der verwendeten Komponenten sollen zukünftig 100 Einzelmessungen pro Sekunde ermöglichen, so dass auch bei geringerer Korngroße oder ungleichmäßiger Beladung wirtschaftliche Massendurchsätze erreicht werden können.

5 Ergebnisse

Um die Machbarkeit einer Online-Analyse von Bohrmehl direkt am Bohrgerät zu demonstrieren, wurde ein mehrtägiger Vor-Ort-Versuch in einem Kalksteinbruch durchgeführt. Insgesamt wurden 18 Bohrlöcher mit einer Tiefe von je 24 m mit simultaner Staubanalyse gebohrt. Durch die Analyse wurden die Gehalte an Mg, Al, Si, und Fe bestimmt.

Für diesen Vor-Ort-Versuch wurde das Analysemodul an einem Bohrgerät montiert, das mit einer Einrichtung für die repräsentative Probenahme ausgerüstet war. Nach jeweils 2 m Bohrtiefe wurde eine Probe entnommen. Jede Probe wurde mit einem Riffelteiler geteilt, um in zwei verschiedenen Labors RFA-Analysen durchzuführen und so die Ergebnisse der Laser-Analyse validieren zu können.

Bild 6 zeigt beispielhaft den Vergleich zwischen den Laseranalyseergebnissen und den Resultaten der beiden RFA-Labors für die Elemente Aluminium und Eisen und für ein einzelnes Bohrloch. Die mit dem Laser ermittelten Konzentrationen liegen nahe bei den Werten der beiden RFA-Labors. Das zeigt, dass die Laseranalyse in Genauigkeit und Richtigkeit der RFA-Analyse nicht nachsteht.

Die Möglichkeit, mit der Laseranalyse schnell ein detailliertes Lagerstättenmodell zu erstellen, wurde gezeigt, indem
12 Löcher in einem 2 m Bohrraster gebohrt wurden. Bild 7 zeigt, wiederum beispielhaft, die Ergebnisse für Al und Si. Die räumliche Auflösung des Modells liegt bei 2 m. Abgesehen von der Deckschicht, werden drei Schichten erkennbar. Im Bereich 6 –13 m Tiefe befindet sich eine Schicht mit geringem Gehalt (<  0,2  %) von Al und Si. Von 16 m bis 20 m Tiefe ist der Al-Gehalt etwa 0,75  %, der Si-Gehalt 1,5  %. Darunter steigen die Gehalte stark an, bis auf 1,5  % für Al und 3  % für Si. So kann mit der Laseranalyse beim Sprenglochbohren online ein genaues Modell entwickelt werden.

Der Einsatz der Laser-Direktanalyse zur Sortierung mineralischer Rohstoffe wurde zunächst für einen Anwendungsfall der Kalksteinaufbereitung untersucht. Hierbei ist der Magnesiumgehalt von Bedeutung, um reinen Kalkstein von dolomitischem Gestein zu unterscheiden. In den Untersuchungen an Produktionsproben wurde ein MgO-Gehalt im Bereich von 0 bis über 20  % abgedeckt. Als typischer Höchstwert für die Nutzbarkeit des Gesteins für die Zement- und Stahlerzeugung kann ein Wert von 5  % MgO angenommen werden. Die hier vorgestellten Arbeiten beschränken sich daher auf den Magnesiumgehalt. Wie in den obigen Beispielen können darüber hinaus auch hier andere Tonminerale und Fremdgesteine bestimmt werden.

Für grundlegende Untersuchungen standen Produktionsproben aus mehreren Kalksteinbrüchen in drei verschiedenen Ländern zur Verfügung. Es konnte ein Mess- und Auswerteverfahren entwickelt werden, das den MgO-Gehalt unabhängig von der Lagerstätte und Unterschieden in der Oberflächen-Beschaffenheit bestimmen kann.

Die Laser-Direktanalyse ist eine lokale Analyse der Proben­oberfläche. Wie bei allen Messverfahren mit einer geringen Eindringtiefe ins Material (RFA, LIF, NIR, LIBS), kann die Analyse durch anhaftenden Staub auf der Oberfläche gestört werden. Der in diesem Fall verwendete hochenergetische Laserstrahl erzeugt einen lokalen Materialabtrag. Dieser kann genutzt werden, um die Probenoberfläche vor der Analyse zunächst gezielt zu reinigen. Es wurde ein Ansatz entwickelt, der eine solche lokale Reinigung auch an bewegten Objekten bei Bandgeschwindigkeit von 3 m/s gestattet. Mit diesem patentierten Ansatz konnte die Präzision der Laser-Direktanalyse soweit gesteigert werden, dass keine merklichen Störungen durch anhaftenden Staub auf der Oberfläche mehr beobachtet werden.

Das Messverfahren wurde wie oben beschrieben mit Produktionsproben kalibriert, deren MgO-Gehalt mit RFA bestimmt wurde. Bild 8 zeigt eine Kalibriergerade, die an ruhenden Proben gewonnen wurde. Hierbei wurde an 10 Messstellen gemessen, die über die Probenfläche verteilt waren, von der auch die Probe für die RFA genommen wurde. Die LIBS-Messungen können auf die RFA mit einem Korrelationskoeffizient R² von 0.99 linear kalibriert werden, was einer Verfahrensstandardabweichung von 0.74  % MgO entspricht. Die hohe Standardabweichung der Einzelmessung (Fehlerbalken in Bild 8) ist auf die Inhomogenität der Proben zurückzuführen. Bei Messungen an bewegten Proben steigt die Verfahrensstandardabweichung auf etwa 1.3  % MgO, da hier an anderen, automatisch ausgewählten Stellen der Proben gemessen wird, die nicht die gleiche räumliche Mittelung repräsentieren wie die RFA-Analysen. Die Streuung der einzelnen Messwerte ist für die Charakterisierung der Zusammensetzung eines Stoffstroms unkritisch, da hier durch eine zeitliche Mittelung eine Aussage über den mittleren Gehalt getroffen werden kann. Inwieweit die lokalisierte Laser-Direktanalyse auch für eine effektive Einzelkorn-Sortierung ausreichend repräsentativ ist, kann nur in Sortierversuchen unter realitätsnahen Bedingungen untersucht werden.

Hierzu wurde eine Demonstrationsanlage nach dem oben be-
schriebenen Konzept aufgebaut, die die Sortierung von Produktionschargen im Technikum ermöglicht. Eine Charge von 435 kg aus einem österreichischen Kalksteinbruch (Bild 9)
wurde ohne weitere Vorbehandlung anhand des MgO-Gehaltes in zwei Fraktionen getrennt, die als Kalkstein und Dolomit eingestuft wurden. Als Schwellwert für die Klassifizierung wurde im folgenden Beispiel ein MgO-Gehalt von 10  % gewählt. Die sortierten Fraktionen wurden anschließend im Ganzen zerkleinert und homogenisiert, so dass anhand einer repräsentativen Probe mit RFA die mittlere Zusammensetzung der Fraktion bestimmt werden konnte. Bild 10 zeigt die Häufigkeit der gemessenen MgO-Gehalte der Einzelkörner anhand einer einzigen LIBS-Messung. Die meisten Steine weisen etwa 2  % MgO auf. Die Verteilung fällt zu höheren Gehalten schnell ab und erstreckt sich bis zu etwa 20  % MgO. Die Klassifizierung entsprechend der voreingestellten Schwelle führt zu einer Einordnung von 79  % (Gewicht) als Kalkstein und 13  % als Dolomit (Bild 11). Ein Anteil von 8  % konnte nicht klassifiziert werden, vorwiegend aufgrund einer zu kurzen Beruhigungsstrecke, so dass die Körner auf dem Transportband noch nicht ruhig lagen. Die RFA Messungen ergaben einen MgO-Gehalt von 3.6  % für die Kalkstein-Klasse und 10.5  % für Dolomit, gegenüber 4.5  % für die gesamte Charge. Wird der unklassifizierte Anteil statt in einen Rücklauf in die Kalkstein-Fraktion einbezogen, ändert sich der MgO-Gehalt nicht signifikant. Die gemittelten Analyseergebnisse der Laser-Messungen weichen bei einer Untersuchung von 1000 Einzelkörnern um weniger als 0.3  % von der Analyse nach dem RFA-Verfahren ab.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass unter produktionsnahen Bedingungen (3 m/s Bandgeschwindigkeit, unbehandelte Produktionsproben) eine effektive Einzelkorn-Sortierung basierend auf der Laser-Direktanalyse erreicht wurde. Durch einen Austrag von nur gut einem Achtel des Materials konnte der MgO-Gehalt des Nutzgesteins signifikant von 4.5  % auf 3.6  % gesenkt werden.

6 Anwendungsmöglichkeiten und Schlussfolgerungen

Mit der Laser-Direktanalyse wird online unmittelbar die stoffliche Zusammensetzung des abgebauten Rohstoffs gemessen. Dies ermöglicht eine Vielzahl von Anwendungen in der Rohstoffgewinnung und -verarbeitung, von denen zwei Anwendungen für die Kalkindustrie beispielhaft vorgestellt wurden. Für die Aufbereitung wurde im Verbund mit Verfahren für Vereinzelung, Erkennung und Austrag eine effektiv arbeitende Sortieranlage realisiert. In der Rohstoff-Aufbereitung lässt sich die Online-Analytik jedoch in unterschiedlichen Konfigurationen einsetzen. Bild 12 zeigt die unterschiedlichen Ansätze. Neben der zuvor dargestellten Einzelkorn-Sortierung ist eine reine Charakterisierung des Stoffstroms ebenso möglich wie eine Gruppierung des Stroms anhand zeitlicher gemittelter Analyseergebnisse.

Auch bei der Einzelkorn-Sortierung kann die Laser-Analyse, zusätzlich zur Sortierentscheidung für Einzelkörner, zur Überwachung der mittleren Zusammensetzung der gewonnenen Fraktionen genutzt werden kann. Durch eine fortlaufende automatische Bestimmung der Entscheidungskriterien für die Sortierung kann hierdurch ein Rohstoff-Strom mit konstanter Zusammensetzung und hoher Ausbeute gewonnen werden.

Durch die Erzeugung besonders hochwertiger Produkte und einen geringen Wertstoffverlust ist eine signifikante Wertsteigerung in der Aufbereitung und damit ein wirtschaftlicher Einsatz des Systems schon nach kurzer Nutzungsdauer möglich. Da das Messverfahren keinen Eingriff in den Prozessablauf darstellt und keine ionisierende Strahlung verwendet, ist es leicht in bestehende Anlagen zu integrieren.

Mit Hilfe des neuen Sortierverfahrens können auch Problemstellungen gelöst werden, für die es bislang keine funktionierenden Verfahren gab. Dadurch können bislang ungenutzte Lagerstätten, aber auch bisher nicht nutzbare Teile bereits im Abbau befindlicher Lagerstätten für eine Verwertung in Frage kommen.

Durch eine Adaption des spektroskopischen Messverfahrens kann die Laser-Direktanalyse an verschiedene Anforderungen angepasst werden. Durch diese Flexibilität des Verfahrens eignet es sich nicht nur für die Kalksteinaufbereitung, sondern auch für die Aufbereitung verschiedenster anderer Erze und Industriemineralien. Da es sich bei diesem Verfahren um ein trockenes Aufbereitungsverfahren handelt, eignet es sich zudem auch für den Einsatz in Gebieten, in denen Wasser als Prozessmedium nicht oder nur unzureichend zur Verfügung steht. Somit können auch Sortieraufgaben in (semi-)ariden Regionen sowie Regionen mit Permafrostboden bewältigt werden [6].

Neben dem Bereich der mineralischen Aufbereitung bietet auch der direkte Materialgewinnungsprozess aufgrund der Vielseitigkeit der verwendeten Analysemethode ein breites An-
wendungsfeld. Nicht nur der hier vorgestellte Einsatz an Sprenglochbohrgeräten im Kalkstein ist hier eine Anwendungsmöglichkeit, auch Ansätze zur Integration von LIBS-Systemen in Walzenschrämladern in der Steinkohlegewinnung wurden bereits näher verfolgt. Die Analyse kann hierbei zu einer Unterscheidung von Kohle und Nebengestein beitragen.

Der Einsatzbereich des Systems wird zukünftig auf weitere Gebiete mit ähnlich rauen Umgebungsbedingungen erweitert werden. Die Integration des Messsystems in Gewinnungsgeräte wie Surface Miner ermöglicht eine Echtzeitanalyse des Nutzmineralgehalts während des Abbaus und erlaubt so, hohe Produktqualität und eine optimierte Lagerstättennutzung zu verbinden. Laborversuche zur Bestimmung weiterer mineralischer Rohstoffe, unter anderem Kupfererz, Eisenerz, Bauxit und Kalisalze, wurden bereits erfolgreich realisiert. Die Multi-Element-Analysefähigkeit des Laserverfahrens stellt sicher, dass das Analysemodul durch Änderung der Auswertealgorithmen an weitere mineralische Rohstoffe angepasst werden kann.