DFG Forschergruppe 1372

Prozessstufenminimierte Herstellung von Titan und Titanlegierungen

Einführung
Teilprojekte
Vernetzung

Teilprojekt 3:

„Pyrometallurgische Gewinnung von kostengünstigen Titanwerkstoffen durch kinetisch kontrollierte Feststoff-Aluminothermie und anschließende Raffination im Elektroschlackeumschmelzprozess”

Professor Dr.-Ing. Dr. h.c. Bernd Friedrich

IME Metallurgische Prozesstechnik und Metallrecycling, RWTH Aachen (zur Homepage der Arbeitsgruppe)


Zusammenfassung:

Das vorliegende Teilprojekt ist Bestandteil der Entwicklung eines prozessstufenminimierten Verfahrens zur Herstellung von Titan und Titanlegierungen. Es umfasst Grundlagenuntersuchungen und zugehörige Modellierung im Bereich der Feststoffaluminothermie sowie die Entwicklung eines innovativen Elektroschlackeumschmelzprozesses mit maximiertem Raffinationspotential.

Der gegenwärtige Erkenntnisstand zum Ablauf aluminothermischer Abbrände begründet sich ausschließlich auf einer empirischen Basis, was die theoretische Vorhersage des Reaktionsverlaufs für veränderte Prozessbedingungen oder die Übertragung auf andere Einsatzstoffe schwer bis unmöglich macht. Um ein tiefer gehendes Verständnis bzgl. dieses Reaktionstypus zu erhalten, finden im vorliegenden Teilprojekt Grundlagenuntersuchungen am Beispiel der aluminothermischen Reduktion von Titanoxid aus alternativen Rohstoffen statt. Auf Basis der hieraus gewonnenen Informationen wird ein Modell erstellt, welches in Abhängigkeit der vorgegebenen Prozessbedingungen und der verwendeten Aufgabemischung den kinetischen und thermochemischen Ablauf der Reaktion möglichst exakt wiedergibt. Nach erfolgreicher experimenteller Umsetzung des Konzepts werden mehrere Ingots hergestellt, die im Teilprojekt 1c pfannenmetallurgisch raffiniert werden.

Zusätzlich zur pfannenmetallurgischen Raffination im Teilprojekt 1c wird für Titanlegierungen technischer Reinheit aufgrund vergleichsweise hoher Restgehalte an Verunreinigungen ein weiterer Raffinations- und Desoxidationsschritt benötigt. In der konventionellen Titanherstellung findet die Endraffination fast ausschließlich im Vakuumlichtbogenofen statt, weil dieser eine Entfernung von Nitriden und nichtmetallischen Einschlüssen erlaubt und eine gerichtete Erstarrungsstruktur im fertigen Block erzeugt. Da dieses Verfahren aber keine gleichzeitige Feindesoxidation ermöglicht, erhält im vorliegenden Projekt das Elektroschlackeumschmelzen den Vorzug, bei dem der Sauerstoffgehalt des Metalls mithilfe aktiver Schlackenkomponenten zusätzlich abgesenkt werden kann. Daher liegt der Fokus vor allem auf der Entwicklung eines Schlackesystems, welches den Anforderungen der vergleichsweise stark verunreinigten Vorstoffe entspricht. Ausgehend vom System CaF2-CaO-Ca werden thermochemische Modellierungen zur Eigenschaftsoptimierung und ggf. die Neuentwicklung eines geeigneten Schlackensystems durchgeführt. Durch eine Beaufschlagung der Umschmelzanlage mit Schutzgas und Drücken bis zu 40 bar können im vorliegenden Prozess Schlackekomponenten zum Einsatz kommen, die unter Normaldruck aufgrund ihres hohen Dampfdruckes oder ihrer hohen Reaktivität als nicht praktikabel gelten.

Neben der Herstellung einer optimierten Prozessschlacke umfasst das vorliegende Teilprojekt die Entwicklung einer Fahrweise beim Elektroschlackeumschmelzen mit besonders hohem Raffinationspotential. Als Vorbild dient hierbei das Zonenschmelzen, das gegenwärtig jedoch ausschließlich in eigens dafür konzipierten Anlagen durchgeführt werden kann.

Nach erfolgreichem Umschmelzen erfolgt am IME eine Untersuchung des Materials auf die chemische Zusammensetzung, insbesondere der Verteilung von Verunreinigungen.

Wissenschaftliches Personal:

 

B. Friedrich

Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.

Tel.: 0241 / 80-95850

M. Bartosinski

Dipl.-Ing.

Tel.: 0241 / 80-95196

S. Hassan Pour

Dipl.-Ing.

Tel.: 0241 / 80-95873

Veröffentlichungen und Literaturquellen:

 

Recycling of gamma titanium aluminide scrap from investment casting operations

J. Reitz, C. Lochbichler, B. Friedrich, Intermetallics 2011, 19, 762.

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Challenges in Titanium Recycling – Do We Need a New Specification for Secondary Alloys?

B. Rotmann, C. Lochbichler, B. Friedrich, Proceedings of EMC 2011.

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Potentiale alternativer Herstellungskonzepte für Titanmetall und Titanlegierungen

B. Friedrich, J. Reitz, R. Bolivar, C. Möller, 44. Metallurgisches Seminar 2010.

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Tracing Ca and F during Remelting of Titanium-Aluminides in ESR and VAR

J. Reitz, B. Friedrich, J.-C. Stoephasius, Titanium 2009.

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Molten salt electrolysis of Titanium using a TiO2-C composite anode in halide electrolytes

C. Möller, B. Friedrich, Titanium 2009.

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Recycling of Titanium-Aluminide Scrap

B. Friedrich, J. Morscheiser, J. Reitz, C. Lochbichler, Titanium 2009.

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Feasibility of Ti-alloy Deoxidation by Reactive Slag Remelting

J. Reitz, M. Weber, B. Friedrich, Proceedings of EMC 2009.

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Electrochemical Titanium Diboride (TiB2) Synthesis from Fluoride Melts

A. Güven, B. Friedrich, Proceedings of EMC 2009.

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Synthesis of Titanium via Magnesiothermic Reduction of TiO2 (Pigment)

R. Bolivar, B. Friedrich, Proceedings of EMC 2009.

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Potential of Ceramic Crucibles for Melting of Titanium-Alloys and γ-Titaniumaluminide

B. Friedrich, J. Morscheiser, C. Lochbichler, 51th International Colloquium on Refractories 2008.

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Closing the Materials Cycle of Titanium – Thermochemical and Experimental Validation of a New Recycling Concept

B. Friedrich, C. Lochbichler, J. Reitz, International Symposium on Liquid Metall Processing and Casting 2007.

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Investigations of Liquid Phase Aluminothermic Reduction of Ilmenite

V. Babyuk, B. Friedrich, V. Sokolov, Erzmetall 2007, 60, 255.

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Cost Reduction of TiAl by Alternative Production and Integration of TiAl Scrap Recycling – Concepts and Vacuum-Metallurgical Equipment

C. Lochbichler, B. Friedrich, G. Jarczyk, H. Scholz, 2007.

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Fundamentals of desoxidation behaviour of Ti-alloys by chamber ESR with Ca-reactive slags

J. Reitz, B. Friedrich, J.-C. Stoephasius, Proceedings of EMC 2007.

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Induction Melting Using Refractories and Direct Deoxidation of Ti and TiAl Scrap

C. Lochbichler, B. Friedrich, Proceedings of EMC 2007.

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ESR Refining Potential for Titanium Alloys using a CaF2-based Active Slag

J.-C. Stoephasius, J. Reitz, B. Friedrich, Advanced Engineering Materials 2007, 9, 1.

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Predicting thermodynamic properties in Ti-Al binary system by FactSage

A. Kostov, B. Friedrich, Dragana Zivkovic, Computational Materials Science 2006, 37, 355.

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Modelling of Metallothermic Reactions – Local Reaction Rates during Aluminothermic γ-TiAl-Nb Production

J.-C. Stoephasius, B. Friedrich, Erzmetall 2005, 58, 63.

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Production of γ-TiAl-Ingots by Aluminothermic Reduction of TiO2 and Refining by ESR

J.-C. Stoephasius, B. Friedrich, Proceedings of EMC 2005 , 1429.

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Titanium Molten Salt Electrolysis – Latest Developments

K. Sommer, B. Friedrich, Proceedings of EMC 2005, 1.

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Electrochemical Reduction of Titanium Dioxide Thin Film in LiCl-KCl-CaCl2 Eutectic Melt

Y. Katayama, B. Friedrich, 206th Meeting of the Electrochemical Society 2004.

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A new Processing Route for Titanium Alloys by Aluminothermic Reduction of Titanium Dioxide and Refining by ESR

J.-C. Stoephasius, B. Friedrich, J. Hammerschmidt, 10th World Conference on Titanium 2004.

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Modellierung metallothermischer Reaktionen – Berechnung der Einsatzmischung unter Berücksichtigung energetischer Effekte

J.-C. Stoephasius, B. Friedrich, Erzmetall 2004, 57, 217.

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Aluminothermische Reduktion von Titandioxid

B. Friedrich, J. Hammerschmidt, J.-C. Stoephasius, Erzmetall 2003, 56, 82.

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Elektroschlackeschmelzen von aluminothermisch hergestellten Titan-Aluminium-Legierungen – eine Alternative zum Kroll-Prozess?

B. Friedrich, J. Hammerschmidt, 2001.

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