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

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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 pfannenmetallurgisch raffiniert werden.Zusätzlich zur pfannenmetallurgischen Raffination 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 eine Untersuchung des Materials auf die chemische Zusammensetzung, insbesondere der Verteilung von Verunreinigungen, sowie eine Überprüfung auf die Umform- und Fügeeigenschaften.