Pyrometallurgische Gewinnung von kostengünstigen Titanwerkstoffen durch kinetisch kontrollierte Feststoff-Aluminothermie und anschließende Raffination im Elektroschlackeumschmelzprozess
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen der Forschergruppe wurde im Teilprojekt 3 die Direktreduktion des TiO2 durch die Feststoffaluminothermie und die anschließende Raffination im Elektroschlackeumschmelzprozess untersucht. Dabei haben sich in der Forschergruppe intensive Kooperationen mit IFAD und IKGB und weitere Lösungsansätze sowie Entwicklungen im Herstellungsprozess ergeben. Eine intensive Untersuchung des ATR-Prozesses auf mikroskopischer Ebene lieferte einen innovativen Ansatz der in-situ Desoxidation im ATR-Prozess mittels Calcium. Durch die Aufschlüsselung des Reaktionsverlaufes konnte somit bereits im ATR-Prozess ein weiterer Proessschritt der unmittelbaren Desoxidation eingegliedert werden. Die in-situ Desoxidation reduziert drastisch den Sauerstoffgehalt in der Titanlegierung um 6 Prozentpunkte. Durch die mechanische Aktivierung der Einsatzstoffe konnte eine Reduzierung der Boostermenge erzielt werden. Diese Einsparung des Boosters und der resultierenden gasförmigen Komponenten eröffnet dem ATR-Prozess neue Möglichkeiten, energieärmere Booster zu verwenden, welche bis dato nicht einsetzbar gewesen sind. Die prinzipielle Eignung des Druck-Elektroschlackeumschmelzens wurde als Raffinationsprozess für hochtitanhaltige Materialien aus der Prozessroute ATR-VIM bestätigt. So konnte der Sauerstoffgehalt um durchschnittlich 3000 ppm im gesamten Ingot mittels einer CaF2-CaO-Ca Schlacke gesenkt werden. Hierbei sollten Ca-Gehalte von 8 Gew.-% in der Schlacke nicht überschritten werden, da ansonsten das metallische Calcium durch Abdampfen zu erheblichen Prozessstörungen führt. Spezifikationskonforme Sauerstoffgehalte von max. 2000 ppm O können hingegen nur durch mehrmaliges Umschmelzen oder durch Senkung des Sauerstoffgehaltes im Ausgangsmaterial erreicht werden. Hierzu wurde ein Erkenntnistransferprojekt zusammen mit dem IKGB beantragt, in welchem pilotmaßstab-CaZrO3 Tiegel entwickelt um am IME validiert werden. Als Hilfs-Tool wurde ein kinetisches Prozessmodell erfolgreich aufgestellt und validiert, welches die Sauerstoffänderung im Metall als Funktion der Prozessparameter und der Ausgangszusammensetzung des Materials berechnet. Ergebnisse dieser Modellrechnungen zeigen gute Übereinstimmung mit experimentell gemessenen Sauerstoffwerten. Das Rechenmodell kann in Zukunft zur Ermittlung der optimalen Prozessbedingungen für die Desoxidation hinsichtlich Schmelzrate und Ca-Zugabemenge verwendet werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Modelling the Oxygen Content of Titanium during Deoxidation in the Pressure Electroslag Remelting (PESR) Process, Proceedings of the EMC European Metallurgical Conference, ISBN: 978-3-940276-51-3, 2013
Bartosinski, M., Reitz, J.
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Aluminothermic production of titanium alloys (Part 1): Synthesis of TiO2 as input material. In: Metall. Mater. Eng. Vol. 20, Issue 2, S.141-154, 2014
Achimovičová, M., Hassan-Pour, S., Gock, E., Vogt, V., Baláž, P., Friedrich B.
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Calcium zirconate refractories for titanium melts. In: UNITECR2013: Proceedings of the Unified International Technical Conference on Refractories. Hrsg. von D. Goski und J. D. Smith. John Wiley & Sons. 2014
Schafföner, S., Rotmann, B., Berek, H., Friedrich, B. und Aneziris, C.G.
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Corrosion behavior of calcium zirconate refractories in contact with titanium aluminide melts. In: Journal of the European Ceramic Society (2014)
Schafföner, S., Aneziris, C.G, Berek, H., Hubalkova, J., Rotmann, B., Friedrich, B.
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Experimental Research on the Recycling Potential of Precision Cast γ-TiAl during Electroslag Remelting. Gamma Titanium Aluminide Alloys 2014, TMS 2014 Annual Meeting
Bartosinski, M., Reitz, J., Lochbichler, C., Spiess, P., Friedrich, B., Stoyanov, T., Aguilar, J.
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Aluminothermic production of titanium alloys (Part 2): Mechanically activated rutile ore concentrate as input material. In: Metall. Mater. Eng. 2015
Hassan-Pour, S., Vonderstein, C., Friedrich, B., Achimovičová, M., Gock, E., Vogt, V.
