IME Metallurgische Prozesstechnik und Metallrecycling der ... · elektrowärme international · Heft 3/2003 · September INSTITUTE STELLEN SICH VOR 1 Allgemeines Das IME in Aachen

elektrowärme international · Heft 3/2003 · September

I N S T I T U T E S T E L L E N S I C H V O R

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Allgemeines

Das IME in Aachen vertritt die metallur-gische Prozesstechnik und das Metall-recycling in Forschung und Lehre an derRWTH Aachen. Kernkompetenzen sindeine praxisbezogene Ausbildung vonProzessingenieuren und die Entwick-lung nachhaltig umweltschonender undkosteneffizienter Verfahren zur Herstel-lung und zum Recycling metallischerWerkstoffe. Das IME (Bild 1) ist einesder „Ur-Institute“ der RWTH Aachenund feierte 1998 seinen 100. Geburtstag.Eingebunden ist es in die Fachgruppe fürMetallurgie und Werkstofftechnik(MuW) der Fakultät für Bergbau, Hüt-tenwesen und Geowissenschaften. Da-mit ergibt sich ein idealer Rahmen, umbei der Optimierung weltweit vernetzterProzessketten mitzuwirken. Ausgehendvon der Georessource „Erz“ oder derKonsumressource „Schrott“ werden mo-derne Funktionswerkstoffe bereitge-stellt. Insbesondere seit der Übernahmeder Institutsleitung durch Prof. Dr.-Ing.Bernd Friedrich (vormals GfE/Metallurgund Varta) im Jahr 1999 rückt die Pro-zesstechnik zur Entwicklung und Opti-mierung von Verfahren für komplexeHochleistungsmetalle in den Vorder-grund. Hierbei verfolgt das IME dasZiel, neu entwickelte Verfahren ausge-hend von anwendungsorientiertenGrundlagenarbeiten experimentell bis in

den technischen Maßstab zu erproben.Diese industrienahe Entwicklung erfolgtimmer unter Berücksichtigung der Wirt-schaftlichkeit. Eine wesentliche Voraus-setzung hierfür ist die Sicherstellung ei-ner präzisen Analytik, ein Know-how,das auch Kunden als Service angebotenwird.

Die meisten der Projekte werden in en-ger Kooperation oder im direkten Auf-trag mit Partnern der Industrie bearbei-tet. Zu allen Arbeitsfeldern bietet das In-stitut über die Forschungs- undEntwicklungstätigkeit hinaus Beratungund Dienstleistungen für Unternehmenund Behörden an. Die Beratung dient z.B. der Bewertung von Prozessänderun-gen unter besonderer Berücksichtigungder Umweltaspekte. Zu den Dienstlei-stungen gehören u. a. internationaleSchrifttumsrecherchen zur Darstellungdes Standes der Technik, die Bestim-mung von Stoffdaten schmelzflüssigerPhasen, oder auch die Bereitstellung ei-ner aktuellen institutseigenen Bibliothekmit über 20 000 Büchern und Zeitschrif-ten für Besucher. Das IME verfügt übervielfältige, langjährige Kontakte zu eu-ropäischen universitären Forschungsein-richtungen, von denen exemplarisch TUDelft/ Niederlande, Lulea University ofTechnology/Schweden, JagiellonianUniversity Krakau/Polen, University ofBelgrad/Serbien und Montenegro, Tech-

nical University of Kosiçe/Slowakei,MISIS Moskau/Russland, University ofPretoria/Südafrika oder auch SunchonNational University/Südkorea zu nennensind. Aufgrund der nationalen und inter-nationalen Anerkennung decken die Pro-jekte die gesamte Spannweite der Me-tallurgie und Metallverarbeitung ab, wo-bei die Sektoren Leichtmetalle undhochschmelzende Metalle besondereSchwerpunkte bilden.

Alle Aktivitäten werden maßgeblich un-terstützt und gefördert durch den Vereinzur Förderung des Instituts für Metallur-gische Prozesstechnik und Metallrecyc-ling „Freunde des IME e.V.“. Das Haupt-anliegen des Fördervereins ist es, dieschwierige Nachwuchssituation durchImagearbeit und Förderpreise zu verbes-sern und die Ausbildungsmöglichkeitendurch Bereitstellung innovativer Anla-gentechnik zu modernisieren. Dies ge-schieht mit Hilfe von Mitgliedsbeiträgenund zweckgebundenen Spenden. Zu denMitgliedern zählen Unternehmen wieauch über 100 dem Institut eng verbun-dene Personen. Alljährlich bietet derVerein allen Freunden und Ehemaligendes Instituts eine Plattform zum Aus-tausch gemeinsamer Erinnerungen so-wie Informationen über aktuelle Ent-wicklungen (www.ime-verein.de).

Neben dem Institutsleiter und dem Ober-ingenieur Dr.-Ing. Reinhard Fuchs (vor-mals Mannesmann Demag) beschäftigtdas Institut auf über 2000 m2 Fläche imHerzen von Aachen derzeit über 20 wis-senschaftliche Mitarbeiter sowie 20 Mit-arbeiter im technischen und Verwal-tungsdienst. Darüber hinaus bildet dasIME 9 Auszubildende zu Industrieme-chanikern, Chemie- und Physiklaboran-ten sowie Kauffrauen für Bürokommuni-kation aus. Mit besonderer Freude ver-zeichnen wir ein stark zunehmendesInteresse ausländischer Ingenieure, amIME zu forschen und zu promovieren.Im Jahre 2003 werden uns dadurch Gast-wissenschaftler aus Ägypten, Serbien/Montenegro, Kirgistan, der Mongolei,Russland, der Türkei, der Slowakei, Ja-pan, Kolumbien, Mexiko und China un-terstützen. 20 % der Mitarbeiter werden

IME Metallurgische Prozesstechnik und Metallrecycling der RWTH Aachen

Bild 1:Das Institutsgebäu-de in der Intze-straße in Aachen

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über Landesmittel finanziert, einemBudget, dem leider kurzfristig erneut ei-ne Kürzung bevorsteht, 80 % der Mitar-beiter werden aus Drittmitteln bezahlt,die vom Land NRW, vom Bund, von derEuropäischen Union und sonstigen För-dereinrichtungen wie z. B. BMBF, AiF,DFG, GTZ und natürlich zu einemgroßen Teil direkt aus der Industrie kom-men.

Lehrangebot

Der sich in den vergangenen Jahren voll-zogene Strukturwandel in der Metallin-dustrie hat gravierende Auswirkungenauch auf die Ingenieurqualifikation. Ins-besondere kleine und mittelständischeUnternehmen (KMU) fordern verstärktfächerübergreifende Fähigkeiten. Folg-lich ist ein Ingenieur auszubilden, der inder Lage ist, durch Kombination vonMetallurgie, Anlagenbau und Informa-tik, die Entwicklung leistungsfähigerMetalle voranzutreiben und somit Inno-vationen zu ermöglichen. Das praxisnahgestaltete Studium der Nichteisenmetall-urgie entspricht diesen Anforderungen.Dabei wird auf die Befähigung sowohlzur Entwicklung von Verfahren zur Her-stellung innovativer metallischer Werk-stoffe, als auch zu deren Recycling einwesentliches Augenmerk gelegt. DasLehrangebot des IME richtet sich vor-nehmlich an Studierende der Metallurgieund Werkstofftechnik. Diese werden ander RWTH Aachen entweder in einem10-semestrigen Diplomstudiengang zum„Diplom-Ingenieur“ oder in einem 4-se-mestrigen deutsch- oder englischspra-chigen Aufbaustudiengang zum „Masterin Metallurgical Engineering“ ausgebil-det. In beiden Studiengängen werdenvom IME die Schwerpunkte Prozess-technik, Oberflächentechnik und Anla-genbau angeboten. Im Grundstudiumhaben die Studierenden des Diplomstu-dienganges neben den allgemeinenGrundlagenfächern wie Mathematik undMechanik bereits spezielle Fächer mitmetallurgischem Hintergrund zu absol-vieren. Hierbei leistet das IME seinenBeitrag im Rahmen der Vorlesung „Ein-führung in die Prozesstechnik“. Darinwerden auch die späteren Studienrich-tungen vorgestellt. Dem Grundstudiumvon vier Semestern sowie einem beglei-tenden Industriepraktikum von sechsWochen schließt sich nach bestandenemVordiplom das Hauptstudium an. ImRahmen des Hauptstudiums erfolgt diefachliche Ausrichtung der Studierenden

in den individuell wählbaren Studien-richtungen „Prozesse“, „MetallischeWerkstoffe“ und „Mineralische Werkstof-fe“, die wiederum aufgeteilt sind in je-weils drei bis fünf Vertiefungsfächer.Unabhängig davon absolvieren alle Stu-dierenden acht Basisfächer. Vom IMEwerden zusammen mit dem Institut fürEisenhüttenkunde (IEHK) Vorlesungenund Übungen im Basisfach „Metallurgieund Recycling“ sowohl in deutscher alsauch in englischer Sprache angeboten.Die Schwerpunkte am IME liegen dabeiin der Darstellung der Gesamtprozessezur Metallgewinnung sowie in der Be-schreibung der einzelnen Prozessabläufebei Gewinnung und Recycling derNichteisenmetalle Kupfer, Aluminium,Zink, Blei und Titan. Das IME bietet dasVertiefungsfach Nichteisenmetallurgiean. In den Vorlesungen MetallurgischeProzesstechnik und Metallrecycling I -III werden die einzelnen verfahrenstech-nischen Schritte metallurgischer Prozes-se (unit operations), ihre theoretischenGrundlagen sowie die anlagentechni-schen Details vorgestellt. Die Vorle-sungsinhalte sind dabei in vier Blöckeunterteilt:

� Gas-Fest-/Flüssig-Fest-Reaktionen

� Gas-Flüssig-/Flüssig-Flüssig Reak-tionen

� Physikalische Trenntechnik und

� Elektrochemie

Die vorlesungsbegleitenden Übungenund Praktika beinhalten 30 Experimentein studentischer Ausführung inkl. bewer-tendem Bericht und ermöglichen so daspraxisnahe Erleben der einzelnen metall-urgischen Prozesse. Regelmäßig werdeneintägige Exkursionen zu Metall herstel-lenden und Metall verarbeitenden Fir-men im Großraum NRW/BeNeLuxdurchgeführt, die einen Einblick in dasUmfeld eines künftigen Tätigkeitsfeldesgeben.

Als besonderes Highlight des Jahresführt das IME jeden Herbst eine zwei-wöchige Exkursion zu verschiedenenUnternehmen der Nichteisenmetallurgieund anverwandten Bereichen durch. Dieletzten Ziele waren:

� Südwest-Deutschland, Schweiz, Lu-xemburg,

� Südafrika,

� Frankreich, Belgien und Niederlande,

� Südost-Deutschland, Österreich,Tschechien.

Darüber hinaus werden am IME in Ko-operation mit anderen RWTH-Institutenaus dem Bereich Metallurgie und Werk-stofftechnik mehrere Spezialisierungs-fächer angeboten, in denen kurz vorihrem Abschluss stehenden Studieren-den die geforderte Bandbreite auchdurch Beiträge von Experten der Wirt-schaft vermittelt wird. In den Fächern„Industrielle Galvanotechnik“ und„Oberflächentechnik“ werden Kenntnis-se zur Metallabscheidung aus wässrigenLösungen (elektrolytisch und chemisch)sowie Kenntnisse über die für die Glanz-verchromung von Bauteilen erforderli-che Erzeugung von Mehrfachschichtenvermittelt. Dazu zählen auch Untersu-chungsmethoden zur Charakterisierungvon Werkstoffoberflächen, Verfahren zurBeeinflussung der Oberflächeneigen-schaften und Herstellung von Werkstof-fen mit definiert eingestellten Ober-flächen. Das Spezialisierungsfach „Ent-wicklung, Planung und Bau vonAnlagen“ befasst sich mit Themen derVerfahrens- und Standortwahl, der Pla-nungstechnik sowie der Wirtschaftlich-keit metallurgischer Anlagen. Im FachUmweltschutz beim Metallrecycling wer-den Aspekte des Umweltrechts und derAufbereitung von Recycling-Rohstoffenangesprochen.

Seminare am Institut

� Lehrstuhlseminar: während des Se-mesters wöchentlich, Assistenten undStudierende stellen Studien-, Diplom-arbeiten und Projekte vor.

� Industrieseminar: viermal pro Seme-ster, Industrievertreter werden als Re-ferenten eingeladen.

� Es wird jährlich ein praktisches Semi-nar für Studenten des European Mi-ning and Engineering Course(EMEC) durchgeführt, in dem denStudenten die Metallurgie des Leicht-metall-Recyclings näher gebrachtwird.

� DGM-Seminare: Im letzten Jahr hatdas Institut zwei Seminare zu denThemen Kupferstrangguss und Vaku-ummetallurgie ausgerichtet.

Forschungsgebiete

Die Forschungsschwerpunkte des IME(Bild 2) unterliegen zwangsläufig densich stetig verändernden Bedürfnissen



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und Prioritäten der uns verbundenen In-dustrieunternehmen. Nahezu die gesam-te Bandbreite der Metalle wird hierbeiabgedeckt. Im Bereich der Werkstoffpro-zesstechnik nimmt die Vakuummetallur-gie mit den Verfahren induktivesSchmelzen (VIM), Elektroschlackeum-schmelzen (ESU) oder dem Elektronen-strahlschmelzen (EB) breiten Raum ein.Die internationalen Entwicklungen zurVerkürzung von Prozessketten habenden vertikalen Strangguss (auch unterVakuum) und den horizontalen Dünn-bandguss zwangsläufig ans IME ge-bracht. Der traditionelle Schwerpunktder Recyclingmetallurgie ist Basis fürden Einsatz unserer Elektrolichtbogenö-fen, durch deren Hohlelektroden aufbe-reitete Batteriekomponenten, geschred-derte Altkatalysatoren und andere indu-strielle Reststoffe wie Stäube, Schlämmeoder Schlacken chargiert werden. EineVerstärkung in diesem Bereich bildet un-ser neues Labor für schmelzflüssigePhasen, das z. B. eine gezielte Analysevon Schlackeneigenschaften (z. B. Vis-kosität, Dichte, Leitfähigkeit) erlaubt.Den dritten Schwerpunkt der For-schungs- und Entwicklungsaktivitätenam IME bildet die Elektrochemie, beider Synergien zwischen Metallelektroly-se und Galvanotechnik zur Entwicklungneuer Verfahren und Schichten genutztwerden. Im Folgenden wird zu einigenausgewählten Arbeiten aus den Tätig-keitsschwerpunkten berichtet.

VIM-Legierungsentwicklung (Al-Li)

Am IME stehen zur Legierungsentwick-lung/-herstellung mehrere z. T. kombi-nierte Vakuum-/Überdruck Induktionsö-fen bis in den 100 kg Maßstab (Bild 3)zur Verfügung. Neben der Blockerstar-rung ist die kontrollierte Erstarrung zuPlatten, als kontinuierlich erstarrenderStrang oder als rasch erstarrte Flakes un-ter Schutzgas möglich. Die im Rahmendes Sonderforschungsbereiches 289 derDFG „Formgebung metallischer Werk-stoffe im teilerstarrten Zustand“ am IMEkoordinierte Aluminium-Lithium Legie-rungsentwicklung soll hier beispielhaftangeführt werden, um die Einbindungder VIM-Technologie in die Legierungs-entwicklung darzustellen. So wird eineAluminium-Lithium Legierung, die zu-vor thermochemisch modelliert wurde,am IME unter Schutzgasüberdruck inForm von Rundblöcken hergestellt. Da-bei konnte durch eine weiterführende ge-zielte Beeinflussung der Mikrostrukturmittels chemischer Kornfeinung, dieseHochleistungslegierung weiter optimiertwerden. Außerhalb öffentlich geförder-ter Projekte dient diese Anlagentechnikzur Kleinproduktion von komplexenHochleistungslegierungen z. B. auf Mg-Ce-Y-Zr Basis, Al-Li-Si, Zn-Ti/Zr Varia-tionen oder auch Selten-Erd-Legierun-gen im Industrieauftrag.

VIM-Raffination von Kupfermischschrotten

Die Vakuumdestillation wird dann ein-gesetzt, wenn sich Metalle durch her-

kömmliche Verfahren nicht oder nurschwer raffinieren lassen und eine ausausreichend hohe Differenz der real vor-liegenden Dampfdrücke vorliegt. DiesesVerfahren wird sowohl bei der Verarbei-tung von Recycling- und Sekundärmate-rialien als auch zur Herstellung vonhochreinen Legierungen und Reinstme-tallen angewandt. Hierbei nutzt man fol-gende Effekte:

� Die Verminderung des Druckes führtzur Verschiebung des Gleichgewich-tes in Richtung der erwünschten Re-aktionen und damit zur Erhöhung derReaktionsgeschwindigkeit.

� Unerwünschte Reaktionen des zu be-handelnden Metalls bzw. Verbindungmit schädlichen Atmosphären werdenauf ein Minimum reduziert.

� Die verdampften und kondensiertenKomponenten können metallisch inreiner Form wiedergewonnen werden.

Für derartige Projekte stehen am IMEKalt- und Heißwandvakuuminduktions-öfen zur Verfügung, beginnend vomkleinen Forschungsofen (Tiegelvolumen1 l) bis zur industrienahen Pilotanlage(Tiegelvolumen 100 l), so dass zwei sca-le-up Stufen realisierbar sind. So wurdeein Industrieprojekt „Blei-Zink-Entfer-nung aus Kupferlegierungsschrottenmittels Vakuumdestillation“ erfolgreichabgeschlossen. Mit dieser bis in den Pi-lotmaßstab nachgewiesenen Verfahrens-technik wird die Aufarbeitung von Kup-ferlegierungsschrotten mit hohen Zink-und/oder Bleigehalten (60 bis 80 % Cu,10 bis 30 % Zn, 1 bis 4 % Pb, 1 bis 10 %Sn) möglich. Die Vakuumbehandlungkann die konventionelle pyrometallurgi-sche Kupfersekundärroute für hochblei-und zinkhaltige Schrottsorten ersetzen,die Nachteile der Verzettlung der Wert-metalle, der Entstehung von Flugstäubensowie der großen Rückgutmengen ver-meiden und direkt zwei vermarktungs-fähige metallische Produkte erzeugen.Kupfer und Zinn verbleiben in der Rest-schmelze und Blei und Zink sammelnsich im Kondensat. Die chemischenAnalysen sind aufgrund der niedrigenRestgehalte an Blei und Zink in Kupferals positiv zu bewerten. Die industrielleUmsetzung wird derzeit mittels Wirt-schaftlichkeitsrechnung geprüft. Maß-geblich verantwortlich für die guten Er-gebnisse ist der Aufbau der Kondensato-ren. Am IME werden u. a. Versuche zur

Bild 2: Forschungs- und Serviceschwer-punkte des IME

Bild 3: 100 kg Legierungsofen (PVA)



Destillation von Zink und Cadmium ausBleischwämmen durchgeführt. Es konn-te gezeigt werden, dass auf diese Weiseder Zinkgehalt auf unter 6 ppm und derCadmiumgehalt unter 1 ppm gesenktwerden kann. Die Übertragung der Para-meter in den industriellen Pilotmaßstabist in Planung.

Desoxidation von γ-TiAl durch Elektroschlackeumschmelzen (ESU)

Beim Umschmelzen wird über eineElektrode aus dem zu raffinierendenMetall Strom durch ein Schlackenbadgeleitet, das als Widerstand fungiert. ZurVermeidung einer möglichen elektrolyti-schen Zersetzung der Schlacke werdenESU-Anlagen mit Wechselstrom betrie-ben, dessen Frequenz nach oben durchzunehmende Badbewegung infolge in-duktiver Rühreffekte und dadurch verur-sachte Inhomogenitäten begrenzt ist. Dieeingebrachte elektrische Energie wird inWärme umgesetzt und erhitzt dasSchlackenbad. An der Kontaktstelle mitder Schlacke schmilzt die Elektrode auf,die Metalltropfen sinken durch dasSchlackenbad und sammeln sich in ei-nem Metallsumpf in der Kokille. Bis zurErstarrung erfolgen Metall-Schlacke-Reaktionen und eine physikalische Raf-fination durch Aufschwimmen von inder Regel nichtmetallischer Verunreini-gungen. Die hohe Abkühlgeschwindig-keit in der wassergekühlten Kupferkokil-le bewirkt eine gleichmäßige gerichteteErstarrung und gute Homogenität desIngots. Das ESU-Verfahren zeichnetsich durch hohe Flexibilität und eingroßes Einsatzspektrum aus, da nebenStellgrößen wie Umschmelzrate,

Schmelzstrom und Kühlwassertempera-tur auch die Art der Metall-Schlacke-Re-aktionen durch Auswahl eines geeigne-ten Schlackensystems und ggf. notwen-diger Zuschläge kontrolliert werdenkönnen. Diese können bei Bedarf auchkontinuierlich während des Prozessesnachgefördert werden. Neben dem nor-malen offenen ESU-Betrieb kann in ge-kapselten Anlagen je nach Auslegungauch unter Schutzgas (IESU, Ar-ESU),unter Druck (DESU) oder Vakuum (VE-SU) umgeschmolzen werden.

Das IME verfügt zum einen über eineoffene ESU-Anlage (Bild 4), mit derdurch Einsatz einer Ar-Bedüsung auchunter bedingt inerten Bedingungen ge-schmolzen werden kann. Für Über-druckbetrieb bis 50 bar und bis zum Va-kuumeinsatz (ca. 10-2 mbar) bei einstell-barer Zusammensetzung der At-mosphäre steht eine gekapselte DESU-Anlage zur Verfügung. Bei Schmelzströ-men bis 5 kA und Spannungen bis 65 Vkönnen Elektroden bis zu ø 110 x 1.340mm Größe (ca. 100 kg bei Stahl) unterindustrienahen Bedingungen umge-schmolzen werden. Im Rahmen einesForschungsprojektes zur kostengünsti-gen Herstellung neuartiger Titanalumi-nide wird am IME ein innovativer An-satz verfolgt, nach dem aluminother-misch hergestellte Titanaluminid-Elektroden in einer Ar-ESU-Anlage um-geschmolzen werden. Die stark sauer-stoffhaltigen Elektroden können durchEinsatz einer aktiven, d. h. mit metalli-schem Kalzium angereicherten, Schla-cke raffiniert werden. Als Basismaterialfür die Schlacke wird CaF2 eingesetzt,das gegenüber Titan und Aluminium be-ständig ist. Die Raffinationsreaktion ent-spricht im Wesentlichen folgender Glei-chung:

[O]TiAl + [Ca]CaF2 = TiAl + [CaO]CaF2

Zur Kompensation der Kalziumverlustedurch die o. g. Reaktion muss kontinu-ierlich Schlacke mit hohem Kalziumge-halt nachgefördert werden. Ferner ist zuberücksichtigen, dass ein Anreichern derSchlacke mit CaO ihre physikalischenEigenschaften, insbesondere Viskositätund Leitfähigkeit, stark beeinflusst. DerUmsetzungsgrad der Reaktion und da-mit der theoretisch erreichbare Sauer-stoffgehalt im Metall nach der Raffinati-on (O) ist vom Verhältnis von Ca zuCaF2 bzw. von CaO zu CaF2 abhängig.

Bild 5 zeigt den theoretischen Verlaufder Sauerstoffgrenzgehalte für eine inder DESU-Anlage des Beschleuni-gungsspannung wirkt, die Anode liegtauf Gehäusepotential. Durch eine Boh-rung tritt der Strahl beschleunigter Elek-tronen in den feldfreien Raum ein. So-wohl für die Erzeugung des Elektronen-stroms als auch für seine ungehinderteHinführung zu dem zu schmelzendenMaterial ist ein Hochvakuum (10-4 bis10-6 mbar) Voraussetzung. Aufgrund derhohen einstellbaren Leistungsdichten,des minimalen Restgasgehaltes an At-mosphäre im Reaktor und des Einsatzesvon wassergekühlten Kupfertiegeln, beidenen keine Reaktionen zwischen demMetall und einem keramischen Feuer-festmaterial auftreten, ist der Einsatz vonElektronenstrahlöfen zum Schmelzen,Raffinieren und Gießen von hoch-schmelzenden Metallen (z. B. W, Mo,Nb, Ta), reaktiven Metallen (z. B. Ti, Zr,V) und Superlegierungen auf Cr-, W-,Mo- und Co-Basis ideal geeignet.

Aktuelle Untersuchungen am IME be-schäftigen sich mit der Raffination sau-erstoffhaltiger Titan-Aluminium-Legie-rungen. Mögliche Einsatzgebiete diesesVerfahrens sind die Raffination von Titanschrott oder aluminothermisch ge-wonnener Titan-Aluminium-Legierun-gen. Die Dampfdruckkurven der im System Ti-Al-O vorkommenden Verbin-dungen zeigen, dass Sauerstoff beigleichzeitiger Anwesenheit von Alumi-nium durch Verdampfen des Aluminium-suboxids Al2O, dessen Dampfdruck sig-nifikant über dem der reinen ElementeAluminium und Titan liegt, entfernt wer-den kann. Da der Umschmelzprozess imElektronenstrahlofen nicht gleichge-Bild 4: ESU-/DESU-Anlage (ALD)

Bild 5: Sauerstoffgrenzgehalte in DESU-raf-finiertem Ti-Al (ESO)



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wichtsnah abläuft, ist mit geringererAl2O-Verdampfung aufgrund kineti-scher Hemmung zu rechnen, währenddie reine Al-Verdampfung bevorzugt ist.Dieses wurde in Versuchen bestätigt, indenen nachgewiesen wurde, dass dasVerhältnis von verdampftem Aluminiumzu verdampftem Sauerstoff mit steigen-dem Anteil an verdampftem Material zu-nimmt.

Die Randwerte (Dreiecke) sind theoreti-sche Randbedingungen. Sie ergeben sichaus der Tatsache, dass einerseits zu Be-ginn des Umschmelzens aufgrund ther-modynamischer Überlegungen reinesAl2O abdampfen muss und andererseitsnicht mehr Aluminium und Sauerstoffverdampfen können, als im Einsatzmate-rial vorhanden sind.

Der im IME installierte Elektronen-strahlofen ES 1/3/60 (Bild 6) verfügtüber eine maximale Strahlleistung von60 kW bei einer Beschleunigungsspan-nung von 30 kV und einem Elektronen-strom von 2 A. Folgende Fahrweisensind möglich:

� Abtropfschmelzen von vertikal zuge-führten Blöcken zu Ingots,

� Abtropfschmelzen von horizontal zu-geführten Barren zu Ingots,

� Schmelzen von Granulat oder ande-rem Kleingut zu Ingots,

� Schmelzen von Knopf- und Zungen-proben sowie Zonenschmelzen imwassergekühlten Kupfertiegel,

� Gießen von Präzisionsteilen imSchleudergussverfahren.

Die Ingots können als Rundblock (ø 50und ø 100 mm) oder als Bramme (90 x35 mm) bis zu einer Länge von 350 mmstranggussnah abgezogen werden. ProArbeitsgang können aber auch 5 Knöpfe(ø 25 x 10 mm) oder eine Zunge (15 x160 x 10 mm) geschmolzen werden. DasNutzvolumen des Kipptiegels beträgt0,15 l.

Batterierecycling im Elektrolichtbogenofen

Seit mehr als fünf Jahrzehnten werdenam IME die Erfahrungen in der Metall-urgie der Elektrolichtbogenöfen erwei-tert. In Nachfolge der Dreiphasen-Tech-nik sind heute Gleich-/Wechsel-strom-Öfen im Einsatz. Dabei gelang es, einmit dem Boden des Ofens dicht absch-ließendes Elektrodensystem zu ent-wickeln. Das in diesem Maßstab einzig-artige System einer wassergekühlten Bo-denelektrode aus OF-Kupfer erweist sichbis heute als zuverlässige Stromabfuhr.

Derzeit werden vier Elektrolichtbogenö-fen für öffentliche sowie industrielleForschungsprojekte betrieben. Im klein-sten Aggregat können unter SchutzgasElektroden erschmolzen werden (VL-BO), die vorher aus den Legierungsele-menten gepresst worden sind. Zwei La-boröfen mit Graphit-elektroden (Pmax =ca. 100 kW) ermöglichen das Ein-schmelzen von über 10 l Material. DieFlexibilität dieser Öfen gestattet insbe-sondere Untersuchungen zum Recyclingeiner großen Zahl von Reststoffen undRückständen wie Schlacken, Schleif-stäuben, Krätzen, Filterstäuben, Müll-rostaschen, metallische Schrotte oderBatterien. Einer dieser Öfen wurde imJahr 2003 in Betrieb genommen undkann im Schutzgasstrom betrieben wer-den. Schmelztemperaturen von über2300 °C werden mühelos erreicht. Eineneuartige Chargiereinrichtung sorgt da-bei für einen gasdichten, kontinuierli-chen Materialeintrag durch die Hohle-lektrode.

Das Herzstück der Lichtbogenofen-Technik am IME ist der Pilot-Ofen miteinem Nutzvolumen von über 200 l(Bild 7). Die Maximalleistung imGleichstrombetrieb liegt bei etwa 0,5MW, so dass Einschmelzraten von über250 kg Stahl oder Batterieschrott pro

Stunde realisiert werden. Die maximaleSchmelztemperatur von 1900 °C gestat-tet z. B. die Erzreduktion zu Ferrolegie-rungen oder das Einschmelzen titanoxi-dreicher Schlacken. Hohlelektrodensy-steme sowie Chargierlanzen erlaubenden Materialeintrag direkt in den Licht-bogen, wodurch erhöhte Schmelzaus-beuten verwirklicht werden können.Nach kontinuierlicher Materialaufgabeerfolgt ein periodischer Abstich halb-kontinuierlich. Im Rahmen eines drei-jährigen öffentlich geförderten For-schungsprojektes wird zur Zeit ein ge-schlossener Recyclingkreislauf fürNickel-Metallhydridbatterien erprobt.Ziel ist dabei die Herstellung einer Ni-Co-Legierung und eines Selten-Erd-Mischmetalls, welche direkt wieder inder Batterieherstellung eingesetzt wer-den können. Das mechanisch aufbereite-te Altbatterie-Pulver wird im Pilotofenmittels gasdichter Hohlelektrode unterVerwendung einer Schlacke auf CaO-CaF2-Basis eingeschmolzen. Die Wert-metalle Nickel und Kobalt legieren sichzu einer flüssigen Metallphase und wer-den getrennt von der Schlacke abgesto-chen, die als Sammler für die wertvollenSE-Metalle (z. B. Lanthan) dient. DieSE-Metalle werden nach hydrometallur-gischer Vorbereitung per Schmelzflusse-lektrolyse wiedergewonnen. In einemweiteren Forschungsprojekt wird zurZeit das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien erforscht. Auch für den Einsatzvon stückigem Batterieschrott bietet sichder DC-EAF an. In enger Zusammenar-beit mit Partnern der Recyclingindustriekonnte aus Alkali/Mangan- bzw.Zink/Kohle-Batterieschrott ein Ferro-mangan mit über 40 % Mn-Inhalt ge-Bild 6: Elektronenstrahlofen (ALD)

Bild 7: Batterierecycling (Co-Ni-Abstich)am 0,5 MW-Lichtbogenofen des IME (DE-MAG)



wonnen werden. Da der Zinkinhalt derBatterien über die Gasphase verflüchtigtwird, ist ein Recycling ohne Depo-nierückstände erfolgreich untersuchtworden.

Ebenfalls zur Verringerung des Abfal-laufkommens und der Wiedergewinnungnützlicher Wertmetalle dient die von ei-ner Forschergruppe am IME untersuchteSchlackebehandlung. Ziel ist hierbei dieVerringerung der Metallverluste in me-tallurgischen Schlacken. Dabei zeigtensich deutliche Verbesserungen, sowohlhinsichtlich der Belastung der Umweltals auch des Austrags in der Schlackegebundener Wertmetalle wie Zn, Pb, Gaund Ge angeht. Auch dieses öffentlichgeförderte Forschungsvorhaben soll biszum Produktionsmaßstab entwickeltwerden.

Eigenschaften schmelzflüssiger Phasen

Im Schlackenlabor des IME lassen sichnicht nur Schlacken untersuchen, son-dern Schmelzen aller Art wie Metalle,Salze, etc. Die neue Laborausstattung er-möglicht die Messung von Dichte, Ober-flächenspannung, Viskosität und vonBenetzungswinkeln fester Körper durcheine Schmelze. Bei fortlaufender Tempe-raturmessung lassen sich die Temperatu-rabhängigkeiten dieser Eigenschaften er-mitteln. Mit modernen elektrischen Öfenkönnen Messungen bei Temperaturen bis1800 °C durchgeführt werden. Im Auf-bau befindet sich eine Anlage zur Mes-

sung der elektrischen Leitfähigkeit so-wie eine Zelle zur Schmelzflusselektro-lyse von flüssigen Salzen. Die Dichte-messung erfolgt nach der Auftriebsme-thode. Dabei wird ein Senkkörper mitbekannter Masse an einem Draht in dieSchmelze eingetaucht und online gewo-gen. Mit der Gewichtsabnahme infolgedes Auftriebs wird die Dichte derSchmelze berechnet, da der Auftriebvom Volumen des Senkkörpers und des-sen Dichte abhängig ist. (Die Empfind-lichkeit der Methode ist ca. 0,15 %; derMessfehler max. 1 %.).

Die Oberflächenspannung wird nach derMethode des maximalen Blasendrucksermittelt. Hierbei wird ein Gas durch ei-ne Kapillare in die Schmelze eingebla-sen und der Gasdruck in der Kapillarefortlaufend gemessen. Der maximaleDruck hängt von der Oberflächenspan-nung der Schmelze und dem Kapillaren-durchmesser ab. Der Fehler der Ein-tauchtiefe der Kapillare wird durch dieAnwendung der 2-Kapillaren-Methodevon Sugden eliminiert. Der Messfehlerbeträgt max. 3 bis 5 %, die Empfindlich-keit ca. 0,1 %.

Mit dem Schwingungsviskosimeter lässtsich eine große Breite an Viskositätenvon ca. 100 bis ca. 105 Pa · s messen. Ei-ne Messsonde in Form einer Platte wirdmit Hilfe eines Generators in Schwin-gung versetzt. Durch Änderung der Am-plitude, Frequenz und Phase der Schwin-gungen können die unbekannten Visko-sitäten bestimmt werden. Der

Messfehler der Messungen beträgt max.5 %, Empfindlichkeit bis ca. 0,5 %. Eineweitere Anlage kann optisch den Benet-zungswinkel zwischen festen Stoffenund Schmelze, z. B. zwischen feuerfe-sten Materialien und Metall oderSchlacke, bzw. zwischen Stahl und flüs-sigem Zink messen. Die Messungenkönnen bis zu Temperaturen oberhalbvon 1800 °C durchgeführt werden.

Raffination von Aluminiumschmelzen

Auf Grund immer höher werdenderQualitätsanforderungen, die an Metallegestellt werden, ist in den meisten Fällenvor dem Vergießen zu Halbzeug oderFertigprodukten eine Schmelzebehand-lung für eine weitgehende Entfernungsowohl gelöster als auch fester Verunrei-nigungen notwendig. Mit der am IMEverfügbaren Anlagentechnik lässt sichdie gesamte Breite metallurgischerSchmelzebehandlungsverfahren über-prüfen. Das reicht von Spülgasbehand-lungen mit Argon z. B. für die Wasser-stoffentfernung aus Nordic-Gold, dergoldfarbenen Legierung der Euromün-zen, über Vakuumöfen bis zu Zentrifu-gen und Filteranlagen, die eingesetztwerden, um z. B. nichtmetallische Parti-kel aus Aluminiumschmelzen zu entfer-nen.

Zurzeit werden am IME mehrere Projek-te bearbeitet, die sich mit Schmelzebe-handlungen befassen, u. a. „Molten Al-uminium Purification (MAP)“ - ein Pro-jekt der EU - das sich mit der Entfernungvon Eisen aus Aluminiumschmelzen be-fasst (Bild 8). Hierbei kommt eine Fil-terzentrifuge zum Einsatz, die auskri-stallisierte intermetallische Phasen ausflüssigem Aluminium abtrennt. In einemVerbundprojekt „Entwicklung vonRecyclingkonzepten für Aluminiumson-derwerkstoffe“ des Bundesministeriumsfür Bildung und Forschung (BMBF) zurAufarbeitung von speziellen Alumini-umlegierungen und Verbundwerkstoffen,für die bisher noch kein geeigneterRecyclingprozess existiert, kommt eben-falls eine Filterzentrifuge zum Einsatz.So werden zum Beispiel beim Recyclingvon Metall-Matrix-Verbundwerkstoffenverstärkende Keramikpartikel aus derschmelzflüssigen Aluminiummatrix ge-filtert und zurückgewonnen. Zudemwird das Material mit Schmelzsalz be-handelt, um es weiter zu raffinieren. Aufdiese Weise werden hohe Metallausbeu-Bild 8: Laborzentrifuge zur Raffination von Aluminiumschmelzen



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ten und ausreichende Reinheiten er-reicht, um das Material anschließend derkonventionellen Aluminiumrecyclin-groute zuführen zu können.

Ein weiteres Projekt hat die „Entwick-lung von Verwertungsprozessen fürniedrig metallhaltige magnesiumhaltigeReststoffe“ zur Aufgabe. Dieses BMBF-Projekt untersucht das Einschmelzenvon Magnesiumspänen, die unter ande-rem mit Bohremulsion und Öl verunrei-nigt sind. Beim Einschmelzen vonSchrotten und insbesondere von sog.„sludge“, einem Nebenprodukt beimSchmelzen von Mg, verbrennen die or-ganischen Substanzen; durch die Be-handlung mit geeigneten Schmelzsalzenwerden Verunreinigungen aus dem Me-tall entfernt, in der Salzphase gebundenund aus dieser kontinuierlich entfernt.

Dünnbandgießen von Magnesium

Bisher erfolgte die Herstellung von Ma-gnesiumblechen hauptsächlich konven-tionell über Strang- oder Blockguss undWarmwalzen. Aufgrund der hexagona-len Kristallstruktur von Magnesium ge-staltet sich das Walzen aber sehr aufwen-dig und kostenintensiv. Vielverspre-chend ist der Einsatz sogenannterBandgießverfahren, weil hierdurch en-dabmessungsnahes Gießen prozessstu-fenarm ein Vorprodukt von wenigenMillimetern Dicke erzeugt wird. DasZwei-Rollen-Gießwalzverfahren, beidem die Metallschmelze zwischen zweisich drehenden, gekühlten Walzen er-starrt und dabei gleichzeitig gewalztwird, zeigt hierbei die meisten Vorteile.Diese sind – aufgrund der hohen Ab-kühlgeschwindigkeiten – vor allem öko-nomischer und werkstofftechnischer Art.

� Reduzierung des Investitionsaufwan-des durch geringeren Maschinen- undFlächenbedarf

� Kostenreduzierung durch den Wegfallvon Verfahrensschritten und der dafüraufgewandten Energie

� Schonung der Ressourcen und derUmwelt durch verminderten Energie-einsatz und verminderte Emissionen

� Gewinn im Zeitwettbewerb durchkürzere Durchlaufzeiten bei der Ban-derzeugung und eine damit verbunde-ne zeitlich flexiblere Auftragsabwick-lung

� Feineres Korn und dadurch bedingthöhere Festigkeit und Duktilität

Kornmorphologie sowie eine durch dieFarbätzung identifizierte Orientierungs-verteilung der Kristalle.

Das Ziel aktueller und zukünftiger Akti-vitäten ist die Untersuchung der metall-urgischen Zusammenhänge des Mg-Bandgießens durch Modellierung der In-teraktionen zwischen Prozessparameternund erzielten Materialeigenschaften wiez. B. Gefügemorphologie und mechani-sche Eigenschaften. Weiterhin wird ander Simulation und Modellbildung desMg-Bandgussprozesses und dessen Ab-gleich mit experimentell ermittelten Da-ten gearbeitet.

Hydrometallurgische Nickelgewinnungdurch Drucklaugung

Die Hydrometallurgie, oder auch nas-schemische Verfahrenstechnik, greift amIME auf ein modernes Technikum mitzahlreichen Anlagen und Ausrüstungenin Labor- und Pilotmaßstab für Praktikaund Forschungsarbeiten zurück. Dazugehören beispielsweise mehrstufigeLaugungskaskaden und Solvent-Extrak-

� Größere Freiheitsgrade in Bezug aufLegierungsgehalte durch ungleichge-wichtsmäßige Erstarrung

� Weniger Seigerungen und feiner ver-teilte Ausscheidungen

Am IME wird dieses Verfahren seit 2002an der institutseigenen, mit Schutzgasgekapselten Zwei-Rollen-Gießwalzan-lage (Bild 9) für Magnesium angewen-det. Bild 10 zeigt die Gefügemorpholo-gie eines am IME gießgewalzten Bandesaus AZ31. Man erkennt Bereiche ver-schiedener Korngrößenklassen und Bild 9: Zwei-Rollen-Gießwalzanlage

tions-Anlagen (bis 100 l/h), oder auchAutoklaven bis 70 l Innenvolumen fürDrücke bis zu 40 bar und Temperaturenbis 250 °C. Es werden Untersuchungensowohl mit primären Rohstoffen (z. B.Cu-, Zn-, Ni- und Mo-Erze und Konzen-trate), als auch mit Recyclingrohstoffen(wertmetallhaltige Stäube, Schlämme,Elektronikschrott, etc.) durchgeführt.Aktuelle Forschungsarbeiten und Pro-jekte behandeln beispielsweise dieHochdrucklaugung von Nickelerzen,sulfidischen Kupfer- und Molybdänkon-zentraten sowie das Recycling vonNiMH Batterien. Bild 11 zeigt, dass in-

Bild 11: Intensivlaugung lateritischerNickelerze unter Druck

Bild 10:GießgewalztesBand aus AZ31,Längsschliff



nerhalb von 5 min 95 % des Nickelinhal-tes aus Erzen bei Temperaturen von 250°C in schwefelsaurer Lösung extrahiertwerden können.

Elektrolytische Raffination von Kupfer

Die wachsenden Qualitätsansprüche anreine Metalle können meistens nur durch(Raffinations-) Elektrolyse in Lösungenoder Schmelzen erfüllt werden. Die For-schungen am IME auf dem Gebiet derElektrolyse befassen sich mit den Metal-len Al, Cu, Ti, Zn und Seltenen Erdenmit dem Ziel der Energieeinsparung, In-tensivierung von Verfahren, Erhöhungder Reinheit und Einbeziehung vonRecyclingwerkstoffen.

Vor diesem Hintergrund wird am IMEzusammen mit einem Industriepartnerder Einfluss der Überhitzung des Elek-trolyts über die Schmelztemperatur aufden Energieverbrauch der Al-Herstel-lung untersucht, um eine Strategie zurSteuerung der Al-Elektrolyse auszuar-beiten. Parallel dazu wird an einem Tem-peratursteuerungsprogramm für eine Al-Zelle gearbeitet. In einem öffentlich ge-förderten Projekt wird dieSchmelzflusselektrolyse von Ti und Sel-tenen Erden zur Untersuchung der Elek-trodenpolarisationen, der elektrochemi-schen Kinetik, der Elektrodenreaktionenund der Stromausbeuten (Wirkungsgra-de) in einer Zelle (bis 150 A) sowohl anLuft, im Vakuum oder in einer Schutzga-satmosphäre bei Temperaturen bis 1500°C betrieben.

Traditioneller Schwerpunkt der Untersu-chungen am IME sind Arbeiten auf dem

Gebiet der Cu-Raffinationselektrolyse.Erwähnenswert sind dabei Untersuchun-gen, die sich mit der Intensivierung derElektrolyse durch Erhöhung der Strom-dichte und deren Grenzen befassen. ImRahmen einer Promotion wird hierbeidie Gewinnung elektrolytisch erzeugterCu-Legierungspulver aus minderwerti-gem Schrott bearbeitet (Bild 12). Einenweiteren Schwerpunkt bilden die Arbei-ten auf dem Gebiet des Recyclings vonCu-haltigen Schrotten, wie z. B. Elektro-nikschrott. Es wurde gezeigt, dass dieAnwendung einer dreidimensionalenGranalienanode einen Prozess ohne An-odenpassivierung sicherstellt.

Elektrochemisch abgeschiedene Sn-Zn-Korrosionsschutzschichten

Als weiteres Teilgebiet der angewandtenElektrochemie ist die Galvanotechnikwichtiger Bestandteil des Lehrpro-gramms. Forschungsarbeiten erfolgenüberwiegend im industriellen Auftrag.Untersuchungen befassten sich u. a. mitder Abscheidung von Eisen-Chrom-Nickellegierungen und der Galvanisie-rung von Blankstahl.

Im Rahmen der eingangs beschriebenenWiederbesetzung des Instituts im Jahre1999 erfolgte vom Land Nordrhein-Westfalen eine deutliche finanzielle För-derung mit dem Auftrag, Lehre und For-schung auf dem Gebiet der Galvanotech-nik durch Aufbau einer neuengalvanotechnischen Pilotanlage sicher-zustellen. Diese besteht aus insgesamt14 Bädern der Abmessungen 300 x 300x 350 mm. Sie sind mit Heizelementen

einschließlich Temperaturmessung,Pressluftversorgung zur Erzeugung einerBadbewegung und Motoren zur Bewe-gung der Elektroden ausgestattet. DieBäder sind dabei frei wählbar und kön-nen z. B. sauer/alkalisch, chromhaltigoder cyanidisch sein. Schichtzusammen-setzung und -dicke können durch physi-kalische Geräte (RFA, Schichtdicken-messgerät) problemlos ermittelt, und dieElektrolytparameter durch die instituts-eigene chemische Analytik online über-wacht werden.

Der strukturelle Aufbau und die Eigen-schaften elektrochemisch abgeschiede-ner Legierungsschichten lassen sichdurch eine Reihe von Prozessparameternin weiten Grenzen variieren. Unbefriedi-gend ist die Tatsache, dass die Wirkungs-weise dieser Parameter auf das Schicht-verhalten bislang nur mit hohem Zeit-aufwand experimentell erfasst werdenkann. Die strukturbildenden Prozesse fürdie Erzeugung von funktionellenSchichten werden bisher wissenschaft-lich nur unzureichend verstanden. EineBewertung der maßgeblichen Einflüsseerfolgt daher meist empirisch, wodurcheine Methode der Schichtentwicklungnicht möglich ist. Zur Klärung dieserProzesse wird in einem Forschungsteamdas Thema „Synthese, Eigenschaftenund Modellierung metallischer Korrosi-onsschutzschichten“ bearbeitet, wobeinachstehende Ziele angestrebt werden:

� Verständnis des Aufbaus und Be-schreibung des funktionellen Zusam-menhangs zwischen elektrochemischabgeschiedenen Schichten und pro-zessbestimmenden Parametern amBeispiel des Systems Sn-Zn-X.

� Modellierung geeigneter elektroche-misch herstellbarer Materialkombina-tionen.

� Übertragung auf technische Systememit verbesserten Werkstoffeigen-schaften.

Anschrift

IME Metallurgische Prozesstechnik undMetallrecycling, RWTH AachenIntzestraße 3D-52072 AachenTelefon: +49-241-8095851Telefax: +49-241-8092154E-Mail: [email protected] und Geschäftsführung:Prof. Dr.-Ing. Bernd Friedrich

Bild 12: Elektrolysezelle zur Kupferraffination



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IME-Veröffentlichungen 2000 - 2003

2000

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Noll, T. R.; Kiehne, C. H.; Krüger, J.; Frie-drich, B.: Grain refining optimisationtion ofA356 alloy by Mn-addition. 6th Internat.Conf. of semi-solid processing of alloys andcomposites, 2000, Turin, 753-758

Krüger, J.: Sauerstoffeinsatz bei den Bad-und Schwebeschmelzprozessen der NE-Me-tallurgie, Vorträge zum 37. MetallurgischenSeminar des Fachausschusses für Metallurgi-sche Aus- und Weiterbildung der GDMB,2000, 9-28

Hanusch, B.; Krüger, J.: Optimierung derFeuerraffination in einer Kupfer-Se-kundär-hütte, Vorträge zum 37. Metallurgischen Se-minar des Fachausschusses für Metallurgi-sche Aus- und Weiterbildung der GDMB,2000, 223-238

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Documents

IME Metallurgische Prozesstechnik und Metallrecycling der ... · elektrowärme international · Heft 3/2003 · September INSTITUTE STELLEN SICH VOR 1 Allgemeines Das IME in Aachen