Institut für Metallurgische Prozesstechnik und Metallrecycling
Das IME unter der Leitung von Professor Karl Bernhard Friedrich vertritt die metallurgische Prozesstechnik mit dem Schwerpunkt „Nichteisenmetalle“ in Forschung und Lehre. Die Kernziele sind eine praxisbezogene Ausbildung von Prozessingenieuren sowie die Entwicklung nachhaltig umweltschonender und kosteneffizienter Verfahren zur Herstellung metallischer, insbesondere nichteisenbasierter Werkstoffe. Besondere Schwerpunkte bilden das Recycling sowie die Entwicklung und Optimierung von Verfahren für komplexe Hochleistungsmetalle. Hierbei werden neu entwickelte Verfahren, ausgehend von anwendungsorientierten Grundlagenarbeiten experimentell bis in den Demonstrations-Maßstab erprobt. Eine industrienahe Entwicklung erfolgt immer unter Einbeziehung der Wirtschaftlichkeitsprüfung.
Forschungsschwerpunkte
Viele der aktuellen Forschungsprojekte des IME bilden sich in den beiden folgenden Hauptarbeitsgruppen ab.
A) Vakuummetallurgie und Umschmelztechnik
Die Darstellung moderner Hochleistungswerkstoffe erfolgt gegenwärtig durch das sogenannte Triple Melt Verfahren, um beispielsweise die in der Luft‑ und Raumfahrt geltenden Sicherheitsanforderungen zu erfüllen. Diese beinhalten in erster Linie die genaue Einhaltung enger Toleranzen in der chemischen Zusammensetzung sowie die Minimierung möglicher Erstarrungsfehler und Materialdefekte während der Legierungsherstellung.
Durch die Ausstattung des IME mit mehreren Vakuuminduktionsöfen (VIM) verschiedener Größen, einer Elektroschlackeumschmelzanlage (ESR) und einem Vakuumlichtbogenofen (VAR) kann das Triple Melt Verfahren vollständig im 100 kg Maßstab abgebildet werden. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, Werkstoffe unter Hochvakuum im sogenannten Elektronenstrahlofen umzuschmelzen. Diese Verfahren bieten vielfältige Möglichkeiten, Experimente zur Grundlagenforschung und Verfahrensoptimierung durchzuführen.
Zu den typischen Werkstoffen, die mit Hilfe solcher Prozesse erzeugt werden, gehören sogenannte Superlegierungen auf Nickel-, Eisen- oder Kobaltbasis, Sonderstähle sowie Titan und Titanlegierungen. Dabei wird in einem ersten Schritt die grundlegende Zusammensetzung der Legierung durch das konstituierende Erschmelzen im Vakuuminduktionsofen erzeugt, während im darauffolgenden Elektroschlacke‑ und Vakuumlichtbogenumschmelzprozess die notwendige Gefügehomogenität und der erforderliche Reinheitsgrad sichergestellt werden.
B) Recycling
Die Recyclingmetallurgie ist Leuchtturm unserer Arbeit. Reaktoren bis in den Tonnenmaßstab werden im IME Research Recycling Center (IRRC) zur Verarbeitung aufbereiteter Alt-Batterien, verbrauchter Katalysatoren aber auch industrieller Reststoffe wie Stäube, Schlämme oder Schlacken erprobt. Durch geschickte Kombination verschiedener Abfälle, Reduktionsmittel und Hilfsstoffe in angepassten Prozessfensterbereichen kann die Ressourceneffizienz maximiert werden. Als weitere Kerngebiete der Recyclinggruppe sind beispielhaft zu nennen:
Schlackenmetallurgie:
Kenntnisse über die Schlackenmetallurgie sind für viele metallurgische Prozesse existenziell. Daher kann dieses Thema am IME weitreichend untersucht werden. Zum einen können die Schlackeneigenschaften wie z.B. Dichte, Viskosität, Oberflächenspannung und elektrische Leitfähigkeit bestimmt werden. Zum anderen können Metall-Schlacke-Gleichgewichte durch thermodynamische Berechnungen beschrieben und in praktische Kleinversuche validiert werden, bevor sie im Tonnenmaßstab im institutseigenen Top-Blown-Rotary-Converter (TBRC) und / oder im Elektroschmelzofen im industrienahen Maßstab erprobt werden.
Prozessentwicklung:
Recyclingprozesse für immer vielfältigere Schrotte stellen auch immer neue Herausforderungen dar. Am IME können große Teile der Prozesskette abgebildet werden. Der Startpunkt liegt in der Brikettierung oder Pelletierung des Ausgangsmaterials. In den nächsten Schritten folgen geeignete Schmelz- und Raffinationsverfahren. So entsteht Schritt für Schritt aus dem zu recycelnden Vormaterial ein verkaufsfähiges Produkt.
C) Hydrometallurgie
Die Hydrometallurgie steht für diverse nasschemische Verfahren, wie Laugung, Fällung, Elektrolyse, Solventextraktion oder Nanopartikelsynthese. Die besonderen Stärken dieser Verfahren sind die hohe Selektivität bei der Trennung chemischer Elemente und der niedrige Energieverbrauch einhergehend mit niedriger Emission.
Mittels Fällung werden Elemente selektiv aus Lösungen niedergeschlagen. Durch Laugung werden Elemente aus Feststoffen heraus gelöst. Die Elektrolyse dient der Gewinnung eines Metalls an der Kathode durch Reduktion gelöster Ionen. Zur selektiven Trennung von Elementen mit nahezu gleichen Eigenschaften kommt die Solventextraktion zum Einsatz. Die Nanopartikelsynthese erlaubt die Herstellung von bsw. 100 nm großen Partikeln, die sich in Kern und Schale in der chemischen Zusammensetzung unterscheiden und somit unterschiedliche Stoffeigenschaften in einem Partikel vereinen können.
Somit ermöglicht es die Hydrometallurgie auf der einen Seite polymetallische Erze aufzuschließen und Reststoffe mit niedrigen Metallkonzentrationen zu recyceln. Auf der anderen Seite bietet sie Verfahren zur Synthese maßgeschneiderter Werkstoffe.
Die Hydrometallurgie ist also ein wichtiges Werkzeug um die Ressourcenknappheit und die immer strengeren Anforderungen an das Recycling bewältigen zu können.