FOR 1372: Prozessstufenminimierte Herstellung von Titan und Titanlegierungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Zielstellung der Forschergruppe 1372/1 war die Verfahrensentwicklung einer prozessstufenminimierten Herstellung von Titan und Titanlegierungen. Partner waren 6 Forschungsinstitute aus den Gebieten Metallurgie, Chemie, Aufbereitung, Keramik und Thermodynamik. Es wurden 2 Routen verfolgt: die Aluminothermie und die Iodierung. Ausgegangen werden sollte von natürlichen Titanerzkonzentraten. Für die Route der Aluminothermie waren vorgesehen das reduzierende Schmelzen unter Verwendung von CaO als Flussmittel zur Herstellung einer hochangereicherten TiO2-Schlacke und die mechanische Aktivierung von natürlichen TiO2-Konzentraten mit Hilfe der Schwingmahlung. Die Herstellung von Titanlegierungen sollte zum Einen mit der Flüssigphasen-Aluminothermie und zum Anderen mit der Feststoffaluminothermie erfolgen. Gleichzeitig sollten die Konditionierungsprodukte Titanschlacke und mechanisch aktivierte Titanerzkonzentrate Vorstoffe für die Route der Iodierung sein. Die Herstellung einer Titanschlacke mit CaO als Flussmittel konnte aus technischen Gründen nicht in ausreichenden Mengen hergestellt werden, so dass die aluminothermische Flüssigphasen-Aluminothermie nicht ausgeführt werden konnte. Die Komplexität des ternären Systems Ti-C-O bei der durchgehenden Löslichkeit zwischen den binären Phasen TiOx und TiCy stellte die thermodynamische Modellierung vor größere Herausforderungen. Es wurde eine allgemeine Strategie für den Aufbau solcher komplexer Phasen in Kooperation mit der McGill University entwickelt. Die mechanische Aktivierung als Konditionierungsmethode führte zu einem neuen hydrometallurgischen Verfahren für die Gewinnung von synthetischem TiO2 (Anatas) aus Ilmeniten durch reduzierende Laugung von Ilmenit-Aluminiumagglomeraten unter Normalbedingungen bei 50oC. Der Einsatz von synthetischem TiO2 und mechanisch aktiviertem TiO2 (Rutilerz) für die Feststoffaluminothermie ergab idealen Abbrand, sehr gute Phasentrennung und optimale Metallausbeute. Dieses Ergebnis konnte erreicht werden durch den Beitrag der Keramik und Feuerfeststofftechnologie, die auf der Basis von CaO, CaZrO3 und CaTiO3 Tiegel bereitstellte, die bei Reaktionstemperaturen von ca. 1800oC stabil bleiben. Unerwartet positiv wirkte sich außerdem die mechanische Aktivierung auf den Boosterbedarf (Reaktionsbeschleuniger) aus. Durch die mechanische Aktivierung wird der Enthalpiebetrag der Einsatzmischung der Feststoff-Aluminothermie so stark erhöht, dass auf 30% des Boostereinsatzes verzichtet werden kann. Aus ökonomischer und ökologischer Sicht ergeben sich durch die gefundene modifizierte Verfahrenstechnik bei der Feststoff-Aluminothermie zur Herstellung von TiAlV-Legierungen folgende Vorteile: Minimierung der Prozessstufen durch Verzicht auf das Sulfat- bzw. Chloridverfahren. - Einsatz natürlicher kostengünstiger Erz-Konzentrate bzw. synthetischer TiO2-Konzentrate und damit Kostenverminderung um bis zu 50%. - Verminderung des Zusatzes von Boostern (Reaktionsbeschleunigern) um mindestens 30%; Geringere der Abgasbelastung durch KCl als Folge der Boosterverminderung. - Senkung des Kaliumgehaltes in den TiAl-Legierungen und damit Reduzierung des Umschmelzaufwandes ebenfalls als Folge der Boosterverminderung und Herabsetzung des spezifischen Energieaufwandes. Die Iodidroute zur Herstellung von reinem Titanmetall führte zu Metallausbeuten bis zu 50%. Aufgrund des bisher sehr begrenzten Massenumsatzes ging dieser Verfahrensvorschlag nicht in die zweite Phase des Projektes als Erkenntnistransferprojekt ein.
