Thermochemische Modellierung der prozessstufenminimierten Titangewinnung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Teilprojekts TP6 wurden thermochemische Aspekte der prozessstufenminimierten Herstellung von Titan untersucht. Das komplexe System Ti-Al-Ca- O wurde in Subsysteme aufgeteilt, die bereits vorhandene Daten kritisch ausgewertet und in den Modellierungen und Berechnungen wieder in das komplexe System zusammengefügt. Auf der oxidischen Seite wurde eine neue thermodynamische Modellierung des binären Systems Ti-O als eine wichtige Grundlage für die komplexen Schlacken entwickelt, diese quantitative Calphad Modellierung wurde publiziert. Für die Reduktion des Titans aus den natürlichen Quellen (Rutil, Ilmenit) mittels Kohlenstoff wurden thermochemische Untersuchungen durchgeführt mit denen die experimentellen Arbeiten im Teilprojekt TP4 unterstützt wurden. Um die Phasengleichgewichte im Reduktionsprozess abzubilden wurde ein Ansatz zur Modellierung des ternären Systems Ti-C-O gemacht. Die Komplexität des ternären Systems vor allem bei der durchgehenden Löslichkeit zwischen binären Phasen TiOx und TiCy stellte die Modellierung vor größere Herausforderungen. Dafür wurde eine allgemeine Strategie für die Aufbau solcher komplexen Phasen in einer Kooperation mit Prof. Jung (McGill University) entwickelt und am Beispiel von uns erarbeiteten Modellierung des Ti-C-O Systems demonstriert. Für die metallische Seite wurden erstmalig das binäre Ca-Ti und das ternäre Al-Ca-Ti System erarbeitet. Dabei haben wir eine Kombination von experimentellen Untersuchungen mit quantitativer thermodynamischer Modellierung eingesetzt. Die thermodynamische Beschreibungen für die Ca-Ti und Al-Ca-Ti Systeme und die berechneten Phasendiagramme, zusammen mit den experimentellen Ergebnissen, wurden bereits veröffentlicht und für das Prozessmodel angewendet. Festkörper-Gas Reaktionen wurden in einer Kooperation mit Teilprojekt TP4 thermodynamisch untersucht. Die Reduktion von Ti-Quellen mit reinem Kohlenstoff, bzw. Teilreduktion mit dem Kohlenstoff und gleichzeitigem Iodierung wurden thermochemisch berechnet und Produkte solcher Reaktionen mit den experimentellen Untersuchungen von TP4 verglichen und ausgewertet. Ebenso wurden die thermochemischen Berechnungen für Reduktion der Titaniodide durchgeführt und mit den Ergebnissen vom Teilprojekt TP4 verglichen. In enger Kooperation mit dem Teilprojekt TP1 (Prof. Spitzer, TU Clausthal) wurde eine Basis für das Prozessmodel der Flüssigphasen-Aluminothermie gelegt. Ausgehend von unseren entwickelten vereinfachten Datensätzen für das Ti-Al-Ca-O System wurden thermodynamische Gleichgewichte berechnet. Eine wesentliche Verbesserung des Prozessmodels ist mit einem Zugang zu zuverlässigen experimentellen Daten verbunden. Die vorgelegten Ergebnisse in der Beschreibung der Wechselwirkung im komplexen System Ti-Al-Ca-O stellen eine wichtige Basis für die prozessstufenminimierte Herstellung von Titan dar. Eine Verfeinerung der Modellierung war in der ersten Phase der Forschergruppe nicht geplant. Für eine solche Weiterentwicklung wurde jedoch durch unsere Arbeiten eine solide Basis erzeugt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Experimental investigation and thermodynamic assessment of the Al–Ca–Ti system. Journal of Materials Science, 2015
M. Hampl, R. Schmid-Fetzer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s10853-015-9130-x) - Thermodynamic description of the Ti–O system, International Journal of Materials Research, Vol. 106, No. 5, (2015) pp. 439-453
M. Hampl, R. Schmid-Fetzer
(Siehe online unter https://doi.org/10.3139/146.111210)
