Mechanismen und Prozessmodell der Ultraraffination von Metallen durch Kristallisation an einem rotierenden Kühlzylinder

• Antragsteller: Dr. Markus Apel; Professor Dr.-Ing. Bernd Friedrich; Professor Dr.-Ing. Herbert Pfeifer
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 421743304

Das Vorhaben zielt auf die Erforschung einer alternativen Methode zur Synthese reinster Metalle. Das Kernelement ist die fraktionelle Kristallisation, umgesetzt mit einem innengekühlten rotierenden Kristallisator (kurz „Kühlfinger“), an dem das Reinstmetall aus einer verunreinigten Schmelze aufwächst. Diese Methode hat im Erfolgsfalle das Potential, das aktuelle Zonenschmelz-Verfahren abzulösen. Jedoch ist das Verständnis für eine effektive Anwendung dieses Verfahrens, insbesondere der Prozess kontrollierenden Parameter als auch eine Beschreibung der im Prozess wirksamen Mechanismen, derzeit nicht vorhanden. Durch Zusammenspiel von thermophysikalischen Berechnungen und Erstarrungssimulation auf makroskopischer Prozess- und mikroskopischer Gefügeskala sollen die Entmischungsvorgänge an der fortschreitenden Phasengrenze quantitativ beschrieben und mit Verfahrensparametern in Beziehung gesetzt werden. Umfangreiche DoE gestützte experimentelle Untersuchungen zur Überprüfung und Absicherung der numerischen Vorhersagen werden mit Aluminium durchgeführt. Aluminium wurde hier als Modellmetall gewählt, da die für die Simulation benötigten thermodynamischen- und physikalischen Daten vorliegen und so eine quantitative Untersuchung der grundlegenden Prinzipien und der dominierenden Prozessparameter für das Kühlfingerverfahren ermöglicht wird. Aluminium ist kostengünstig in verschiedenen Reinheiten erhältlich, was eine nicht unerhebliche Reduzierung der Forschungskosten bedeutet. Als Projektergebnisse werden Prozessfenster für eine effiziente Reinigung und die dazugehörigen Parameter und Prozessmodelle für die Kontrolle der Erstarrungsfrontdynamik angestrebt. Durch die Zusammenarbeit von drei Arbeitsgruppen mit unterschiedlichen Forschungsschwerpunkten soll ein quantitatives Verständnis für die Potentiale dieses bislang unerforschten Kristallisationsverfahrens geschaffen werden. Das physikalisch gestützte Simulationsmodell wird eine vereinfachte Übertragung auf andere Legierungssysteme ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Dr. Bernd Böttger; Dr.-Ing. Semiramis Friedrich