Mechanisms and Process Model of Ultra-Refining of Metals by Crystallization via a rotating cooled cylinder
Final Report Abstract
Im Projekt wurden experimentelle und numerische Untersuchungen zu einem alternativen Kristallisationsverfahren für die Synthese hochreiner Metalle mittels eines rotierenden Kristallisators ("Kühlfingerverfahren") durchgeführt. Eine morphologisch stabile, planare Erstarrungsfront ist eine notwendige Voraussetzung für die Aufreinigung, d.h. Anreicherung der Verunreinigungen in der zuletzt erstarrenden Schmelze. Die Effizienz der Reinigung wurde beispielhaft an Aluminium mit niedrigen Fe, Mn, Si und Pb Konzentrationen untersucht. Kristallisationsexperimente und Messungen zum Reinigungseffekt wurden beim Partner IME durchgeführt, beim Partner IOB wurden der Kühlfingerprozess durch makroskopische Simulationen zur Temperaturverteilung und zur Schmelzeströmung auf der Längenskala des kompletten Ofens beschrieben. Die eigenen Arbeiten fokussierten sich auf die quantitative Analyse der Abhängigkeiten der Erstarrungsfrontmorphologie von prozessinduzierten Einflussgrößen, d.h. Temperaturfeld und Strömungsverhältnisse an der Erstarrungsfront. Dazu wurde ein CALPHAD gekoppeltes Phasenfeldmodell für die transiente Simulation der Erstarrungsmorphologie aufgebaut. Mit Hilfe dieses Modells wurden systematisch Simulationen zum Erstarrungsverlauf, ausgehend von der ersten Keimbildung am Kühlfinger bis hin zu einem quasi-stationären Zustand, für unterschiedlichste Prozessbedingungen durchgeführt. Die Phasenfeldsimulationen lieferten u.a. folgende Erkenntnisse: Die Keimbildungsunterkühlung von fcc-Al auf dem Kühlfinger sollte unterhalb von 1°K liegen, anderenfalls bildet sich zunächst eine Zone mit zellularer Erstarrungsstruktur, bei der die Verunreinigungen in den interzellularen Bereichen eingelagert werden. Die sich danach, bei konstanten Prozessbedingungen entwickelnde, quasi-stationäre Erstarrungsfrontmorphologie wurde in Form sogenannter Morphologiediagramme systematisch untersucht. In einem solchen Diagramm wird die Erstarrungsfrontmorphologie, z.B. in Form der Elementverteilung, zweidimensional als Funktion der Frontgeschwindigkeit V und des Temperaturgradienten G dargestellt. Die Diagramme zeigen z.B. den Übergang von planarem zu zellularem Wachstum mit abnehmendem G und zunehmendem V. Ein hoher Temperaturgradient und eine niedrige Geschwindigkeit stabilisieren zwar generell die planare Front, sind aber in Bezug auf Energieverbrauch (hoher Wärmestrom) und Prozesszeiten ungünstig, sodass für eine Energieeffiziente Reinigung eine Prozessführung entlang des planar-zellular Übergangs angestrebt werden sollte. Für eine Al-Schmelze mit Verunreinigungskonzentrationen von 0.0114 wt% Mn, 0.0048 wt% Fe und 0.0046 wt% Si kann der Erstarrungsprozess bei einem Temperaturgradienten G=8 K/cm beispielsweise mit v<=9 Mikrometer/s gefahren werden, um eine Reinigungswirkung sicherzustellen. Je geringer die Verunreinigungskonzentration, desto höhere Frontgeschwindigkeiten bzw. kleinere Gradienten sind möglich. Ein weiterer bestimmender Parameter ist die Dicke der diffusiven Randschicht vor der Front, die durch die Rotationsgeschwindigkeit des Kühlfingers eingestellt werden kann. In der Gesamtschau der Ergebnisse aller Projektpartner konnte gezeigt werden, dass eine mehrskalige Betrachtung, von der Erstarrungsfrontmorphologie auf µm-Skala bis hin zur makroskopischen Simulation des Ofens auf 10 cm-Skala für die Entwicklung und Auslegung des "Kühlfingerverfahrens" zur Synthese hochreiner Metalle notwendig ist. Die sich ausbildende Erstarrungsfrontmorphologie definiert die sinnvolle Auslegung der Prozessfenster. Als wesentliches Ergebnis bleibt festzuhalten, dass eine bezüglich Energieeffizienz und Reinigungseffekt günstige Prozessführung vom Verunreinigungsgehalt des Ausgangsmaterials abhängt. Das Verfahren wird umso effizienter, je "sauberer" das Ausgangsmaterial ist, d.h. es ist insbesondere geeignet hochreine Metalle herzustellen. Weitere Effizienzgewinne lassen sich durch eine instationäre Prozessführung erreichen.
Publications
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Alternative fractional crystallization-based methods to produce high-purity aluminum. Journal of Materials Research and Technology, 12, 796-806.
Curtolo, Danilo C.; Rodriguez-Rojas, Martin J.; Friedrich, Semiramis & Friedrich, Bernd
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High- and Ultra-High-Purity Aluminum, a Review on Technical Production Methodologies. Metals, 11(9), 1407.
Curtolo, Danilo C.; Xiong, Neng; Friedrich, Semiramis & Friedrich, Bernd
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Phase field assisted analysis of a solidification based metal refinement process. Materials Theory, 6(1).
Viardin, A.; Böttger, B. & Apel, M.
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The Effectiveness of Cooled-Finger and Vacuum Distillation Processes in View of the Removal of Fe, Si and Zn from Aluminium. Metals, 12(12), 2027.
Gotenbruck, Michaela; Curtolo, Danilo C.; Friedrich, Semiramis & Friedrich, Bernd
