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Projekt
Exploration des Kompositionsphasenraums metallurgischer Schlackenmodelle für ein rationales Design von Prozessen der Refraktärmetallgewinnung durch Schmelzen und Rekristallisation
Fachliche Zuordnung
Mechanische Verfahrenstechnik
Förderung
Förderung seit 2021
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 470366582
Die Vielfältigkeit von Multikomponentenoxiden in Schlackensystemen bietet große Vorteile hinsichtlich eines breiten Portfolios an kristallinen Phasen, die durch selektive Abtrennung aus der Schlackenmatrix zurückgewonnen werden können. Metallurgische Zinn- und Kupferschlacken stellen Abfallströme mit großem Recyclingpotential für Refraktärmetalle (Co, Ta, Nb) dar, die mittels Engineered Artifical Mineral (EnAM) Phasen aus der Schlackematrix zurückgewonnen werden können. In der ersten Phase wurde eine rationale Methodik implementiert, mittels welcher neue EnAM Phasen (z.B. CoFe2O4) mit einer überwachten Exploration des Phasenraums einer Schlacke identifiziert werden können. Die Nukleations- und Wachstumsmechanismen ebendieser Kristalle in der Schlackematrix sind jedoch weitestgehend unbekannt. Dadurch ergeben sich große Herausforderungen für ein Prozessdesign, das (i) eine ausreichende Beladung der Kristalle mit wertvollen, zurückzugewinnenden Elementen und (ii) die Wirtschaftlichkeit in Bezug auf technisch relevante Zeitskalen (Prozessgeschwindigkeit) und Umsatz (Prozesseffizienz) gewährleistet. Dieses Projekt fokussiert die experimentelle und simulative Untersuchungen der Kristallisationsmechanismen von identifizierten EnAM Phasen reich in Refraktärmetallen unter nicht-isothermer Prozessierung mit dem Ziel Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramme (ZTU) für multikristalline Oxidsysteme zu entwickeln. Die Arbeiten vereinen simulative Molekulardynamikmethoden mit Schlackesynthese und Schmelzversuchen sowie experimenteller Materialcharakterisierung, um ein umfassendes Verständnis des Kristallisationsverhalten eines komplexen Schlackensystems zu erhalten. Unsere Leithypothese ist, dass die Bildung einer potenziellen EnAM-Phase auf molekularer Ebene es uns ermöglicht, die Thermodynamik und Kinetik der Phasenbildung zu bewerten und Prozessrichtlinien für kontrolliertes Schmelzen und Abkühlen abzuleiten, die zur EnAM-Bildung mit hohen Rückgewinnungsraten führt. Die Untersuchungen zu dieser Hypothese werden in vier Schritten strukturiert: (1) Implementierung eines effizienten Ansatzes aus maschinellen Lernen (ML) und Molekulardynamik (MD) zur Simulation der EnAM-Nukleation; (2) Schlackensynthese mittels Doppelflammen-Sprühpyrolyse (DFSP) und in-situ Mischen mit Kristallkeimen für die EnAM Bildung als Modellmaterial; (3) ML-MD Simulationen des EnAM-Grenzflächenwachstums in der Schlackematrix und (4) die kontrollierte Kristallisation der Modellschlacken unter definierten Abkühlungsbedingungen innerhalb eines laser-induzierten Schmelzprozesses und Wärmebehandlungen. Wir erwarten, dass unsere Studie tiefgreifende Kenntnisse über die Thermodynamik und Kinetik der Bildung von mit Refraktärmetallen angereicherten Kristallphasen aus Mehrkomponentensystemen liefern wird, die auf reale Schlacken und Prozesse im industriellen Maßstab übertragbar sind.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
