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T1 - Schlackenmetallurgie beim Recycling von niedrig tantalhaltigen Reststoffen

AU - Hofer, Dominik

N1 - gesperrt bis 20-07-2025

PY - 2020

Y1 - 2020

N2 - Mit seinem hohen Schmelzpunkt von 2996 °C zählt Tantal (Ta) zu den sogenannten Refraktärmetallen. Dank einzigartiger mechanischer sowie chemischer Eigenschaften sind die Hauptanwendungen hochtechnologische Produkte (z.B.: Kondensatoren, Superlegierungen oder Sputtertargets). Aufgrund seiner enormen wirtschaftlichen Bedeutung und des Versorgungsrisikos ist Ta seit 2017 als kritischer Rohstoff für die Europäische Union eingestuft. Verbesserte Recyclingverfahren bieten aussichtsreiche Möglichkeiten hinsichtlich zukünftiger Preisstabilität, verringerter Importabhängigkeit wie auch Steigerung der End of Life Recyclingrate, welche derzeit weniger als ein Prozent ausmacht. Die Produktion von synthetischem Konzentrat in einem mehrstufigen pyrometallurgischen Prozess entspricht trotz den dabei anfallenden beträchtlichen Mengen an hochschmelzender Schlacke dem aktuellen Stand der Technik. Im Rahmen dieser Forschungsarbeit durchgeführte umfassende Untersuchungen betreffend Schmelzverhalten, Zusammensetzung und Viskosität bilden die Grundlage zur Nachstellung des Verfahrens im Kleinmaßstab. Eine entscheidende Rolle dafür spielt die Bestimmung charakteristischer Temperaturen anhand mehrerer Versuchsreihen im Erhitzungsmikroskop sowie deren Bestätigung durch thermodynamische Berechnungen mittels FactSage. Neben etablierten Viskositätsmodellen helfen Messungen in einem Hochtemperaturrheometer für ein besseres Prozessverständnis beim Blockschmelzen. Der Einsatz von ausgewählten Additiven sowie eine zweistufige Schlackenfahrweise beschleunigen die Absetzung des Metalls aus der Schlacke, wodurch ein verringerter Energiebedarf bei gesteigerter Prozessausbeute möglich ist. Schmelzversuche im Induktions- beziehungsweise Elektrolichtbogenofen schaffen die Grundlage für das Upscaling der getesteten Weiterentwicklungen in den kleinindustriellen Maßstab. Innovative Recyclingverfahren bieten die vielversprechendsten Chancen zur Erreichung zukünftiger ökonomischer und ökologischer Ziele sowie zur Sicherung einer nachhaltigen Versorgung mit konfliktfreiem Tantal.

AB - Mit seinem hohen Schmelzpunkt von 2996 °C zählt Tantal (Ta) zu den sogenannten Refraktärmetallen. Dank einzigartiger mechanischer sowie chemischer Eigenschaften sind die Hauptanwendungen hochtechnologische Produkte (z.B.: Kondensatoren, Superlegierungen oder Sputtertargets). Aufgrund seiner enormen wirtschaftlichen Bedeutung und des Versorgungsrisikos ist Ta seit 2017 als kritischer Rohstoff für die Europäische Union eingestuft. Verbesserte Recyclingverfahren bieten aussichtsreiche Möglichkeiten hinsichtlich zukünftiger Preisstabilität, verringerter Importabhängigkeit wie auch Steigerung der End of Life Recyclingrate, welche derzeit weniger als ein Prozent ausmacht. Die Produktion von synthetischem Konzentrat in einem mehrstufigen pyrometallurgischen Prozess entspricht trotz den dabei anfallenden beträchtlichen Mengen an hochschmelzender Schlacke dem aktuellen Stand der Technik. Im Rahmen dieser Forschungsarbeit durchgeführte umfassende Untersuchungen betreffend Schmelzverhalten, Zusammensetzung und Viskosität bilden die Grundlage zur Nachstellung des Verfahrens im Kleinmaßstab. Eine entscheidende Rolle dafür spielt die Bestimmung charakteristischer Temperaturen anhand mehrerer Versuchsreihen im Erhitzungsmikroskop sowie deren Bestätigung durch thermodynamische Berechnungen mittels FactSage. Neben etablierten Viskositätsmodellen helfen Messungen in einem Hochtemperaturrheometer für ein besseres Prozessverständnis beim Blockschmelzen. Der Einsatz von ausgewählten Additiven sowie eine zweistufige Schlackenfahrweise beschleunigen die Absetzung des Metalls aus der Schlacke, wodurch ein verringerter Energiebedarf bei gesteigerter Prozessausbeute möglich ist. Schmelzversuche im Induktions- beziehungsweise Elektrolichtbogenofen schaffen die Grundlage für das Upscaling der getesteten Weiterentwicklungen in den kleinindustriellen Maßstab. Innovative Recyclingverfahren bieten die vielversprechendsten Chancen zur Erreichung zukünftiger ökonomischer und ökologischer Ziele sowie zur Sicherung einer nachhaltigen Versorgung mit konfliktfreiem Tantal.

KW - Tantalum

KW - Slag

KW - Melting behaviour

KW - Hot stage microscope

KW - Viscosity

KW - Tantal

KW - Schlacke

KW - Schmelzverhalten

KW - Erhitzungsmikroskop

KW - Viskosität

M3 - Dissertation

ER -