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Flotation zur Entfernung von Einschlüssen in schmelzflüssigem Metall

  
Motivation

In der Metallurgie spielt die Verhinderung von unerwünschten Einschlüssen eine Schlüsselrolle bei der Sicherstellung und Verbesserung der Reinheit von Strukturwerkstoffen, z.B. Aluminiumlegierungen oder Stählen. Aus werkstoffwissenschaftlicher Sicht wirken die nicht-metallischen Einschlüsse, die im Mittel einen Durchmesser von 10 µm aufweisen, als dreidimensionale Defekte im metallischen Werkstoffgefüge. Einschlüsse beeinflussen die Werkstoffeigenschaften negativ, indem ihre Anwesenheit beispielsweise in einer lokalen Spannungsüberhöhung resultiert und sich die Ermüdungsfestigkeit verringert, sodass letztendlich die Qualität des Halbzeugs oder Bauteils vermindert wird.

In industriellen metallurgischen Prozessen, z.B. bei der Pfannen- bzw. Sekundärmetallurgie zur Stahlherstellung, wird die Entfernung der Einschlüsse, zumindest die Reduzierung ihrer Größe und Konzentration, angestrebt. Hierzu erfolgt im schmelzflüssigen Zustand ein Aufrühren der Metalllegierung mittels Gasblasen, die aufgrund von chemischen Reaktionen im Schmelzbad entstehen oder durch in den Schmelztiegel eingeleitet werden. Infolgedessen erhöht sich die Wahrscheinlichkeit für ein Zusammenstoßen von Einschlüssen und der Bildung von Aggregationen. An Gasblasen anhaftende Einschlüsse werden aufwärts zur Oberfläche des Schmelzbads transportiert, von der Schlacke absorbiert und können schließlich entfernt werden.

Mehrphasenströmungsexperimente zur Interaktion von Einschlüssen bei der Flotation in flüssigen Metallen sind Forschungsthema innerhalb des Projekts FLOTINC, gefördert von der Agence nationale de la recherche (ANR) und der Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG). Schmelzflüssige Metalle weisen eine signifikant höhere Oberflächenspannung als Wasser auf, sodass die experimentellen Untersuchungen mit Flüssigmetall durchgeführt werden. „Kalte“, auf dem Element Gallium basierende Metalllegierungen, die bereits bei Raumtemperatur (~ 25 °C) flüssig sind, werden ohne zusätzliche Heizvorrichtungen verwendet. Die Untersuchung der Mehrphasenströmungen im opaken Flüssigmetall erfolgt durch bildgebende Messverfahren mittels Röntgenstrahlen. Hierzu stehen in den Laboren am HZDR verschiedene Radiographie-Versuchsaufbauten zur Verfügung. Weiterhin wurden erste Strömungsexperimente in Kombination mit Bildgebung durch Neutronenstrahlung an der Spallations-Neutronenquelle (SINQ) des Schweizer Paul Scherrer Instituts (PSI) unternommen. Die Modellexperimente zielen auf das Abbilden vom Gasblasen und Einschlüssen in Form von festen Partikeln sowie deren Dynamik im Flüssigmetall ab.

Link zum FLOTINC Projekt

  
Experimentelle Untersuchung mit bildgebenden Verfahren, mittels Röntgen- und Neutronenstrahlung

Das Messprinzip, sowohl für die Bildgebung mittels Röntgen- als auch Neutronenstrahlen, basiert auf der materialspezifischen Schwächung der durch die Messzelle transmittierten Strahlung. Als Messergebnis aller Strömungsexperimente liegen Graufarben-Bilder bzw. Bildsequenzen vor. Sie zeigen die zweidimensionale und daher tiefen-limitierte Projektion der aufsteigenden Gasblasen und sich bewegenden Partikel innerhalb des Flüssigmetallvolumens. Die räumliche und zeitliche Auflösung der Abbildung mittels Röntgen- bzw. Neutronenstrahlung hängt wesentlich vom Versuchsaufbau zur Bildgebung als auch der Auslegung des Strömungsexperiments ab.

TL 1

Messprinzip, basierend auf dem Lambert-Beer’schen Gesetz.

TL 2

Experimentelle Versuchsanordnung für die Bildgebung mit transmittierter Röntgen- oder Neutronenstrahlung.

  
Vorläufige Ergebnisse

Die Bildgebung mit Röntgenstrahlen liefert quantitative Ergebnisse der zweidimensional abgebildeten Blasenströmung, einschließlich Informationen über die Trajektorien der Blasen, deren Durchmesser und Geschwindigkeit. Die Materialauswahl für geeignete Partikel ist eingeschränkt: Der Schwächungskoeffizient für Röntgenstrahlung ist eng verknüpft mit der Massendichte, die wiederum stark das Strömungsverhalten der Partikel beeinflusst.

TL 3

Bildgebung mittels Röntgenstrahlung: Blasenkette in flüssiger Gallium-Legierung; quantitative Analyse durch Fitten der Blasenprojektionen als Ellipsen (Video).

TL 4

Bildgebung mittels Röntgenstrahlung: kugelförmige Hartmetall-Partikel in flüssiger Gallium-Legierung während Gaseinleitung.

Die Bildgebung mittels Neutronenstrahlung ermöglicht das Abbildung und Verfolgen von submillimetergroßen Gadolinium-Partikeln in der Flüssigmetallströmung. Das Element Gadolinium weist einen herausragend hohen Schwächungskoeffizienten für Neutronenstrahlung auf, und die Massendichte ist ähnlich der Dichte der flüssigen Gallium-Legierung. Im Vergleich zur Bildgebung mittels Röntgenstrahlung können die verwendeten Partikel daher einen geringeren Durchmesser aufweisen. Dies gestattet die Anpassung der Strömungsbedingungen im Experiment an die Partikelgröße und -form.

TL 5

Bildgebung mittels Neutronenstrahlung: verschiedene Fraktionen von submillimetergroßen Gadolinium-Partikeln, im Vergleich zu flüssiger Gallium-Legierung.

  
Referenz

Zhang, L. F., Thomas, B. G. (2003). State of the art in evaluation and control of steel cleanliness. ISIJ International, 43(3), 271-291. doi:DOI 10.2355/isijinternational.43.27


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