Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Gewinnung eines hochschmelzenden Metalls, bei dem aus einem Vormaterial das zu gewinnende Metall durch eine bezüglich ihrer Energiebilanz exotherme Redoxreaktion gewonnen wird.

Die Gewinnung von hochschmelzenden Metallen oder Metalllegierungen ist relativ aufwendig. Benötigt werden hierfür etliche Erzaufbereitungsprozesse sowie ein mehrfaches Ein- bzw. Umschmelzen des jeweils vorbereiteten Vormaterials. Typische Legierungen dieser Art sind solche unter Verwendung der Elemente Ti, V, Ni, Ta, Cr, Mo, Nb und W. In der Natur kommen diese Übergangsmetalle als Oxide und Hydroxide und weitere keramische Verbindengen vor. Mitunter weisen diese Verbindungen Begleitelemente wie beispielsweise Pb, Fe, Ca, Si oder Mg auf.

Aus US 7 527 669 B2 ist ein Verfahren bekannt, bei dem für das Erschmelzen des zu gewinnenden Metalls dieses zusammen mit einem reaktiven Metall in ein Reaktionsgefäß eingebracht wird. Als Reaktionsmittel können Li, Ca oder Mg eingesetzt werden. Das Reaktionsmittel wird genutzt, damit nach einem Zünden desselben eine hinreichend hohe Wärmeenergie erzeugt wird, dass das zu gewinnende Metall aus dem Vormaterial erschmolzen werden kann. Um diesen exothermen Vorgang auszulösen, wird das Reaktionsmittel in geeigneter Weise gezündet. Als Reaktionsprodukte bleiben durch diese Reaktion aus dem Vormaterial erschmolzenes Metall oder eine erschmolzene Metalllegierung und Schlacke in dem Reaktionsgefäß zurück. Das erschmolzene Metall bzw. die erschmolzene Metalllegierung bildet in dem Reaktionsgefäß eine schwammartige Struktur, durchsetzt von Schlacketeilchen. Zur Trennung der Schlacke von dem zu gewinnenden Metall bzw. der zu gewinnenden Metalllegierung wird das Reaktionsgefäß anschließend in einen Ofen eingebracht, um nicht nur verbliebene Vormaterialreste zu erschmelzen, sondern vor allem, um die verbliebene Schlacke zum Schmelzen zu bringen. Lithium ist gemäß diesem Stand der Technik als Reaktionsmittel bevorzugt, da Lithiumoxide bereits bei etwa 1.500 °C schmelzen, während Magnesiumoxide beispielsweise zum Schmelzen Temperaturen von etwa 3.000 °C benötigen. Durch dieses Aufschmelzen wird die Schwammstruktur des in dem ersten Gewinnungsschritt erschmolzenen Metalls bzw. der erschmolzenen Metalllegierung zerstört und aufgrund der unterschiedlichen Dichte seigert das zu gewinnende Metall bzw. die zugewinnende Metalllegierung ab, sodass anschließend die beiden Reaktionsprodukte voneinander getrennt werden können. Soweit bekannt, hat dieses Verfahren noch keinen Einzug in industrielle Anwendungen erfahren. Überdies wird die mehrfache Temperaturbehandlung als nachteilig angesehen.

Aus CN 105132724 B ist zum Gewinnen einer TiAI-Basislegierung vorgeschlagen worden, ein aluminothermisches Verfahren einzusetzen. Dieses läuft prinzipiell ab, wie das zuvor in US 7 527 669 B2 beschriebene Verfahren. Allerdings wird bei diesem vorbekannten Verfahren der zweite Erwärmungsschritt in einem Ofen nicht benötigt. Eingesetzt wird bei diesem Stand der Technik als Vormaterial TiÜ2, Al-Pulver und ein Reaktionsmittel sowie wasserfreies Ethanol für den Mischprozess sowie ein Schlackebildner. Zur Trennung der Reaktionsprodukte voneinander wird das Reaktionsgefäß einer Trägheitskraft von zumindest 500 G, vorzugsweise sogar mehr als 800 G ausgesetzt. Vorbereitet wird die in das Reaktionsgefäß eingebrachte Materialmischung, indem das Ti-Vormaterial mit dem Al-Pulver und mit wasserfreiem Ethanol vermischt und in einer Kugelmühle auf eine Partikelgröße von 0,5 bis 3 pm gemahlen wird. Dieses Pulver wird anschließend mit einem Reaktionsmittel und einen Schlackebildner vermengt und zu einer Tablette mit einer Presskraft von 5 bis 20 MPa gepresst. Bestrichen wird diese in ein Reaktionsgefäß eingelegte Tablette oberseitig mit einem Zündmittel, bevor das Reaktionsgefäß in eine Hochgeschwindigkeitszentrifuge eingelegt wird. Bei Erreichen der gewünschten Trägheitskraft (800 bis 1200 G) zündet das Zündmittel und löst die exotherme Redoxreaktion aus. Infolge der Trägheitskraft wird die erschmolzene Metalllegierung von der bezüglich ihrer Dichte leichteren Schlacke getrennt. Das aus diesem Dokument bekannte Verfahren ist für einen industriellen Einsatz bereits aufgrund der extrem hohen, für die Separierung der erschmolzenen Legierung von der Schlacke erforderlichen Trägheitskraft nicht anwendbar. Zudem ist die Verfahrensdauer durch das Mahlen, den anschließend erforderlichen Trocknungs- schritt sowie die erforderliche Dauer zum Aufrechterhalten der Aufschmelztemperatur recht lang. Zudem ist vor dem Hintergrund der Reaktionsfreudigkeit von AI der Mahlprozess nicht ungefährlich, wenn AI in die gewünschte Partikelgröße gemahlen werden muss.

Aus SANIN, V. N. [et al.]: Centrifugal metallothermic SHS of cast Co-Cr-Fe- Ni-Mn-(X) alloys, In: Russian journal of non-ferrous metals, Vol. 61 , 2020, No. 4, S. 436-445. - ISSN 1067-8212 ist ein metallothermisches Verfahren zum Herstellen einer Hoch-Entropie-Legierung bekannt. Zum Herstellen dieser Legierung wird ein selbstausbreitendes Hochtemperatursyntheseverfahren mit auf das Reaktionsgefäß bzw. seinen Inhalt einwirkender Trägheitskraft verwendet. Von Besonderheit bei diesen Legierungen ist, dass die Hauptlegierungselemente mit nahezu gleichen Legierungsanteilen in der Legierung enthalten sind. Ausgangsprodukt dieses vorbekannten Verfahrens ist eine Mischung von Ni-, Cr-, Fe-, Co- und Mn-Oxiden, die mit Ti, Si, B, C versetzt werden. Die exotherme Reaktion wird bei einer Trägheitskraft zwischen 20 und 70 G durchgeführt, wobei zum Erzielen der gewünschten Hoch-Entropie-Legierung eine Trägheitskraft von 65 ± 5 G zum Erzielen des gewünschten Gefüges und der gewünschten Eigenschaften bevorzugt wird.

Ziel dieser experimentellen Studie war es, ob sich das an sich bekannte aluminothermische Verfahren sich auch zum Herstellen komplexer Legierungen (Hoch-Entropie-Legierung) eignet. Auf die Ausbildung des Gefüges der erhaltenden Schmelze haben etliche Faktoren Einfluss. Da diese Studie speziell auf eine Hoch-Entropie-Legierung gerichtet ist, können diese Ergebnisse nicht ohne Weiteres auf die Herstellung von anderen Legierungen übertragen werden. Ferner erlaubt diese Studie keinen Rückschluss darauf, ob sich dieses Verfahren auch in einem industriellen Maßstab durchführen lässt, mithin das beschriebene Verfahren skalierbar ist.

Ausgehend von dem vorstehend diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber der herkömmlichen industriellen Gewinnungsroute von hochschmelzenden Metallen bzw. Metalllegierungen vereinfachtes, insbesondere auch für eine industrielle schmelzmetallurgische Gewinnung von Metallen geeignetes Verfahren vorzuschlagen, welches zudem die zu dem vorstehend diskutierten Stand der Technik aufgezeigten Nachteile vermeidet, diese zumindest deutlich reduziert.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder alternativ durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 2.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung.

Der im Rahmen dieser Ausführungen benutzte Begriff "Metall" schließt Übergangsmetalle ebenso ein wie Metalllegierungen. Die nachstehenden Ausführungen gelten somit gleichermaßen für eine direkte Gewinnung von Metallen, Übergangsmetallen und Metalllegierungen.

Bei dem im Rahmen dieser Ausführungen benutzten Begriff "hochschmelzend", sich beziehend auf ein Metall oder eine Metalllegierung, sind solche Stoffe zu verstehen, die eine Schmelztemperatur von zumindest 900°C aufweisen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Vorprodukte zur Ausbildung der in ein Reaktionsgefäß einzubringenden Schüttgut-Materialmischung unabhängig voneinander vorbereitet. Das Material, aus dem das Metall gewonnen werden soll, wird, wenn nicht von Natur aus die vorgesehene Korn- bzw. Partikelgröße aufweisend, zerkleinert. Vorgesehen ist eine Ziel-Korngröße des Vormaterials zwischen 10 und 500 pm. Vorzugsweise wird dieses Material so zerkleinert, dass dieses ein bezüglich seiner Korngrößenverteilung recht enges Verteilungsspektrum aufweist. Von Interesse für das erfindungsgemäße Verfahren ist, dass die Korngröße des Vormaterials gegenüber den Vorgaben aus dem aus CN 105132724 B um ein oder sogar mehr als zwei Potenzen größer sein können. Entsprechend geringer ist der zu betreibende Zerkleinerungsaufwand. Gleiches gilt auch für die Bereitstellung des Reaktionsmittels. Die typischerweise vorgesehene Zielkorngröße des Reaktionsmittels liegt im Bereich zwischen 50 pm und 500 pm und kann daher mit den üblichen Sicherheitsvorkehrungen gefahrlos, bearbeitet werden. Die bezüglich der gewünschten Zielkorngröße des Vormaterials und des Reaktionsmittels notwendigen Behandlungsschritte werden unabhängig voneinander durchgeführt, sodass jeder Zerkleinerungsschritt an das zu zerkleinernde Material angepasst sein kann. Dieses gilt auch für die für eine Zerkleinerung eingesetzten Maschinen. Vor allem für die Bereitstellung des Reaktionsmittels in der gewünschten Korngröße ist die von dem Vormaterial unabhängige Zerkleinerung von Vorteil, da mitunter das Reaktionsmittel mit höheren Sorgfaltsanforderungen zerkleinert werden muss. Überdies werden die zum Zerkleinern vorgesehenen Behandlungsschritte grundsätzlich trocken durchgeführt, sodass ein Trocknen eines dieser Vorprodukte nicht erforderlich ist.

Eingebracht wird in ein Reaktionsgefäß eine Materialmischung als Schüttgut. Aufgrund dieser Eigenschaft wird das Reaktionsgefäß hinsichtlich seines Hohlraumes querschnittsausfüllend befüllt, und zwar unabhängig von seiner Querschnittsgeometrie und Querschnittsgröße. Damit kann der durch das Reaktionsgefäß bereitgestellte Hohlraum hinsichtlich seines Querschnittes bestmöglich befüllt und der Hohlraum zum Einbringen der Materialmischung optimal genutzt werden. An das Einbringen der Schüttgut-Materialmischung in das Reaktionsgefäß schließt sich gemäß dem ersten Lösungsvorschlag ein Schritt des Verdichtens der in das Reaktionsgefäß eingefüllten Schüttgut-Materialmischung an, um das Porenvolumen zu reduzieren. Typischerweise wird die in das Reaktionsgefäß eingefüllte pulvrige Materialmischung ein für die vorgesehene Zwecke noch zu großes Porenvolumen aufweisen. Eine solche Verdichtung erfolgt durch Einbringen mechanischer Schwingungen in das Reaktionsgefäß bzw. auf seinen Inhalt wirkend. Dieser Vorgang kann beispielsweise auf einer Rüttelplatte vorgenommen werden. Bei größeren Reaktionsgefäßen können auch andere Rüttelagitatoren eingesetzt werden.

Durch den vorbeschriebenen Vorgang des Kompaktierens der in das Reaktionsgefäß eingebrachten Schüttgut-Materialmischung ist der Ablauf der exothermen Reaktion deutlich besser kontrollierbar. Aus diesem Grunde ist das beanspruchte Verfahren skalierbar, das heißt: auch im industriellen Maßstabe ohne Weiteres einsetzbar. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die in das Reaktionsgefäß eingefüllte Schüttgut-Materialmischung zur Reduzierung ihres Porenvolumens zweistufig verdichtet. Ein erster Verdichtungsschritt wird verglichen mit dem zweiten Verdichtungsschritt mit einer geringeren Frequenz und einer geringeren Rüttelkraft durchgeführt. In Abhängigkeit von der in dem Reaktionsgefäß befindlichen Schüttgut-Materialmischung wird der erste Verdichtungsschritt beispielsweise mit einer Frequenz von 40 bis 65 Hz und einer Rüttelkraft von 300 bis 500 N/kg bezogen auf das Gesamtgewicht durchgeführt. Der zweite Verdichtungsschritt wird mit einer Frequenz von 80 bis 180 Hz und einer Rüttelkraft von 450 bis 800 N/kg in Bezug auf das Gesamtgewicht durchgeführt werden können. Bei diesen Verdichtungsschritten werden typischerweise sinusförmige Schwingungen in Schüttgut- Materialmischung beziehungsweise das Reaktionsgefäß, in dem die Schüttgut-Materialmischung enthalten ist, eingebracht. Bei einer solchen zweistufigen Verdichtung der Schüttgut-Materialmischung wird man den zweiten Verdichtungsschritt hinsichtlich seiner Zeitdauer länger auslegen als den ersten Verdichtungsschritt, sodass dieser beispielsweise 1 ,5 bis 2,5 mal länger ist als der erste Verdichtungsschritt. Beispielsweise kann als Zeitdauer für den ersten Verdichtungsschritt eine Zeitdauer von 8 bis 12, insbesondere etwa 10 Min. und für den zweiten Verdichtungsschritt eine Zeitdauer von 17 bis 25, insbesondere etwa 20 Min. angesetzt werden.

Eine Kompaktion der in das Reaktionsgefäß eingebrachten Materialmischung durch Aufbringen von höheren Presskräften ist bei diesem Verfahren zwar nicht ausgeschlossen, jedoch nicht förderlich, zumal bei einer solchen Kompaktion nicht sichergestellt werden kann, dass die Materialmischung über die Befüllungshöhe in dem Reaktionsgefäß ein einheitliches Porenvolumen ausbildet. Um das oberflächliche Material der im Reaktionsgefäß befindlichen Materialmischung bei einer Rüttelbehandlung besser unter Kontrolle zu haben und um auch in diesem Bereich eine gewisse Verdichtung herbeizuführen, kann ein solches Verdichten mit einem mit geringer Kraft ausgeführten Pressvorgang kombiniert werden, etwa durch einen auf die Oberfläche mit geringer Vorspannung wirkenden Stempel, der infolge eines solchen Verdichtungsprozesses sich verringernden Füllhöhe in dem Reaktionsgefäß nachfährt beziehungsweise durch den auf die Schüttgut-Materialmischung während des Verdichtungsprozesses eine uniaxiale Kraft wirkt. Diese beträgt beispielsweise zwischen 5 N/kg und 40 N/kg, wobei sich das Gewicht auf das in das Reaktionsgefäß eingefülllte Gewicht des verwendeten Schüttgut-Materialmischung bezieht. Diese aufgebrachte, uniaxial auf die Schüttgut-Materialmischung in dem Reaktionsgefäß wirkende Kraft ist auch abhängig von der Geometrie des Reaktionsgefäßes, insbesondere auch seines Durchmessers. Um bei einem im Durchmesser größeren Reaktionsgefäß denselben Kompaktierungsgrad zu erreichen wie bei einem Reaktionsgefäß geringeren Durchmessers, ist eine entsprechend höhere Kraft erforderlich. Eine solche einaxial auf die Schüttgut-Materialmischung wirkende Kraft wird bei einer Auslegung des Verfahrens mit einer zweistufigen Verdichtung vorzugsweise nur während dem zweiten Verdichtungsschritt aufgebracht. Die verbliebene Porosität der Materialmischung in dem Reaktionsgefäß sollte nicht kleiner als 20 % sein. Auch über die Porosität der Schüttgut-Materialmischung lässt sich die Abbrandgeschwindigkeit steuern. Ein Porenvolumen von mehr 45 % bis 50 % wird als nicht sinnvoll angesehen. Das Porenvolumen innerhalb der Schüttgut-Materialmischung wird als Wegsamkeit genutzt, damit nach Auslösen der exothermen Reaktion zum Erschmelzen des zu gewinnenden Metalls als Folge der darauf einwirkenden Trägheitskraft das schmelzflüssige Metall zum Boden des Reaktionsgefäßes fließen kann.

In einem nächsten Schritt wird das Reaktionsgefäß mit seinem Inhalt einer Trägheitskraft ausgesetzt. Dieses erfolgt typischerweise durch Anordnen des Reaktionsgefäßes in einer Zentrifuge. Für dieses Verfahren werden signifikant geringere Trägheitskräfte benötigt, die weit unterhalb der zum Gewinnen einer TiAI-Legierung in CN 105132724 B angegebenen Größenordnung liegen. Diese liegen in aller Regel deutlich unter 350 G. In vielen Fällen reicht eine Trägheitskraft von 80 bis 170 G völlig aus, um die gewünschte Stofftrennung innerhalb des Reaktionsgefäßes durchführen zu können. Da für die Trennung des erschmolzenen Metalls von der Schlacke in der Materialmischung ein verbliebenes Porenvolumen vorhanden ist und die Porengröße aufgrund der Korngröße der Partikel der Materialmischung entsprechend groß ist, genügen bereits relativ geringe Trägheitskräfte, um eine wirksame Trennung des schmelzflüssigen Metalls von der Schlacke vorzunehmen. Ausgelöst wird der exotherme Reaktionsprozess mittels einer lokalen Wärmebeaufschlagung der Schüttgut-Materialmischung. Eingesetzt werden kann hierfür beispielsweise ein am oder benachbart zu der Materialmischung im Reaktionsgefäß angeordneter hitzebeständiger Zünddraht, beispielsweise ein Wolframdraht. Ausgelöst werden kann die exotherme Reaktion in der Schüttgut-Materialmischung auch durch einen Laserstrahl, der auf die Oberfläche der Materialmischung in dem Reaktionsgefäß auftrifft. In vielen Fällen wird man die exotherme Redoxreaktion der Schüttgut-Materialmischung an ihrer entgegen der Trägheitskraft weisenden Seiteauslösen. Der Durchlauf der sich durch den Auslösevorgang ausgebildeten Wärmefront folgt dann in Richtung der Trägheitskraft. Durchaus möglich ist es auch, dass die exotherme Reaktion an mehreren Stellen in der Schüttgut- Materialmischung ausgelöst wird, wobei in einem solchen Fall das Auslösen gleichzeitig oder auch zeitversetzt vorgenommen werden kann. Wie die exotherme Reaktion der Schüttgut-Materialmischung ausgelöst wird und ob diese, wenn an mehreren Stellen ein Auslösen vorgesehen ist, an einer oder mehreren Stellen gleichzeitig oder zeitlich versetzt diese Reaktion ausgelöst wird, ist abhängig von dem gewünschten Ablauf dieser Redoxreaktion. Diese ist abhängig von der Korngröße des Reaktionsmittels, dem Porenvolumen, der Hohlraumgeometrie des Reaktionsgefäßes und seiner Größe. Beeinflussen lässt sich durch den Ablauf der Redoxreaktion und das Wandern der Wärmefront durch die Materialmischung im Reaktionsgefäß auch die Porosität des erschmolzenen Metalls. Ausgelöst wird die exotherme Reaktion der Schüttgut-Materialmischung während auf die diese die aufgebrachte Trägheitskraft wirkt.

Gemäß dem zweiten Lösungsvorschlag ist vorgesehen, dass die Schüttgut- Materialmischung durch die exotherm ablaufende Reaktion soweit erwärmt wird, dass sowohl das zu gewinnende Metall als auch zumindest teilweise auch die Schlacke geschmolzen werden. Eine Trennung des zu gewinnenden Metalls von der Schlacke erfolgt dann im Flüssig-Zustand, zumindest soweit die Schlacke geschmolzen ist. Die Trennung der beiden Komponenten voneinander - zu gewinnendes Metall sowie Schlacke - ist dann besonders gut, und zwar mit dem Ergebnis, dass das gewonnene Metall in aller Regel völlig frei von Einschlüssen ist. In geschickter Weise wird durch diese Maßnahme der höhere Dichtekontrast zwischen diesen beiden Komponenten, wenn jeweils im Flüssig-Zustand befindlich, ausgenutzt. Die Dichte eines Stoffes in flüssiger Phase ist regelmäßig geringer als in der Festkörper- Phase. Folglich ist der Dichtekontrast zwischen dem erschmolzenen Metall und der Schlacke, wenn Letztere ebenfalls zumindest teilweise, vorzugsweise weitgehend oder sogar vollständig im Flüssig-Zustand ist, größer als wenn diese nicht aufgeschmolzen und im festen Zustande vorliegt. Durch die Verstärkung des Dichtekontrastes zwischen dem schwereren zu gewinnenden Metall und der leichteren, von dieser zu trennenden Schlacke kann zum Erzielen des gewünschten Ergebnisses der Trennprozess mit einer geringeren, auf das Reaktionsgefäß einwirkenden Trägheitskraft ausgeführt werden. Dieses ist ein weiterer und zunächst von dem Schritt einer Kom- paktion der in das Reaktionsmittelgefäß eingefüllten Schüttgut-Materialmischung unabhängiger Schritt, diesen Prozess skalierbar auszuführen. Vorzugsweise werden sowohl der erste Lösungsvorschlag als auch der zweite Lösungsvorschlag in Kombination miteinander zum Durchführen des Verfahrens miteinander kombiniert werden.

Somit kann über den Grad der Verflüssigung der Schlacke auch Einfluss auf die Qualität des erschmolzenen Metalls genommen werden. Auch wenn ein Aufschmelzen der Schlacke insgesamt besonders vorteilhaft ist, können quasi gleich gute Ergebnisse erzielt werden, wenn nur 70 % bis 80% der Schlacke aufgeschmolzen ist. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass sich auch bereits geringe verflüssigte Schlackeanteile günstig auf die Qualität des Trennprozesses auswirken. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Aufschmelzreaktion so durchgeführt, dass 25% bis 30% der Schlacke durch den Wärmeeintrag aufgeschmolzen werden.

Die während des Ablaufes der exothermen Reaktion darauf einwirkende Trägheitskraft bedingt eine besonders gute Trennung des schmelzflüssigen Metalls von der Schlacke, auch wenn die Schlacke nicht aufgeschmolzen vorliegt, jedoch besser, wenn beide Phasen in ihrem Flüssig-Zustand vorliegen, wodurch sich im Reaktionsgefäß eine Schichtung ausbildet, in der sich das gewonnene Metall in dem an den Boden des Reaktionsgefäßes anschließenden Abschnitt befindet und die Schlacke darüber liegt. Das erschmolzene Metall wird in einem Auffangvolumen aufgefangen. Hierbei kann es sich um den an den Boden des Reaktionsgefäßes anschließenden Abschnitt handeln. Gleichfalls ist es möglich, dass das Auffangvolumen durch ein an das Reaktionsgefäß angeschlossenes Auffanggefäß bereitgestellt ist. Das Auffangvolumen kann zugleich als Urform genutzt werden, in der das erschmolzene Metall erstarrt. Durch diesen Prozess kann in einem einzigen Schmelzschritt aus dem Vormaterial ein Halbzeug oder ein Gusskörper, insbesondere auch mit komplexer Geometrie hergestellt werden. Ein solches Halbzeug bzw. ein solcher Gusskörper kann unterschiedliche Formen aufweisen. Selbst Hinterschnitte lassen sich auf diese Weise herstellen, wenn der Abschnitt des Auffangvolumens, in dem sich das gewonnene Metall befindet, zur Entnahme des erhärteten Metalls öffenbar ist. Auch der Einsatz von Auffangvolumina, die zur Entnahme des erhärteten Metalls (des Halbzeuges oder des Gusskörpers) zerstört werden, ist möglich. In einem solchen Fall kann es sich um eine Tonform handeln, die sodann für den nächsten Schmelzprozess durch eine neue ersetzt wird. Wenn Teil des Reaktionsgefäßes eine solche Urform als Auffangvolumen ist, wird man zum Gewährleisten einer vollständigen Füllung derselben durch das erschmolzene Metall ihre Querschnittsfläche kleiner auslegen als diejenige des darüber zur Öffnung des Reaktionsgefäßes hin befindlichen Abschnitts. In dem sich an die Gussform anschließenden Bereich des Reaktionsgefäßes befindet sich sodann die Schlacke. Bei der Ausbildung eines solchen Reaktionsgefäßes mit einer Urform, sei es zum Herstellen eines Halbzeuges oder eines Gusskörpers komplexer Geometrie kann eine Befüllung des Reaktionsgefäßes so vorgesehen sein, dass Auffangvolumen nicht mit der Schüttgut-Materialmischung befüllt wird, sondern nur der in Richtung zur Einfüllöffnung darüber liegende Abschnitt. Beispielsweise kann ein aus einem hitzebeständigen Draht gefertigtes Sieb kann verwendet werden, um beim Befüllen des Reaktionsgefäßes die Urform freizulassen. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist zur Trennung des Vorraumes des Reaktionsgefäßes, in den die Schüttgut-Materialmischung eingefüllt wird, von der sich daran anschließenden Urform auch durch eine Metallfolie vorgesehen. Diese besteht vorzugsweise aus einem Metall, welches auch in dem zu gewinnenden Metall enthalten ist. Wird über dieses Verfahren beispielsweise eine Ni-Legierung gewonnen, wird man zweckmäßiger Weise eine Ni-Folie verwenden. Enthält die zu gewinnende Legierung beispielsweise AI, kann eine Al-Folie zur Trennung des Vorraumes von der Urform eingesetzt werden. Diese Folien werden bei dem Erschmelzen des Metalls ebenfalls geschmolzen und sind dann Bestandteil der Legierung. Vorteilhaft ist hierbei, dass bei dem ablaufenden Prozess in der Urform keine Schlacke erzeugt wird, die infolge der anliegenden Trägheitskraft aus dieser getrennt werden müsste. Dies verkürzt die Verfahrensdauer. Bei derartigen Halbzeugen kann es sich beispielsweise um Stangen oder auch um Hohlstangen handeln.

Angeschlossen an oder Teil eines solchen Reaktionsgefäßes könnten durchaus auch mehrere Urformen als Auffangvolumina sein, in die das erschmolzene Metall aufgrund der darauf einwirkenden Trägheitskraft einfließt. Insbesondere wenn kleinere Halbzeuge oder Werkstücke benötigt werden, können mehrere dieser in einem einzigen Erschmelzungsprozess bereitgestellt werden.

Bei dem vorbeschriebenen Verfahren können auch mehrere unterschiedliche zerkleinerte Vormaterialien zur Verfügung gestellt werden, wenn nicht ein elementares Metall, sondern eine Legierung als zu gewinnendes Metall erschmolzen werden soll. Auch die Zugabe von Recyclingmaterial (Recyclingschrott) in das Vormaterial ist möglich. Hierbei kann es sich durchaus um legierungsbildendes Material handeln. In einer anderen Verfahrensausgestaltung ist vorgesehen, dass das Reaktionsmittel ein oder mehrere Legierungselemente enthält, die entweder elementar oder auch in gebundener Form vorliegen und mit denen das aus dem Vormaterial zu gewinnende Metall eine Verbindung eingeht. Dieses ist gerade bei hochschmelzenden Metallen von Vorteil. Auf diese Weise können Ti, Ni, Cr und andere hochschmelzende Legierungen quasi mit beliebigen Legierungselementen in einem einzigen Schmelzprozess, befeuert durch die vorgeschriebene exotherme Reaktion, hergestellt werden.

Die in das Reaktionsgefäß eingebrachte Schüttgut-Materialmischung kann in dem Reaktionsgefäß gradiert vorliegen. Eine solche Gradierung erfolgt typischerweise in Richtung der beim Erschmelzen des Metalls darauf einwirkenden Trägheitskraft. Diese kann beispielsweise ein unterschiedliches Mischungsverhältnis einzelner in der Schüttgut-Materialmischung enthaltener Komponenten sein ebenso wie, dass bestimmte Vormaterialien oder Zuschlagsstoffe nicht homogen über die Höhe des Reaktionsgefäßes in der Schüttgut-Materialmischung angeordnet sind. Da mit diesem Verfahren eine Metallgewinnung auf direkter Route erfolgt, kann mit diesem Verfahren ebenfalls auf einfache Weise ein gradierter Werkstoff erzeugt werden.

In Abhängigkeit von der Größe des Reaktionsgefäßes, insbesondere seiner Höhe bzw. seiner Erstreckung in Richtung der darauf einwirkender Trägheitskraft sowie dem Volumen der Schüttgut-Materialmischung wird der exotherme Reaktionsprozess in relativ kurzer Zeit ausgeführt. In Abhängigkeit von den vorgenannten Gegebenheiten kann ein solcher Prozess bereits in wenigen 10'er Sekunden erfolgen. Selbst bei größeren Volumina der Schüttgut-Materialmischung ist eine Reaktionsdauer nur von wenigen Minuten erforderlich. Einzubeziehen ist in diese Berechnung das Erschmelzen des oder der Metalle und ihr Kristallisieren (Erhärten). Einzubeziehen in die Abbranddauer und das Wandern der Wärmefront durch die Schüttgut-Materialmischung ist, dass durch die während des Reaktionsprozesses auf das Reaktionsgefäß mit seinem Inhalt einwirkende Trägheitskraft die gewünschte Trennung von erschmolzenem Metall und Schlacke über die gesamte Erstreckung des Reaktionsgefäßes in Richtung der darauf einwirkenden Trägheitskraft abgeschlossen ist. Diese Fließstrecke des erschmolzenen Metalls führt zugleich zu einer Homogenisierung der Schmelze, was vor allem dann von Bedeutung ist, wenn eine Metalllegierung aus unterschiedlichen Vormaterialien erschmolzen werden soll. In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, das Reaktionsgefäß mit einer thermischen Isolationswirkung auszustatten, damit die durch die exotherme Reaktion darin generierte Wärme länger als die tatsächlich ablaufende Reaktion in dem Reaktionsgefäß verbleibt, auf einem Temperaturniveau, bei der das zu gewinnende Metall noch nicht erhärtet. Somit kann mit diesem Verfahren die Gewinnungsrate aus dem eingesetzten Vormaterial erhöht werden.

Das Reaktionsgefäß ist typischerweise inert in Bezug auf die in der Schüttgut-Materialmischung befindlichen Elemente bzw. Verbindungen. Typischerweise ist es nicht gewünscht, dass aus dem Reaktionsgefäß Elemente im Zuge des exothermen Reaktionsprozesses herausgelöst und in die Schmelze eingebracht werden.

Die in diesem Verfahren vorgesehene, gegenüber vorbekannten Verfahrenrelativ geringe Trägheitskraft macht dieses Verfahren skalierbar, insbesondere auch dahingehend, dass die mit jeder Charge zu gewinnende Metallmenge für eine wirtschaftliche Ausnutzung dieses Verfahrens hinreichend groß sein kann. Mit den vorbeschriebenen Kräften können durchaus Proben in einem Reaktionsgefäß von mehreren 10er kg oder auch von einigen 100 kg hergestellt werden. Auch Reaktionsgefäße, mit denen Halbzeuge oder auch Gusskörper mit einem höheren Gewicht hergestellt werden können, können durchaus eingesetzt werden.

Von Besonderheit ist bei diesem Verfahren, dass der Metallgewinnungsprozess durch zwei maßgebliche Steuergrößen beeinflusst werden kann, und zwar die durch die exotherme Reaktion ausgelöste Temperatur und die Trägheitskraft. Über die Temperatur des erschmolzenen Metalls kann Einfluss auf seine Viskosität genommen werden. Grundsätzlich wird bei geringerer Viskosität des erschmolzenen Metalls nur eine geringere Trägheitskraft für den Separationsprozess benötigt. Die Temperatur und die Trägheitskraft für den Metallerschmelzungs- und Trennungsprozess werden in Abhängigkeit von dem zu gewinnenden Metall und auch von der Auslegung des Teils des Reaktionsgefäßes bestimmt, in das das erschmolzene Metall einfließen soll.

Zum Erschmelzen der Metalle aus den als Rohstoff eingesetzten Oxiden werden in Abhängigkeit von dem Metall unterschiedliche Temperaturen benötigt. Beeinflusst werden kann der für das Erschmelzen der Metalle beziehungsweise der Metalllegierungen eingesetzte exotherme Prozess durch physikalische Parameter, wie beispielsweise die Partikelgröße des zerkleinerten Vormaterials, die auf die Schüttgut-Materialm ischung wirkende T räg- heitskraft, der Grad der Verdichtung beziehungsweise das eingerichtete Porenvolumen sowie die Auslegung des Reaktionsgefäßes. Je kleiner die Partikelgröße ist, desto kürzer kann die Zeit bemessen sein, das daraus zu erschmelzende Metall zu gewinnen. Über die Trägheitskraft kann die Ge- schwindigkeit des Wanderns der Wärmefront durch die Schüttgut-Materialmischung innerhalb des Reaktionsgefäßes ebenso beeinflusst werden, wie die Reaktionstemperatur. Bei höheren Trägheitskräften wandert die Wärmefront rascher durch die Schüttgut-Materialmischung. Höhere Trägheitskräfte beeinflussen, wenn diese durch Zentrifugen bereitgestellt sind, wie dieses regelmäßig der Fall sein dürfte, die Reaktionstemperatur, da bei höheren Drehzahlen der dadurch bewirkte Kühleffekt größer ist.

Über den Grad der Kompaktion (Verdichtung) kann Einfluss auf die Intensität sowie die Dauer der exothermen Reaktion an den einzelnen Partikeln ebenso beeinflusst werden wie die Transportgeschwindigkeit, mit der das erschmolzene Metall in das Auffangvolumen fließt. Die Größe und die Auslegung des zum Auffangen der flüssigen Schmelze vorgesehenen Auffangvolumens hat Einfluss auf die Abkühlungsrate beziehungsweise die Abkühlkurve des darin aufgefangenen schmelzflüssigen Metalls. Durchaus kann vorgesehen sein, dass das Auffangvolumen sowie die darin eingebrachte Schüttgut-Materialmischung vorerwärmt werden, beispielsweise auf eine Temperatur zwischen 500°C und 600°C, bevor die exotherme Reaktion gestartet wird. Die darin zuerst aufgefangenen schmelzflüssigen Metallanteile kühlen dann an der vorerwärmten Innenwand des als Auffangvolumen verwendeten Gefäßes entsprechend langsamer ab mit dem Ergebnis, dass die Kristallstruktur des aufgefangenen Metalls insgesamt einheitlicher ist.

Beeinflusst werden kann der Metallgewinnungsprozess auch durch die Zusammensetzung des Reaktionsmittels oder durch Zuschlagsstoffe und somit auf chemische Weise. So kann dieses beispielsweise Oxide enthalten, durch die die Reaktionstemperatur erhöht oder auch erniedrigt werden. Andere Reaktionsmittelbestandteile können zur Verzögerung der exothermen Reaktion genutzt werden. So können beispielsweise Zuschlagstoffe eingesetzt werden, durch die die Schmelztemperatur der Schlacke erhöht oder erniedrigt werden kann. Für derartige Zwecke eingesetzte Stoffe, in aller Regel Oxide, sind typischerweise inert in Bezug auf das zu gewinnende Metall. Mit CaO kann die Schlacke-Schmelztemperatur abgesenkt, mit MgO erhöht werden. CaO wird man einsetzen, wenn ein Metall mit realtiv niedriger Schmelztemperatur zu gewinnen ist. Ist der Schmelzpunkt der Schlacke geringer als die Schmelztemperatur des zu gewinnenden Metalls, kann MgO eingesetzt werden, um die Schlacke-Schmelztemperatur zu erhöhen.

In eine Energiesteuerung hinsichtlich des Ablaufes der Schmelzreaktion im Reaktionsgefäß fließt auch die Partikelgröße des Vormaterials sowie des Reaktionsmittels ein. Je geringer die Korngröße ist, desto rascher läuft die Reaktion pro Partikel ab. Insofern kann die Reaktion besonders exotherm reagierender Stoffgemische durch Vorsehen einer größeren Partikelgröße verzögert werden. Eine größere Partikelgröße wirkt sich auf den vorgeschalteten Zerkleinerungsprozessen positiv aus, da dieser entsprechend verkürzt durchgeführt werden kann. Somit wird in geschickter Weise auch die Partikelgröße für die Energiesteuerung genutzt.

Die vorstehend beschriebenen Faktoren gewährleisten eine Skalierbarkeit des Verfahrens, sodass dieses auch mit größeren Chargen, beispielsweise 10 bis 200 kg kontrolliert und vor allem auch mit gleichbleibenden Ergebnissen durchgeführt werden kann.

Die vorstehenden Ausführungen machen deutlich, dass dieses Verfahren gegenüber derzeitig industriell eingesetzten Gewinnungsverfahren nicht nur durch seine deutlich geringere Zahl an Prozessschritten, sondern vor allem auch durch die damit begründete erheblich verbesserte Energieeffizienz unterscheidet. Zudem kann das Potenzial des als Vorprodukt eingesetzten Erzes besser genutzt. Ferner sind die Emissionen, vor allem die CO2- Emissionen signifikant herabgesetzt. Bezüglich des Energieeinsatzes wurde beispielsweise bezüglich der Herstellung einer Ni-Gewinnung der Energieeinsatz auf etwa 20 % und die CO2-Emissionen auf etwa 30 % reduziert. Entsprechendes gilt auch für alle anderen Legierungen.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm der Figur 1 erläutert. Nachstehend beschrieben ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für eine direkte Gewinnung einer Alloy 600-Legierung (EN 2.4816). Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine NiCrFe-Legierung folgender Zusammensetzung hergestellt: Cr 15 Gew.-%, Fe 8 Gew.-%, Rest Ni nebst unvermeidbaren Verunreinigungen, die insgesamt weniger als 1 % betragen. Hierbei handelt es sich um eine auch unter dem Begriff Alloy 600 bekannte Legierung (EN 2.4816).

Als Ausgangsmatenalien werden maßgeblich NiOC^Ch sowie Fe20s eingesetzt. Diese werden bei diesem Ausführungsbeispiel gemeinsam auf eine Korngröße von etwa 85 pm zerkleinert (Schritt 1 ). Als Reaktionsmittel wird in diesem Ausführungsbeispiel AI verwendet. Gleichermaßen können auch Mg, Si oder Mischungen, typischerweise zusammen mit einem konventionellen Flussmittel hieraus als Reaktionsmittel eingesetzt werden. Das diesbezügliche Vorprodukt wird auf eine Korngröße von 70 pm zerkleinert (ebenfalls Schritt 1 ). In einem nachfolgenden Schritt - dem Prozessschritt 2 - werden das Vorprodukt und das Reaktionsmittel miteinander vermischt. Eingesetzt wird hierfür eine industrielle Mischmaschine. Der Mischprozess wird ausgeführt, damit durch das Mischen möglichst wenig Energie in das Mischgut eingebracht wird. Sowohl der Zerkleinerungsvorgang als auch der Mischvorgang werden trocken ausgeführt.

Anschließend wird die aus dem Mischer entnommene Schüttgut-Materialmischung in ein Reaktionsgefäß 1 eingefüllt (Schritt 3). Das in der Figur gezeigte Reaktionsgefäß 1 ist hinsichtlich seiner Auslegung lediglich als beispielhafte Ausführung eines Reaktionsgefäßes zu verstehen. Das Reaktionsgefäß 1 umfasst einen unteren Abschnitt 2, der als Urform konzipiert ist. In diesem Teil eines Abschnittes befindet sich am Ende des Gewinnungsprozesses die als Gussblock erhärtete Legierung. Der untere Abschnitt 2 geht in Richtung zur Einfüllöffnung 3 des Reaktionsgefäßes 1 in einen oberen Abschnitt 4 über. Dieser ist hinsichtlich seines Durchmessers größer als der Durchmesser des als Urform genutzten Abschnitts 2. Nach dem Befüllen des Reaktionsgefäßes 1 wird die darin befindliche Schüttgut- Materialmischung auf einer Rüttelplatte verdichtet (Schritt 4). Durch diese Maßnahme wird das Porenvolumen der in dem Reaktionsgefäß 1 befindlichen Schüttgut-Materialmischung auf etwa 20 % reduziert. Der Verdichtungsschritt ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zweistufig durchgeführt worden. In der ersten Verdichtungsstufe wurde das mit der Schüttgut-Materialmischung 5 gefüllte Reaktionsgefäß 1 einer sinusartigen Schwingung von 50 Hz mit einer Rüttelkraft von etwa 375 N/kg für 10 Minuten verdichtet. Die Verdichtung in der zweiten Verdichtungsstufe erfolgte bei einer höheren Frequenz und mit einer höheren Rüttelkraft (125 Hz; 575 N/kg). Zusätzlich wurde in der zweiten Verdichtungsstufe eine axiale Kraft auf die in dem Reaktionsgefäß 1 befindliche Schüttgut-Materialmischung 5 ausgeübt, und zwar mit einem geringen Druck von etwa 18 N/kg. Die zweite Stufe des Verdichtungsschrittes wurde für eine Zeitdauer von 20 Minuten durchgeführt.

Nachfolgend wird das Reaktionsgefäß 1 an einen Reaktionsgefäßhalter einer Zentrifuge angeschlossen (Schritt 5). Die Zentrifuge wird betrieben, damit auf das Reaktionsgefäß 1 bezüglich bzw. seinen Inhalt eine Trägheitskraft von etwa 85 G wirkt, wie durch den Blockpfeil angedeutet. Bei Erreichen der gewünschten Trägheitskraft wird die zum Erschmelzen des Metalls vorgesehene exotherme Redoxreaktion ausgelöst (Schritt 6). Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt dieses durch einen aus Richtung der Drehachse der Zentrifuge in das entgegen der Wirkungsrichtung der Trägheitskraft offene Reaktionsgefäß eingebrachter Laserstrahl. Infolge der hierbei entstehenden Temperaturen werden aus den Vormaterial die Metalle erschmolzen. Der an der einfüllöffnungsseitigen Oberfläche der Schüttgut-Materialmischung 5 beginnende Abbrand setzt sich in Richtung der einwirkenden Trägheitskraft fort, wie in diesem Prozessschritt der Figur angedeutet. Bedingt durch die Trägheitskraft wird das erschmolzene Metall, der wandernden Wärmefront folgend, in den unteren Abschnitt 2 des Reaktionsgefäß 1 fließen. Aufgrund der geringeren Dichte der bei diesem Prozess entstehenden Schlacke erfolgt hierdurch eine effektive Trennung zwischen der zu gewinnenden Metalllegierung und der bei diesem Prozess entstehenden Schlacke. Ist der Abbrand- und Trennungsprozess abgeschlossen (Schritt 7), wird die Zentrifuge angehalten, das Reaktionsgefäß 1 abgenommen und abgekühlt. Anschließend können die in dem Reaktionsgefäß 1 geschichteten Reaktionsprodukte - Gusskörper 6 und Schlacke 7 - entnommen und voneinander getrennt werden. Der Gusskörper 6 ist ein hochreiner Alloy 600 Gusskörper, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Zylinderform aufweist (Schritt 8).

Im Zusammenhang mit der exothermen Reaktion laufen bei der Herstellung dieser Alloy 600-Legierung folgende Reaktionen ab: 1. 3 NiO + 2 AI 3 Ni" ^q + AI2O3 + AH

2. Cr ₂ O ₃ + Al Cr ^liq - + AI2O3 + AH

3. Fe ₂ Q3 + Al — > Fe ^liq + AI2O3 + AH _

NiO + Cr ₂ O ₃ + Fe ₂ O ₃ + (8/3) • Al (NiCrFe) ^liq + (7/3) • Ai ₂ O ₃ + LAH

Für die Herstellung von einem Kilogramm der gewonnenen Legierung (Alloy 600) mit den vorstehend beschriebenen Verfahrensschritten wurde an Energie 0,4 kW/kg eingesetzt. Der Metallgewinnungsprozess verläuft CO2 neutral, sodass der CO ₂ -Fußabdruck bei diesem Verfahren 0 kg pro Kilogramm gewonnener Legierung beträgt. Bei Betrachtung der gesamten Wertschöpfungskette einschließlich der Aufbereitung des Erzes werden bei Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens 19,8 kW/kg an Energie benötigt. Der CO2 Fußabdruck beläuft sich auf 4,2 kg pro Kilogramm gewonnener Legierung. Zum Vergleich beläuft sich der Energieverbrauch bei einer herkömmlichen industriellen Gewinnung dieser Legierung auf 124 kW/kg; der CO ₂ -Fußabdruck bemisst sich mit 13,4 kg pro Kilogramm gewonnener Legierung. Dieses verdeutlicht die Vorteile des beschriebenen Verfahrens gegenüber der herkömmlichen industriellen schmelzmetallurgischen Gewinnungsroute. Zudem ist die erforderliche Zeit zum Durchführen des Verfahrens signifikant gegenüber der herkömmlichen industriellen Gewinnungsroute reduziert.

Die Beschreibung der Erfindung macht deutlich, dass mit diesem Verfahren hochschmelzende Metalle einschließlich Metalllegierungen aus dem Erz direkt als Halbzeug oder Werkstück gewonnen werden können. Diese Gewinnungsroute ist vor allem auch für die Gewinnnung hochlegierter Metalle einsetzbar, die mit diesem Verfahren gegenüber herkömmlichen Verfahren in einem einzigen Verfahrensschritt gewonnen werden können. Bei diesem Verfahren erfolgt die Einstellung der Legierung über die eingesetzten Vormaterialien und/oder über Zuschlagstoffe, wie beispielsweise Schrotte aus dem gewünschten Legierungsbestandteil. Zudem ist die besondere Homogenität des erschmolzenen Metalls, gerade wenn es sich hierbei um eine Legierung handelt, hervorzuheben. Die Erfindung ist vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben worden. Ohne den Umfang der geltenden Ansprüche zu verlassen, ergeben sich für einen Fachmann zahlreiche weitere Umsetzungsmöglichkeiten, ohne dass diese im Einzelnen näher erläutert werden müssten.

Bezugszeichenliste Reaktionsgefäß Abschnitt Einfüllöffnung Abschnitt Schüttgut-Materialmischung Gusskörper Schlacke