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RECYCLING VON SUPERLEGIERUNGEN UNTER VERWENDUNG EINER ALKALIMETALL-SALZSCHMELZE

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufschiuss von Superlegierungen, insbesondere Superlegierungsschrotten in einer Salzschmelze und anschließender Rückgewinnung der Wertmetalie.

Superlegierungen sind komplex zusammengesetzte hochtemperaturbeständige Legierungen auf Nickel- und Kobalt-Basis, mit Zusätzen von anderen Metallen, wie zum Beispiel, Aluminium, Chrom, Molybdän, Wolfram, Tantal, Niob, Mangan, Rhenium, Platin, Titan, Zirkonium und Hafnium, sowie Nichtmetallen wie Bor und/oder Kohlenstoff. Die Superlegierungen stellen hochfeste und besonders verschleißfeste Legierungen dar, die im Motoren- und Triebwerkbau, in der Energietechnik sowie in Luft- und Raumfahrt angewendet werden. Die besonderen Eigenschaften dieser Legierungen werden erreicht insbesondere durch die Zugabe von seltenen und edlen Metallen wie Rhenium, Tantal, Niobium oder sogar Platin. Ein guter überblick über die Zusammensetzung, Eigenschaften und Anwendungsgebiete der Superlegierungen befindet sich in Ullmannn's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Volume A13, Fifth Edition, 1989, Seiten 55-65 und in der Kirk-Othmer Encyciopedia of Techology, Volume 12, Forth Edition, Seiten 417-458. Die Superlegäerungen unterscheiden sich von den üblichen hochschmelzenden Legierungen, z. B. W-Re Legierungen oder Mo-Re Legierungen durch ihre besondere Oxidations- bzw. Korrosionsbeständigkeit. So werden Bauteile aus Superfegierungen wegen ihrer ausgezeichneten OxidationsstabiHtät bei der Herstellung von Schaufeln in Flugzeugturbinen eingesetzt. Nach Ablauf der Nutzungsdauer stellen solche Teile eine wichtige Rohstoffquelle für die Gewinnung von seltenen Metallen, insbesondere von Rhenium, Tantal, Niob, Wolfram, Molybdän und Platin dar.

Die Rückgewinnung der Legierungsmetalle der Superlegierungen ist aufgrund des hohen Anteils teurer Metalle wirtschaftlich sehr interessant. So enthalten spezielle Superlegierungen die Metalle Rhenium von bis zu 12 Gew. %, Tantal bis zu 12 Gew. %, Niob bis zu 5 Gew. % und Wolfram und Molybdän bis zu 12 Gew. %. Weitere Metalle, die als Basismetalle in den Superlegierungen dienen, sind Nickel und Cobalt. Die Superlegierungen stellen auch für die letztgenannten Metalle eine Rohstoffquelle dar, aus der die Rückgewinnung dieser Metalle wirtschaftlich sinnvoll ist.

Zur Rückgewinnung der metallischen Komponenten aus Superiegierungen sind eine ganze Reihe von hydro- bzw. pyrometallurgischen sowie elektrochemischen Verfahren bekannt, die wegen ihrer komplexen Ausführungsformen und hohen Energieaufwandes keine Verfahren darstellen, die unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten, vor allem aufgrund immer weiter steigender Energiepreise, nicht in größerem Umfang durchgeführt werden.

Nach dem Stand der Technik zur Rückgewinnung der metallischen Komponenten aus den Superiegierungen werden diese unter Schutzgasatmosphäre geschmolzen und anschließend zu einem feinteiiigen Pulver verdüst. Bei dieser Verfahrensweise ist nachteilig, dass die Superiegierungen erst bei hohen Temperaturen zwischen 1200 und 1500 ⁰ C schmelzen. Der eigentliche AufschSuss der Superlegierung erfolgt erst in einem zweiten Schritt durch Behandlung des erhaltenen Pulvers mit Säuren. Erfahrungsgemäß werden hierfür mehrere Tage benötigt. Nach einem anderen Verfahren werden die stückförmigen Superlegierungsschrotte nach vorheriger Versprödung, z. B. bei tiefen Temperaturen zunächst durch energieintensive Mahlverfahren zerkleinert und anschließend auf nasschemischem Weg bei erhöhten Temperaturen in Mineralsäuren bestimmter Konzentration und Zusammensetzung aufgeschlossen, Potter et al, Eff. Techno!. Recycling Metal 1971, S. 35ff. Es sind weiterhin einige Verfahren bekannt, die den Aufschluss von Superlegäerungsschrotten über elektrochemische Prozesse vorsehen.

Nach US 3649487 werden die in Schrotten einer Fe/Ni/Co/Cu-Basislegierung enthaltenden hochschmelzenden Metalle z.B. Wolfram, Molybdän und Chrom zunächst über ein Schmelzverfahren durch Zusatz von nichtmetallischen Verbindungen der Gruppe III, IV, oder V in Boride, Carbide, Nitride, Suizide oder Phosphide überführt, zu Anoden geschmolzen und anschließend einer anodischen Oxidation unterzogen. Dabei gehen solche Metalle wie Co, Ni und Cu zunächst in Lösung und werden aus dieser an der Kathode abgeschieden, während die hochschmelzende Metalle z. B. als Boride, Carbide etc. im Anodenschlamm zurückbleiben. Hier wird zwar offenbart, dass die Metalle Ni, Co, Cu von den hochschmelzenden Metallen wie W, Mo, oder Chrom abgetrennt werden, es fehlen jedoch sämtliche Angaben darüber, ob eine vollständige Trennung dieser Metalle stattfindet. Die Schrift macht ferner keine Angaben über die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens.

WO 96/14440 beschreibt ein Verfahren zum elektrochemischen Aufschluss von Superiegierungen durch anodische Oxidation der Legierung in einem ESektrolysebad

mit einer organischen Lösemitteikomponente. Die Schrift offenbart, dass der Elektrolytlösung bis zu 10 % Wasser hinzugefügt werden können, damit das Verfahren noch erfindungsgemäß ausführbar ist. Anderenfalls kommt es dabei zur Passivierung der Anode durch Bildung eines Gels oder einer fest haftenden Oxidschicht , was zum Abbruch der Elektrolyse führen kann. Die Aufarbeitung und Trennung der Wertstoffe aus der durch die Elektrolyse entstehenden Suspension erfolgt zunächst durch die Filtration. Der dabei abgetrennte, einen Teil der Legierungsmetalle enthaltende Filtrationsrückstand wird dann thermisch über Caldnation und anschließend nach den üblichen hydrometallurgischen Verfahren weiter aufgearbeitet. In DE 10155791 C1 wird ebenfalls ein elektrochemisches Aufschlussverfahren für Superiegierungen offenbart. Bei diesem Prozess werden die Superlegierungen zunächst zu Platten gegossen und anschließend in einer sauerstofffreien anorganischen Säure elektrolytisch aufgeschlossen. Dem Problem der anodischen Passivierung wird hier durch Umpolung der Elektroden begegnet. Die beiden letztgenannten Verfahren sind nur unter bestimmten Randbedingungen, insbesondere sehr hohen Rheniumgehalten in Superlegierungen wirtschaftlich umsetzbar. In DE 19521333 C1 wird ein pyrometailurgischer Aufschluss von wolframhaitigen Hartmetall- sowie Schwermetallschrotten offenbart. Der Aufschiuss findet bei Temperaturen zwischen 800 und 1000 ⁰ C in einer Salzschmelze, die aus NaOH und Na ₂ SO ₄ besteht, statt. Bei diesen Verfahren wird eine Natriumwolframat - Schmelze erzeugt, die nach anschließender Abkühlung im Wasser gelöst wird. Wie in der vorliegenden Erfindung wird dort in alkalischer, sulfathaltiger Schmelze Wolfram-Hartmetallschrott unter oxidierenden Bedingungen nahezu vollständig durch Bildung von Natriumwolframat aufgeschlossen. Dies verwundert nicht, da sich das Metallat durch hohe Stabilität auszeichnet und unter den Reaktionsbedingungen in der NaOH-Schmelze löst. So ist ein vollständiger Auflösungsprozess des Hartmetallschrottes gewährleistet.

Aufgabe dieser Erfindung war es, ein Verfahren zum Aufschluss und Recycling von Superlegierungen, insbesondere rheniumhaltiger Superlegierungsschrotte, Aufarbeitung zur Rückgewinnung der darin enthaltenen Wertstoffe als eine kostengünstigere Alternative zum Recycling durch anodische Oxidation oder Säureaufschluss zur Verfügung zu stellen.

Die Aufgabe wurde gelöst durch ein Verfahren zur Rückgewinnung von Wertmetallen aus Superlegierungen wobei die Superiegierungen in einer Salzschmelze bestehend aus 60-95 Gew.% NaOH und 5-40 Gew.% Na ₂ SO ₄ aufgeschlossen werden und der dabei gebildete Schmelzaufschluss anschließend hydrometallurgisch mit dem Ziel der einfachen Trennung der einzelnen Wertmetalle aufgearbeitet wird.

Bevorzugt wird der Aufschiuss in einer Salzschmelze bestehend aus 65-85 Gew.% NaOH und 15-35 Gew.% Na ₂ SO _4, besonders bevorzugt aus 70-80 Gew.% NaOH und 20-30 Gew.% Na ₂ SO ₄ durchgeführt.

Im Falle von Superlegierungen, mit deren Aufschiuss sich die vorliegende Erfindung beschäftigt, bilden mehr als über 50% der metallischen Bestandteile z. B. Nickel oder Cobalt unter den Rektionsbedingungen der DE 19521333 C1 keine Metallate und es war überraschend, dass ein entsprechender Aufschiuss überhaupt stattfinden konnte. Weiterhin war es überraschend, dass praktisch das gesamte Nickel und Cobait nach dem Aufschiuss in metallischer Form vorlag und somit eine besonders vorteilhafte Aufarbeitung des Schmelzaufschlusses unter Nutzung einer magnetischen Trennung möglich wurde. Nicht zuletzt hieraus ergibt sich ein deutlicher wirtschaftlicher Vorteil gegenüber den zitierten elektrochemischen Aufschlussverfahren für Superiegierungen. Superlegierungen gemäß der vorliegenden Erfindung sind Legierungen, die als Hauptkomponenten 50 bis 80 % Nickel _» 3 bis 15 Gew. % mindestens eines oder mehrerer der Elemente Cobalt, Chrom und gegebenenfalls Aluminium, sowie 1 bis 12 Gew. % eines oder mehrerer der Elemente Rhenium, Tantal, Niob, Wolfram, Molybdän, Hafnium und Platin enthalten.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere für rheniumhaltige Superlegierungen, die bis zu 12 Gew. % Rhenium enthalten. Der erfindungsgemäße Aufschiuss von Superiegierungen wird vorteilhaft so durchgeführt, dass in die Salzschmelze bis zu 10 Gew.%, bevorzugt bis zu 8 Gew.% und besonders bevorzugt bis zu 5 % Soda (Na ₂ CO ₃ ) bezogen auf das Gewicht der Salzschmelze hinzugefügt werden.

Vorteilhafte Zusammensetzungen der Salzschmelze sind in der Tabelle 1 zusammengeführt.

Tabelle 1.

Die Superlegierungen können sowohl stückförmig als auch pulverförmig (Grindings oder Schleifstäube) vorliegen.

Der Superiegierungsaufschluss kann sowohl in direkt beheizten, z.B. in öfen mit Gasbzw. ölbefeuerung als auch in indirekt beheizten öfen kontinuierlich oder chargenweise durchgeführt werden. Die dafür geeigneten öfen sind z. B. Trommelöfen und Drehrohröfen.

Bevorzugt wird dabei der Aufschluss von Superlegierungen in einer bewegten alkalischen Schmelze in einem chargenweise betriebenen direkt befeuerten Drehrohrofen durchgeführt. Der erfindungsgemäße Aufschluss wird so durchgeführt, daß auf 1 kg Superiegierung mindestens 1 kg Salzschmeize, bevorzugt mindestens 1,5 kg und besonders bevorzugt mindestens 2 kg eingesetzt werden. Bei bestimmten Superlegierungen, die Rhenium- Gehalte von größer als 8 % aufweisen, werden bis zu 5 kg Salzschmelze je Kilogramm Superiegierung eingesetzt. Der erfind u ngsgemäße Aufschluss von Superlegierungen verläuft im Hinblick auf die Raum-Zeit-Ausbeute besonders vorteilhaft, wenn in die Salzschmelze Luft und/oder Sauerstoff, oder deren Gemisch eingeleitet wird. Vorzugsweise wird in die Salzschmelze ein Gemisch aus Luft und Sauerstoff bestehend aus 25 bis 95 Vol. % Luft und 5 bis 75 Vol.% Sauerstoff, bevorzugt aus 35 bis 80 Vol. % Luft und 20 bis 65 Vol. % Sauerstoff eingeleitet. Der erfindungsgemäße Aufschluss von Superlegierungen wird bei Temperaturen von 800 bis 1200 ⁰ C durchgeführt. Bevorzugt wird der Aufschluss im Temperaturbereich von 850 bis 1100 ⁰ C, besonders bevorzugt bei 900 bis 1050 ⁰ C durchgeführt. Gute

Aufschlussbedingungen liegen vor, wenn in die Schmelze zusätzlich Oxidationsmittel eingeführt werden. Als solche können z.B. Nitrate, Peroxodisulfate, Peroxide der Alkalimetalle und /oder deren Mischungen dienen. Vorteilhaft werden Kaliumnitrat, Natriumnitrat, Natriumperoxid, Kaliumperoxid, Natriumperoxidisulfat,

Kaϊiumperoxidisulfat und/oder deren Mischungen als Oxidationsmittei eingesetzt. Besonders gute Aufschlussraten werden erreicht, wenn der Schmelze 5 bis 25 Gew.- % der oxidierenden Komponente bezogen auf das Gewicht der Schmelze hinzugefügt werden.

Vorteilhafte Zusammensetzungen der Salzschmelze können der Tabelle 2 entnommen werden.

Tabelle 2.

Besonders vorteilhaft wird dabei der Schmelzaufschluss so durchgeführt, dass eine partielle Oxidation der Superiegierung erfolgt oder nach nahezu vollständiger Oxidation für eine bestimmte Zeit reduzierende Bedingungen eingestellt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Aufschlussverfahren werden bereits in der Schmelze drei Fraktionen vorgebildet, bestehend aus: - in Wasser löslichen Alkalioxometallaten der Metalle der 6. und/oder 7.

Nebengruppe und/oder der 3. Hauptgruppe des Periodensystems und/oder deren Mischungen;

- in Wasser unlöslichen Komponenten aus der Gruppe der Metalle Co, Ni, Fe, Mn oder Cr und/oder deren Mischungen, - Oxiden und/oder in Wasser unlöslichen Alkalioxometaliate der Metalle der 4.

oder 5. Nebengruppe des Periodensystems und/oder deren Mischungen

Diese drei Fraktionen werden anschließend hydrometailurgisch aufgearbeitet. Gegenstand der voriiegenden Erfindung ist somit ein Verfahren zur Aufarbeitung des Superiegierungsschmelzaufschlusses enthaltend folgende Schritte:

a) überführung des Schmelzaufschlusses in feste Phase durch Abkühlung auf Raumtemperatur, b) Zerkleinerung des erstarrten Schmelzaufschiusses, c) Umsetzung des zerkleinerten Schmelzaufschlusses in Wasser bei Temperaturen von kleiner 8O ⁰ C und Erzeugung einer wässrigen Suspension enthaltend

- eine Lösung, bestehend aus einer Mischung von Natriumverbindungen aus der Gruppe NaOH, Na ₂ SO4, NaAI(OH) ₄ und/oder Na ₂ CO ₃ und Alkalimetailate der Elemente der 6. und/oder 7. Nebengruppe des Periodensystems; - eine feste metallische Phase, bestehend aus der Gruppe der Metalle Co, Ni, Fe, Mn , und Cr;

- eine feste Phase, bestehend aus Hydroxiden und/oder Oxidhydraten der Metalle der 3. Hauptgruppe und der Metalle der 4. und/oder 5. Nebengruppe des Periodensystems, d) Abtrennung der wässrigen Fraktion durch Filtration, e) Trennung der wasserunlöslichen Fraktion durch magnetische Abscheidung metallischer Komponenten, f) Abtrennung der oxidischen Fraktion.

Das erfindungsgemäδe Verfahren ist in der beigefügten Fig. 1 schematisch dargestellt. Gemäß. Fig 1. wird der Superlegierungsschmelzaufschluss (2) nach der Abkühlung auf Raumtemperatur gebrochen, danach in einer Mühle zerkleinert und anschließend in Wasser gelaugt. Bevorzugt wird die Laugung bei Temperaturen von kleiner 60 ⁰ C und besonders bevorzugt bei kleiner 40 ⁰ C durchgeführt. Das Besondere des Schmelzaufschlusses sind die darin bereits vorgebildeten drei Fraktionen, die während der Wasserlaugung als leicht zu trennende Fraktionen (vorliegen):

- Das Filtrat (4), welches im Wesentlichen die Elemente Molybdän, Wolfram und Rhenium in Form ihrer Alkalimetailate enthält,

- Der wasserunlösliche Rückstand (3), der aus einem magnetischen Anteil besteht, der praktisch die gesamten Nickel- und Cobaltanteile der Legierung und etwa 1/3 des eingesetzten Chroms in metallischer Form enthält, während alle anderen Elemente nur als Nebenbestandteile oder im Spurenbereich vorliegen und - einer nicht-magnetischen Fraktion (5), die die Elemente Aluminium, Chrom, Titan, Zirkonium, Hafnium, Niob und Tantal in Form ihrer Oxide (z.B. AI2O3, Cr2O3, TiO2, ZrO2, HfO2, Ta2O5, Nb2O5), oder Hydroxide (z.B. AI(OH)3, Cr(OH)3, Ti(OH)4, Zr(OH)4, Hf(OH)4, Ta(OH)S ₁ Nb(OH)S, oder Nitride (z.B. AIN, CrN, TiN, HfN, NbN, und TaN oder Carbide (z.B. AIC, Cr2C3, TiC, ZrC, HfC, NbC und TaC), enthält.

Die weitere Aufarbeitung dieser Fraktionen kann nach den bekannten Verfahren erfolgen, So kann das Rhenium nach der Filtration aus dem Filtrat (4) über stark basischen Ionenaustauscher wie in DE 10155791 beschrieben abgetrennt werden. Die rheniumfreie, im wesentlichen Natiummolybdat und NatriumwoSframat enthaltende Lösung _» kann dem Prozess zur Gewinnung von Molybdän bzw. Wolfram hinzugefügt werden.

Der nicht-magnetische Rückstand, der bis zu 15% Tantal enthält, kann als Rohstoff in der Tantal-Metallurgie eingesetzt werden. Der magnetische Rückstand wird vorteilhaft zur Herstellung von Cobait und Nickel verwendet.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Rückgewinnung von Rhenium aus Superlegierungen. Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Gewinnung von Rhenium aus Superlegierungen enthaltend folgende Schritte: a) Aufschluss von Superiegierungen in einer Salzschmelze bestehend aus 60-95 Gew. % NaOH und 5-40 Gew. % Na ₂ SO ₄ , b) Abkühlung der Schmelze auf Raumtemperatur, c) Zerkleinerung des Schmelzaufschlusses, d) Umsetzung des zerkleinerten Schmelzaufschlusses in Wasser bei Temperaturen von kleiner 80 ⁰ C und Erzeugung einer wässrigen Suspension enthaltend

- eine Lösung, bestehend aus einer Mischung von Natriumverbindungen aus der Gruppe NaOH, Na ₂ SO ₄ , NaAI(OH)4 und/oder Na ₂ CO ₃ und Alkalimetallate der Elemente der 6. und/oder 7. Nebengruppe des Periodensystems;

- eine feste metailische Phase, bestehend aus der Gruppe der Metalle Co, Ni, Fe, Mn , und Cr;

- eine feste Phase, bestehend aus Hydroxiden und/oder Oxidhydraten der Metalle der 3. Hauptgruppe und der Metalle der 4. und/oder 5. Nebengruppe des Periodensystems, e) Abtrennung der wässrigen Fraktion durch Filtration, f) Abtrennung des Rheniums aus der wässrigen Fraktion gemäß DE 10155791.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Gewinnung von Rhenium aus Superlegierungen wird vorteilhaft so durchgeführt, dass in die Salzschmelze bis zu 10 Gew.%, bevorzugt bis zu 8 Gew.-% und besonders bevorzugt bis zu 5 % Soda (Na ₂ CO ₃ ) bezogen auf das Gewicht der Salzschmelze hinzugefügt werden. Bevorzugt wird die Abtrennung des Rheniums aus der wässrigen Suspension mittels stark basischer lonenaustauscherharze. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass der Superlegierungsaufschluss in einer NaOH-Na ₂ SO ₄ -Schmelze exotherm ist. Durch das Einleiten von Luft oder des Luft/Sauerstoff-Gemisches ist der Prozess gut steuerbar. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Wertstoffe nahezu vollständig zurück gewonnen werden können. Die Erfindung wird anhand des nachfolgenden Beispiels näher erläutert.

Beispie!

In einem mit Erdgas direkt befeuerten Trommelofen wurden 1 ,97 t Superlegierungsschieifstaub (1) zusammen mit 2,50 t NaOH und 0,45 t Na ₂ SO ₄ innerhalb von 4 Stunden auf 11 1O ⁰ C erhitzt und eine weitere Stunde bei dieser Temperatur belassen. Die Zusammensetzung des Superlegierungsschieifstaubes ist in Tabelle 1 aufgeführt.

Danach wurde der entstandene dickflüssige Superlegierungs-Schmelzaufschluss vollständig aus dem Ofen abgegossen. Die erkaltete Schmelze wurde zunächst grob gebrochen und anschließend auf <2 mm vermählen. Man erhielt 5,26 t pulverförmiges Schmeizgut (2), das zur Laugung in 7,5 m ³ Wasser eingerührt wurde. Nach beendeter Zugabe wurde noch 2 Stunden weitergerührt und dann über eine Fiiterpresse filtriert und mit 0,5 m ³ Wasser nachgewaschen. Man erhielt 2,10 t Filterrückstand (3) und 9,3 m ³ Filtrat (4). Der Filterkuchen wurde erneut in Wasser suspendiert und die metallischen, magnetischen Anteile durch Pumpen der Suspension im Kreislauf durch einen Magnetabscheider von den oxidischen und hydroxidischen Anteilen getrennt. Die weitgehend metallfreie Suspension wurde anschließend wieder über eine Filterpresse abgetrennt, die Filtrate für den nächsten Laugungsansatz vorgelegt. Man erhielt 1 ,46 t Metalischlamm (5) und 0,56 t Hydroxidschlamm (6). Der Hydroxidschlamm (6) wurde zur Wiedergewinnung des Tantals an einen Tantalbetrieb, der Metallschlamm (5) zur weiteren Aufarbeitung an einen Nickeibetrieb weitergegeben. Das rheniumhaltige Fiitrat (3) wurde über lonenaustauschersäulen mit stark basischem Ionenaustauscher geleitet um das Rhenium zurück zu gewinnen. Die weitere Anreicherung und Reinigung des Rheniums erfolgte nach Standardmethoden gemäß dem Stand der Technik. Der rheniumfreie Ablauf der lonenaustauschersäulen wurde in einem Wolframbetrieb als Vorlage für die Laugung von WO ₃ genutzt. Die Rhenium-Ausbeute betrug dabei 94 %.

Die Zusammensetzung des Superlegierungsschleifstaubs sowie der wichtigsten Zwischenprodukte kann der Tabelle 3 entnommen werden.

Tabelle 3