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TU Bergakademie Freiberg - SFB 920 "Multifunktionale Filter für die Metallschmelzefiltration"

  Halle 2
  Stand: 15

SFB 920 – Multifunktionale Filter für die Metallschmelzefiltration –

ein Beitrag zu Zero Defect Materials“

Die Forderung nach erhöhter Metallqualität und geringeren Ausschussraten seitens der Anwender und Weiterverarbeiter machen eine gleichmäßigere Einstellung der chemischen Zusammensetzung und eine verstärkte Kontrolle des Reinheitsgrades erforderlich. Die Vision dieses SFB ist die Einstellung exzellenter, an die Bauteilbeanspruchung angepasster funktionaler und adaptiver mechanischer Eigenschaften für einen Innovationsschub in Sicherheits- und Leichtbaukonstruktionen. Dieses Ziel soll mittels einer erheblichen Reduzierung von anorganischen nichtmetallischen Einschlüssen in der Metallmatrix beim Einsatz intelligenter Filterwerkstoffe bzw. Filtersysteme erreicht werden. Insbesondere in der dritten Förderperiode werden neuartige, kombinierte Reinigungsfiltersysteme erforscht. Die Metallschmelze kommt erst in Kontakt mit reaktiven Filtern, die in situ Gasblasen in der Metallschmelze generieren bzw. Gasblasen an den Einschlüssen aktivieren und zu einer Art Flotation der Einschlüsse beitragen. Durch die hohe Reaktivität und aufgrund der Gasblasen wird die Agglomeration der feinen Einschlüsse gefördert, so dass die größeren Cluster von Einschlüssen entweder durch Auftriebskräfte in Richtung Schlackenoberfläche der Schmelze sich bewegen oder an aktiven, nicht gasbildenden, aktiven Filtern mit funktionalisierten Filteroberflächen - mit ähnlicher Chemie wie die der Einschlüsse - durch Filtrationsprozesse entfernen lassen. Damit kann eine hohe Reinigungseffizienz größer 95 % erreicht werden. Die Modellierungsansätze konzentrieren sich einerseits in den Beiträgen der Gasblasen zur Flotation und die in situ Bildung von Reaktionsschichten an denen Einschlüsse gezielt haften, andererseits werden Geometrien berechnet, die zu einem 3D-Druck von funktionalisierten Filterstrukturen in Kombination mit einer roboterunterstützten Flammspritzendbeschichtung beitragen. 

Die Erforschung neuartiger Filterwerkstoffe sowie ein an die Filtrationstechnik angelehntes modellunterstütztes Filterdesign der Mikro- und Makrostruktur ermöglichen die Herstellung von dünn- als auch dickwandigen, höchstbeanspruchbaren Komponenten auf Basis Stahl, Eisen, Aluminium und Magnesium mit bahnbrechenden Eigenschaften – Festigkeit, Zähigkeit, Ermüdungsresistenz – für die Sicherheit der Insassen von Kraft-, Schienen- und Luftfahrzeugen. Darüber hinaus werden zukunftsträchtige Anwendungsfelder in der Elektronikindustrie am Beispiel Filtration von Kupfer und Silizium, in der Verpackungsindustrie am Beispiel Aluminiumfolien und in der Filtrationstechnik und Konditionierung von Behandlungsschlacken erschlossen. Das Ziel einer höheren Materialeffizienz sowie der Reduktion des Energieaufwandes und der CO2-Emissionen rückt damit in greifbare Nähe.

Abbildungen links (Abb. 1a-c): S. Dudczig, SFB 920,
Abbildungen rechts (Abb. 2-4): D. Müller

CRC 920 - Multi-Functional Filters for Metal Melt Filtration –

A contribution towards Zero Defect Materials”

There exists an increasing pressure on the metal making and metal using industry to remove solid and liquid inclusions such as deoxidation products, sulfides, nitrides carbides etc. and thereby improve metal cleanliness. It is well known that size, type and distribution of non-metallic inclusions in metal exert considerable effects on the mechanical properties of the cast products. The vision of this collaborative research centre is to create a new generation of metal qualities via melt filtration with superior mechanical properties for use in light weight structures and high demand construction materials. The aim of the collaborative research centre is an enormous reduction of non metallic inclusions in the metal matrix by the use of intelligent filter materials as well as filter systems with a functionalized filter surface. Especially in the third period a new generation of combined refining filter systems will be the focus. The metal melt comes first in contact with a reactive filter which generates gas bubbles in the melt as well as activates gas bubbles on the surface of the inclusions. As a result a kind of flotation of the inclusions towards the slag on the surface of the melt takes place. Further the high reactivity as well as the gas bubbles contribute to the agglomeration of the fine inclusions to big clusters which flow due to buoyancy forces to the surface of the melt or are filtrated on the surface of active filters, which do not form gas bubbles but provide on their functionalized surfaces the same chemistry as the inclusions for a sufficient adhesion and as a result for a sufficient filtration of the inclusions. With this approach a purification higher than 95 % can be achieved. The modelling is focusing mainly on the several contributions of the gas bubbles and on the in situ formed reactive layers on the surface of the reactive filters as well as they generate codes with respect to the thermomechanical and functional properties of the filters for a 3D-printing of filter structures which are then end shaped with the aid of a robot-assisted flame spraying technique.   

The flow dynamic conditions in the filter during casting are of great importance for the proper design of the filter macrostructure. A material as well as a flow computer aided micro- and macrostructure filter design based on investigated filtration mechanisms will lead to high purification efficiencies with superior properties – strength, fracture toughness, fatigue- of the cast steel, iron, aluminum and magnesium components. In addition other applications such as the electronic industry via filtration of copper or the thin aluminum foil production will profit from the scientific results. The target for a higher material efficiency and reduction of energy and CO2-emissions is coming closer in the near future.


TU Bergakademie Freiberg - SFB 920 "Multifunktionale Filter für die Metallschmelzefiltration"

Institut für Keramik, Glas- und Baustofftechnik
Dr. Undine Fischer
Agricolastr. 17 - Zimmer 109
09599 Freiberg
Deutschland

     http://tu-freiberg.de/forschung/sfb920
   undine.fischer@ikgb.tu-freiberg.de
 +49 3731 39-3324
 +49 3731 39-2419


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