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Die Zementindustrie und weitere energieintensive Industrien wie etwa die Stahlindustrie stehen vor dem Hintergrund der Transformation unserer Gesellschaft zur Klimaneutralität vor erheblichen Herausforderungen. Ziel dieser Branchen ist perspektivisch die vollständige Vermeidung klimaschädlicher Emissionen – mit besonderem Fokus auf Kohlendioxid. Neben der Umstellung auf regenerative Energieträger, sind im Speziellen für die Zementindustrie die erheblichen Anteile an CO2-Emissionen durch die Entsäuerung von Kalkstein zukünftig zu vermeiden. Da die hervorragenden Bindemitteleigenschaften des bisher hauptsächlich in Zementen eingesetzten Portlandklinkers jedoch auf Calciumverbindungen wie Tri- und Di-calciumsilikaten basieren, stellt die Substitution des Kalks derzeit für die Zementindustrie die größte Herausforderung dar. Neben vollständig neuen Bindemittelsystemen ohne Verwendung von Kalk und CCS/CCU-Technologien zur Vermeidung der CO2-Emissionen bei Verwendung von Kalk, können Abfälle und Nebenprodukte wie etwa Betonbrechsand, verschiedene Schlacken und weitere Massenreststoffe sinnvoll zur Einsparung von Rohstoffen und zur Vermeidung von CO2-Emissionen eingesetzt werden. Es gilt diese Potentiale von Sekundärrohstoffen branchenübergreifend zu identifizieren und Synergien zwischen den Branchen nutzbar zu machen. Hierbei werden neben der chemischen Zusammensetzung der Abfälle und Nebenprodukte auch die Verfügbarkeit und der Massenstrom relevante Kriterien sein. Die potenziellen Sekundärrohstoffe und deren Gemische mit chemisch ähnlicher Zusammensetzung wie die bisher verwendeten Bindemittel, können durch verschiedene technische Ansätze wieder in reaktive Bindemittel umgewandelt und damit nutzbar gemacht werden. Eine gezielte Umwandlung der nicht reaktiven mineralischen Phasen in neue mineralische Phasen mit guten Bindemitteleigenschaften, kann u. a. durch Schmelzprozesse erzielt werden. In Schmelzen können bei hohen Temperaturen die bestehenden, nicht reaktiven mineralischen Phasen zerstört und neue mineralische Phasen mit guten Bindemitteleigenschaften erzeugt werden. Hohe Freiheitsgrade durch gezielte Einstellung der stofflichen Zusammensetzung der Schmelze, durch Stoffseparationen und durch geregelte Abkühlregimes können eine maßgeschneiderte Erzeugung neuer Bindemitteltypen ermöglichen. Aufgrund der hohen erforderlichen Temperaturen von Schmelzprozessen ist die Umsetzung dieser neuen Verfahren nach Möglichkeit in bestehenden pyrometallurgischen Produktionsrouten wie etwa der Stahlproduktion vorzunehmen. So kann etwa der Einsatz von Betonbrechsand als Schlackebildner in der Stahlproduktion zielführend sein, wenn die Schlacke wieder zu einem Bindemittel prozessiert wird und in Zementen Verwendung findet. Eine stoffliche Kreislaufführung wäre hiermit gegeben, wobei der Einsatz von Kalkstein als Schlackebildner oder Rohstoff für die Zementproduktion, und damit die entsprechenden CO2-Emissionen, vermieden werden. Die Entwicklung neuartiger Bindemittelsysteme auf Basis von Sekundärrohstoffen sollte von erforderlichen Anpassungen und neuen Entwicklungen in der Regelsetzung und Normung begleitet werden. Vor allem muss gewährleistet sein, dass die mit neuen Bindemitteln hergestellten Betone den hohen Anforderungen an Dauerhaftigkeit und Umweltverträglichkeit genügen. Des Weiteren sollte mit den etablierten Methoden, wie etwa der Lebenszyklusanalyse, untersucht werden, inwiefern und in welchem Umfang die neuen technischen Entwicklungen zu Nachhaltigkeit und Klimaschutz beitragen.
Recycled fertilizers produced using processes for the recovery of phosphate from residual materials such as wastewater, sewage sludge and sewage sludge ashes show very good bioavailability, but it is still a product largely unknown to the market. The aim of CLOOP is therefore to document the properties and effects of such fertilizers through chemical, mineralogical and ecological analyses as well as analytical method development and pot and field plant growth trials.
Outotec focused on 3 points in CLOOP: Experimental campaigns, process simulations as well as economic analyses with focus on the AshDec process, respectively the design of a large-scale AshDec plant for phosphorus recovery. The laboratory scale trials as well as the semi-industrial scale campaign provided valuable insights into the operating parameters of the process and the plant. As a result, for example, the temperature range could be significantly lowered, and the additive addition reduced by approx. 20 %. They have further shown that the AshDec process is not susceptible to operating fluctuations and that the product can be consistently produced at high quality. With the selection of suitable operating parameters, heavy metals (As, Pb, Cd, (Zn)) can be removed. Within the campaign, about 1.5 t of fertilizer for the plant trials in CLOOP could be produced. An AshDec plant process was digitally created in simulation software, allowing valuable process parameters to be simulated at various operating parameters. On this basis, a full-scale plant was designed. The data obtained in the project were used for a detailed economic analysis including a sensitivity analysis. It was possible to show under which conditions this plant can be operated economically.
At BAM, the AshDec fertilizer was synthesized with different additives and then applied to plant experiments at Uni Bonn. The goal hereby was to check differences in plant uptake. Because of the promising results of AshDec synthesized with sodium-carbonate and because this AshDec version does not require special off gas treatment for sulfur recovery (compared to AshDec synthesized with sodium-sulfate), all project partners agreed on continuing working with this AshDec variation. It was then used as a raw P-source for formulating it into NPK-fertilizers, by granulation with ammonium-sulfate and straw ash as potassium source. These recycling fertilizers were applied to plant- and field experiments by project partners in Brazil (University of Sao Paulo) and Australia (University of Queensland). Furthermore, in leaching experiments, the solubility of phosphorus in AshDec was compared to triple super phosphate. The experiments were carried out on soils with a varying phosphorus buffering index. Results show, that the phosphorus form in AshDec is way less soluble in water. This indicates that AshDec has the potential for a so-called next generation fertilizer – a fertilizer which’s nutrients remain in the soil and supply the plant according to its needs. At the moment, this behavior gets examined more in depth in lysimeter experiments in cooperation with University of Technology Berlin.
The focus of KWB is the Life Cycle Assessment (LCA) of different NextGen fertilizers to evaluate the entire process chain from recovery to fertilizer application. The NextGen fertilizer is credited by the amount of plant available nutrients in the product, which replace nutrients from conventional fertilizer. The LCA covers N-struvite precipitation from municipal wastewater, K-struvite precipitation from industrial wastewater and the AshDec-product from sewage sludge. The LCA task is almost complete. It could be shown that struvite precipitation has comprehensive environmental benefits, mainly since positive side effects occur in sewage sludge treatment (e.g. reduced sludge volume). In principle, the energetic and ecological profile of the AshDec process compared to direct use of sewage sludge ash cannot be assessed as being generally beneficial or negative. Regarding the global warming potential, the Ashdec process shows that the expenses (e.g. energy, chemicals) cannot be covered by the P fertilizer credit. In contrast, the impact categories “terrestrial acidification potential”, and “freshwater eutrophication potential” show positive results as the credits for conventional fertilizer are higher than the burdens for the process.
At University Bonn, the standardized pot experiments were conducted with several AshDec variations, using ryegrass, soybean, and spinach on a slightly acidic sandy soil and an organic-free standard substrate. P-uptake and biomass production of different AshDec variations were generally like those of triple super phosphate and struvite, and clearly outperformed untreated sewage sludge ash and rock phosphate. Field trials in Australia and Brazil with sugarcane on acidic soils are still ongoing and results are expected by the end of 2021.
extraWERT Forschungsvorhaben
(2022)
Die novellierte AbfKlärV (2017) beinhaltet die Verpflichtung zum P-Recycling ab einem P-Gehalt im Klärschlamm von 20 g/kg. Im Vortrag werden Ergebnisse des Forschungsvorhabens extraWERT zu diesem Themenkomplex vorgestellt. Es werden Untersuchungen zu P-Gehalten deutscher Klärschlämme und zu den zulässigen Analysemethoden dafür vorgestellt.
Sewage sludge ashes (SSA) contain up to 13% P and are thus promising raw materials for fertilizer production. However, SSAs also contain heavy metals and the main P-bearing mineral phases whitlockite and aluminium phosphate are poorly bioavailable. We developed and patented a process that produces fertilizers from SSA addressing the above mentioned challenges. SSA is thermo-chemically treated at ~950°C under reducing conditions (reductive: dry sewage sludge) in a rotary kiln together with an alkali compound such as sodium or potassium sulfate, hydroxide or carbonate. Some undesired trace elements such as As, Hg, Pb and Cd are evaporated and separated via off gas treatment system. The poorly soluble phosphates are transformed into calcium alkali phosphates (CaNaPO4 or CaKPO4) that are not water soluble but completely soluble in neutral ammonium citrate solution (NAC). Pot experiments showed that the fertilizer performance of the treated SSA containing calcium alkali phosphates as the single P-bearing mineral phase was comparable to the performance of triple superphosphate. The PNAC-solubility of fertilizer products correlated very well with the resulting contents of calcium alkali phosphates and the P-uptake of plants in pot experiments. The effect of the ratio alkali/P on the PNAC-solubility was investigated by crucible experiments and trial series with a medium scale rotary kiln using different SSAs and alkali phosphates. The effects of operational parameters such as the temperature and the retention time were investigated as well as concurring side reactions of the alkali compounds e.g. with SiO2 present in SSA. The alkali/P ratio must be roughly adjusted at 2 to achieve 100% PNAC-solubility for a common type of SSA. A demonstration trial with an output of 2 t recycling fertilizer was carried out in an industrial rotary kiln (product output 30 kg/h). The PNAC-solubility of the product varied between 60% and 80% during the 4 days campaign showing that the transformation of the mineral P-phases to calcium alkali phosphates was not complete. This was observed although the amount of Na2SO4 additive was dosed according to the results of the pre-investigations. Structure analysis by XRD showed that besides the target compound CaNaSO4 also some Ca3(PO4)2 remained in the SSA as well as some unreacted Na2SO4 additive. Obviously, the conditions in the industrial rotary kiln were not optimal for the process showing that some process aspects have to be reconsidered for the scale-up.
Complete Survey of German Sewage Sludge Ashes - Phosphorous and Technology Metal Recovery Potential
(2014)
Im Rahmen eines vom BMBF geförderten KMU-Innovativ Forschungsprojekts (KKZ 0316199B) konnte in Kooperation mit der Firma Greibo Chemie GmbH ein bio-katalysierter Prozess zur Hydrolyse und Veresterung von gastronomischen Altfetten etabliert werden. Unter Anwendung des Enzyms Candida antarctica lipase-A (CAL-A) kann dieser Prozess mit einem teilweise wässrigen Medium durchgeführt werden was prozesstechnisch einige Vorteile mit sich bringt. Im Gegensatz zu anderen Acyltransferasen ist die CAL-A nicht nur in der Lage die Alkoholyse zu katalysieren sondern auch Fettsäuren zu verestern. Dies eröffnet eine breitere Anwendung des Prozesses auf weitere Produktgruppen und Abfallströme. Es wurden Optimierungen mit modifizierten Enzymen und verschiedenen Fetten und Alkoholen vorgenommen. Des Weiteren wurden die verfahrenstechnischen Parameter optimiert und ein Scale-up auf den 0,5 Tonnen Maßstab durchgeführt. Die aus dem Prozess resultierenden Fettsäureester eignen sich als Motoren- oder Hydraulikbasisöle sowie als Metallbearbeitungsöle. Im Vergleich zu den Mineralölkosten von ca. 1,0 - 1,5 € pro kg muss bei einer Umstellung eines Hydrauliköls auf Fettsäureester (konventionell hergestellt) allerdings bei einem Preis von 3 – 5 € pro kg mit Mehrkosten bei gleichbleibendem Verbrauch gerechnet werden. Für die erfolgreiche Markteinführung müssten vermutlich die durchaus vorhandenen ökologischen Vorteile der Altfett-basierten Produkte beworben werden.
Zukünftig werden vermehrt P-Recyclate auf den Düngemittelmarkt kommen. Diese müssen ausreichend charakterisiert werden, um Sicherheit und Wirksamkeit beurteilen zu können. Mit dem Vortrag wurde der wissenschaftliche Beirat für Düngungsfragen des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft beraten.
Conventional fertilisers have their disadvantages as nutrient release is not synchronised with the demand of plants. Several approaches of "next generation fertilisers" are aiming at controlled nutrient release. Recycling fertilisers are often not soluble in water but fully plant available. They are suitable raw materials for the production of new types of controlled release fertilisers.
Carbonfasern sind äußerst stabil und werden auch in Anlagen zur Verbrennung von Sondermüll kaum zerstört. Beim Handling carbonfaserhaltiger Abfälle können Gesundheitsrisken auftreten (Abgabe von WHO-Fasern). Es werden Methoden der Verwertung carbonfaserhaltiger Reststoffe in der Pyrometallurgie diskutiert.
Bei der Stahlproduktion fallen verfahrensbedingt große Mengen an Nebenprodukten und Abfällen wie Stahlwerksschlacken, Filterstäube und Gichtgasschlämme an. Hohe Anteile dieser Stoffströme werden aufgrund ihrer Zusammensetzung immer noch deponiert, obwohl sie ein hohes Wertstoffpotential aufweisen. An der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) werden Verfahren untersucht und entwickelt, welche eine Verwertung und Kreislaufführung dieser Materialströme ermöglichen. Aus sogenannten Linz-Donawitz-(LD)-Schlacken können durch carbothermische Nachbehandlung Roheisen und ein dem Portlandzementklinker (PZK) ähnliches Bindemittel erzeugt werden. Aus Elektroofenstäuben und Gichtgasschlämmen kann Zink gewonnen und die Anteile an Eisen und Kohlenstoff in den Stahlproduktionsprozess zurückgeführt werden. Durch diese technischen Maßnahmen kann es gelingen die Deponierung von Abfällen der Stahlproduktion zukünftig deutlich zu reduzieren.
In Bayern wird Klärschlamm aus der kommunalen Abwasserreinigung weitgehend verbrannt. Monoverbrennungsanlagen - ausschließlich für kommunalen Klärschlamm - gibt es in Altenstadt, München, Gendorf, Straubing, Neu-Ulm und zukünftig auch in Augsburg. Die Anlage in Altenstadt verbrennt jährlich ca. 55.000 t Klärschlamm-Trockensubstanz und produziert dabei rund 15.000 t phosphatreiche Aschen.
Die Asche aus Altenstadt wird zurzeit überwiegend direkt landwirtschaftlich genutzt. Aufgrund der niedrigen Schadstoffgehalte ist diese Nutzung nach den düngemittelrechtlichen Regelungen gesetzlich zulässig. Um der Intention der neuen Düngeverordnung (26. Mai 2017) nach hocheffizienten, d.h. gut pflanzenverfügbaren Düngemitteln zu entsprechen, ist eine Aufbereitung der Klärschlammasche geplant. Im Rahmen des R-Rhenania Projektes errichten der Betreiber der Klärschlammverbrennungsanlage Altenstadt in Bayern Emter GmbH - und der Düngemittelhersteller sePura GmbH gemeinsam eine AshDec®-Demonstrationsanlage, die im Jahr 2023 den Betrieb aufnehmen soll. Das angewandte AshDec®-Verfahren schließt die Phosphate in der Klärschlammasche thermisch im Drehrohrofen auf und macht diese für Pflanzen vollständig verfügbar. Gleichzeitig werden Schadstoffe wie Arsen, Blei und Cadmium entfernt. Den thermischen Aufschluss kennt man bereits vom erfolgreichen, aber nicht mehr produzierten Düngemittel „Rhenania-Phosphat“, das auf der Basis von Rohphosphaten hergestellt wurde.
Die geplante Anlage wird neben den Aschen aus Altenstadt zusätzlich die Aschen aus weiteren bayerischen Verbrennungsanlagen verwerten und für eine Kapazität von 30.000 Jahrestonnen Asche ausgelegt sein. Der Projektpartner sePura plant den produzierten Dünger vollständig in Bayern zu verwerten. Dies verringert die Umweltbelastung durch lange Transportwege und fördert die Regionalität des Vorhabens.
Für Klärschlämme existieren verschiedene Verfahren der thermischen Behandlung. Neben der Monoverbrennung werden Klärschlämme auch in Kraftwerken zusammen mit Braun- oder Steinkohle, in Müllverbrennungsanlagen und Zementwerken mitverbrannt. Eine Rückgewinnung des Nährstoffs Phosphor wird durch Mitverbrennung des Klärschlamms erschwert bis unmöglich gemacht. Aus diesem Grund sind zukünftig der Mitverbrennung Phosphorrückgewinnungsverfahren vorzuschalten. Neben der Verbrennung existieren alternative thermische Verfahren wie die Niedertemperaturkonvertierung, die Pyrolyse, die Hydrothermale Carbonisierung und die Vergasung. Alle Verfahren werden im Vortrag mit Beispielen vorgestellt.
The rare earth elements (REEs) are a group of 17 elements from the lanthanide series including scandium and yttrium that share similar physical and chemical properties. They are progressively important for transition to a green, low-carbon economy due to their vital role in electric cars, permanent magnets, fluorescent lamps, rechargeable NiMH batteries, catalysts and other applications. In reality, the term “rare” is misleading as these elements are widely present in the earth’s crust. However, even if not rare, REEs have a high supply risk due to the geopolitical situation e.g. resulting from limited Chinese exports. This, along with their importance in various clean and high-tech applications, has led the EU and the U.S. to label certain REEs, especially europium, terbium and yttrium as critical elements. Recycling is often considered as one of the ways to reduce REEs criticality, especially the import dependency.
A recycling strategy for REE requires reliable analytical data of different types of waste streams. The REE bearing waste matrices can be completely different depending on its origin. Digestion methods prior to ICP-OES / -MS analysis must be optimized for the different matrices to guarantee reliable results. We present two examples of different REE bearing waste streams - fluorescence lamp shredder waste and red mud - and show how the analytical procedures were optimized.
A new sewage sludge ordinance was set in force in Germany in 2017 that makes phosphorus recovery from sewage sludge mandatory. The technological possibilities for P-recovery from waste water, sewage sludge and sewage sludge ash were presented.
Vortrag über die Regelungen der AbfKlärV bezüglich P-Rückgewinnung. Diskussion der Auswirkung einer konzentrationsbezogenen Grenze auf die Pflicht zur P-Rückgewinnung. Diskussion der nach AbfKlärV zulässigen analytischen Verfahren zur Bestimmung von P in Klärschlamm und Ableitung von Empfehlungen. Vorstellung der Ergebnisse eines Ringversuchs mit 28 Laboren.
Die Europäische Kommission präsentierte am 11. Dezember 2019 den European Green Deal, ein Konzept mit dem Ziel, bis zum Jahr 2050 als erster Kontinent Klimaneutralität zu erreichen. Mit Inkrafttreten der Verordnung (EU) 2021/1119 des Europäischen Parlaments und des Europäischen Rates am 29. Juli 2021 zur Schaffung des Rahmens für die Verwirklichung der Klimaneutralität („Europäisches Klimagesetz“), ist dieses, sowie das Ziel der Reduzierung der Nettotreibhausgasemissionen um mindestens 55 % bis 2030 in der Gesetzgebung der Europäischen Union verankert. Die Stahlindustrie in der Europäischen Union mit ca. 57 Mio. t Nettotreibhausgasemissionen im Jahr 2020, die annähernd 2 % der Emissionen der Europäischen Union ausmachen (Inklusive Energie: 127 Mio. t; 4 %), bekennt sich zur erheblichen Reduzierung der CO2-Emissionen bis zum Jahr 2030 und zum Erreichen der Klimaneutralität bis zum Jahr 2050. Als Schlüsselwege zur Verwirklichung dieser Zielstellung hat sie zum einen Smart Carbon Usage (SCU) und zum anderen Carbon Direct Avoidance (CDA) in einer Roadmap formuliert. SCU umfasst CO2-reduzierende Maßnahmen in bestehenden Eisen- und Stahlproduktionsprozessen, Carbon Capture and Storage- (CCS) sowie Carbon Capture and Usage-Technologien (CCU). Wohingegen bei CDA CO2-Emissionen durch erneuerbare elektrische Energie sowie wasserstoffbasierte Reduktion des Eisenerzes gar nicht erst entstehen sollen. Der CDA-Weg, der voraussichtlich beschritten werden muss, um eine klimaneutrale Stahlproduktion zu erreichen [38], geht mit einer kostenintensiven Transformation der Stahlproduktion einher, die bereits von vielen Unternehmen der Stahlindustrie eingeleitet wurde und von der im Wesentlichen die beiden in Europa vorherrschenden Stahlproduktionsrouten Hochofen-Konverter-Route und Elektrolichtbogenofen-Route betroffen sind. Die CO2-Emissionen der Hochofen-Konverter-Route, von denen der überwiegende Anteil auf den Hochofen fällt, liegen laut einer für das Jahr 2015 erstellten Studie bei 1921 kg CO2/t Rohstahl inklusive der CO2-Last der Pellets als Einsatzmaterial sowie der Emissionen der nachgelagerten Stranggießanlagen und Walzwerke. Im Hochofen wird das Eisenerz durch Kohlenstoff (C) bzw. Kohlenstoffmonoxid (CO) – welche größtenteils aus dem Koks, der dem Hochofen zusammen mit dem Möller über die Gicht zugeführten wird, stammen – unter Entstehung von Roheisen und Kohlenstoffdioxid (CO2) reduziert. Das neben dem CO2 im Prozessgas enthaltene CO wird zum Beispiel zur Energiegewinnung in peripheren Prozessen ebenfalls unter Bildung von CO2 verbrannt. Zusätzlich zur Reduktion hat der Koks unter anderem physikalische Aufgaben, wie die Errichtung eines Stützgerüstes und die Gewährleistung der Permeabilität im Hochofenprozess. Somit ist eine vollkommene Substitution des Kokses zur Vermeidung der CO2-Emissionen im Hochofen nicht denkbar. Viele Strategien der Stahlunternehmen zum Erreichen der Klimaziele verfolgen daher den Wechsel von der Rohstahlproduktion aus der Hochofen-Konverter-Route hin zur Rohstahlproduktion im Elektrolichtbogenofen (EAF – Electric Arc Furnace) mit dem Einsatz von direkt reduziertem Eisen (Eisenschwamm, DRI – Direct Reduced Iron) aus vorgelagerten Direktreduktionsanlagen, die mit Wasserstoff (H2) als Reduktionsmittel betrieben werden können. Dabei ist die Elektrostahlerzeugung kein neuer Prozess und nimmt in der europäischen Union bereits jetzt einen Anteil von ca. 44 % der Rohstahlproduktion ein, jedoch überwiegend mit Schrott als Einsatzmaterial. Bei der Elektrostahlerzeugung mit Schrotteinsatz fallen laut der oben genannten Studie von Lüngen für das Jahr 20152 410 kg CO2-Emissionen pro Tonne Rohstahl an, von denen der Großteil auf die CO2-Last der fremd bezogenen elektrischen Energie zurückzuführen ist und daher nicht im Produktionsprozess selbst entsteht. Auch die Direktreduktion wird schon seit 1972 in der weltweit zweiten und bis heute in Westeuropa einzigen Direktreduktionsanlage in Hamburg betrieben. Während hier noch mit einem Reduktionsgas gearbeitet wird, das hauptsächlich aus einem aus Erdgas gewonnenen Wasserstoff-Kohlenstoffmonoxid-Gemisch besteht, liegt eine aktuelle Kernherausforderung in der Bereitstellung des in der Größenordnung der von der Transformation betroffenen Rohstahlproduktionskapazitäten notwendigen, mit erneuerbarer elektrischer Energie hergestellten Wasserstoffs. Wird zusätzlich der Strom für das Einschmelzen im Elektrolichtbogenofen aus erneuerbaren Quellen gewonnen und werden schließlich als Brennstoff verwendete Kohle und als Brennstoff verwendetes Erdgas durch CO2-neutrale Bio-Brennstoffe ersetzt, sind sowohl für den Einsatz von mit Wasserstoff reduziertem und auf Pellets ohne CO2-Last basiertem Eisenschwamm als auch für den Einsatz von Schrott CO2-Emissionen von jeweils nur 60 kg CO2/t Rohstahl erreichbar, was eine Reduktion der Emissionen, ausgehend von der Konverter-Hochofen-Route um 97 % und ausgehend von der Schrott-Elektrolichtbogenofen-Route um 85 % bedeuten würde.
Der Betrieb von Elektrolichtbogenöfen macht die an den Standorten vorhandenen Konverter sowie die Infrastruktur für Behandlung und Transport des Roheisens überflüssig. Die fortwährende Nutzung dieser bestehenden Anlagenstruktur dient daher unter anderem als Motivation für die Entwicklung einer zweiten Transformationsstrategie, die einen sogenannten Einschmelzer (SAF – Submerged Arc Furnace) als der Direktreduktionsanlage nachgelagerten Prozess vorsieht, in dem wiederum Roheisen erschmolzen wird, das anschließend im Konverter zu Rohstahl veredelt wird.
Die Transformation der Stahlindustrie beeinflusst einen weiteren CO2-intensiven Industriesektor, nämlich die Zementindustrie die verantwortlich ist für rund 4 % der CO2-Emissionen in der EU. Etwa zwei Drittel dieser Emissionen entfallen als Prozessemissionen auf die Entsäuerung des Rohstoffs Kalkstein (CaCO3), also auf die Abspaltung von CO2 unter Entstehung des für die Herstellung von Zementklinker notwendigen Branntkalks (CaO) als Zwischenstufe bei der Bildung der hydraulischen Phasen Tri- und Dicalciumsilikat. Als eines der fünf Themenfelder (5C-Ansatz: Clinker, Cement, Concrete, Construction, Carbonation), welche die europäische Zementindustrie entlang ihrer Wertschöpfungskette zum Erreichen der gesetzlichen Vorgaben der europäischen Union erarbeitet hat, umfasst das Feld "Cement" zum größten Teil die Reduzierung des Klinker-Zement-Faktors. Im Jahr 2017 betrug er 77 %, das heißt, dass 23 % des Klinkers durch alternative Materialien ersetzt wurden. Bis zum Jahr 2030 wird ein Faktor von 74 % und bis zum Jahr 2050 von 65 % angestrebt. Den größten Anteil an den Klinkersubstituten hat mit 33 % der Hüttensand aus der Stahlindustrie. Bei der Roheisenproduktion im Hochofen entsteht als Nebenprodukt Hochofenschlacke, die unter Zugabe von Schlackebildnern die Gangart des Möllers und mineralische Koksbestandteile abbindet, sowie weitere unerwünschte Begleitelemente wie Schwefel und Alkalien aufnimmt. Allein in Deutschland wurden im Jahr 2021 6,90 Mio. t – das entspricht 90 % der gesamten produzierten Hochofenschlacke – zu glasig erstarrtem Hüttensand granuliert. Dieser Hüttensand besitzt latent hydraulische Eigenschaften und wird daher seit mehr als 140 Jahren als Zementbestandteil eingesetzt, wodurch in Deutschland jährlich rund 4,5 Mio. t CO2-Emissionen eingespart werden. Alle Transformationsstrategien der Stahlindustrie beinhalten die notwendige Außerbetriebnahme der CO2-intensiven Hochöfen. Dies hat unter anderem zur Folge, dass die Hochofenschlacke als Nebenprodukt der Rohstahlerzeugung im Hochofen nicht mehr zur Verfügung stehen wird, wodurch die weitere Reduzierung des Klinker-Zement-Faktors erhebliche Zusatzmengen alternativer Materialien benötigen wird. Derzeit ist noch unklar, ob z.B. calcinierte Tone im benötigten Umfang erzeugt werden können.
Der Fachbereich Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und das Institut für Baustoffforschung FEhS forschen zusammen mit Industriepartnern und weiteren Forschungseinrichtungen im Rahmen zweier Projekte in den Kooperationssphären der Stahl- und Zementindustrie, die zur Bewältigung dieser Herausforderungen beitragen. Im Projekt SlagCEM wird die Produktion eines hydraulischen Zementbestandteils durch Reduktion von Konverter- bzw. Linz-Donawitz-Schlacke (LDS) untersucht. Die mit den zusätzlich aufgenommen Lichtbogenofenkapazitäten steigenden Mengen an Elektrolichtbogenofenschlacke (EOS, engl. electric arc furnace slag, EAFS) werden im Projekt DRI-EOS behandelt, welches die Produktion eines latent hydraulischen Hüttensandsubstituts zum Ziel hat.
Rotschlamm fällt in sehr großen Mengen bei der Herstellung von Aluminiumoxid an und wird fast ausschließlich deponiert. Es wird eine neue Technologie vorgestellt bei der das im Rotschlamm enthaltene Eisenoxid mittels Wasserstoffplasma reduziert wird. Es wird ein Reaktionsmechanismus über Titanomagnetit und Hercynit vorgeschlagen.
Im Verbundprojekt R-Rhenania wird eine industrielle Demonstrationsanlage am Standort der Monoverbrennungsanlage Altenstadt der Firma Emter errichtet und im Jahr 2024 den Betrieb aufnehmen. Die vorhandene Rostfeuerung-Monoverbrennung wird so umgebaut, dass ein neues thermochemisches Verfahren integriert werden kann, welches hochwirksame und schadstoffarme Dünger produziert (bis zu 17.000 t/a). Die thermochemischen Produkte werden in Gefäß- und Feldversuchen im ökologischen Landbau auf ihre Düngewirkung getestet. Die Umweltverträglichkeit der Demonstrationsanlage wird untersucht, wie auch die Übertragbarkeit des Verfahrens auf weitere Regionen.
Phosphorrecycling sollte nicht isoliert praktiziert werden, sondern im Kontext der spezifischen Abwasserbehandlung und der Betrachtung weiterer Nährstoffe wie Stickstoff und Kalium.
Hohe Rückgewinnungsquoten um jeden Preis sind nicht immer zielführend und u.U. sogar schädlich für die Kreislaufwirtschaft. Es sollte eine Kombination verschiedener Ansätze je nach vorhandener Infrastruktur verfolgt werden. Fällungsverfahren (Struvit) sind geeignet kostengünstig kleine Mengen Phosphor zurückzugewinnen. Für ein umfassendes P-Recycling muss die Rückgewinnung aus der Asche erfolgen.
- Spurenelementanalytik aus Fluoreszenzlampen optimiert
- Königswasseraufschluss Methode der Wahl für REE
- Perchlorsäure-/Flusssäureaufschluss in Kombination mit Königswasseraufschluss für die meisten Elemente geeignet
- Teilweise starke Abhängigkeit der Aufschlusseffizienz vom Element bzw. der vorliegenden Elementspezies
- Nicht aufgelöste Glasmatrix stört die Analytik nicht
Carbonfaser verstärkte Kunststoffe (CFK) sind aus dem Leichtbau nicht mehr wegzudenken. Da die Produktion der Fasern viel Energie benötigt ist deren Recycling anzustreben. Durch Bearbeitung und Handling während des Recyclings verkürzen sich die Carbonfasern (CF) analog zur Papierfaser. Zu kurze Fasern können nicht mehr in eine Flächenstruktur eingebracht werden und müssen daher aus dem Kreislauf ausgeschleust und einer Verwertung zugeführt werden. Untersuchungen des Lehr- und Forschungsgebiets Technologie der Energierohstoffe (TEER) der RWTH Aachen University haben gezeigt, dass die Bedingungen für eine energetische Nutzung von CF-Abfällen in Abfallverbrennungsanlagen nicht geeignet sind. Zudem können CF Betriebsprobleme verursachen. Des Weiteren können bei einer unzureichenden thermischen Behandlung sogenannte WHO-Fasern entstehen, die als gesundheitsschädlich einzustufen sind. Eine Alternative können Hochtemperaturverfahren mit höheren Verweilzeiten sein. Es kommt die Herstellung von Calciumcarbid in Frage, bei der CF als Kohlenstoffträger und der Kunststoff als Energieträger genutzt werden. Eine weitere Verwertungsoption stellt die Stahlproduktionsroute dar. Erste Untersuchungen der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und TEER am kleintechnischen Lichtbogen der BAM zeigen, dass CF-Abfälle potentiell als Reduktionsmittel und Energieträger eingesetzt werden können.
LD-Schlacken weisen eine große chemische Ähnlichkeit zu Protlandzementklinker auf. Sie enthalten jedoch noch bis zu 30% Eisen, das mineralisch in oxidischer Form gebunden vorliegt. Dadurch kann sich bei der Erstarrung die wichtigste Klinkerphase "Alit" nicht ausbilden.
Durch eine reduzierende Schmelzbehandlung der Schlacke kann des mineralisch gebundene Eisen als Metall separiert werden. Dadurch wird auch die Mineralogie der Schlacke so verändert, dass auch sie nun praktisch einem Portlandzementklinker entspricht.
Entsprechende Versuche wurden am kleintechnischen Lichtbogenofen der BAM durchgeführt. Es werden Ergebnisse vorgestellt und auf Grenzen und Möglichkeiten eines derartigen Prozesses im Hinblick auf eine industrielle Umsetzung eingegangen.
The vulnerability of low quality concrete to changing weather conditions is well known. The constant exposure to temperature changes, biological activity, and humidity ends up in damage to buildings and structures which contain this material. It is therefore necessary to take preventive measures to control the extent of the damage done by weathering and possible penetration of adverse chemicals into structures which need public safety.
The Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM), in cooperation with the small enterprise LinTech GmbH, is working on a project to monitor humidity changes in concrete by analyzing the changes in signal strength (RSSI) from Bluetooth Low Energy sensors. In this paper, we show results which demonstrate the influence of changing water content in concrete on the received RSSI. We observed that as water content in concrete decreases, the received RSSI improves. However, the damping effect is not linearly proportional to water content, rather exponentially proportional. This suggests that changes in the received signal strength are more easily observed when water content in concrete is higher. Finally, we reconstructed a RSSI distribution map using computed tomography
Introduction: Mass transport at gas/liquid interfaces depends on many factors including the gas and liquid properties and hydrodynamics. The mass transport of a gas through the liquid is a limiting step in many chemical reactions. To gain a fundamental understanding of multiphase interfaces, the rate of mass transfer has been measured for pure gases (H2, N2, O2, He) into a thin liquid film with a well-defined surface area and velocity profile. This enables the mass transfer rate to be broken down into one parameter, which is the gas/liquid interfacial area (a), and a second parameter, which is the mass transfer coefficient (kL). Using gases with varying diffusion coefficients enables a comparison of the measured rates of mass transport to the rates predicted by film theory and penetration theory.
Method: A gravity-driven thin water film 0.000180 m in thickness flowing along the outer surface of a capillary was contacted with a gas phase inside a closed system. The liquid was circulated continuously until it was saturated with gas and the equilibrium pressure was reached. In this device, there is laminar flow, and therefore, the hydrodynamics of the liquid film are well defined.
Results: Penetration theory predicts a non-linear relationship between diffusion coefficient (DAB) and mass transfer coefficient (kL). by means of falling film reactor the actual rates of gas-liquid mass transfer are higher than those predicted by theory. Also, a linear relationship between DAB and kL is observed experimentally. The mass transfer coefficient can even, as a rule of thumb, be assumed to be relatively constant with a value of around 10-4 m/s for aqueous solutions.
Grüne Barrieren
(2019)
A technical-safety evaluation of the detonation effects of pyrotechnic compositions can be performed on the basis of TNT/PETN equivalence. The equivalence determination can be carried out by characterization of the blast wave generated because of detonation in free field tests, which however can be highly resource intensive and prone to uncertainties. Here, we present underwater ‘small-scale’ experiments for the determination of such equivalents.
Underwater experiments, as described in the European standard EN 13763-15:2004, are performed to test the capability of detonators to initiate secondary explosives by determining the released energy. At BAM this test was modified to compare the energy output of the pyrotechnic mixtures (those used in air bag gas generators and firework flash compositions) and thus to determine their equivalents of high explosives like TNT or PETN. In the modified tests, small cylindrical copper containers were filled with pyrotechnic substances, which were then attached to standard detonators. This explosive charge assembly was then lowered into a water tank of about 1000 l capacity. At the same depth as the charge assembly, a piezoelectric pressure sensor was immersed in the water at a horizontal distance of about 400 mm from the charge. By recording the time-dependent pressure during the test, the shock energy as well as the energy associated with the expanding gas bubble were determined.
A safety or security related assessment of explosions, accidental and intentional scenarios alike, often necessitate performance of replication-tests. Such test results are necessary to clarify the causes within the scope of forensic investigations. To gain important insights into the behavior of structures and materials under such loading, field tests may also be performed in accordance with different test standards. To determine the resistance of building-structures after explosions, estimation of the residual load-bearing capacity in addition to the assessment of dynamic structural response and damage to the building components is important. In most cases an evaluation of structural integrity is based only on the visual damage, resulting in an overestimation of the residual capacity.
The Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) operates the Test site for Technical Safety (TTS) on an area measuring about 12 km2 in the Federal State of Brandenburg for execution of true-to-scale explosion tests. At the TTS, building component testing was performed to assess the suitability of different non-destructive testing methods to characterize the dynamic structural response and damage resulting from the detonation of high explosives.
Different blast-loading scenarios were realized by varying the net explosive mass and the standoff distance with all scenarios representing a near-field detonation. The test object was a reinforced concrete wall 2 m high, 2.5 m wide and 20 cm thick, fixed at both vertical edges. The dynamic loading of the wall was characterized with 8 piezoelectric pressure sensors flush-mounted on the front surface, thus measuring the reflected pressures from the shock wave. The tests were conducted with the aim of characterizing the global behavior of the wall under dynamic shock loading and the resulting local damage pattern, respectively. High speed digital image correlation was implemented in combination with multiple acceleration sensors to observe the rear surface of the wall to chart the dynamic deflection during the loading and to determine the residual deformation after the loading had ceased. In addition, one test specimen was instrumented with fiber optic sensor cables, both fixed to the rebars and embedded in the concrete-matrix, respectively. Firstly, these sensors were interrogated during the blast test by a distributed acoustic sensing (DAS) device using a particularly high sampling rate to measure the shock-induced vibrations in the structure with high temporal resolution. This delivers information on dynamics of compression and tension cycles from within the structure. Secondly, the local damage-pattern emerging during the series of blasts was determined via distributed fiber optic strain sensing (DSS) by interrogating the embedded fiber optic sensors with a high spatial resolution DSS device after each blast. This enabled the characterization of non-visual damage to the structure, in particular with regard to the formation of localized cracks in the concrete matrix. The DSS was further complimented by a structure-scanner based on ultrasonic measurements.
Our contribution describes this new test approach in detail. Results of the three datasets, namely dynamic shock loading, global behavior of the test object and the local damage pattern will be presented. The suitability of the implemented measurement methods will be discussed in combination with the challenges in their application for technical safety evaluation of building components under explosive loading.
Blast tests are indispensable for investigations of accidental or intentional explosions and to evaluate the level of protection to people and equipment within critical infrastructure. Current capabilities for detailed blast effects assessment are limited to performing full-scale field testing, which, for complex scenarios, are highly resource intensive. In this regard, reliable numerical simulations are an effective alternative option. A discussion of the scope and challenges of using numerical tools for a technical-safety assessment of reinforced concrete structures under blast loading is presented. Different coupling possibilities between shock wave simulations and structural simulations with the help of practical examples is given. An outlook on the development of new methods for structural simulations currently being researched at BAM concludes the presentation.
The manufacture of sintered glasses and glass-ceramics, glass matrix composites, and glass-bounded ceramics or pastes is often affected by gas bubble formation. Against this background, we studied sintering and foaming of barium silicate glass powders used as SOFC sealants using different powder milling procedures. Sintering was measured by means of heating microscopy backed up by XPD, differential thermal analysis, vacuum hot extraction (VHE), and optical and electron microscopy. Foaming increased significantly as milling progressed. For moderately milled glass powders, subsequent storage in air could also promote foaming. Although the powder compacts were uniaxially pressed and sintered in air, the milling atmosphere significantly affected foaming. The strength of this effect increased in the order Ar ≈ N2 < air < CO2. Conformingly, VHE studies revealed that the pores of foamed samples predominantly encapsulated CO2, even for powders milled in Ar and N2. Results of this study thus indicate that foaming is caused by carbonaceous species trapped on the glass powder surface. Foaming could be substantially reduced by milling in water and 10 wt% HCl.
Surface roughness, RZ, normal transmittance, ΤN, total transmittance, ΤT, and photovoltaic (PV) module efficiency, ηS, were measured for commercial solar glass plates and PV test modules identically sandblasted with different loads of quartz sand (200–400 μm), impact inclination angles, and sand particle speed. Measured data are presented versus the specific energy uptake during sand blasting, E (J/m2). Cracks, adhering particles, and scratch-like textures probably caused by plastic flow phenomena could be observed after sand blasting. Their characteristic size was much smaller than that of sand particles. After blasting and subsequent cleaning, the glass surface was still covered with adhering glass particles. These particles, cracks, and scratch-like textures could not be removed by cleaning. For sand blasting with α = 30° inclination angle and E = 30 000 J/m2, normal transmittance, total transmittance, and relative module efficiency decreased by 29%, 2% and ∽2%, respectively. This finding indicates that diffusive transmission of light substantially contributes to PV module efficiency and that the module efficiency decrease caused by sand erosion can be better estimated from total than by normal transmittance measurements.
The properties of the encapsulant are critical to the long-term performance of photovoltaic (PV) modules under the influence of sunlight including UV, elevated temperature, humidity and diffusion of oxygen. Encapsulation process represents about 40% of the whole PV module cost. The introduction of new non-EVA encapsulant material type “Low-Cost, High-Performance” should provide a solution to outdoor yellowing degradation problems. The emerging encapsulant materials exhibit a good compatibility with emerging PV solar cells for long term durability. This new generation of encapsulant materials has the advantage to improve the PV module performances and long term durability for specific climate like desert regions. This scientific contribution presents an overview of the different encapsulant materials currently on the market, the general requirements of the emerging encapsulant materials and characterizations techniques for degradation, diagnostic and reliability lifetime estimation in the framework of Algerian renewable energy strategy.
The presentation shows how the three-dimensional quantification of dislocations and their characteristic features, e.g. Burgers vector, line direction, dislocation density, is carried out at the transmission electron microscope in scanning mode (STEM) at Division 5.1 at BAM. Exemplarily, the methods are shown for Ni-base superalloy single crystals, for which a short introduction is given using further TEM techniques. Additional examples on low angle grain boundaries, nucleation of oxides at dislocations and interaction of dislocations and carbides are shown.
The content of the presentation was addapted, aiming at scientists who work within the DFG Priority Programme 1713 "Strong coupling of thermo-chemical and thermo-mechanical states in applied materials".
The LEK94 is a Ni-base superalloy single crystal (SX) of the second generation, a materials class which is important for its high temperature creep resistance (>1000°C) in first stage blades of low-to-medium pressure gas turbines. Monocrystalline Ni-base superalloy SXs have a two-phase microstructure consisting of small cubes (' phase with the ordered L12 crystal structure, cube edge length: 500 nm), separated by thin channels (γ phase with fcc solid solution structure, channel width: 20 nm). The microstructural evolution during high temperature and low stress tensile creep has been thoroughly investigated previously, mainly for [001] loading, both in terms of dislocation activity (filling of γ channels, formation of dislocation networks, cutting of the γ’ phase) as well as phase coarsening (rafting, topological inversion). Other loading geometries have received less attention.
The present work studies high temperature and low stress creep deformation of the superalloy LEK 94 at temperatures around 1000°C, where rafting occurs. Differences between loading under different uniaxial, biaxial and triaxial stress states are discussed. Stereo-microscopy and g∙b analysis in the scanning transmission electron microscopy mode (STEM) are combined for microstructural analysis. The focus is set on the role of dislocation interactions with the aging microstructure. Both development in STEM characterization methods, as well as the roles of phase coarsening, γ channel filling, microstructural heterogeneity and γ’ phase cutting are discussed.
The realistic description of plastic deformation caused by dislocations demands the representative measurement of their features, e.g., Burgers vector, slip plane, line direction and density. In the case of bulk deformation of technical alloys, reliable data must be ensured for large regions. Nonetheless, the (thin) filiform nature of dislocations and also the heterogeneity in some microstructures additionally require flexible analysis techniques that resolve the details of their interactions. Strong and clear channeling contrasts, faint extinction contours and the absence of chromatic aberration make scanning transmission electron microscopy (STEM) an ideal imaging mode in wide and thick regions of TEM foils, as opposed to conventional (C)TEM. It is the purpose of this contribution to show how STEM can be applied for quantitative measurement of dislocation features. Furthermore, a new tool will be presented, which enables the three-dimensional (3D) reconstruction, visualization and quantification of dislocation densities and directions from stereo-pairs. The application of these techniques will be shown on a monocrystalline Ni-base superalloy, an important class of structural materials that has been implemented in the first row blades of gas turbines. The examples are extracted from specimens subjected to creep deformation at high temperature and low stress under various macroscopic deformation geometries. The spacial and angular accuracy are discussed as well as possible sources of error.
The demand for improved castability and low angle grain boundary (LAGB) resistance has led to the addition of low contents of e.g., B, Hf, Zr or C, into large industrial gas turbine components made of Ni-base superalloy single crystals (SXs). Due to the long-term application of Ni-base superalloy SX components in the temperature regime > 1000 °C, the formation of carbides is highly probable, which could jeopardize mechanical properties, such as high cycle fatigue. In the present contribution, the effect of internal and external stresses on the nucleation and growth characteristics of M23C6 carbides is investigated. Creep experiments are performed on the Ni-base superalloy SX LEK 94, which shows a low C concentration (= 0.1 at. %), at 1020 °C under parallel and circularly notched tensile specimens at a nominal stress of 160 MPa in the crystallographic direction [001]. The carbides are then characterized via scanning (S) and transmission (T) electron microscopy (EM). Nucleation is enhanced in the dendritic cores, often as coalesced colonies, extending over micrometers within M-rich (M: Cr, Re, W, Mo) γ channels. Lath shapes with facets on {100} (parallel to growth direction) and {111} are common. These facets exist since early stages (Fig.1a) and later develop misfit dislocations (Fig.1b), preserving the orientation relationship {100}γ || {100}M23C6. Fig. 1c shows a region from the creep gage, where carbides interact with superdislocations in the γ’ phase. Possible mechanisms are discussed.
Ni-base superalloy single crystals have been used in turbine blades for hot sections of gas turbines for over four decades. In order to increase the efficiency of the turbines, a continuous increase in the inlet temperature of combustion gases into the turbine has driven the design of turbine blades to complicated shapes and the presence of a complex pattern of cooling channels. These three-dimensional shapes, together with the inhomogeneous distribution of stresses along the blade, induce an also complicated triaxial stress state, which does not compare to uniaxial tests that are performed to characterize high temperature properties such as creep. A round notch on a test piece represents a simple configuration that generates a quasi-isostatic stress state across the notch. In the present contribution, the effect of a sharp round notch on the microstructural micromechanisms within the notched region cylindrical bars, loaded along [001] at 1020 °C and 160 MPa net stress, is studied. To this end, a series of interrupted creep tests is conducted on plain and notched bars and the microstructure is compared. Results are discussed in terms of degree microstructural coarsening, and dislocation activity. The effect of notch generation via grinding is also discussed in these terms. The presence of carbides evolving in from residual carbon is also shown and discussed. .Funding by the German Research Association (DFG) [grant number AG 191/1] is acknowledge
Unlike conventional alloys, which typically consist of one main element, high-entropy alloys (HEAs) contain five or more principal elements, which broaden chemical complexity and with it a realm of synergistic mechanisms. The AlMo0.5NbTa0.5TiZr HEA initiated a subclass of Al-containing refractory (r)HEAs that has recently drawn attention [2]. The alloy has a superalloy-resembling B2/bcc nanostructure, which inspired its name refractory high entropy superalloy (RSA). With high-temperature (HT) compressive strengths beyond conventional Ni-based superalloys, this nanostructure could be used for improved HT structural applications. However, in the application-relevant HT regime the Al-Zr-rich B2 phase decomposes to form a hexagonal Al-Zr-based intermetallic (Al4-xZr5; x: 0..1) [3,4]. This work explores the fascinating yet fatal micromechanisms associated to this phase transformation, in the context of creep, annealing and oxidation experiments performed between 800 and 1200 °C.
The material was produced by arc-melting and heat treatment in argon, which lead to grain boundaries decorated with up to 7%. Interrupted constant-load creep tests were performed under vacuum (at 10-4 Pa), at 900–1100 °C with external tensile stresses of 30–120 MPa. Oxidation experiments were separately conducted for 24 hours at 800 and 1000 °C in both dry (21% O2 + 79% N2) and humid (8% O2 + 74% N2 + 18% H2O) air. After the experiments, the samples were characterized by X-ray diffraction, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy to reveal degradation mechanisms. Crystallographic texture, orientation relationships and stabilization of an oxygen-containing iso structure (Al4-xZr5(Ox-y); y: 0..x) of the Al-Zr-rich intermetallic are found and discussed.
The field of materials science is defined as “the study of the properties of solid materials and how those properties are determined by a material’s composition and structure.”. Many –if not most– of the materials that are produced nowadays owe their properties to structures engineered down to the nanoscopic level. This need has been partly realized thanks to the understanding of materials’ building blocks via characterization techniques that reach this level of resolution. Transmission electron microscopy, since its first implementation in the early 1930s (in Berlin), has been implemented to achieve imaging –and spectral– analysis at lateral resolutions down to the atomic level.
In this contribution, a series of practical examples will be presented, where applied materials are characterized by a range of transmission electron microscopy techniques to understand structural and functional properties of a wide range of materials. Among these materials examples will be presented on structural conventionally and additively manufactured metallic alloys, high entropy alloys, dissimilar aluminum-to-steel welds, magnetic nanoparticles, ceramic coatings, high temperature oxidation products. Addressed will be either the effect of processing route or that of the exposure to experimental conditions similar to those found in the respective intended applications.
Additive manufacturing (AM) of metallic alloys has gained momentum in the past decade for industrial applications. The microstructures of AM metallic alloys are complex and hierarchical from the macroscopic to the nanometer scale. When using laser-based powder bed fusion (L-PBF) process, two main microstructural features emerge at the nanoscale: the melt pool boundaries (MPB) and the solidification cellular substructure.
Here, details of the MPB are revealed to clearly show the three-dimensional nature of MPBs with changes of cell growth of direction and their relation to their surrounding cellular substructure, as investigated by transmission electron microscopy (TEM) for L-PBF 316L austenitic stainless steel (cf. Figure 1). A hitherto unknown modulated substructure with a period of 21 nm is further discovered within cells as the result of a partial Ga+-focused ion beam-induced ferritic transformation of the austenite. Cell cores and cell boundaries differ notably regarding the modulated substructure.
Dislocations are the carriers of plastic deformation. As such, their characterization offers important information on the properties they affect. In this contribution, a new tool is presented, which is incorporated in Amira ZIB Edition and allows for three-dimensional (3D) imaging and quantification of dislocations substructures from thick regions an electron-transparent specimen. In the tool, the dislocation segments are traced on diffraction contrast images that are obtained in the transmission electron microscope (TEM). The uncertainties related to the experimental setup and to the proposed method are discussed on the base of a tilt series.
9-12% Cr ferritic-martensitic stainless steels are widely used as high temperature construction materials in fossil fueled power plants due to their excellent creep and oxidation resistance, but changes in electricity markets during the last two decades have considerably changed the typical working conditions of these facilities. The growing share of renewable energy sources in power generation forces most of these plants into flexible operation with frequent load shifts or shutdowns. These cyclic operation profiles constitute a major lifetime issue, raising the question which fundamental processes govern the reaction of ferritic-martensitic steels to cyclic load and temperature variations.
The present contribution reports on current findings obtained in a multidisciplinary project funded by German Ministry of Education and Research (BMBF) which combines cyclic mechanical and cyclic oxidation testing of different 9-12% Cr grades with detailed microstructural analyses and related micromechanical modeling.
In the present first part of our contribution, an overview will be given on the results obtained in the mechanical testing programme of the project. Mechanical analyses were carried out on P91 and (mainly) P92 steel grades, particularly looking at softening phenomena and lifetimes obtained in isothermal cyclic loading (low cycle fatigue, LCF), non-isothermal cyclic loading (thermo-mechanical fatigue, TMF), and service-like combinations of creep and fatigue periods. For this purpose, cylindrical specimens were extracted from thick-walled steam pipes, orthogonal to the pipe axis, and subjected to strain controlled cyclic loading (± 0.2 to ±0.5 % mechanical strain) to different degrees of softening at temperatures up to 620 °C.
The test results will be presented and discussed with a focus on the impact of hold periods (i.e. combined creep-fatigue conditions) on mechanical softening, lifetime and crack formation. Details on the microstructural evolution and their representation in a micromechanical model will be given in a second, complementary contribution to this conference.
The current trend towards cyclic, “flexible” operation of fossil-fueled power plants constitutes a major issue regarding lifetime and operational safety of the respective installations and their components, as was outlined in our complementary contribution (Part 1). The present contribution reports on the investigation of the microstructure evolution in cyclically loaded ferritic-martensitic steels and its representation in a physically-based micromechanical model.
For this purpose, specimens of P92 steel grade from the mechanical test programme outlined in our companion contribution (Part 1) were analyzed by scanning electron microscopy (SEM), including backscattered diffraction (EBSD) mapping, and transmission electron microscopy (TEM). A novel method was implemented to improve angular resolution of EBSD scans. Additionally, a correlative microscopy approach was developed and used to correlate EBSD and TEM measurements on the same locations of thick regions of electron transparent specimens. By applying these techniques, a detailed quantitative microstructure description of the as-received material condition, namely in terms of subgrain morphology and dislocation density/distributions, was established. Comparisons of as-received and cyclically loaded conditions from tests interrupted at different stages of lifetime indicate a rapid redistribution of in-grain dislocations with a strong interaction between mobile dislocations and low angle grain boundaries (LABs).
The proposed micromechanical model is formulated in a viscoplastic self-consistent (VPSC) scheme, which is a mean-field approach that allows us to include the crystal details at the level of slip systems while avoiding the considerable computational costs of full-field approaches (such as the classical crystal plasticity finite element analysis). Being physically-based, the model uses dislocation densities and includes the interaction between dislocations, e.g. annihilation of mobile dislocations, and evolution of microstructure, e.g. the grain coarsening. Particularly, the constitutive laws for dislocation evolution and interaction between dislocations and low angle boundaries are calibrated based on two-dimensional discrete dislocation dynamic (2D DDD) simulations, which are performed at a micro-/meso-scale. The results of the beforementioned EBSD experiments are considered as a direct input, involving e.g. the amount of geometrically necessary dislocations, average misorientations and grain characteristics.
Thermal waves are solutions of the heat diffusion equation for periodic boundary conditions and can be seen analogously to strongly damped waves. Although the underlying differential equation differs from the wave equation, the essential property for analogy between both equations is linearity such that superposition applies. This linearity is maintained even after a linear transformation, such as the Fourier transform from time to frequency domain. It follows that the temporal superposition principle is already used in active thermography, e.g. in pulsed thermography, as a superposition of many individual frequencies. However, the systematic spatial superposition has not yet been fully exploited, mainly due to a lack of suitable energy sources.
As a first step, we are investigating how thermal wave fields of arbitrary space-time structures can be engineered using structured laser illumination. The proof of principle was shown using a laser coupled projector. Unfortunately, the available optical output power was limited due to the thermal stress limit of the device. That is why we are working towards a more sophisticated moving 1D array of high-power diode lasers. We characterized the novel light source and believe that apart from the benefit of spatial and temporal illumination it can combine the temporal regimes of impulse and lock-in thermography.
In a second step, we investigate moving and oscillating line sources with different line shapes. We use a Green’s Function ansatz to analytically model the thermal wave propagation of structured 1D laser illumination in isotropic materials. Furthermore, we show some methods how they can be implemented. With this technique, we were able to accelerate our detection method firstly presented in for vertical narrow defects by factor three. Generally, we believe that this technique opens up similar opportunities than in other NDE methods. High-resolution ultrasound, for example, is also based on the superposition of single emitters and a recent concept suggests an option to deal with the diffusion wave character of the thermal waves.
The separation of two closely spaced defects in fields of Thermographic NDE is very challenging. The diffusive nature of thermal waves leads to a fundamental limitation in spatial resolution. Therefore, super resolution image reconstruction can be used. A new concerted ansatz based on spatially structured heating and joint sparsity of the signal ensemble allows for an improved reconstruction of closely spaced defects. This new technique has been studied using a 1D laser array with randomly chosen illumination pattern.
This paper presents the results after applying super resolution algorithms, such as the iterative joint sparsity (IJOSP) algorithm, to our processed measurement data. Different data processing techniques before applying the IJOSP algorithm as well as the influence of regularization parameters in the data processing techniques are discussed. Moreover, the degradation of super resolution reconstruction goodness by the choice of experimental parameters such as laser line width or number of measurements is shown.
The application of the super resolution results in a spatial resolution enhancement of approximately a factor of four which leads to a better separation of two closely spaced defects.
The work to be presented focuses on our most recent studies to laser excited super resolution (SR) thermography. The goal of nondestructive testing with SR is to facilitate the separation of closely spaced defects. Photothermal SR can be realized by performing structured illumination measurements in com-bination with the use of deconvolution algorithms in post-processing. We explain that stepwise as well as continuous scanning techniques are applicable to generate structured illumination measurements. Finally, we discuss the effect of experimental parameters and image processing techniques to find the optimal SR technique which leads to the highest reconstruction quality within laser thermography.
Thermographic nondestructive evaluation (NDE) is based on the interaction of thermal waves with inhomogeneities. These inhomogeneities are related to sample geometry or material composition. Although thermography is suitable for a wide range of inhomogeneities and materials, the fundamental limitation is the diffusive nature of thermal waves and the need to measure their effect radiometrically at the sample surface only. The propagation of the thermal waves from the heat source to the inhomogeneity and to the detection surface results in a degradation in the spatial resolution of the technique. A new concerted ansatz based on a spatially structured heating and a joint sparsity of the signal ensemble allows an improved reconstruction of inhomogeneities. As a first step to establish an improved thermographic NDE method, an experimental setup was built based on structured 1D illumination using a flash lamp behind a mechanical aperture. As a follow-up to this approach, we now use direct structured illumination using a 1D laser array. The individual emitter cells are driven by a pseudo-random binary pattern and are additionally shifted by fractions of the cell period. The repeated measurement of these different configurations enables to illuminate each spot of the sample surface in lateral direction. This allows for a reconstruction that makes use of joint sparsity.
The measured data set is processed using super resolution image reconstruction algorithms such as the iterative joint sparsity (IJOSP) algorithm. Using this reconstruction technique and 150 different illumination patterns results in a spatial resolution enhancement of approximately a factor of four compared to the resolution of 5.9 mm for homogenously illuminated thermographic reconstruction.
Further, new data processing techniques have been studied before applying the IJOSP algorithm that are more performant or less prone to errors regarding image reconstruction. The choice of regularization parameters in data processing as well as experimental parameters such as the illumination pattern as a variable heat flux density (i.e., the Neumann boundary condition for convolution with the constant Green's function) have a big influence on the reconstruction goodness. With analytical-numerical modelling and numerical FEM simulations, we studied the influence of the experimental parameters on the result of the non-linear IJOSP reconstruction. This has also been investigated experimentally e.g. using different laser line widths or more measurements per position. These studies are used to derive optimal conditions for a certain measurement image reconstruction technique.
Die thermografische ZfP basiert auf der Wechselwirkung von thermischen Wellen mit Inhomogenitäten. Die Ausbreitung von thermischen Wellen von der Wärmequelle zur Inhomogenität und zur Detektionsoberfläche entsprechend der thermischen Diffusionsgleichung führt dazu, dass zwei eng beieinander liegende Defekte fälschlicherweise als ein Defekt im gemessenen Thermogramm erkannt werden können. Um diese räumliche Auflösungsgrenze zu durchbrechen, also eine Super Resolution zu realisieren, kann die Kombination von räumlich strukturierter Erwärmung und numerischen Verfahren des Compressed Sensings verwendet werden.
Für unsere Arbeiten benutzen wir Hochleistungs-Laser im Kilowatt-Bereich um die Probe entweder hochaufgelöst entlang einer Linie (1D) abzurastern oder strukturiert zu erwärmen. Die Verbesserung des räumlichen Auflösungsvermögens zur Defekterkennung hängt dann im klassischen Sinne direkt von der Anzahl der Messungen ab. Mithilfe des Compressed Sensings und Vorkenntnissen über das System ist es jedoch möglich die Anzahl der Messungen zu reduzieren und trotzdem Super Resolution zu erzielen. Wie viele Messungen notwendig sind und wie groß der Auflösungsgewinn gegenüber der konventionellen thermografischen Prüfung mit flächiger Erwärmung ist, hängt von einer Reihe von Messparametern, der Messstrategie, Probeneigenschaften und den verwendeten Rekonstruktionsalgorithmen ab.
Unsere Studien befassen sich mit dem Einfluss der experimentellen Parameter, wie z.B. der Pulslänge der Laserbeleuchtung und der Größe des Laserspots. Weiterhin haben wir uns mit der Wahl der Parameter in der Rekonstruktion auseinandergesetzt, die einen Einfluss auf das im Compressed Sensing zugrundeliegende Minimierungsproblem haben. Für jeden getesteten Parametersatz wurde eine Rekonstruktionsqualität berechnet. Schließlich wurden die Defektrekonstruktionen basierend auf den Parameternsätzen verglichen, sodass eine Parameterwahl für hohe Rekonstruktionsqualitäten mit thermografischer Super Resolution
empfohlen werden kann.