Recycling von Bohrkronen der Öl-/Gasgewinnung

Derzeit ist das industrielle Recycling von Hartmetallen auf den Zinkprozess bzw. die Einschleusung des Schrotts in die hydrometallurgische Primärroute fokussiert. Letzteres ist aufgrund der erforderlichen Behandlungsdauer nur für Hartschrotte mit ausreichend geringer Korngröße anwendbar. Der Zinkprozess wiederum basiert darauf, dass Zink mit Cobalt, welches in üblichen Hartmetallen als Binder dient, unter Volumenzunahme intermetallische Phasen bildet. Somit bewirkt dieses nur eine Zerkleinerung aber keine Abtrennung von Verunreinigungen. Darüber hinaus besteht die in Bohrkronen der Öl- und Wassergewinnung eingesetzte Matrix aus einer komplexen CuMnNiZn-Legierung.

Aus diesen Gründen stellt die großtechnische Umsetzung des Recyclings von PDC-Bohrkronen eine komplexe Herausforderung dar, wodurch etwa 1000 t Wolfram pro Jahr für die Wertschöpfungskette verloren gehen. Im Vergleich zur jährlichen globalen Primärgewinnung von 80.000 t Wolfram resultiert daraus eine signifikante Menge an ungenutzten hochkonzentrierten Rohstoffen von grundsätzlich wirtschaftlichem Wert.

Figure 1: Drill bit made of a body of infiltrated tungsten carbide and polycrystalline diamond cutter inserts (PDC drill bit) (Source: http://www.globaltungsten.com)

 

Daher bildet die Ausarbeitung einer effizienten Methode zur Rückgewinnung von Wolframkarbid als auch der Bestandteile der komplexen Binderlegierung als verwertbare Produkte ein Ziel dieses Projektes. Von den grundsätzlich möglichen Technologien wird die selektive chemische Laugung der Bindemetallmatrix zunächst untersucht. Erste Tastversuche mit unterschiedlichen Lösungsmittel in Kombination mit variierenden Oxidations- bzw. Komplexbildungszusätzen dienen zur Bewertung ihres selektiven Angriffs der Legierung und der Beständigkeit des Karbids. Um einen Mehrwert aus dem Prozess zu generieren sind darüber hinaus Methoden zu entwickeln, um die Wertmetalle Kupfer, Mangan, Nickel und Zink aus der verbrauchten, angereicherten Lösung zu extrahieren.

 

Figure 2: Digestion solution with immersed sample wherein the blue color indicates the digestion of binder metals

 

Für ein tiefergehendes Verständnis des Laugungsvorgangs werden Versuchsreihen hinsichtlich der Zeitabhängigkeit der Auflösung des reinen metallischen Binders sowie des mit dieser Legierung infiltrierten Wolframschmelzkarbids durchgeführt. Hierbei sind die Auflösungsgeschwindigkeiten sowie ihre Hemmung durch eventuell auftretende Produktschichten zu bestimmen, wobei die Erfassung der gegenseitigen Beeinflussung des Binders und des Karbids einen wesentlichen Schwerpunkt bildet.

Auf diesen Ergebnissen aufbauend findet eine Optimierung der Prozessbedingungen statt, um eine möglichst effektive und selektive Laugung zu ermöglichen. Letztendlich soll ein industriell anwendbares Verfahren entstehen, welches eine weitgehende Rückgewinnung von reinem Wolframkarbid sowie der Bindemetalle gestattet. Zu diesem Zweck ist ein Versuchsplan vorgesehen, welcher alle wesentlichen Einflussparameter beinhaltet und mittels statistischer Methoden und Software (MODDE 11TM) erstellt und ausgewertet wird. Ergänzend hierzu werden auch thermodynamische Berechnungen und Simulationen (FactSage 7.0TM und HSC 8.0TM) durchgeführt.

Zusätzlich zur selektiven Bindemetalllaugung beinhaltet die Aufgabenstellung dieses Projekts auch noch weitere Konzepte zum Recycling von Bohrkronen, wie die vollständige Auflösung der Matrix und der Karbide als auch eine selektive elektrochemische Laugung.

 

Figure 3: Scanning electron microscope picture of a cast tungsten carbide grain after leaching of the binder alloy