Die vorliegende Abhandlung befasst sich mit der Thematik der gezielten Festigkeitssteigerung silikatkeramischer Werkstoffe. Dabei liegt das Interesse auf der Korrelation der Bruchspannung verschiedener Versuchswerkstoffe, mit den sich in Abhängigkeit der Rohstoffzusammensetzung bildenden Gefügemerkmalen. Die Grundlage der Versuche ist die Modifikation eines chemisch-technischen Feinsteinzeuges, bestehend aus bildsamen Rohstoffen, den Tonen und zweier unbildsamen Komponenten, den Schamotten. Durch die Substitution der unbildsamen Schamotten mit Feldspatrohstoffen und Aluminiumoxid gelingt die Veränderung der Gefüge bei gleichzeitiger Steigerung der Festigkeit gegenüber dem Referenzwerkstoff. Dabei korrelieren die Substitute eng miteinander. Die Feldspatrohstoffe liefern die erforderliche Menge Alkaliionen zur Intensivierung der Flüssigphasensinterung. In dieser Konsequenz entsteht ein vermehrter Anteil röntgenamorpher Phase. Zudem wird die Mullitkristallisation begünstigt. Das kristalline Al2O3 führt zu einem Verbund mit der amorphen Matrix, der deutlich geringeren Spannungen unterliegt, als es der Fall für den durch die Rohstoffe eingebrachten und ungelösten Restquarz ist. Dieser zeichnet sich vorrangig durch ein vollständiges oder teilweises Ablösen von der Matrix und damit einer kritischen Gefügeschädigung aus. Die damit einhergehende Beeinträchtigung der Werkstoffe wird durch den Vergleich mit einem Werkstoff höheren Quarzanteils bekräftigt. Eingehende röntgenografische Analysen der heterogenen Werkstoffe ermöglichen es, Tendenzen hinsichtlich der Diskrepanz des thermischen Dehnungsverhaltens zwischen Glas- und Mineralphasen aufzuzeigen und somit einen Bezug zu inneren Spannungen herzustellen. Neben derartigen Spannungen im Gefüge zeigt sich die Relevanz des sich während der Werkstoffkonsolidierung bildenden Sekundärmullits. Mikro- und nanoskalige Mullitnadeln, eingebettet in der amorphen Matrix, münden in deren Bewehrung, wodurch ein Beitrag zur Festigkeitssteigerung des Werkstoffes geleistet wird. Die Ergebnisse liefern die grundsätzliche Erkenntnis, dass die unterschiedlichen Wirkmechanismen zur Steigerung der Festigkeit in silkatkeramischen Werkstoffen in kausalem Zusammenhang stehen und nicht ausschließlich individuell betrachtet werden sollten.:1 Einleitung und Problemstellung 1 2 Grundlagen und Stand der Technik 4 2.1 Merkmale des Feinsteinzeugs und Porzellans . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.2 Relevante Rohstoffe und deren Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2.1 Tone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2.2 Schamotte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2.3 Aluminiumoxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2.4 Feldspat und Feldspatvertreter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.3 Mechanische Eigenschaften keramischer Werkstoffe . . . . . . . . . . . 11 2.4 Bruchmechanisches Verhalten keramischer Werkstoffe . . . . . . . . . . 12 2.5 Festigkeitstheorien in Abhängigkeit bestimmter Gefügemerkmale . . . . 14 2.5.1 Mullit und die Mullithypothese . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.5.2 Gefügespannungstheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.5.3 Dispersionsverstärkung der Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.5.4 Glasphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.5.5 Einfluss der Porosität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.5.6 Statistische Auswertung der Bruchspannungsswerte - DieWeibull- Statistik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.6 Grundlagen zur Bestimmung des Mineralphasengehaltes . . . . . . . . . 23 3 Experimentelle Methodik 25 3.1 Grundlagen und Vorgehensweise zur Entwicklung der Masseversätze . . 25 3.1.1 Auswahl der Rohstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.1.2 Grundlagen der Versatzberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.1.3 Erläuterung der Versuchsbezeichnungen . . . . . . . . . . . . . . 28 3.1.4 Zusammenstellung der Versuchsversätze . . . . . . . . . . . . . 29 3.1.5 Aufbereitung der experimentellen Versätze . . . . . . . . . . . . 30 3.2 Charakterisierung der Werkstoffeigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.2.1 Vorgehensweise zur Bestimmung und statistischen Auswertung der Festigkeitswerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.2.2 Bestimmung des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Glasmatrix 33 3.2.3 Bestimmung der Deformation während des Sinterprozesses . . . 35 3.2.4 Analyse des Erweichungsverhalten mit dem Erhitzungsmikroskop 36 3.2.5 Wasseraufnahme, Rohdichte und offene Porosität . . . . . . . . 36 3.2.6 Reindichtebestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.3 Röntgenographische Untersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.3.1 Röntgenbeugungsanalytik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.3.2 Rasterelektronenmikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.3.3 Röntgenfluoreszenzanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4 Darstellung und Diskussion der Ergebnisse 42 4.1 Betrachtung der mechanischen Festigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.2 Reproduzierbarkeit der Ergebnisse der Bruchspannungsmessungen . . . 48 4.3 Festigkeitsentwicklung in Abhängigkeit der Porosität . . . . . . . . . . 49 4.4 Ergebnisse der mineralogischen Zusammensetzung . . . . . . . . . . . . 55 4.4.1 Qualitative Darstellung der Mineralogie . . . . . . . . . . . . . . 55 4.4.2 Quantitative Darstellung der Mineralogie . . . . . . . . . . . . . 58 4.4.3 Verifizierung der Ergebnisse aus der Mineralphasenquantifizierung nach der modifizierten RIR-Methode . . . . . . . . . . . . 66 4.5 Elektronenmikroskopische Aufnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.5.1 Vergleichende Betrachtung der Gefüge in Abhängigkeit der unterschiedlichen Rohstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.5.2 Vergleich der Werkstoffgefüge mit Al2O3 und Feldspatrohstoff . 79 4.5.3 Betrachtung der Mullitkristallisation . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.6 Wärmdehnungsverhalten der Glasphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.7 Deformationsverhalten während des Sinterprozesses . . . . . . . . . . . 87 5 Zusammenfassung und Ausblick 90 Literatur- und Quellenverzeichnis 95 Appendix 108 / The theme of the present work is the strength of silicate ceramic materials. In this regard it is of interest to correlate the fracture stress of various experimentally investigated materials with microstructural characteristics dependent on different raw material compositions. The basis of these investigations is the modification of a porcelain stoneware consisting of different types of clay and non plastic chamottes. Substitution of the chamottes with different types of feldspar and alumina leads to significant changes of the microstructure and to an associated increase in mechanical strength relative to the reference material. The feldspar raw materials provide the required concentration of alkali ions to enhance the liquid-phase sintering. As a result, the amount of the amorphous phase inreases and the crystallisation of mullite is promoted. The crystalline alumina becomes embedded in the glassy matrix and thereby leads to significantly lower stresses than would be the case for undissolved residual quartz introduced by the raw materials. Quartz is characterised by a complete or partial detachment from the matrix and thus a critical material failure. This is confirmed by comparison with a material consisting of a high quartz concentration. X-ray analysis of the heterogenous materials reveals trends regarding thermal expansion mismatch between the amorphous and crystalline phases. Thus a relationship to internal stresses is established. In addition, the relevance of the secondary mullite formed during the consolidation process is shown. Micro- and nanoscaled mullite needles, embedded in the amorphous matrix, contribute to the strength of the materials by reinforcing the matrix. The results provide the fundamental insight that the different mechanisms of increasing the strength in silicate ceramic materials are causally related and should not be considered in isolation.:1 Einleitung und Problemstellung 1 2 Grundlagen und Stand der Technik 4 2.1 Merkmale des Feinsteinzeugs und Porzellans . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.2 Relevante Rohstoffe und deren Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2.1 Tone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2.2 Schamotte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2.3 Aluminiumoxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2.4 Feldspat und Feldspatvertreter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.3 Mechanische Eigenschaften keramischer Werkstoffe . . . . . . . . . . . 11 2.4 Bruchmechanisches Verhalten keramischer Werkstoffe . . . . . . . . . . 12 2.5 Festigkeitstheorien in Abhängigkeit bestimmter Gefügemerkmale . . . . 14 2.5.1 Mullit und die Mullithypothese . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.5.2 Gefügespannungstheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.5.3 Dispersionsverstärkung der Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.5.4 Glasphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.5.5 Einfluss der Porosität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.5.6 Statistische Auswertung der Bruchspannungsswerte - DieWeibull- Statistik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.6 Grundlagen zur Bestimmung des Mineralphasengehaltes . . . . . . . . . 23 3 Experimentelle Methodik 25 3.1 Grundlagen und Vorgehensweise zur Entwicklung der Masseversätze . . 25 3.1.1 Auswahl der Rohstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.1.2 Grundlagen der Versatzberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.1.3 Erläuterung der Versuchsbezeichnungen . . . . . . . . . . . . . . 28 3.1.4 Zusammenstellung der Versuchsversätze . . . . . . . . . . . . . 29 3.1.5 Aufbereitung der experimentellen Versätze . . . . . . . . . . . . 30 3.2 Charakterisierung der Werkstoffeigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.2.1 Vorgehensweise zur Bestimmung und statistischen Auswertung der Festigkeitswerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.2.2 Bestimmung des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Glasmatrix 33 3.2.3 Bestimmung der Deformation während des Sinterprozesses . . . 35 3.2.4 Analyse des Erweichungsverhalten mit dem Erhitzungsmikroskop 36 3.2.5 Wasseraufnahme, Rohdichte und offene Porosität . . . . . . . . 36 3.2.6 Reindichtebestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.3 Röntgenographische Untersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.3.1 Röntgenbeugungsanalytik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.3.2 Rasterelektronenmikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.3.3 Röntgenfluoreszenzanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4 Darstellung und Diskussion der Ergebnisse 42 4.1 Betrachtung der mechanischen Festigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.2 Reproduzierbarkeit der Ergebnisse der Bruchspannungsmessungen . . . 48 4.3 Festigkeitsentwicklung in Abhängigkeit der Porosität . . . . . . . . . . 49 4.4 Ergebnisse der mineralogischen Zusammensetzung . . . . . . . . . . . . 55 4.4.1 Qualitative Darstellung der Mineralogie . . . . . . . . . . . . . . 55 4.4.2 Quantitative Darstellung der Mineralogie . . . . . . . . . . . . . 58 4.4.3 Verifizierung der Ergebnisse aus der Mineralphasenquantifizierung nach der modifizierten RIR-Methode . . . . . . . . . . . . 66 4.5 Elektronenmikroskopische Aufnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.5.1 Vergleichende Betrachtung der Gefüge in Abhängigkeit der unterschiedlichen Rohstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.5.2 Vergleich der Werkstoffgefüge mit Al2O3 und Feldspatrohstoff . 79 4.5.3 Betrachtung der Mullitkristallisation . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.6 Wärmdehnungsverhalten der Glasphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.7 Deformationsverhalten während des Sinterprozesses . . . . . . . . . . . 87 5 Zusammenfassung und Ausblick 90 Literatur- und Quellenverzeichnis 95 Appendix 108

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Mining will remain indispensable for the foreseeable future. For millennia, our society has been exploring and exploiting mineral deposits. Consequently, most of the easily exploitable high-grade deposits, which were of primary interest given their obvious technical and economic advantages, have already been depleted. For the future, the mining sector will have to efficiently produce metals and minerals from low-grade orebodies with complex mineralogical and microstructural properties -- these are generally referred to as complex orebodies. The exploitation of such complex orebodies carries significant technical risks. However, these risks may be reduced by applying modelling tools that are reliable and robust. In a broad sense, modelling techniques are already applied to estimate the resources and reserves contained in a deposit, and to evaluate the potential recovery (i.e., behaviour in comminution and separation processes) of these materials. This thesis focusses on the modelling of recovery processes, more specifically mineral separation processes, suited to complex ores. Despite recent developments in the fields of process mineralogy and geometallurgy, current mineral separation modelling methods do not fully incorporate the available information on ore complexity. While it is well known that the mineralogical and microstructural properties of individual particles control their process behaviour, currently widely applied modelling methods consider only distributions of bulk particle properties, which oftentimes require much simplification of the particle data available. Moreover, many of the methods used in industrial plant design and process modelling are based on the chemical composition of the samples, which is only a proxy for the mineralogical composition of the ores. A modelling method for mineral separation processes suited to complex ores should be particle-based, taking into consideration all quantifiable particle properties, and capable of estimating uncertainties. Moreover, to achieve a method generalizable to diverse mineral separation units (e.g., magnetic separation or flotation) with minimal human bias, strategies to independently weight the importance of different particle properties for the process(es) under investigation should be incorporated. This dissertation introduces a novel particle-based separation modelling method which fulfills these requirements. The core of the method consists of a least absolute shrinkage and selection operator-regularized (multinomial) logistic regression model trained with a balanced particle dataset. The required particle data are collected with scanning electron microscopy-based automated mineralogy systems. Ultimately, the method can quantify the recovery probability of individual particles, with minimal human input, considering the joint influence of particle shape, size, and modal and surface compositions, for any separation process. Three different case studies were modelled successfully using this new method, without the need for case-specific modifications: 1) the industrial recovery of pyrochlore from a carbonatite deposit with three froth flotation and one magnetic separation units, 2) the laboratory-scale magnetic separation of a complex skarn ore, and 3) the laboratory-scale separation of apatite from a sedimentary ore rich in carbonate minerals by flotation. Moreover, the generalization potential of the method was tested by predicting the process outcome of samples which had not been used in the model training phase, but came from the same geometallurgical domain of a specific ore deposit. In each of these cases, the method obtained high predictive accuracy. In addition to its predictive power, the new particle-based separation modelling method provides detailed insights into the influence of specific particle properties on processing behaviour. To name a couple, the influence of size on the recovery of different carbonate minerals by flotation in an industrial operation; and a comparison to traditional methodologies demonstrated the limitation of only considering particle liberation in process mineralogy studies -- the associated minerals should be evaluated, too. Finally, the potential application of the method to minimize the volume of test work required in metallurgical tests was showcased with a complex ore. The approach developed here provides a foundation for future developments, which can be used to optimize mineral separation processes based on particle properties. The opportunity exists to develop a similar approach to model the comminution of single particles and ultimately allow for the full prediction of the recovery potential of complex ores.:1 Introduction 1 1.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2 Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3 State-of-the-art in particle-based separation models . . . . . . . . . . . 11 1.4 Moving forward . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.4.1 Particle data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.4.2 Mathematical tools required for the particle-based separation model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.4.3 Workflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.5 Structure of the thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2 The method and its application to industrial operations 23 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.1.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.2 Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.2.1 Assumptions and limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.2.2 Data structure and required pre-treatment . . . . . . . . . . . . 27 2.2.3 Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.3 Demonstration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.3.1 Artificial test cases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.3.2 Real case study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.4 Discussion and final considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3 The robustness of the method towards compositional variations of new feed samples 45 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.2 Generalization potential of current Particle-based Separation Model (PSM) methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.3 Case study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.3.1 Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.3.2 Dry magnetic separation tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.3.3 Sample characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.3.4 Particle-based separation models . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4 Flotation kinetics of individual particles 67 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.2 Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.2.1 Data collection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.2.2 Cumulative recovery probability . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.2.3 Particle-based kinetic flotation model . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.3 Demonstration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.3.1 Materials and methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.3.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.4 Discussion and final thoughts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 5 Conclusions and outlook 85 5.1 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5.2 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Bibliography 89