DE1583920B1 - METAL RECOVERY PROCESS BY REDUCING THEIR HALOGENIDE - Google Patents
METAL RECOVERY PROCESS BY REDUCING THEIR HALOGENIDEInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Metallen durch Reduktion ihrer Halogenide mit Reduktionsmetallen bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des zu gewinnenden Metalls in einem Reaktor mit abgeschlossenem Dampfraum, in dem mindestens ein Druck entsprechend dem Dampfdruck des sich bildenden Reduktionsmetallhalogenids herrscht, wobei sich das zu gewinnende Metall und das Reduktionsmetallhalogenid im Reaktor als Schmelze bilden.The invention relates to a process for the production of metals by reducing their halides with Reducing metals at a temperature above the melting point of the metal to be recovered in a reactor with a closed vapor space in which at least one pressure corresponding to the vapor pressure of the reducing metal halide that is formed prevails, the metal to be recovered and form the reducing metal halide in the reactor as a melt.
Hierbei ist unter einem Reduktionsmetall ein Metall zu verstehen, das zu den Halogenen eine größere Affinität besitzt als das zu gewinnende Metall.Here, a reduction metal is to be understood as a metal that has a has greater affinity than the metal to be recovered.
Bei vielen bekannten Verfahren zur Reduktion von Metallhalogenide!! mit Reduktionsmetallen wird Metallschwamm gewonnen, wobei Halogenidschmelzen oder -dämpfe entstehen. Die Reaktionstemperaturen sind dabei stets niedriger als die Schmelztemperaturen der zu gewinnenden Metalle. Der Gasdruck in den Reaktoren beträgt 1 at oder weniger. Nach der Reduktion wird der Metallschwamm eingeschmolzen oder gesintert.In many known processes for the reduction of metal halides !! with reducing metals Metal sponge obtained, producing halide melts or vapors. The reaction temperatures are always lower than the melting temperatures of the metals to be extracted. The gas pressure in the reactors is 1 atm or less. After the reduction, the metal sponge is melted down or sintered.
Diese Verfahren haben große Nachteile. Der meist im Reaktor festhaftende Metallschwamm muß vom Hauptteil der Halogenidschmelze befreit, mit Werkzeugen abgetrennt und herausgenommen werden. Dabei muß man wegen der Hygroskopizität der Halogenide die Atmosphäre vollkommen trocken halten. Der Schwamm wird dann mit Säuren, Laugen und Wasser von Halogeniden und Subhalogeniden gereinigt, wobei oft Wasserstoff entsteht, der sich unter Hydridbildung mit dem Metall verbindet. Da die Metalle hierdurch verspröden, muß der Wasserstoff beim Einschmelzen des Metallschwammes entzogen werden.These methods have major disadvantages. The metal sponge, which is usually stuck in the reactor, must be removed The main part of the halide melt can be freed, separated with tools and removed. Because of the hygroscopicity of the halides, the atmosphere must be kept completely dry. The sponge is then cleaned of halides and subhalides with acids, alkalis and water, whereby hydrogen is often formed, which bonds with the metal to form hydrides. Since the Metals become brittle as a result, the hydrogen must be withdrawn when the metal sponge melts will.
Der gereinigte Metallschwamm wird in Tiegeln aus hochtemperaturbeständigen Oxyden oder Graphit unter Edelgasen oder im Vakuum eingeschmolzen oder gesintert. Beim Vakuumschmelzen werden dem Metall die letzten Reste von Halogeniden, Subhalogeniden und der Wasserstoff entzogen. Große Schwierigkeiten bereitet hier auch der Umstand, daß die geschmolzenen Metalle das Tiegelmaterial angreifen. Sie nehmen Sauerstoff und Fremdmetalle aus den Oxydtiegeln oder Kohlenstoff aus den Graphittiegeln auf, so daß Oxyde, Suboxyde, Carbide und Fremdmetalle die Qualität des gewonnenen Metalls schädigen oder sie unbrauchbar machen.The cleaned metal sponge is placed in crucibles made of high-temperature resistant oxides or graphite melted or sintered under noble gases or in a vacuum. In vacuum melting, the Metal deprived of the last remnants of halides, subhalides and the hydrogen. Great difficulties This is also caused by the fact that the molten metals attack the crucible material. They take oxygen and foreign metals from the oxide crucibles or carbon from the graphite crucibles so that oxides, sub-oxides, carbides and foreign metals damage the quality of the metal obtained or render them unusable.
Bei der großtechnischen Gewinnung von Titan wird der Titanschlamm gemahlen und eventuell zwecks Erzeugung von Legierungen mit anderen Metallpulvern vermischt, zu Stäben gepreßt und in einem Hochvakuum-Lichtbogenofen mit wassergekühlter Kupferkokille eingeschmolzen. Weicht dabei der Lichtbogen zur Kokillenwand ab, so besteht die Gefahr einer Ofenexplosion, was die Verwendung von Schutzwänden und einer Fernbedienungseinrichtung erfordert.In the industrial production of titanium, the titanium sludge is ground and possibly mixed with other metal powders for the production of alloys, pressed into rods and in melted down in a high vacuum arc furnace with a water-cooled copper mold. Gives way the arc down to the mold wall, there is a risk of a furnace explosion, which is the use required by protective walls and a remote control device.
Damit das Metall homogen wird, muß der Schmelzprozeß — besonders bei Legierungen — mehrere Male durchgeführt werden (Ulimanns Encyklopädie der technischen Chemie, Bd. 17, 1966, S. 420 bis 424).In order for the metal to be homogeneous, the melting process - especially with alloys - be carried out several times (Ulimanns Encyklopadie der technischen Chemie, Vol. 17, 1966, p. 420 to 424).
Zur Herstellung von Ferrolegierungen ist ein Verfahren vorgeschlagen worden, bei dem unter normalem Druck von 1 at flussiges Eisen mit einem Halogenid, ζ. B. des Ti, Zr und V, und einem Reduktionsmetall, z. B. Mg, behandelt wird, wobei das Halogenid zum Metall (z. B. Ti) reduziert und dieses im Eisen gelöst wird, während gasförmiges Abfallchlorid (z. B. MgCl2) entsteht, das durch Subchloride und Eisenchlorid stark verunreinigt ist (deutsches Patent 1 168 461). Nach einem anderen bekannten Verfahren werden Legierungen dadurch hergestellt, daß man eine Schmelze, bestehend aus einem Metall und einem Reduktionsmetall, bei normalem Druck von 1 at mit einem Metallhalogenid behandelt (deutsches Patent 843 165). Diese Verfahren dienen lediglich zur Herstellung von Legierungen und sind naturgemäß für die Gewinnung reiner Metalle unbrauchbar.For the production of ferro-alloys, a process has been proposed in which, under normal pressure of 1 atm, liquid iron with a halide, ζ. B. of Ti, Zr and V, and a reducing metal, e.g. B. Mg, is treated, whereby the halide is reduced to the metal (e.g. Ti) and this is dissolved in the iron, while gaseous waste chloride (e.g. MgCl 2 ) is formed, which is heavily contaminated by subchloride and iron chloride (German Patent 1,168,461). According to another known process, alloys are produced by treating a melt consisting of a metal and a reducing metal with a metal halide at normal pressure of 1 atm (German patent 843 165). These processes are only used for the production of alloys and are of course useless for the extraction of pure metals.
Es wurde auch bereits vorgeschlagen, TiCl4 und Mg, Na oder K in eine inerte Salzschmelze einzutragen, die bei der Reduktionstemperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Titans nicht verdampft. Unter der Salzschmelze soll sich flüssiges Titan absetzen, während das entstehende Mg-, Na- oder K-Chlorid durch die Salzschmelze hindurch gasförmig entweicht, da die Reduktion bei normalem Druck von 1 at durchgeführt wird (USA.-Patent 2 667 413). Dieses Verfahren ist gegenüber den anderen so unwirtschaftlich, daß es keinen Eingang in die Praxis finden konnte. Rund 80% des TiCl4 setzen sich nämlich bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes des Titans bei atmosphärischem Druck (1 at) in gasförmiges TiCl2 um, das mit den Dämpfen von MgCl.,, Mg, TiCl4 und TiCL, den Reaktor verläßt.It has also already been proposed to introduce TiCl 4 and Mg, Na or K into an inert molten salt which does not evaporate at the reduction temperature above the melting point of titanium. Liquid titanium should settle under the molten salt, while the resulting Mg, Na or K chloride escapes in gaseous form through the molten salt, since the reduction is carried out at normal pressure of 1 atm (US Pat. No. 2,667,413). This method is so uneconomical compared to the others that it could not find its way into practice. Around 80% of the TiCl 4 is converted into gaseous TiCl 2 at temperatures above the melting point of titanium at atmospheric pressure (1 at), which leaves the reactor with the vapors of MgCl, Mg, TiCl 4 and TiCl.
Allgemein gilt für Verfahren, bei denen hochschmelzende Metalle oder Legierungen oberhalb ihrer Schmelzpunkte bei einem Druck von 1 at oder weniger aus Halogeniden gewonnen werden, daß Dämpfe entstehen, die neben den Halogeniden der Reduktionsmetalle sehr große Anteile der Halogenide und Subhalogenide der zu gewinnenden Metalle enthalten, wenn die Verdampfungspunkte der Reduktionsmetallhalogenide unterhalb der Schmelzpunkte der zu gewinnenden Metalle liegen. Infolgedessen sind die chemischen Umsätze unwirtschaftlich klein. Außerdem muß man den Reaktoren sehr viel Wärme zuführen, da die Reaktionen infolge des Verdampfens der Halogenide endotherm sind. Das Kühlen und Kondensieren sowie das Reinigen der Kondensate zwecks Wiedergewinnung der Reduktionsmetalle ist technisch außerordentlich schwierig und sehr aufwendig. Aus diesen Gründen sind diese Verfahrensvorschläge nicht realisiert worden. Generally applies to processes in which refractory metals or alloys above their Melting points at a pressure of 1 at or less can be obtained from halides that vapors arise which, in addition to the halides of the reducing metals, very large proportions of the halides and subhalides of the metals to be recovered when the evaporation points of the reducing metal halides lie below the melting point of the metals to be extracted. As a result, the chemical sales uneconomically small. In addition, you have to add a lot of heat to the reactors, since the reactions are endothermic due to evaporation of the halides. The cooling and Condensation and cleaning of the condensates for the purpose of recovering the reducing metals technically extremely difficult and very expensive. For these reasons, these procedural proposals have not been implemented.
Es wurde ferner bereits vorgeschlagen, Titan aus Titanhalogenid, z. B. TiCl4, mittels eines Alkalimetalls, vorzugsweise Natrium, dadurch zu gewinnen, daß eine Reaktionsmasse aus einem Gemisch der genannten Komponenten in einem hochdruckfesten geschlossenen Gefäß (Bombe) zur Reaktion gebracht wird, in dem durch Hitzeanwendung, ζ. Β. einen Lichtbogen, die Reaktion derart ausgelöst wird, daß vom Ausgangspunkt die Reaktion nach außen zu auf die Wände hin fortschreitet; die Reaktionsgeschwindigkeit wird dabei durch Kühlung der Wände der Reaktionskammer gesteuert (deutsche Auslegeschrift 1067 222). Diese sogenannte Bomben-Reduktion wurde auch für mehrere andere Metalle bekannt; sie wurde erstmals 1910 von Hunter durchgeführt und eignet sich nur für die laboratoriumsmäßige Gewinnung kleiner Metallproben (M. N. Hunt er, The reduction of titaniumtetrachloride with sodium. J. Am. Chem. Soc., 32 [1910], S. 333 bis 336 [Burau of mines, Report 6374, Reducing Vanadium Compounds in Bomb Reactors, 1964]).It has also been proposed to use titanium from titanium halide, e.g. B. TiCl 4 , by means of an alkali metal, preferably sodium, to be obtained in that a reaction mass composed of a mixture of the components mentioned is caused to react in a high-pressure-resistant closed vessel (bomb) in which, by applying heat, ζ. Β. an arc to initiate the reaction such that the reaction proceeds outward from the starting point towards the walls; the reaction rate is controlled by cooling the walls of the reaction chamber (German Auslegeschrift 1067 222). This so-called bomb reduction was also known for several other metals; it was first carried out by Hunter in 1910 and is only suitable for obtaining small metal samples in a laboratory (MN Hunt er, The reduction of titanium tetrachloride with sodium. J. Am. Chem. Soc., 32 [1910], pp. 333 to 336 [Burau of mines, Report 6374, Reducing Vanadium Compounds in Bomb Reactors, 1964]).
weise müßte ein Bcmben-Reaktor einen Innenraum von rund 4 m3 haben, damit man darin nur 240 Liter = 11 Titan erzeugen kann. Die NaCl-Schmelze erfordert rund 3,5 m3, und hinzu kommt noch ein Dampfraum von mindestens 200 1.wisely, a Bcmben reactor would have to have an interior space of around 4 m 3 so that only 240 liters = 11 titanium can be produced in it. The NaCl melt requires around 3.5 m 3 , and there is also a steam space of at least 200 1.
Darüber hinaus erfordert das Füllen, Entleeren und Instandsetzen eines Bombenreaktors für Chargenbetrieb sehr viel Zeit und manuelle Arbeit. Der erstarrte Titanblock ist mit der oxydkeramischen oderIn addition, filling, emptying, and repairing a bomb reactor requires batch operation a lot of time and manual labor. The solidified titanium block is with the oxide ceramic or
entfernt werden, wobei die Auskleidung zerstört wird. Die verkrustete Oberflächenschicht muß vom Block abgeschlagen und abgedreht werden, wodurch man 15 Titan verliert.removed, thereby destroying the lining. The encrusted surface layer must be removed from the block knocked off and twisted off, losing 15 titanium.
Wenn die Reaktion beendet ist, muß man den Inhalt einige Stunden abkühlen lassen, den Reaktor öffnen, Titan- und Salzblock herausreißen, die Auskleidung reparieren oder erneuern, einige Tage trock-When the reaction is over, the contents have to be left to cool for a few hours, the reactor open, tear out the titanium and salt block, repair or replace the lining, dry for a few days
Bei diesem Verfahren wird nach Abkühlung des
Reaktionsbehälters die entstandene, aus Metall, Reduktionsmetall, Subhalogeniden und festem Alkalihalogenid
bestehende Masse aus dem Behälter herausgebrochen, überschüssiges Alkali abgetrennt, das
Metall-Salz-Gemisch mit Wasser gelaugt und das
grus- und schotterartige Titanprodukt gewaschen und
getrocknet. Es besteht aus kleinen und größeren gesinterten und zum Teil durch lokale ÜberhitzungenIn this process, after the
Reaction container, the resulting mass of metal, reducing metal, subhalides and solid alkali halide broken out of the container, excess alkali separated, the
Metal-salt mixture leached with water and that
gravel and gravel-like titanium product washed and
dried. It consists of small and large sintered and partly due to local overheating
angeschmolzenen Klumpen. Auch diese Verfahren io graphitischen Auskleidung unlösbar verwachsen. In-fused lumps. This process also inextricably fused with the graphitic lining. In-
wefsen den Nachteil auf, daß die Aufbereitung des folgedessen muß er mit Gewalt aus dem Reaktor
Bombeninhalts sehr aufwendig ist, daß sie viel manuelle Arbeit erfordern und daß das resultierende
Metallprodukt doch noch im Vakuum eingeschmolzen
werden muß.wefsen have the disadvantage that the processing of the consequent must be very expensive by force from the reactor bomb contents, that they require a lot of manual work and that the resulting
Metal product still melted in a vacuum
must become.
Alle bekannten Verfahren, bei denen Salz und
Metall durch Auslaugen mit Wasser getrennt werden,
sind ferner mit dem weiteren Mangel behaftet, daßAll known processes in which salt and
Metal can be separated by leaching with water,
are also afflicted with the further defect that
zur Wiedergewinnung des Reduktionsmetalls die Salz- _ ^ w to recover the reducing metal the salt _ ^ w
lösung eingedampft und das Salz vollkommen ent- ao nen lassen, dann langsam erwärmen, erhitzen und wässert werden muß. Dies ist ein besonders schwer- glühen (um sämtliches, auch chemisch gebundenes wiegender Nachteil, da bekanntlich die bei der Re- Wasser zu entfernen), und dann kann man ihn erst duktion entstehenden Halogenide der Reduktions- mjt dem Na-TiCl4-Gemisch neu beschicken, metalle, meistens Alkalimetalle oder Magnesium, Zusammengefaßt ergibt sich folgende Schlußfolgeschmelzelektrolytisch regeneriert werden, wobei Ver- 25 rung: Unterstellt man, daß bei den vorgeschlagenen unreinigungen und besonders schon ein geringer Bombenreduktionsverfahren und dem Verfahren Feuchtigkeitsgehalt sehr stören. gemäß USA-Patent 2 667 413 tatsächlich Titan in Ein bekanntes spezielles Bomben-Reduktionsverfah- reiner, kompakter und technisch verwendbarer Form ren stellt den anderen Bomben-Reduktionsmethoden hergestellt werden kann, so sind die Herstellungs- und gegenüber insofern eine Verbesserung dar, als durch 30 die weiteren notwendigen Aufbereitungskosten beeine feine Verteilung von Natrium in Titantetrachlorid achtlich größer als die konventionellen Titanerzeueine größere Ausbeute an geschmolzenen Titan- gungskosten der Verfahren über den Tintanschwamm. klumpen erzielt wird bei Milderung der explosiven Es ist weiterhin ein Bombenreduktionsverfahren Gewalt der Reaktion, Senkung der erforderlichen bekannt (USA.-Patent 2787 537), bei dem das ent-Zündtemperatur, schnellerer Vereinigung der Gesamt- 3 5 standene Metall nicht in der Bombe erstarrt, sondern menge der Reaktionsteilnehmer sowie Vermeidung jn geschmolzenem Zustand abgelassen wird. Das Gevon Druck-und Temperaturspitzen. misch aus Metallhalogenid und Reduktionsmetall Das Ziel dieser bekannten Erfindung wird dadurch wjrd dabei für eine ganze Charge auf einmal in die erreicht, daß ein inniges Gemisch von 0,005 bis 5 mm Bombe gefüllt und dann initialgezündet. Dabei erfolgt dicken Natriumteilchen, die mit einer passivierenden 40 eine explosionsartige Reduktion, bei der infolge der Oxyd- oder Salzhaut versehen werden, und kaltem hohen Temperaturen von 2000 bis 3000° C außerflüssigem TiCl durch Zünden in einem Bomben- ordentlich hohe Drücke auftreten, die 100 bis 200 at reaktor zur Reaktion gebracht wird. Hierbei sind die betragen. Der Hauptanteil dieser hohen Drücke wird Korngröße des Natriums und die sie umhüllende Von den Dampfdrücken der Reduktionsmetalle ge-Passivierungsschicht von ausschlaggebender Bedeu- 45 bildet, während die Halogenidschmelzen nur Drücke tung (USA.-Patent 2 843 477). von 10 bis 20 at verursachen. Dieses Verfahren be-the solution evaporated and the salt completely de-aoed, then slowly warmed up, heated and then watered. This is a particularly difficult inconvenience (to remove all, including chemically bound, major disadvantage, as it is known to remove the water during the re-watering process), and then one can only produce halides of the reduction with the Na-TiCl 4 mixture re-charge, metals, mostly alkali metals or magnesium, in summary, the following results are obtained by melting electrolytic regeneration, whereby one assumes that with the proposed impurities and especially even a low bomb reduction process and the process, moisture content is very disturbing. according to USA patent 2,667,413 actually titanium in a well-known special bomb reduction process, more compact and technically usable form ren represents the other bomb reduction methods can be produced, so the production and are an improvement compared to the fact that by 30 the further necessary processing costs are a fine distribution of sodium in titanium tetrachloride eighty higher than the conventional titanium ore a higher yield of molten titanization costs of the process via the tintan sponge. Lump is achieved with attenuation of the explosive. A bomb reduction process force of the reaction, lowering of the necessary known (USA.-Patent 2787 537), with which the ignition temperature, faster union of the total 3 5 standing metal does not solidify in the bomb , but amount of reactants as well as avoiding j n molten state is drained. The Gevon pressure and temperature peaks. mixture of metal halide and reducing metal The objective of this known invention in w j r d is achieved for a whole batch at a time in the that an intimate mixture of from 0.005 to 5 mm filled bomb and then initially ignited. Thick sodium particles take place, which with a passivating 40 an explosive reduction in which as a result of the oxide or salt skin are provided, and cold high temperatures of 2000 to 3000 ° C extra liquid TiCl by igniting in a bomb - quite high pressures occur, the 100 until the reactor is reacted at 200 at. Here are the amounts. The main proportion of these high pressures is particle size of the sodium and they enveloping V on the vapor pressures of the reducing metals Ge passivation layer is of decisive importance 45 forms, while the Halogenidschmelzen tung only pressures (USA. Patent 2,843,477). cause from 10 to 20 at. This procedure involves
Dieses vorgeschlagene Verfahren hat keinen Ein- dingt daher einen hohen apparativen Aufwand,This proposed method has no condition, therefore, a high expenditure on equipment,
gang in die Praxis gefunden, und zwar wegen folgen- Da ferner bei diesem Verfahren die Reduktions-found in practice, because of the following - Since the reduction
der Nachteile: Das Na-TiCl4-Gemisch ist hoch ex- explosion völlig unkontrollierbar erfolgt, reagierenThe disadvantages: The Na- TiCl 4 mixture is highly explosive and completely uncontrollable, react
plosiv und feuergefährlich, und wollte man es von 50 viele Metalle, die eine starke Affinität zu Sauerstoffplosive and flammable, and if you wanted it from 50 many metals that have a strong affinity for oxygen
außen während der Reduktion in den Bomben-Reaktor besitzen, bei den auftretenden hohen Temperaturenoutside during the reduction in the bomb reactor, at the high temperatures that occur
kontinuierlich eintragen, so müßte die Beschickungs- und Drücken mit der oxydkeramischen Auskleidung,enter continuously, the charging and pressures with the oxide-ceramic lining would have to
geschwindigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit der wobei sie durch die Oxyde und Suboxyde von Mg,speed of the propagation speed of the being caused by the oxides and sub-oxides of Mg,
Reaktion genau entsprechen, was praktisch unmöglich Ca, Li, Al u. dgl. stark verunreinigt werden, bevorReaction exactly correspond to what is practically impossible Ca, Li, Al and the like. Are heavily contaminated before
ist da schon eine kleine Änderung der Reaktions- 55 sich eine feste Schutzschicht an der Auskleidungthere is even a small change in the reaction to a solid protective layer on the lining
temperatur und Änderung der Reaktionsfähigkeit der bilden kann. Die Ausmauerung muß daher nach jedertemperature and change in reactivity of the form. The brick lining must therefore after each
Na-TiCL-Mischung zur Folge haben kann, daß die Charge erneuert werden.Na-TiCL mixture can result in the batch being renewed.
Reaktion schneller wird und in der Eintragsvorrich- Aus diesen Gründen lassen sich nach dem bekanntung mit katastrophalen Folgen aus dem Reaktor ten Verfahren nur solche Metalle in reiner Form herausspringt. Bei schnellerer Beschickungsgeschwin- 60 flüssig gewinnen, die mit der wärmeisolierenden oxyddigkeit würde man aber den Reaktor mit unreagierter keramischen Auskleidung der Reduktionsbombe nicht Masse füllen und abkühlen. reagieren. Das sind Metalle, deren Schmelzpunkte Die chargenweise Durchführung dieses Verfahrens- unterhalb 1200° C liegen und die keine große Affinität Vorschlages und der anderen Bomben-Reaktions- zu Sauerstoff haben. Hochschmelzende Metalle, wie verfahren in technischem Maßstab erfordert unver- 65 Beryllium, Chrom, Titan, Hafnium, Molybdän, hältnismäßig große Bomben, da das Volumen der Niobium und Tantal, können bei Temperaturen oberentstehenden NaCl-Schmelze vierzehnmal so groß ist halb ihres Schmelzpunktes nach diesem Verfahren wie das der gewonnenen Titanschmelze. Beispiels- nicht in reinem Zustand gewonnen werden. Bei Be-Reaction is faster and in the entry device. For these reasons, according to the knowledge with catastrophic consequences from the reactor th process only such metals jump out in pure form. At a faster charging rate, the liquid would be obtained, but with the heat-insulating oxide resistance, the reactor with the unreacted ceramic lining of the reduction bomb would not be filled with mass and cooled. react. These are metals whose melting points The batchwise implementation of this process are below 1200 ° C and which the proposal and the other bomb reactions do not have a great affinity for oxygen. Refractory metals, as used on an industrial scale, require non-beryllium, chromium, titanium, hafnium, molybdenum, relatively large bombs, since the volume of the niobium and tantalum, at temperatures above the NaCl melt, can be fourteen times as large as half its melting point Process like that of the extracted titanium melt. Example- cannot be obtained in a pure state. When loading
nutzung dieses Bombenverfahrens muß man vielmehr die gewonnenen Metalle noch nachreduzieren, nachreinigen und im Hochvakuum schmelzen.Using this bombing process, the metals obtained have to be reduced and purified and melt in a high vacuum.
Bei einem weiteren bekannten Verfahren (USA.-Patent 2 825 624) wird zunächst im unteren Teil einer Reaktionskammer Metall in Schwammform gebildet, das von geschmolzenem Salz des Reduktionsmetalls durchsetzt ist. Der Metallschlamm schiebt sich dann nach oben und wird mittels eines elektrischen Licht-In a further known method (US Pat. No. 2,825,624) is first of all in the lower part of a Reaction chamber metal formed in sponge shape, made from molten salt of the reducing metal is interspersed. The metal sludge then pushes upwards and is illuminated by means of an electric light
Metall- und Salzschmelze sollen in dem Sammelbehälter aufgefangen werden, sich in zwei Schichten trennen und dann erstarren.Molten metal and salt are to be collected in the collecting container, in two layers separate and then freeze.
Gemäß USA.-Patent 3 085 871 erhält man einen rohrförmigen Körper aus Salz und Metallschwamm mit dichter Innenfläche, der in dieser Form technisch wertlos ist. Er müßte zerkleinert, vom Salz befreit und wie Metallschwamm im Hochvakuum-Licht-According to US Pat. No. 3,085,871, a tubular body made of salt and metal sponge is obtained with a dense inner surface, which is technically worthless in this form. It would have to be crushed, freed from the salt and like a metal sponge in a high vacuum light
erhöhten Druckes in der Flamme das Reduktionsmetallhalogenid nicht mehr gasförmig, sondern flüssig, und die Flammentemperatur steigt bis zum Schmelzpunkt des zu gewinnenden Metalls.increased pressure in the flame the reducing metal halide no longer gaseous, but liquid, and the flame temperature rises to the melting point of the metal to be extracted.
Die Auskleidung kann nun nicht weiter wachsen, da sowohl das Salz als auch das Metall bei der geringsten
Temperatursteigerung schichtweise in geschmolzener Form abfließen. Erfolgt dies tatsächlich,
so gilt jetzt das Umgekehrte des oben geschilderten bogens in einer Argonatmosphäre von niedrigem io Schichtaufbaues, der Abbau der Auskleidung. Dabei
Druck zu einem Metallsumpf eingeschmolzen. Die erhöht sich ihr Wärmeleitvermögen, so daß Tempe-Nachteile
der in der ersten Phase erfolgenden Metall- ratur und Druck sinken. Die aus den Reaktoren abschwammherstellung
sind oben bereits erläutert. Die fließenden Schmelzen haben immer nur eine Tempein
der zweiten Verfahrensstufe (Einschmelzen des ratur, die der Schmelzpunkttemperatur des gewonne-Metallschwammes)
entstehenden Dämpfe enthalten 15 nen Metalls gleich ist, da die Auskleidung mit dem
neben den Halogeniden der Reduktionsmetalle sehr zu gewinnenden Metall aufgebaut wurde,
große Anteile der Halogenide und Subhalogenide der
zu gewinnenden Metalle; die chemischen Umsätze
sind infolgedessen unwirtschaftlich klein. Man muß
ferner viel Wärme von außen zuführen.The lining can now no longer grow, as both the salt and the metal flow off in layers in molten form with the slightest increase in temperature. If this is actually done, then the reverse of the arc described above applies in an argon atmosphere with a low layer structure, the dismantling of the lining. Pressure melted into a metal sump. This increases its thermal conductivity, so that the temperature disadvantages of the metal temperature and pressure occurring in the first phase decrease. The production of sponges from the reactors has already been explained above. The flowing melts always have only one temperature in the second process stage (melting of the temperature, which is the melting point temperature of the metal sponge obtained), the resulting vapors contain 15 metal is the same, since the lining was built up with the metal, which is very much recoverable in addition to the halides of the reducing metals, large proportions of the halides and subhalides of
metals to be mined; the chemical sales
are consequently uneconomically small. One must
also supply a lot of heat from outside.
Eine Literaturstelle (Chemisches Zentralblatt, 1965,
Referat 2338) enthält ferner einen Hinweis, daß es
ideal wäre, bei der direkten Reduktion von Uranhexafluorid zu Uranmetall mit Natrium das flüssige
Metall ständig nach unten und die flüssige Schlacke 25 bogenofen zu kompaktem Metall eingeschmolzen
nach der Seite abzuziehen. Die Literaturstelle verneint werden. Infolge der zu hohen Kosten für die Aufjedoch
die Durchführbarkeit dieses Verfahrens. bereitung dieses rohrförmigen Körpers hat das Ver-A reference (Chemisches Zentralblatt, 1965,
Referat 2338) also contains a note that it
The ideal would be the direct reduction of uranium hexafluoride to uranium metal with sodium, the liquid
Metal constantly down and the liquid slag 25 arc furnace melted down to compact metal to pull off to the side. The reference to be answered in the negative. However, due to the excessive cost of this method, the feasibility of this process. preparation of this tubular body has the
Es sei schließlich noch auf drei bekannte Verfahren fahren keine praktische Anwendung gefunden. Die hingewiesen, nach denen ein Halogenid des zu gewin- beiden anderen Verfahrenvorschläge sind nicht realinenden Metalls (z. B. Ti) und ein flüssiges Reduk- 30 sierbar, wie nachstehend erläutert wird, tionsmetall (z. B. Na) in einem von einem Dampf- Nach USA.-Patenten 3 085 872 und 2 941 867Finally, no practical application has been found for three known methods. the pointed out, according to which a halide of the two other process proposals are not realinenden Metal (e.g. Ti) and a liquid reducible, as will be explained below, tion metal (e.g. Na) in one of a steam according to USA patents 3,085,872 and 2,941,867
gemisch erfüllten Raum aus einer Doppeldüse mit- fließen Salz- und Metallschmelze gemeinsam in einen einander versprüht werden, wobei eine Reaktions- gekühlten Sammelbehälter, wo sie sich voneinander flamme entsteht. Die Doppeldüse ist im oberen Ende trennen und dann erstarren sollen. Wie bereits dareines vertikalen zylindrischen Reaktionsraumes ko- 35 gelegt, liegt es in der Natur dieser Verfahrensaxial so angebracht, daß die Flamme nach unten vorschlage selbst, daß die Salzschmelze und das gerichtet ist. Der Reaktor besteht aus einem mit flüssige Metall genau mit der Schmelzpunkttempe-Wasser gekühlten, relativ eng gebauten, gut wärme- ratur des Metalls den Reaktor verlasesn und keinesleitenden, druckfesten Zylinder, der nach unten hin falls mit einer Temperatur oberhalb des Schmelzoffen und mit einem gekühlten Sammelbehälter gas- 40 punktes des entstandenen Metalls. Daraus folgt aber, dicht verbunden ist. Bei den ersten zwei Verfahrens- daß die Metalltropfen oder Metallstrahlen sofort Vorschlägen (USA.-Patente 3 085 871, 3 085 872) ent- erstarren müssen, wenn sie aus dem Reaktor gelanhält der Sammelbehälter Inertgas mit einem Druck, gen. Infolge der sehr großen Abstrahlung und Abder dem Dampfdruck im Reaktionsraum zumindest leitung scheint es unmöglich, in einem wassergekühlgleich sein soll. Nach dem dritten Vorschlag (USA.- 45 ten Behälter Salz- und Metallschmelze in flüssiger Patent 2 941 867) soll der Sammelbehälter ebenfalls Form sammeln zu können und so lange flüssig zu Inertgas, jedoch mit einem Druck von nur 1 at ent- halten, bis sie sich voneinander sauber getrennt halten. haben. Dies scheint außerdem deswegen unmöglich,mixed-filled space from a double nozzle - molten salt and metal flow together into one each other, taking a reaction-cooled sump where they are from each other flame arises. The double nozzle is intended to separate at the top and then solidify. As was already the case vertical cylindrical reaction space, it is in the nature of this process axially so placed that the flame suggests itself downward that the molten salt and the is directed. The reactor consists of a liquid metal with exactly the melting point temperature-water cooled, relatively closely built, good temperature of the metal leaves the reactor and not conductive, pressure-resistant cylinder, the downward if with a temperature above the melting point and with a cooled collecting container gas- 40 point of the resulting metal. But it follows from this is tightly connected. In the first two procedures- that the metal drops or metal jets immediately Proposals (United States patents 3,085,871, 3,085,872) have to freeze when it persists from the reactor the collecting tank inert gas with a pressure, gen. As a result of the very large radiation and Abder The vapor pressure in the reaction space at least it seems impossible in a water-cooled line should be. According to the third proposal (U.S.A.- 45th container molten salt and metal in liquid Patent 2,941,867) is said to be able to collect the collecting container as well and remain liquid for so long Inert gas, but at a pressure of only 1 atm, is contained until they are cleanly separated from each other keep. to have. This also seems impossible because
Bei Inbetriebnahme beträgt die Flammentemperatur weil die aus dem Reaktionsraum austretende, unter weit weniger als der Schmelzpunkt des zu gewinnen- 50 hohem Druck kondensierte (überhitzte) Salzschmelze den Metalls. In der Flamme entsteht gasförmiges in einer Inertgasatmosphäre spontan verdampft (be-Reduktionsmetallhalogenid und ein Rauch aus festen sonders bei einem Inertgasdruck von nur 1 at; USA.-Teilchen des zu gewinnenden Metalls. Das Reduk- Patent 2 941 867) und infolge der damit verbundenen tionsmetallhalogenid kondensiert an der kalten Wand Abkühlung das zu gewinnende Metall zum Erstarren des Reaktionsraumes zu festem Salz, wobei gleich- 55 bringt, bevor es in den Sammelbehälter gelangt, zeitig die festen Teilchen des zu gewinnenden Metalls Außerdem ist zweifelhaft, ob die Flammeniemps-When starting up, the flame temperature is below the temperature exiting the reaction chamber far less than the melting point of the high pressure condensed (superheated) molten salt the metal. In the flame, gaseous substances are produced which evaporate spontaneously in an inert gas atmosphere (be-reducing metal halide and a smoke of solid special at an inert gas pressure of only 1 at; USA.particle of the metal to be extracted. The Reduk patent 2,941,867) and as a result of the related tion metal halide condenses on the cold wall cooling the metal to be extracted to solidify of the reaction space to solid salt, which brings the same 55 before it reaches the collecting tank, early the solid particles of the metal to be extracted In addition, it is doubtful whether the flame emps
in der Salzschicht einwachsen, so daß eine wärme- ratur überhaupt den Schmelzpunkt des zu gewinnenisolierende Auskleidung aus Metallschwamm und den Metalls erreicht: Infolge der Konzentration des festem Salz entsteht. Da die Schichtdicke dieser Aus- Reduktionsmetallhalogenids an der Innenfläche der kleidung zunimmt, wird ihr Wärmeleitvermögen ge- 60 aufgewachsenen Auskleidung, die stets weniger heiß ringer, und infolgedessen steigt die Temperatur ihrer ist als die Reaktionsflamme, kann der bei Flammender Flamme zugekehrten Innenfläche. temperatur erforderliche höhere Kondensationsdruck Nach den ersten zwei Vorschlägen wirkt der Inert- dieses Halogenides in der Flamme und um die gasdruck auf die Reaktionsflamme, während nach Flamme herum nicht erreicht werden. Infolgedessen dem dritten Vorschlag das offene Ende des Reaktions- 65 entsteht in der heißeren Flamme das Reduktionsraumes so weit zuwächst, daß die Flamme unter metallhalogenid nur gasförmig, und es kondensiert einem Staudruck steht. erst an der weniger heißen Auskleidung zu flüssigem In beiden Fällen entsteht nun angeblich infolge des Salz. Dadurch wird die Kondensationswärme diesesgrow into the salt layer, so that a warm temperature at all exceeds the melting point of the insulating material to be obtained Lining made of metal sponge and the metal achieved: As a result of the concentration of the solid salt is formed. Since the layer thickness of this reduction metal halide on the inner surface of the As clothing increases, its thermal conductivity becomes less and less hot ringer, and consequently the temperature of its is rises than the reaction flame, can that of the flaming one Flame facing inner surface. temperature required higher condensation pressure According to the first two proposals, the inert- this halide acts in the flame and around the gas pressure on the reaction flame, while after flame around cannot be reached. Consequently In the third proposal, the open end of the reaction arises in the hotter flame, the reduction space grows so far that the flame under metal halide is only gaseous, and it condenses a dynamic pressure. only at the less hot lining that becomes liquid. In both cases, it is now supposedly due to the salt. This makes the heat of condensation this
Halogenides nicht in der Flamme frei, sondern an der Auskleidung, durch die sie an das Kühlwasser des Reaktormantels abgeleitet wird. Die Flammentemperatur bleibt unterhalb des Schmelzpunktes des entstehenden Metalls, so daß nur Metallschwamm gebildet wird, und es besteht die Gefahr, daß die untere Reaktoröffnung zuwächst.Halides are not released in the flame, but on the lining through which they are attached to the cooling water of the reactor jacket is derived. The flame temperature remains below the melting point of the resulting metal, so that only metal sponge is formed, and there is a risk that the lower reactor opening grows.
Mit Sicherheit sind diese Verfahren sehr störungsanfällig, und ihre praktische Durchführbarkeit ist sehr fraglich. Nach USA.-Patent 2 941 867 erhält man unter dem Reaktor im Sammelraum günstigstenfalls nur ein Konglomerat von Salz- und Metallteilchen, das erst noch so aufgearbeitet werden muß wie salzhaltiger Metallschwamm.Certainly these methods are very prone to failure and their practical feasibility is very questionable. According to US Pat. No. 2,941,867, this is best obtained under the reactor in the collecting space just a conglomerate of salt and metal particles that has yet to be worked up in the same way as the more salty ones Metal sponge.
Die Ursache der Mangel dieser Verfahren liegt darin, daß infolge der weniger heißen Umgebung die Reduktion tatsächlich nicht beim Dampfdruck der in der Flamme flüssig gedachten Salzschmelze, sondern lediglich bei deren niedrigeren Kondensationsdampfdruck durchgeführt werden kann; es wird nämlich keine Maßnahme getroffen, damit die Temperatur der Umgebung des reagierenden Gemisches nicht f niedriger ist als die Reaktionstemperatur. Auch die beiden Verfahren gemäß den USA.-Patenten 3 085 872 und 2 941 867 fanden keine praktische Anwendung.The cause of the deficiency of this method is that, as a result of the less hot environment, the reduction cannot actually be carried out at the vapor pressure of the molten salt, which is thought to be liquid in the flame, but only at its lower condensation vapor pressure; it is in fact taken any measure to ensure that the temperature of the environment of the reacting mixture is not f lower than the reaction temperature. The two methods of U.S. Patents 3,085,872 and 2,941,867 also found no practical application.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Verfahren zur Gewinnung von Metallen durch Reduktion ihrer Halogenide zu vermeiden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren soll erreicht werden, daß mittels exothermer Reaktionen die Metalle direkt flüssig entstehen, daß in einem Reaktor die gesamte Metallmenge bei einer Temperatur weit oberhalb ihres Schmelzpunktes gehalten werden und das flüssige Metall ohne Einfriergefahr aus dem Reaktor abgelassen werden kann, daß sich an den Reaktorwänden aus den Metallschmelzen feste Schutzschichten bilden und dadurch Verunreinigungen durch Reaktormaterialien ausgeschlossen sind, daß nur Spuren von Subhalogeniden entstehen und der chemische Umsatz praktisch vollständig ist, daß man direkt im Reaktor Legierungen im geschmolzenen Zustand herstellen kann und daß man auch das entstandene Halogenid des Reduktionsmetalls in reiner und geschmolzener Form aus dem Reaktor ablassen kann.The invention is therefore based on the problem of the disadvantages of the known methods of extraction of metals by reducing their halides. By the method according to the invention the aim is to ensure that the metals are created directly in liquid form by means of exothermic reactions that in a reactor kept the entire amount of metal at a temperature well above its melting point and the liquid metal can be drained from the reactor without the risk of freezing, that Solid protective layers form on the reactor walls from the molten metal and thus impurities reactor materials prevent the formation of only traces of subhalides and the chemical conversion is practically complete if you have molten alloys directly in the reactor State can produce and that you can also the resulting halide of the reducing metal in pure and molten form from the Can drain reactor.
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Gewinnung von Metallen durch Reduktion ihrer Halogenide mit Reduktionsmetallen bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des zu gewinnenden Metalls in einem Reaktor mit abgeschlossenem Dampfraum, in dem mindestens ein Druck entsprechend dem Dampfdruck des sich bildenden Reduktionsmetallhalogenids herrscht, wobei sich das zu gewinnende Metall und das Reduktionsmetallhalogenid im Reaktor als Schmelze bilden.The invention is based on a method for extracting metals by reducing them Halides with reducing metals at a temperature above the melting point of the one to be recovered Metal in a reactor with a closed vapor space in which at least one pressure corresponding to the vapor pressure of the reducing metal halide that is formed, whereby the to be recovered metal and the reducing metal halide form in the reactor as a melt.
Bei diesem Verfahren wird die obengenannte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß nach Bildung der Schmelze das Reduktionsmetall und/oder das Metallhalogenid unter Einhaltung der gewünschten Reaktionstemperatur weiter von außen zugeführt und unter den Schmelzespiegel eingeführt werden.In this method, the above-mentioned object is achieved according to the invention in that after Formation of the melt, the reducing metal and / or the metal halide while maintaining the desired Reaction temperature are fed further from the outside and introduced below the melt level.
Da die Reaktionspartner erfindungsgemäß unter den Schmelzespiegel eingeführt werden und die Reaktion in der Schmelze erfolgt, ist die Temperatur der Schmelze gleich der Reaktionstemperatur. Auf diese Weise wird vermieden, daß die Umgebung der reagierenden Stoffe eine Temperatur besitzt, die niedriger als die Reaktionstemperatur ist. Infolgedessen kannSince the reactants are introduced according to the invention below the melt level and the reaction takes place in the melt, the temperature of the melt is equal to the reaction temperature. To this In this way it is avoided that the environment of the reacting substances has a temperature which is lower than the reaction temperature. As a result, can
das Reduktionsmetallhalogenid nicht als Dampf entstehen und an weniger heißen Stellen kondensieren, sondern es wird innerhalb der Schmelze direkt in flüssigem Zustand gebildet.the reducing metal halide does not arise as vapor and condense in less hot places, rather, it is formed directly in the liquid state within the melt.
Unter diesen Bedingungen wird ein der Verdampfungswärme des sich flüssig bildenden Reduktionsmetallhalogenids äquivalenter Wärmebetrag frei, der es bei entsprechender Wärmeisolierung des Reaktors ohne Zusatzheizung ermöglicht, die Reaktionstemperatur oberhalb des Schmelzpunktes des zu gewinnenden Metalls zu halten.Under these conditions, one of the heat of vaporization of the reducing metal halide which forms in liquid form equivalent amount of heat released with appropriate thermal insulation of the reactor without additional heating allows the reaction temperature to be above the melting point of the To hold metal.
Da der Dampfraum des Reaktors auch beim Anfahren abgeschlossen ist, kann das weit über seinen Verdampfungspunkt erhitzte Halogenid des Reduktionsmetalls nur so lange gasförmig entstehen, bis sein Dampfdruck den der Reaktionstemperatur entsprechenden Kondensationsdruck erreicht hat. Von diesem Augenblick an bildet sich das Halogenid des Reduktionsmetalls nur noch direkt in flüssigem Zustand. Since the vapor space of the reactor is also closed during start-up, this can be far beyond its Evaporation point heated halide of the reducing metal arise only as long as gaseous until his Vapor pressure has reached the condensation pressure corresponding to the reaction temperature. Of this At the moment, the halide of the reducing metal is only formed directly in the liquid state.
Die weitere Zuführung der Reaktionspartner nach anfänglicher Bildung der Schmelze erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren so, daß die gewünschte Reaktionstemperatur eingehalten wird. Vorzugsweise wird zu diesem Zweck die Menge und/oder die Temperatur der eingeführten Stoffe geregelt.The further addition of the reactants after the initial formation of the melt takes place in the Process according to the invention so that the desired reaction temperature is maintained. Preferably for this purpose the amount and / or the temperature of the imported substances is regulated.
Da die entstehende Metall- und Salzschmelze bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des zu gewinnenden Metalls gehalten werden, ist eine dauernde saubere Trennung der bei der Reduktion entstehenden Metall- und Salztröpfchen gewährleistet. Da nämlich mit zunehmender Temperatur die Zähigkeit von geschmolzenen Metallen stark vermindert wird, trennen sich Metall- und Salzschmelze sehr schnell voneinander. Die nachstehende Tafel zeigt bispielsweise die Verminderung der Zähigkeit einiger geschmolzener Metalle bei Erhöhung der Temperatur über den Schmelzpunkt um beispielsweise 63° C (graphische Auswertung der Angaben in »Thermochemistry for Steelmaking« von J. F. Elliot and M. Gleiser, 1960, S. 7 bis 12).Since the resulting metal and salt melt at a temperature above the melting point of the metal to be recovered is a permanent clean separation of the reduction resulting metal and salt droplets guaranteed. Because the toughness increases with increasing temperature is greatly reduced by molten metals, the molten metal and molten salt separate very much quickly from each other. The table below shows, for example, the reduction in toughness of some molten metals when the temperature is increased above the melting point by, for example 63 ° C (graphic evaluation of the information in "Thermochemistry for Steelmaking" by J. F. Elliot and M. Gleiser, 1960, pp. 7 to 12).
Metallmetal
Temperaturtemperature
DynamischeDynamic
Zähigkeittoughness
η cP η cP
4,6004,600
2,700
1,3202,700
1,320
1,055
5,8601.055
5.860
3,850
2,7103,850
2.710
1,6901.690
Verminderung
der Zähigkeit
Δη cP [ °/oreduction
of toughness
Δη cP [° / o
1,9001,900
0,2650.265
2,0102.010
1,0201.020
41,3041.30
25,1025.10
34,3034.30
37,6537.65
* Schmelzpunktstemperatur.* Melting point temperature.
Aus dieser Aufstellung ist ersichtlich, daß die Metallschmelzen bei einer Temperatursteigerung um nur 63° C (s. nachfolgendes Beispiel) rasch »leichterflüssig« werden; die Verminderung der Zähigkeit liegt in der Größenordnung von 20 bis 40 °/o der Zähigkeit beim Schmelzpunkt.From this list it can be seen that the metal melts with a temperature increase by only 63 ° C (see following example) quickly become "more fluid"; the decrease in toughness lies on the order of 20 to 40% of the toughness at the melting point.
Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnene reine, flüssige Metall kann ohne Einfriergefahr entnommen und ohne jegliche Aufbereitung der weiteren Verwendung zugeführt werden. Beson-The pure, liquid metal obtained by the process according to the invention can be used without the risk of freezing can be removed and fed to further use without any processing. Special
109538/19?109538/19?
ders vorteilhaft ist ferner, daß auch das flüssige Reduktionsmetallhalogenid infolge seiner Reinheit unmittelbar anschließend ohne jegliche Aufbereitung mittels Schmelzelektrolyse oder auf andere Weise zum elementaren Reduktionsmetall regeneriert werden kann.It is also advantageous that the liquid reducing metal halide as a result of its purity immediately afterwards without any preparation by means of melt electrolysis or in any other way can be regenerated to the elemental reduction metal.
Die Reaktionspartner können kontinuierlich in den Reaktor eingeführt und die Reaktionsprodukte kontinuierlich aus dem Reaktor abgelassen werden. So kann man beispielsweise an den Reaktor eine kontinuierlich arbeitende Stranggießvorrichtung direkt anschließen. Man kann jedoch die Metallschmelze auch diskontinuierlich in gekühlte Kokillen oder Gießformen ablassen und auf diese Weise Gußstücke beliebiger Form und Größe herstellen.The reactants can be introduced continuously into the reactor and the reaction products continuously be drained from the reactor. So you can, for example, one continuously at the reactor Connect working continuous caster directly. However, you can also use the molten metal Discontinuously drain into cooled molds or molds and in this way castings Manufacture of any shape and size.
Infolge der großen Affinität der Reduktionsmetalle zu den Halogenen und bei dem herrschenden Dampfdruck ist der Partialdruck von Subhalogeniden im Dampfraum über der Schmelze sehr klein. Infolgedessen besteht die Halogenidschmelze praktisch nur aus dem Halogenid des Reduktionsmetalls. Subhalogenide werden nur in Spuren gebildet. Das in den Reaktor eingeführte Metallhalogenid wird also quantitativ (praktisch vollständig) in Metall umgesetzt. As a result of the great affinity of the reducing metals for the halogens and the prevailing vapor pressure the partial pressure of subhalides in the vapor space above the melt is very small. Consequently the halide melt consists practically only of the halide of the reducing metal. Subhalides are only formed in traces. So the metal halide introduced into the reactor becomes quantitatively (practically completely) converted into metal.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch äußere Kühlung des Reaktormantels an der Innenseite der Reaktorauskleidung eine feste Schutzschicht aus dem zu gewinnenden Metall hergestellt. Auf diese Weise wird die Auskleidung vor chemischem Angriff und zu hohen Temperaturen geschützt; Metall und Reduktionsmetallhalogenid bleiben dadurch rein, und es entfällt auch die Notwendigkeit einer häufigen Erneuerung der Auskleidung.According to an expedient embodiment of the method according to the invention, external Cooling of the reactor jacket on the inside of the reactor lining a solid protective layer from the produced metal to be extracted. In this way the lining is protected from chemical attack and protected from high temperatures; As a result, metal and reducing metal halide remain pure, and it also eliminates the need for frequent renewal of the lining.
Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt besondere Bedeutung für die Gewinnung hochschmelzender Metalle, beispielsweise Beryllium, Chrom, Hafnium, Iridium, Mangan, Molybdän, Niobium, Tantal, Thorium, Titan und Zirkonium.The process according to the invention is of particular importance for the production of high-melting points Metals, for example beryllium, chromium, hafnium, iridium, manganese, molybdenum, niobium, tantalum, thorium, Titanium and zirconium.
Zur Herstellung einer Legierung werden die Halogenide der gewünschten Legierungspartner im selben Reaktor mit reduziert oder metallische Legierungspartner in elementarer Form eingeführt. Dabei muß das Metall nicht erst gemahlen, mit den Pulvern der Legierungspartner vermischt und mehrmals geschmolzen werden, sondern man kann direkt im Reaktor während der Bildung des Metalls Legierungen im geschmolzenen Zustand erzeugen, auch mit Partnern (z. B. Mg, Ca), deren Verdampfungspunkte weit unterhalb der Schmelzpunkte der Legierungen liegen, was bislang unmöglich war.To produce an alloy, the halides of the desired alloy partners are in the same Reactor with reduced or metallic alloy partners introduced in elemental form. It must the metal is not first ground, mixed with the powders of the alloying partners and melted several times but you can directly in the reactor during the formation of the metal alloys in the Produce molten state, also with partners (e.g. Mg, Ca), whose evaporation points go far lie below the melting point of the alloys, which was previously impossible.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens sei an Hand der Zeichnung näher erläutert: An embodiment of the method according to the invention is explained in more detail with reference to the drawing:
Aus TiCl4 sollen mittels Mg als Reduktionsmetall 100 kg/h Titan erzeugt werden.100 kg / h of titanium are to be produced from TiCl 4 using Mg as the reduction metal.
Der in der Zeichnung veranschaulichte Reaktor ist ein geschlossener, aufrecht stehender Zylinder mit einer lichten Weite von 200 mm und einer Höhe von 600 mm. Sein Fassungsvermögen beträgt rund 201. Er besitzt eine Doppelwand 1 aus Stahl. Der untere Teil ist bis zu einer Höhe von 300 mm mit einer mm dicken Magnesiumspinellschicht 2 ausgekleidet.The reactor illustrated in the drawing is a closed, upright cylinder with a clear width of 200 mm and a height of 600 mm. Its capacity is around 201. It has a double wall 1 made of steel. The lower part is up to a height of 300 mm with a mm thick magnesium spinel layer 2 lined.
Zunächst wird der Reaktor einige Male entgast und mit Argon gespült und schließlich evakuiert. In den unteren Teil des Reaktors werden durch zwei tangential angebrachte Graphitrohre 3 und 4 heißes flüssiges Magnesium mit einer Menge von. 102 kg/h und einer Temperatur von 700° C und heißer TiCl4-Dampf mit einer Menge von 46 Nm3/h und einer Temperatur von 220° C eingetragen. Dabei stellt sich eine Reaktionstemperatur von 1500° C ein. Das Titan entsteht zunächst in fester Form (Schmelzpunkt 16670C), während das sich bildende MgCl2 verdampft (Verdampfungstemperatur 1412° C). Da der MgCIo-Dampf nicht entweichen kann, steigt der Druck im Reaktor, bis er schließlich etwa 5 atm erreicht hat.First the reactor is degassed a few times and flushed with argon and finally evacuated. In the lower part of the reactor through two tangentially attached graphite tubes 3 and 4 hot liquid magnesium with an amount of. 102 kg / h and a temperature of 700 ° C and hot TiCl 4 vapor with an amount of 46 Nm 3 / h and a temperature of 220 ° C entered. A reaction temperature of 1500 ° C. is established during this process. The titanium initially produced (melting point 1667 0 C) in solid form, while the MgCl 2 which forms evaporated (evaporating temperature 1412 ° C). Since the MgClo vapor cannot escape, the pressure in the reactor rises until it finally reaches about 5 atm.
Nun entsteht nur noch flüssiges MgCl3, und die Reaktionstemperatur steigt schnell auf 1730° C an. Dabei schmilzt das anfänglich entstandene Titan, während jetzt weiterhin direkt nur noch flüssiges Titan gebildet wird. Das flüssige MgCl2 bildet eine über dem flüssigen Ti liegende Schicht.Now only liquid MgCl 3 is formed and the reaction temperature rises rapidly to 1730 ° C. The titanium that was initially formed melts, while now only liquid titanium is formed directly. The liquid MgCl 2 forms a layer overlying the liquid Ti.
Durch den doppelwandigen Stahlmantel, -boden und -deckel des Reaktors strömt kaltes Wasser. Während das flüssige MgCl2 an der gekühlten Stahlwand eine feste Schicht 5 von 7 bis 8 mm Dicke bildet, entsteht an der gekühlten Spinellauskleidung 2 eine 4 bis 5 mm dicke Schicht von festem Titan 6. Cold water flows through the double-walled steel jacket, bottom and cover of the reactor. While the liquid MgCl 2 forms a solid layer 5 of 7 to 8 mm thick on the cooled steel wall, a 4 to 5 mm thick layer of solid titanium 6 is formed on the cooled spinel lining 2.
Das flüssige MgCl2 (400 kg/h) wird knapp oberhalb der Spinellauskleidung durch ein Graphitrohr 7 und das flüssige Titan (100 kg/h) durch ein gekühltes Graphitrohr 8 aus dem Reaktorboden abgelassen. Die entwickelte Reaktionswärme von rund 80 000 kcal/h wird durch die festen MgCl2- und Ti-Schichten, die Magnesiumspinellauskleidung und die Stahlwand an das Kühlwasser abgegeben. Das Kühlwasser (etwa 1,5 m3/h) verläßt den Reaktor mit einer Temperatur von 80° C.The liquid MgCl 2 (400 kg / h) is drained from the bottom of the reactor just above the spinel lining through a graphite tube 7 and the liquid titanium (100 kg / h) through a cooled graphite tube 8. The developed heat of reaction of around 80,000 kcal / h is transferred to the cooling water through the solid MgCl 2 and Ti layers, the magnesium spinel lining and the steel wall. The cooling water (about 1.5 m 3 / h) leaves the reactor at a temperature of 80 ° C.
Zur Einhaltung der gewünschten Reaktionstemperatur von 17300C wird die Temperatur des TiCl4-Dampfes geregelt, der von einem TiCl4-Verdampfer durch einen (nicht dargestellten) Erhitzer dem Reaktor zugeführt wird. Einer Temperatursteigerung des TiCl4-Dampfes von 220 auf 320° C entspricht eine zusätzliche Wärmezufuhr von 5000 kcal/h.To maintain the desired reaction temperature of 1730 0 C, the temperature of the TiCl 4 is controlled -Dampfes, the heater (not shown) from a TiCl 4 evaporators by a is supplied to the reactor. A temperature increase of the TiCl 4 vapor from 220 to 320 ° C corresponds to an additional heat supply of 5000 kcal / h.
Das flüssige Titan kann aus dem Reaktor kontinuierlich als Strang entnommen werden. Man kann es auch unter Argon in wassergekühlte Kupferkokillen abfüllen und erhält dann Titanblöcke beliebiger Form und Größe.The liquid titanium can be continuously withdrawn as a strand from the reactor. One can Filling it into water-cooled copper molds under argon and then receiving titanium blocks of any shape and size.
Claims (9)
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| NO56369A NO123811B (en) | 1968-02-28 | 1969-02-12 | |
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| FI60969A FI50343C (en) | 1968-02-28 | 1969-02-27 | Process for the production of metals by reduction of their halides. |
| ES364197A ES364197A1 (en) | 1968-02-28 | 1969-02-27 | Procedure for the obtaining of metals by reducing his halides. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) |
| SU1308879A SU462338A3 (en) | 1968-02-28 | 1969-02-28 | Method of producing metals by metallothermic reduction |
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|---|---|---|---|
| DET0035956 | 1968-02-28 | ||
| DET0035956 | 1968-02-28 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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| DE1583920B1 true DE1583920B1 (en) | 1971-09-16 |
| DE1583920C DE1583920C (en) | 1973-02-15 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3024697A1 (en) * | 1979-07-05 | 1981-01-29 | Cockerill | METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING ALLOYED OR UNALLOYED REACTIVE METALS |
Citations (1)
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| US2787537A (en) * | 1946-08-15 | 1957-04-02 | Harley A Wilhelm | Method of producing metal |
Patent Citations (1)
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Also Published As
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| DK143766B (en) | 1981-10-05 |
| FR2002771B1 (en) | 1975-07-04 |
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| FR2002771A1 (en) | 1969-10-31 |
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| NL166066C (en) | 1981-06-15 |
| GB1187367A (en) | 1970-04-08 |
| BE729225A (en) | 1969-08-01 |
| DK143766C (en) | 1982-03-22 |
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| NL6903144A (en) | 1969-09-01 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
| EHJ | Ceased/non-payment of the annual fee | ||
| EI | Miscellaneous see part 3 | ||
| EILA | Invalidation of the cancellation of the patent | ||
| EGA | New person/name/address of the applicant |