DE860556C

DE860556C - Verfahren zur Herstellung von Titan-Metall

Info

Publication number: DE860556C
Application number: DET4319A
Authority: DE
Inventors: Carl Kerby Stoddard; James Luther Wyatt
Original assignee: Titan Corp
Current assignee: Engility LLC
Priority date: 1950-05-27
Filing date: 1951-05-17
Publication date: 1952-12-22
Also published as: FR1037747A; US2663634A; GB702771A

Description

Die Erfindtiiig betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Titan-Metall aus Titantetrachlo-rid im Wege der Reaktion des Titantetrachlorids mit Magnesiummetall.

Es sind bereits Verfahren zur Herstellung von Titan-Metall vorgeschlagen wopden, bei denen als Reduktionsmittel Metalle, wie Magnesium und Natrium, verwendet werden. Bei den meisten dieser Verfahren wird eine feste geschmolzene Masse, bestehend aus Titan-Schwamm und den Chloriden des Reaktionsmetalls, gebildet. Diese geschmolzene Masse muß in den meisten Fällen in Form von kleinen klumpenförmigen Stücken aus dem Ofen gemeißelt werden, die eine langwierige Laugenbehandlung zwecks Trennung des Titan-Metalls von dem Metalkhlorid erforderlich machen. · Dieses

Verfahren ist wegen λ ausgedehnter Haaatkrung kompliziert und hesjtepieü:^'' außerdem wird das Titan-Metall bei dför "tJl^isfiikafflffing von dem Ofem zu den Einrichtungen.' AnrdBi^.iLaugeaibehaoidlgajg äußeren, zu VerunieialgiaB^ai'fuhirieriidien Einflüssen ausgesetzt. >^Λ> . · " >

Die Erfindung hat sich dfe Aufgabe gestellt, eine verbesserte Herstedlua^s-Äetiiodle von Titan-Metall durch Reduktion-von 'iTd-temteitrachiloriid zu schaffen, bei der die vorher er^ähaifeaa'Nachteile vermieden werden. ·..'.,/'

Allgemein gesehen¹ feetoifEt die Erfindung· ein Verfahren zur Hersteüiaäg wem. Titan-Metall, das. dadurch gekennzeichnet; ^istj ''4a# zur Bildung ,von Titan-Metall und' geschmo-lzemem * Magnesiumchlorid in einer Rea-ktiiDaa^SaTrumair Titantetrachlorid

und Magnesiummetall bei erhöhter Temperatur zur Reaktion gebracht werden, wobei gleichzeitig das Magnesiumchlorid aus der Reaktionskammer entfernt wird, und daß dianach im Wege der Destillation 4er Chloridrückstand und das nicht zur Reaktion gekommene Magnesiummetall entfernt werden, um ein· gereinigtes Titan-Metall zu erhalten. Bei dem erfindungsgemäßen. Verfahren ist es vorteilhaft, daß' die vorstehend dargelegten Ver-ίο fahrensschritte derart diurchgeführt werden können, daß die Bildung und Reinigung des Titan-Metalls unter Abschluß von Luft, Feuchtigkeit oder Laugemitteln erfolgt.

Die Erfindung hat insbesondere ein Herstellungsverfahren zum Gegenstand, bei dein erfindungsgemäß das Titantetrachlorid und das Magnesiummetall in der Reaktionszone eines Mehrzonenapparates zur Reaktion gebracht werden, der eine Raaktionszone, eine Kondensationiszone und eine Auffangzone oder eine 'kombinierte Kondensations- und Auffangzone besitzt, wobei die Auffangzone mit der Reaktionszone durch eine enge Öffnung in Verbindung steht. Die Reaktion wird beä erhöhter Temperatur durchgeführt, um Titan-Metall und geschmolzenes Magnesiumchlorid zu bilden. Hierbei wird gleichzeitig das,-Magnesiumchlorid durch Ablauf durdh die enge öffnung aus 'der Reaktionszone in die Auffangzooe abgeleitet und durch Destillatdon und Kondensation in der Kondensationszone oder in der kombinierten Zone das verbleibende Magnesiumchlorid und das nicht zur Reaktion- gelangte Magnesiuimmetall aus denrTitan-Metall entfernt, wodurch ein gereinigtes Titan-Metall erhalten wird. Dadurch, daßdiais Magnesiumchlorid gleichzeitig mit dem Fortschreiten- der Reaktion aus der Reaktionszone abgeleitet wird, ist es möglich, bei gleichem Apparatvolumen eine beträchtlich größere Menge Titan-Metall herzustellen, als bisher erreichbar war.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in Apparaten verschiedener Formen zur Durchführung gelangen. Befriedigende Ergebnisse wurden erzielt mit einem in Fig. 1 dargestellten Apparat. Es stellt einen Dreizonenapparat dar mit einer Reaktions-, zone 11, einer Kondensationszone 12 und einer Auffangzone! 13. Die Zone 13 steht mit der Zonen durch die enge öffnung 14 in Verbindung. Die Reaktionszone 11 ist in einem geeigneten Ofen 15 angeordnet, der mit Behekungseinnichtungen, wie den Brennern 16, ausgestattet ist. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Knüppel 21 aus Magnesiummetall durch die öffnung'20 zugeführt, die auf dien Boden der Reaktionszone 11 fallen. Titanttertrachloriddämpfe 22 werden durch die öffnung 19 zugeführt und treten in der Reaktionszone. 11 mit dem Magnesium-' metall in Reaktion. Die Temperatur der Reaktionszone 11 wird durch Steuerung des die Zone n umgebenden Ofens 15 geregelt. In der Zone 11 werden, Titan-Metall umidi Magnesiumchlorid als Reaktionsprodukte 23 gebildet. Die Öffnung 14 am Boden der Zone 11 besitzt derartige Abmessungen, daß das geschmolzene Magnesiumchlorid) 24 ablaufen kann, das TitanrMetall und das Magnesiummetall jedoch nicht durchtreten können. Es wurde . gefunden, daß * die Weite der öffnung zwischen 0,03 und 3,18 mm schwanken kann; die Länge der öffnung 14 ist an sich unwesentlich, sie muß lediglich ausreichen, um das geschmolzene Material in der erforderlichen Menge austreten zu lassen. Das.- geschmolzene Magnesiumchlorid 24 tritt als Reaktionsprodukt durch die öffnung 14 und wird in der Auffangzone 13 gesammelt, wo es zu fester Form erstarrt. Das restliche Magnesiumchlorid, das nicht durch die öffnung 14 austritt, und das nicht zur Reaktion gelangte Magnesiummetall, die beide mit dem Titan-Metall gemischt sind, werden abdestilliert und in der Kondensationszone kondensiert, vorzugsweise bei Unterdruck, so· daß ein gereinigtes Titan-Metall in der Reaktionszone 11 verbleibt. Bei Durchführung der Destillation, wird eine Vakuumpumpe 17 benutzt, die über die öffnung 18 mit dem Apparat in Verbindung steht und den erforderlichen Unterdruck erzeugt.

Das folgende Beispiel zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens.

Beispiel 1

Es wurde der in Fig. 1 gezeigte Apparat bemutizt. 2,5 kg Magnesiummetall wurden in die durch'den Ofen 15 auf 725⁰C erhitzte Reaktionszone 11 gegeben. Titantetrachloriddämpfe wurden durch Öffnung 19 in einem Verhältnis von 0,25' kg je Minute in den Apparat geleitet. Zusätzliches Magnesiummetall wurde nach und nach durch öffnung 20 in einem Verhältnis von 0,5 kg je 7V2 Minuten zugegeben. Das- Magnesiummetall fiel auf den Boden der Reaktionszone 11, und durch Reaktion mit dem Titantetrachlorid wurden Titan-Metall und geschmolzenes Magnesiumchlorid gebildet. Die Zuführung der Titantetrachlorid^L dämpfeund'des Magnesiummetalls wurden,2 Stunden lang fortgesetzt, wobei der Apparat in voller Kapazität ausgenutzt wurde. Das gesamte stabförmige, dem Ofen zugegebene Magnesiummetall entsprach mit einem Überschuß von 20% der theoretischen Menge, die zur Reaktion mit dem gesamten Titantetfachlorid zur Bi-ldung von Titan-Metall erforderlich ist. Dieser 20%ige Überschuß sichert praktisch die vollständige Reduktion des Titantetrachlorids zu Titan-Metall. Während der Reaktion wurde die Temperatur der Reaktionszone 11 zwischen 900 und 980⁰ gehalten. Das so· gebildete geschmolzene Magnesiumchlorid lief durch die öffnung 14 in die Auffangzone,i3 ab, wo es erstarrte. Die öffnung 14 war an der Schnittlinie der Seitenwandung .mit diem Boden der Reaktionskammer n angeordnet. Die öffnung streckte sich im wesentlichen entlang der Bodenumfangslmie. Die Weite betrug 0,38 mm.

Am Ende 'der Reaktion war der größte Anteil des gebildeten¹ Magnesiumchlorids durch die öffnung abgelaufen und in die Auffangzone gelangt. Nach beendeter Reaktion verblieben das gesamte Titan-Metall zusammen mit dem mit diesem gemischten Magnesiumchloridrückstand und dem

nicht zur Reaktion gelangten Magnesiummetall in der Reaktionszone ii. Das Magnesiumchlorid und das nicht zur Reaktion gelangte Magnesiummetall wurden direkt im Wege der Destillation aus dem Titan-Metall entfernt. Die Apparatur wurde über die an der öffnung i8 angeschlossene Vakuumpumpe ij während der Destillation unter Unterdruck gesetzt. Der Magnesiumchloridrückstand ' und das nicht zur Reaktion gelangte Magnesium- -. metall wurden während der Destillation in. der Reaktionszone auf 640 bis 950⁰ gehalten und in der gekühlten. KondensationszcKie als Kondensat niedergeschlagen. Der Destillationsprozeß dauerte 16 Stunden. 8 Stunden lang am Ende des Destillationsprozesses wurde ein Unterdruck von weniger als 10 Mikron, gemessen mit einem in der Vakuurnleitung angeordnetenPiranimesser, auf rechterhalten. Am Ende der Destillation war eine nahezu vollständige Trennung des Magnesiummetalls und des Magnesiumchlorids von dem Titan-Metall erreicht. Das Titan-Metall wurde im Ofen auf 25° C gekühlt. Der Apparat wurde dann demontiert und das Titan-Metall entnommen in einer Menge von 7,6 kg, was einer Ausbeute von 95 % entsprach. Die Analyse zeigte einen Titan-Gehalt von über 99 °/o; das Titan-Metall besaß eine BrineMhärte von 130. Die Auffangzone 13 enthielt 27,5 kg Magnesium- ·. chlorid, d.h. daß 87,7% des gebildeten Magnesiumchlorids durch die öffnung 14 in die Auffangzone abliefen. Die Kondensationszoneenthielt 3,5 kg Magnesiumchlorid und 2 kg Magnesiummetoll, was dem Magnesiumchloridrückstand und dem nicht zur Reaktion gelangten Magnesitummetall entsprach. Das erzielte Titan-Metall war duktil und von hoher Reinheit.

Um die mit der Montage und Demontage des Apparates verbundenen Schwierigkeiten zu vermindern, ist es zweckmäßig, einen Apparat gemäß Fig. 2 zu benutzen. Hier ist die Reakfcionszone 11 auf einen Reaktionstopf 31 beschrankt, die Auffangzone 12 und die Kondensationezone 13 sind zu einer im unteren Teil des Apparates befindlichen einzigen Zone unterhalb der Reaktionszone kombiniert.

Das Verfahren wird in gleicher Weise wie vorher durchgeführt. Das geschmolzene Magnesiumchlorid kann durch die öffnung 14 in die Auffangzone 12 ablaufen, wo es erstarrt. Das verbleibende Magnesiumchlorid und das nicht zur Reaktion ge-.

langte Magnesiummetall werden durch Destillation aus dem in dem Reaktionstopf befindlichen Titan-Metall entfernt und in der Kondensatk>nszone 13 kondensiert. Die Dämpfe werden aus dem Titan-Metall unter Unterdruck entfernt; sie treten über den Reaktionstopf, werden dann an 'der Außenseite d'es Topfes durch den Durchtrittskanal 33 abwärts geführt und treten in den unteren Teil 32 des Apparates ein^ wo sie kondensiert werden. Im Reaktionstopf verbleibt im wesentlichen! reines Titan-Metall, von wo es auf bequemere Weise entnommen werden kann als bei dem Apparat gemäß Fig. i. Ein Mehrzonenapparat ist erforderlich·, um das geschmolzene Magnesiumchlorid¹ bei seiner Bildung aus dem Titan-Metall zu entfernen, und um im Wege der DeatalJation- das. restliche Magnesiumchlorid und das nicht zur Reaktion gelangte Magnesiummetall zu eraöfenaö^ damit ein itn wesentlichen: reines Tftatr-Metail· ^erhalten wird. Bei Durchführung dies erfindfuii'gsgemäßen Verfahrene kann das gesamte für die Reaktion erforderliche Magnesiummetall am Anfang in diie Kammer gegeben werden, es ist· jedoch.'· zweckmäßiger, das Magnesiummetall -irt/^; Züge der fsrteehreitenden Reaktion zuzugeben. EiÄ^GÄtändigere Reaiktkai wird erreicht, wenn dais MagSKeeiunxmetall nach und nach zugeführt wird. ■ ■ '

Es ist weiterhin, ^weickmäßag, das Titantetrachilorid dier Reaktionszonei ins gasförmiger und nicht \ in flüssiger Formt 'zuzuführen,.' *. ·- .

Die Temperatur v&> der Reaiktionszonie sollte oberhalb des Schmdzpikiktieis<!'des MgCl₂, also über 712⁰C, aber unterhalb·-ertwäc .980° C, des Wertes, bei dem die Metalle der- Kammerwände; angegriffen werden, gehalten werdl^n. ·. <ί 11 ~ '

Das gesamte Verf ahsani fet zcweekmäßigerweise in Abwesenheit einer oxydfenetrien Atmosphäre diurohr zaführen, um Verunjfeiwgusn/g^n -,zu vermeiden¹. Dies kann in verschiedener ^WJeTSe erreicht werden^ z.B. durch die Verweodtajjg¹ einer inerten Atmosphäre, wie Helium'oder Argon, -oder durch Aus-' g₀ schluß anderer Gase-'ate.Tfiftanttietrac'hlorid,, bei der gesamten Redufctitjnsapparatttri' ·

Durch die erfindungsgemäße Ableitung des Magnesiumchlorids im^Verhültaiiadier fortschreitenden Reduktion ist 'es .möglich,; eine maximale Aus- nutzung der Kapazität der Ausrüstung zu erreichen, was in solchen Verfaltreni nichfi möglich ist, wo das gesamte Magnesiumchlorid¹, das, in der Reaktionszone gebildet wird; zuxäsÄgeharaen .wird. Dais erfindungsgemäße Verfahren führt somit zur Darstellung größerer Mengen von. Titan-Metall pro Vohimeinheit der Ausrüstung. '

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von» Titan-Metall, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Reaktionskammer Titentebradhlorid und MagnesiummetaM bei erhöhter Temperatur zur Reaktion gebracht werden, wobei gleichzeitig das entstehende geschmolzente Magnesiumchlorid aus der Reaktionskammer abgeleitet wird und hierauf das in dem Titap-Metall verbliebene restliche Magnesiumchlorid' umdi überschüssiges Magnesiummetall aus dem gebildeten Titan-Metall abdestilliert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magti-esiummetall der Reaktionskammer in- zeaelidhen Abständen nach und nach zugeführt wird. ·.

3. Verfahren nach AiigpnUich 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine mehrere Stufen· umfassende Apparatur benutzt wird, die eine Reaktionszone, eittieKontdeasarioinsizone und eine Auffangzone oder eine kombinierte Kondensations- und Auffangzone besitzt, wobei das gesdhmol·-

zene Magnesiumchlorid aus der Reaktionszone über Durchlaßöffnunigen in die Auffangzone abgeleitet wird.

4. Verfahren, nach Anspimch 1 bis 3, dadiuxch gekennzeichnet, daß in der Reaktionszone mit einer Temperatur zwischen 720 und 980 ° gearbeitet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Titan-Metall gemischte Rückstand an Magnesiumchlorid und nicht zur Reaktion gelangtem Magnesiummetall bei Unterdruck abdestilliert und¹ kondensiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch r bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Titantetrachlorid der Reaktioniskammer als Gas zugeführt wird.

7. Vorrichtung· ziur Ausübung des Verfahrens gemäß Ansprach 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in einem gemeinsamen Gehäuse eine von einem Ofen umschlossene Reaktionskammer und eine oberhalb der Reaktionskammer angeordnete Kondenisationskammer und eine unterhalb, der Reaktionskammer angeordnete Auffangkammer, oder eine kombinierte Koniden-

sations- und Auffangkammer unterhalb der Reaktionskammer vorgesehen sind, und daß die Reaktionskammer mit in ihrem Boden angeordneten Durchtrittsöffniungen zur Ableitung des geschmolzenen MagnesiumcMorids ausgestattet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Dreizonenapparates die oberhalb der Reaktionskammer angeordnete Kondensationskammer mit dieser in direkter Verbindung ohne Benutzung von Trennwänden steht und mit Einlaßöffnungen für das Titanchlorid und das Magnesiummeitall ausgestattet ist, und daß die unterhalb der Reaktionekaimmer liegende Auffangkammer von dieser durch einen Boden getrennt ist, auf dessen: äußerem Umfange die Durchtrittsöffnungen für das geschmolzene Magnesiumchlorid angeordnet sind.

9. Vorrichtung· nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Zwei-Zonenapparates in dem von dem Ofen' umschlossenen Gehäuseteil· unter Freilassung eines äußeren, ringförmigen Durchlaßkanals, ein topfartiger, an der Oberseite offener, als Reaktiorusgefäß dienender Einsatz vorgesehen ist, der in der Umfangslinie des Bodens liegende Durchtrittsöffnungen für das geschmolzene Magnesiumchlorid besitzt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7 und folgenden, dadurch gekennzeichnet,, daß die Durchlaßöffnungen eine Durchtritteweite von 0,03 bis 3,18 mm, vorzugsweise eine solche von 0,25 bis 2,5 mm besitzen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 7 und folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß an der Kondensationiskammer bzw. an der kombinierten Kondensations- und Auffaingkammer Mittel zur

. Absaugung der Luft und/oder Zuführung eines inerten Gases vorgesehen sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen