CH373187A - Process for the production of niobium, tantalum and tungsten - Google Patents

Process for the production of niobium, tantalum and tungsten

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CH373187A
CH373187A CH5261257A CH5261257A CH373187A CH 373187 A CH373187 A CH 373187A CH 5261257 A CH5261257 A CH 5261257A CH 5261257 A CH5261257 A CH 5261257A CH 373187 A CH373187 A CH 373187A
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CH
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niobium
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metal
hydrogen
reactor
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CH5261257A
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German (de)
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Atkinson Jenkins Wilmer
Wayne Jacobson Howard
Original Assignee
Du Pont
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22B34/00Obtaining refractory metals
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Description

  

      Verfahren    zur Herstellung von     Niob,        Tantal    und     Wolfram       Die vorliegende     Erfindung    bezieht sich auf ein  Verfahren zur Herstellung von     Niob,        Tantal    und  Wolfram durch Reduktion der Chloride dieser Me  talle mit Wasserstoff.  



  Die Herstellung von     Niob    durch Reaktion eines  seiner     Halogenide,    wie     Niobpentachlorid,    mit Was=       serstoff,    ist bereits bekannt. So ist in der     US-Patent-          schrift    Nr. 2 604 395 die Reduktion von     Niobpenta-          chlorid    mit Wasserstoff     durch    Ablagerung eines fest  haftenden metallischen     LUberzuges    auf einem Grund  körper aus verschiedenen     Metallen    beschrieben.  



  Das genannte Verfahren sowie andere bekannte  Verfahren dienen beispielsweise zur Oberflächenver  edelung von Werkstücken. Diese Verfahren sind je  doch zur Aufbereitung und     Reinmetalldarstellung     nicht geeignet und gestatten weder grössere Mengen  zu produzieren, noch ist eine kontinuierliche Produk  tion möglich.  



  Das Verfahren gemäss der     Erfindung    ist dadurch  gekennzeichnet, dass man bei erhöhter Temperatur  Wasserstoff und     Niob-,        Tantal-    oder     Wolframchlorid     in gasförmigem Zustand in der Weise durch ein Bett  fein     verteilter,    fester Partikel aus dem herzustellenden  Metall oder aus dem Hydrid des herzustellenden  Metalls leitet, dass die Partikel im Reaktionsraum  aufgewirbelt werden, wobei sich auf den genannten  Partikeln das reduzierte Metall ablagert.  



       Zweckmässigerweise    liegt das     Molverhältnis    von  Wasserstoff zu Metallchlorid für     Niob    zwischen  80: 1 und 225: 1, für     Tantal    zwischen<B>100:</B> 1 und  225 : 1 und für Wolfram zwischen 3 : 1 und 50:1.  Die Temperatur kann zwischen 675 und 1200  C lie  gen. Ein Temperaturbereich von etwa 700 bis etwa  950  C ist vorteilhaft. Durch einen Gasstrom auf  gewirbelte     feindisperse    Metallpulver weisen beson  dere Eigenschaften auf, welche bei den     in    neuerer  Zeit entwickelten     Wirbelschichtverfahren,    besonders    auf dem Gebiet der Pulvermetallurgie, ausgenützt  werden.  



  Eine zur kontinuierlichen Herstellung von     Niob,     Tattal oder Wolfram von hoher Qualität geeignete  Apparatur ist in der Zeichnung im     Schnitt    dargestellt.  



  Da sich die in gasförmigem Zustand befindlichen  Metallchloride der genannten Metalle     bekanntlich    bei  Temperaturen über 450  C zu zersetzen beginnen,  werden diese vorzugsweise vor der Einleitung nur bis  zu einer Temperatur unter 450  C erhitzt.  



  In der Figur ist ein vertikal angeordnetes zylin  drisches oder rohrförmiges Reaktionsgefäss 1 dar  gestellt, das aus reinem Silizium,     Niob,         Vycor -Glas     (eingetragene Marke),     niobüberzogenem        Metall    oder  einem andern geeigneten Material besteht, welches  mit den Reaktionsteilnehmern unter den herrschen  den Bedingungen nicht reagiert.

   Der Einlass 2 und die  Auslässe 3 und 4 können am     Reaktionsgefäss    vor  gesehen sein, und eine elektrische oder andere     Heiz-          einrichtung    (nicht dargestellt) kann mit dem Reaktor  zur äusseren     Beheizung    und Erhaltung einer ge  wünschten     Temperatur    im Reaktor verbunden sein.  Ein durchbrochenes Gitter oder poröses Filter 5 aus  einem Material, das gegen     die    in den Reaktor ein  geführten Gase unempfindlich ist, ist im Boden     bzw.     im unteren Teil des Reaktors angeordnet (vgl. unten).  Eine ventilgesteuerte Leitung 6 ist im Boden des  Reaktors eingelassen und verbindet diesen mit einem  Generator bzw.

   Verdampfer 7, aus welchem das  verwendete Metallchlorid zum Reaktor geführt wird.  Der Generator 7 kann ebenfalls von einer elektri  schen oder anderen Heizeinrichtung (nicht dargestellt)  umgeben oder mit dieser verbunden sein, welche den  Generator auf der gewünschten Temperatur hält und  die Verdampfung oder Vergasung der Metallchloride  8 bewirkt, welche aus einer nicht dargestellten Speise  quelle durch die Leitung 9 in den Generator ein-      geführt werden.     Durch    diese Leitung kann gegebe  nenfalls auch ein     inertes    Gas eingeführt werden, das       zur    Unterstützung des Transportes des verdampften  Chlorids in den Reaktor dient. Eine ventilgesteuerte  Leitung 10 ist an die Leitung 6 angeschlossen, durch  welche Wasserstoff in beliebiger Menge zugeführt  werden kann.

   An die Leitung 6 ist ferner eine ventil  gesteuerte Leitung 11 angeschlossen, durch die dem  Reduktionsgas     Wasserstoff,    ein     inertes    Gas, wie  Argon, Helium usw., beigemischt werden kann, um       den        Verflüssigung        .,s-        oder        Verflüchtigungsvorgang        in     der Kammer 1 zu     unterstützen.     



  In der dargestellten Apparatur wird z. B. eine  ausreichende Menge von hochgereinigtem, pulver  förmigem oder gemahlenem     Niob    in- einer Korngrösse  von beispielsweise weniger     als    0,177 mm und     mehr     als 0,074 mm als Anfangscharge durch den Einlass 2  zum Boden des Reaktors 1 eingeführt, wo sie auf  dem Filterkörper 5 ruht.

       Mange,    Korngrösse und       Kornverteilung    des so eingeführten     Niobs    ist zweck  mässigerweise so bemessen, dass bei Einstellung des  Zustromes des die     Verwirbelung    verursachenden  Gases entsprechend des gewünschten Reaktionsablau  fes ein Bett mit     annähernd    verdoppeltem Volumen  im Reaktor gebildet und aufrechterhalten wird.

    Nach der Einführung dieser     feind'ispersen        Niob-          teilchen    wird ein kontinuierlicher Strom von reinem  Wasserstoff mit einer linearen Geschwindigkeit von  etwa 13     cm!sek        durch    die Leitungen 10 und 6 in den  Behälter 1 ein- und durch den Filterkörper 5 ge  führt. Die     feindispersen        Niobteilchen    werden in der  Kammer in der Weise aufgewirbelt, dass der von den  bewegten Partikeln eingenommene Raum 12 etwa  das Zweifache des     Schüttvolumens    des     feindispersen     Metallpulvers ausmacht.  



       Falls    gewünscht, kann ein     inertes    Gas aus der  Leitung 11 mit Wasserstoff gemischt und mit diesem  dem Reaktor zugeführt werden. Die Reaktionskam  mer wird nun von aussen durch die genannten     Behei-          zungsmittel    auf     etwa    800  C erhitzt, oder ein Teil der  für die Reaktion erforderlichen Hitze kann     gewünsch-          tenfalls    durch Vorwärmen des Wasserstoffes oder der  Mischung von Wasserstoff und dem     änerten    Gas auf  eine geeignete Temperatur     erhalten    werden, bevor das  selbe in den Reaktor geführt wird.

   Wenn die ge  wünschte Reaktionstemperatur erreicht worden ist,  welche z. B. etwa 750 bis 950  C beträgt, wird der  Gaszustrom fortgesetzt, um die     feindispersen    Partikel  in turbulenter Bewegung zu halten, und die Zufuhr  des gasförmigen     Niobchlorids    aus dem Generator 7  durch Leitung 6 beginnt, wobei dieses mittels eines       inerten    Gases in den Reaktor eingetragen wird, wel  ches durch Leitung 9 oder durch einen Anteil des  für die Reaktion erforderlichen Wasserstoffgases in  die Anlage     eingeführt    wird. Andernfalls kann es  durch seinen eigenen Gasdruck in den Reaktor ein  geführt werden.

   Das     Molverhältnis    von Wasserstoff  zu     Niobpentachlorid    wird mit Vorteil konstant und  relativ hoch gehalten, nämlich zwischen 80 : 1 und  225: 1, um optimale Resultate zu erzielen. Dies    entspricht einem beträchtlichen     Wasserstoffüber-          schuss    in bezug auf die     stöchiometrische    Menge. Die  Reduktion von     Niobchlorid    erfolgt nach der Gleichung  
EMI0002.0049     
  
    2NbC15+5H.@--> <SEP> lOHC1+2Nb       Das bei der Reduktion von     Niobpentachlorid    ent  stehende     Niobmetall    wird auf den feinverteilten Par  tikeln niedergeschlagen.

   Infolgedessen nimmt deren  Grösse zu, und wenn sie auf eine Grösse von mehr  als 0,42 und weniger als 0,84 mm angewachsen sind,  bleiben die     Niobteilchen    unter den oben geschilderten  Reaktionsbedingungen nicht mehr länger im Schwebe  zustand und können durch den     Auslass    4 kontinuier  lich     abgeführt    werden. Infolge seines hohen Schmelz  punktes, seiner Widerstandsfähigkeit gegen chemische  Korrosion, seiner Beständigkeit bei hohen Tempera  turen und seiner Zähigkeit eignet sich     Niob    für viele  technische Zwecke und insbesondere zur Herstellung       hochtemperaturbeständiger    Legierungen.

   Der nicht  umgesetzte Wasserstoff sowie die Reaktionsneben  produkte können durch den     Auslass    3 mit Hilfe eines  Kondensators,     Separators    oder einer andern geeig  neten Rückgewinnungseinrichtung (nicht dargestellt)  abgezogen werden.  



  Bei     Abführung    der grobkörnigen     Niobteilchen          durch    den     Auslass    4 können auch einige kleinere       Niobteilchen    mitgerissen werden. Diese können durch  Sieben zurückgewonnen und wiederverwendet wer  den. Wenn man ausserdem mehrmals     feindisperses     Metallpulver in die Reaktionskammer gibt, kann auf  diese Weise der Betrieb kontinuierlich gestaltet wer  den.

   Die im unteren Teil der Kammer     intermittierend     oder kontinuierlich abgezogenen grobkörnigen Par  tikel weisen vorwiegend eine Grösse von 0,42 bis  0,84 mm auf, während die     feindispersen    Teilchen eine  Grösse von mehr als 0,074 mm und weniger als  0,177 mm besitzen.  



  <I>Beispiel 1</I>  75g     Niobpulver    mit einer Korngrösse von weniger  als 0,177     mm    mit etwa 25 % der Körner in einer  Grösse von weniger als 0,125 mm wurden in einen  Reaktionszylinder aus      Vycor     (Markenprodukt) ein  geführt, der einen Innendurchmesser von 22 mm be  sass und mit einem porösen Filter versehen war, das  die     Niobteilchen    im Zylinder zurückhielt. Der Zylin  der war von einer Heizung umgeben, durch die er von  aussen auf die gewünschte Temperatur geheizt wer  den konnte.

   Die     Niobteilchen    wurden in einen Raum  geblasen, der dem zweifachen Schüttvolumen des       Niobpulvers    entsprach, und zwar mittels eines durch  den Zylinder aufwärtsfliessenden Stromes einer  Mischung von 1,8 l min Wasserstoff und 30 ml; min  Argon. Nach der Einführung des Gasgemisches  wurde die Temperatur der Heizung auf 850  C er  höht. 35,5g     Niobpentachlorid    wurden in einem sepa  raten Gefäss bei 255  C verflüchtigt und durch einen       Argonstrom    mit einer Geschwindigkeit von 8     m1,\min     in den Reaktionszylinder     geführt.    Das     Molverhältnis     von Wasserstoff zu     Niobpentachlorid    betrug 135 : 1.

    Der Reaktionsvorgang wurde so lange aufrechterhal-           ten,    bis nach 32/3 Stunden alles     Niobpentachlorid    im  separaten Behälter verflüchtigt und in das Reaktions  gefäss getragen war. Das Bett wurde dann mit Argon  gekühlt. Das Gewicht des Bettes betrug nun 85,15 g  und zeigte damit eine Zunahme von 10,15 g gegen  über dem ursprünglichen Gewicht. Dies entspricht  einer     841/eigen    Ausbeute, bezogen auf das     Niob    im  verdampften     Niobpentachlorid.     



  Die Siebanalyse von Ausgangsmaterial und End  produkt zeigte, dass 18,75 g des Ausgangsmaterials  eine Korngrösse weniger als 0,125 mm     aufwies,    wäh  rend nach der Reaktion nur 13,85 g dieser Korngrösse  entsprachen. Das erzeugte     Niob    war sehr     rein.       <I>Beispiel 2</I>  In einem     22-mm-Zylinder    aus     Siliciumdioxyd,     der mit einer Heizung umgeben war, wurden 75 g       feindisperses        Niobpulver        durch    den aufwärtsfliessen  den Gasstrom einer Mischung von 1,4 l min Wasser  stoff und 40     ml'min    Argon (letztere Volumen bei  Raumtemperatur gemessen), aufgewirbelt.

   Die Gas  mischung wurde vor ihrer Einführung in die Reak  tionskammer auf 1000  C vorgewärmt. Die Tempera  tur wurde während der Reaktion durch die Aussen  heizung des Reaktors auf 900  C gehalten. Das     Mol-          verhältnis    von Wasserstoff zu     Niobpentachlorid    be  trug 172: 1.  



  In einem separaten, von aussen geheizten Behälter  wurden bei 250 C 85,08g     Niobpentachlorid    ver  flüchtigt und durch einen Strom von 10     ml/min     Argon in den Reaktor eingetragen. Nach 42/3 Stun  den Reaktionszeit hatte sich alles     Niobpentachlorid     verflüchtigt, und das Bett wurde durch einen Argon  strom gekühlt.

   Das Gewicht des gekühlten Bettes be  trug 82,56 g, was einer Gewichtszunahme von 7,56 g       und        einer        Ablagerung        von        88        %        des        Niobs        aus        dem          Niobpentachlorid    entspricht.  



  Die Siebanalyse zeigte, dass nur 4,95 g der so  erhaltenen     Niobpartikel    eine Korngrösse von weniger  als 0,074 mm aufweisen, während im Ausgangs  material 11,6 g eine Korngrösse von weniger als  0,074 mm besassen.  



  <I>Beispiel 3</I>  75g     Tantalmetallpulver    mit einer Korngrösse von       weniger        als        0,125        mm,        wobei        18        %        der        Partikel        klei-          ner    als 0,074 mm waren, wurden in einem     22-mm-          Si02Zylinder    mit einem Filterkissen aus     Si02    Wolle  mittels eines Gasstromes von 1,2 I .'min     Wasserstoff     und 35 ml ;'min Argon aufgewirbelt.

   Die Temperatur  wurde auf 900 C erhöht. In einem separaten, aussen  geheizten Behälter wurden 32,15 g     TaC15    bei 250  C  verflüchtigt und durch einen     Argonstrom    von  15 m'1 min in den Reaktor geleitet.  



  Nach einer Reaktionsdauer von     41,@    Stunden  war alles     TaC15    verflüchtigt. Die Siebanalyse ergab  folgende Werte:  Vor der Reaktion:  13,55 g kleiner als 0,074 mm.  Nach der Reaktion:  6,50 g kleiner als 0,074     mm.            Die        Tantalausbeute        entsprach        70        %,        bezogen        auf     das     Tantal    aus dem     TaC15.     



  <I>Beispiel 4</I>  75g     Wolframmetallteilchen    mit einer Körnung,  die ein Sieb mit 1700     Maschen''cm2    passierte, wobei       30%        der        Körner        ein        Sieb        mit        3140        Maschen/cm2     passierte, wurden in einem     22-mm- Vycor -Zylinder     durch einen Strom von 1,8     1,1min    Wasserstoff und  40 ml ,'min Argon aufgewirbelt. Die Temperatur des  Bettes wurde auf 875 C erhöht.

   In einem separaten,  von aussen geheizten Behälter wurden 34,6 g     WCIE     bei 347 C verdampft und durch einen     Argonstrom     von 10     mllmin    in den Reaktor geführt. Nach einer  Reaktionszeit von 3     Stunden    hatten sich 13,2 g       Wolframmetall    am Material des ursprünglichen Bettes  abgelagert.

   Die Siebanalyse ergab folgende Werte:  Vor der Reaktion:  22,5 g passieren     ein    Sieb mit 3140     Maschen/cm2.     Nach der Reaktion:  12,5 g passieren ein Sieb mit 3140     Maschen/cm2.     Die Ausbeute von Wolfram, berechnet auf die       dampfförmige        Verbindung        betrug        82%,.        Das        Mol-          verhältnis    von     Wasserstoff    zu     WCIO    lag bei diesem  Beispiel     zwischen    3 : 1 und<B>50:</B> 1.  



  <I>Beispiel S</I>  In einem zylindrischen Reaktor von 45,7 cm  Durchmesser und 27,45 cm Höhe mit konischem  Bodenstück und mit Einlass- und     Auslassleitungen    für  einen kontinuierlichen Betrieb, wurde auf 1000  C  vorgewärmtem Wasserstoff durch eine Mehrzahl von  Öffnungen aufwärts eingeführt, die sich nahe dem  konischen Bodenstück des Reaktors befanden. Im  Reaktor befand( sich ein Bett aus fein zerteilten     Nio'b-          teilchen,    die im Reaktor durch einen Träger aus       Si02    Wolle gehalten wurden. Das     Niobpulver    wies  Korngrössen von mehr als 0,074 bis weniger als  0,177 mm auf, und das     Schüttvolumen    desselben  nahm etwa ein Drittel des Reaktorinhaltes ein.

   Der  Wasserstoff wurde mit einer Geschwindigkeit von  36,35 cm/sek eingeführt; um die     Niobteilchen    im  Zustande turbulenter     Verwirbelung    zu erhalten. Dies  entspricht einem Verhältnis von 120     Mol    Wasser  stoff auf 1     Mol        Niobpentachlorid.    Die Temperatur  des Bettes betrug 800  C. Das     Niobpentachlorid     wurde in einem separaten, von aussen geheizten Be  hälter mit einer konstanten Geschwindigkeit von  0,35     Mol/min    verdampft und in den Reaktor ein  getragen, indem Argon über die     Oberfläche    des  dampfenden     Niobpentachlorids    geführt wurde.

   Durch  weitere Zugabe     feindispersen    Metallpulvers waren  stets ungefähr 56,8 kg     Niöbteilchen    der oben an  gegebenen Korngrösse im Reaktionsraum vorhanden,  während     intermittierend    ein Teil der grobkörnigen  Teilchen abgeführt wurde, die durch     die    Ablagerung  des durch Reduktion entstandenen     Niobs    an den sus  pendierten Teilchen     gebildet    worden waren.

   Die ab  geführten     Teilchen    wurden sortiert und die feinste      Fraktion wieder in den Reaktionsraum     zurückgeführt.     Die grobkörnigen Teilchen mit Teilchengrössen von  weniger als 0,84 mm und mehr als 0,42 mm fielen  in einer Menge von 1,725 kg pro Stunde an, was  einer Ausbeute von etwa     900/ü"    bezogen auf das in  die Anlage eingeführte     Niobpentachlorid    entspricht.  Der Reaktionsraum wurde mittels Wärmezufuhr  durch die     Reaktorwand    auf einer Temperatur von  etwa 800 C gehalten.

   Der nicht umgesetzte Wasser  stoff und die bei der Reaktion entstandenen Neben  produkte wurden aus dem Reaktor abgeführt und  durch einen Kühler und einen Gasreiniger geführt,  wodurch der nicht umgesetzte Wasserstoff von den  Nebenprodukten befreit und der Anlage wieder zu  geführt werden konnte. Das gewonnene     Niob    war  von ausserordentlich hoher Reinheit und als Legie  rungsbestandteil zur Erzeugung     hochtemperatur-    und  oxydationsbeständiger     Legierungen    sehr geeignet.  



  Als Ausgangsstoffe geeignet sind unter anderem       NbCh.        TaCIS,    und     WCIE.     



  Bei der Reduktion von     Niobpentachlorid    kann  man z. B. ein     Molverhältnis        H2;NbC15    von 120 an  wenden. Wenn     Molverhältnisse    im     untern    Teil des  angegebenen Bereiches angewendet werden, muss ge  nügend     inertes    flüchtiges Gas     mitverwendet    werden,  um eine wirksame     Verwirbelung    der Metallteilchen  zu gewährleisten.  



  Die Verdampfung der Metallchloride wird zweck  mässig in einem separaten geschlossenen Reaktions  gefäss ausgeführt, das mit dem Hauptreaktor verbun  den ist. Das Chlorid kann darin aufgeheizt und direkt  in das Reaktionsgefäss eingetrieben werden. Das  Chlorid wird vorzugsweise bei Temperaturen unter  450  C verdampft. Falls     gewünscht,    kann es in den  Strom aus Wasserstoff oder     inertem    Gas niedriger  Temperatur hineingeleitet werden, der in den Reaktor  geführt wird.

   Die Verdampfung des Metallchlorids  kann auch dadurch bewirkt werden, dass ein kleiner  Strom Argon hoher Temperatur durch den Dampf  raum des Verdampfers     geführt    wird, wobei die Tem  peratur des     Metallchloriddampfes        vorzugsweise        450-     C  nicht übersteigen soll.  



  Die Tiefe des Umsetzungsraumes 12 im Reaktor  kann ebenfalls variiert werden. Sie kann z. B. etwa  12,5 bis 20 cm betragen, wobei die Höhe der ruhen  den Schüttun g etwa 5 bis 10 cm beträgt, und die  lineare Geschwindigkeit des Wasserstoffes beispiels  weise 21 bis 36 cm./sek betragen soll. Für eine     Um-          setzung    in grösserem Massstab kann ein wesentlich  tieferer Raum und eine wesentlich grössere Gas  geschwindigkeit angewendet werden. Wenn ein feuer  fester     rohrförmiger    Reaktor verwendet werden soll,  kann er mit Vorteil aus     Siliciumdioxyd    bestehen.

    Dieses Material kann in sehr reiner Form verwendet  werden, so dass eine     Verunreinigung    des metallischen  Produktes auch in Spurenmengen     vermieden    wird.  Man kann jedoch auch Reaktoren aus rostfreiem  Stahl verwenden.  



  Durchmesser und Länge des Reaktors können der  jeweils gewünschten Produktionsmenge und Gas-         geschwindigkeit        angepasst    werden. Vorteilhaft wird  der Gesamtinhalt des Reaktionsgefässes bis zu dreimal  der Höhe des vom aufgewirbelten Metallpulver ein  genommenen Raumes 12 gewählt, um ein un  erwünschtes Überlaufen des Feststoffes zu vermeiden  und einen besseren Abzug des Endproduktes zu er  möglichen. Der Reaktor wird vorzugsweise durch  elektrische Widerstandsheizung beheizt. Der Wasser  stoff kann vor seiner Einführung in den Reaktor bis  nahezu an oder über die beabsichtigte Reaktions  temperatur vorgewärmt werden, so dass nur wenig  oder gar keine zusätzliche     Wärme    durch die Wände  des Reaktors zugeführt werden muss.  



  Das Filter oder Träger 5 im unteren Teil des  Reaktors unterhalb der Reaktionszone kann zur Ver  teilung der gasförmigen Reaktionsteilnehmer benützt  werden, welche in diese Zone eingebracht werden sol  len. Wie erwähnt, kann dazu ein Kissen oder eine  Schicht aus     Siliciumdioxyd-Wolle    oder einem ähn  lichen nicht reaktiven porösen Material verwendet  werden, das im Innern des Reaktors mittels eines  geeigneten Halteorgans festgehalten wird. Für grössere  Anlagen kann man auch poröse Platten oder andere  geeignete Verteiler verwenden.  



  Die als Ausgangsmaterial oder Kerne für die Ab  lagerung dienenden     feindispersen    Metallteilchen kön  nen unter anderem dadurch hergestellt werden, dass  reine Metallpartikel vorhergehender Umsetzungspro  zesse zerkleinert und gesiebt werden. Bei kontinuier  lichem Betrieb kann das Bett durch     Zuführung    von       feindispersen        Metallpartikeln    über eine geeignete Ein  fuhrleitung in den Reaktor durch Trockenförderer  oder dergleichen entsprechend der Menge des ab  gezogenen Gutes ergänzt werden.

   Das grobkörnige  Material kann vorzugsweise durch eine geeignete,  mit Ventil versehene     Auslassleitung,    die etwa auf der  Höhe des  Bodens  angeordnet sein kann, durch  Absaugen oder anderweitig     herausbefördert    werden.  Die Teilchen können auch mit Hilfe der Schwerkraft  entfernt werden.



      Process for the production of niobium, tantalum and tungsten The present invention relates to a process for the production of niobium, tantalum and tungsten by reducing the chlorides of these metals with hydrogen.



  The production of niobium by reacting one of its halides, such as niobium pentachloride, with hydrogen is already known. For example, US Pat. No. 2,604,395 describes the reduction of niobium pentachloride with hydrogen by the deposition of a firmly adhering metallic L coating on a base made of various metals.



  The aforementioned method and other known methods are used, for example, for the surface finishing of workpieces. However, these processes are unsuitable for processing and pure metal production and neither allow large quantities to be produced, nor is continuous production possible.



  The process according to the invention is characterized in that hydrogen and niobium, tantalum or tungsten chloride in the gaseous state are passed through a bed of finely divided, solid particles from the metal to be produced or from the hydride of the metal to be produced at an elevated temperature, that the particles are whirled up in the reaction space, the reduced metal being deposited on the particles mentioned.



       The molar ratio of hydrogen to metal chloride for niobium is expediently between 80: 1 and 225: 1, for tantalum between <B> 100: </B> 1 and 225: 1 and for tungsten between 3: 1 and 50: 1. The temperature can lie between 675 and 1200 C. A temperature range of about 700 to about 950 C is advantageous. A flow of gas onto fluidized, finely dispersed metal powders have special properties which are used in the fluidized bed processes developed recently, particularly in the field of powder metallurgy.



  An apparatus suitable for the continuous production of niobium, tattal or tungsten of high quality is shown in section in the drawing.



  Since the metal chlorides of the metals mentioned, which are in the gaseous state, begin to decompose at temperatures above 450 ° C., they are preferably only heated to a temperature below 450 ° C. before being introduced.



  In the figure, a vertically arranged cylin drical or tubular reaction vessel 1 is provided, which consists of pure silicon, niobium, Vycor glass (registered trademark), niobium-coated metal or another suitable material that does not exist with the reactants under the conditions responds.

   The inlet 2 and the outlets 3 and 4 can be provided on the reaction vessel, and an electrical or other heating device (not shown) can be connected to the reactor for external heating and maintaining a desired temperature in the reactor. A perforated grid or porous filter 5 made of a material that is insensitive to the gases introduced into the reactor is arranged in the bottom or in the lower part of the reactor (see below). A valve-controlled line 6 is let into the bottom of the reactor and connects it to a generator or

   Evaporator 7, from which the metal chloride used is fed to the reactor. The generator 7 can also be surrounded by an electrical or other heating device (not shown) or connected to it, which keeps the generator at the desired temperature and causes the evaporation or gasification of the metal chlorides 8, which source from a not shown food source through the Line 9 are introduced into the generator. An inert gas can optionally also be introduced through this line, which gas serves to support the transport of the vaporized chloride into the reactor. A valve-controlled line 10 is connected to the line 6, through which hydrogen can be supplied in any amount.

   A valve-controlled line 11 is also connected to line 6, through which hydrogen, an inert gas such as argon, helium, etc., can be admixed with the reducing gas in order to support the liquefaction, s or volatilization process in chamber 1.



  In the apparatus shown, for. B. a sufficient amount of highly purified, powdered or ground niobium in a grain size of, for example, less than 0.177 mm and more than 0.074 mm as the initial charge through the inlet 2 to the bottom of the reactor 1, where it rests on the filter body 5.

       The quantity, grain size and grain distribution of the niobium introduced in this way is expediently dimensioned in such a way that when the inflow of the gas causing the turbulence is adjusted according to the desired reaction process, a bed with an approximately doubled volume is formed and maintained in the reactor.

    After these finely dispersed niobium particles have been introduced, a continuous stream of pure hydrogen is introduced at a linear velocity of about 13 cm / sec through the lines 10 and 6 into the container 1 and through the filter body 5. The finely dispersed niobium particles are whirled up in the chamber in such a way that the space 12 occupied by the moving particles is approximately twice the bulk volume of the finely dispersed metal powder.



       If desired, an inert gas from line 11 can be mixed with hydrogen and fed to the reactor with this. The reaction chamber is now heated from the outside to about 800 ° C. by the heating means mentioned, or part of the heat required for the reaction can, if desired, be obtained by preheating the hydrogen or the mixture of hydrogen and the changed gas to a suitable temperature before the same is fed into the reactor.

   When the ge desired reaction temperature has been reached, which z. B. is about 750 to 950 C, the gas flow is continued in order to keep the finely dispersed particles in turbulent motion, and the supply of gaseous niobium chloride from the generator 7 through line 6 begins, this being introduced into the reactor by means of an inert gas , wel Ches is introduced into the plant through line 9 or by a portion of the hydrogen gas required for the reaction. Otherwise it can be introduced into the reactor by its own gas pressure.

   The molar ratio of hydrogen to niobium pentachloride is advantageously kept constant and relatively high, namely between 80: 1 and 225: 1, in order to achieve optimal results. This corresponds to a considerable excess of hydrogen in relation to the stoichiometric amount. The reduction of niobium chloride takes place according to the equation
EMI0002.0049
  
    2NbC15 + 5H. @ -> <SEP> lOHC1 + 2Nb The niobium metal formed during the reduction of niobium pentachloride is deposited on the finely divided particles.

   As a result, their size increases, and when they have grown to a size of more than 0.42 and less than 0.84 mm, the niobium particles no longer remain in suspension under the reaction conditions described above and can pass through the outlet 4 continuously be discharged. Due to its high melting point, its resistance to chemical corrosion, its resistance to high temperatures and its toughness, niobium is suitable for many technical purposes and in particular for the production of high-temperature-resistant alloys.

   The unconverted hydrogen and the by-products of the reaction can be withdrawn through outlet 3 with the aid of a condenser, separator or other suitable recovery device (not shown).



  When the coarse-grained niobium particles are discharged through the outlet 4, some smaller niobium particles can also be entrained. These can be recovered by sieving and reused. If you also put finely divided metal powder into the reaction chamber several times, the operation can be designed continuously in this way.

   The coarse particles withdrawn intermittently or continuously in the lower part of the chamber are predominantly from 0.42 to 0.84 mm in size, while the finely dispersed particles have a size of more than 0.074 mm and less than 0.177 mm.



  <I> Example 1 </I> 75g niobium powder with a grain size of less than 0.177 mm with about 25% of the grains in a size of less than 0.125 mm were introduced into a reaction cylinder made of Vycor (branded product), which has an inner diameter of 22 It was fitted with a porous filter to hold back the niobium particles in the cylinder. The cylinder was surrounded by a heater that could be used to heat it to the desired temperature from the outside.

   The niobium particles were blown into a space which corresponded to twice the bulk volume of the niobium powder by means of an upwardly flowing stream of a mixture of 1.8 liters of hydrogen and 30 ml; min argon. After the introduction of the gas mixture, the temperature of the heater was increased to 850 C. 35.5 g of niobium pentachloride were volatilized in a separate vessel at 255 ° C. and passed into the reaction cylinder through a stream of argon at a rate of 8 ml. The molar ratio of hydrogen to niobium pentachloride was 135: 1.

    The reaction process was maintained until after 32/3 hours all of the niobium pentachloride in the separate container had evaporated and carried into the reaction vessel. The bed was then cooled with argon. The weight of the bed was now 85.15 g, an increase of 10.15 g compared to the original weight. This corresponds to an 841 / own yield, based on the niobium in the evaporated niobium pentachloride.



  The sieve analysis of the starting material and the end product showed that 18.75 g of the starting material had a particle size of less than 0.125 mm, while after the reaction only 13.85 g of this particle size corresponded. The niobium produced was very pure. <I> Example 2 </I> In a 22 mm cylinder made of silicon dioxide, which was surrounded by a heater, 75 g of finely dispersed niobium powder were put through the upward flow of a gas stream of a mixture of 1.4 l of hydrogen and 40 ml. min argon (the latter volume measured at room temperature), whirled up.

   The gas mixture was preheated to 1000 C before it was introduced into the reaction chamber. The temperature was kept at 900 C during the reaction by the external heating of the reactor. The molar ratio of hydrogen to niobium pentachloride was 172: 1.



  In a separate, externally heated container, 85.08 g of niobium pentachloride were volatilized at 250 ° C. and introduced into the reactor by a stream of 10 ml / min argon. After a reaction time of 42/3 hours, all of the niobium pentachloride had evaporated and the bed was cooled by a stream of argon.

   The weight of the cooled bed was 82.56 g, which corresponds to a weight increase of 7.56 g and a deposition of 88% of the niobium from the niobium pentachloride.



  The sieve analysis showed that only 4.95 g of the niobium particles obtained in this way had a grain size of less than 0.074 mm, while 11.6 g of the starting material had a grain size of less than 0.074 mm.



  <I> Example 3 </I> 75 g of tantalum metal powder with a grain size of less than 0.125 mm, with 18% of the particles being smaller than 0.074 mm, were in a 22 mm SiO 2 cylinder with a filter pad made of SiO 2 wool by means of a gas flow of 1.2 liters of hydrogen and 35 ml; of argon.

   The temperature was increased to 900 ° C. In a separate, externally heated container, 32.15 g of TaC15 were volatilized at 250 ° C. and passed into the reactor through an argon stream of 15 m −1 min.



  After a reaction time of 41.4 hours, all of the TaC15 had evaporated. The sieve analysis gave the following values: Before the reaction: 13.55 g less than 0.074 mm. After the reaction: 6.50 g smaller than 0.074 mm. The tantalum yield corresponded to 70%, based on the tantalum from the TaC15.



  <I> Example 4 </I> 75g of tungsten metal particles with a grain size that passed a sieve with 1700 mesh "cm2, with 30% of the grains passing through a sieve with 3140 mesh / cm2, were in a 22 mm Vycor cylinder whirled up by a stream of 1.8, 1.1 min hydrogen and 40 ml, min argon. The temperature of the bed was increased to 875 ° C.

   In a separate, externally heated container, 34.6 g of WCIE were evaporated at 347 ° C. and passed into the reactor through an argon stream of 10 ml / min. After a reaction time of 3 hours, 13.2 g of tungsten metal had deposited on the material of the original bed.

   The sieve analysis gave the following values: Before the reaction: 22.5 g passed a sieve with 3140 mesh / cm2. After the reaction: 12.5 g pass through a 3140 mesh / cm2 sieve. The yield of tungsten, calculated on the vaporous compound, was 82%. The molar ratio of hydrogen to WCIO in this example was between 3: 1 and <B> 50: </B> 1.



  <I> Example S </I> In a cylindrical reactor 45.7 cm in diameter and 27.45 cm high with a conical bottom piece and with inlet and outlet lines for continuous operation, hydrogen, preheated to 1000 C, was passed through a plurality of openings upwards which were located near the conical bottom piece of the reactor. The reactor contained a bed of finely divided NiO particles, which were held in the reactor by a carrier made of SiO 2 wool. The niobium powder had grain sizes of more than 0.074 to less than 0.177 mm, and the bulk volume of the same took up about Third of the reactor content.

   The hydrogen was introduced at a rate of 36.35 cm / sec; to keep the niobium particles in a turbulent state. This corresponds to a ratio of 120 mol of hydrogen to 1 mol of niobium pentachloride. The temperature of the bed was 800 C. The niobium pentachloride was evaporated in a separate, externally heated container at a constant rate of 0.35 mol / min and introduced into the reactor by passing argon over the surface of the steaming niobium pentachloride.

   By adding more finely divided metal powder, approximately 56.8 kg of niobium particles of the grain size given above were always present in the reaction chamber, while part of the coarse-grained particles that had been formed by the deposition of the niobium resulting from reduction on the suspended particles were removed intermittently.

   The removed particles were sorted and the finest fraction was returned to the reaction chamber. The coarse-grained particles with particle sizes of less than 0.84 mm and more than 0.42 mm were obtained in an amount of 1.725 kg per hour, which corresponds to a yield of about 900 / g based on the niobium pentachloride introduced into the plant The reaction space was kept at a temperature of about 800 ° C. by supplying heat through the reactor wall.

   The unconverted hydrogen and the by-products formed during the reaction were removed from the reactor and passed through a cooler and a gas cleaner, whereby the unconverted hydrogen could be freed from the by-products and fed back into the plant. The niobium obtained was of extremely high purity and, as an alloy component, was very suitable for the production of high-temperature and oxidation-resistant alloys.



  Suitable starting materials include NbCh. TaCIS, and WCIE.



  In the reduction of niobium pentachloride you can, for. B. a molar ratio H2; NbC15 of 120 apply. If molar ratios in the lower part of the specified range are used, sufficient inert volatile gas must also be used to ensure effective fluidization of the metal particles.



  The evaporation of the metal chlorides is expediently carried out in a separate closed reaction vessel that is connected to the main reactor. The chloride can be heated up and driven directly into the reaction vessel. The chloride is preferably evaporated at temperatures below 450C. If desired, it can be introduced into the stream of hydrogen or low temperature inert gas which is fed into the reactor.

   The evaporation of the metal chloride can also be brought about by passing a small stream of high-temperature argon through the vapor space of the evaporator, the temperature of the metal chloride vapor preferably not exceeding 450.degree.



  The depth of the reaction space 12 in the reactor can also be varied. You can z. B. be about 12.5 to 20 cm, the height of the resting the Schüttun g is about 5 to 10 cm, and the linear velocity of the hydrogen, for example, should be 21 to 36 cm./sec. For implementation on a larger scale, a much deeper space and a much greater gas velocity can be used. If a refractory tubular reactor is to be used, it can advantageously be made of silicon dioxide.

    This material can be used in a very pure form, so that contamination of the metallic product, even in trace amounts, is avoided. However, stainless steel reactors can also be used.



  The diameter and length of the reactor can be adapted to the required production volume and gas velocity. The total content of the reaction vessel is advantageously chosen up to three times the height of the space 12 taken by the whirled up metal powder in order to avoid an undesired overflow of the solid and to allow a better withdrawal of the end product. The reactor is preferably heated by electrical resistance heating. Before it is introduced into the reactor, the hydrogen can be preheated to almost or above the intended reaction temperature, so that little or no additional heat has to be supplied through the walls of the reactor.



  The filter or carrier 5 in the lower part of the reactor below the reaction zone can be used to distribute the gaseous reactants that are introduced into this zone. As mentioned, a cushion or a layer of silicon dioxide wool or a similar non-reactive porous material can be used for this purpose, which is held in the interior of the reactor by means of a suitable holding member. For larger systems, porous plates or other suitable distributors can also be used.



  The finely dispersed metal particles used as starting material or cores for the deposition can be produced, among other things, by crushing and sieving pure metal particles from previous conversion processes. In the case of continuous operation, the bed can be supplemented by feeding finely dispersed metal particles via a suitable feed line into the reactor by means of a drying conveyor or the like according to the amount of material withdrawn.

   The coarse-grained material can preferably be conveyed out by suction or in some other way through a suitable outlet line provided with a valve, which can be arranged approximately at the level of the floor. The particles can also be removed using gravity.

 

Claims (1)

PATENTANSPRUCH Verfahren zur Herstellung von Niob, Tantal oder Wolfram durch Reduktion der Chloride dieser Me talle mit Wasserstoff, dadurch gekennzeichnet, dass man bei erhöhter Temperatur Wasserstoff und Metall chlorid in gasförmigem Zustand in der Weise durch ein Bett fein verteilter, fester Partikel aus dem her zustellenden Metall oder aus dem Hydrid des her zustellenden Metalls leitet, dass die Partikel im Reak tionsraum aufgewirbelt werden, wobei sich auf den genannten Partikeln das reduzierte Metall ablagert. UNTERANSPRÜCHE 1. PATENT CLAIM Process for the production of niobium, tantalum or tungsten by reducing the chlorides of these metals with hydrogen, characterized in that hydrogen and metal chloride in a gaseous state through a bed of finely divided, solid particles from the to be produced at an elevated temperature Metal or from the hydride of the metal to be produced leads to the fact that the particles are whirled up in the reaction space, with the reduced metal being deposited on the particles mentioned. SUBCLAIMS 1. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass die erhaltenen grobkörnigen Metallpartikel kontinuierlich abgeführt werden, und dass die abgeführten Mengen durch feinverteilte Par tikel desselben Metalls ersetzt werden. 2. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass die Temperatur zwischen 675 bis 1200 C liegt. 3.- Verfahren nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass die Temperatur bei der Herstel lung von Niob zwischen 750 und 1050 C liegt. 4. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass die Temperatur bei der Herstel lung von Tantal zwischen 800 und 1050 C liegt. 5. Method according to patent claim, characterized in that the coarse-grained metal particles obtained are continuously discharged, and that the discharged quantities are replaced by finely divided particles of the same metal. 2. The method according to claim, characterized in that the temperature is between 675 and 1200 C. 3.- The method according to claim, characterized in that the temperature in the manufacture of niobium is between 750 and 1050 C. 4. The method according to claim, characterized in that the temperature in the manufacture of tantalum is between 800 and 1050 C. 5. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass die Temperatur bei der Herstel lung von Wolfram zwischen 750 und 1050 C liegt. 6. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass die Ablagerung des Metalls auf Partikeln aus dem Hydrid des herzustellenden Metalls erfolgt. Method according to claim, characterized in that the temperature during the manufacture of tungsten is between 750 and 1050 C. 6. The method according to claim, characterized in that the metal is deposited on particles from the hydride of the metal to be produced.
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