DE1061081B - Herstellung von Titanmetall - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Gewinnung von Titanmetall erfolgt derzeit ausschließlich durch Reduktion eines Titanhalogenids, praktisch Titantetrachlorid, mit Hilfe eines Reduktionsmetalls. Alkali- und Erdalkalimetalle und Ma- . gnesium und deren Gemische hat man als Reduktionsmetalle vorgeschlagen, technisch verwendet werden Natrium und insbesondere Magnesium. Da die Umsetzung gemäß der Gleichung:

Ti Cl₄ + 4 Me¹ = Ti + 4 Me¹ Cl

erfolgt, werden je Atom erzeugtes Titan 4 Atome einwertiges Reduktionsmetall verbraucht, oder, mit anderen .Worten, das Verfahren ist kostspielig, um so mehr, als das als Nebenprodukt erhaltene Reduktionsmetallchlorid nahezu wertlos ist.

Es ist auch bereits ein Verfahren zur. Herstellung von Metallen bekanntgeworden, bei dem in einer Salzschmelze elektrolytisch ein Reduktionsmetall erzeugt wird, das das Salz eines elektronegativeren Metalls reduziert. Das Titan bleibt hierbei aber in feinsten Anteilen in der Schmelze suspendiert, aus der es anschließend nur schwierig gewonnen werden kann.

Nach einem anderen Verfahren können Legierungen des Titans mit Kupfer, Nickel, Eisen, Kobalt und ,:. Aluminium derart hergestellt werden, daß als Kathode das mit Titan zu legierende Metall in fester Form verwendet wird und die Temperatur des Titanverbindungen enthältenden Elektrolyten so eingestellt wird, daß sie unterhalb des Schmelzpunktes des Kathodenmetalls, aber oberhalb des Schmelzpunktes der sich bildenden Titanlegierungen liegt. Die entstandenen Titanlegierungen könnte man zur Titanmetallgewinnung weiter aufarbeiten, z. B. durch Vakuumdestillation. Technische Vorteile sind mit diesem Vorgehen allerdings nicht verbunden. - - -

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Titanmetall durch Umsetzen eines Titanhalogenids mit einem Reduktionsmetall, das •durch Elektrolyse einer Salzschmelze erzeugt wird, das daiin besteht, daß durch Elektrolyse eines ein Ma-.gnesiumsalz enthaltenden Elektrolyten bei 6SQ bis 750° C eine Magnesium-Titan-Legierüng erzeugt und •diese durch Steigerung der Temperatur über 750° C in Magnesium und Titan gespalten wird. Das Verfahren kann in verschiedener Weise ausgeführt werden, und zwar kann das durch die Elektrolyse gebildete Magnesium unmittelbar in der Elektrolysenzelle mit in der Schmelze oder über der Schmelze im Gasraum .anwesendem Titanhalogenid zu Legierung und Magnesiumhalogenid umgesetzt werden, oder das durch die Elektrolyse gebildete Magnesium wird in einen an den Kathodenraum der Elektrolysenzelle angrenzenden Reduktionsraum übergeführt und dort mit Titan- -halogenid zur Umsetzung gebracht. Hierbei ist es vor-Herstellung von Titanmetall

Anmelder:
Titangesellschaft m. b. H., Leverkusen 1

Dr. Walter Schaller, Dipl.-Ing. August Ehringfeldi und Dr. Peter Tillmanii, Leverkusen-Wiesdorf,

sind als Erfinder genannt worden

teilhaft, mehrere Reduktionsräume vorzusehen, so daß' das Verfahren kontinuierlich durchgeführt werden kann. Es ist selbstverständlich, daß störende Gase, wie Stickstoff und Sauerstoff, ausgeschlossen werden müssen.: als Schutzgas wird ein Edelgas, wie Helium oder Argon, verwendet. Das Verfahren, hat den Vorteil, daß das Magnesium in der bei der Elektrolyse anfallenden reinen Form unmittelbar ohne Abkühlung oder mechanische Verarbeitung oder Handhabung an der Luft "zur- Reduktion von Titanhalogenid verwendet wird, während beim Einsatz von Reduktionsmetairin üblicher Form praktisch immer ein Metall mit einer Oxydschicht vorliegt, wodurch das erzeugte Titanmetall durch SauerstofE verunreinigt wird.

Gemäß dem neuen Verfahren- wird aus einer gege^ benen Menge eines Magnesiumhalogenide durch Elektrolyse Magnesium.erzeugt und dieses durch Umsetzen" mit Titanhalogenid in Magnesiumhalogenid zurückverwandelt. Eingesetzt wird demnach nur Titanhalogenid, und gewonnen werden Titan und Halogen. Es ist außerdem möglich, die Titanmetallherstellungdurch die Strommenge in gewünschtem Maße zu lenken und damit gleichzeitig Reaktionsgeschwindigkeit und Reaktionstemperatur. Das bei der Elektrolyse entwickelte Halogen, vorzugsweise Chlor, kann zur Herstellung von Titanhalogenid eingesetzt werden."

Gemäß der Gleichung - - - ·

. 4 Mg+ Ti Cl₄ = Mg₂ Ti+ 2 MgCl_2-

bildet sich neben Magnesiumchlorid Magnesiumtitanid. Dieses Magnesiumtitanid hat ein erheblich höheres spezifisches Gewicht (etwa 3,0) als das Magnesium (1^74). Elektrolysiert man eine ein Magnesiumsalz enthaltende Salzschmelze, deren spezifisches Gewicht man durch Mischung auf z. B. 2 eingestellt hat, so hat das Magnesium das Bestreben, an die Oberfläche zu steigen, und reagiert mit dem in der Schmelze vorhandenen bzw. im Gasraum befindlichen Titanhaloge-

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Claims (4)

nid unter Bildung des spezifisch schwereren Magne-, siumtitanids, welches sich daher am Boden der. Vorrichtung ansammelt, von wo es kontinuierlich oder diskontinuierlich abgezogen werden kann. Führt man die Elektrolyse bei Temperaturen über "etwa 7500G-durch, so wird das primär erzeugte Magnesiumtitanid zu Titan und Magnesium zersetzt. Naturgemäß kann man auch das bei tieferer Temperatur erhaltene Magnesiunrtitanid, vorzugsweise in der Zelle, durch Steigerung der Temperatur auf 75Q bis 950° C zersetzen. Das abgespaltene Magnesium :steigt in der Salzschmelze hoch und reduziert weitere Mengen Titanhalogenid. Da die Umsetzung von Magnesium mit Titantetrachlorid-bei etwa 6SO0C einsetzt, wird die Salzschmelze oberhalb dieser Temperatur, beispielsweise durch elektrische Außenheizung, gehalten. Das in Schwämmförm erhaltene Titanmetäll enthält noch mehr oder weniger große Mengen von Salzen und Magnesium, von denen es durch Auswaschen mit verdünnten Säuren, wie Salzsäure, Essigsäure, oder durch Erhitzen auf etwa 1000° C im Vakuum befreit werden kann. In der beiliegenden Zeichnung 1 ist eine Vorrichtung, die zur Ausführung des Verfahrens verwendet werden kann, schematisch dargestellt. Beispiel (Abb. 1) ^ Eine Elektrolysenzelle 1, vorzugsweise aus Chromnickelstahl, enthält eine Anode 2 aus halogenbeständigem Stoff, wie Kohle, und eine Kathode 3 aus Metall, wie Chromnickelstahl. Die Gasräume von Anoden- und Kathodenteil sind durch eine Scheidewand 4 getrennt. Zur Überwachung der Temperatur dient das Thermoelement 5. Der Elektrolyt 6 besteht aus 12 000 g Kalium-Magnesium-Chlorid und 1200 g Bariumchlorid, die in der Zelle bei 680° C geschmolzen vorliegen. Die Zelle wird evakuiert oder die Luft durch Einleiten eines Edelgases, wie Helium, durch Ventil 7 verdrängt. Hierauf wird in den Kathodenraum durch das Ventil 8 Titantetrachlorid bis zu einem Druck von 1 Atmosphäre eingeführt. Die Zelle wird bei einer Spannung von 6 bis 8VoIt unter Gleichstrom gesetzt. Die Elektroden sind so bemessen, daß eine Stromdichte von 0,5 Amp. pro cm2 erzielt wird. Unter dauernder Zufuhr von Titantetrachlorid wird die Elektrolyse acht Stunden durchgeführt. Verbraucht werden 400 g Titantetrachlorid. Das entstandene Chlor verläßt die Zelle durch Ventil 9. Während der Elektrolyse und der Umsetzung des entstehenden Magnesiums 10 mit Titantetrachlorid wird die Temperatur auf maximal 750° C gehalten, und zwar durch Regulierung der elektrischen Außenheizung bzw. der zugeführten Strommenge. Nach Abschaltung der Zelle befinden sich am Boden unter der Salzschmelze etwa 255 g einer Magnesium-Titan-Legierung mit der ungefähren Zusammensetzung Mg2Ti 11, die Anteile an Schmelze eingeschlossen enthält. Erhitzt man die erhaltene Legierung 3 Stunden auf 1000° C unter einem Vakuum von 0,1 Torr, so erhält man einen Titanmetallschwamm mit über 95% Ti. Wird die erhaltene rohe Legierung 3 Stunden unter einer Salzschmelze, wie sie zur Elektrolyse verwendet wird, auf 820° C erhitzt, so werden 15 Gewichtsprozent Magnesiummetall abgespalten, das an die Oberfläche der Schmelze steigt. Laugt man die rohe Magnesium-Titan-Legierung mit 5O°/oiger Essigsäure aus, bis keine Magnesiumionen mehr in Lösung gehen, so erhält man nach dem Waschen mit Wasser und Trocknen einen Titanmetallschwamm mit über 95 °/o Ti. In Abb. 2 ist eine Vorrichtung schematisch dargestellt, in der das in der Elektrolysezelle 1 hergestellte Magnesium aus dem Kathodenraum z. B. durch eine Schaukelbewegung des Behälters oder durch Einpressen von Edelgas in den Kathodenraum in den Reduktionsraum 12 durch die gegebenenfalls verschließbare Öffnung 13 übergeführt wird. Die übrigen Zahlen haben die gleiche Bedeutung wie in Abb. 1. Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Titanmetall durch Umsetzen eines Titanhalogenids mit einem Reduktionsmetall, das durch Elektrolyse einer Salzschmelze erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß durch Elektrolyse eines ein Magnesiumsalz enthaltenden Elektrolyten bei 650 bis 750° C eine Magnesium-Titan-Legierung erzeugt und diese durch Steigerung der Temperatur über 750° C in Magnesium und Titan gespalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in einer Elektrolysenzelle erzeugte flüssige Magnesium in einer anschließenden Kammer mit Titanhalogenid zu einer Magnesium-Titan-Legierung und Magnesiumhalogenid umgesetzt wird und das erhaltene Magnesiumhalogenid in die Elektrolysenzelle zur erneuten Elektrolyse zu Magnesium zurückgeführt wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einer Elektrolysenzelle, die mit einer halogenbeständigen Anode, z. B. aus Kohle, und mit einer Metallkathode, z. B. aus Chromnickelstahl, versehen ist, in der die Gasräume vom Anoden- und Kathodenteil durch eine Scheidewand getrennt sind und der Kathodenteil mit einem Einlaß für das Titanhalogenid und der Anodenteil mit einem Auslaß für das gebildete Halogen versehen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Reduktionszelle, die durch mindestens eine Öffnung mit der Elektrolysenzelle in der Weise in Verbindung steht, daß das in der Elektrolysenzelle gebildete Magnesium kontinuierlich oder diskontinuierlich in die Reduktionszelle gebracht und das darin gebildete Magnesiumhalogenid in die Elektrolysenzelle übergeführt werden kann, wobei der Anodenraum der Elektrolysenzelle mit einem Auslaß für das gebildete Halogen und die Reduktionszelle mit einem Einlaß für das Titanhalogenid versehen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 263 301, 615 951.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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