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Vorrichtung zur Herstellung von Titanschwamm Die Erfindung bezieht
sich auf eine Vorrichtung, bei der zur Herstellung vonTitanschwamm, beispielsweise
durchUmsetzung von Magnesium oder Natrium mit Ti Cl, ein abnehmbarer innerer Behälter
in einem äußeren Gehäuse angeordnet ist. Das reduzierende Magnesium oder Natrium
wird am Boden des Behälters in festem oder geschmolzenem Zustand eingeführt, während
gleichzeitig Ti C14 von oben eintropfen gelassen wird. Die Umsetzung wird in einer
inertenGasatmosphäre bei erhöhten Temperaturen durchgeführt und der erhaltene Titanschwamm,
der an dem inneren Behälter haftet, abgezogen.
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Das bei der Umsetzung gleichzeitig gebildete MgCl, oder Na Cl fließt
aus dem Boden des äußeren Behälters aus und wird in geschmolzenem Zustand direkt
vom Boden des äußeren Gehäuses zur Umsetzung in den inneren Behälter eingeführt.
Um zu verhindern, daß Magnesium oder Natrium in den Raum zwischen den inneren und
äußeren Behälter einfließen und dort erstarren, ist eine verschlosseneKammer für
Mg cl, oder Na Cl vorgesehen; in dem durch diese Kammer gebildeten Bad befindet
sich der innere Behälter. Um den inneren Behälter zu entfernen oder einzuführen,
ist ein bewegliches und feststellbares Gehäuse für den inneren Behälter vorgesehen,
das dazu bestimmt ist, den inneren Behälter luftdicht in den Reduktionsbehälter
einzubauen, wobei zu verschließende Öffnungen sowohl im oberen Teil des äußeren
Behälters als auch am Boden des Gehäuses für den inneren Behälter vorgesehen sind,
damit der Einbau unter Luftausschluß erfolgen kann.
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Ein übliches Verfahren zur industriellen Herstellung von Titanschwamm
beruht auf der Reduktion von Titantetrachlorid durch Magnesium oder Natrium gemäß
folgender Gleichung:
| Ti C14 -I- 2 Mg _#- Ti -I- 2 Mg C12 |
| Ti C14 -I- Na --- > Ti -I- 4 Na Cl. |
Da dieses Verfahren »absatzweise«, d. h. nicht kontinuierlich, arbeitet, wurden
bereits zahlreiche Versuche unternommen, um ein kontinuierliches Arbeiten zu erreichen.
Es ist jedoch äußerst schwierig, ein kontinuierliches Verfahren durchzuführen, da
verschiedene Bedingungen eingehalten werden müssen, wie der Ausschluß von atmosphärischer
Luft, Einhaltung eines hohen Vakuums und einer inerten Gasatmosphäre sowie hoher
Arbeitstemperaturen; insbesondere muß Reoxydation oder Verbrennung vermieden werden,
die leicht eintreten, da metallisches Titan eine starke Affinität zu Stickstoff,
Sauerstoff und Wasserstoff in reduziertem Zustand aufweist.
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Gemäß der Erfindung wird die Umsetzung in einem -zylindrischen inneren
Behälter mit einem porösen Boden durchgeführt, der sich in einem äußeren Behälter
befindet, der aus einem Zylinder mit Boden besteht. Der Zylinder für die Umsetzung
besteht aus zwei Behältern, d. h. aus dem inneren und dem äußeren Behälter. Beispielsweise
wird zunächst festes Magnesium oderNatrium in den innerenBehälter eingebracht. Im
oberen Teil des äußeren Behälters befindet sich ein Deckel zum Verschließen, damit
in dem Behälter ein Hochvakuum erzeugt werden und der Behälter dann mit Argongas
gefüllt werden kann. Der Reaktionszylinder -wird in einen Ofen eingeführt und über
den Schmelzpunkt des Mg C12 oder Na Cl erhitzt. In den Zylinder wird Ti C14 eintropfen
gelassen, wobei sich Titan und M9 C12 oder Na Cl gemäß der vorstehend angeführten
Gleichung bilden. Das Titan haftet an dem inneren Behälter, während das am Boden
des Behälters in geschmolzenem Zustand angesammelte MgCl, oder Na Cl während des
Verfahrens von Zeit zu Zeit abgezogen wird.
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Das reduzierende Magnesium oder Natrium fließt in geschmolzenem Zustand
am Boden in den äußeren Behälter, um mit dem von oben in den inneren Behälter eintropfenden
Ti C14 zu reagieren. Das bei der Umsetzung gebildete Mg C12 oder Na Cl fließt
aus dem äußeren Behälter am Boden aus.
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Bei der Umsetzung zwischen Magnesium oder Natrium und Ti C14 sinkt
das gebildete Mg Cl 2 oder Na Cl nach unten, und Magnesium oder Natrium schwimmt
nach
oben und reagiert mit dem Ti C14. Wenn die Behandlung in der Vorrichtung, bestehend
aus einem äußeren und einem inneren Behälter, durchgeführt wird, fließen Magnesium
oder Natrium in den Raum zwischen den beiden Behältern, erstarren dort später und
stören dadurch häufig die Entfernung der inneren Behälter. In der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist daher eine verschlossene Kammer an der unteren Außenseite des äußeren
Behälters vorgesehen, in der M- C12 oder N a Cl gesammelt wird, damit der innere
Behälter in diesem Bad stehen kann, um den beschriebenen Mangel zu beheben. -.%LIagnesium
oder Natrium können nicht zwischen die beiden Behälter gelangen, obwohl MgCl, oder
N a Cl hineinströmt. Die Entfernung des inneren Behälters macht daher keine Schwierigkeiten.
Bei dieser Reaktion fließt beispielsweise Mg C12 oder NaCI vollständig aus, jedoch
verbleibt eine geringe Menge zusammen mit nicht umgesetztem Magnesium oder Natrium
im Titanschwamm.
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Bei allen bekannten Verfahren muß das Material nach beendeter Umsetzung
ausreichend gekühlt werden. Wenn metallisches Titan unmittelbar nach der Reduktion
mit Luft in Berührung kommt, ehe es auf eine ausreichend niedrige Temperatur abgekühlt
ist, wird es oxydiert und verbindet sich mit Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff,
so daß seine Qualität schlechter wird. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird
der innere Behälter aus dem äußeren Behälter entfernt, nachdem er genügend abgekühlt
ist und entweder in die nachfolgende Vakuumdestillation oder das Auslaugverfahren
übergeführt, um die Rückstände, beispielsweise Mg und MgCl, oder Na und Na Cl, zu
entfernen. Für die Vakuumbehandlung wird der innere Behälter mit dem anhaftenden
Titanschwamm in einen Behälter für die Vakuumtrennung übergeführt und unter erneutem
Hochvakuum, d. h. 10 -5 bis 10-E mm, und bei hohen Temperaturen von 900 bis 1050°
C längere Zeit behandelt. Wenn das restliche Mg C12 oder Na Cl und Magnesium oder
Natrium vergast sind, werden sie zur Abtrennung kondensiert.
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ach weiterem Abkühlen auf Raumtemperatur wird der Titanschwamm abgeschält
und zu pulverförmigem Fertigprodukt zerkleinert.
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Gemäß der Erfindung wird das Entfernen des inneren Behälters mit dem
anhaftenden Titanschwamm zur Überführung in die nachfolgende Stufe sowie das Einführen
eines frischen inneren Behälters kontinuierlich und ohne Berührung mit Atmosphärenluft
durchgeführt.
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Um dies zu erreichen, wird ein. Gehäuse zum oberen Teil des Reduktionsbehälters
gebracht, in dem der innere Behälter aufgehängt und luftdicht abgeschlossen unter
Vakuum oder einer inerten Gasatmosphäre gehalten werden kann, und dort befestigt.
Der Deckel des äußeren Behälters wird entfernt, der innere Behälter in den äußeren
Behälter eingehängt und der äußere Behälter mit dem inneren Behälter in das Gehäuse
eingeführt, der Boden des Gehäuses mit einem Deckel dann luftdicht verschlossen
und in die nachfolgende Verfahrensstufe übergeführt. In gleicher Weise wird ein
in einem Gehäuse vorliegender frischer innerer Behälter in das Reduktionsgehäuse
eingeführt und dort luftdicht befestigt. Man entfernt dann die Deckel für den Boden
des Gehäuses und für den Reduktionsbehälter oder den äußeren Behälter und hängt
einen frischen inneren Behälter in -den äußeren Behälter hinein. Nachdem die Deckel
ausreichend luftdicht %-erschlossen worden sind, wird die Reduktion bei hoher Temperatur
im Vakuum oder einer inerten Gasatmosphäre fortgesetzt. Der innere Behälter mit
dem daran haftenden Titanschwamm, der im Gehäuse eingeschlossen aus der Vorrichtung
entfernt wurde, wird beispielsweise in den oberen Teil eines Behälters zur Vakuumtrennung
übergeführt und dort unter Luftabschluß befestigt, der Deckel des Gehäusebodens
entfernt und der Behälter in :das Gefäß zur Vakuumtrennung unter Ausschluß atmosphärischer
Luft übergeführt.
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In der Vorrichtung kann kontinuierlich gearbeitet werden, bis auf
eine ausreichend niedrige Temperatur abkühlen gelassen worden ist, so daß man nicht
zu warten braucht, daß eine Abkühlung eintritt. Die Verkürzung der Arbeitszeit und
der wirtschaftliche Wärmeverbrauch sind außerordentliche Vorteile bei der Anwendung
der Vorrichtung.
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Die Reduktionsvorrichtung gemäß der Erfindung ist in einen inneren
und einen äußeren Behälter geteilt. Die Reaktion wird in dem inneren Behälter durchgeführt.
Der gebildete Titanschwamm haftet an der Innenseite des inneren Behälters. Durch
das Öffnen und Schließen der Deckel kann das eigentliche Verfahren kontinuierlich
durchgeführt werden. Dies ist besonders vorteilhaft gegenüber bekannten Verfahren,
die nur einen einzigen Behälter verwenden.
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Das Einführen des Reduktionsmittels im geschmolzenen Zustand vom Boden
her ist besonders für die kontinuierliche Durchführung der Reduktion vorteilhaft.
Auch wird die Menge des in dem gleichen Behälter anfallenden Titanschwammes vergrößert
und die Wärmewirtschaft verbessert, da eine lokale Erwärmung vermieden wird.
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Zur Erreichung dieses Zieles wird ein Gehäuse zur Aufnahme eines inneren
Behälters zum oberen Teil des Reduktionsbehälters gebracht, der innere Behälter
dann luftdicht verschlossen und unter Vakuum oder einer inerten Gasatmosphäre aus
dem äußeren Gehäuse entfernt und dann entnommen. Danach wird ein innerer Behälter
eingeführt und in dem äußeren Gehäuse befestigt, so daß die nächste Stufe sich kontinuierlich
anschließt.
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Die Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert, von denen
Abb. 1 einen Teil des Reduktionsbehälters und Abb.2 einen Reduktionsbehälter darstellt,
der besonders zur Aufnahme des Reduktionsmittels in geschmolzenem Zustand bestimmt
ist; Abb.3 zeigt eine Vorrichtung, die zur Durchführung eines kontinuierlichen Verfahrens
geeignet ist. indem der innere Behälter entfernt und ein frischer innerer Behälter
eingeführt wird.
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Das Reduktionsgefäß ist in einen äußeren Behälter 2 und einen inneren
Behälter 3 unterteilt. Im unteren Teil des inneren Behälters 3 befindet sich eine
eingepaßte poröse Bodenplatte 5. Das Reduktionsgefäß wird in den Reduktionsofen
1 eingegeben und erhitzt.
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Ein Deckel 4 für das Reduktionsgefäß befindet sich oben auf dem inneren
Behälter 3, um diesen zu verschließen. Der äußere Behälter 2 wird durch einen anderen
Deckel verschlossen, der in Verbindung mit dem Deckel 4 steht. Nach vollständigem
Verschluß des Inneren wird .ein Vakuum angelegt und danach mit z. B. Argon gefüllt.
Anschließend wird Ti C14 durch ein Rohr 8 in den Behälter eintropfen gelassen.
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Im unteren Teil des inneren Behälters 3 ist ein unterer Leitteil 6
für den inneren Behälter vorgesehen. Das geschmolzene Reduktionsmetall wird .durch
den Einlaß 7 in den unteren Teil des Leitteils 6 eingefüllt und tritt durch diesen
in den inneren Behälter ein.
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Unter dem inneren Behälter 3, d. h. am Boden des äußeren Behälters
2, befindet sich eine Vorrichtung
zur Aufnahme des inneren Behälters,
durch die das Reduktionsmetall über eine Aufnahmevorrichtung vollständig in den
inneren Behälter eingeführt werden kann. Durch die Aufnahmevorrichtung wird eine
Kammer um das Mg C12 oder 'Na Cl gebildet, so daß der innere Behälter in einem Metallchloridbad
steht. Es kann daher kein Reduktionsmetall in den Raum zwischen innerem und äußerem
Behälter einfließen und dort wie bei üblichen Verfahren erstarren.
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Das Reduktionsmetall wird in festem Zustand durch das Zufuhrrohr 10
in den Behälter eingeführt.
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Das bei der Umsetzung gebildete Metallchlorid sammelt sich am Boden
des äußeren Behälters und fließt durch das Abflußrohr 11 und das Abzugsventil 12
aus. Gemäß der Erfindung befindet sich -eine mit dem Reduktionsbehälter verbundene
Vorrichtung am oberen Ende des Reduktionsofens, die das Abziehen und Einführen des
inneren Behälters bewirkt. Außerdem befindet sich in der in Abb. 3 dargestellten
Vorrichtung zwischen dem inneren und dem äußeren Behälter ein Zwischenbehälter 29,
um Schwierigkeiten durch Überfließen von geschmolzenem Metall -zu vermeiden. In
der Vorrichtung wird ein bewegliches Gehäuse 13 für den inneren Behälter 3 über
den Reduktionsofen 1 gebracht, und der Bodenflansch 14 dieses Gehäuses 13 wird dann
fest mit dem passenden Glied 15 verbunden, um den Zutritt atmosphärischer Luft auszuschließen.
Die Evakuierung kann durch das Saugventil 9 erfolgen. Als Deckel zum Verschließen
des Reduktionsbehälters ist der obere Deckel 18 des äußeren Behälters 2 vorgesehen,
der in der Deckelkammer 22 des Gehäuses für den äußeren Behälter aufbewahrt wird,
wenn er nicht gebraucht wird. Mit Bezug auf die Abb. 3 befindet sich der obere Deckel
18 im offenen Raum 19, wenn 'er nicht gebraucht wird. Er wird durch .die Deckelführungsschiene
23 für den oberen Deckel 18 zum Bedecken und Freimachen des äußeren Behälters
2 bewegt. Wenn der äußere Behälter mit dem Deckel bewegt wird oder der Deckel abgehoben
wird, werden die oberen Kurbeln 17 und 27 betätigt.
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Wenn der innere Behälter mit dem oberen Deckel und den Verbindungsstücken
aufgehängt ist, hängt er innerhalb des Gehäuses 13, das an dem inneren Behälter
befestigt ist, und der Gehäusedeckel 20 wird unterhalb dieses Behälters angeordnet,
der dann durch Betätigung der Deckelbetätigungskurbeln 16 und 28 geschlossen wird.
Wenn der Behälter entfernt werden soll, werden diese Kurbeln entspannt und der Deckel
durch Überführung der beckelführungsschiene 25 in den offenen Raum 21 in die Kammer24herausgezogen.
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Wenn der innere Behälter aus dem äußeren Behälter entfernt werden
soll, wird das Ti C14-Rohr 8 herausgezogen und die Hebeschiene 26 eingeschoben.
Da ein absolut .dichter Verschluß erforderlich ist, damit keine Berührung mit Luft
stattfindet, wird in einer inerten Gasatmosphäre, z. B. in Argon, gearbeitet.
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Zur Überführung des inneren Behälters in das Gehäuse für den inneren
Behälter, wie in Abb.3 dargestellt, wird der in Stellung 21 der Kammer 24 angeordnete
Deckel durch Betätigung der Deckelführungsschiene 25 und der Deckelbetätigungskurbeln
16 und 28 in Stellung 20 geschoben. Das Innere des Gehäuses wird dann evakuiert
oder mit inertem Gas gefüllt. Auf der Linie A-B der Abb. 3 werden der Bodenflansch
14 und das entsprechende Glied 15 angelenkt und das Gehäuse von dem Reduktionsbehälter
getrennt, um für die nachfolgenden Stufen vorbereitet zu sein, z. B. für das Vakuumverfahren.
In der Vakuumstufe wird das Gehäuse für den inneren Behälter aus dem Gehäuse in
das Innere des Behälters für die Vakuumtrennung unter Luftausschluß übergeführt.
Das Verfahren wird weiter fortgesetzt, wenn die Trennung durchgeführt ist.
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Zur Einführung eines frischen inneren Behälters in den äußeren Reduktionsbehälter
wird der innere Behälter zunächst in das Gehäuse für den inneren Behälter eingeführt
und aufgehängt, das Gehäuse mit der Bodenplatte 20 für .das Gehäuse für den inneren
Behälter luftdicht verschlossen .und in den Reduktionsbehälter geschoben und mit
Flanschen auf der Ebene A-B befestigt. Es werden dann der Deckel für das Gehäuse
für den inneren Behälter und der obere Deckel für den äußeren Behälter geöffnet,
um den inneren Behälter in dem äußeren Behälter für .die Umsetzung abzusetzen. Das
Reduktionsmetall kann als erstes in den inneren Behälter eingeführt werden oder
vom Boden aus im geschmolzenen Zustand einfließen gelassen werden. Führt man das
Verfahren nacheinander durch, so kommt man zu einer im wesentlichen kontinuierlichen
Arbeitsweise und zu besonderen technischen und wirtschaftlichen Vorteilen. Insbesondere
erweist .es sich als günstig, das erfindungsgemäß die noch heiße Substanz weiterbehandelt
werden kann, ehe sie ausreichend abgekühlt ist.