DE2011795A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Metall gewinnung - Google Patents

Description

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D 8 MÖNCHEN S, OTTOSTRASSEIa TELEGRAMME: MAYPATENT MÖNCHEN TELEFON C0811} HO3682 B.3131.3 JF Hünchen, den 12. März 1970

CP 332/834 Dr.M./mj

Commissariat ä 1»Energie Atomique in Paris/Frankreich Verfahren und Vorrichtung zur Metallgewinnung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung von Metallen oder Legierungen durch eine pyrometallurgische oder metallothermisch Umsetzung in Gegenwart einer geschmolzenen Schlacke. Unter "Schlacke" ist hier die Gesamtheit der Verbindungen zu verstehen, die bei der Reaktion entstehen und sich vom Metall oder der Legierung durch Absetzen trennen (dekantieren) können.

Metallothermische oder pyromet-allergische Umsetzungen vurden bisher _; abgesehen von Ausnahmefällen, in einem Tiegel durchgeführt, der mit der reagierenden Masse in Berührung steht. Der Tiegel muß gewiss« Bedingungen erfüllen.welche von den Eigenschaften der zu gewinnenden Metalle, deren Preis und den Merkmalen der Reaktion abhängen. Insbesondere sei erwähnt, daß

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im Fall der Herstellung hochreiner Metalle der Tiegel gegenüber den an der Reaktion teilnehmenden Bestandteilen chemisch inert sein muß;

im Fall von stark exothermen Reaktionen der Tiegel aus einem Material bestehen muß, das gegenüber Wärmestößen sehr beständig ist und einen hohen Schmelzpunkt besitzt; im Fall der Herstellung teurer Metalle es möglich sein muß, das Metall oder die Legierung, welche in den Tiegel eingedrungen sind, zurückzugewinnen oder einen Tiegel zu verwenden, in den kein Metall oder keine Legierung eindringt.

Außerdem ist es offensichtlich vorteilhaft, wenn entweder die Herstellungskosten des Tiegels gering sind oder dieser wieder verwendbar ist. Schließlich muß der Tiegel dicht sein, was oft bei Tiegeln aus keramischem Material schwer zu erreichen ist, die aus mehreren Teilen zusammengesetzt sind.

Es kommt häufig vor, daß man keinen Tiegel findet, der alle diese durch die Reaktion vorgegebenen Bedingungen befriedigend erfüllt. Beispielsweise sei die Gewinnung von metallischem Plutonium oder angereichertem Uran durch Reduktion des Tetrafluorids erwähnt. Man arbeitet dabei in einem Tiegel aus Fluorit (Flußspat), muß diesen aber anschließend auflösen, um die darin eingedrungenen 2 bis 4% des Metalls zurückzugewinnen. Praktisch muß man deshalb pro Kilogramm hergestelltes Metall 6 Ms 8 kg Fluorit auflösen. Diese zusätzliche Maßnahme hat offensichtlich einen sehr erheblichen Einfluß auf die Herstellungskosten des Metalls.

Die Erfindung bezweckt ein Verfahren,- das den Anforderungen der Praxis, insbesondere den oben angegebenen Forderungen, besser als die bisher bekannten Verfahren entspricht.

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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, das sich dadurch auszeichnet, daß die Reagenzien in einen Ofen gebracht werden, der aus einem für elektromagnet isehe Felder durchlässigen Metallgefäß mit senkrechter Achse undtela®i?-2iliizu gleichachsigen, ringsum das Metallgefäß angeordneten und mit einem elektrischen Hochfrequenzstrom speisbaren Wicklung besteht* daß durch die Gefäßwand hindurch in der Masse der Reagenzien elelctri sehe Hochfrequenzströme genügender Stärke induziert werden, um die Reaktion zu starten, während gleichzeitig das Gefäß gekühlt wird, sodaß eine feste Schlackenschicht in Berührung mit ihm gehalten wird, daß anschließend die Stromstärke und die Kühlung so geregelt werden, daß die Reaktionsmasse genügend lange geschmolzen bleibt, um das Absetzen des Metalls oder der Legierung zu ermöglichen, und man die Gesamtheit von Metall oder Legierung und Schlacke erstarren läßt.

Die Vorteile dieses Verfahrens sind offensichtlich: die geschmolzene Reaktionsmasse steht nicht mit einer anderen Verbindung sondern mit ihrer eigenen Schlacke in Berührung, die durch die kalte Gefäßwand im festen Zustand gehalten wird, und die Erhitzung erfolgt durch Joule'sehe Wärme im Bereich der reagierenden Produkte und der Schlacke selbst und nicht durch Wärmeübertragung durch die Gefäßwand. Infolgedessen sind die Hauptursachen von Verunreinigungen beseitigt, und die Ausbeute ist verbessert. Das Gefäß kann ohne zwischenzeitliche Wartung oder Reinigung sehr oft wieder verwendet werden, was sehr wichtig ist, vena die Metallgewinnung in einer Handschuhkammer erfolgt.

Ferner wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, welche ein Gefäß mit senkrechter Achse, dessen Seitenwand aus scheibenförmigen hohlC-n

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Wandelementen aus Metall mit Zu- und Ableitungen für ein Kühlmedium besteht, und eine ringsum die Wand koaxial zum Gefäß angeordnete Induktionsspule mit mehreren Windungen besitzt und dadurch gekennzeichnet ist, daß die Seitenwand durch eine zylindrische Außenfläche und eine nach unten hin einen kleineren Querschnitt umschließende Innenfläche begrenzt ist.

Die Erfindung wird erläutert durch die folgende Beschreibung einer Ausführungsform der Vorrichtung und verschiedene Beispiele von Metallgewinnungen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, die in dieser Vorrichtung ausgeführt werden können.Die Beschreibung bezieht sich auf die beigefügte Figur, welche schematisch eine Ansicht der Vorrichtung teilweise weggebrochen zeigt.

Die in der Figur gezeigte Vorrichtung besteht aus einem Gefäß A, mit zugehörigen Teilen und einer Induktionsspule B, die mit einem nicht gezeigten Hochfrequenzgenerator zusammenwirkt.

Das Gefäß A besitzt eine Seitenwand,die durch eine zylindrische Außenfläche und eine Innenfläche begrenzt ist, welche einen nach unten hin engeren Raum begrenzt, wie er etwa auch bei einem üblichen Metallgewinnungstiegel vorhanden ist. Ferner ist ein Boden 4, der die Seitenwand nach unten abschließt, und gegebenenfalls ein (nicht gezeigter) Deckel vorgesehen.

Die Seitenwand 2 besteht aus einer größeren Zahl gleicher scheibenförmiger hohler Wandelemente 6, die jedes durch einen Teil der zylindrischen Außenflächeι einen Teil der Innenfläche, durch ebene obere und untere Stirnflächen und durch Seitenflächen, welche durch die Achse des Gefäßes gehenden Ebenen -entsprachen , begrenzt sind. Damit zwei benachbarte Wandelemente €>,elektrisch voneinander isoliert sind, sind mindestens die Seitenflächen 9 mit einer

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Schicht eines isolierenden Keramikmaterials tiberzogen, die bei-

spielsweise durch Shoopage darauf abgeschieden sind. Nach dem Zusammensetzen bilden die Wandelemente so eine für das elektromagnetische Feld sehr durchlässige Seitenwand. Außerdem ist die durch Induktion durch die Seitenwand hindurch erzeugte Gesamtpotentialdifferenz in eine große Zahl von Elementen aufgeteilt, was nicht der Fall wäre, wenn nur ein einziger Schlitz vorgesehen wäre, und die Gefahren eines Durchschlags zwischen zwei benachbarten Wandelementen durch Entladung in die Reaktionsmasse sind praktisch Null.

Der Boden 4 besteht aus einer zylindrischen Kammer, die ebenfalls

so mit einer Isolierschicht tiberzogen ist und ausgebildet ist, daß sie eng in die untere Öffnung der Seitenwand 2 paßt, um Lecks auszuschließen. Selbstverständlich kann der Boden 4 ebenso wie die Seitenwand aus einer Reihe von gegeneinander isolierten Sektoren . bestehen.

und
Die Seitenwand 2/der Boden 4 sind beide mit einem Kühlkreislauf

verbunden. Jedes Wandelement 6 besitzt an einem seiner Enden eine Zuleitung 8 für Kühlflüssigkeit und am anderen Ende eine Ableitung 10 für die Kühlflüssigkeit und wird auf diese Weise gekühlt. Alle Zuleitungen 8 sind durch elastische und isolierende Verbindungen 12 mit einem Zuleitungssammelrohr 14 verbunden. Ebenso srind die Ableitungen durch isolierende elastische Verbindungen 16 mit einem Sammelrohr 18 verbunden.

Der Boden 4 besitzt einen Einlaß 20 und einen Auslaß 22 für die Kühlflüssigkeit.

Die Induktionsspule B besteht aus einer Wicklung 24 mit mehreren Windungen, die in der Nähe der Seitenwand 2 und gleichachsig zu

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dieser angeordnet ist. Die Windungen dieser Wicklung sind gegeneinander durch Abstandshalter aus isolierendem Material unbeweglich gehalten, von denen nur ein Abstandshalter 26 in der Figur gezeigt ist.

Es ist ferner eine (nicht gezeigte) Vorrichtung vorgesehen, welche die Wandelemente während der gesamten Reaktionsdauer gegeneinander drückt. Diese Vorsichtung kann insbesondere aus einem Band aus isolierendem Material bestehen, des eng um die Seitenwand gewickelt ist. Die Seitenwand kann auch oben und unten durch einen isolierenden Reifen oder eine isolierende Schelle eingespannt und zusammengehalten sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird in der beschriebenen Vorrichtung wie folgt durchgeführt:

Bei angesetztem Boden 4 werden die innig vermischten Reagenzien in das Gefäß gegeben. Nach Einfüllen der Reaktionsmasse wird die Kühlung der Seitenwand 2 und des Bodens 4 des Gefäßes und die der Induktionsspule in Gang gesetzt und die Induktionsspule B eingeschaltet. Das Heizen wird bis zum Starten der Reaktion fortgesetzt. Da der ümfangsbereich der Masse durch die Wand kräftig gekühlt wird, setzt die Reaktion zunächst im Mittelteil des Einsatzes ein. Wenn die Reaktion exothermisch verläuft, was im allgemeinen der Fall ist, kann dann die elektrische Energiezufuhr zur Induktionsspule B erheblich verringert werden, und die Reaktionsetat sich mit einer Geschwindigkeit fort, die in einem gewissem Maß durch Regelung der Leistung des zur Heizung benutzten Hochfrequenzgenerators gesteuert werden kann. Außerdem führt der übergang bestimmter Bestandteile in den flüssigen Zustand häufig zu einer Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit der Reaktionsmasse, vas ebenfalls eine Verringerung der Stärke der Speisung der

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Induktionsspule ermöglicht. Die Reaktion erfolgt ohne Berührung der Reaktiönsmasse mit der Seitenwand und demBoden des Gefäßes,

von denen die Reaktionsmasse durch eine dünne Schicht fester Schlacke getrennt bleibt. Jede Verunreinigung durch den metallischen Werkstoff der Wandelemente 6 (im allgemeinen Kupfer) oder durch das Isoliermaterial, mit dem die Wandelemente beschichtet sind, wird sovermieden.

Nach beendeter Reaktion bleibt die elektrische Stromversorgung der Induktionsspule solange eingeschaltet, wie das für ein genügendes Absetzen der Reaktionsprodukte voneinander erforderlich ist.Offensichtlich können übliche Regelvorrichtungen, die als Meßgerät ein in die Reaktionsmasse eintauchendes Thermoelement benutzen, vorgesehen sein.

Nach vollständiger Beendigung der Reaktion und des Absetzenswird die Stromversorgung der Induktionsspule abgeschaltet und genügend lange weiter gekühlt, um die Masse zu einem von einer Hülle aus erstarrter Schlacke umgebenen Block erstarren zu lassen. Das Entformen erfolgt in bestimmten Fällen durch Abnehmen des Bodens und Herausdrücken des Blocks nach oben, in anderen Fällen durch Abnehmen der Wandelemente, wiederum in anderen durch öffnen der Seitenwand, die in zwei voneinander abnehmbaren Stücken ausgebildet ist. Das Entformen wird durch die Gegenwart der an den Metallwänden des Gefäßes sehr wenig haftenden Schicht von erstarrter Schlacke erleichtert.

Als Beispiele sind im folgenden verschiedene Verfahren zur Metallgewinnungnach dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben. Hierbei wurde eine Vorrichtung mit einem Hochfrequenzgenerator von 40 kVA bei einer Frequenz von 400 kHz benutzt. Die Seitenwand des

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Gefäßes bestand aus Wandelementen aus Kupfer, die durch "Shoopage" (ein Sprit«-verfahren) mit Aluminiumoxid überzogen waren.

Beispiel 1

Gewinnung von Uran aus pulverförmigem Urantetrafluorid und gekörntem Calcium.

Hierbei wurden zwischen 100 und 600 g Uran eingesetzt. Das im Block gewonnene Uran stellte zwischen 98,6% und 99,7% des im Tetrafluorid enthaltenen Urans dar. An Abfallprodukten sind nur der gebildete Fluorit aufzuarbeiten. Eine Analyse ergab die folgenden Gehalte an Verunreinigungen;
Cu : 10 ppm; Al : 30 - 40 ppm; Fe : 15 ppm.

Beispiel 2

Die Gewinnung von Cer aus gepulvertem CeC1« und gekörntem Calcium liefert Ausbeuten über 90%,

Beispiel 3

Die Gewinnung von Lanthan aus pulverförmigem LaCIg und gekörntem Calcium liefert bei Einsatzmengen von 150 g Lanthan Ausbeuten von

Ganz allgemein eignen sich das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ausgezeichnet zur Gewinnung sehr kostspieliger und sehr reiner Metalle und zwar auch durch Reaktionen, die nicht notwendigerweise exothermisch sein müssen. Das ist besonders der Fall bei Metallen, die in genügender Reinheit erzeugt werden sollen, damit sie bei Kernreaktionen eingesetzt werden können_;und sehr kostspieligen Metallen, wie Plutonium und hochangereichertes Uran. Es sei besonders bemerkt, daß das erf indungsg&aiäße verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr gut in einer Hand.schuhkammer und unter kontrollierter Atmosphäre

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und damit zur Herstellung giftiger oder radioaktiver Metalle oder Legierungen benutzt werden können.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Verfahren zur pyrometallurgischen oder metallothermischen Gewinnung eines Metalls oder einer Legierung in Gegenwart einer Schlacke, wobei das Reaktionsgemisch in einen Ofen gegeben und in der Reaktionsmasse zum Starten der Reaktion ausreichend starke elektrische Hochfrequenzströme induziert werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgemisch in unmittelbare Berührung mit einem für elektromagnetische Felder durchlässigen, die Wand des Ofens bildenden Metallgefäß (A) mit senkrechter Achse ge bracht wird, das Metallgefäß gekühlt wird, sodaß eine Schicht fester Schlacke inBerührung mit ihm gehalten wird, nach dem Starten der Reaktion die elektrischen Ströme und die Kühlung so geregelt werden, daß die Reaktionsmasse während einer zum Absetzen des Metalls oder der Legierung ausreichenden Zeit geschmolzen bleibt, und man die Gesamtheit von Metall oder Legierung und Schlacke an Ort und Stelle erstarren läßt.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Reaktionsmasse abgegebene Leistung und die Kühlung des Metallgefäßes so eingestellt werden, daß das Metall oder die Legierung nach ihrer Bildung genügend lange in flüssigem Zustand gehalten werden, daß sie sich vollständig absetzen.

   3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, zur Herstellung von Plutonium oder Uran aus Pu F₄ oder UF- durch Calciothermie, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgemisch aus einem innigen Gemisch des betreffenden Fluorids in Pulverform und gekörntem Calcium besteht.

   4t Vorrichtung zur Gewinnung von Metallen oder Legierungen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem Gefäß mit senkrechter Achse

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   dessen Seitenwand aus scheibenförmigen, hohlen Wandelementen aus Metall mit einer Zu- und Ableitung für Kühlmedium besteht, und mit einer ringsum die Seitenwand angeordneten, zumGefäß koaxialen Induktionsspule mit mehreren Windungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwand durch eine zylindrische Außenfläche und eine nach unten zu einen geringeren Querschnitt einschließende Innenfläche begrenzt ist»

   5« Vorrichtung nachAnsprueh 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes kohle Wandelement durch einen Abschnitt der zylindrischen Außenfläche, einen Abschnitt der Innenfläche, durch ebene obere und untere Stirnflächen und durch Seitenflächen (9)ι die durch die Achse des Gefäßes gehenden Ebenen entsprechen ,begrenzt ist und mindestens die Seitenflächen (9) mit einer Schicht aus isolierendem Keramikmaterial überzogen sind.

   6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsspule aus einer Wicklung mit mehreren gekühlten Windungen besteht, die in der Nähe des Gefäßes und gleichachsig zu diesem angeordnet ist, und die Windungen dieser Wicklung (24) durch Abstandshalter (26) aus isolierendem Material gegeneinander unbeweglich gehalten sind.

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