DE2264927C3

DE2264927C3 - Elementares Tantal in Schwammform

Info

Publication number: DE2264927C3
Application number: DE19722264927
Authority: DE
Inventors: Roy L. Huntington Beach Blizzard; Robert D. Newport Beach Davis; Theodore N. Westminster Meyer
Original assignee: Plasmachem Inc Santa Ana Calif (vsta)
Current assignee: Plasmachem Inc Santa Ana Calif (vsta)
Priority date: 1971-03-18
Filing date: 1972-03-18
Publication date: 1980-09-11
Also published as: CA986882A; SE401204B; GB1387664A; DE2264927A1; DE2213285A1; FR2130480A1; IT953976B; JPS5645961B1; DE2213285B2; DE2264927B2; FR2130480B1

Description

Die Erfindung betrifft elementares, weitgehend von Verunreinigungen freies Tantal, in Schwammform, wobei der Schwamm gegebenenfalls ringförmig «;u.sgebildet ist, aus im wesentlichen miteinander verbundenen Mclallteilchen, hergestellt durch Reduktion von Tantalpentachlorid mit Wasserstoff in einem Plasmareaktor nach Patent 22 13 285. bei einer Temperatur von 2500-3000° K und einem 5- bis 15fachen Wassersloffüberschuß gegenüber der stöehiomclrischen Menge.

Tantal gehört wie Wolfram, Molybdän und Niob oder andere Elemente der Gruppen IVb, Vb und VIb des periodischen Systems zu den Metallen mit einem hohen Schmelzpunkt, die ganz allgemein durch Reduktion metallischer Halogenide, Oxide oder Nitride unter Zuhilfenahme von Wasserstoff oder Kohlenstoff als Reduktionsmittel gewonnen werden können.

Die Verwendung solcher Metalle ist wegen ihrer großen Temperaturbeständigkeit in der Technik von großer Bedeutung. In der Elektronik besteht gegenwärtig ein großer Bedarf insbesondere von Tantal für die Herstellung von Elektroden in Kondensatoren. Dabei ist häufig je nach dem Verwendungszweck außer der Reinheit auch die Teilchengröße sowie die Oberflächenbeschaffenheit des Metalls von großer Bedeutung.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde. Tantal der eingangs genannten Art zu schaffen, das sich insbesondere als Herslcllungsniateriiil für die Elektroden in Kondensatoren sowie für entsprechende andere Zwecke bestens verwenden läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die meisten Teilchen größere Abmessungen als ein μηι besitzen, wobei der Hauptanteil der Teilchen eine glatte, gewundene oder wurmförmige Form besitzt.

Die miteinander in Verbindung stehenden Teilchen sind zweckmäßigerweise wurmförmig.

Wie bereits angedeutet, eignet sich das crfindungsgcmäße Tantal bestens als Anodenmaterial fur Kondensatoren. K

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 den schematischen Längsschniu einer erster. Ausführungsform,

F i g. 2 den schematischen Längsschnitt einer zweiten Ausführungsform,

Fig.3 den schematischen Längsschnitt einer dritten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Herstellung des erfindungsgemäßen Tantals.

F i g. 4 bis 7 mikroskopische Aufnahmen von pulverartigem Tantal gemäß der Erfindung in verschiedenen Vergrößerungen und
F i g. 8 bis 11 zum Vergleich dienende mikroskopische

ίο Aufnahmen von bekanntem Tantal in entsprechenden Vergrößerungen.

In den Fig. 1 bis 3 ist jeweils eine Vorrichtung zur Herstellung von Reinmetall aus einer Metallverbindung dargestellt. Wie aus F i g. 1 ersichtlich ist, enthält die Vorrichtung einen Plasmagenerator Z der an sich bekannt ist und eine Kathode und eine Anode aufweist, die auf geeignete Weise mit einer Spannungsquelle verbunden sind, so daß im Bereich der Anodenzone 4 ein Potential vorhanden ist Die Einführung eines stabilisierenden oder inerten Gases oder eines reaktionsfähigen Gases in die Anodenzone 4 stellt innerhalb der Anodenzone 4 ein reaktionsfähiges Plasma her. das sich axial nach unten in Richtung des in F i g. 1 eingezeichneten Pfeiles erstreckt. Die Zufuhr des Materials, das eine hochschmelzende Metallverbindung enthält, aus der das Reinmetall gewonnen werden soll, erfolgt über den Eingang 6, so daß die Materialzufuhr in das Plasma in Strömungsrichtung gesehen hinter der Anode erfolgt. Dabei kann in manchen Fällen die

jo metallische Verbindung zusammen mit einem Trägergas eingeführt werden. Dadurch, daß das Material hinter der Anode zugeführt wird, wird der Aufbau von Reaktionsprodukten auf der Anodenoberfläche wirksam verhindert. Wird zur Erzeugung des Plasmas ein stabilisiercndes Gas verwendet, so kann das Trägergas auch ein die hochschmelzende Metallvcrbindung reduzierendes Reaktionsgas, beispielsweise Wasserstoff, enthalten, wobei das Reaktionsgas auch über eine dem Eingang 6 benachbarte Zuführleitung 8 zugeführi werden kann.

Das zugeführte Material und das Reaktionsgas werden vom Plasma in eine sich in axialer Richtung erstreckende Rcaktionskammcr 12 getragen deren Wandung 10 aus einem Material besteht, das nicht mit dem zugeführten Material und dem Trägergas reagiert, beispielsweise aus Wolfram. Es können auch andere hochschmelzcnde Metalle hierfür verwendet werden, die den auftretenden hohen Temperaturen widerstehen und nicht koriodiercn und die darzustellenden Rcinmctallc nicht verunreinigen. Aus dem oberen Abschnitt der

■50 Reaktionskammer 12 fließt der Ausfluß in den unteren Abschnitt 14 der Reakiionskammer 12 und anschließend in die Sammelanlagc. die allgemein mit 16 bezeichnet ist, von wo aus der Ausfluß zu einem Auslaß 18 gelangt, der in der Wand eines Abschreckorgans 20 vorgesehen ist.

Dabei umfaßt das Abschreckorgan 20 sowohl die Reaktionszonc 12 als auch eine Samnielzonc 22. wobei das Abschreckorgan 20 eine gewöhnliche Flüssigkeitskühlung aufweist. Die Sammelanlage 16 enthält eine zylindrische, büchsenähnliche Sainmclkammer 24. die

bo ebenfalls aus einem chemisch widerstandsfähigen Material, beispielsweise aus Wolfram besteht, wobei sich die Wandung der Sammclkammcr 24 in axialer Richtung erstreckt und einerseits in flüssigkeitsdichter Berührung mit einem radial gerichteten Abschnitt 15

b5 der Wandung 10 der Reaktionskammer 12 steht. Innerhalb der Sammclkammer 24, die im allgemeinen die Sammelzone 22 begrenzt, ist ein ebenfalls zur Sammelanlagc 16 gehörender Sammelbehälter 26

angeordnet, der einen Umfangsrand 25 aufweist Dabei soll erwähnt sein, daß zwischen dem oberen Abschnitt der Reaktionskammer 12 und deren unterem erweiiervem Abschnitt 14 ein Temperaturgradient vorhanden ist Der Sammelbehälter 26 besitzt eine im wesentlichen tassenförmige Gestalt und sein Umfangsrand 25 fluchtet in etwa mit dem axial gerichteten Wandabschnitt des Abschnittes 14 der Reaktionskammer IZ der insgesamt im wesentlichen glockenförmig ausgebildet ist. Der Sammelbehälter 26 ist ferner in der Sammelkammer 24 in axiaii-'Γ Richtung beweglich, wobei am Boden des Sammelbehälters 26 ein Unterstützungselement 28 befestigt ist, das sich durch eine Öffnung 30 am Boden des Abschreckorgans 20 erstreckt und hierbei so gelagert ist, daß die axiale Bewegung des Sammelbehälters 26 im wesentlichen über die gesamte Länge der Sammelkammer 24 in Richtung des eingezeichneten Doppelpfeiles möglich ist. Theoretisch gehört zwar der von dem Sammelbehälter 26 umschlossene Innenraum zur Reaktionszone, die hauptsächliche Reaktion der Reaktionspartner findet jedoch tatsächlich oberhalb des Sammelbehälters 26 statt. Insgesamt bestehen sowohl die Reaktionskammer 12 als auch der Sammelbehälter 26 und zumindest die innere Oberfläche der Sammelkammer 24 aus einem in bezug auf Reaktionsbedingungen, Reaktionspartnern und den hergestellten Reinmetallen resistenten Material, beispielsweise aus Wolfram.

Da der Sammelbehälter 26 innerhalb der Sammelkammer 24 beweglich angeordnet ist, ist zwischen dem radial gerichteten Wandabschnitt 15 und dem Umfangsrand 25 des Sammelbehälters 26 ein veränderbarer Durchtritt 32 vorhanden, durch den Ausfluß aus der Reaktionskammer 12 in die Sammelkammcr 24 und von dieser zum Auslaß 18 fließen kann.

Zu Beginn eines mit der Vorrichtung durchgeführten Arbeitszyklus ist der Sammelbehälter 2b su augcoiuiK-i. daß der veränderbare Durchtritt 32 eine axiale Erstreckung von etwa 0.0792 bis 1,27 cm aufweist, wobei im allgemeiren anfänglich etwa 0.3175 cm vollauf genügend sind. Nach einer gewissen Zeit beginnt sich das Reininetall aus dem Ausfluß, der durch den Durchtritt 32 gemäß den eingezeichneten Pfeilen fließt, in Gestalt eines Schwammes auf und über dem Umfangsrand 25 aufzubauen, wobei der Schwamm bis zur inneren Oberfläche der Sammelkammcr 24 hinwächst, wie aus F i g. 1 hervorgeht. Der Schwamm ist anfänglich etwa pfannenkuchenförmig ausgebildet und verhindert aufgrund seiner Lage ein Durchfließen des Ausflusses durch den Durchtritt 32, wobei ein Eintreten des Durchflusses in die Lücken des Schwammes zum unmittelbaren Absetzen von Metallparlikeln und somit zu einer größeren Ausbeute führt. Das Untcrsiützungselemeni 28 wird nun. um den Durchtritt 32 genügend groß zu halten, periodisch in axialer Richtung nach unten bewegt, so daß ein weiterer Durchgang des Ausflusses und ein weiterer Aufbau des metallischen Schwammes möglich ist. der sich in axialer Richtung schließlich im wesentlichen über die ganze Länge der Sammelkammer 24 erstreckt, so daß man einen metallischen Schwamm mit unregelmäßiger zylindrischer Gestalt erhält. Nach ?™endigung des Arbeitszyklus kann die Sammelaiuage ib aus dem Abschreckorgan 20 entnommen und das Reinmetall aus dem Inneren der Sammelkammer 24 aus- und von den Oberflächen des Sammelbehälters 26 abgeschabt oder abgekratzt werden. Das erhaltene Metall ist von außergewöhnlich hoher Reinheit und besitzt eine Parlikelgröße zwischen etwa 0.5-12 μιτι. wobei die Partikelgröße auch größer sein kann, was von den Bedingungen abhängt, unter denen die Ansammlung aufgebaut worden ist. Im allgemeinen werden Partikelgrößen zwischen 1 - 10 μίτι gebildet Dabei kann die Partikelgröße durch Variationen des Durchtrittes 32 gesteuert werden. Man kenn auch noch kleinere Metallpartikel gewinnen, wobei es auch möglich ist, das erhaltene Reinmetall der Vorrichtung erneut zuzuführen und einem erneuten Arbeitszyklus zu unterwerfen. Der übrig gebliebene und durch den Auslaß 18 fließende Ausfluß kann schließlich geeigneten Wärmeaustauschern, Separatoren oder anderen konventionellen Wiedergewinnungsapparaten zugeführt werden.

Der Plasmagenerator sollte so eingerichtet sein, daß man in ihm eine neutrale Gastemperatur erhält, die genügend hoch ist, beispielsweise 2000-5000° K., um die gewünschte chemische Reaktion zu erhalten. In der Regel wird die Reaktion unter atmosphärischem Druck oder leicht darüber ausgeführt. Zum Stabilisieren des Plasmas können verschiedene Gase benutzt werden. z. B. inerte Gase wie Helium oder Argon oder reaktionsfähige Gase wie Wasserstoff. Stickstoff oder Methan. Das bei der Erzeugung des Plasmas benutzte stabilisierende Gas und die Leistungsaufnahme und die dem Plasmareaktor zugeführte Leistung bestimmen die erzeugten Temperaturen. Dabei bestimmt die Leistungseingabe in den Plasmagenerator auch zum größten Teil die Reaktionsintensität, die unu>r Beachtung der obengenannten Kriterien variiert werden kann.

jo Um ein richtiges Vermischen zu erhalten und um das zugeführte Material in die Reaktionszone zu bringen. hat es sich als günstig erwiesen, wie schon erwähnt, ein Trägergas zu verwenden. Dieses Trägergas kann eines der obenerwähnten stabilisierenden Gase sein, oder es kann ein reaktionsfähiges Gas wie z. B. Wasserstoff sein, falls die Reduktion einer Metallverbindung beabsichtigt ist. In manchen Fällen kann daher einer der Reaktionspartner wie z. B. Wasserstoff sowohl zum Erzeugen des Plasmastromes als auch dazu benutzt weiden, das Ausgangsmaterial in den Reaktor zu tragen. Dies ist besonders dann wünschenswert, wenn man in Betracht zieht, daß bei Vorliegen überschüssiger slöchiometrischer Mengen von Wasserstoff, die für die Reduktion genutzt werden können, eine hohe Ausbeute erzielt wird. Soll beispielsweise Tantalpcntachlorid durch Reduktion mit Wasserstoffgas in Tantal umgewandelt werden, so hängen die Leichtigkeit und die Höhe der Umwandlung von dem überschüssigen Wasserstoffverhältnis über den stöchiometrischcn Betrag ab. der

so erforderlich ist, um eine im wesentlichen vollständige Umwandlung des Tantalpentachlorids in Tantal zu erhalten. Vorzugsweise wird ein Überschuß an Wasserstoff verwendet, der im wesentlichen eine vollständige Umwandlung bei den angewandten Reduktionstcmpc-

Ys raturcn und Drücken bewirkt. Ein Wasserstoffüberschuß, der etwa 5-15-, und hierbei durchschnittlich etwa 10—12mal der stöchiometrischen Menge bei einer Temperatur von ungefähr 2500 bis 3000" K entspricht, erlaubt im wesentlichen eine vollständige Umwandlung.

bO Ein Vorheizen des Stabilisicrungsgases und/oder des Trägergases kann unter gewissen Bedingungen nützlich sein. Im allgemeinen ist ein Vorheizen jedoch nicht notwendig. Wenn es allerdings erwünscht ist. das ^usgangsmaterial im dampfförmigen Zustand zusammen mit einem Trägergas einzuführen, kann das Vorheizen des Trägergases notwendig sein, um das Ausgangsmateria! in den gasförmigen Zustand zu bringen. Das Überführen des Ausgangsmaterials in den

gasförmigen Zustand ist jedoch nicht notwendig. Das Ausgangsmaterial kann auch in Partikelform vorliegen.

Im allgemeinen dient die Vorrichtung zur reinen Darstellung von Metallen mit hohem Schmelzpunkt, also insbesondere zur Darstellung von reinem Tantal, Molybdän, Wolfram und Niob. Dabei kann das Ausgangsmas crial weitere metallische Bestandteile enthalten, als Ausgangsmaterial kommen jedoch auch die Halogene der Metalle wie auch deren Oxide in Frage und schließlich sind auch Verbindungen wie beispielsweise Tantalpentachlorid, Niobpentachlorid, Wolframpentachlorid oder Molybdänpentachlorid geeignet. Auch andere Chloride wie z. B. TiCU, HfCl₄, VCI₄, WCI₆ und ähnliche Verbindungen können benützt werden, ebenso wie ganz allgemein jede der in der Chemie bekannten Verbindungen. Als Beispiele für die Reduktion mittels Kohlenstoff, Wasserstoff, Natrium od. dgl. sei schließlich auf die Wasserstoffreduktion von Ammoniumparamolybdat (NH₄J₆Mo₇O₂₄-4 H₂O) und Wolfpamtrioxid WO₃ sowie auf die Kohienstoffreduktion der Oxide hingewiesen.

Die Reinheit der erhaltenen Metalle hängt in großem Ausmaße von der Reinheit der Reaktionspartner ab, d. h. von der Reinheit des Ausgangsmaterials und der anderen Reaktionspartner, wie den Reduktionsmitteln, z. B. Wasserstoff. Auch die Werkstoffe, aus denen die Vorrichtung hergestellt ist, spielen eine wichtige Rolle. Die Werkstoffe sollten hochtemperaturbeständig und chemisch resistent sein, wobei sie von den Metallen gebildet werden können, die mit der Vorrichtung hergestellt werden sollen. Ferner ist zur Erzielung einer hohen Reinheit vor Beginn eines Arbeitszyklus das Durchspülen der Vorrichtung mit einem inerten Reinigungsgas wie beispielsweise Argon oder Helium zweckmäßig.

In Fig.2 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, die einen Reaktor 40 mit einem Reaktorkopf 42 aufweist, wobei nur der Anodenabschnitt dargestellt ist. Der Anodenaufbau 44 ist wassergekühlt und ist koaxial zu einer Speisemanschette 46 angeordnet, die ebenfalls über einen Wassereinlaß 48 kühlbar ist. Die Manschette 46 ist ringförmig ausgebildet und mit einem inneren Belag 50 eines resistenten Materials, wie beispielsweise Bornitrid, versehen. Das Ausgangsmaterial kann über einen Zufuhrkanal 52 durch die Speisenmanschette 46 eingeführt werden. Unterhalb des Anodenaufbaus 44 ist ein Abschreckorgan 54 angeordnet, das mit einem Wassereinlaß 56 und einem Wasserauslaß 58 versehen ist. In der Wand des Abschreckorgans 54 ist eine Beobachtungsöffnung 60 vorhanden, wobei im Bereich der Stelle 62 weitere Beobachtungsöffnungen zum Beobachten des Inneren des Abschreckorgans 54 vorgesehen sein können. Das Abschreckorgan 54 ist mittels eines Kopfstückes 64 mit dem Reaktorkopf 42 flüssigkeitsdicht verbunden und weist außerdem einen Boden 66 auf, der einen entfernbaren Deckel 68 mit einer Durchgangsbohrung 70 besitzt.

An der Seitenwand des Abschreckorgans 54 ist ferner der Auslaß 71 angeordnet Unterhalb des Anodenaufbaus 44 und der Manschette 46 befindet sich die Reaktionskammer 72, die einen halsförmigen oberen Abschnitt 74 mit einem oberen Flanschabschnitt 76 enthält der von einem Unterstützungskragen 78 unterstützt wird. Mit dem unteren Ende des halsförmigen Abschnitts 74 ist ein unterer Abschnitt 80 von glockenförmiger Gestalt verbunden, der einen größeren · Durchmesser besitzt als der in Strömungsrichtung gesehen oberhalb dieses erweiterten Abschnittes 80 gelegene Rest der Reaktionskammer 72. Dabei ragt das Stirnende 82 des halsförmigen Abschnittes 74 in den Innenraum des erweiterten Abschnittes 80 vor. Der erweiterte Abschnitt 80 wird von einer Platte 84 getragen, die eine zentrale öffnung 86 aufweist, deren Größe und Gestalt der Umfangsgestalt des Abschnittes 80 entspricht. Ferner stützt sich die Platte 84 auf einem Unterstützungsring 90 ab, der mit der inneren Wandung 88 des Abschreckorgans 54 verschweißt oder sonstwie verbunden ist. In dem Abschreckorgan 54 ist unterhalb der Platte 84 ein Futter 92 angeordnet, das eine Sammelkammer 94 mit einer inneren Oberfläche 96 aus chemisch resistentem Material umschließt. Nach unten hin ist das Futter 92 von dem Bodenunterstützungsring 98 abgeschlossen. Mit der Reaktionskammer 72 steht ein Sammelbehälter 100 in der Sammelkammer 94 in offener Verbindung, der einen flachförmigen Umfangsrand 102 aufweist und an dessen Boden ein stangenförmiges Unterstützungselement 104 mittels einer Büchsen- und Zapfenanordnung 106 befestigt ist. Das Unterstützungselement 104 erstreckt sich durch die Bohrung 70 des Deckels 68 und kann in axialer Richtung hin- und herbewegt werden, wobei der Sammelbehälter 100 im wesentlichen über die ganze Länge der Sammelkammer 94 bewegt werden kann. Zwischen dem erweiterten Abschnitt 80 der Reaktionskammer 72 und der Oberfläche 108 des Umfangsrandes 102 des Sammelbehälters 100 ist somit ein veränderbarer Durchtritt 110 vorhanden. Die Reaktionskammer 72, die Platte 84, der Sammelbehälter 100, das stangenförmige Unterstützungselement 104, die Büchsen- und Zapfenanordnung 106 sowie die innere Oberfläche 96 der Sammelkammer 94 bestehen wieder aus einem solchen Material, wie es schon anhand des ersten Ausführungsbeispiels beschrieben worden ist. Die Reaktionskammer 72 sowie der Sammelbehälter 100 begrenzen eine Reaktionszone 112, wobei sich die chemische Reaktion im wesentlichen innerhalb des oberen Abschnittes 74 abspielt.

Aus obigen Ausführungen ergibt sich, daß das Ausgangsmaterial, beispielsweise Tantalpeniachlorid. evtl. zusammen mit einem Trägergas wie Argon, im Bereich 116 in das Plasma eintritt Dabei ist das Innere des Abschreckorgans 54 von außen her durch die an der Stelle 62 vorhandenen Beobachtungsöffnungen sichtbar, wobei zum Kühlen der Öffnungen ein Kühlgas wie beispielsweise Wasserstoff an diesen oder in diese Öffnungen eingeführt werden kann. Innerhalb der Reaktionszone 112 und hierbei insbesondere innerhalb des oberen Abschnittes 74 findet mittels der Reduktionsmittel und aufgrund der extrem hohen Temperaturen die chemische Reaktion statt Der Ausfluß, der dampfförmiges elementares Tantal Wasserstoff, Wasserstoffchlorid aus der Reduktionsreaktion sowie unverändertes Tantalpentachlorid und Argon umfassen kann, fließt von dem oberen Abschnitt 74 in den erweiterten Abschnitt 80 der Reaktionskammer, wobei zwischen diesen beiden Abschnitten sowohl ein Temperatur- als auch ein Druckgradient vorhanden ist, die eine Ablagerung von reinem Tantal bewirken. Der Ausfluß gelangt durch den Durchtritt 110 in die Sammelkammer 94 und danach durch den Auslaß 71 nach außen. Bei Einleitung der Reaktion ist der Sammelbehälter 100 so angeordnet daß der Durchtritt 110 eine axiale Abmessung von ungefähr 032 cm besitzt Nach einer gewissen Zeit scheidet sich das reine Tantal an dem Umfangsrand 102 ab und es beginnt der Aufbau

eines pfannenkuchenförmigen Tantalschwammes in den Bereich 114 hinein, der mit der Zeit den Durchtritt 110 blockiert und den Ausfluß an seinem Durchtreten hindert, wodurch ein Rückdruck der Reaktionszone 112 entsteht. Nunmehr wird der Sammelbehälter 100 axial nach unten verschoben, um so einen Druckunterschied zwischen der Reaktionszone 112 und dem Inneren der Sammelkammer aufrechtzuerhalten, der etwa 35.15-351,5, zweckmäßigerweise 140,6-210,9 g/cm², beträgt. Auf diese Weise wird der Tantalschwamm immer größer und durch die Lücken des porösen Schwamms fließender Ausfluß führt zur Ablagerung weiteren Reinmetalls. Am Ende des Arbeitszyklus befindet sich der Sammelbehälter 100 nahe dem unteren Rand des Futters 92, wonach der Reaktor 40 abgeschaltet wird, so daß er abkühlt. Danach wird der Deckel 68 entfernt und der Tantalschwamm aus dem Sammelbehälter 100 und aus der Sammelkammer 94 entnommen bzw. von diesen und anderen Innenflächen der Vorrichtung abgekratzt. Das so hergestellte Tantal besitzt eine beträchtliche größere Parlikelgröße als es mittels bekannter Vorrichtungen der Fall ist. Die Ausbeute beträgt etwa 90% und das gewonnene Metall ist von höchster Reinheit.

Die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung unterscheide! sich von der in Fig.2 dargestellten und soeben beschriebenen Vorrichtung dadurch, daß sie nicht eine stufenweise sondern eine kontinuierliche Herstellung des Reinmetalls erlaubt. Der Reaktor 140 ist im wesentlichen gleich aufgebaut wie der Reaktor 40, abgesehen von den noch zu beschreibenden Änderungen. Der Übersichtlichkeit wegen ist der Reaktorkopf weggelassen worden. In bezug auf die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung ist ferner der obere Abschnitt 142 der Reaktionskammer geringfügig kurzer und der erweiterte Abschnitt 144 besitzt eine etwas abgeänderte Gestalt. Eine verkürzte Bildungszone für den metallischen Schwamm wird durch das Vorsehen eines verkürzten Futters 146 erreicht, das mittels der beiden Unterstützungsringe 148 und 150 von den Innenwänden des Abschreckorgans gehalten wird. Der Sammelbehälter 152 is! in diesem Falle vollständig zylindrisch ausgebildet. Hat sich das Reinmetall in Form eines Schwammes außerhalb des Sammelbehälters 26 im wesentlichen über die Länge des Futters 146 abgeschieden, wird der Sammelbehälter 152 in die strichpunktierte Position verlagert und eine Anzahl von Stangen 156 in die gezeigte Position gebracht. Wird nun der Sammelbehälter 152 wieder nach oben verschoben, so greifen die Stangen an dem strichpunktiert eingezeichneten Schwamm an und brechen bzw. schaben diesen vom Sammelbehälter 152 ab, so daß er auf den Boden des Abschreckorgans fällt, wo ein auf Füße stehender Aufnahmebehälter oder eine Schüssel 158 angeordnet

ίο ist, die den abgestreiften Metallschwamm aufnimmt. Auf diese Weise ist ein Abkühlen des Reaktors 140 nach jeder Bildung eines Schwammes nicht notwendig und nach Ausschöpfen des Fassungsvermögens der Schüssel 158 muß diese nur entnommen und ausgeleert werden.

Auch kann eine automatische Fördereinrichtung vorgesehen sein, die ein fortlaufendes Entnehmen des Reinmetalls ermöglicht.

Unter Benutzung der oben beschriebenen Vorrichtungen sind eine Reihe von Experimenten durchgeführt worden. Dabei wurden durch Verändern des Durchtrilts größere oder kleinere Metallpartikel erhalten, wobei der metallische Schwammzylinder Abmessungen von ungefähr 15 cm im Durchmesser und 2 cm in der Dicke aufwies und die Länge des Schwammzylinders von der Experimentdauer abhing. Der so hergestellte Metallschwamm besitzt einzelne Partikel, die sich gegenseitig umschlingen und eine poröse Struktur bilden, wobei die Partikel nach einem Schleif- und Siebvorgang eine Größe von 1 — ΙΟμιη besitzen. Die einzigartige Beschaffenheit des metallischen Schwamms wurde mittels mikroskopischer Aufnahmen ermittelt, die sehr deutlich die einzigartige Struktur der erhaltenen Metalle zeigen. Analysen der erhaltenen Metalle zeigen, daß schwer schmelzbare Metalle höchster Reinheit vorliegen. Dabei wurde in verschiedenen Fällen das in dem metallischen Schwamm gesammelte Material mit Hilfe von Röntgenstrahlbeugungsexperimenten als Molybdän, Tantal bzw. Wolfram mit kubischer oder kristalliner Struktur identifiziert.

Wie schon erwähnt, wurde zur Gewinnung von elementarem Tantal eine Reihe von Arbeitszyklen durchgeführt. Das Ausgangsmatcrial war Tantalpentalchlorid und die Ergebnisse sind in den folgenden Tabellen 1. Il und III aufgeführt.

Tabelle I	Leistung	KW	Gesamt-	Berechn.-	Gas	Speiseträger
Versuch	KW		wirk.-	ReakLtempe-	H₂-Stabilisie-	strömung in m³
Nr.		(netto)	grad in %	ratur in °K	rungsgasfluß
	(brutto)	26.6	37.7	2870	in nvVh	4,19 (He)
	76.6	26.7	37.4	2956	18,77	5,04 (He)
A	71.4	26.5	42.0	2600	18,77	7,53 (He)
B	63.0	40.6	62.2	2980	22,65	5,61 (Ar)
C	65.3	35.4	56.6	2825	25,00	5,61 (Ar)
D	62.2	37.8	58.0	2850	25,00	5,61 (Ar)
E	65.2	37.8	57.0	2886	25,00	5,61 (Ar)
F	66.4	37.0	56.3	2865	25,00	5,61 (Ar)
G	65.8	30.5	47.0	2800	25,00	5,61 (Ar)
H	64.8	36.1	55.8	2842	21,89	5,61 (Ar)
I	64.5	34.7	56.1	2800	25,00	5.61 (Ar)
J	61.8				23.59
K

	Leistung	9	KW	22 64	927	Berechn.-	10	Speiseträger
	KW					Reakt.tempe-		strömung in nv¹
Fortsetzung			(netto)			ratur in ⁰K	Gas
Versuch	(brutto)		37.2			2856	H₂-Stabilisie-	5,61 (Ar)
Nr.	65.0		36.4	Gesamt-	2710	rungsgasfluß	5,61 (Ar)
	61.6		34.2	wirk.-	2800	in m-Vh	5,61 (Ar)
	64.4		grad in %		25,00
L*)			57.2	25,00
M*)		51.5	25,00
N*)		53.1

*) Wolframstangen mit einem Durchmesser voii 0,635cm,diein dem Ausflußstrom unterhalb des Sammelbehälters angeordnet

waren,
t Gesamtumwandlung einschließlich fester Teile im Bereich von 62-98,2 %.

Fortsetzung der Tabelle I
Einspeisung und Rückgewinnung

Versuch Nr.	Speisemenge	Speisezeit	Gesamtmenge	Ta Schwamm	Ta Stücke	% der Gesamt
	Ta in kg/h	in h	Ta in kg	in kg	in kg	umwandlung (t)
						in Schwammform
A	14,8	0,47	3,51	3,02	0,48	86,2
B	7,8	0,75	2,99	1,88	0,85	63,0
C	9,9	0,67	3,36	1,87	1,51	56,0
D	19,7	0,21	2,05	0,90	0,38	44,0
E	5,7	0,48	1,84	1,34	0,32	73,2
F	8,3	0,48	2,00	1,61	0,22	80,3
G	10,7	0,28	1,54	1,24	0,16	80,3
H	9,9	0,37	1,85	1,14	0,52	61,6
I	7,6	0,36	1,87	0,79	0,84	47,8
J	9,6	0,35	1,70	1,40	0,33	83,5
K	9,6	0,34	1,66	1,31	0,19	78,4
L⁺)	10,9	0,37	2,07	1,79	0,17	86,5
M⁺)	11,0	0,40	2,21	1,90	0,27	86,0
N⁺)	9,9	0,42	2,14	1,78	0,47	83,0

*) Wolframstangen mit einem Durchmesser von 0,635cm, die in dem Ausllußstrom unterhalb des Sammelbehälters angeordnet

waren,
t Gesamtumwandlung einschließlich fester Teile im Bereich von 62-98,2%.

Tabelle II

Durchschnitlsbedingungen pro Versuch

Versuch	Gesamt	kg/h	Gesamt	kg/h	% der I	0,34	Gas	kg/h	% der Ein
	gew, in kg		gew, in kg		2in- Gesamt-	0,30	HrStabilisie-		speisung
E bis N	1,90	4,92	1,43	3,73	speisung gew. in kg		rungsgasfluß	0,89·	18,0
L bis N	2,14	5,49	1,82	4,68	76,1	in mVh	0,77	14,1
Fortsetzung	der Tabelle II				85,0	25,00
Versuch	Leistung					25,00
	kW	kW	Wirkungs		Stöchiometr.	Speiseträger
			grad in %	Berechn.-	Faktor des	strömung in
	(brutto)	(netto)		ReakUempe-	H₂	in mVh
E bis N	64,2	35,7	55,0	ratur in ⁰K	15,22	5,61
L bis N	63,7	35,9	56,4	2823	13,6	5,61
	2889

Auch die elektrischen Eigenschaften von Kondensatoranoden, die aus pulverförmigem Tantal gemäß der Erfindung hergestellt worden waren, wurden getestet. Dabei ist ein Kriterium für die Qualität von Kondensatoranoden das Produkt aus der Kapazität und der Versuchsspannung pro Gewichtseinheit des Anodenmaterials. Die Versuche zeigen, daß das CV-Produkt pro Gramm vergleichbar mit den im Handel befindlichen Pulvern ist.

Anoden, die bei 2173° K gesintert worden waren, ergaben CV/g-Werte ungefähr im Bereich zwischen

2900-3360 und bei einem 2273° K Sintervorgang von 2400 — 2600. Bei einer Sintertemperatur von ungefähr 2073° K wurden Werte von CV/g von ungefähr 4000-5100 gefunden. In Anoden, die bei 2273°K gesintert worden waren, betrug der Kriechgleichstrom Ά bis '/2 Mikro-Ampere.

Der Wirkungsgrad der Vorrichtung und des Verfahrens, ebenso wie der Bereich der ausführbaren und anwendbaren chemischen Reaktionen wurde durch verschiedene Experimente demonstriert, die in Tabelle V enthalten sind.

Tabelle III	H₂-Stabilisie-	Speiseträger	Einspeisung	Zurück	% des
Wirkungs	rungsgasfiuß	strömung in		gewonnenes	theoretisch
grad in %	in mVh	mVh		Material	Möglichen
	16,85	1,33 (Ar)	WO₃	246 g	40.7
26	25,00	5,61 (Ar)	(NH₄)₆	2487 g	86
56.6			Mo₇O₂₄
			4H₂O
	25,00	5,61 (Ar)	(NH₄J₁₀	4335 g	90.3
66.7			W₁₂O₄₁
			5H₂O

Die Gewinnung des elementaren Metalls kann sowohl in Pulverform erfolgen, der metallische Schwamm kann jedoch auch so kompakt sein, daß man eine massive Metallbildung erhält. Hierzu kann man den metallischen Schwamm eine größere Zeitdauer lang den hohen erzeugten Temperaturen aussetzen.

Die Struktur des metallischen Schwammes gemäß der Erfindung ist aus den mikroskopischen Aufnahmen zu ersehen, die in den F i g. 4 bis 7 gezeigt sind.

F i g. 4 (sämtliche Aufnahmen wurden bei einer Spannung von ICkV gemacht) stellt den gebildeten metallischen Schwamm bei einem Vergrößerungsfaktor von 1000 dar. Die poröse Natur des in situ gebildeten Tantals ist leicht zu erkennen. In Fig. 5. die eine Aufnahme bei 5000facher Vergrößerung /eigt. beginnt die wurmförmige Gestalt des Tantals sichtbar zu werden. Die Fig. 6 und 7. deren Vergrößerungsfaktor 10 000 bzw. 20 000 ist. zeigen deutlich, daß das gebildete Tantal im wesentlichen aus miteinander verbundenen Metallpartikeln besteht, die Umschlingungseigensehaften besitzen. Dabei ist die Gesamtausbildung derart, daß jo die Metallpartikel eine glatte, gewundene oder wurmförmige Gestalt besitzen, die im Gegensatz zur kantigen, winkeligen Ausbildung von bekannten Tantalpulver steht.

In den Fig.8 bis 11. die jeweils mikroskopische

j5 Aufnahmen in gleicher Vergrößerung wie die in den Fig.4 bis 7 dargestellten Aufnahmen zeigen, ist schließlich ein im Handel erhältliches agglomeriertes Tantal dargestellt, wobei der Unterschied zwischen dem bekannten Tantal und dem erfindungsgemäßen Tantal aus der gegenüberstellenden Darstellung klar ersichtlich ist. Aus den F i g. 8 bis 11 geht die kantige, winklige und plattenähnliche Ausbildung des bekannten Tantals klar hervor.

Die Oberflächenbeschaffenheit des erfindungsgemä-Ben Metalls ist einzigartig. Es eignet sich für viele Zwecke, so beispielsweise als Material für die Elektroden in Kondensatoren, wobei das auf die beschriebene Weise gewonnene Metall von außergewöhnlich hoher Reinheit ist, ohne daß ein gesonderter kostspieliger Reinigungsprozeß notwendig ist.

Hierzu 4 Blut!

Claims

Patentansprüche:

1. Elementares, weitgehend von Verunreinigungen freies Tantai, in Schwammform, wobei der Schwamm gegebenenfalls ringförmig ausgebildet ist, aus im wesentlichen miteinander verbundenen Metallteilchen, hergestellt durch Reduktion von Tantalpentachlorid mit Wasserstoff in einem Plasmareaktor nach Patent 22 13 285, bei einer Temperatur von 2500 bis 3000° K und einem 5- bis 1 Sfachen Wasserstoffüberschuß gegenüber der stöchiometrischen Menge, dadurch gekennzeichnet, daß die meisten Teilchen größere Abmessungen als 1 μηι besitzen, wobei der Hauptanteil der Teilchen eine glatte, gewundene oder wurmförmige Form besitzt.

2.Tantal nach Anspruch '.,dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander in Verbindung stehenden Teilchen wurmförmig sind.

3. Verwendung von Tantal nach Anspruch 1 oder 2 als Anodenmaterial für Kondensatoren.