DE3875411T2

DE3875411T2 - METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING TITANIUM.

Info

Publication number: DE3875411T2
Application number: DE8888306510T
Authority: DE
Inventors: Eiichi Fukasawa; Takefumi Irie; Kazuhiko Kobayashi; Shigenori Okudaira; Hiroshi Uchida; Masanori Yamaguchi
Original assignee: Toho Titanium Co Ltd
Current assignee: Toho Titanium Co Ltd
Priority date: 1987-07-17
Filing date: 1988-07-15
Publication date: 1993-04-08
Anticipated expiration: 2008-07-16
Also published as: AU1904488A; EP0299791A1; DE3875411D1; AU618541B2; CA1328561C; EP0299791B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Gewinnung von metallischem Titan und auf eine Vorrichtung dafür, und sie bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung von metallisches Titan aus Titantetrachlorid bei einer Reaktionstemperatur über dem Schmelzpunkt des Titans.The invention relates to the extraction of metallic titanium and to an apparatus therefor, and in particular relates to a method and an apparatus for the extraction of metallic titanium from titanium tetrachloride at a reaction temperature above the melting point of the titanium.

Bei dem bekannten "Kroll'schen" Verfahren wird metallisches Titan durch die Reduktion von Titantetrachlorid durch metallisches Magnesium gewonnen.In the well-known "Kroll" process, metallic titanium is obtained by reducing titanium tetrachloride with metallic magnesium.

Beim Kroll'schen Verfahren wird die Reduktionsreaktion im allgemeinen bei einer Temperatur unter dem Schmelzpunkt von metallischem Titan durchgeführt, während das Reduktionsgefäß auf Normaldruck oder vermindertem Druck gehalten wird, um metallischen Titanschwamm zu gewinnen. Das metallische Titanschwammerzeugnis wird einer Vakuumseparation oder -bleichung unterworfen, um jegliches überschüssige metallische Magnesium und Magnesiumchlorid (Nebenprodukt) zu entfernen, welches in den feinen inneren Hohlräumen des metallischen Titanprodukts verblieben ist, und wird dann so gereinigt. Das gereinigte metallische Titan wird dann zerkleinert und in eine für das Schmelzen geeignete Form gebracht. Nach dem Schmelzen wird ein Titan-Rohblock geformt.In the Kroll process, the reduction reaction is generally carried out at a temperature below the melting point of metallic titanium while the reduction vessel is maintained at normal pressure or reduced pressure to obtain metallic titanium sponge. The metallic titanium sponge product is subjected to vacuum separation or bleaching to remove any excess metallic magnesium and magnesium chloride (byproduct) remaining in the fine internal cavities of the metallic titanium product and is thus purified. The purified metallic titanium is then crushed and formed into a shape suitable for melting. After melting, a titanium ingot is formed.

Wie ersichtlich wird, ist das Kroll'sche Verfahren ein Chargenverfahren. Demgemäß erfordert die Herstellung eines metallischen Titan-Rohblocks nach dem Kroll'schen Verfahren wenigstens vier diskontinuierliche oder unabhängige Schritte, die einen Reduktionsreaktions-, einen Vakuumseparations-, einen Zerkleinerungs- und einen Schmelzschritt umfassen.As can be seen, the Kroll process is a batch process. Accordingly, the production of a metallic titanium ingot by the Kroll process requires at least four discontinuous or independent steps, which include a reduction reaction, a vacuum separation, a crushing and a melting step.

Das Kroll'sche Verfahren hat weiterhin folgende Nachteile.The Kroll method also has the following disadvantages.

Der das Reaktionsprodukt darstellende Titanschwamm wird fest an einem Reduktionsreaktionsgefäß zur Haftung gebracht, so daß viel Aufwand und Zeit erforderlich sind, um das anhaftende Reaktionsprodukt von dem Gefäß abzupellen.The titanium sponge, which is the reaction product, becomes solid to a reduction reaction vessel, so that much effort and time are required to peel the adhering reaction product off the vessel.

Ein anderer Nachteil besteht darin, daß es sehr schwierig ist, die Reaktionswärme von dem Reaktionssystem während des Reaktionsschritts schnell genug abzuführen.Another disadvantage is that it is very difficult to remove the reaction heat from the reaction system quickly enough during the reaction step.

Ein weitere Nachteil liegt darin, daß das Titan bei einer ausreichend hohen Temperatur zur Aktivitätssteigerung gewonnen wird. Also wird es leicht durch das Material der Wand des Reaktionsgefäßes verschmutzt.Another disadvantage is that the titanium is extracted at a sufficiently high temperature to increase activity. So it is easily contaminated by the material of the wall of the reaction vessel.

Ferner liegt ein weiterer Nachteil darin, daß der Separationsschritt zur Reinigung des Titans viel Aufmerksamkeit erfordert, um eine Verunreinigung des Titans mit Dampf, Luft oder ähnlichem zu vermeiden. Folglich muß das Entfernen des nicht-reagierten Materials und des Nebenprodukts in einer Vakuum- oder Argonatmosphäre durchgeführt werden.Furthermore, another disadvantage is that the separation step for purifying titanium requires much attention to avoid contamination of the titanium with steam, air or the like. Consequently, the removal of the unreacted material and the by-product must be carried out in a vacuum or argon atmosphere.

Um das Metallhalogenid mit einem Metallreduktionsmittel ohne Anwendung des Kroll'schen Verfahrens zu reduzieren, werden andere Verfahren vorgeschlagen, wobei die Reduktionsreaktion bei jedem dieser Verfahren bei einer Reduktionstemperatur über dem Schmelzpunkt des zu gewinnenden Metalls durchgeführt und das Produkt kontinuierlich aus dem Reaktionsgefäß entfernt wird. Das Metallprodukt wird dann in geschmolzenem Zustand gewonnen oder in Form eines Rohlings durch Kühlen des geschmolzenen Metallprodukts für die Verfestigung.In order to reduce the metal halide with a metal reducing agent without using the Kroll process, other processes are proposed, the reduction reaction in each of these processes being carried out at a reduction temperature above the melting point of the metal to be recovered and the product being continuously removed from the reaction vessel. The metal product is then recovered in a molten state or in the form of an ingot by cooling the molten metal product for solidification.

So offenbart beispielsweise die japanische Offenlegungsschrift Nr. 35733/1981 ein Verfahren zur Gewinnung von metallischem Titan, das die Schritte des Einführens sowohl von Titanchlorid als auch eines Reduktionsmetalls im dampfförmigen Zustand in das Reaktionsgefäß umfaßt, um beide unter solchen Bedingungen miteinander reagieren zu lassen, dar man ein flüssiges metallisches Titanprodukt zusammen mit dem Chlorid des Metallreduktionsmittels in Form eines Dampfes erhält. Das Chlor-Nebenprodukt des Metallreduktionsmittels wird von dem Titanprodukt zur Wiederverwertung getrennt und das metallische Titanprodukt wird in einer Form, die auf einer Temperatur unter dem Schmelzpunkt des metallischen Titanprodukts gehalten wird, verfestigt, um einen Rohling zu erhalten, der aus dem Reaktionsgefäß entfernt wird.For example, Japanese Laid-Open Patent Application No. 35733/1981 discloses a process for obtaining metallic titanium, which comprises the steps of introducing both titanium chloride and a reducing metal in a vapor state into the reaction vessel to react them under conditions such that a liquid metallic titanium product is obtained together with the chloride of the metal reducing agent in the form of a vapor. The chlorine byproduct of the metal reducing agent is separated from the titanium product for recycling and the metallic titanium product is solidified in a mold maintained at a temperature below the melting point of the metallic titanium product to obtain a blank which is removed from the reaction vessel.

Die japanische Patentveröffentlichung Nr. 19761/1971 offenbart ein Verfahren zur Metallgewinnung, welches die Schritte des Einführens von Titantetrachlorid-Dampf und einem flüssigen Metallreduktionsmittel in das flüssige Metall in einem Reaktionsgefäß, des Erwärmens einer Reaktionszone auf eine Temperatur über dem schmelzpunkt von Titan, um ein metallische Titanprodukt und ein Chlornebenprodukt des Metallreduktionsmittels in geschmolzenem Zustand under einem Dampfdruck des Metallreduktionsmittels bei der erforderlichen Temperatur zu gewinnen, des Trennens des Produkts und des Nebenprodukts voneinander unter Ausnutzung des Unterschieds in Gravität und ihres separaten Entfernens aus dem Reaktionsgefäß umfaßt.Japanese Patent Publication No. 19761/1971 discloses a method for metal recovery which comprises the steps of introducing titanium tetrachloride vapor and a liquid metal reducing agent into the liquid metal in a reaction vessel, heating a reaction zone to a temperature above the melting point of titanium to recover a metallic titanium product and a chlorine by-product of the metal reducing agent in a molten state under a vapor pressure of the metal reducing agent at the required temperature, separating the product and the by-product from each other by utilizing the difference in gravity and removing them separately from the reaction vessel.

Mit verschiedenen ähnlichen verfahren wurde versucht, die Probleme des Kroll'schen Verfahrens durch Reduktion des Metallhalogenids mit dem Metallreduktionsmittel, während die Reaktionstemperatur über dem Schmelzpunkt des Metallprodukts gehalten wurde, um das geschmolzene, metallische Titanprodukt zu erhalten, zu lösen. Diese Verfahren wurde jedoch, obwohl sie in der Patentliteratur offenbart wurden, nicht in industriellem Maße wirtschaftlich angewendet.Various similar processes have attempted to solve the problems of the Kroll process by reducing the metal halide with the metal reducing agent while maintaining the reaction temperature above the melting point of the metal product to obtain the molten metallic titanium product. However, these processes, although disclosed in the patent literature, have not been commercially applied on an industrial scale.

Genauer gesagt ist beispielsweise das in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 19761/1971 gelehrte Verfahren dazu bestimmt, Titantetrachlorid mit Magnesium zu reduzieren, um metallisches Titan zu gewinnen, während die Temperatur in der Reaktionszone auf etwa 1730ºC und der Druck in dem Reaktionsgefäß auf etwa 5 atm, entsprechend einem Teildruck des Magnesiumchlornebenprodukts bei dieser Temperatur, gehalten wird, um das metallische Titanprodukt und das Magnesiumchlornebenprodukt in geschmolzenem Zustand zu gewinnen. Also liegt bei diesem Verfahren die Reaktionszonentemperatur bei etwa 1720ºC und ihr Druck liegt bei etwa 5 atm, was ist wesentlichen gleich dem Dampfdruck des in flüssiger Form gewonnenen Magnesiumchlornebenprodukts ist. Das führt zum Kochen des Magnesiums, was wiederum dazu führt, das das Magnesium nicht in einer Menge beibehalten werden kann, die ausreichend ist, um das Titantetrachlorid in der Reaktionszone vollständig zu reduzieren. Das bewirkt das Ablaufen der Reaktion in der Anwesenheit von zu wenig Magnesium, was häufig zur Erzeugung von niedrigeren Titanchloriden, beispielsweise Titantrichlorid, Titandichlorid oder dergleichen, führt.More specifically, for example, the process taught in Japanese Patent Publication No. 19761/1971 is intended to reduce titanium tetrachloride with magnesium to obtain metallic titanium while maintaining the temperature in the reaction zone at about 1730°C and the pressure in the reaction vessel at about 5 atm, corresponding to a partial pressure of the magnesium chlorine byproduct at that temperature. to recover the metallic titanium product and the magnesium chlorine by-product in a molten state. Thus, in this process, the reaction zone temperature is about 1720ºC and its pressure is about 5 atm, which is substantially equal to the vapor pressure of the magnesium chlorine by-product recovered in liquid form. This results in the boiling of the magnesium, which in turn results in the magnesium not being able to be retained in an amount sufficient to completely reduce the titanium tetrachloride in the reaction zone. This causes the reaction to proceed in the presence of too little magnesium, often resulting in the production of lower titanium chlorides, e.g., titanium trichloride, titanium dichloride, or the like.

Bei diesem Verfahren werden zudem die Reaktionskomponenten (gasförmiges Titantetrachlorid und flüssiges Magnesium) durch Graphitrohre zu einer geschmolzenen Schicht des Reaktionsprodukts am Boden des Reaktionsgefäßes zugeführt, um die Reaktion in der geschmolzenen Schicht durchzuführen. Das führt zu einer Korrosion der offenen Enden der Graphitrohre durch das aktive, geschmolzene Titanprodukt. Auch ist das geschmolzene Titanprodukt mit jeder der Reaktionskomponenten bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur am offenen Ende der Rohre in Kontakt und verfestigt die Reaktionskomponenten auf diese Weise und verstopft so die Rohre. Außerdem ist das Titanprodukt, da die Reaktion eine Reduktionsreaktion ist, die in der geschmolzenen Titanschicht stattfindet, durch nichtreagierte Reaktionskomponenten, das Nebenprodukt oder dergleichen verunreinigt. Zudem führt der Mangel an Magnesium in der Reaktionszone zu einem Absinken der Wirksamkeit der Reaktion bezüglich einem Reaktionsquerschnittsfläche.In this method, further, the reaction components (gaseous titanium tetrachloride and liquid magnesium) are supplied through graphite tubes to a molten layer of the reaction product at the bottom of the reaction vessel to carry out the reaction in the molten layer. This results in corrosion of the open ends of the graphite tubes by the active molten titanium product. Also, the molten titanium product is in contact with each of the reaction components at a relatively low temperature at the open end of the tubes and thus solidifies the reaction components and clogs the tubes. In addition, since the reaction is a reduction reaction taking place in the molten titanium layer, the titanium product is contaminated by unreacted reaction components, the by-product or the like. In addition, the lack of magnesium in the reaction zone leads to a decrease in the efficiency of the reaction with respect to a reaction cross-sectional area.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Gewinnung von metallischem Titan durch die Reduktion von Titantetrachlorid mit einem Metallreduktionsmittel bereitzustellen, das geeignet ist, kontinuierlich metallisches Titan bei niedrigeren Energiekosten und in industrieller Größenordnung zu erzeugen.It is an object of the present invention to provide a process for obtaining metallic titanium by reducing titanium tetrachloride with a metal reducing agent, which is suitable for continuously producing metallic titanium at lower energy costs and on an industrial scale to create.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Gewinnung von Titan durch Reduktion von Titantetrachlorid mit einem Metallreduktionsmittel bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfaßt: Halten der Temperatur in einer Reaktionszone in dem Reaktionsgefäß über dem Schmelzpunkt von dem zu gewinnenden metallischen Titan; Zuführen von Titantetrachlorid und dem Metallreduktionsmittel in das Reaktionsgefäß, um ein metallisches Titanprodukt und ein Chlorid-Nebenprodukt des metallischen Reduktionsmittels zu gewinnen, wobei das Produkt und das Nebenprodukt in einem geschmolzenen Zustand gehalten werden; Trennen des metallischen Titanprodukts und des Chlorid- Nebenprodukts des metallischen Reduktionsmittels durch Ausnützen ihrer verschiedenen Dichten; Sammeln des metallischen Titanprodukts am Boden des Reaktionsgefäßes; und ständiges Abziehen des metallischen Produkts von dem Boden des Reaktionsgefäßes, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in der Reaktionszone über dem Dampfdruck des metallischen Reduktionsmittels bei der Temperatur in der Reaktionszone gehalten wird.According to the invention there is provided a process for recovering titanium by reducing titanium tetrachloride with a metal reducing agent comprising the steps of maintaining the temperature in a reaction zone in the reaction vessel above the melting point of the metallic titanium to be recovered; feeding titanium tetrachloride and the metal reducing agent into the reaction vessel to recover a metallic titanium product and a chloride by-product of the metallic reducing agent, the product and the by-product being maintained in a molten state; separating the metallic titanium product and the chloride by-product of the metallic reducing agent by exploiting their different densities; collecting the metallic titanium product at the bottom of the reaction vessel; and continuously withdrawing the metallic product from the bottom of the reaction vessel, characterized in that the pressure in the reaction zone is maintained above the vapor pressure of the metallic reducing agent at the temperature in the reaction zone.

Das Titanprodukt wird vorzugsweise beim Abziehen durch Abkühlung verfestigt.The titanium product is preferably solidified by cooling during pulling.

Vorzugsweise wird ein Schmelzbad vom Chlorid des Metallreduktionsmittels und gegebenenfalls auch von dem Metallreduktionsmittel selbst vorher in dem Reaktionsgefäß bereitet, so daß die Oberfläche des Schmelzbades die Reaktionszone darstellt und Titantetrachlorid und das Metallreduktionsmittel werden in die Reaktionszone zugeführt. Das Titantetrachlorid wird vorzugsweise in flüssiger Form vom oberen Ende des Reaktionsgefäßes aus zugeführt, und das Metallreduktionsmittel wird entweder auf die gleiche Weise zugeführt oder wird in das Bad eingespritzt.Preferably, a molten bath of the chloride of the metal reducing agent and optionally also of the metal reducing agent itself is prepared beforehand in the reaction vessel so that the surface of the molten bath constitutes the reaction zone and titanium tetrachloride and the metal reducing agent are fed into the reaction zone. The titanium tetrachloride is preferably fed in liquid form from the top of the reaction vessel and the metal reducing agent is either fed in the same way or is injected into the bath.

Das Chloridnebenprodukt des Metallreduktionsmittels wird vorzugsweise aus dem Reaktionsgefäß mit einer derartigen Geschwindigkeit abgelassen, daß die Postition der Reaktionszone im wesentlichen konstant bleibt. Das Verfahren kann auch die Schritte des Einführens eines Titan-Rohling in den unteren Bereich des Reaktionsgefäßes, was zu einem Verschmelzen des abgetrennten metallischen Titan-Metall-Produkts mit dem Titan-Rohling führt, und des kontinuierlichen Abziehens des metallischen Titanprodukts zusammen mit dem Titan-Rohlings mit einer Geschwindigkeit, die der mit dem Titan-Rohling verschmolzenen Menge des metallischen Titanprodukts entspricht, umfassen.The chloride byproduct of the metal reducing agent is preferably from the reaction vessel at a rate such that the position of the reaction zone remains substantially constant. The method may also comprise the steps of introducing a titanium blank into the lower region of the reaction vessel, resulting in fusion of the separated titanium metallic product with the titanium blank, and continuously withdrawing the titanium metallic product together with the titanium blank at a rate corresponding to the amount of titanium metallic product fused with the titanium blank.

Eine geeignete Vorrichtung für die Gewinnung von metallischem Titan durch die Reduktion von Titantetrachlorid mit einem Metallreduktionsmittel gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Reaktionsgefäß mit einer Reaktionszone, in der eine Temperatur über dem Schmelzpunkt des Titanprodukts definiert und die auf einem Druck gehalten wird, der ausreicht, um das Kochen des Metallreduktionsmittels und seines Chlorids bei dieser Temperatur zu verhindern; ein Metallreduktionsmittel- Speiserohr zum Zuführen des Metallreduktionsmittels in flüssiger Form von der Seite oder von oben in das Reaktionsgefäß zur Reaktionszone; ein Titantetrachlorid-Speiserohr zum Zuführen von Titantetrachlorid vom oberen Bereich des Reaktionsgefäßes zur Reaktionszone; ein Ablaßrohr zum Entfernen des Chloridnebenprodukts des Metallreduktionsmittels von der Seite des Reaktionsgefäßes; eine Heizeinrichtung, die außerhalb des Reaktionsgefäßes an einer Stelle angeordnet ist, die der Reaktionszone entspricht, und einen Abziehbereich im unteren Bereich des Reaktionsgefäßes zum kontinuierlichen Abziehen des metallischen Titanprodukts, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgefäß eine Vielzahl von Längssegmenten aufweist, die durch Schlitze getrennt sind, wodurch das Reaktionsgefäß in seiner Längsrichtung unterteilt wird, wobei die Schlitze mit einem elektrisch isolierenden und wärmebeständigen Material gefüllt sind.A suitable apparatus for the recovery of metallic titanium by the reduction of titanium tetrachloride with a metal reducing agent according to the present invention comprises a reaction vessel having a reaction zone defining a temperature above the melting point of the titanium product and maintained at a pressure sufficient to prevent boiling of the metal reducing agent and its chloride at that temperature; a metal reducing agent feed pipe for feeding the metal reducing agent in liquid form from the side or top of the reaction vessel to the reaction zone; a titanium tetrachloride feed pipe for feeding titanium tetrachloride from the top of the reaction vessel to the reaction zone; a drain pipe for removing the chloride by-product of the metal reducing agent from the side of the reaction vessel; a heating device arranged outside the reaction vessel at a location corresponding to the reaction zone, and a withdrawal region in the lower region of the reaction vessel for continuously withdrawing the metallic titanium product, characterized in that the reaction vessel has a plurality of longitudinal segments separated by slits, whereby the reaction vessel is divided in its longitudinal direction, the slits being filled with an electrically insulating and heat-resistant material.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung umfaßt ein aus einer dicken Titanplatte hergestelltes Reaktionsgefäß, in dem eine Reaktionszone definiert ist und das unter einem Druck gehalten wird, der ausreicht, um ein Kochen des Metallreduktionsmittels und seiner Chloride zu verhindern. Ein Metallreduktionsmittel-Speiserohr führt das Metallreduktionsmittel in flüssiger Form von der Seite oder von oben in das Reaktionsgefäß zur Reaktionszone zu, und ein Titantetrachlorid-Speiserohr führt Titantetrachlorid vom oberen Bereich des Reaktionsgefäßes zur Reaktionszone zu. Ein Ablaßrohr zum Entfernen eines Chloridnebenprodukts des Metallreduktionsmittels erstreckt sich von der Seite des Reaktionsgefäßes. Heizeinrichtungen sind außerhalb des Reaktionsgefäßes in einer Position, die der Reaktionszone entspricht, für die Durchführung einer elektromagnetischen Induktionsheizung, Widerstandsheizung oder dergleichen angeordnet, und ein Formbereich ist oben am Reaktionsgefäß angeordnet, um das geschmolzene metallische Titanprodukt durch Abkühlen und kontinuierliches Abziehen aus dem Reaktionsgefäß zu verfestigen.A preferred embodiment of the invention comprises a reaction vessel made of a thick titanium plate in which a reaction zone is defined and which is maintained under a pressure sufficient to prevent boiling of the metal reducing agent and its chlorides. A metal reducing agent feed pipe supplies the metal reducing agent in liquid form from the side or top of the reaction vessel to the reaction zone, and a titanium tetrachloride feed pipe supplies titanium tetrachloride from the top of the reaction vessel to the reaction zone. A drain pipe for removing a chloride byproduct of the metal reducing agent extends from the side of the reaction vessel. Heating means are arranged outside the reaction vessel at a position corresponding to the reaction zone for carrying out electromagnetic induction heating, resistance heating or the like, and a molding section is arranged at the top of the reaction vessel for solidifying the molten metallic titanium product by cooling and continuously withdrawing it from the reaction vessel.

Ein alternativer Reaktionsgefäßaufbau umfaßt ein Reaktionsgefäß aus Metall, beispielsweise Kupfer, oder einem keramischen Material, beispielsweise Aluminium, Zirkonium oder dergleichen, in dem eine Reaktionszone definiert ist und das auf einem Druck gehalten wird, der ausreicht, um ein Kochen des Metallreduktionsmittels und seiner Chloride zu verhindern. Das Reaktionsgefäß hat eine sich vertikal erstreckende hohle Form und ist oben und unten offen. Das Reaktionsgefäß umfaßt einen Kühlmittel-Kreislauf-Weg zum Kühlen der inneren Oberfläche des Reaktionsgefäßes und von Bereichen des äußeren Umfangs an einer Stelle, die der Reaktionszone entspricht. Das Gefäß umfast weiterhin einen Ablaßbereich mit einer Heizeinrichtung zum Erwärmen von geschmolzenem Material, die elektromagetisches Induktionsheizen, Widerstandsheizen oder dergleichen durchführt.An alternative reaction vessel construction comprises a reaction vessel made of metal, e.g. copper, or a ceramic material, e.g. aluminum, zirconium or the like, in which a reaction zone is defined and which is maintained at a pressure sufficient to prevent boiling of the metal reducing agent and its chlorides. The reaction vessel has a vertically extending hollow shape and is open at the top and bottom. The reaction vessel includes a coolant circulation path for cooling the inner surface of the reaction vessel and areas of the outer periphery at a location corresponding to the reaction zone. The vessel further includes a drain area with a heater for heating molten material which performs electromagnetic induction heating, resistance heating or the like.

Bei der vorliegenden Erfindung kann ein geeignetes Reaktionsgefäß, das eine Heizeinrichtung aufweist, einen Schmelztiegel, wie im US-Patent Nr. 3 755 091 offenbart ist, aufweisen, der geeignet ist, Titanspäne, Titanschwamm oder dergleichen zu schmelzen, um einen Titan-Rohling herzustellen, und der in einer Vakuum-Inert-Atmosphäre verwendet wird. Ein derartiger Schmelztiegel kann in ein Druckgefäß eingebaut sein, um als Reaktionsgefäß in der vorliegenden Erfindung verwendet zu werden, wobei es die Reaktionszone zur Reduktion von Titantetrachlorid und den Formbereich für das Erstarren des metallischen Titanprodukts durch Abkühlen und kontinuierliches Abziehen daraus umfaßt.In the present invention, a suitable reaction vessel, having a heating means, a crucible as disclosed in U.S. Patent No. 3,755,091, which is capable of melting titanium chips, titanium sponge or the like to produce a titanium blank and which is used in a vacuum inert atmosphere. Such a crucible may be incorporated in a pressure vessel to be used as a reaction vessel in the present invention, comprising the reaction zone for reducing titanium tetrachloride and the forming region for solidifying the metallic titanium product by cooling and continuously withdrawing it therefrom.

Die Erfinder dieser Erfindung haben den folgenden Reaktionstest durchgeführt, um die Reaktionseffizienz für die Reduktion von Titantetrachlorid mit metallischem Magnesium gemäß der vorlegenden Erfindung beuerteilen zu können.The inventors of this invention conducted the following reaction test to evaluate the reaction efficiency for the reduction of titanium tetrachloride with metallic magnesium according to the present invention.

REACTION TEST

Der Druck im Reaktionsgefäß wurde auf 50 atm gehalten. Das Reaktionsgefäß wurde mit 845 g metallischem Magnesium beschickt, das durch elektromagnetische Induktionsheizung oder Widerstandsheizung auf 1350ºC erwärmt wurde, um in dem Reaktionsgefäß ein Bad aus geschmolzenem Magnesium zu bilden. Unmittelbar nach dem Erhitzen wurden dem geschmolzenen Magnesium 1340 g flüssiges Titantetrachlorid für 50 s bei einer Zufuhrrate von 1608 g/min beigefügt.The pressure in the reaction vessel was maintained at 50 atm. The reaction vessel was charged with 845 g of metallic magnesium, which was heated to 1350°C by electromagnetic induction heating or resistance heating to form a bath of molten magnesium in the reaction vessel. Immediately after heating, 1340 g of liquid titanium tetrachloride was added to the molten magnesium for 50 s at a feed rate of 1608 g/min.

Die Temperatur des Bades erreichte den Schmelzpunkt von Titan in 15 s nach dem Einsetzen der Titantetrachlorid-Zufuhr, um so flüssiges Titan zu erzeugen. Der Titanertrag betrug 99 % und die Reaktionseffizienz pro Einheit des Querschnittsbereichs des Reaktionsgefäßes betrug 62,7 kmol/h m². Das Kroll'sche Verfahren wurde zum Vergleich durchgeführt und es zeigte eine Reaktionseffizienz pro Einheit des Querschnittsbereichs des Reaktionsgefäßes von 1,3 kmol/h m².The temperature of the bath reached the melting point of titanium in 15 s after the start of the titanium tetrachloride supply to produce liquid titanium. The titanium yield was 99% and the reaction efficiency per unit cross-sectional area of the reaction vessel was 62.7 kmol/h m2. The Kroll's method was carried out for comparison and it showed a reaction efficiency per unit cross-sectional area of the reaction vessel of 1.3 kmol/h m2.

Die Effizienz der Reaktion zwischen dem Titantetrachlorid und dem metallischen Magnesium in der Gasphase wird in einem Artikel mit der Überschrift "Gas Phase Reaction Test Report" von Professor Takeuchi der Tohoku Universität, Journal of Japan Institute of Metals, 23, Seiten 625 - 637 (1965) wie folgt berechnet:The efficiency of the reaction between titanium tetrachloride and the metallic magnesium in the gas phase is calculated in an article entitled "Gas Phase Reaction Test Report" by Professor Takeuchi of Tohoku University, Journal of Japan Institute of Metals, 23, pages 625 - 637 (1965) as follows:

Im Reaktionstest betrug das Volumen eines Titanbandes zum Züchten von Titan 0,057 m³ und die Absetzungsrate von Titan auf dem Titanband betrug 3,45 kg/h (72 mol/h). Also ist die Volumeneffizienz 72/0,057 = 1263 mol/h m³ und die Reaktionseffizienz pro Fläche ist 1,263 kmol/h m².In the reaction test, the volume of a titanium ribbon for growing titanium was 0.057 m³ and the deposition rate of titanium on the titanium ribbon was 3.45 kg/h (72 mol/h). So the volume efficiency is 72/0.057 = 1263 mol/h m³ and the reaction efficiency per area is 1.263 kmol/h m².

Es mag nicht ganz fair sein, einfach die Reaktionseffizienz der vorliegenden Erfindung mit der derart berechneten Reaktionseffizienz zu vergleichen, da die Reaktionsbedingungen, wie die Temperatur, die Zufuhrrate des Aufgageguts und dgl., anders eingestellt wurden. Es muß jedoch auch bemerkt werden, daß die Reaktion zwischen dem Titantetrachlorid und dem metallischen Magnesium bei der vorliegenden Erfindung eine Reaktionseffizienz vom wenigstens 49,6(62,7/1,263)-Fachen der oben beschriebenen Gasphasenreaktion und dem 48,2(62,7/1,3)- Fachen des Kroll'schen Verfahrens aufweist. Die Tatsache, daß die vorliegende Erfindung ein derart höhere Reaktionseffizienz zeigt, scheint darauf zu beruhen, dar das flüssige metallische Magnesium und das flüssige Titantetrachlorid zur Reaktionszone zugeführt werden und dort bei hoher Temperatur und unter hohem Druck gehalten werden.It may not be entirely fair to simply compare the reaction efficiency of the present invention with the reaction efficiency thus calculated, since the reaction conditions such as temperature, feed rate and the like were set differently. However, it must also be noted that the reaction between the titanium tetrachloride and the metallic magnesium in the present invention has a reaction efficiency of at least 49.6(62.7/1.263) times that of the gas phase reaction described above and 48.2(62.7/1.3) times that of the Kroll process. The fact that the present invention exhibits such a higher reaction efficiency appears to be due to the fact that the liquid metallic magnesium and the liquid titanium tetrachloride are fed to the reaction zone and maintained there at high temperature and under high pressure.

Die Temperatur der Reaktionszone wir über dem Schmelzpunkt des Titans eingestellt. Damit sich das metallische Titanprodukt stabil auf dem Boden des Reaktionsgefäßes absetzt, während es in geschmolzenem Zustand gehalten wird, ist es vorteilhaft, das Reaktionsgefäß auf einer Temperatur zu halten, die etwa 100 - 200 ºC höher als der Schmelzpunkt des Titans ist, und den Druck der Reaktionszone wenigstens über dem Dampfdruck des Metallreduktionsmittels bei der Reaktionstemperatur und vorzugsweise über der Summe der Dampfdrücke des Metallreduktionsmittels und seiner Chloride zu halten.The temperature of the reaction zone is set above the melting point of the titanium. In order for the metallic titanium product to settle stably on the bottom of the reaction vessel while being maintained in a molten state, it is advantageous to maintain the reaction vessel at a temperature about 100 - 200 ºC higher than the melting point of the titanium and to maintain the pressure of the reaction zone at least above the vapor pressure of the metal reducing agent at the reaction temperature. and preferably above the sum of the vapor pressures of the metal reducing agent and its chlorides.

Vorzugsweise dann, wenn Titan (Schmelzpunkt von 1670 ºC) unter Verwendung von Titantetrachlorid als Basismaterial und Magnesium als Metallreduktionsmittel gewonnen werden soll, wird das Bad in dem Reaktionsgefäß auf einer Temperatur von wenigstens 1670 ºC und vorzugsweise auf 1827 ºC und bei einem Druck von 42,6 atm, entsprechend dem Teildruck von Magnesium, und vorzugsweise über 48,6 atm, entsprechend der Gesamtsumme der Teildrücke von Magnesium (42,6 atm) und Magnesiumchlorid (5,98 atm) bei der Temperatur von 1827 ºC gehalten.Preferably, when titanium (melting point of 1670 ºC) is to be recovered using titanium tetrachloride as the base material and magnesium as the metal reducing agent, the bath in the reaction vessel is maintained at a temperature of at least 1670 ºC and preferably at 1827 ºC and at a pressure of 42.6 atm corresponding to the partial pressure of magnesium and preferably above 48.6 atm corresponding to the total of the partial pressures of magnesium (42.6 atm) and magnesium chloride (5.98 atm) at the temperature of 1827 ºC.

Um Titantetrachlorid zu reduzieren, kann das Metallreduktionsmittel in einer stoichiometrischen Menge verwendet werden. Um jedoch die Reduktion vollständig durchführen zu können, ist es vorteilhaft, einen bestimmten Überschuß an Metallreduktionsmittel in der Reaktionszone zu verwenden, um die Erzeugung von niedrigeren Titanchloriden zu unterbinden.To reduce titanium tetrachloride, the metal reducing agent can be used in a stoichiometric amount. However, to complete the reduction, it is advantageous to use a certain excess of metal reducing agent in the reaction zone to prevent the production of lower titanium chlorides.

Die Erfindung kann auf verschiedene Arten in die Praxis umgesetzt werden und einige Ausführungsbeispiele werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:The invention may be put into practice in various ways and some embodiments will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings, in which:

Fig. 1 ein vertikaler Schnitt durch eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;Fig. 1 is a vertical section through a first embodiment of the present invention;

Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche Ansicht, die eine zweite Ausführungsform zeigt, ist; undFig. 2 is a view similar to Fig. 1 showing a second embodiment; and

Fig. 3 eine teilweise weggeschnittene perspektivische Ansicht, die allgemein ein Beispiel eines in die Vorrichtung von Fig. 2 eingebetteten Reaktionsgefäßes zeigt, ist.Fig. 3 is a partially cut-away perspective view generally showing an example of a reaction vessel embedded in the device of Fig. 2.

Bei der vorliegenden Erfindung werden für eine Reaktion Titantetrachlorid und ein Metallreduktionsmittel in flüssiger Form einer Reaktionszone zugeführt. Magnesium oder Natrium können als Metallreduktionsmittel verwendet werden.In the present invention, titanium tetrachloride and a metal reducing agent are fed in liquid form to a reaction zone for a reaction. Magnesium or sodium can be used as metal reducing agents.

Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung weist eine Reaktionsgefäßstruktur A, die auch als Druckgefäß dient, auf. Die Reaktionsgefäßstruktur A umfaßt eine aus einer Stahlplatte hergestellte äußere Schale oder Wand 1, eine innere Wand aus Titan, die als Reaktionsgefäß 3 dient, und ein Wärmeisolationsmaterial 2 zwischen der äußeren Schale 1 und dem Reaktionsgefäß 3.The device shown in Fig. 1 has a reaction vessel structure A which also serves as a pressure vessel. The reaction vessel structure A includes an outer shell or wall 1 made of a steel plate, an inner wall made of titanium which serves as a reaction vessel 3, and a heat insulating material 2 between the outer shell 1 and the reaction vessel 3.

Ein Inertgas (z.B. Argon) wird aus einem Druckeinstellrohr 4 über ein Ventil 5 in das Reaktionsgefäß 3 eingeführt, so daß das Innere des Reaktionsgefäßes auf einen Druck, der ausreicht, um im Wesentlichen jegliches Aufkochen des Magnesiums und des Magnesiumchlorids zu verhindern, gebracht und dort gehalten wird, sogar dann, wenn die Temperatur in einer in dem Reaktionsgefäß 3 definierten Reaktionszone über den Schmelzpunkt von Titan ansteigt. Das Reaktionsgefäß 3 wird beispielsweise auf einem Druck von etwa 50 atm gehalten, wenn die Temperatur des Bades in dem Reaktionsgefäß 3 1827 ºC beträgt. Wenn der Druck in dem Reaktionsgefäß 3 höher oder geringer als der festgesetzte Wert ist, wird ein automatisches Druckregelventil (nicht gezeigt) betätigt, um den Druck automatisch auf dem eingestellten Wert zu halten.An inert gas (e.g. argon) is introduced from a pressure adjusting tube 4 through a valve 5 into the reaction vessel 3 so that the interior of the reaction vessel is brought to and maintained at a pressure sufficient to prevent substantially any boiling of the magnesium and magnesium chloride, even if the temperature in a reaction zone defined in the reaction vessel 3 rises above the melting point of titanium. The reaction vessel 3 is maintained at a pressure of about 50 atm, for example, when the temperature of the bath in the reaction vessel 3 is 1827°C. When the pressure in the reaction vessel 3 is higher or lower than the set value, an automatic pressure regulating valve (not shown) is operated to automatically maintain the pressure at the set value.

Flüssiges Magnesium, das als Metallreduktionsmittel verwendet werden soll, wird der Reaktionszone durch eine Metallreduktionsmittel-Zufuhrleitung 6, die sich durch die Seitenwand der Reaktionsgefäßstruktur A und in das Reaktionsgefäß 3 hinein erstreckt, zugeführt. In ähnlicher Weise wird der Reaktionszone flüssiges Titantetrachlorid durch eine Titantetrachlorid-Zufuhrleitung 7, die sich durch den oberen Bereich der Reaktiionsgefäßstruktur A und in das Reaktionsgefäß 3 hinein, zugeführt.Liquid magnesium to be used as a metal reducing agent is supplied to the reaction zone through a metal reducing agent supply line 6 extending through the side wall of the reaction vessel structure A and into the reaction vessel 3. Similarly, liquid titanium tetrachloride is supplied to the reaction zone through a titanium tetrachloride supply line 7 extending through the top of the reaction vessel structure A and into the reaction vessel 3.

Das Reaktionsgefäß 3 weist am mittleren Bereich seines äußeren Umfangs (in einer vertikalen Richtung), der die Reaktionszone umgibt, eine Heizung oder eine Heizeinrichtung 8, die für die Durchführung von elektromagnetischem Induktionsheizen, Widerstandsheizen oder dgl. geeignet ist, auf, um die Temperatur der Reaktionszone in dem Reaktionsgefäß 3 auf eine Höhe von über 1670ºC, entsprechend dem Schmelzpunkt von Titan, einzustellen. Ein Ablaßrohr 9 ist neben der Heizeinrichtung 8 an dem Reaktionsgefäß 3 angeschlossen, um durch die Reduktionsreaktion erzeugtes Magnesiumchlorid-Nebenerzeugnis abzulassen.The reaction vessel 3 has at the central region of its outer circumference (in a vertical direction) which defines the reaction zone a heater or heating device 8 suitable for carrying out electromagnetic induction heating, resistance heating or the like to adjust the temperature of the reaction zone in the reaction vessel 3 to a level above 1670ºC corresponding to the melting point of titanium. A drain pipe 9 is connected to the reaction vessel 3 adjacent to the heater 8 to drain magnesium chloride by-product produced by the reduction reaction.

Ein Formbereich 10 zum Erhärten des geschmolzenen metallischen Titanprodukts ist am unteren Bereich des Reaktionsgefäßes angeschlossen, um das Titanprodukt abzukühlen und zu herauszuziehen.A molding section 10 for solidifying the molten metallic titanium product is connected to the lower section of the reaction vessel to cool and withdraw the titanium product.

Die Gewinnung von metallischem Titan unter Verwendung der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung wird nun beschrieben werden.The recovery of metallic titanium using the apparatus shown in Fig. 1 will now be described.

Zuerst wird ein Titan-Rohblock 11 in den Formabschnitt 10 eingebracht, um den unteren Bereich des Reaktionsgefäßes 3 zu schließen, und dann werden Magnesium und Magnesiumchlorid in kleinen Mengen in das Reaktionsgefäß 3 eingebracht. Die Atmosphäre in dem Reaktionsgefäß 3 wird durch Argongas ersetzt, und dann wird die Heizeinrichtung 8 angeschaltet, um das Magnesium und das Magnesiumchlorid zu schmelzen, wodurch ein geschmolzenes Bad aus Magnesium und Magnesiumchlorid in dem Reaktionsgefäß 3 gebildet wird. Das geschmolzene Magnesium 12 schwimmt aufgrund der unterschiedlichen Dichte auf dem Magnesiumchlorid, so daß es getrennt von dem Magnesiumchlorid bleibt.First, a titanium ingot 11 is placed in the mold section 10 to close the lower portion of the reaction vessel 3, and then magnesium and magnesium chloride are placed in small amounts in the reaction vessel 3. The atmosphere in the reaction vessel 3 is replaced with argon gas, and then the heater 8 is turned on to melt the magnesium and magnesium chloride, thereby forming a molten bath of magnesium and magnesium chloride in the reaction vessel 3. The molten magnesium 12 floats on the magnesium chloride due to the difference in density, so that it remains separate from the magnesium chloride.

Nachfolgend wird mehr Argongas in das Reaktionsgefäß eingeführt, um den Druck zu erhöhen. Dann wird durch die Titantetrachlorid-Speiseleitung 7, die an dem oberen Ende des Reaktionsgefäßes 3 angeschlossen ist, flüssiges Titantetrachlorid zur Oberfläche des geschmolzenen Magnesiums 12 zugeführt. Flüssiges Magnesium wird dem geschmolzenen Magnesiumchlorid durch die Magnesium-Speiseleitung 6, die an der Seite des Reaktionsgefäßes 3 angeschlossen ist, zugeführt. Alternativ kann die Magnesium-Speiseleitung 6 am oberen Bereich des Reaktionsgefäßes 3 angeschlosses sein, so daß sowohl das Titantetrachlorid als auch das Magnesium in flüssiger Form vom oberen Bereich des Reaktionsgefäßes 3 aus zur Reaktionszone (wie in der Vorrichtung von Fig. 2, die nachfolgend beschrieben wird) zugeführt werden können.Subsequently, more argon gas is introduced into the reaction vessel to increase the pressure. Then, liquid titanium tetrachloride is supplied to the surface of the molten magnesium 12 through the titanium tetrachloride supply line 7 connected to the upper end of the reaction vessel 3. Liquid magnesium is added to the molten magnesium chloride through the magnesium feed line 6 connected to the side of the reaction vessel 3. Alternatively, the magnesium feed line 6 may be connected to the upper portion of the reaction vessel 3 so that both the titanium tetrachloride and the magnesium can be fed in liquid form from the upper portion of the reaction vessel 3 to the reaction zone (as in the apparatus of Fig. 2 described below).

Der Oberfläche der geschmolzenen Magnesiumschicht des Bades zugeführtes Titantetrachlorid reagiert als eine Flüssigkeit mit dem flüssigen Magnesium, und erzeugt so Titan 14 und Magnesiumchlorid 13. Alternativ kann es als Dampf mit Magnesiumdampf, der aus der geschmolzenen Magnesiumphase aus dem Bad verdampft wurde, oder tatsächlich mit dem flüssigen Magnesium reagieren.Titanium tetrachloride added to the surface of the molten magnesium layer of the bath reacts as a liquid with the liquid magnesium to produce titanium 14 and magnesium chloride 13. Alternatively, it may react as a vapor with magnesium vapor vaporized from the molten magnesium phase in the bath or actually with the liquid magnesium.

Die Reaktionswärme und die Wirkung der Heizeinrichtung 8 führen dazu, daß die Temperatur des Schmelzbades in dem Reaktionsgefäß 3 über den Schmelzpunkt von Titan ansteigt. Das Reaktionsgefäß 3 wird jedoch auf einem Druck über dem Dampfdruck von Magnesium bei dieser Temperatur gehalten, so daß das Titanprodukt 14, das Magnesiumchlorid-Nebenprodukt 13 und das Magnesium 12 alle in flüssigem Zustand gehalten werden. Außerdem ist das Schmelzbad in vertikaler Richtung in drei Schichten getrennt, nämlich Magnesium 12, Magnesiumchlorid 13 und Titan 14, aufgrund der Unterschiede in ihren Dichten in dieser Reihenfolge.The heat of reaction and the action of the heater 8 cause the temperature of the molten bath in the reaction vessel 3 to rise above the melting point of titanium. However, the reaction vessel 3 is maintained at a pressure above the vapor pressure of magnesium at this temperature, so that the titanium product 14, the magnesium chloride byproduct 13 and the magnesium 12 are all maintained in a liquid state. In addition, the molten bath is separated vertically into three layers, namely magnesium 12, magnesium chloride 13 and titanium 14, due to the differences in their densities in that order.

Das geschmolzene metallische Titanprodukt 14 schlägt sich nieder und sinkt durch die Schicht aus geschmolzenem Magnesium auf den Boden des Reaktionsgefäßes 3 und erreicht den oberen Bereich des Titan-Rohblocks, um bei seiner Erzeugung damit zu verschmelzen. Dementsprechend wird der Titan-Rohblock 11 kontinierlich in einer gegebenen Rate, während der das Titan durch Abkühlen erstarrt, abgezogen.The molten titanium metallic product 14 precipitates and sinks through the layer of molten magnesium to the bottom of the reaction vessel 3 and reaches the upper portion of the titanium ingot to fuse therewith as it is produced. Accordingly, the titanium ingot 11 is continuously withdrawn at a given rate during which the titanium solidifies by cooling.

Das Magnesiumchlorid-Nebenprodukt 13 wird durch die Ablaßleitung 9, die an der Seite des Reaktionsgefäßes 3 angeschlossen ist, mit einer Ablaßrate, die so gesetzt ist, daß das Schmelzbad in der Reaktionszone in der Tiefe konstant gehalten wird, abgelassen. Der Titan-Rohblock 11 wird mittels Walzen (nicht gezeigt) mit einer Rate, die der Menge von auf dem Titan-Rohblock niedergeschlagenem Titan (oder der Niederschlagsrate des Titans) entspricht, herausgezogen. Demgemäß wird die Position des geschmolzenen Titanprodukts über dem Titan-Rohblock 11 im wesentlichen konstant gehalten.The magnesium chloride by-product 13 is discharged through the discharge line 9 connected to the side of the reaction vessel 3 at a discharge rate set so that the molten pool in the reaction zone is kept constant in depth. The titanium ingot 11 is pulled out by means of rollers (not shown) at a rate corresponding to the amount of titanium deposited on the titanium ingot (or the deposition rate of titanium). Accordingly, the position of the molten titanium product above the titanium ingot 11 is kept substantially constant.

Die in Fig. 2 und 3 gezeigte Vorrichtung ist im wesentlichen in der gleichen Weise wie die von Fig. 1 aufgebaut, abgesehen von dem Aufbau des Reaktionsgefäßes 3, den Anordnung der Speiseleitung 6 für das Reduktionsmaterial und dem Aufbau des Heizers oder der Heizeinrichtung 8.The apparatus shown in Figs. 2 and 3 is constructed essentially in the same way as that of Fig. 1, apart from the construction of the reaction vessel 3, the arrangement of the feed line 6 for the reducing material and the construction of the heater or heating device 8.

Genauer gesagt ist das Reaktiionsgefäß 3 als eine sich vertikal erstreckende zylindrische Form ausgebildet, deren oberes und unteres Ende offen sind, und die mittels vertikaler Schlitze 31 in der Wand des Reaktiosngefäßes 3 in zwei oder mehrere Segmente 32 unterteilt ist. Bei der gezeigten Ausführungsform ist sie in zwölf Segmente 32 unterteilt. Jedes der Segmente 32 ist aus einem Material mit guter thermischer Leitfähigkeit, beispielsweise einem Metall wie Kupfer oder dgl., hergestellt. Die Schlitze 31 sind mit einem elektrisch isolierenden und wärmebeständigem Material gefüllt, um die Segmente 32 voneinander elektrisch zu isolieren. Die Segmente 32 sind jeweils mit einem inneren Kühlrohr 33 für die Zufuhr eines Kühlmittels dadurch versehen, um die Wand des Reaktionsgefäßes 3 zu kühlen und darin die Reaktionszone zu definieren. Die Kühlrohre 33 sind miteinander und zwischen einem Kühlmitteleinlaß 34 und einem Kühlmittelauslaß 35 verbunden, um einen Pfad für das Zirkulieren eines Kühlmittels zu bilden.More specifically, the reaction vessel 3 is formed as a vertically extending cylindrical shape, the upper and lower ends of which are open, and which is divided into two or more segments 32 by means of vertical slots 31 in the wall of the reaction vessel 3. In the embodiment shown, it is divided into twelve segments 32. Each of the segments 32 is made of a material with good thermal conductivity, for example a metal such as copper or the like. The slots 31 are filled with an electrically insulating and heat-resistant material to electrically isolate the segments 32 from each other. The segments 32 are each provided with an internal cooling tube 33 for supplying a coolant therethrough to cool the wall of the reaction vessel 3 and define the reaction zone therein. The cooling tubes 33 are connected to each other and between a coolant inlet 34 and a coolant outlet 35 to form a path for circulating a coolant.

Ein nach oben führendes Rohr 15 ist mit dem offenen oberen Ende des Reaktionsgefäßes verbunden, und sein oberes Ende ist über einen Zylinderabschnitt 16 mit Außen verbunden und in ihm ist die Reduktionsmittel-Speiseleitung 6 angeordnet. Die Titantetrachlorid-Speiseleitung 7 ist in dem oberen Bereich des Reaktionsrohres 15 angeordnet. Auf diese Weise werden flüssiges Magnesium und flüssiges Titantetrachlorid durch die Speiseleitungen 6 und 7 zur Reaktionszone zugeführt. Das Reaktionsgefäß 3 weist an seinem unteren Bereich einen Formabschnitt 19 auf, durch den eine Titan-Rohblock in das Reaktionsgefäß eingebracht wird.An upwardly leading pipe 15 is connected to the open upper end of the reaction vessel, and its upper end is connected to the outside via a cylinder section 16 and the reducing agent feed line 6 is arranged in it. The titanium tetrachloride feed line 7 is arranged in the upper region of the reaction tube 15. In this way, liquid magnesium and liquid titanium tetrachloride are fed to the reaction zone through the feed lines 6 and 7. The reaction vessel 3 has a mold section 19 at its lower region through which a titanium ingot is introduced into the reaction vessel.

Das durch die Segmente 32 gebildete Reaktionsgefäß 3 weist an seinem oberen Bereich am äußeren Umfang in einer Position, die der Reaktionszone im Inneren des Reaktionsgefäßes entspricht, eine elektromagnetische Induktionsheizspule 8a zum Erhöhen der Temperatur der Reaktionszone über den Schmelzpunkt von Titan (oder 1670 ºC) auf. In seinem unteren Teil weist das Gefäß 3 eine untere elektromagnetische Induktionsheizspule 8b zum Schmelzen des oberen Bereichs des Titan-Rohblocks 11 und des sich neben dieser Oberfläche befindlichen Magnesiumchlorids auf, damit die Oberfläche des Rohblocks während der Reaktion ständig in einem geschmolzenen Zustand verbleibt. So weist die Heizeinrichtung 8 in der gezeigten Ausführungsform die obere und die untere elektromagnetische Induktionsheizspule 8a bzw. 8b auf.The reaction vessel 3 formed by the segments 32 has, at its upper portion on the outer periphery in a position corresponding to the reaction zone inside the reaction vessel, an electromagnetic induction heating coil 8a for raising the temperature of the reaction zone above the melting point of titanium (or 1670 ºC). In its lower portion, the vessel 3 has a lower electromagnetic induction heating coil 8b for melting the upper portion of the titanium ingot 11 and the magnesium chloride adjacent to that surface so that the surface of the ingot remains constantly in a molten state during the reaction. Thus, in the embodiment shown, the heating device 8 has the upper and lower electromagnetic induction heating coils 8a and 8b, respectively.

Wie oben beschrieben ist die Ausführungsform von Fig. 2 und 3 so aufgebaut, daß das Reaktionsgefäß 3 in eine Vielzahl der gekühlten Segmente 32 unterteilt ist, und die Segmente 32 sind durch die Schlitze 31 elektrisch voneinander isoliert. Ein derartige Aufbau verhindert im wesentlichen die Bildung von Wirbelströmen aufgrund der elektromagnetischen Induktionsheizung in den jeweiligen Segementen 32, und ermöglicht so, daß die geschmolzenen Materialien in der Reaktionszone des Reaktionsgefäßes 3 und der obere Bereich des Titan-Rohblocks einer Induktionsheizung unterworfen werden, ohne daß die Segmente 32 erwärmt werden. Die Vorrichtung umfaßt ein Ablaßrohr 9 zum Ablassen des Magnesiumchlorid-Nebenprodukts, das an einem im wesentlichen mittleren Bereich einer Seite des Reaktionsgefäßes 3 angeschlossen ist, im vorliegenden Fall zwischen der oberen und der unteren Induktionsheizspule 8a bzw. 8b.As described above, the embodiment of Figs. 2 and 3 is constructed such that the reaction vessel 3 is divided into a plurality of the cooled segments 32, and the segments 32 are electrically insulated from each other by the slits 31. Such a construction substantially prevents the formation of eddy currents due to the electromagnetic induction heating in the respective segments 32, and thus enables the molten materials in the reaction zone of the reaction vessel 3 and the upper portion of the titanium ingot to be subjected to induction heating without heating the segments 32. The apparatus comprises a Drain pipe 9 for draining the magnesium chloride by-product, which is connected to a substantially central region of one side of the reaction vessel 3, in the present case between the upper and lower induction heating coils 8a and 8b, respectively.

Bei der gezeigten Ausführungsform ist das Reaktionsgefäß 3 im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit und die Wartung aus einem Metallagens hergestellt. Es kann jedoch auch aus einem keramischen Material, wie beispielsweise Tonerde, Zirkoniumarten oder dgl., hergestellt sein. In einem derartigen Fall wäre es nicht erforderlich, das Reaktionsgefäß 3 in Segmente zu unterteilen.In the embodiment shown, the reaction vessel 3 is made of a metal agent in view of economy and maintenance. However, it may also be made of a ceramic material such as alumina, zirconium species or the like. In such a case, it would not be necessary to divide the reaction vessel 3 into segments.

Die Arbeitsweise der in Fig. 2 und 3 gezeigten Vorrichtung wird nun beschrieben werden. Grundsätzlich ist die Arbeitsweise der Vorrichtung der Fig. 2 und 3 der der Fig. 1 ähnlich.The operation of the device shown in Fig. 2 and 3 will now be described. Basically, the operation of the device of Fig. 2 and 3 is similar to that of Fig. 1.

Zuerst wird ein Titan-Rohblock 11 in den Formabschnitt 10 eingeführt, um den unteren Bereich des Reaktionsgefäßes 3 zu schließen, und dann werden in kleinen Mengen Magnesium und Magnesiumchlorid in das Reaktionsgefäß 3 eingebracht. Dann wird die Atmosphäre in dem Reaktionsgefäß 3 durch Argongas ersetzt und die untere magnetische Induktionsheizspule 8b wird angeschaltet, um den oberen Bereich des Titan-Rohblocks zu schmelzen, während die obere magnetische Induktionsheizspule 8a angeschaltet wird, um das in die Reaktionszone eingebrachte Magnesium und Magnesiumchlorid zu schmelzen, wodurch ein Schmelzbad aus Magnesium und Magnesiumchlorid im Reaktionsgefäß 3 gebildet wird. Geschmolzenes Magnesium 12 sammelt sich und schwimmt aufgrund des Unterschieds in Dichte und dem durch die elektromagnetische Induktion hervorgerufenen Magnetfeld auf dem Magnesiumchlorid, so daß es von dem Magnesiumchlorid getrennt bleibt. Ein Teil des geschmolzenen Magnesiumchlorids fließt in den Spalt zwischen dem Titan-Rohblock 11 und der inneren Oberfläche des Reaktionsgefäßes 3, wo es durch Abkühlung erstarrt, und schafft so eine Druckdichtung und elektrische Isolierung.First, a titanium ingot 11 is introduced into the mold section 10 to close the lower portion of the reaction vessel 3, and then magnesium and magnesium chloride are introduced into the reaction vessel 3 in small amounts. Then, the atmosphere in the reaction vessel 3 is replaced with argon gas, and the lower magnetic induction heating coil 8b is turned on to melt the upper portion of the titanium ingot, while the upper magnetic induction heating coil 8a is turned on to melt the magnesium and magnesium chloride introduced into the reaction zone, thereby forming a molten pool of magnesium and magnesium chloride in the reaction vessel 3. Molten magnesium 12 collects and floats on the magnesium chloride due to the difference in density and the magnetic field caused by the electromagnetic induction, so that it remains separated from the magnesium chloride. A part of the molten magnesium chloride flows into the gap between the titanium ingot 11 and the inner surface of the reaction vessel 3, where it solidifies by cooling, creating a pressure seal and electrical insulation.

Nachfolgend wird mehr Argongas in das Reaktionsgefäß 3 eingeführt, um den Druck zu erhöhen, und flüssiges Magnesium und Titantetrachlorid werden durch das Magnesium-Speiserohr 6 und das Titantetrachlorid-Speiserohr 7, die am oberen Ende des Reaktionsgefäßes 3 angeschlossen sind, zur Oberfläche des geschmolzenen Magnesiums 12, das eine obere Schicht des Schmelzbades oder der Reaktionszone bildet, zugeführt. Alternativ kann das Magnesium-Speiserohr 6, wie in der Vorrichtung von Fig. 1, an der Seite des Reaktionsgefäßes 3 angeschlossen sein.Subsequently, more argon gas is introduced into the reaction vessel 3 to increase the pressure, and liquid magnesium and titanium tetrachloride are supplied to the surface of the molten magnesium 12 forming an upper layer of the molten bath or reaction zone through the magnesium feed pipe 6 and the titanium tetrachloride feed pipe 7 connected to the upper end of the reaction vessel 3. Alternatively, the magnesium feed pipe 6 may be connected to the side of the reaction vessel 3 as in the apparatus of Fig. 1.

Titantetrachlorid in der Reaktionszone oder auf der Oberfläche der geschmolzenen Magnesiumschicht des Schmelzbades reagiert in flüssiger Form mit dem flüssigen Magnesium, um Titan 14 und Magnesiumchlorid 13 zu erzeugen. Alternativ kann es als Dampf mit aus der geschmolzenen Magnesiumschicht oder dem flüssigen Magnesium verdampftem Magnesiumdampf reagieren.Titanium tetrachloride in the reaction zone or on the surface of the molten magnesium layer of the melt bath reacts in liquid form with the liquid magnesium to produce titanium 14 and magnesium chloride 13. Alternatively, it can react as a vapor with magnesium vapor evaporated from the molten magnesium layer or the liquid magnesium.

Die Reaktionswärme und die Wirkung des Heizers 8 bewirken, daß die Temperatur des Schmelzbades in dem Reaktionsgefäß 3 über den Schmelzpunkt des Titans ansteigt. Das Reaktionsgefäß 3 wird jedoch unter einem Druck über einem Dampfdruck von Magnesium bei dieser Temperatur gehalten, so daß das Titanprodukt 14, das das Magnesiumchlorid-Nebenprodukt 13 und das Magnesium 12 alle in einem flüssigen Zustand gehalten werden. Auch das Schmelzbad ist aufgrund der Unterschiede in den Dichten vertikal in drei Schichten, nämlich Magnesium 12, Magnesiumchlorid 13 und Titan 14, in dieser Reihenfolge unterteilt.The heat of reaction and the action of the heater 8 cause the temperature of the molten bath in the reaction vessel 3 to rise above the melting point of the titanium. However, the reaction vessel 3 is maintained at this temperature under a pressure above a vapor pressure of magnesium so that the titanium product 14, the magnesium chloride byproduct 13 and the magnesium 12 are all maintained in a liquid state. Also, the molten bath is divided vertically into three layers, namely magnesium 12, magnesium chloride 13 and titanium 14, in that order, due to differences in densities.

Das geschmolzene metallische Titanprodukt 14 schlägt sich nieder und sinkt durch die geschmolzene Magnesiumschicht und die geschmolzene Magnesiumchloridschicht zum unteren Bereich des Reaktionsgefäßes 3 und erreicht den oberen Bereich des Titan-Rohblocks 11, wo es in dem geschmolzenen Zustand verbleibt und Rühren und Mischen durch die untere elektromagnetische Induktionsheizspule 8b unterworfen wird. Das führt dazu, daß das geschmolzene Titanprodukt 14 homogen ist.The molten metallic titanium product 14 precipitates and sinks through the molten magnesium layer and the molten magnesium chloride layer to the lower region of the reaction vessel 3 and reaches the upper region of the titanium ingot 11 where it remains in the molten state and is subjected to stirring and mixing by the lower electromagnetic induction heating coil 8b. This results in the molten titanium product 14 being homogeneous.

Das Titanprodukt 14 verschmilzt mit dem oberen Bereich des Titan-Rohblocks 11, und der Titan-Rohblock 11 wird kontinuierlich mit einer geeigneten Rate, während der das Produkt gekühlt wird und durch das in den Kühlrohren 33 der Segmente 32 zirkulierende Kühlmittel erstarrt, herausgezogen.The titanium product 14 fuses with the upper portion of the titanium ingot 11, and the titanium ingot 11 is continuously drawn out at an appropriate rate during which the product is cooled and solidified by the coolant circulating in the cooling tubes 33 of the segments 32.

Das Magnesiumchloridnebenprodukt 13 wird durch das an der Seite des Reaktionsgefäßes 3 angeschlossene Ablaßrohr 9 mit einer Ablaßrate, die so eingerichtet ist, daß das Schmelzbad in der Reaktionszone auf einem konstanten Niveau gehalten wird, abgelassen. Zu dieser Zeit fließt ein Teil des Magnesiumchlorids in den Spalt zwischen dem Titan-Rohblock 11 und der Wand des Reaktionsgefäßes und erstarrt dort, um so eine Isolationsschicht zu bilden, die dazu dient, eine Berührung zwischen dem Rohblock 11 und dem Reaktionsgefäß zu verhindern. Die Isolationsschicht entwickelt Wärmeisolations- und Druckabdichtungswirkungen. Die Isolationsschicht kann durch mechanische Reibung teilweise zerbrechen, wenn der Titan-Rohblock 11 nach unten herausgezogen wird. Wenn das jedoch eintritt, fließt das Magnesiumchlorid schnell von der geschmolzenen Magnesiumchloridphase in den gebrochenen Teil der Isolationsschicht und erstarrt dort, um erneut eine Isolationsschicht zu bilden. Auch wird das geschmolzene Titan durch die untere elektromagnetische Induktionsheizspule 8b erwärmt und neigt dazu, in dessen zentralem Bereich frei zu schweben. Entsprechend fließt Magnesiumchlorid leicht in den Spalt zwischen der Wand des Reaktionsgefäßes und dem Titan-Rohblock 11, um die Bildung der zusätzlichen Isolationsschicht zu vereinfachen.The magnesium chloride byproduct 13 is discharged through the discharge pipe 9 connected to the side of the reaction vessel 3 at a discharge rate set to keep the molten bath in the reaction zone at a constant level. At this time, a part of the magnesium chloride flows into the gap between the titanium ingot 11 and the wall of the reaction vessel and solidifies there to form an insulating layer which serves to prevent contact between the ingot 11 and the reaction vessel. The insulating layer develops heat insulating and pressure sealing effects. The insulating layer may be partially broken by mechanical friction when the titanium ingot 11 is pulled out downward. However, when this occurs, the magnesium chloride quickly flows from the molten magnesium chloride phase into the broken part of the insulating layer and solidifies there to form an insulating layer again. Also, the molten titanium is heated by the lower electromagnetic induction heating coil 8b and tends to float freely in its central region. Accordingly, magnesium chloride easily flows into the gap between the wall of the reaction vessel and the titanium ingot 11 to facilitate the formation of the additional insulation layer.

Der Titan-Rohblock 11 wird mittels Walzen (nicht gezeigt) mit einer Rate herausgezogen, die der Menge von Titan entspricht, die sich auf dem Titan-Rohblock durch Ausfällung abgesetzt hat. Demgemäß wird die Position des geschmolzenen Titanprodukts über dem Titan-Rohblock 11 im wesentlichen konstant gehalten. Ein Teil der Reaktionswärme in dem Reaktionsgefäß wird durch Strahlung und Konvektion nach oben aus dem Reaktionsgefäß entfernt, ein großer Teil der Wärme wird jedoch durch das Kühlmittel das in den Zirkulationsrohren 33 an den Segmenten 32, die das Reaktionsgefäß bilden, zirkuliert, nach außen abgeführt.The titanium ingot 11 is pulled out by means of rollers (not shown) at a rate corresponding to the amount of titanium which has precipitated on the titanium ingot. Accordingly, the position of the molten titanium product above the titanium ingot 11 is kept substantially constant. Part of the heat of reaction in the reaction vessel is removed upwardly from the reaction vessel by radiation and convection, but a large part of the heat is carried away to the outside by the coolant circulating in the circulation tubes 33 on the segments 32 forming the reaction vessel.

Entsprechend wird die vorliegende Erfindung unter Bedingungen durchgeführt, bei denen die Temperatur der Reaktionszone über dem Schmelzpunkt von metallischem Titanprodukt und der Druck bei wenigstens dem Dampfdruck des Metallreduktionsmittels bei dieser Temperatur gehalten wird, so daß ein Kochen des Metallreduktionsmittels und seines Chlorids im wesentlichen verhindert werden kann, um sie in dem Reaktionsgefäßf in flüssigem Zustand zu halten, wodurch die Reduktion effektiv durchgeführt wird.Accordingly, the present invention is carried out under conditions in which the temperature of the reaction zone is maintained above the melting point of metallic titanium product and the pressure is maintained at at least the vapor pressure of the metal reducing agent at that temperature, so that boiling of the metal reducing agent and its chloride can be substantially prevented to maintain them in the liquid state in the reaction vessel, thereby effectively carrying out the reduction.

Die vorliegende Erfindung erlaubt auch, daß das metallische Titanprodukt, sofern das bevorzugt wird, in flüssiger Form gewonnen wird. Die Trennung des metallischen Titanprodukts und des Chloridnebenprodukts des Metallreduktionsmittels ist einfach, und der Titan-Rohblock kann direkt entfernt werden, wodurch die gesamte Gewinnungsvorrichtung klein dimensioniert werden kann.The present invention also allows the metallic titanium product to be recovered in liquid form, if preferred. The separation of the metallic titanium product and the chloride byproduct of the metal reducing agent is simple and the titanium ingot can be directly removed, thus allowing the entire recovery apparatus to be small in size.

Weiterhin erlaubt die vorliegende Erfindung, die Gewinnung von metallischem Titanprodukt kontinuierlich durchzuführen, so daß die Schritte des Trennens, dss Zerkleinerns und des Schmelzens, die bei dem herkömmlichen Kroll'schen Verfahren erforderlich sind, ausgeblendet werden können, was zu einer bemerkenswerten Senkung der Herstellungskosten bei gleichzeitiger Lieferung von Titan höchster Qualität führt.Furthermore, the present invention allows the extraction of metallic titanium product to be carried out continuously, so that the steps of separation, crushing and melting required in the conventional Kroll process can be eliminated, resulting in a remarkable reduction in production costs while delivering titanium of the highest quality.

Die obige Beschreibung wurde in Verbindung mit der Gewinnung von Titan gemacht. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch für die Gewinnung von Metallen wie Zirkonium, Hafnium, Niob und ihrer Legierungen, Silizium und dgl. verwendet werden.The above description was made in connection with the extraction of titanium. However, the present invention can also be used for the extraction of metals such as zirconium, hafnium, niobium and their alloys, silicon and the like.

Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die folgenden, nicht einschränkenden Beispiele erläutert.The present invention will now be explained with reference to the following non-limiting examples.

EXAMPLE 1

Das Beispiel wurde unter Verwendung einer gemäß Fig. 1 konstruierten Vorrichtung durchgeführt.The example was carried out using a device constructed according to Fig. 1.

Ein Reaktionsgefäß mit einem Innendurchmesser von 20 cm wurde verwendet, und ein Titan-Rohblock mit einem Innendurchmesser von 10 cm wurde in den Formabschnitt des Reaktionsgefäßes eingeführt, um den Boden zu schließen. 20 kg Magnesiumchlorid und 4,6 kg Magnesium wurden in das Reaktionsgefäß eingebracht, welches dann völlig geschlossen wurde.A reaction vessel with an inner diameter of 20 cm was used, and a titanium ingot with an inner diameter of 10 cm was inserted into the mold section of the reaction vessel to close the bottom. 20 kg of magnesium chloride and 4.6 kg of magnesium were placed in the reaction vessel, which was then completely closed.

Die Atmosphäre in dem Reaktionsgefäß wurde mit Argon ersetzt, das Magnesiumchlorid und das Magnesium wurden durch elektromagnetische Induktionsheizung auf 1000 ºC erwärmt und das Reaktionsgefäß wurde bis zu etwa 50 atm unter Druck gesetzt.The atmosphere in the reaction vessel was replaced with argon, the magnesium chloride and magnesium were heated to 1000 ºC by electromagnetic induction heating and the reaction vessel was pressurized to about 50 atm.

Sofort nachdem diese Bedingungen hergestellt wurden, wurden Titantetrachlorid und flüssiges Magnesium, die auf 800 ºC gehalten wurden, dem Reaktionsgefäß mit Zufuhrraten von 4,0 l/min (7,0 kg/min) bzw. 1,2 l/min (1,8 kg/min) zugeführt. Dadurch wurde ein rascher Anstieg der Temperatur des Bades auf 1827 ºC bewirkt, und die Leistung für das elektomagnetische Induktionsheizen wurde verringert, um die Temperatur auf 1827 ºC ±50 ºC zu halten.Immediately after these conditions were established, titanium tetrachloride and liquid magnesium, maintained at 800 ºC, were fed into the reaction vessel at feed rates of 4.0 L/min (7.0 kg/min) and 1.2 L/min (1.8 kg/min), respectively. This caused the temperature of the bath to rise rapidly to 1827 ºC, and the power for electromagnetic induction heating was reduced to maintain the temperature at 1827 ºC ±50 ºC.

Anschließend wurde der Rohblock mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 4,9 cm/min nach unten herausgezogen. Dieser Betrieb wurde für 3 Stunden weitergeführt und das Ergebnis war die Gewinnung eines Titan-Rohblock einer Menge von 0,3 t.The ingot was then pulled out downwards at an average speed of 4.9 cm/min. This operation continued for 3 hours and the result was the extraction of a titanium ingot weighing 0.3 tonnes.

Das während dieses Vorgangs erzeugte Magnesiumchlorid-Nebenprodukt wurde mit einer geeigneten Rate, um die Tiefe des Bades im Reaktionsgefäß konstant zu halten, kontinuierlich aus dem Reaktionsgefäß abgelassen.The magnesium chloride byproduct produced during this process was continuously drained from the reaction vessel at an appropriate rate to keep the depth of the bath in the reaction vessel constant.

Der so hergestellte Titan-Rohblock wurde mit Titanschwamm, der mittels des Kroll'schen Verfahrens gewonnen wurde, verglichen. Es zeigte sich, daß der Titan-Rohblock von hoher Reinheit und Qualität war, wie in Tabelle 1, in der die Zahlen in Gewichtsprozent und der Ausgleich in jedem Fall Titan ist, angezeigt ist. Tabelle 1 Chemische Zusammensetzung Typ vorliegende Erfindung Titan-Schwamm nach dem Kroll'sch. Verfahren Das Symbol ≥ wird in der Bedeutung "bis zu und einschließlich" verwendet, so daß die nachfolgende Zahl einen Maximalwert darstellt.The titanium ingot thus prepared was compared with titanium sponge obtained by the Kroll process. The titanium ingot was found to be of high purity and quality as indicated in Table 1, in which the figures are in weight percent and the balance is titanium in each case. Table 1 Chemical composition Type Present invention Titanium sponge according to the Kroll process The symbol ≥ is used to mean "up to and including" so that the following number represents a maximum value.

EXAMPLE 2

Das Beispiel wurde unter Verwendung einer gemäß Fig. 2 und 3 konstruierten Vorrichtung durchgeführt.The example was carried out using a device constructed according to Figs. 2 and 3.

Ein Reaktionsgefäß mit einem Innendurchmesser von 20 cm wurde verwendet, und ein Titan-Rohblock mit einem Innendurchmesser von 19,5 cm wurde in den Formabschnitt des Reaktionsgefäßes eingeführt, um den Boden zu schließen. Dann wurden 20 kg Magnesiumchlorid und 4,6 kg Magnesium in das Reaktionsgefäß eingebracht, welches dann völlig geschlossen wurde.A reaction vessel with an inner diameter of 20 cm was used, and a titanium ingot with an inner diameter of 19.5 cm was inserted into the mold section of the reaction vessel to close the bottom. Then, 20 kg of magnesium chloride and 4.6 kg of magnesium were introduced into the reaction vessel, which was then completely closed.

Die Atmosphäre in dem Reaktionsgefäß wurde mit Argon ersetzt, und der obere Bereich des Titan-Rohblocks und das Reaktionsgefäß wurden mittels elektromagnetischer Induktionsheizung erwärmt, um das Magnesiumchlorid und das Magnesium in der Reaktionszone auf eine Temperatur von 1000 ºC zu erwärmen. Durch die Erwärmung geschmolzenes Magnesiumchlorid floß in den Spalt zwischen der Wand des Reaktionsgefäßes und dem Titan-Rohblock, um eine Isolationsschicht zu bilden, die auch eine Druckdichtwirkung zeigte.The atmosphere in the reaction vessel was replaced with argon, and the upper portion of the titanium ingot and the reaction vessel were heated by electromagnetic induction heating to heat the magnesium chloride and magnesium in the reaction zone to a temperature of 1000 ºC. Magnesium chloride molten by the heating flowed into the gap between the wall of the reaction vessel and the titanium ingot to form an insulation layer, which also exhibited a pressure sealing effect.

Das Reaktionsgefäß wurde dann bis zu etwa 50 atm unter Druck gesetzt. Sofort nachdem diese Bedingungen hergestellt wurden, wurden Titantetrachlorid und flüssiges Magnesium, die auf 800 ºC gehalten wurden, dem Reaktionsgefäß mit Zufuhrraten von 4,0 l/min (7,0 kg/min) bzw. 1,2 l/min (1,8 kg/min) zugeführt. Dadurch wurde ein rascher Anstieg der Temperatur des Bades auf 1827 ºC bewirkt, und die Leistung für das elektomagnetische Induktionsheizen wurde verringert, um die Temperatur auf 1827 ºC ±50 ºC zu halten.The reaction vessel was then pressurized to about 50 atm. Immediately after these conditions were established, titanium tetrachloride and liquid magnesium, maintained at 800 ºC, were fed to the reaction vessel at feed rates of 4.0 L/min (7.0 kg/min) and 1.2 L/min (1.8 kg/min), respectively. This caused the bath temperature to rise rapidly to 1827 ºC, and the electromagnetic induction heating power was reduced to maintain the temperature at 1827 ºC ±50 ºC.

Anschließend wurde der Rohblock mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 1,3 cm/min nach unten herausgezogen. Dieser Betrieb wurde für 2 Stunden weitergeführt und das Ergebnis war die Gewinnung eines Titan-Rohblock einer Menge von 0,2 t.The ingot was then pulled out downwards at an average speed of 1.3 cm/min. This operation continued for 2 hours and the result was the extraction of a titanium ingot weighing 0.2 tonnes.

Der so hergestellte Titan-Rohblock wurde mit Titanschwamm, der mittels des Kroll'schen Verfahrens gewonnen wurde, verglichen. Es zeigte sich, daß der Titan-Rohblock von hoher Reinheit und Qualität, ähnlich der in Tabelle 1 gezeigten, war.The titanium ingot thus prepared was compared with titanium sponge obtained by the Kroll process. It was found that the titanium ingot was of high purity and quality, similar to that shown in Table 1.

Claims

1. A process for producing titanium by reducing titanium tetrachloride with a metallic reducing agent, comprising the steps of: maintaining the temperature in a reaction zone (12) in a reaction vessel (3) above the melting point of the metallic titanium (14) to be produced; feeding the titanium tetrachloride and the metallic reducing agent into the reaction vessel (3) for reaction to produce a metallic titanium product (14) and a chloride by-product (13) of the metallic reducing agent, the product and the by-product being kept in a molten state; separating the metallic titanium product (14) and the chloride by-product (13) of the metallic reducing agent by utilizing their different densities; collecting the metallic titanium product (14) at the bottom of the reaction vessel (3); and continuously withdrawing the metallic product (14) from the bottom of the reaction vessel (93), characterized in that the pressure in the reaction zone (12) is maintained above the vapor pressure of the metallic reducing agent at the temperature in the reaction zone (12).

2. Method according to claim 1, characterized in that the titanium product (14) is caused to solidify by cooling during removal.

3. A method according to claim 1, characterized in that a molten bath (12) consisting of the chloride of the metallic reducing agent and optionally also of the metallic reducing agent is formed in the reaction vessel beforehand, so that the surface of the molten bath forms the reaction zone, and that titanium tetrachloride and the metallic reducing agent is fed to the reaction zone.

4. Process according to claim 3, characterized in that the titanium tetrachloride in liquid form is fed from above into the reaction vessel (3) and the metallic reducing agent is either fed in the same way or injected into the bath (12).

5. Process according to one of the preceding claims, characterized in that the chloride by-product (13) of the metallic reducing agent is discharged from the reaction vessel (9) at a rate which is adjusted so that the position of the reaction zone (12) remains substantially constant.

6. A method according to any one of the preceding claims, characterized by the steps of: introducing a titanium block (11) at the bottom of the reaction vessel (3), which causes the metallic titanium product (14) to fuse with the titanium block (11), and continuously withdrawing the metallic titanium product (14) together with the titanium block (11) at a rate corresponding to the amount of the metallic titanium product that has fused with the titanium block.

7. Process according to one of the preceding claims, characterized in that the metallic reducing agent is magnesium or sodium.

8. Process according to one of the preceding claims, characterized in that the reaction pressure is above the total sum of the vapor pressures of the metallic reducing agent and its chloride at the reaction temperature.