DE4124547C2 - Verfahren zur Isolierung von Titananteilen - Google Patents
Verfahren zur Isolierung von TitananteilenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Isolierung von Titananteilen als Titanchlorid
aus einem Material, das
Titannitrid als einen seiner Bestandteile enthält.
Inbesondere betrifft die Erfindung ein zur Wiedergewinnung
von Titananteilen als Titanchlorid geeignetes Verfahren aus
einem derartigen Material, das erhalten wird durch Nitrierung
eines komplexen Mineral- oder metallurgischen
Ausgangsmaterials, z. B. eines titanhaltigen Erzes oder einer
titanhaltigen Schlacke, die Titanoxid zusätzlich zu anderen
Metalloxiden enthalten, insbesondere von Schlacken mit
niedrigen Titangehalten, welche 30 bis 80 Masse-% oder
weniger Titan, ausgedrückt als TiO₂, enthalten, und von
titanhaltigen Erzen, die Gemische von Metalloxiden oder
Titanaten sind.
Aus DE-A-33 14 228 ist ein Verfahren zur Trennung und Herstellung reiner Ferrole
gierungsmetalle von feinkörnigen oxidischen Rohmineralprodukten durch Reduk
tionsschmelzung und nachfolgende anodische Freisetzung des Eisengehaltes
bekannt, wobei während dem Reduktionsprozeß insbesondere Carbide gebildet
werden. Druckschrift DE 21 03 255 beschreibt ein carbothermisches Verfahren zur
Reduktion eines Oxids aus einem reaktionsfähigen Metall. US-Patent 3,060,002
beschreibt die Behandlung von Titan enthaltendem Ausgangsmaterial, das mit
Eisen, Kalzium oder Magnesium verunreinigt ist, zur Herstellung eines titanhaltigen
Materials, das im wesentlichen frei von Eisen, Magnesium und Kalzium ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neues Verfahren zur
Isolierung von Titananteilen aus einem titanhaltigen Rohmaterial, beispielsweise
titanhaltiger Schlacke, bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch das in den Ansprüchen gekennzeichnete Verfahren
gelöst. Insbesondere wird ein Verfahren zur Isolierung von Titananteilen aus einem
Titannitrid enthaltenden Material durch Chlorierung des Titannitrids in Titannitrid
enthaltenden Material unter Erzielung eines Titanchlorid enthaltenden Reaktions
produkts und durch Abtrennung des Titanchlorids vom Reaktionsprodukt bereitge
stellt, wobei die Chlorierung des Titannitrids durch Kontaktieren eines Chlorierga
ses mit dem Titannitrid enthaltenden Material bei einer Temperatur von 200 bis
500°C unter Erhalt des Titanchlorids als TiCl₄ erfolgt. Vor der Chlorierung kann
eine Nitrierung von Titananteilen in einem komplexen titanhaltigen Ausgangs
material unter Erhalt des Titannitrias enthaltenden Materials erfolgen.
Obwohl das Verfahren von wesentlicher Bedeutung ist für
mineralische oder metallurgische Ausgangsmaterialien, die
hohe Titangehalte von beispielsweise über 80 Masse-%
ausgedrückt als TiO₂ aufweisen können, erweist es sich als
besonders brauchbar für metallurgische Ausgangsmaterialien
wie titanhaltige Erze oder Schlacken, die mehr oder weniger
komplex zusammengesetzt sind und relativ niedrige
Titananteile von weniger als 80 Masse-% und sogar nur 30%
oder noch weniger, ausgedrückt als TiO₂ haben können. So
kann das Ausgangsmaterial eine komplexe metallurgische
titanhaltige Schlacke sein, die höchstens 80 Masse-%
Titananteile enthält, oder statt dessen kann das
Ausgangsmaterial ausgewählt werden aus der Gruppe von Erzen,
die aus Rutil, Ilmenit, Perovskit, Armalcolit, Fassait und
Gemischen derselben bestehen.
Die Nitrierstufe wird zweckdienlicherweise durch Leiten von
Stickstoff bei erhöhter Temperatur durch oder über das
Ausgangsmaterial in Teilchenform durchgeführt, wobei das
Verfahren die Nitrierung eines Ausgangsmaterials mit einer
maximalen Teilchengröße umfaßt, die so klein wie möglich
oder praktisch erzielbar ist und z. B. 10 bis 2000 µm mit
einer durchschnittlichen Teilchengröße von höchstens
600 µm beträgt, wobei die maximale Teilchengröße und
durchschnittliche Teilchengröße vorzugsweise im Bereich von
50 bis 100 µm liegen. Das Verfahren kann somit die
Verfahrensstufe fassen, vor der Nitrierung der Titananteile,
die Größe des Ausgangsmaterials auf eine maximale
Teilchengröße von höchstens 2000 µm und eine
durchschnittliche Teilchengröße von höchstens 600 µm zu
vermindern. Die Größenverminderung erfolgt typischerweise
durch Zerstoßen und Vermahlen und die gewählte endgültige
Teilchengröße und Teilchengrößenverteilung hängt
üblicherweise von ökonomischen Überlegungen ab, wobei die
Mahlkosten abgewogen werden gegen den erhöhten
Oberflächenbereich, der für eine rasche und vollständige
Nitrierreaktion verfügbar gemacht wird.
Wie oben angegeben, erfolgt die Nitrierung typischerweise
durch Leiten von Stickstoffgas durch oder über ein
teilchenförmiges Ausgangsmaterial bei einer erhöhten
Temperatur, wahlweise bei atmosphärischem oder erhöhtem
Druck und diese Maßnahme kann mit einem Überschuß an
Stickstoffgas in einer reduzierenden Umgebung, die
beispielsweise durch Beimischen von Kohlenstoff in
teilchenförmiger Form in geeigneten Mengen in das
Ausgangsmaterial geschaffen wird, erfolgen. Mit anderen
Worten, die Nitrierung der Titananteile kann durch
Kontaktieren eines stöchiometrischen Überschusses an
Stickstoffgas mit dem Ausgangsmaterial bei einer erhöhten
Temperatur und in einer reduzierenden Umgebung durchgeführt
werden. Überraschenderweise kann die Verwendung eines
stöchiometrischen Überschusses an Stickstoff Kohlendioxid
aus der Reaktionszone entfernen und die Bildung von
Titancarbid, die unerwünscht ist, unterdrücken. Vorzugsweise
enthält das für die Nitrierung verwendete Gas mindestens 25
Vol.-% Stickstoff, obwohl natürlich die erzielte Nitrierung
um so besser ist, je höher der Stickstoffgehalt (bis zu 100
%) ist. Die Nitrierstufe kann in einem geeigneten
metallurgischen Reaktor durchgeführt werden, z. B. in einem
Dreh- oder Schachtofen, Fließbettreaktor oder dergl. mit
einem festen Ausgangsmaterial. Statt dessen kann das
Ausgangsmaterial natürlich in einem flüssigen Zustand
vorliegen, in welchem Falle die Aufstickung in einem Pfannen-
oder Elektroofen stattfindet unter Injizierung des
Stickstoffgases mit Hilfe einer geeigneten Düse.
Vorzugsweise wird der Stickstoff durch oder über das
Ausgangsmaterial, nach innigem Vermischen desselben mit dem
Kohlenstoff zur Bildung eines Ausgangsgemisches, bei einer
Temperatur von 1000 bis 1800°C, vorzugsweise 1100 bis 1600°C
und in besonders vorteilhafter Weise von 1200 bis 1350°C
geleitet. Die für die Nitrierung erforderliche Zeit ist
umgekehrt proportional zur Temperatur und auch in diesem
Falle hängt die genaue zur Anwendung gelangende Temperatur
von wirtschaftlichen Überlegungen ab, wobei der Vorteil der
Anwendung niedrigerer Temperaturen abgewogen wird gegen
längere Nitrierzeiten. Somit erfolgt die Kontaktierung des
Stickstoffgases mit dem Ausgangsmaterial insbesondere bei
einer Temperatur von 1000 bis 1800°C in Gegenwart von
Kohlenstoff, der die reduzierende Umgebung schafft, wobei
genügend Kohlenstoff vorliegt, um irgendwelchen Sauerstoff,
der sich in der Umgebung befindet, zu verbrauchen und um
einen stöchiometrischen Überschuß über denjenigen
sicherzustellen, der zur Reduktion der im Ausgangsmaterial
vorhandenen Titananteile (als TiO₂) zu Titan erforderlich
ist.
Selbstverständlich sollte die Rate, mit der Stickstoff dem
Ausgangsgemisch zugeführt wird, ausreichend sein, um die
Nitrierung bis zu einem akzeptablen Grad der Vollständigkeit
innerhalb einer akzeptablen Zeit zu bewirken. Mittlere
Verweilzeiten von 0,5 bis 5 h oder weniger, z. B. 1 bis 3 h,
sind anwendbar. Auch in diesem Falle ist davon auszugehen,
daß eine wirtschaftliche Abwägung zu erfolgen hat zwischen
einer hohen Rate an Stickstoffeinspeisung und den Kosten für
Stickstoffbeschaffung und für Hitzeverluste und für nicht-
umgesetzten Stickstoff, der das Ausgangsgemisch passiert,
und es sollte auch bedacht werden, daß bei gutem Gaskontakt,
z. B. mit fein verteiltem Ausgangsmaterial in einem Fließbett
oder Drehofen, kürzere Verweilzeiten von beispielsweise 1
bis 2 h als ausreichend zu erwarten sind.
Die Nitrierreaktion ist stark endotherm. Hitze muß somit der
Reaktionszone zugeführt werden, um die Reaktionstemperatur
aufrechtzuerhalten. Dies kann über den Reaktor erfolgen, z. B.
durch Verwendung eines elektrisch geheizten Ofens oder durch
Lichtbogenheizung und/oder es kann durch Vorheizen des
Stickstoffs bewirkt werden. Der Stickstoff kann natürlich
praktisch rein sein und mit Hilfe eines geeigneten
Wärmeaustauschers indirekt erhitzt werden, jedoch ist davon
auszugehen, daß das Erhitzen desselben mit Hilfe eines
Brenners erfolgt, wobei Luft dazu verwendet wird, einen
typischerweise kohlenstoffhaltigen Brennstoff, wie
Generatorgas, Kohlenteerbrennstoff, Schweröl oder Feinkohle
zu verbrennen, um die erforderliche Temperatur zu erreichen,
so daß der Stickstoff dem Ausgangsgemisch als eine Mischung
aus Stickstoff mit Kohlenmonoxid und Wasserdampf bei
praktischer Abwesenheit von Sauerstoff zugeführt wird. Mit
anderen Worten, ein kohlenstoffhaltiger Brennstoff kann in
Luft verbrannt werden zur Gewinnung eines Verbrennungsgases,
das mit dem Ausgangsmaterial kontaktiert wird, um die
angegebene erhöhte Temperatur zu bewirken und um die
reduzierende Umgebung in Form von Kohlenmonoxid zu liefern;
und das Verfahren kann die Verfahrensstufe der Beimischung
eines kohlenstoffhaltigen Materials in fein verteilter
Teilchenform mit dem Ausgangsmaterial umfassen, um die
reduzierende Umgebung zu schaffen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform ist es möglich, anstatt
oder zusätzlich zu anderen Methoden zur Bewirkung von Hitze
beispielsweise Luft dem Ausgangsgemisch zuzuführen, damit
die Stickstoffbeschickung Sauerstoff enthält, und dafür zu
sorgen, daß das Ausgangsmaterial ausreichende Mengen von
zusätzlichem Kohlenstoff enthält, um den Sauerstoff aus der
Luft durch Verbrennung zu entfernen. Dies kann dazu
beitragen, die Wärmelieferung zur Nitrierreaktion
aufrechtzuerhalten.
Wird der Stickstoff praktisch in Abwesenheit von
Sauerstoffgas zugeführt, so kann die Menge an Kohlenstoff,
die mit dem Ausgangsmaterial zur Bildung des
Ausgangsgemisches vermischt wird, 100 bis 300% des
stöchiometrischen Wertes, typischerweise 150 bis 200% des
stöchiometrischen Wertes betragen. Mit "stöchiometrischer
Wert" ist die Menge an Kohlenstoff gemeint, die zur
Reduktion des in dem Ausgangsmaterial vorliegenden
Titananteils (ausgedrückt als TiO₂) zu TiN erforderlich
ist in Abhängigkeit zu den bestehenden Reaktionsbedingungen.
Wird Luft, wie oben angegeben, eingespeist, so sollte für
genügend zusätzlichen Kohlenstoff gesorgt werden, um die
Entfernung des Sauerstoffs aus der Luft sicherzustellen,
zusätzlich zu dem Überschuß, der erforderlich ist, um mit
gebundenem Sauerstoff im Ausgangsmaterial während der
Reduktion von darin vorliegenden Oxiden zu reagieren und der
notwendig zur Nitrierung des vorhandenen Titananteile ist.
Diese Ausführungsform erfordert natürlich die Entfernung von
mindestens einem Teil dieses Kohlenstoffüberschusses nach
der Nitrierung, wenn die Chlorierung in einer weniger
reduzierenden Umgebung als es die Nitrierumgebung ist,
stattfinden soll, wie weiter unten erläutert wird.
Bei dem mit dem Ausgangsmaterial vermischten Kohlenstoff kann
es sich im Prinzip um einen solchen in Form von Kohle,
Anthrazit, Koks, Industriekohle, Holzkohle, Graphit oder
dergl., um amorphe Formen von Kohlenstoff wie Lampenschwarz
oder Ruß handeln, von denen gefunden wurde, daß sie zu
akzeptablen Ergebnissen führen. Der Kohlenstoff seinerseits
sollte vorzugsweise in fein verteilter Form vorliegen zur
innigen Vermischung mit dem Ausgangsmaterial, wobei der
Kohlenstoff eine Teilchengröße ähnlich derjenigen des
Ausgangsmaterials aufweist, z. B. 50 bis 100 µm oder
weniger. Diese geringen Teilchengrößen erleichtern die
Abtrennung des Kohlenstoffs vom nitrierten Material nach der
Nitrierung in einem Fließbett durch Fluidisierung bei einer
hohen Rate, um die Kohlenstoffpartikel mitzureißen oder
abzuführen.
Vorzugsweise findet die Verfahrensstufe der Chlorierung in
einer Umgebung statt, die weniger reduzierend ist als die
Umgebung, in der die Nitrierung erfolgt.
Um zu erreichen, daß die Chlorierung in einer weniger
reduzierenden Umgebung stattfindet als derjenigen, in der
die Nitrierung bewirkt wird, kann prinzipiell so vorgegangen
werden, daß zur Schaffung der reduzierenden Umgebung, in der
die Nitrierung stattfindet, Kohlenstoff mit dem
Ausgangsmaterial in einer solchen Menge und/oder einer
solchen Rate vermischt wird, daß nach der Nitrierstufe die
Menge an Kohlenstoff, die in dem nitrierten Material vorliegt,
geringer ist als die Menge an Kohlenstoff, die mit dem
Ausgangsmaterial zu Beginn der Nitrierung vermischt wurde,
und daß sie vorzugsweise so gering wie möglich oder
praktikabel ist, so daß praktisch der gesamte Kohlenstoff zu
Kohlendioxid während der Nitrierung oxidiert wurde, was dazu
führt, daß die Umgebung, in der die Chlorierung stattfindet,
praktisch nicht-reduzierend ist.
Wenn es sich als wünschenswert erweist, relativ hohe Mengen
an Kohlenstoff im Ausgangsmaterial zu haben, um eine rasche
und/oder vollständige Nitrierung der Titananteile zu
fördern, kann es unmöglich werden, die vollständige Abwesenheit
von Kohlenstoff sicherzustellen, wenn die Nitrierung
vollständig ist. In diesem Falle kann das Verfahren
statt dessen die Abtrennung von Kohlenstoff von dem
Titannitrid enthaltenden Material nach der Nitrierstufe und
vor der Chlorierstufe umfassen. Dies kann durch eine
physikalische Trennstufe bewirkt werden, z. B. Abblasen des
Kohlenstoffs während der Fluidisierung dem Titannitrid
enthaltenden Materials mit einem Gas, Wegschwämmen des
Kohlenstoffs während der Fluidisierung des Titannitrid
enthaltenden Materials mit einer Flüssigkeit, Ausflockung des
Kohlenstoffs aus dem in einer Flüssigkeit suspendierten
Titannitrid enthaltenden Material mit nachfolgender Abtrennung
der gebildeten Flocken aus der Suspension, z. B. durch
Flotation der dergl. Mit anderen Worten, das Verfahren
umfaßt vorzugsweise die Verfahrensstufe, nach der Nitrierung
und vor der Chlorierung Kohlenstoff aus dem Material
abzutrennen. Die Abtrennung des Kohlenstoffs zur
Verminderung der reduzierenden Wirkung kann durch
Gasblasen in einem für die Nitrierung verwendeten Fließbett
erfolgen.
Überraschenderweise kann diese Erniedrigung der
reduzierenden Wirkung vor der Chlorierstufe die
Bildung von Chloriden von anderen Metalloxidanteilen im
Ausgangsmaterial während der Chlorierstufe unterdrücken oder
vorzugsweise vollständig verhindern, wodurch der Chlorverbrauch
erniedrigt und die Bildung von unerwünschten Chloriden
vermindert wird. Es wird angenommen, daß dieses Merkmal des
Verfahrens den Vorteil hat, daß die Bildung von gasförmigen
Metallchloriden auf solche des Titans, Eisen und Vanadiums
beschränkt und die Bildung von festen Chloriden auf solche
von Mangan, Magnesium und Calcium begrenzt wird. Chloride
von anderen Metallen als Titan stellen unerwünschte
Verunreinigungen im Titanchloridprodukt dar und können die
Möglichkeit der Verstopfung von Reaktoren wie Fließbetten
durch Aufschmelzen bei den in Frage stehenden Temperaturen
erhöhen.
Da Mangan im Ausgangsmaterial oftmals in akzeptabel geringen
Mengen (< 1 Masse-%) vorliegt und in Form von dessen
Chlorid einen Schmelz- und Siedepunkt von 650°C bzw. 1290°C
hat, wird es nicht als eine besonders unerwünschte
Verunreinigung des TiCl₄-Produkts angesehen, da es daraus
leicht entfernt werden kann. Ähnliche Überlegungen gelten
für Calcium und Magnesium, die in höheren Mengen vorliegen,
jedoch höhere Schmelzpunkte und Siedepunkte aufweisen. Da
ferner die Chlorierung von Magnesium und Calcium kinetisch
langsamer als diejenige von Titan erfolgt, findet die
Bildung von gasförmigem TiCl₄ in einem sehr viel größeren
Ausmaß statt, was die Bildung von relativ kleinen Mengen an
festen Chloriden des Magnesiums und Calciums zur Folge hat.
Dies begünstigt die Erzeugung von TiCl₄ auf Kosten von
Chloriden von Magnesium und Calcium, so daß diese
Verunreinigungen nicht stören, wenn sie in nicht mehr als
akzeptablen Mengen vorliegen.
Die Chlorierung des Titannitrids, das z. B. aus einem
nitrierten Ausgangsmaterial gewonnen wurde, kann dadurch
erfolgen, daß ein Chloriergas, wie HCl, CCl₄, SCl₂ und
vorzugsweise Cl₂ über oder durch das nitrierte Material bei
einer geeigneten Temperatur geleitet wird, die für Cl₂ 200
bis 500°C, vorzugsweise 350 bis 450°C beträgt. Mit anderen
Worten, die Chlorierung des Titannitrids kann erfolgen durch
Kontaktieren eines Chloriergases, ausgewählt aus der Gruppe
bestehend aus Cl₂, HCl, CCl₄, SCl₂ und Gemischen
derselben, mit dem Material bei einer Temperatur von 350 bis
450°C und Erzielung des Titanchlorids in Form von TiCl₄.
in dieser Hinsicht wurde überraschenderweise gefunden, daß
eine geeignete Wahl der Nitriertemperatur (z. B. 1200 bis
1350°C) sicherstellen kann, daß das Ausgangsmaterial nach
dessen Nitrierung in Teilchenform verbleibt in einer für die
Chlorierung geeigneten Teilchengröße. Keine weitere
Größenverminderung des Materials ist erforderlich und es muß
nur gekühlt und in ein geeignetes Reaktionsgefäß überführt
werden, z. B. ein Festbett, in einen Gegenstromzyklon oder
zweckmäßigerweise in ein Fließbett. Irgendwelche während der
Nitrierung gebildeten Metalle können nach dem Abkühlen
leicht entfernt werden durch magnetische Abtrennung und/oder
gravimetrische Trennung. Eine unerwünschte Bildung von
Chloriden der Metalle kann somit weiter vermindert oder
vorzugsweise verhindert werden.
Die oben angegebenen Chloriertemperaturen sind so gewählt,
daß das in dem nitrierten Material vorliegenden TiN in TiCl₄
umgewandelt wird und es wird angenommen, daß bei diesen
Temperaturen andere flüchtige Hauptchlorierungsprodukte, die
in irgendwelchen wesentlichen Mengen gebildet werden können,
Übergangsmetallchloride sind wie Ferrichlorid (FeCl₃),
Vanadiumchlorid (VCl₄), Vanadiumoxychlorid (VOCl₃) und
Siliciumchlorid (SiCl₄). Vorhandenes FeCl₃ oder
Vanadiumchloride und/oder -oxychloride können leicht,
zusammen mit dem TiCl₄, kondensiert werden aus dem das
Chloriergefäß verlassenden Gas. Gebildetes FeCl₃ kann bei
Atmosphärendruck bei einer wesentlich höheren Temperatur als
TiCl₄ oder VOCl₃ kondensiert und auf diese Weise leicht
entfernt werden, z. B. in einem Zyklon oder dergl. durch
Trennung bei 290°C von festem FeCl₃ und TiCl₄-Gas.
Diesbezüglich ist zu beachten, daß FeCl₃ bei 306°C
schmilzt und sich bei 315°C in FeCl₂ und Cl₂ zersetzt
und FeCl₂ einen Schmelzpunkt hat, der wesentlich höher
liegt als 315°C und Cl₂ ein Gas ist; TiCl₄ siedet bei
136°C; VOCl₃ siedet bei 126°C; SiCl₄ siedet bei 58°C und
VCl₄ siedet bei 148°C. Das TiCl₄ und vorliegendes
VOCl₃ oder VCl₄ sind somit nacheinander zusammen
kondensierbar (um sie z. B. von vorhandenem SiCl₄ oder
dergl. abzutrennen) und sie können anschließend durch
Destillation in bekannter Weise abgetrennt werden, worauf
das TiCl₄, das von weitgehender Reinheit ist, leicht zu
TiO₂, einem wertvollen Pigment, in bekannter Weise
oxidiert werden kann.
Es verdient die Tatsache Beachtung, daß Calcium, Magnesium
und Mangan in den meisten sauerstoffhaltigen
Mineralkomplexen vorhanden sind. Sie können somit in den
meisten für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzten
Ausgangsmaterialien vorliegen, insbesondere in
metallurgischen Schlacken. Es ist ein besonderer und
überraschender Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, daß
die angewandten Niedrigtemperatur-Chloriertemperaturen zu
einer verminderten Chlorierung dieser Metall führen. Wichtig
ist ferner, daß die Chloride dieser Metalle bei 200 bis
500°C fest sind. Dies ist ein wesentlicher Vorteil im
Vergleich zur Chlorierung bei Temperaturen, die höher liegen
und ausreichen, um die Chloride dieser Metalle zu schmelzen,
was zum Verstopfen von Reaktoren wie Drehöfen oder
Fließbetten führen kann.
Bezüglich der Chlorierung ist zu beachten, daß diese
exotherm ist. Wird z. B. ein Fließbettreaktor für die
Chlorierung verwendet, so kann die gebildete Wärme durch das
Fluidisiergas, das überwiegend ein inertes Trägergas ist,
entfernt werden und die Wärme kann gewünschtenfalls in
bekannter Weise aus diesem Gas wiedergewonnen werden.
Das Chloriergas kann über das nitrierte Material in verdünnter
Form geleitet werden, z. B. verdünnt mit einem Inertgas, wie
Argon oder Stickstoff. Wenn das Chloriergas Cl₂ ist, so
kann es mit Stickstoff in Mengen von mindestens 10 Vol.-%
Cl₂, z. B. 20 bis 80 Vol.-% Cl₂ vermischt werden und es
kann bei atmosphärischem oder erhöhtem Druck zugeführt
werden. Gemäß einer speziellen Ausführungsform kann daher
das Chloriergas Cl₂ sein, das mit Stickstoff verdünnt ist
unter Bildung eines 20 bis 80 Vol.-% Cl₂ aufweisenden
Gemisches. Das Chloriergas kann über das nitrierte Material
während einer mittleren Verweilzeit von 10 bis 120 min
geleitet werden, was ausreicht, um das in dem nitrierten
Material vorliegende TiN bis zu einem akzeptablen Grad der
Vollständigkeit in einer akzeptablen Zeit zu chlorieren ohne
unnötigerweise überschüssige Mengen an Chloriergas
einzusetzen, wie dies aus Gründen der Wirtschaftlichkeit
verlangt wird. Wie oben angegeben, kann eine Erniedrigung
der reduzierenden Natur der Umgebung der Chlorierstufe im
Vergleich derjenigen der Nitrierstufe die Menge an
gebildeten anderen Chloriden als TiCl₄ erniedrigen, und es
können Reaktionsbedingungen in der Chlorierstufe gewählt
werden, welche die Bildung derartiger anderer Chloride
vermindern, bei Beachtung der Kinetik der Bildung derartiger
Chloride.
Nach der Kondensation des TiCl₄ und ggfs. vorliegendem
VOCl₃ kann das Chloriergas und der darin verbleibende
Stickstoff zum Chloriergefäß oder der Chloriergasbeschickung
recyclisiert werden oder Auffüllgas kann ihm zugesetzt
werden.
Es wurde, wie weiter unten naher erläutert, gefunden, daß
titanhaltige Schlacke, die von Highveld Steel and Vanadium
Corporation Limited, Witbank, erhalten wurde, sowie Rutil
und Ilmenit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nitriert
werden können. Die Nitrierung einer derartigen Schlacke
erzeugt ein nitriertes Material, das bei
Röntgenbeugungsanalyse eine gut definierte TiN-kristalline
Phase zeigt und, wenn überhaupt, sehr wenig andere gut
definierte kristalline Phasen von irgendwelcher wesentlicher
Ausprägung. Keine Anzeichen von Titancarbid- oder
Titancarbonitrid-Bildung wurden festgestellt, noch
irgendeine andere Metallcarbid- oder -carbonitrid-Bildung.
Es scheint somit, daß die verbleibenden Bestandteile der
Ausgangsschlacke eine glasartige, nicht-kristalline
Matrixphase während der Nitrierstufe bilden und daß eine
große Menge (90 Masse-% oder mehr) des Titananteils in das
Nitrid umgewandelt werden kann. Bei der anschließenden
Chlorierung sind die einzigen Chloride, die bis zu einem
wesentlichen Ausmaß gebildet werden, TiCl₄, FeCl₃ und
VOCl₃ und diese können leicht kondensiert und getrennt
werden, wie oben beschrieben wurde.
Zwischen der Nitrier- und der Chlorierstufe oder zu Beginn
kann das Verfahren eine magnetische Abtrennung von Eisen von
dem zu behandelnden Material umfassen und, um dies zu
fördern, kann das Ausgangsmaterial zuerst mit Kohlenstoff
und einem geeigneten Flußmittel wie CaCO₃ bei z. B. 800 bis
1200°C behandelt werden, um Eisenoxide zu Eisen zu
reduzieren. Diese Verfahrensstufe kann die Menge an
FeCl₃-Abfallprodukt, das ggfs. gebildet wird, vermindern
(vgl. z. B. MacMillan et al, Proposed Process for Treatment
of Low-Grade Titaniferous Ores, US-Department of the
Interior, Bureau of Mines Report of Investigations 4638,
Jan. 1950).
Ist das komplexe Titanoxid enthaltende Ausgangsmaterial ein
gemischtes Metalloxid oder -titanat, z. B. ein Erz wie Ilmenit
(FeOTiO₂), Perovskit (CaOTiO₂), Fassait (Ca(Ti, Mg, Al)
(Si, Al)₂O₆) oder möglicherweise Armalcolit
(MgO·2TiO₂), so kann die Nitrierstufe während des
Nitrierens zur Bildung von einem oder mehreren Metallen in
metallischer Form aus Metallanteilen, bei denen es sich um
andere Metalle als um Titan handelt, die in dem gemischten
Metalloxid oder -titanat vorliegen, führen.
Derartige Metalle können von dem Material vor der
Chlorierstufe abgetrennt werden durch physikalische
Methoden, z. B. gravimetrische oder magnetische Abtrennung,
oder durch chemische Methoden wie Auslaugen, z. B. durch
Anwendung von Salzsäure. Im allgemeinen kann daher, wenn das
Titannitrid enthaltende Material auch ein anderes Metall
als Titan enthält, das Verfahren die Verfahrensstufe
umfassen, vor der Chlorierung das Metall, das ein anderes
als Titannitrid ist, von diesem Material abzutrennen.
Ob eine Erniedrigung der reduzierenden Natur der Umgebung
vor der Chlorierung oder die Abtrennung von irgend einem vor
der Chlorierung gebildeten Metall oder beide Maßnahmen
angewandt werden, wie oben angegeben, hängt weitgehend
von der Natur des verwendeten komplexen titanhaltigen
Ausgangsmaterial ab und kann durch
Routineuntersuchungen bestimmt werden. Ferner können
natürlich, obwohl es grundsätzlich wünschenswert ist, sowohl
die reduzierende Umgebung als auch irgendwelche vor der
Chlorierung gebildete Metalle vollständig zu eliminieren,
wirtschaftliche Überlegungen verlangen, daß diese
Verfahrensstufen nicht bis zum vollständigen Ablauf
durchgeführt werden.
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele in
Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
In den Zeichnungen stellen dar:
Fig. 1 ein Röntgenbeugungsdiagramm einer titanhaltigen
Schlacke, die von Highveld Steel and Vanadium Corporation
Limited erhalten wurde, für den 2-0-Bereich von 10-110°
unter Verwendung von CuKα-Strahlung;
Fig. 2 ein ähnliches Diagramm für den 2-0-Bereich von 35-80°
für die Schlacke, deren Diagramm in Fig. 1 gezeigt wird,
jedoch nachdem die Schlacke gemäß Beispiel 1 nitriert wurde;
Fig. 3 einen schematischen Querschnitt der für die
Chlorierung der nitrierten Schlacke gemäß Beispiel 1
verwendeten Vorrichtung; und
Fig. 4 einen schematischen Querschnitt einer für die
Nitrierung gemäß Beispiel 2 verwendeten Vorrichtung.
Titanhaltige Schlacke von Highveld Steel and Vanadium
Corporation Limited, die etwa 30 Masse-% Titananteil (als
TiO₂) enthielt, wurde vermahlen und auf eine Teilchengröße
von weniger als 1000 µm zerstoßen. Kohlenstoff in Form von
Lampenschwarz mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von
0,5 µm wurde mit der Schlacke in einer Menge von 20
Masse-% innig vermischt.
Eine Probe des Gemisches aus Schlacke und Lampenschwarz
wurde in einen α-Aluminiumoxid-Tiegel eingebracht und in
einen elektrisch geheizten Röhrenofen gestellt. Der Ofen
wurde wiederholt (viermal) evakuiert auf ein Vakuum von etwa
20 Torr und mit Stickstoff hoher Reinheit (99,9998 Vol.-%)
gespült. Ein stetiger Strom dieses Stickstoffs wurde sodann
durch den Ofen in einer Rate von 40 ml/min geleitet.
Der Ofen wurde sodann langsam erhitzt innerhalb einer
Zeitspanne von 5 h von Umgebungstemperatur auf 1550°C bei
einer praktisch konstanten Aufheizrate von 5°C/min und
bei 1550°C 10 h lang gehalten zur Nitrierung des
Ausgangsgemisches unter Erzielung einer nitrierten Matrix.
Der Ofen wurde sodann von selbst abkühlen gelassen auf
Raumtemperatur und das nitrierte Material wurde einer
Röntgenbeugungsanalyse unterworfen zusammen mit einer Probe
des (nicht-nitrierten) Ausgangsgemisches.
Die Röntgenbeugungsaufnahme des Ausgangsgemisches ist in
Fig. 1 gezeigt und diejenige des nitrierten Materials in Fig.
2. Fig. 1 läßt erkennen, daß das Ausgangsgemisch einen
relativ hohen Grad an Kristallität aufweist, wohingegen
Fig. 2 zeigt, daß das nitrierte Material vergleichsweise
amorph ist, mit Ausnahme eines wesentlichen Anteils an TiN,
was durch eine Anzahl von ausgeprägten TiN-Peaks in Fig. 2
angezeigt wird.
Vor der Nitrierung war das Ausgangsgemisch schwarz und nach
der Nitrierung war eine Anzahl von hellerfarbigen Flecken
mit bloßem Auge in der Matrix sichtbar.
Fig. 3 zeigt die mit Bezugzeichen 10 versehene Vorrichtung,
in der das nitrierte Material chloriert wurde. Die Vorrichtung
10 umfaßt eine rohrförmige elektrische Heizeinrichtung 12,
innerhalb der ein rohrförmiges Glasreaktionsgefäß 14
untergebracht ist, das ein Gaseinlaßrohr 16 und ein
Gasauslaßrohr 18, welches zu einem Glassammelkolben 20
führt, aufweist. Der Kolben 20 besitzt ein Gasauslaßrohr 22
und das Gefäß 14 ist mit einem Thermoelement 24 und einer
porösen gesinterten Glasscheibe 26 versehen.
Beim Einsatz der Vorrichtung 10 wurden 10 g nitriertes Material
in das Gefäß 14 auf die Scheibe 26 eingebracht und
Chloriergas in Form Cl₂ wurde über das Rohr 16 in einer
Rate von 60 ml/min eingeleitet, während die Temperatur des
Chlorreaktors mit Hilfe der Heizeinrichtung 12 stufenweise
von Raumtemperatur in Stufen von etwa 50°C bis zu einer
Temperatur von 350°C erhöht wurde, zu welchem Zeitpunkt das
Cl₂ mit dem Material zu reagieren begann. Die Reaktion wurde
nach 1,5 h abgebrochen als sie vollständig zu sein schien.
Es wurden etwa 6 g Reaktionsprodukt in dem Verfahrensprodukt
Sammelkolben 20 über das Rohr 18 erhalten, in Form einer
gelbbraunen Flüssigkeit, zusammen mit einer geringen Menge
von rotem festen Material. Die Flüssigkeit wurde
abdekantiert und einer Elementaranalyse unterworfen und die
Analysenergebnisse sind in der folgenden Tabelle 1
aufgeführt.
Element | |
Masse-% | |
Cl | |
75,8 | |
Ti | 20,9 ± 0,3 |
V | 0,93 ± 0,03 |
Si | 0,18 ± 0,06 |
Al | 0,01 |
Fe | 0,01 |
Mg | 0,005 |
Cr | nicht festgestellt |
Ca | nicht festgestellt. |
Aus den in Tabelle 1 angegebenen Analyseergebnissen ist,
wenn die gefundenen vernachlässigbaren Mengen an Al, Fe, Mg,
Cr und Ca außer Betracht gelassen werden, ersichtlich, daß
die Flüssigkeit ein Gemisch aus TiCl₄, VCl₄ und/oder
VOCl₃ und SiCl₄ enthält mit etwas darin gelöstem Cl₂,
wobei diese Verbindungen den in der folgenden Tabelle 2
aufgeführten Analyseergebnissen entsprechen.
Verbindung | |
Masse-% | |
TiCl₄ | |
82,7 | |
VCl₄ und/oder VOCl₃ | 3,5 |
SiCl₄ | 1,1 |
Cl₂ | 12,7 (Rest) |
Um die Durchführbarkeit der Verfahrensstufe der Verminderung
der reduzierenden Natur der Umgebung, in der die Chlorierung
stattfand, zu testen, wurde reines V₂O₅ in Gegenwart von
Kohlenstoff in Gefäß 14 chloriert gemäß den
Reaktionsgleichungen
V₂O₅ + 3Cl₂ + 3C - 2VOCl₃ + 3CO; und
V₂O₅ + 3Cl₂ + 5C - 2VCl₃ + 5CO.
V₂O₅ + 3Cl₂ + 3C - 2VOCl₃ + 3CO; und
V₂O₅ + 3Cl₂ + 5C - 2VCl₃ + 5CO.
Die Chlorierung wurde bei 350°C in jedem Falle innerhalb
einer Zeitspanne von 1 h durchgeführt. Im ersten Falle wurde
ein hellgelbes VOCl₃-Produkt gebildet und im zweiten Falle
ein dunkelblaues VCl₃-Produkt.
Die Tests wurden wiederholt in Abwesenheit von Kohlenstoff
ohne sichtbare Reaktion, worauf die Temperatur in Stufen von
50°C erhöht und bei jeder höheren Temperaturstufe innerhalb
eines Zeitraums von 30 min gehalten wurde, bis zu einer
Maximaltemperatur von 450°C. Es trat keinerlei sichtbare
Reaktion ein, was erkennen ließ, daß die Abwesenheit der
durch dem Kohlenstoff geschaffenen reduzierenden Umgebung,
zumindest soweit es V₂O₅ betrifft, die Nebenreaktionen,
welche zur Bildung von VOCl₃ und VCl₃ führen,
unterdrückt.
Komplexe titanhaltige Ausgangsmaterialien bzw. die Schlacke
von Beispiel 1 und Ilmenit sowie Kohlenstoff-
Reduktionsmittel in Form von Kohle und Holzkohle wurden
zerstoßen und gemahlen auf eine maximale Teilchengröße von
weniger als 53 µm Die Ausgangsmaterialien wurden sodann
innig vermischt mit den Kohlenstoff-Reduktionsmitteln in den
erforderlichen Mengen zur Bildung der Ausgangsgemische.
Proben verschiedener Ausgangsgemische wurden jeweils in zwei
Graphitschiffchen in einen elektrisch geheizten versiegelten
horizontalen Rohrofen eingebracht, wobei die Schiffchen
zusammen fünf Proben zu jeweils 40 g enthielten.
Der Ofen wurde in einer Rate von 255°C/h bis auf seine
Betriebstemperatur von 1300°C mit den eingebrachten Proben
erhitzt und die Betriebstemperatur wurde während der
Nitrierung der Proben 3 h lang aufrechterhalten, worauf der
Ofen von selbst mit natürlicher Rate abkühlen gelassen
wurde. Ein stetiger Strom von Stickstoff (<99 Vol.-%
Reinheit) wurde durch den Ofen während des gesamten Tests
fließen gelassen.
In jedem Falle wurden zwei Ausgangsgemische hergestellt, von
denen eines die stöchiometrische Menge an Kohlenstoff, der
zur Reduktion des in dem Ausgangsmaterial vorliegenden
Titananteils (als TiO₂) zu Titan erforderlich ist, und
eines einen 100%igen Überschuß an Kohlenstoff enthielt.
Eine Probe von 40 g jedes der vier Ausgangsgemische wurde in
die Schiffchen eingebracht und die Proben wurden
gleichzeitig, wie oben angegeben, nitriert unter Verwendung
einer Stickstoffbeschickungsrate von 620 ml/min.
Die erhaltenen Matrixreaktionsprodukte wurden durch
Röntgenbeugungsanalyse charakterisiert und quantitative
chemische Analysen wurden durchgeführt, um die
Mengen von erzeugtem TiN zu bestimmen. Die Titangehalte
wurden bestimmt durch Schmelz- und anschließende
Atomabsorption-Spektrophotometrie und vorhandener Stickstoff
wurde durch chemische Analyse bestimmt.
Die chemische Zusammensetzungen der verwendeten Schlacke und
des Ilmenits sind in der unten angegebenen Tabelle 3
aufgeführt und die prozentuale Umwandlung in gebildetes TiN
sind in der unten angegebenen Tabelle 4 zusammengefaßt.
In der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung werden für
gleiche Teile die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 3
verwendet. Das Reaktionsgefäß 14 ist eine
Aluminiumsilikatröhre und die Rohre 16, 18 und 22 und der
Kolben 20 bestehen aus rostfreiem Stahl. Die
Graphitschiffchen sind bei 28 gezeigt und die Heizelemente
werden mit 30 bezeichnet. Stapel aus porösen
Aluminosilikatscheibenfiltern sind bei 26 gezeigt, welche
den Einlaß und Auslaß zum Reaktionsgefäß 14 isolieren und
die Heizvorrichtung 12 als ganzes ist mit Isoliermaterial
ummantelt.
Durch Beispiel 1 wird bestätigt, daß das erfindungsgemäße
Verfahren anwendbar ist für den Einsatz von titanhaltiger
Schlacke, die von Highveld Steel and Vanadium Corporation
Limited erhältlich ist. Insbesondere Fig. 2 zeigt, daß die
Nitrierung bei 1550°C anwendbar ist, um eine akzeptabel
hohe Menge der in der Schlacke vorliegenden Titananteile zu
nitrieren mit einem hohen Grad an Selektivität. Tabelle 2
läßt ferner erkennen, daß ein chloriertes Produkt aus
TiCl₄ erhalten werden kann, das nur VCl₄ und/oder
VOCl₃, SiCl₄ und Cl₂ als Verunreinigungen enthält,
welche leicht vom TiCl₄ durch Destillation abgetrennt
werden können unter Erzielung von TiCl₄ mit hohem
Reinheitsgrad. Dieses TiCl₄ kann erforderlichenfalls
leicht in TiO₂ umgewandelt werden.
Beispiel 2 zeigt, daß die Nitrierung der in Frage stehenden
Schlacke und von Ilmenit bei 1300°C durchführbar ist und daß
die Anwendung eines stöchiometrischen Stickstoffüberschusses
von 100% zu einer hohen Umwandlung in TiN von über 90
Masse-% führt. Es ist davon auszugehen, daß eine Optimierung
von Temperatur, Reduktionsmittelmengen, Reaktionszeit und
dergl. zu noch besseren Umwandlungsraten führt.
Erfindungsgemäß erweist sich als besonders vorteilhaft, daß
ein Verfahren zur Umwandlung von titanhaltiger Schlacke, wie
sie im Beispiel zur Anwendung gelangt, zu einem wertvollen
Produkt, nämlich TiCl₄/TiO₂ führt. Eine solche Schlacke,
die als Abfallprodukt bei der Stahl- und Vanadiumerzeugung
durch Highveld Steel and Vanadium Corporation Limited
anfällt, ist allein schon volumenmäßig zumindest eine
potentielle Umweltbelastung. Durch das erfindungsgemäße
Verfahren wird die Menge an Abfällen, die entsorgt
werden muß, vermindert und die durch das erfindungsgemäße
Verfahren erzeugten Abfälle sind ökologisch akzeptabel und
potentiell brauchbar für bestimmte Industrien, z. B.
die Zementindustrie. Ferner können Erze wie Ilmenit, die
relativ geringe Mengen an Titananteilen enthalten, in
vorteilhafter Weise als Ausgangsmaterialien für das
erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden.
Claims (14)
1. Verfahren zur Isolierung von Titananteilen aus einem Titannitrid enthalten
den Material, durch Chlorierung des Titannitrids im Titannitrid enthalten
den Material unter Erzielung eines Titanchlorid enthaltenden Reaktions
produkts und durch Abtrennung des Titanchlorids vom Reaktionsprodukt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Chlorierung des Titannitrids durch
Kontaktieren eines Chloriergases mit dem Titannitrid enthaltenden Materi
al bei einer Temperatur von 200 bis 500°C unter Erhalt des Titanchlorids
als TiCl₄ erfolgt.
2. Verfahren zur Isolierung von Titananteilen aus einem Titannitrid enthalten
den Material, durch Nitrierung von Titananteilen in einem komplexen
titanhaltigen Ausgangsmaterial unter Erhalt des Titannitrid enthaltenden
Materials, durch Chlorierung des Titannitrids im Titannitrid enthaltenden
Material unter Erzielung eines Titanchlorid enthaltenden Reaktionsprodukts
und durch Abtrennung des Titanchlorids vom Reaktionsprodukt, dadurch
gekennzeichnet, daß die Chlorierung des Titannitrids durch Kontaktieren
eines Chloriergases mit dem Titannitrid enthaltenden Material bei einer
Temperatur von 200 bis 500°C unter Erhalt des Titanchlorids als TiCl₄
erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangs
material eine komplexe metallurgische titanhaltige Schlacke mit einem
Gehalt von höchstens 80 Masse-% Titananteilen ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangs
material ausgewählt wird aus Erzen, die aus Rutil, Ilmenit, Perovskit,
Armalcolit, Fassait und Gemischen derselben bestehen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß es die Verfahrensstufe umfaßt, vor der Nitrierung der Titananteile, die
Größe des Ausgangsmaterials auf eine maximale Teilchengröße von
höchstens 2000 µm und eine durchschnittliche Teilchengröße von höch
stens 600 µm zu vermindern.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Nitrierung der Titananteile durch Kontaktierung eines stöchiome
trischen Überschusses an Stickstoffgas mit dem Ausgangsmaterial bei
einer erhöhten Temperatur in einer reduzierenden Umgebung und bei
mindestens Atmosphärendruck erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktie
ren des Stockstoffgases mit dem Ausgangsmaterial bei einer Temperatur
von 1000 bis 1800°C in Gegenwart von Kohlenstoff, der die reduzieren
de Umgebung bildet, erfolgt wobei für das Vorhandensein von genügend
Kohlenstoff gesorgt wird, um jedweden, in der Umgebung befindlichen
Sauerstoff zu konsumieren und einen stöchiometrischen Überschuß zu
schaffen über denjenigen, der zur Reduktion der Titananteile (als TiO₂) im
Ausgangsmaterial zu Titan erforderlich ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es die Ver
fahrensstufe umfaßt, ein kohlenstoffhaltiges Material in feinverteilter
Teilchenform mit dem Ausgangsmaterial zu vermischen zur Bildung der
reduzierenden Umgebung.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es die Ver
fahrensstufe umfaßt nach der Nitrierung und vor der Chlorierung Kohlen
stoff von dem Titannitrid zu entfernen.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein
kohlenstoffhaltiger Brennstoff in Luft verbrannt wird zur Bildung eines
Brenngases, das mit dem Ausgangsmaterial kontaktiert wird, um die
erhöhte Temperatur zu schaffen und Kohlenmonoxid zu bilden, das für die
reduzierende Umgebung benötigt wird.
11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Chlorierung des Titannitrids durch Kontaktieren eines
Chloriergases, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Cl₂₁ HCl, CCl₄₁
SCl₂ und Gemischen derselben, mit dem Titannitrid bei einer Temperatur
von 350 bis 450°C erfolgt zur Gewinnung des Titanchlorids in Form von
TiCl₄.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Chlorier
gas Cl₂₁ das mit Stickstoff unter Bildung eines Gemisches mit einem
Gehalt an 20 bis 80 Vol.-% Cl₂ verdünnt ist, eingesetzt wird.
13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Titannitrid enthaltende Material auch ein anderes Metall
als Titan enthält, wobei dieses von Titan unterschiedliche Metall vor der
Chlorierung von dem Material entfernt wird.
14. Titananteile, erhältlich durch ein Verfahren gemäß einem der vorstehen
den Ansprüche.
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