DE875570C

DE875570C - Verfahren zur Herstellung von Titanmetall

Info

Publication number: DE875570C
Application number: DET4680A
Authority: DE
Inventors: Franklin Laflin Kingsbury
Original assignee: Titan Corp
Current assignee: Engility LLC
Priority date: 1950-08-10
Filing date: 1951-08-09
Publication date: 1953-05-04
Also published as: GB694921A; FR1041141A

Description

Die Erfindung· bezieht sich auf ein Verfahren zur

Herstellung von Titanmetall durch Reaktion von Titantetrachlorid mit einem als Reduktionsmittel wirkenden Metall, wie Alkalien, Erdalkalien oder Magnesium.

Es wurden bereits zahlreiche Verfahren vorgeschlagen zur Herstellung von Titanmetall im Wege der Reaktion von Titantetrachlorid mit verschiedenen reduzierend wirkenden Metallen. Die

ίο meisten dieser bekannten Verfahren sind langwierig und kompliziert in der Anwendung und bedingen wegen der schwierigen Handhabung der Reaktionsteilnehmer erhebliche Kostenaufwendungen. In den meisten dieser Verfahren werden das reduzierend wirkende Metall und das Titantetrachlo'rid in einem Gefäß zur Reaktion gebracht, in dem sich metallisches Titan und aus dem Reduktionsmetall ein Metallchlorid bilden. Diese Produkte werden erstarren gelassen; die feste Masse muß aus dem Reaktionsgefäß durch Ausbohren j oder Meißeln entfernt werden. Derartige Verfahren sind unwirtschaftlich wegen der für die Handhabung der Reaktionsprodukte erforderlichen zusätzlichen Arbeitsleistung.

Die Erfindung vermeidet diese Nachteile und schafft ein wirtschaftliches Herstellungsverfahren, und zwar insbesondere ein Verfahren, bei dem die Reaktionsprodukte in bequemer und wirtschaftlicher Weise gehandhabt werden können. Weiterhin will die Erfindung ein Verfahren schaffen, in dem die Herstellung des Titanmetalls im Dauerbetrieb erfolgen kann. Im Rahmen der Erfindung liegt weiterhin die Schaffung eines geschmolzenen Zwischenprodukts, das leicht zur Erstarrung

gebracht werden kann und gegebenenfalls bis zur Weiterverarbeitung auf metallisches Titan gelagert werden kann.

Allgemein gesehen ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß Titantetrachlorid mit einem reduzierend wirkenden Metall, wie Alkalien, Erdalkalien oder Magnesium, zur Reaktion gebracht wird zwecks Bildung von einem Zwischenprodukt aus reduziertem Titanchlorid und einer Metallchloridsalzschmelze, daß die Salzschmelze unter Stückbildung zur Erstarrung gebracht wird und danach nach und nach einem reduzierend wirkenden Metall zugegeben wird zwecks Bildung von metallischem Titan und daß das letztere aus dem 1-5 Reduktionsmetall entfernt und gereinigt wird.

Zur weiteren Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt die Abb. ι schematisch den Verlauf des Verfahrens und die verschiedenen Verfahrensstufen bei der Herstellung des Titanmetalls. Wie sich aus Fig. ι ergibt, werden das Titantetrachlorid ι und das Reduktionsmetall 2, beispielsweise Natrium, dem in einem Gefäß 3 befindlichen Reaktionsmittel 4 bei erhöhter Temperatur zugegeben, um zur Bildung einer Salzschmelze zu führen, die , reduziertes Titanchlorid und Natriumchlorid enthält. In. diesem besonderen Beispiel enthielt das Reaktionsgefäß ursprünglich 46 Teile metallisches Natrium, dem 380 Teile Titantetrachlorid und 23 Teile Natriummetall zugegeben wurden. Die Reaktion wurde unter Anwendung einer mechanischen Rührvorrichtung durchgeführt, die ein Durcharbeiten der Masse bewirkte. Die Salzschmelze enthielt 26,5¹Vo TiCl₂, 34,5% TiCl₃ und 39⁰/» NaCl und wird dargestellt durch die Formel TiCl₂-TiCl₃-SNaCl. Die Schmelze hatte eine .Temperatur von ψψ°-θ. . ;: -'^,

Ein Teil der Schmelze wurde dann unter Bildung von Stücken von je 20O' g zur Erstarrung gebracht. Dieses Material wurde nach, erfolgter Erstarrung in einer inerten Atmosphäre gelagert,- bis es für die Herstellung von metallischem Titan benötigt wurde. Die erstarrte Salzschmelze kann aber auch für beliebige andere Zwecke verwendet werden, beispielsweise als Bleichmittel für die Textilindustrie oder als Beizmittel bei Färbeverfahren.

Die obenerwähnten Stücke wurden bei einer Temperatur von ioö^GI C gebildet. Die Stückes wurden dann nach und nach in das reduzierende Metallbad 6 gegeben, das sich in dem Gefäß 7 befand. Die Stücke 5 gelangten hier auf ein nicht dargestelltes Transportband, das sich unter der Oberfläche des Metallbades 6 befand, das aus geschmolzenem Natriummetall bestand. Die Titananteile der Stücke wurden in dem geschmolzenen Natriumbad bei einer Temperatur von 825'⁰C zu metallischem Titan reduziert. Während der Reduktion wruden die Stücke durch das Natriumbad geführt und nach beendeter Reduktion als metallisches Titan in Stückform aus dem Bad entfernt. Die Stücke wurden dann während einer Zeitdauer von 30, Minuten einer unter einer Temperatur von ι ooo^iQ C stehenden Kammer 8 zugeführt · und hier von dem anhaftenden Natriumchlorid und dem in den Stücken zurückgebliebenen Natriummetall befreit. Die gereinigten Stücke aus Titanmetall enthielten einen Prozentsatz von 99,6 %■ Titan, der einen hohen Reinheitsgrad bedeutet. Das Verfahren wurde in einer inerten' Atmosphäre durchgeführt, um Verunreinigungen des Titans zu vermeiden.

Im folgenden wird eine ausführliche Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens hinsichtlich der einzelnen Verfahrensstufen gegeben.

Das Verfahren unterteilt sich hauptsächlich in drei verschiedene Verfahrensstufen zuzüglich der Reinigungsstufe. Die drei verschiedenen Verfahrensstufen. sind die folgenden.: 1. teilweise Reduktion zu einer Salzschmelze aus Metallchlorid,

2. Erstarrung der Schmelze unter Stückenbildung,

3. Fertigreduktion zu Titanmetall.

In beiden Reduktionsstufen kann als Reduktionsmittel eines oder eine Kombination, der Metalle der Alkalien, Erdalkalien und des Magnesiums verwendet werden. Beider teil weisen Reduktion, also bei der ■ ersten Reduktionsstufe, wurden Titantetrachlorid und ein reduzierendes Metall dem Reaktionsmetall in solchen Anteilen zugegeben, daß entweder Titantrichlorid oder Titandichlorid oder Mischungen beider, reduzierter Titanchloride entstehen, wobei das reduzierende Metall in Gegenwart der reduzierten Titanchloride ein Chlorid bildet, so> daß als Zwischenprodukt eine Salzschmelze entsteht. Es wurde gefunden, daß eine Reaktionstemperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Chlorids des reduzierenden Metalls, aber unterhalb des Siedepunktes des reduzierenden Metalls befriedigende Ergebnisse zeitigt. Der Siedepunkt des Kaliums ist bei gewöhnlichem Druck niedriger als der Schmelzpunkt des Kaliumchlorids. Bei der Verwendung von Kalium als reduzierendem Metall muß die Reaktion unter Verwendung von Überdruck durchgeführt werden, um den'Siedepunkt des Kaliums über den Schmelzpunkt des Kaliumchlorids zu bringen. Die entstehenden Reaktionen sind nicht eindeutig festgestellt; es ist jedoch anzunehmen, daß das Titantetrachlorid zunächst mit dem reduzierenden Metall zu Metallchlorid und Titanmetall reduziert wird. Das gebildete Titanmetall reagiert mit dem überschüssigen Titantetrachlorid und bildet entweder Titan-Di- oder -Trichlorid. In jedem Fall geht die Reaktion jedoch schnell vor sich; es wurde gefunden, daß die Reaktion bereits in wenigen Minuten beendet- ist.

Die in dem Reaktionsgefäß gebildete Salzschmelze wird diesem entnommen und unter Stückbildung zur Erstarrung gebracht. Eine Methode, die Salzschmelze zur Stückbildung zu bringen, besteht darin, daß' die Schmelze in Formen gegossen wird und nach erfolgter Erstarrung aus ihnen entfernt wird.

Die Stücke werden dann in das geschmolzene Reduktionsmetallbad 6 gegeben, wo die Fertigreduktion erfolgt. Sie wurden nach und. nach dem Metallbad zugeführt, wo sie auf eine Transporteinrichtung gelangen, die sie durch das Reduktionsmetall hindurch und aus ihm heraus führt. Hierbei sind Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes

des Reduktionsmetalls zweckmäßig; die Titananteile der Stücke werden schnell zu metallischem Titan reduziert. Es wurde gefunden, daß zur Fertigreduktion ein Zeitraum von 3 Minuten ausreichend war. Die einzelnen Stücke behalten während der Reduktion zu Titanmetall ihre Form und werden mittels der Transporteinrichtung aus dem Metallbad entfernt. Die Stücke werden dann durch die Transporteinrichtung in eine heiße Zone, vorzugsweise zwischen 800 und 1100⁰C, geführt, wo die Reinigung erfolgt, indem das anhaftende Metallchlorid und das nicht zur Reaktion gekommene Reduktionsmetall verflüchtigt. werden. Diese Reinigung soll zweckmäßigerweise im Vakuum erfolgen, und es ist vorteilhaft, die Titanmetallstücke 20 bis 60 Minuten lang in der Reinigungszone zu belassen. Die gereinigten Stücke werden dann auf Raumtemperatur gekühlt. Das so hergestellte Titanmetall hatte eine Reinheit über 99,5 °/o bei einer Brinellhärte von 200 oder darunter.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung von Titanmetall im Dauerbetrieb oder erforderlichenfalls im teilweisen Dauerbetrieb, wodurch sieh eine wesentliche Senkung der Verfahrenskosten ergibt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist leicht zu handhaben und bedingt nicht die üblichen kostenmäßigen Aufwendungen, die mit der Handhabung der in Erstarrung gebrachten Produkte bei den bekannten Verfahren mit satzweiser Beschickung gegeben sind.

Die in den Beispielen gegebene Darstellung stellt keine Beschränkung des Erfindungsgedankens dar; unter die Erfindung fallen alle in den Ansprüchen unter Schutz gestellten Maßnahmen.

Claims

Patentansprüche:

i. Verfahren zur Herstellung von Titanmetall aus Titantetrachlorid, dadurch gekennzeichnet, daß das Titantetrachlorid mit einem geschmolzenen Reduktionsmetall der Alkalien, Erdalkalien und/oder des Magnesiums zur Reaktion gebracht wird zwecks teilweiser Reduktion zu einer Salzschmelze aus reduziertem Titanchlorid und einem Chlorid des Reduktionsmetalls, daß danach die Salzschmelze unter Stückbildung zur Erstarrung gebracht wird, daß danach die Stücke zwecks Fertigreduktion zu Titanmetall in ein geschmolzenes Reduktionsbad aus denselben Metallen gegeben werden und daß die zu Titanmetall reduzierten Stücke nach Entfernung aus dem Bad einer Reinigung in einer erhitzten Zone unterzogen werden zwecks Verflüchtigung der den Stücken anhaftenden Reste des Reduktionsmetalls und des Metallchlorids.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung in der Reinigungszone im Vakuum erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung des Kaliums als reduzierendes Metall die Reaktion unter Druck durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Reduktionsmetall für die Vor- und Fertigreduktion Natrium verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Reduktionsmetall für die Vorreduktion Calcium und für die Fertigreduktion Natrium verwendet wird.
6. Verfahren zur Herstellung einer Salzschmelze nach Anspruch 1 und folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß Titantetrachlorid bei erhöhter Temperatur mit einem Reduktionsmetall der Alkalien, Erdalkalien und/oder des Magnesiums zur Reaktion gebracht wird, wobei das Titantetrachlorid und das Reduktionsmetall in einer Menge zugeführt wird, die zur Bildung einer Salzschmelze aus reduziertem Titanchlorid und einem Metallchlorid des Reduktionsmetalls ausreicht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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