EP0053566A1 - Process for the electrolytic production of titanium - Google Patents
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- EP0053566A1 EP0053566A1 EP81420174A EP81420174A EP0053566A1 EP 0053566 A1 EP0053566 A1 EP 0053566A1 EP 81420174 A EP81420174 A EP 81420174A EP 81420174 A EP81420174 A EP 81420174A EP 0053566 A1 EP0053566 A1 EP 0053566A1
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- C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
- C25C3/26—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of titanium, zirconium, hafnium, tantalum or vanadium
- C25C3/28—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of titanium, zirconium, hafnium, tantalum or vanadium of titanium
Definitions
- the process which is the subject of the invention relates to the preparation of titanium by electrolysis of molten halides. It relates more particularly to the electrolysis of titanium dissolved in an electrolyte based on chlorides using, as starting material, titanium tetrachloride.
- the electrolysis cell shown in Figure 1 has a container (1) heated from the outside to 520 ° C which contains a molten electrolyte (2), based on a LiCl KCl mixture, in which 8 to 12 are dissolved. % of TiCl 2 .
- An anode (3) surrounded by a porous diaphragm (4) is connected to the positive pole and a deposition cathode (5) to the negative pole.
- a porous diaphragm (4) is connected to the positive pole and a deposition cathode (5) to the negative pole.
- a supply cathode (6) which comprises a supply tube of TiCl 4 (7) whose perforated end (8) is immersed in the electrolyte.
- the electrolysis current 1 which passes through the electrolyte from the anode, is divided into two parts: a current I 1 which passes through the feed cathode (6) and a current I 2 which passes through the deposition cathode.
- the titanium must be present in the electrolyte in the bivalent form. It is therefore necessary to reduce to a valence close to 2 the titanium which is introduced at valence 4 in the form of TiCl 4 .
- reaction (1) and reaction (3) can very well take place at different points of the electrolyte, in particular if the latter is strongly agitated by the introduction of TiCl 4 .
- reaction (1) and reaction (3) can very well take place at different points of the electrolyte, in particular if the latter is strongly agitated by the introduction of TiCl 4 .
- the process according to the invention relates to the preparation by electrolysis of titanium dissolved in the form of halide in an electrolyte based on at least one alkali or alkaline earth halide. It is characterized by the use of a supply device which allows titanium to be introduced into the cathode zone of the electrolysis cell in the form of a halide or a mixture of halides of lower average valence to 3.
- the titanium halides are titanium chlorides obtained by partial reduction of TiCl 4 .
- An alkali or alkaline earth metal, or alloys of these metals, or titanium or a titanium alloy can be used as reducing agent.
- This reduction of TiCl 4 to the desired valence level is carried out by means of the reducing agent chosen in a separate installation.
- the titanium chloride (s) with an average valence of less than 3 are most often obtained in solution in a halide or mixture of molten alkali or alkaline earth halides.
- This molten mixture thus produced is gradually introduced into the cathode compartment of the electrolyser as and when required. Simultaneously a corresponding quantity of electrolyte depleted in titanium halides is extracted from the anode compartment.
- FIG. 2 schematically represents an electrolysis cell (10) for the production of titanium, in which the method according to the invention is implemented.
- This cell is heated from the outside by means not shown.
- the complex relativizing feed cathode device described above is here replaced by a simple feed tube (11) which makes it possible to introduce the mixture of molten halides containing titanium, in the form of valence ions average less than 3, in the cathode compartment.
- This tube is connected to an installation, not shown, in which the partial reduction of TiCl 4 is carried out.
- the cell also comprises a deposition cathode (12) on which the titanium is deposited.
- a withdrawal tube (15) which makes it possible to extract from the cell amounts of electrolyte equivalent to those which are introduced by the tube ( 11).
- a tube (16) allows the release of chlorine formed at the anode.
- the electrolyte thus withdrawn contains very little titanium in solution.
- a first method of reducing titanium tetrachloride is to carry out this using metallic titanium. Such an operation is particularly justified in the case where there is waste of titanium or titanium-based alloys, in the divided state, such as turnings, falling sheets, etc.
- electrolytic titanium can also be used, to which its crystalline structure, generally quite loose, confers great reactivity.
- a second method consists in carrying out this reduction with sodium. It is known, in fact, that TiCl 4 can be reduced by Na according to the following reactions: either in total
- reducers can be envisaged for the preparation of titanium subchlorides.
- use may be made of other alkali or alkaline earth metals.
- alloys of alkali or alkaline earth metals such as NaK or LiK or other alloys.
Abstract
Le procédé qui fait l'objet de l'invention concerne la préparation du titane par électrolyse à partir d'un bain d'halogénures fondus. Il consiste à effectuer une réduction partielle du TiCl4 utilisé comme matière de départ dans un réacteur séparé puis à alimenter directement en (11) l'électrolyseur (10) au moyen d'halogénures de titane de valence inférieure à 3. La réduction partielle du TiCl4 est effectuée par du titane divisé ou par un autre métal que Na.The process which is the subject of the invention relates to the preparation of titanium by electrolysis from a bath of molten halides. It consists in carrying out a partial reduction of the TiCl4 used as starting material in a separate reactor and then in directly supplying (11) the electrolyzer (10) by means of titanium halides of valence less than 3. The partial reduction of the TiCl4 is carried out by divided titanium or by a metal other than Na.
Description
Le procédé qui fait l'objet de l'invention, concerne la préparation du titane par électrolyse d'halogénures fondus. Il concerne plus particulièrement l'électrolyse du titane dissous dans un électrolyte à base de chlorures en utilisant, comme matière de départ, le tétrachlorure de titane.The process which is the subject of the invention relates to the preparation of titanium by electrolysis of molten halides. It relates more particularly to the electrolysis of titanium dissolved in an electrolyte based on chlorides using, as starting material, titanium tetrachloride.
On connaît déjà différents travaux décrivant la préparation du titane à partir de TiCl4 par électrolyse de chlorures.Various works are already known which describe the preparation of titanium from TiCl 4 by electrolysis of chlorides.
C'est ainsi que le rapport RI 7648 de USBM, publié en 1972, décrit une cellule d'électrolyse permettant l'élaboration de Ti par un tel procédé. Les figures ci-après permettent de mieux comprendre le procédé décrit dans ce rapport et le procédé amélioré qui fait l'objet de l'invention.
- Figure 1 : cellule d'électrolyse pour la mise en oeuvre du procédé décrit dans le rapport RI 7648 de l'USBM.
- Figure 2 : cellule d'électrolyse pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention.
- Figure 1: electrolysis cell for the implementation of the process described in report RI 7648 from the USBM.
- Figure 2: electrolysis cell for implementing the method according to the invention.
La cellule d'électrolyse représentée à la figure 1 comporte un récipient (1) chauffé de l'extérieur vers 520°C qui contient un électrolyte (2) fondu, à base d'un mélange LiCl KCl, dans lequel on dissout 8 à 12 % de TiCl2.The electrolysis cell shown in Figure 1 has a container (1) heated from the outside to 520 ° C which contains a molten electrolyte (2), based on a LiCl KCl mixture, in which 8 to 12 are dissolved. % of TiCl 2 .
Une anode (3) entourée d'un diaphragme poreux (4) est reliée au pôle positif et une cathode de dépôt (5) au pôle négatif. Pour maintenir la con- centration de l'électrolyte en Ti++ au niveau souhaité, il est nécessaire d'introduire dans l'électrolyte, de façon continue ou discontinue, du TiCl4 pour remplacer le titane fixé à la cathode.An anode (3) surrounded by a porous diaphragm (4) is connected to the positive pole and a deposition cathode (5) to the negative pole. To maintain the con - centration of the electrolyte Ti ++ to the desired level, it is necessary to introduce in the electrolyte, continuously or discontinuously, the TiCl 4 to replace the titanium fixed to the cathode.
Cette introduction est effectuée au moyen d'une cathode d'alimentation (6) qui comporte un tube d'arrivée de TiCl4 (7) dont l'extrémité perforée (8) est plongée dans l'électrolyte. Le courant d'élecerolyse 1, qui traverse l'électrolyte à partir de l'anode, se divise en deux parts : un courant I1 qui traverse la cathode d'alimentation (6) et un courant I2 qui traverse la cathode de dépôt. En effet, pour que l'électrolyse s'effectue dans des conditions satisfaisantes, le titane doit être présent dans l'électrolyte sous la forme bivalente. Il est donc nécessaire de réduire à une valence voisine de 2 le titane qui est introduit à la valence 4 sous forme de TiCl4. Ce résultat est atteint lorsque le débit de TiCl4 et l'intensité du courant I1, qui traverse la cathode d'alimentation, sont ajustés convenablement. Avec un rendement des ampères de 100 %, il faut théoriquement que le débit de TiCl4 en g/h soit égal à I (ampère)X1,772. Le courant II devrait alors être égal à 1/2 de I. L'expérience a montré que le fonctionnement de la cathode d'alimentation est assez délicat. Il est difficile d'assurer un débit régulier de TiCl4 et les risques de bouchage de la canalisation d'arrivée par l'électrolyte ne sont pas négligeables.This introduction is carried out by means of a supply cathode (6) which comprises a supply tube of TiCl 4 (7) whose perforated end (8) is immersed in the electrolyte. The electrolysis current 1, which passes through the electrolyte from the anode, is divided into two parts: a current I 1 which passes through the feed cathode (6) and a current I 2 which passes through the deposition cathode. In fact, for the electrolysis to take place under satisfactory conditions, the titanium must be present in the electrolyte in the bivalent form. It is therefore necessary to reduce to a valence close to 2 the titanium which is introduced at valence 4 in the form of TiCl 4 . This result is achieved when the flow of TiCl 4 and the intensity of the current I 1 , which passes through the supply cathode, are adjusted properly. With an ampere efficiency of 100%, the TiCl 4 flow rate in g / h should theoretically be equal to I (ampere) X1,772. The current I I should then be equal to 1/2 of I. Experience has shown that the operation of the supply cathode is quite delicate. It is difficult to ensure a regular flow of TiCl 4 and the risks of blockage of the inlet pipe by the electrolyte are not negligible.
De même, le barbotage du TiCl4 dans l'électrolyte provoque une agitation souvent violente qui perturbe l'électrolyse.Likewise, the bubbling of TiCl 4 in the electrolyte causes an often violent agitation which disturbs the electrolysis.
Les études théoriques ont montré que le phénomène de réduction du TiCl4 en TiCl2, au niveau de la cathode d'alimentation, est complexe. Il peut être décrit de façon simplifiée par les réactions suivantes : tout d'abord, le TiCl4 introduit réagit sur le TiCl2 dissous dans l'électrolyte suivant la réaction :
Le Ti formé réagit à son tour avec le TiCl3 dissous dans l'électrolyte suivant la réaction d'équilibre :
Au total, la réaction peut être représentée globalement de la façon suivante :
ce qui pourra être une cause de redissolution du titane au niveau de la cathode de dépôt.which could be a cause of redissolution of titanium at the deposition cathode.
De plus, la réaction (3) étant une réaction d'équilibre, l'alimentation de la cathode avec un courant I1 =
On a donc recherché la possibilité de simplifier de façon très importante la conception des électrolyseurs pour la préparation du titane afin de permettre un fonctionnement stable de ceux-ci.We therefore looked for the possibility of greatly simplifying the design of electrolysers for the preparation of titanium in order to allow stable operation thereof.
On a recherché, en particulier, la possibilité d'éviter les perturbations causées par les mouvements des bains dûs à l'introduction de TiCl4 liquide ou gazeux. On a cherché aussi à éviter les variations de concentration et de valence du titane dissous dans le bain.Research has been carried out, in particular, on the possibility of avoiding disturbances caused by the movements of the baths due to the introduction of liquid or gaseous TiCl 4 . Attempts have also been made to avoid variations in the concentration and valence of the titanium dissolved in the bath.
Le procédé suivant l'invention concerne l'élaboration par électrolyse du titane dissous sous forme d'halogénure dans un électrolyte à base d'au moins un halogénure alcalin ou alcalinoterreux. Il est caractérisé par l'utilisation d'un dispositif d'alimentation qui permet d'introduire dans la zone cathodique de la cellule d'électrolyse le titane sous la forme d'un halogénure ou d'un mélange d'halogénures de valence moyenne inférieure à 3. Suivant un mode préférentiel de mise en oeuvre de l'invention, les halogénures de titane sont des chlorures de titane obtenus par réduction partielle de TiCl4. On peut utiliser comme réducteur un métal alcalin ou alcalinoterreux, ou des alliages de ces métaux ou encore du titane ou un alliage de titane.The process according to the invention relates to the preparation by electrolysis of titanium dissolved in the form of halide in an electrolyte based on at least one alkali or alkaline earth halide. It is characterized by the use of a supply device which allows titanium to be introduced into the cathode zone of the electrolysis cell in the form of a halide or a mixture of halides of lower average valence to 3. According to a preferred embodiment of the invention, the titanium halides are titanium chlorides obtained by partial reduction of TiCl 4 . An alkali or alkaline earth metal, or alloys of these metals, or titanium or a titanium alloy can be used as reducing agent.
Cette réduction de TiCl4 au niveau de valence désiré est effectuée au moyen du réducteur choisi dans une installation séparée. Le ou les chlorures de titane de valence moyenne inférieure à 3 sont le plus souvent obtenus en solution dans un halogénure ou mélange d'halogénures alcalins ou alcalinoterreux fondus. Ce mélange fondu ainsi réalisé est introduit progressivement dans le compartiment cathodique de l'électrolyseur au fur et à mesure des besoins. Simultanément une quantité correspondante d'électrolyte appauvri en halogénures de titane est extraite du compartiment anodique.This reduction of TiCl 4 to the desired valence level is carried out by means of the reducing agent chosen in a separate installation. The titanium chloride (s) with an average valence of less than 3 are most often obtained in solution in a halide or mixture of molten alkali or alkaline earth halides. This molten mixture thus produced is gradually introduced into the cathode compartment of the electrolyser as and when required. Simultaneously a corresponding quantity of electrolyte depleted in titanium halides is extracted from the anode compartment.
La figure 2 représente de façon schématique une cellule d'électrolyse (10) pour l'élaboration du titane, dans laquelle on net en oeuvre le procédé suivant l'invention. Cette cellule est chauffée de l'extérieur par un moyen non représenté. On voit que le dispositif relativerent complexe de cathode d'alimentation décrit plus haut est ici remplacé par un simple tube d'alimentation (11) qui permet d'introduire le mélange d'halogénures fondus contenant du titane, sous forme d'ions de valence moyenne inférieure à 3, dans le compartiment cathodique. Ce tube est raccordé à une installation non représentée dans laquelle est effectuée la réduction partielle de TiCl4. La cellule comporte, par ailleurs, une cathode de dépôt (12) sur laquelle se dépose le titane. Dans le compartiment anodique (13) on observe, à côté de l'anode (14), un tube de soutirage (15) qui permet d'extraire de la cellule des quantités d'électrolyte équivalentes à celles qui sont introduites par le tube (11). Un tube (16) permet le dégagement du chlore formé à l'anode.FIG. 2 schematically represents an electrolysis cell (10) for the production of titanium, in which the method according to the invention is implemented. This cell is heated from the outside by means not shown. It can be seen that the complex relativizing feed cathode device described above is here replaced by a simple feed tube (11) which makes it possible to introduce the mixture of molten halides containing titanium, in the form of valence ions average less than 3, in the cathode compartment. This tube is connected to an installation, not shown, in which the partial reduction of TiCl 4 is carried out. The cell also comprises a deposition cathode (12) on which the titanium is deposited. In the anode compartment (13) there is, next to the anode (14), a withdrawal tube (15) which makes it possible to extract from the cell amounts of electrolyte equivalent to those which are introduced by the tube ( 11). A tube (16) allows the release of chlorine formed at the anode.
Grâce au diaphragme (17), l'électrolyte ainsi soutiré ne contient que très peu de titane en solution.Thanks to the diaphragm (17), the electrolyte thus withdrawn contains very little titanium in solution.
De nombreux modes de mise en oeuvre du procédé suivant l'invention peuvent être envisagés. On peut, en particulier, faire appel à différentes méthodes pour réduire le tétrachlorure de titane.Many modes of implementing the method according to the invention can be envisaged. In particular, different methods can be used to reduce titanium tetrachloride.
Les exemples suivants décrivent de façon non limitative deux modes de mise en oeuvre particulièrement avantageux.The following examples describe, without limitation, two particularly advantageous modes of implementation.
Une première méthode de réduction du tétrachlorure de titane consiste à effectuer celle-ci au moyen de titane métallique. Une telle opération se justifie particulièrement bien dans le cas où on dispose de déchets de titane ou d'alliages à base de titane, à-l'état divisé, tels que des tournures, chutes de tôles, etc... On peut utiliser aussi comme réducteur de l'éponge de titane et, en particulier, de l'éponge ne présentant pas un degré de pureté suffisant pour son utilisation directe. Enfin, on peut utiliser également du titane électrolytique auquel sa structure cristalline, en général assez lâche, confère une grande réactivité.A first method of reducing titanium tetrachloride is to carry out this using metallic titanium. Such an operation is particularly justified in the case where there is waste of titanium or titanium-based alloys, in the divided state, such as turnings, falling sheets, etc. We can also use as a reducing agent for titanium sponge and, in particular, for sponge which does not have a sufficient degree of purity for its direct use. Finally, electrolytic titanium can also be used, to which its crystalline structure, generally quite loose, confers great reactivity.
On réalise les réactions suivantes :
On opère, en général, dans un réacteur en acier dans lequel on place les déchets de titane. Après chauffage à la température convenable en atmosphère neutre, on introduit progressivement le TiCl4. Il est, en général, souhaitable d'introduire dans le réacteur une certaine quantité d'électrolyte provenant de préférence du compartiment anodique de l'électrolyseur, de façon à dissoudre les sous-chlorures de titane formés. En effet, l'introduction de ces sous-chlorures de titane à l'état solide dans le compartiment cathodique de l'électrolyseur présenterait de plus grandes difficultés que leur introduction sous forme d'un méla1nge de sels fondus. Dans le cas, par exemple, d'une électrolyse en milieux LiCl-KCl, on introduit dans le réacteur une quantité dudit électrolyte prélevée dans le Compartiment anodique de l'électrolyseur telle que, après réduction de TiCl4 par le titane, la teneur du mélange de sels fondus en sous-chlorures de titane soit de l'ordre de 8 à 12 %. Comme la réaction 6 est équilibrée, il n'est pas possible d'aboutir à une réduction complète de TiCl3 en TiCl2. Par ailleurs, on doit aussi remarquer que, pendant l'introduction de TiCl4 dans le réacteur, il peut y avoir réaction directe de TiCl4 sur TiCl2 :
On obtiendra donc, en général, une valence moyenne du titane en solution comprise entre 3 et 2. Cette valence sera d'autant plus proche de celle correspondant à l'équilibre 6 que l'excès de titane sera grand par rapport au TiCl4 introduit et que la surface spécifique de ce titane sera importante. Pour cette dernière raison, on donnera la préférence à l'utilisation de titane sous forme de copeaux ou tournures fines, d'éponge ou mieux encore de cristaux de titane électrolytique. Le mélange de sels ainsi préparé est finalement introduit dans l'électrolyseur par la canalisation (11).We will therefore generally obtain an average valence of titanium in solution of between 3 and 2. This valence will be all the closer to that corresponding to equilibrium 6 the greater the excess of titanium relative to the TiCl 4 introduced. and that the specific surface of this titanium will be significant. For the latter reason, preference will be given to the use of titanium in the form of shavings or fine turnings, sponge or better still crystals of electrolytic titanium. The mixture of salts thus prepared is finally introduced into the electrolyser through the pipe (11).
Une deuxième méthode consiste à effectuer cette réduction par le sodium. Il est connu, en effet, qu'on peut réduire le TiCl4 par Na suivant les réactions suivantes : soit au total
On pourra observer aussi, comme dans le cas de la réduction de TiCl4 par Ti, la réaction (7).We can also observe, as in the case of the reduction of TiCl 4 by Ti, reaction (7).
Ces réactions sont effectuées, par exemple, dans un réacteur en acier dans lequel on fond le sodium à l'abri de l'air, en présence d'un gaz inerte tel que de l'argon, et à l'intérieur duquel on introduit progressivement le TiCl4 dans la proportion voulue. Le mélange de sels obtenu est ensuite transféré à l'état liquide dans la cellule d'électrolyse au moyen du tube d'alimentation (11). On voit que, dans le cas de l'utilisation du sodium comme réducteur du TiCl4, il est souhaitable d'utiliser comme électrolyte, uniquement un mélange de chlorure de sodium et de sous-chlorures de titane.These reactions are carried out, for example, in a steel reactor in which the sodium is melted away from air, in the presence of an inert gas such as argon, and inside which is introduced. gradually TiCl 4 in the desired proportion. The salt mixture obtained is then transferred in the liquid state to the electrolysis cell by means of the feed tube (11). It can be seen that, in the case of the use of sodium as a TiCl 4 reducing agent, it is desirable to use as electrolyte only a mixture of sodium chloride and titanium subchlorides.
On peut alors utiliser le chlorure de sodium qui est soutiré du compartiment anodique pour élaborer à nouveau du sodiua par électrolyse suivant le procédé habituel.It is then possible to use the sodium chloride which is withdrawn from the anode compartment to prepare again sodiua by electrolysis according to the usual process.
On peut aussi, dans certains cas, soutirer du compartiment anodique, une quantité supplémentaire de chlorure de sodium qui sera utilisée pour diluer le mélange de sels préparé suivant la réaction (7), afin d'obtenir un mélange de sels dans lequel la teneur en sous-chlorures de titane soit plus proche de celle du catolyte dans lequel ce mélange sera transféré par la canalisation (11).It is also possible, in certain cases, to extract from the anode compartment an additional quantity of sodium chloride which will be used to dilute the mixture of salts prepared according to reaction (7), in order to obtain a mixture of salts in which the content of titanium subchlorides is closer to that of the catolyte into which this mixture will be transferred via the pipe (11).
Il y a intérêt à effectuer dans tous les cas, de façon continue ou semi- continue, les opérations d'introduction d'électrolyte dans le compartiment cathodique et de soutirage d'électrolyte dans le compartiment anodique pour éviter les à-coups.It is advantageous to carry out in all cases, continuously or semi-continuously, the operations of introducing electrolyte into the cathode compartment and withdrawing electrolyte into the anode compartment to avoid jolts.
On peut, pour celà, effectuer, de façon également continue, la réduction du TiCl4 par Ti ou Na.We can, for this, perform, also continuously, the reduction of TiCl 4 by Ti or Na.
Par ailleurs, d'autres réducteurs peuvent être envisages pour la préparation des sous-chlorures de titane. On peut, en particulier, faire appel à d'autres métaux alcalins ou alcalinoterreux. On peut aussi, éventuellement, utiliser comme réducteurs des alliages de métaux alcalins ou alcalinoterreux tels que des alliages NaK ou LiK cu d'autres.Furthermore, other reducers can be envisaged for the preparation of titanium subchlorides. In particular, use may be made of other alkali or alkaline earth metals. It is also possible, optionally, to use, as reducing agents, alloys of alkali or alkaline earth metals such as NaK or LiK or other alloys.
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