EP0343378A1 - Process for producing metallic titanium, zirconium, chromium, samarium or neodymium from their oxides - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method according to the preamble of claim 1 or 2.
- a method for direct reduction is known for example from DE-AS 20 34 385.
- the metal oxides to be reduced, the slag components and the metal acting as a reducing agent are mixed as a powder, and the powder mixture is partially melted in a water-cooled induction crucible. Since the required inductive coupling can only take place on the metallic component of the mixture, the process only starts up slowly.
- the reducing agent (Ca) must be added in excess.
- the metallic titanium in this reaction is present in the solid phase in small particles, so that after the separation, a vacuum distillation to remove excess alkaline earth metal requires a compaction of the titanium particles with subsequent, possibly two, remelting. For this reason, the process could not assert itself in terms of production technology.
- Titanium oxide (TiO2) melts at 1825 ° C. Reduction of the titanium oxide melt at a temperature above 1825 ° C, e.g. with calcium, is not possible because calcium already evaporates at a temperature of 1484 ° C and is no longer available for the reduction.
- the invention is therefore based on the object of specifying a method of the type described in the introduction in which alkaline earth metals can be used economically for direct reduction of the oxides in order to be able to produce the metals and metal alloys concerned on an industrial scale.
- the slag melt formed from said metal oxides and the alkaline earth metal halide has, depending on the mixing ratio, a substantially lower melting point than the pure metal oxides.
- alkaline earth metals such as magnesium or barium can also be used for the purpose of the invention. It is advisable to replace the fluorspar (CaF2) contained in the slag, which is particularly suitable for calcium, in whole or in part by the corresponding fluoride, such as MgF2 or BaF2. If the slag does not contain magnesium fluoride or barium fluoride, magnesium or barium must be added together with calcium. Since all alkaline earth metals are soluble in the liquid calcium, the evaporation losses of these elements are significantly smaller.
- the reduction takes place, for example, for the production of titanium in a liquid slag phase by setting a slag temperature which is above the melting point of titanium, ie at 1675 ° C.
- the titanium remains liquid. Due to the difference in density, the liquid titanium is inevitably separated from the Slag phase. The liquid titanium can then be poured into blocks.
- the slag temperature can be set as desired in all three of the furnaces mentioned above by appropriate energy supply. With a sensible design of the melting furnace, the reduction of the oxides in the slag and the removal of the metal melt can be carried out continuously.
- the conditions in the characterizing part of claim 1 or 2, according to which the separation is to take place at a temperature above the melting point of the metal to be obtained can be accomplished in two ways.
- metals such as Ti, Zr and Cr, whose melting point is above the reaction temperature, heating is necessary.
- metals such as Nd and Sm, the melting point of which is below the reaction temperature, heating is unnecessary.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder 2.The invention relates to a method according to the preamble of claim 1 or 2.
Für die industrielle Herstellung von Titan aus TiO₂ sind beispielsweise nach dem heutigen Stand der Technik fünf Prozeßschritte nötig:
- Herstellung von Titanchlorid aus Titanoxid nach der Reaktion
TiO₂ + 2Cl₂ + 2C = TiCl₄ + 2 CO.
- Reduktion von Titantetrachlorid mit Magnesium oder Natrium zu Titanschwamm nach der Reaktion
TiCl4 + 2 Mg = 2 MgCl₂ + Ti
TiCl4Y + 4 Na = 4 NaCl + Ti
- Vakuumdestillation des so hergestellten Titanschwamms zur Entfernung von Mg und MgCl₂ bzw. von Na und NaCl
- Kompaktieren des Titanschwamms zu Elektroden
- Zweimaliges Umschmelzen von Titanschwamm im Vakuumlichtbogenofen oder im Elektronenstrahlofen zu einem Titanblock.According to the current state of the art, five process steps are necessary for the industrial production of titanium from TiO₂:
- Production of titanium chloride from titanium oxide after the reaction
TiO₂ + 2Cl₂ + 2C = TiCl₄ + 2 CO.
- Reduction of titanium tetrachloride with magnesium or sodium to titanium sponge after the reaction
TiCl4 + 2 Mg = 2 MgCl₂ + Ti
TiCl4Y + 4 Na = 4 NaCl + Ti
- Vacuum distillation of the titanium sponge thus produced to remove Mg and MgCl₂ or Na and NaCl
- Compacting the titanium sponge into electrodes
- Two times remelting of titanium sponge in a vacuum arc furnace or in an electron beam furnace to a titanium block.
Dieser Herstellungsprozeß ist technisch und wirtschaftlich sehr aufwendig. Es hat daher nicht an Bemühungen gefehlt, Titan durch Direktreduktion von TiO₂ herzustellen. Wegen der hohen Bildungswärme des Titanoxids bis zu 225,8 kcal/mol sowie der hohen Löslichkeit des Sauerstoffs im Titanmischkristall gibt es noch kein industriell brauchbares Verfahren.This manufacturing process is technically and economically very complex. There has been no lack of efforts to produce titanium by direct reduction of TiO₂. Because of the high heat of formation of the titanium oxide up to 225.8 kcal / mol and the high solubility of the oxygen in the titanium mixed crystal, there is still no industrially usable process.
Ein Verfahren zur Direktreduktion ist beispielsweise durch die DE-AS 20 34 385 bekannt. Die zu reduzierenden Metalloxide, die Schlackenkomponenten und das als Reduktionsmittel wirkende Metall werden dabei als Pulver gemischt, und das Pulvergemisch wird in einem wassergekühlten Induktionstiegel teilweise aufgeschmolzen. Da die erforderliche induktive Ankopplung nur an die metallische Komponente des Gemisches erfolgen kann, kommt der Prozeß nur langsam zum Anlaufen. Außerdem muß das Reduktionsmittel (Ca) im Überschuß zugegeben werden.A method for direct reduction is known for example from DE-AS 20 34 385. The metal oxides to be reduced, the slag components and the metal acting as a reducing agent are mixed as a powder, and the powder mixture is partially melted in a water-cooled induction crucible. Since the required inductive coupling can only take place on the metallic component of the mixture, the process only starts up slowly. In addition, the reducing agent (Ca) must be added in excess.
Wegen der langen Prozeßdauer und des Überschusses an Reduktionsmetall geht von diesem ein unverhältnismäßig großer Anteil durch Verdampfung verloren. Das Verfahren leidet außerdem an einem hohen Energiebedarf. Trotzdem hat es sich als nicht möglich erwiesen, die experimentellen Labormengen von 100 g bis 150 g zu überschreiten und das Verfahren auf einen Produktionsmaßstab auszudehnen.Because of the long process time and the excess of reducing metal, a disproportionate amount of this is lost through evaporation. The process also suffers from a high energy requirement. Nevertheless, it has not proven possible to exceed the experimental laboratory quantities from 100 g to 150 g and to extend the process to a production scale.
Aufgrund der hohen Affinität der Erdalkalimetalle wie Kalzium, Magnesium, Barium u.a. zum Sauerstoff, ist eine weitgehende Reduktion von Titanoxid mit diesen Metallen grundsätzlich möglich. Wegen der hohen Dampfdrucke dieser Elemente muß die Reduktion bei relativ niedriger Temperatur von ca. 1000 °C vorgenommen werden.Due to the high affinity of alkaline earth metals such as calcium, magnesium, barium and others to oxygen, an extensive reduction of titanium oxide with these metals is fundamentally possible. Because of the high vapor pressure of these elements, the reduction must be carried out at a relatively low temperature of approx. 1000 ° C.
Im Labormaßstab konnte Titan mit 0,1 % bis 0,2 % Sauerstoff durch Reduktion mit Kalzium hergestellt werden (Ulrich Zwicker: Buch "Titan und Titanlegierungen", Seite 28, Springer Verlag, Berlin, 1974). Das Problem liegt jedoch in der Schwierigkeit bei der Abtrennung des reaktiven Metalls vom gebildeten Erdalkalioxid.On a laboratory scale, titanium could be produced with 0.1% to 0.2% oxygen by reduction with calcium (Ulrich Zwicker: Book "Titan und Titanlegierungen", page 28, Springer Verlag, Berlin, 1974). The problem, however, is the difficulty in separating the reactive metal from the alkaline earth oxide formed.
Darüberhinaus liegt das metallische Titan bei dieser Reaktion in der festen Phase in kleinen Teilchen vor, so daß nach der Abtrennung eine Vakuumdestillation zur Entfernung von überschüssigem Erdalkalimetall eine Kompaktierung der Titanteilchen mit anschließendem, evtl. zweimaligem Umschmelzen notwendig ist. Aus diesem Grunde konnte sich das Verfahren produktionstechnisch nicht durchsetzen.In addition, the metallic titanium in this reaction is present in the solid phase in small particles, so that after the separation, a vacuum distillation to remove excess alkaline earth metal requires a compaction of the titanium particles with subsequent, possibly two, remelting. For this reason, the process could not assert itself in terms of production technology.
Titanoxid (TiO₂) schmilzt bei 1825 °C. Eine Reduktion der Titanoxidschmelze bei einer Temperatur von über 1825 °C, z.B. mit Kalzium, ist nicht möglich, da Kalzium bereits bei einer Temperatur von 1484 °C verdampft und für die Reduktion nicht mehr zur Verfügung steht.Titanium oxide (TiO₂) melts at 1825 ° C. Reduction of the titanium oxide melt at a temperature above 1825 ° C, e.g. with calcium, is not possible because calcium already evaporates at a temperature of 1484 ° C and is no longer available for the reduction.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art anzugeben, bei dem Erdalkalimetalle wirtschaftlich zur Direktreduktion der Oxide eingesetzt werden können, um die betreffenden Metalle und Metall-Legierungen im großtechnischen Maßstab erzeugen zu können.The invention is therefore based on the object of specifying a method of the type described in the introduction in which alkaline earth metals can be used economically for direct reduction of the oxides in order to be able to produce the metals and metal alloys concerned on an industrial scale.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 oder 2 angegebenen Maßnahmen gelöst.According to the invention, this object is achieved by the measures specified in the characterizing part of claim 1 or 2.
Die aus den besagten Metalloxiden und dem Erdalkalimetallhalogenid gebildete Schlackenschmelze hat je nach Mischungsverhältnis einen wesentlich niedrigeren Schmelzpunkt als die reinen Metalloxide.The slag melt formed from said metal oxides and the alkaline earth metal halide has, depending on the mixing ratio, a substantially lower melting point than the pure metal oxides.
Da Erdalkalimetalle in entsprechender Halogenidschmelze über den gesamten Temperatur- und Konzentrationsbereich unbeschränkt löslich sind, werden die Dampfdrucke der gelösten Erdalkalimetalle entsprechend dem Raoult'schen Gesetz
Px = Nx x Px* wobei Px = Dampfdruck des gelösten Stoffes x
Nx = Molendruck des gelösten Stoffes x
Px* = Dampfdruck des reinen Stoffes x
herabgesetzt.Since alkaline earth metals in a corresponding halide melt are freely soluble over the entire temperature and concentration range, the vapor pressures of the dissolved alkaline earth metals become in accordance with Raoult's law
P x = N x x P x * where P x = vapor pressure of the solute x
N x = molar pressure of the solute x
P x * = vapor pressure of the pure substance x
reduced.
Überraschenderweise hat sich bei Versuchen gezeigt, daß das Erdalkalimetall in einer Titan/Erdalkalihalogenidschmelze auch bei Temperaturen über 1500 °C nicht dampfförmig entweicht und sehr weitgehend zur Reduktion in Titanoxid erhalten bleibt.Surprisingly, it has been shown in experiments that the alkaline earth metal in a titanium / alkaline earth halide melt does not escape in vapor form even at temperatures above 1500 ° C. and is largely retained in titanium oxide for reduction.
Für den erfindungsgemäßen Zweck können außer Kalzium auch Erdalkalimetalle wie Magnesium oder Barium verwendet werden. Hierbei empfiehlt es sich, den in der Schlacke enthaltenden, für Kalzium besonders gut geeigneten Flußspat (CaF₂) ganz oder teilweise durch das entsprechende Fluorid, wie MgF₂ bzw. BaF₂ zu ersetzen. Enthält die Schlacke kein Magnesiumfluorid bzw. Bariumfluorid, so ist Magnesium oder Barium zusammen mit Kalzium zuzusetzen. Da alle Erdalkalimetalle im flüssigen Kalzium löslich sind, werden daher die Verdampfungsverluste dieser Elemente wesentlich kleiner.In addition to calcium, alkaline earth metals such as magnesium or barium can also be used for the purpose of the invention. It is advisable to replace the fluorspar (CaF₂) contained in the slag, which is particularly suitable for calcium, in whole or in part by the corresponding fluoride, such as MgF₂ or BaF₂. If the slag does not contain magnesium fluoride or barium fluoride, magnesium or barium must be added together with calcium. Since all alkaline earth metals are soluble in the liquid calcium, the evaporation losses of these elements are significantly smaller.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Reduktion beispielsweise zur Herstellung von Titan in einer flüssigen Schlackenphase durch Einstellen einer Schlakkentemperatur, die über dem Schmelzpunkt von Titan liegt, d.h. bei 1675 °C. Dabei bleibt das Titan flüssig. Aufgrund des Dichteunterschiedes erfolgt die Trennung des flüssigen Titans zwangsläufig von der Schlackenphase. Das flüssige Titan kann dann zu Blöcken abgegossen werden.In the method according to the invention, the reduction takes place, for example, for the production of titanium in a liquid slag phase by setting a slag temperature which is above the melting point of titanium, ie at 1675 ° C. The titanium remains liquid. Due to the difference in density, the liquid titanium is inevitably separated from the Slag phase. The liquid titanium can then be poured into blocks.
Aufgrund der hohen Reaktivität einiger Metalle wie Titan ist es empfehlenswert, das Schmelzen und die Reduktion der Oxid-Halogenid-Schlacke in einem keramikfreien Tiegel, z.B. einem wassergekühlten Kupfertrog, vorzunehmen. Hierfür können folgende Verfahren verwendet werden:
- a) Schmelzen in einem wassergekühlten Kupfertiegel nach dem Elektroschlackeumschmelzverfahren, vorzugsweise mit einer nichtverzehrbaren Elektrode,
- b) Schmelzen in einem wassergekühlten Kupfertiegel mittels Lichtbogen mit einer nichtverzehrbaren Elektrode, und
- c) Schmelzen in einem wassergekühlten Kupfertiegel mit Hilfe von Plasmabrennern.
- a) melting in a water-cooled copper crucible using the electroslag remelting process, preferably with an inedible electrode,
- b) melting in a water-cooled copper crucible by means of an arc with a non-consumable electrode, and
- c) Melting in a water-cooled copper crucible with the help of plasma torches.
Die Schlackentemperatur kann bei allen drei oben genannten Öfen durch entsprechende Energiezufuhr beliebig eingestellt werden. Bei sinnvoller Gestaltung des Schmelzofens lassen sich die Reduktion der Oxide in der Schlacke und der Abzug der Metallschmelze kontinuierlich durchführen.The slag temperature can be set as desired in all three of the furnaces mentioned above by appropriate energy supply. With a sensible design of the melting furnace, the reduction of the oxides in the slag and the removal of the metal melt can be carried out continuously.
Die Bedingungen im Kennzeichen des Anspruchs 1 oder 2, wonach die Abtrennung bei einer Temperatur über dem Schmelzpunkt des zu gewinnenden Metalls erfolgen soll, kann auf zweierlei Weise erfüllt werden. Bei Metallen, wie z.B. Ti, Zr und Cr, deren Schmelzpunkt über der Reaktionstemperatur liegt, ist eine Aufheizung erforderlich. Bei Metallen, wie z.B. Nd und Sm, deren Schmelzpunkt unter der Reaktionstemperatur liegt, ist eine Aufheizung entbehrlich.The conditions in the characterizing part of claim 1 or 2, according to which the separation is to take place at a temperature above the melting point of the metal to be obtained, can be accomplished in two ways. For metals such as Ti, Zr and Cr, whose melting point is above the reaction temperature, heating is necessary. In the case of metals such as Nd and Sm, the melting point of which is below the reaction temperature, heating is unnecessary.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Verfahren unter einem erhöhten Schutzgasdruck (über 1 bar) durchgeführt wird. Dies hat die Vorteil, daß die Zersetzung von z.B. Flußspat (CaF₂) bei hohen Temperaturen unterdrückt wird.It is particularly advantageous if the process is carried out under an increased protective gas pressure (above 1 bar). This has the advantage that the decomposition of e.g. Fluorspar (CaF₂) is suppressed at high temperatures.
Was vorstehend für die Direktreduktion von Titanoxid beschrieben wurde, gilt analog auch für die Direktreduktion der übrigen Oxide zu den Metallen. Im folgenden wird die Erfindung anhand von vier Beispielen erläutert.What has been described above for the direct reduction of titanium oxide also applies analogously to the direct reduction of the other oxides to the metals. In the following, the invention is explained using four examples.
In einem wassergekühlten Kupfertiegel wurden 1000 g TiO₂/CaF₂-Gemisch mit einer Zusammensetzung von 50 % TiO₂ und 50 % CaF₂ mit einer nichtverzehrenden Elektrode mittels Lichtbogen aufgeschmolzen. Auf die geschmolzene TiO₂/CaF₂-Schlacke wurden 500 g Kalzium aufgegeben. Die Temperatur der Schlackenschmelze betrug 1600 °C. Das zugegebene Kalzium ging ohne merkliches Verdampfen sofort in Lösung. Nach zwei Minuten wurde die Anlage abgeschaltet. Nach dem Abkühlen wurde die erstarrte Schlacke zerkleinert. Es konnten zahlreiche metallische Teilchen in der Größe zwischen 0,5 mm und 5 mm festgestellt werden. Anschließende Untersuchungen dieser metallischen Teilchen mit der Mikrosonde ergaben, daß es sich um reines Titan handelt.In a water-cooled copper crucible, 1000 g of TiO₂ / CaF₂ mixture with a composition of 50% TiO₂ and 50% CaF₂ were melted by means of an arc using a non-consuming electrode. 500 g of calcium were added to the molten TiO₂ / CaF₂ slag. The temperature of the slag melt was 1600 ° C. The added calcium immediately dissolved without noticeable evaporation. The system was switched off after two minutes. After cooling, the solidified slag was crushed. Numerous metallic particles with a size between 0.5 mm and 5 mm were found. Subsequent investigations of these metallic particles with the microsensor showed that it is pure titanium.
In einer ESU-Anlage wurden 50 kg Pulvergemisch mit 50 % TiO₂ und 50 % CaF₂ mit einer nichtverzehrenden Graphitelektrode unter Argonschutzgas aufgeschmolzen und auf 1700 °C aufgeheizt. Danach wurden 30 kg Kalziumgranalien in die Schlacke zugegeben. Nach einer Haltedauer von 30 Minuten wurde die Anlage abgeschaltet. Das flüssige Titan (ca. 13 kg) hatte sich auf dem Boden der Kupferkokille gesammelt und konnte nach dem Abkühlen entfernt werden. Der Sauerstoffgehalt des so hergestellten Titan betrug ca. 1100 ppm.In an ESR system, 50 kg of powder mixture with 50% TiO₂ and 50% CaF₂ were melted with a non-consuming graphite electrode under an argon protective gas and heated to 1700 ° C. Then 30 kg of calcium granules were added to the slag. The system was switched off after a holding period of 30 minutes. The liquid titanium (approx. 13 kg) had collected on the bottom of the copper mold and could be removed after cooling. The oxygen content of the titanium thus produced was approximately 1100 ppm.
In einem Plasmaofen mit einem wassergekühlten Kupfertiegel wurden 100 kg ZrO₂/CaF₂-Gemisch mit 50 % ZrO₂ bei einem Druck von 1000 mbar aufgeschmolzen. Das Plasmagas war Argon. Bei einer Schlackentemperatur von 1900 °C wurde die Schlackenschmelze mit ca. 60 kg Kalzium reduziert. Nach einer Haltedauer von 30 Minuten wurde die Anlage abgeschaltet. Auch hierbei hatte sich das Zirkonium auf dem Boden des Kupfertroges gesammelt und konnte nach dem Abkühlen entnommen werden.In a plasma furnace with a water-cooled copper crucible, 100 kg of ZrO₂ / CaF₂ mixture with 50% ZrO₂ were melted at a pressure of 1000 mbar. The plasma gas was argon. At a slag temperature of 1900 ° C, the slag melt was reduced with approx. 60 kg calcium. The system was switched off after a holding period of 30 minutes. Here too, the zirconium had collected on the bottom of the copper trough and could be removed after cooling.
In einem Plasmaofen mit einem wassergekühlten Kupfertiegel werden 100 kg Cr₂O₃/CaF₂-Gemisch mit 50 % Cr₂O₃ bei einem Druck von 1000 mbar unter Ar-Atmosphäre aufgeschmolzen. Das Plasmagas war Argon. Bei einer Schlackentemperatur von ca. 1900 °C wurde das Chromoxid in der Schlacke mit 50 kg Kalzium reduziert. Nach einer Haltedauer von 30 Minuten wurde die Anlage abgeschaltet. Das so gebildete metallische Chrom hatte sich auf dem Boden des Kupfertroges gesammelt und konnte nach dem Abkühlen entnommen werden.In a plasma furnace with a water-cooled copper crucible, 100 kg of Cr₂O₃ / CaF₂ mixture with 50% Cr₂O₃ are melted at a pressure of 1000 mbar under an Ar atmosphere. The plasma gas was argon. At a slag temperature of approx. 1900 ° C, the chromium oxide in the slag was reduced with 50 kg calcium. The system was switched off after a holding period of 30 minutes. The metallic chrome thus formed had collected on the bottom of the copper trough and could be removed after cooling.
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