MÉTODO PASA OBTENER METALES Y OTROS ELEMENTOS DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a la producción de material elemental desde los haluros de los mismos y tiene aplicabilidad particular, aquellos metales y no metales para los cuales la reducción del haluro al elemento exotérmica. Interés particular, existe por el titanio y la presente invención se describirá haciéndose referencia al titanio pero es aplicable a otros metales y no metales tales como Al, As, Sb, Be, B, Ta, Ge, V, Nb, No, Ga, Ir, Os, U y Re, todos los cuales producen calor notable al reducirse del haluro al metal. Para los propósitos de esta solicutud los materiales elementales incluyen aquellos metales y no metales señalados anteriormente o en la Tabla 1. Al presente la producción del titanio se hace por la reducción de tetracloruro de titanio, que se hace por la clorinación de un mineral dióxido de titanio de un grado relativamente alto. Los minerales en bruto que contienen rutilo pueden concentrarse físicamente para producir un material de alimentación de clorinación satisfactorio. Otras fuentes de dióxido de titanio tal como ilmenita, minerales de hierro con titanio y la mayoría de otros materiales fuentes de titanio, requieren un beneficio químico. La reducción del cloruro de titanio a metal ha sido intentada usando ün numero de agentes reductores incluyendo hidrógeno, carbón, sodio, calcio, aluminio y magnesio. La reducción con magnesio del tetracloruro de titanio ha probado ser un método comercial para producir un metal de titanio. Sin embargo, la colada resultante requiere un manejo importante del material con oportunidades resultantes para la contaminación y también una variación de calidad de colada a colada. El potencial mayor para disminuir el costo de la producción es el desarrollo de un proceso de reducción continuo con reducción adyacente en el manejo del material. Hay una fuerte demanda para el desarrollo de un proceso que permita una producción económica continua de polvo de titanio adecuada para usarse sin procesamiento adicional para aplicación a la metalurgia de polvo o al fundido por arco de vacío en forma de lingote. El proceso de Kroll y el proceso de Hunter son los dos métodos en la actualidad presente para producir titanio comercialmente. En el proceso de Kroll, el tetracloruro de titanio se reduce químicamente por magnesio a aproximadamente 1000°, el proceso se conduce en forma de una colada en una retorta de metal con una atmósfera inerte ya sea helio o argón. El magnesio se carga en el recipiente y se calienta para preparar una colada de magnesio fundida. El tetracloruro de titanio líquido a la temperatura ambiente se dispersa en forma de gotas arriba del baño de magnesio fundido. El tetracloruro de tita- io líquido vaporiza en la zona gaseosa arriba de la colada de magnesio fundido. Una reacción superficial se presenta para formar titanio y cloruro de magnesio. El proceso Hunter es similar al proceso de Kroll pero utiliza sodio en vez de magnesio para reducir el tetracloruro de titanio a metal titanio y producir cloruro de sodio. Para ambos procesos la reacción es incontrolada y esporádica y promueve el crecimiento de metal dendritico de titanio. El titanio funde en una masa que encapsula algo de cloruro de magnesio o de sodio fundido. Esta masa fundida es llamada esponja de titanio. Después de enfriar la retorta de metal, el metal de esponja de titanio se solidifica, se rompe, se aplasta, se purifica y luego se seca en una corriente de nitrógeno caliente. El titanio en polvo se produce usualmente por molido, colada o procesos centrífugos. Una técnica común es ocasionar primeramente que el titanio absorba hidrógeno para hacer frágil la esponja y facilitar el proceso de molido. Después de la formación del hidruro de titanio en polvo, las partículas se deshidrogenan para producir un producto usable. El procesamiento de la esponja de titanio en una forma usable es difícil, necesita un trabajo intensivo y aumenta el costo del producto por un factor que es igual a 2 y 3. Durante esta etapa de procedimiento algunas partículas de esponjas tan grandes como de tamaño de varios centígrados pueden encenderse en el aire y aßí convertirse en oxinitruro de titanio, que usualmente no es destruido durante la operación del fundido. Las inclusiones importantes del material duro dentro de las partes de metal de titanio han sido identificadas como ocasionando fallas desastrosas en las partes de los motores a chorro conduciendo a desastres de aviación. 5 El proceso discutido anteriormente tiene varios problemas intrínsecos que contribuyen de manera importante al alto costo de la producción de titanio. La producción por el proceso de colada es inherentemente intensiva tanto en trabajo como en capital, la esponja de titanio requiere procesamientos
}./ adicionales básicos para producir titanio en una forma usable, aumentar el costo, incrementar el peligro a los trabajadores y llevar a un máximo la dificultades en el control de la calidad de la colada. Ningún procedimiento utiliza la gran reacción de energía isotérmica que requiere una aplicación importante de
energía para la producción de titanio (aproximadamente 6 kw-hr/Kg del producto metálico). Además los procesos generan importantes desechos de la producción que dañan el ambiente., Por lo tanto, un objeto de la presente invención es proveer un método y sistema par producir no metales o metales o
aleaciones de las mismas, el cual sea continuo teniendo ventajas tanto en el ahorro del capital como en los costos operativos, sobre las tecnologías existentes de colada. Otro objeto de la presente invención, es proveer un método y sistema para producir metales y no metales desde la
reducción isotérmica del haluro impidiendo que el metal o no metal sinterice en el aparato usado para producirlo. Otro objeto de la invención es proveer un método y sistema para producir un metal o no metal desde los haluros de los mismos, en donde el proceso y el sistema recicla el agente reductor reduciéndose substancialmente el impacto sobre el ambiente del procedimiento. La invención consiste de ciertas características novedosas y una combinación de partes de aquí en adelante totalmente descritas, que se ilustran en los dibujos anexos, y particularmente remarcadas en las reivindicaciones, se entienden que varios cambios en los detalles pueden hacerse sin partir del espíritu o sin sacrificar ninguna de las ventajas de la presente invención. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Con el propósito de facilitar un entendimiento de la invención, se ilustra en los dibujos anexos una modalidad preferida desde una inspección en la cual al considerarse en relación con la siguiente descripción, la invención, su construcción y operación, y muchas de sus ventajas serán entendidas y apreciadas. La Figura 1 es un diagrama de flujo de proceso que muestra el procedimiento continuo para producir como un ejemplo metal de titanio desde tetracloruro de titanio; La Figura 2 es una hoja del flujo de balance de calor para un procedimiento, en donde los reactantes existentes en el quemador son de aproximadamente 300°; La Figura 3 es un balance energético para un procedimiento en el cual los reactantes abandonan el quemador a 850°; y La Figura 4 es una ilustración esquemática de la técnica anterior en el proceso de Kroll y Hunter. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN El procedimiento de la invención puede practicarse con el uso de un metal alcalino-terreos o alcalino dependiendo del metal de transición que haya de reducirse. En algunos casos combinaciones de metales alcalino-terreos o alcalinos pueden usarse. Sin embargo, cualquier haluro o combinaciones de haluro pueden usarse en la presente invención aunque en la tiró de las sustancias se prefiere cloro, ya que es el más barato y lo más fácil de obtener. De los metales alcalino-terreos o alcalinos, el sodio se escogería no con propósitos de limitación sino simplemente como ilustración, porque es el más barato y preferido, como el cloro ha sido escogido por la misma razón. Con respecto a no metales o a metales que han de reducirse es posible reducir un solo metal tal como titanio o circonio tántalo seleccionado de la lista establecida más adelante. También es posible hacer aleaciones de una composición predeterminada al proveer haluros metálicos mezclados al principio del procedimiento en la proporción molecular requerida. A vía de ejemplo la tabla 1 establece los calores de reacción por gramo de sodio para la reducción de haluros no metálicos o metálicos aplicables en el procedimiento inventivo. TABLA 1 MATERIAL ALIMENTADO CALOR kJ/g TiCl4 10 A1CL3 9 SbCl3 14 BeCl2 10 BC12 1.2 BC13 11 TaCl5 11 VC14 12 NbCl5 12 M?Cl4 14 GaCl3 11 UF6 10 ReF6 17 El procedimiento se ilustrará con propósitos de ilustración y sin limitación, produciéndose un solo metal desde el tetracloruro. Una hoja de procesos sumario se muestra en la Figura 1. El tetracloruro de titanio se combinan en una cámara de reacción de queft?dor 10, en donde el evaporar de tetracloruro de titanio desde uriá fuente del mismo, en forma de una columna de destil ción se inyecta en una corriente de sodio que viene de una fuente no mostrada. El sodio utilizado se produce en una celda electrolítica 12. La reacción de reducción es altamente exotérmica formando productos de reacción fundido de titanio y cloruro de sodio. Los productos de reacción fundidos se aplastan en la corriente de sodio bruto. Los tamaños de las partículas y las tasas de reacción se controlan midiendo la tasa de flujo del vapor de tetracloruro de titanio, con la dilución del vapor de tetracloruro de titanio en un gas inerte tal como helio o argón, y las características de flujo de sodio y los parámetros de mezclado donde el quemador incluye toberas concéntricas que tienen una tobera interna para TiCl4 y la tobera exterior para el sodio líquido, y el gas se mezcla intimamente con el líquido y la temperatura resultante afectada de manera importante por el calor de la reacción, puede controlarse por la cantidad de sodio y mantenerse abajó de la temperatura de sinterización con el metal producido tal como titanio o aproximadamente 1000° . La corriente de sodio en bruto contiene entonces los productos de reacción de cloruro de sodio y del titanio. Estos productos de reacción son retirados de la corriente de sodio por separadores convencionales 13 y 14 tales como ciclones o filtros de partículas. Existen dos opciones separadas para la separación del titanio y del cloruro de sodio. La primera opción retira los productos de titanio y de cloruro de sodio en pasos separados. Esto se realiza manteniendo la temperatura de la corriente voluminosa de modo que el titanio sea sólido pero el cloruro de sodio este fundido, por medio de un control de la proporción de las tasas de flujo de tretracloruro de titanio y de sodio hacia el quemador 10. En esta opción el titanio se retira primeramente, la corriente se enfría para solidificar el cloruro de sodio, luego el cloruro de sodio se retira del separador 14. En esta opción, el calor del proceso para la destilación del tetracloruro de titanio se retiraría de la corriente voluminosa, inmediatamente después del separador de titanio 13. En la segunda opción para el retiro del producto de reacción, una tasa más baja del tetracloruro de titanio a la tasa de flujo de sodio se mantendrá en el quemador 10, de modo que la temperatura del sodio voluminoso permanezca, abajo de la temperatura de solidificación del cloruro de sodio. Para esta opción, el titanio y el cloruro de sodio se retiraría simultáneamente. El cloruro de sodio y cualquier sodio residual presente en las partículas se retiraría entonces con un lavado alcohol-agua. Después de la separación el cloruro de sodio es reciclado a una celda electrolítica 12 para regenerarse. El sodio se regresa a la corriente voluminosa del procedimiento para introducirse al quemador 10 y el cloro se usa en el clorinador de mineral en bruto o mineral 15. Es importante notar que tanto la electrólisis del cloruro de sodio como la clorinación del mineral se realiza usando tecnología bien conocida en la técnica, tal como integración y reciclado del producto de reacción, lo que no es posible con el proceso de Kroll y Hunter debido a la naturaleza de colada de esos procedimientos y a la producción de esponja de titanio como un producto intermedio. Los operadores de los procesos Kroll y Hunter compran tetracloruro de titanio para usarse en la fabricación de titanio. La integración de estos procedimientos separados permitidos por el procedimiento de fabricación químico de la presente invención tiene importantes beneficios con respecto tanto a la economía mejorada de la operación como al impacto sobre el ambiente ahora reducido al alcanzarse el reciclo de las corrientes de desecho. El cloro desde la celda electrolítica 12 se usa para clorinar el mineral de titanio (rutilo, anatasa o ilmenita) en el clorinador 15. En la etapa de clorinación el mineral de titanio es mezclado con coque y convertido químicamente en presencia del cloro en un lecho fluidizado o en clorinador kiln adecuado 15. El dióxido de titanio contenido en el material en bruto reacciona para formar tetracloruro de titanio mientras que el oxígeno forma dióxido de carbono con el coque. El hierro y otros metales que forman impurezas y que están presentes en el mineral, también se convierten por el clorado a sus cloruros correspondientes. El cloruro de titanio se condensa entonces y se purifica por medio de destilación en la columna 11. Con la práctica actual, el vapor de cloruro de titanio purificado se condensaría de nuevo y se vendefíá a los fabricantes de titanio; sin embargo, en este proceso integrado la corriente de vapor tetracloruro de titanio se usa directamente en el proceso de fabricación. Después de proveer el calor del proceso para la etapa de destilación en el intercambiador de calor 16, la temperatura de la corriente voluminosa de proceso se ajusta a la temperatura deseada para el quemador 10 en el intercambiador de calor 17 y luego se combina con la corriente reciclada de sodio ya regenerada y se inyecta al quemador. Debe entenderse que se utilizan varias bombas, filtros, trampas, controles y similares como es evidente para los expertos en la técnica. Refiriéndonos ahora las Figuras 2 y 3 allí se presentan diagramas de flujo, respectivamente, para un proceso de baja temperatura en la Figura 2 y un proceso de temperatura elevada en la Figura 3. Las diferencias principales son las temperaturas a las cuales el sodio penetra y abandona el quemador 10. Cifras iguales se han utilizado para el equipo igual cuyo propósito tiró explicado en la Figura 1. Por ejemplo en la Figura 2 el sodio que penetra al quemador 10 está a 200° teniendo una tasa de flujo de 38.4 kg por minuto. El tetracloruro de titanio del hervidor 11 está a dos atmósfera y a una* temperatura de 134°, la tasa de flujo a través de la línea 15a es de 1.1 Kg/min. Pueden usarse presiones hasta de 12 atmósferas pero es importante que se impida un flujo hacia atrás, de modo que una presión elevada de cuando menos dos atmósferas se prefiere para asegurar que el flujo a través de la tobera del quemador es critico o estrangulad . En todos los aspectos para el proceso de la Figura 1 así como para el proceso de las Figuras 2 y 3 , es importante que titanio que se retira del separador 13 este a o abajo y preferentemente justamente abajo de la temperatura de sinterización del titanio. 5 Con el objeto de impedir la solidificación del titanio sobre las superficies del equipo, la cual es una de las dificultades elementales con los procesos usados comercialmente hasta el presente. Manteniendo la temperatura de metal de titanio abajo de la temperatura de sinterización del mismo, el titanio no f,, alcanzará las paredes del equipo como lo hace al presente, y por lo tanto se evitará el retiro físico del mismo. Este es una aspecto importante de esta invención y se obtiene al usar suficiente metal Na o gas diluyente o ambos para controlar la temperatura del producto elemental o aleación producida. 15 A vía de interés, los procesos de colada ahora en uso requieren que la esponja de titanio sea martilleada desde el recipiente que realiza la colecta y considerando la dureza de la esponja esto no es una tarea sencilla. El procedimiento de alta temperatura en la Figura 3
muestra que la temperatura en la cual el sodio entra al hervidor es de 750° teniendo una tasa de flujo de aproximadamente 33.4 Kg. La temperatura del producto desde el quemador en los procesos a baja temperatura de la Figura 2 es de aproximadamente
300°, en tanto que en el proceso de alta temperatura es de
aproximadamente de 85u° . Es claro que aún en el proceso de temperatura elevada, el titanio está bastante abajo de la temperatura de sinterización, la cual es de aproximadamente 1000°, asegurando así que se evitarán las desventajas del proceso hasta ahora usado. Los intercambiadores de calor en las dos 5 Figuras 2 y 3 se identifican por la cifra 20, aunque los valores de energía retirada es diferente para los procesos de la Figura 2, de baja temperatura y de la Figura 3 de temperatura elevada, debido en parte a la colocación del intercambiador de calor 20 en el proceso de temperatura elevada antes de la separación del
>•"*., cloruro de sodio, mientras que en el proceso de baja temperatura, el intercambiador de calor 20 está después de la separación del cloruro de sodio, dando como resultado diferentes salidas de energía como se indica. En ambos diagramas de flujo de las Figuras 2 y 3 la formación del sodio se indica por la línea 12A
y está puede venir de una celda electrolítica 12, o de alguna otra fuente de sodio enteramente diferente. En otros aspectos las Figuras 2 y 3 ilustran los tipos de parámetros de diseño que pueden usarse para producir metal de titanio en un procedimiento continuo que evite los problemas inherentes en el proceso de
colada que se usa actualmente de manera comercial. La invención ha sido ilustrada con referencia a titanio únicamente y a tetracloruro de titanio como un material de alimentación, en combinación con sodio como metal reductor. Sin embargo, debe entenderse que lo anterior tiró únicamente con
propósitos ilustrativos y que la invención claramente cubre a aquellos metales y no metales indicados en la Tabla l, lo cual por supuesto incluye los floruros de uranio y renio así como otros haluros tales como bromuros. Además, siendo el sodio el metal reductor por el costo y disponibilidad claramente no es el 5 único reductor disponible. El litio, el potasio así como el calcio y otros metales tiró-alcalinos son disponibles y utilizables termodinámicamente. Queda dentro de la capacidad de la técnica determinar desde las tablas termodinámicas cuales metales son capaces de actuar como agente reductor en las
\ . reacciones anteriores, siendo las principales aplicaciones del procedimiento a aquellas reacciones que sean altamente exotérmicas como se ilustran en la Tabla 1 cuando el cloruro o haluro se reduce al metal. Además queda dentro de la técnica y se contempla en está invención que se pueden hacer aleaciones por el
proceso de la invención al proveer la alimentación de un haluro adecuado en la proporción molecular conveniente para la aleación deseada. Aunque se ha presentado lo que se considera la modalidad preferida de la presente invención, se entiende que
varios cambios en los detalles pueden hacerse sin salir del espíritu o sacrificar alguna ventaja de la presente invención.