SE461739B - Metod att aatervinna reducerad, renad metall - Google Patents

Description

461 739 2 övre och nedre avdelningarna. Detta destillationskärl tätas därpå hermetiskt, och under vakuum halles den nedre avdelningen vid en hög temperatur (omkring IOSOOC) under en tillräckligt lang tid för att smälta och destillera magnesiumkloriden och eventuellt icke reagerad magnesium.

Efter kylning och iordningställande av destillationskärlet av- lägsnas magnesiumklorid och magnesium i den nedre avdelningen och skivan av den önskade zirkoniumsvampen avlägsnas från stödgallret och vidaresändes till slutbehandling och tillverkning.

F lera nackdelar är förknippade med en sådan metod. För det första är den arbetsintensiv beträffande materialhantering och erfordrar tva hela uppvärmningar fran rumstemperatur. Processen är även långvarig och tidsödande. Behandlingstiden i kommersiell skala är omkring 16-20 dagar lang.

Ett ändamal med metoden enligt uppfinningen är att åstadkomma renad metall i en halvkontinuerlig process innefattande en enkel uppvärm- nings- och nedkylningscykel i en enhet och att åstadkomma snabbt avlägsnan- de av den reducerade metallen.

Uppfinningen bestar sålunda i en metod att återvinna reducerad, renad metall i en reduktions- och destillationsugn försedd med ett inre kärl, i vilket ett metallsalt, som skall reduceras, reagerar med en reducerande metall för att genom en redoxreaktion alstra den önskade reducerade metallen i fast fas och ett motsvarande smält salt av den reducerande metallen, varvid ugnen innefattar en första kammare innehållande nämnda inre kärl med atminstone en öppning i den nedre delen därav, och nämnda första kammare star i vätskeförbindelse med en andra kammare i ugnen, varvid det smälta saltet av den reducerande metallen kan avledas från det i den första kammaren belägna inre kärlets botten. Metoden bestar i att ugnen initialt före nämnda redoxreaktion fylles med en tillräcklig mängd salt av den reducerande metallen för att bilda en tätning av smält salt ovanför botten av nämnda inre kärl, att inom ugnen åstadkommas och upprätthalles en sadan temperatur och ett sadant tryck, som befrämjar den önskade redox- reaktionen, att till ugnen sättas atminstone periodiskt metallsaltet, som skall reduceras, samt att åtminstone en stökiomyetrisk mängd av reducerande metall, och en del av det smälta saltet åtminstone periodiskt avledes för att reglera ytan av det smälta saltet, varigenom mängden av den reducerade metallen i fast fas, som skall alstras genom redoxreaktionen, ökas, medan tätningen bibehalles, och det smälta saltet och åtminstone en del av eventuellt överskott av reducerande metall avledes fran nämnda yta vid fullbordandet av redoxreaktionen, icke reagerad reducerande metall avlägsnas från ugnen genom destillation, och den renade fasta reducerade ' metallen avlägsnas från ugnen..

Vid en särskild utföringsform av uppfinningen är den använda ugnen försedd med första och andra avdelningar som star i vätskeförbindelse med varandra. Den första avdelningen innehåller det inre kärlet med at- minstone en öppning i den nedre delen därav för att tillåta vätskeöverföring därigenom, varjämte det inre kärlet är anordnat att innesluta fast elementär metall, som alstras inom den första avdelningen av den kemiska reduktions- reaktionen som sker däri. Företrädesvis innefattar ugnen anordningar för att selektivt bibehålla avdelningarna vid olika temperaturer medan vakuum astadkommes i ugnen.

Den första avdelningen är lämpligen en övre avdelning, och den andra avdelningen är en lägre avdelning, varvid avdelningarna bildar separata kammare sammankopplade av en rörledning och den övre avdelningen kan öppnas pa sa sätt att avlägsnande av det inre kärlet, som innehåller den reducerade metallen, underlättas. En behållare kan även vara upphängd inuti den övre kammaren och ovanför det reducerande metallskiktet för att förânga metallsaltet, som skall reduceras. För att den nedre avdelningens temperatur skall selektivt hållas under temperaturen hos den övre kammaren under destillation av icke reagerad reducerande metall, är en löstagbar yttre uppvärmningsanordning anordnad runt den nedre avdelningen.

Genom att tätningen av det smälta saltet halles över botten av det inre kärlet tills reduktionsfasen är avslutad, avlägsnas det mesta av det smälta metallreducerande saltet och icke reagerad reducerande metall genom avledning av vätskefasen. Det återstående metallreducerande saltet och icke reagerad reducerande metall avlägsnas genom att den första avdelningen halles vid en temperatur ovanför temperaturen hos den andra avdelningen, medan vakuum åstadkommas i ugnen. Den renade reducerade metallen kan snabbt och lätt återvinnas genom att den övre avdelningen öppnas och det inre kärlet borttages. Eftersom tätningen av det smälta saltet befinner sig över botten av det inre kärlet innan den reducerande metallen smältes och hälles ovanför botten i det inre kä'rlet tills redoxreaktionen är fullbordad, finns praktiskt taget ingen renad reducerad metall mellan det inre kärlet och den övre avdelningen, och sålunda kan det inre kärlet lätt avlägsnas.

För att uppfinningen skall bättre klargöras, skall en lämplig utföringsform nu beskrivas med hänvisning till bifogade ritning, som visar 461 7169 4 delvis i tvärsektion en ugn, som användes för kombinerad reduktion, destilla- tion och återvinning av reducerande metall.

Pa ritningen är en övre kammare eller avdelning. I sin helhet betecknad 10, och en nedre kammare eller avdelning är i sin helhet betecknad 12.

Den övre kammaren 10 är en sluten, tätad reaktionskammare med en avtagbar övre del 16, som skiljes från återstoden av kammaren längs flänsen 18. Denna avtagbara övre del eller locket 16 är utförd av en inre yta av stalplåt med ett luftfyllt utrymme 22 bakom detsamma. Den inre väggen 24 är ett annat skikt av stålplat understött av ett skikt av isolation 26, vilket i sin tur är täckt med ett yttre skikt av stalplat 28. Inuti luftgapet 22 och fästade vid den inre väggen 24 finns en serie av elektriska värmeele- ment 30. Sidoväggarna 32 i den övre kammaren 10 under flänsen 18, rörledningen 34 som förbinder den övre kammaren 10 med den nedre kammaren 12, och den nedre kammaren 12 är utförd av i huvudsak samma följd av skikt. Medan luftgapet i locket 16 och den nedre kammaren 12 är i huvudsak statiska, är sidoväggarna 32 i den övre kammaren 10 utrustade med öppningar 36, 38 och 40 och med spiralgaende kylflänsar 42 för att underlätta luftrörelse och kylning när så erfordras. Den övre delen av sidoväggarna 32 är även försedda med en expansionsskarv 44 för att upptaga dimensionsändringar förbundna med uppvärmningen och kylningen av ugnen under drift.

Det avtagbara locket 16 är även försett med en evakueringsöpp- ning 46, genom vilken vakuum kan åstadkommas i övre delen av ugnen. Ett par inloppsrör 48 och 50 leder genom överdelen till en upphängd förångnings- behållare 52 för införing av flyktigt metallsalt, som skall reduceras. Ett centralt beläget inloppsrör 54 är anordnat för införing av reducerande metall och salt av reducerande metallen i ugnen under förângningsbehållaren 52. När det avtagbara locket 16 med vidhängande förängningsbehållare 32 avlägsnas, kan det inre kärlet 56 vilande på den inre delen av flänsen 18 utdragas fran den övre kammaren 10. Detta inre kärl 56 är försett med åtminstone en perforering i sin botten 58, som tillåter att vätska överföras fran det inre kärlet till den nedre avdelningen eller kammaren -1.2 genom röret 34.

Denna nedre kammare 12 utgör även en tätad ugn, varvid värme- elementen och isolationen företrädesvis är avtagbara. Den nedre delen av kammaren 12 är försedd med ett ventilförsett rör 60 för avledning av vätska fràn ugnen till behållaren 62 för det reducerade metallsaltet. Kammaren 12 är även försedd med ett evakueringsrör 64 för destillering av icke reagerad Qui 461 759 reducerande metall efter det redoxreaktionen är avslutad och det smälta saltet av den reducerande metallen har avletts från kammaren 12.

För att sätta ugnen i drift fyller man antingen först ugnen med en önskad mängd av saltet av den reducerande metallen och tätar sedan ugnen, eller ugnen tätas och provas med avseende på läckor och fylles därpå med saltet av den reducerande metallen genom lämpliga ventiler (icke visade) och röret 54. Ugnen kan sedan värmas till den önskade drifttemperaturen och ett vakuum åstadkommas inuti ugnen över evakueringsledningen 46 och lämpliga yttre ventiler och en vakuumpump (icke visade). Den lämpliga eller önskade mängden av salt av den reducerande metallen motsvarar kvantiteten av salt, som erfordras för att bilda ett skikt i vätskefas av smält salt av den reducerande metallen (yta av smält salt) för att åstadkomma en tätning vid det inre kärlets botten 58, dvs. den mängd av smält salt, som erfordras för att fylla den nedre kammaren 12, röret 34 och den nedre delen av den övre kammaren 10. Ytan av smält salt kan därvid regleras uppåt genom att man tillsätter ytterligare salt genom röret 54 och regleras nedåt genom att man avleder vätska från den nedre kammaren 12 över röret 60. På detta sätt kan även vätskenivån hos det smälta saltet av den reducerande metallen bibe- hållas för att åstadkomma en tätning mellan det inre kärlets botten 58, vilket kan betraktas som ett väsentligt och nytt förfarandesteg i uppfinningen.

När den önskade vätskenivån inuti den övre kammaren 10 och lämplig temperatur och lämpligt vakuum uppnåtts, kan reaktionsdeltagarna i redoxreaktionen införas. Den reducerande metallen tillföras till det inre kärlet genom inloppsröret 54 och bildar därigenom ett smält skikt av den reducerande metallen ovanför saltskiktet inom det inre kärlet. Metallsaltet, som skall reduceras, är vanligen en metallhalid och tillföres förångnings- behållaren 52 genom inloppsrören 48 och 50. Vid de föreliggande förhållandena destillerar (förångas) metallhaliden i förångningsbehållaren och diffunderar in i ett område direkt ovanför den smälta reducerande metallen, där det reagerar med den reducerande metallen genom redoxreaktionen och alstrar mer salt av den reducerande metallen och den önskade reducerade metallen, som skall återvinnas. Det smälta metallsaltet, som alstras genom reaktionen, samlas på botten, medan den reducerade metallfasen fortsätter att växa till vad som slutligen är en svampliknande fast fas begränsad i det inre kärlet 56. När överskott av salt av den reducerande metallen alstras genom redoxreaktionen, öppnas röret 60 och ytterligare utrymme i ugnen blir då tillgängligt för ytterligare metallproduktion. Processen att åtminstone periodiskt (eventuellt kontinuerligt) tillsätta reducerande metall och 461 759 6 metallhalid och det periodiska avlägsnandet av salt av den reducerande metallen fortsätter tills hela det tillgängliga utrymmet i det inre kärlet är fyllt med den önskade metallsvanwpen. I detta ögonblick slutar tillsatsen av metallhalid och den reducerande metallen och redoxreaktionen upphör. Detta bör ske när en mängd överstigande den stökiometriska mängden av reducerande metall har tillsatte, sa att metallsaltet, som reduceras, i praktiken utgör den begränsande kemiska faktorn. Detta är viktigt genom att överskottet av icke reagerad reducerande metall kan avlägsnas fran den reducerade metallen, och t.ex. pyroforiska underklorider undvikes.

När processen är fullbordad, avledes det flytande saltet av den reducerande metallen genom röret 6D, medan (valfritt) en inert gas tillföres den övre delen av ugnen genom röret 54 eller något annat inloppsrör. När man visuellt konstaterar att ett överskott av flytande reducerande metall fyller röret 60, tillslutes röret. Den nedre kammaren kyles och evakueras sedan genom användning av lämpliga ventiler och vakuurn (icke visat) genom röret 64. Under detta steg avlägsnas lämpligen värmeelementen pà den nedre kammaren 12 sa att den nedre kammarens temperatur sjunker under tempera- turen i den övre kammaren, som samtidigt hàlles vid en temperatur, som befrämjar destillation av reducerande metall, som eventuellt är innesluten i den reducerade metallprodukten. Detta steg fortsättes tills ingen återstående reducerande metall kan destilleras fran ugnen, varpa ugnen fylls med en inert gas och värmen stängas av. Kylande luft kan därpå bringas att cirkulera genom rören 36, 38 och 40 i den övre kammaren 10 för att kyla hela ugnen och dess innehåll till omgivningstemperaturen.

Eftersom bade reduktionen och destillationen utföres i en enda reaktor med endast en uppvärmning och nedkylning, erhålles som resultat en avsevärd besparing av arbete, energibehov och driftanordningar. Vidare är driftutrustningen avsevärt reducerad, och underhàllskostnaderna kan väntas bli mycket lägre. Den reducerande metallens verkningsgrad kan även väntas vara mycket stor (över 95% för Mg).

Dessutom kan överskjutande magnesium (eller annan reducerande metall) 'återanvändas och införas i nästa sats utan extra hantering. Efter en ' fullbordad process befinner sig överskjutande magnesium i den nedre kamma- ren 12 (nagot avleddes i densamma och återstoden samlades däri under destillationen) tillsammans med nagot salt (t.ex. magnesiumklorid), och återstoden av saltet har avletts till saltbehallaren 62. För att starta nästa omgång placeras ett annat inre kärl i den övre kammaren 10 tillsammans med en förutbestämd mängd salt (t.ex. MgClz). Kammaren 10 tätas och uppvärmes -n 461 739 7 för att smälta saltet, som därvid strömmar nedåt till botten av den övre kammaren 10 och ned i den nedre kammaren 12. Den nedre kammaren 12 uppvärmes därpå och överskottet av magnesium smälter och eftersom det är lättare än MgCl flyter upp in i den övre kammaren, där det kan reagera och sålunda återföres till nästa sats utan manuell hantering.

Det här använda uttrycket "tätning vid botten av det inre kärlet" betyder en nivå av smält salt som är tillräckligt hög för att hindra den mindre täta smälta reducerande metallen från att strömma ut från botten av det inre kärlet in i mellanrummet mellan det inre kärlet 56 och den övre kammaren .

Den metall, som skall återvinnas i den här beskrivna ugnen, kan vara vilken som helst metall, som i sin elementära form förblir i fast tillstànd under redoxreaktionen, och även förutsatt att saltet av den reducerande metallen är en vätska under dessa förhållanden. Metallsaltet, som skall reduceras, är lämpligen flyktigt vid ugnens driftförhållanden. Därför är sådana föreningar som zirkoniumklorid, titanklorid och hafniumklorid särskilt användbara vid metoden enligt uppfinningen. Andra halider av dessa metaller och i allmänhet andra metallhalider såsom metallklorider, -bromider, -jodider eller -fluorider, som reagerar med reducerande metaller (särskilt alkali- metaller eller alkaliska jordartsmetaller såsom natrium, kalium, litium, magnesium, kalcium o.dyl.) för att alstra den elementära formen av metallen, kan anses ekvivalenta för ändamålet enligt uppfinningen. l sådana fall kan ett alternativ till förångningsbehållaren för att fördela reagensen lätt användasi överdelen av ugnen. Flera lämpliga anordningar som är i och för sig väl kända för att fullgöra uppgiften kan i princip användas, t.ex. sprutmunstycken, sprinklerrör, pulverfördelare o.dyl.

Den allmänna formeln och konfigurationen av kamrarna, som bildar ugnen, är något godtycklig förutsatt att den grundläggande principen att åstadkomma och reglera den smälta saltytan under drift eller dess ekvivalent bibehålles. Sålunda kan ugnen vara en enkel kammare med det perforerade inre kärlet eller liknande (såsom perforerade väggar, skott, skärmar e.dyl.) för att bilda de första och andra kamrarna, eller enheten kan utgöra två separata kamrar. De separata kamrarna i vätskeförbindelse kan vara belägna sida vid sida eller vertikalt anordnade (såsom visas) med stället för avlägsnande av det smälta saltet lämpligt valt. Olika i och för sig kända tekniker och konstruktionsprinciper kan lätt tillämpas såsom värmeövervak- ning av olika rör, ventiler och annan utrustning. öppningar och luckor kan vara anordnade för att göra anordningen tillgänglig för reparation eller för 461 759 8 att skrapa bort den kondenserade fasta beläggníngen från rör o.dyl. Man kan även ordna återcirklilatiun av smält salt av den reducerande metallen för att bibehålla vätskenivân. Andra olika mätningar kan tillämpas under driften för att övervaka redoxreaktionen inklusive mätning av reaktionsdeltagarnas vikt, vikten av avlett reducerande salt, mätning av vätskenivàn o.dyl. l) ß

Claims (6)

461 759 ”I I! PATENTKRAV

1. Metod att återvinna reducerad, renad metall i en reduktions- och destillationsugn försedd med ett inre kärl (56), i vilket ett metallsalt, som skall reduceras, reagerar med en reducerande metall för att genom en redoxreaktion alstra den önskade reducerade metallen i fast fas och ett motsvarande smält salt av den reducerande metallen , varvid ugnen innefatt- ar en första kammare innehållande nämnda inre kärl med åtminstone en öppning i den nedre delen därav, och nämnda första kammare står i vätskeförbindelse med en andra kammare i ugnen, varvid det smälta saltet av den reducerande metallen kan avledas från det i den första kammaren belägna inre kärlets botten k ä n n e t e c k n a d av att ugnen initialt före nämnda redoxreaktion fylles med en tillräcklig mängd salt av den reducer- ande metallen för att bilda en tätning av smält salt ovanför botten av nämnda inre kärl, att inom ugnen åstadkommas och upprätthålles en sådan temperatur och ett sådant tryck, som befrämjar den önskade redoxreaktionen, att till ugnen sättas åtminstone periodiskt metallsaltet, som skall reduceras, samt att åtminstone en stökiometrisk mängd av reducerande metall, och en del av det smälta saltet åtminstone periodiskt avledes för att reglera ytan av det smälta saltet, varigenom mängden av den reducerade metallen i fast fas, som skall alstras genom redoxreaktionen, ökas, medan tätningen bibehålles, och det smälta saltet och åtminstone en del av eventuellt överskott av reducer- ande metall avledes från nämnda yta vid fullbordandet av redoxreaktionen, icke reagerad reducerande metall avlägsnas från ugnen genom destillation, och den renade fasta reducerade metallen avlägsnas från ugnen.

Z. Metod enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att icke reagerad reducerande metall avlägsnas genom att nämnda första kammare i ugnen hålles vid en temperatur ovanför temperaturen hos den andra kammaren medan ett vakuum åstadkommas i ugnen.

3. Metod enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av att den renade fasta reducerade metallen återvinnes genom att den första kammaren öppnas och det inre kärlet innehållande metallen avlägsnas.

4. Metod enligt krav Z eller 3, k ä n n e te c k n a d av att salt av den reducerande metallen lnföres i den första kammaren och smältes, och därpå reducerande metall och salt av den reducerande metallen återstående i den andra kammaren från en tidigare process smältes, varigenom reducerande metall flyter upp i det inre kärlet i den första kammaren, varigenom den reducerande metallen återföres. 461 759 w 6

5. Metod enligt något av kraven 1-4, k ä n n e t e c k n a d av att den reducerande metallen är Ti, Zr eller Hf.

6. Metod enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a d av att metallsaltet, som skall reduceras, är 21-014, saltet av den reducerande metallen är MgClz och den reducerande metallen är Mg. l) 1)) g»