SE465727B

SE465727B - Saett att reducera zirkonium-, hafnium- eller titanklorid till metallisk form

Info

Publication number: SE465727B
Application number: SE8602215A
Authority: SE
Inventors: R A Stoltz; Y J Kwon
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1985-05-30
Filing date: 1986-05-15
Publication date: 1991-10-21
Also published as: FR2587364B1; CA1245864A; KR870011262A; SE8602215L; JPS61279641A; US4637831A; FR2587364A1; NO862103L; SE8602215D0

Description

465 727 2 ningen nedföres i en smälta bestående av magnesium och/eller natrium och dessutom av någon av legeringsmetallerna bly eller zink i sådan mängd att den utreducerade mängden zirkonium löses i de valda av de nämnda legerings- metallerna. Den vid utreduceringen bildade omsättningsprodukten, t.ex. metallklorid, samlas i detta fall ovanpå metallsmältan varifrån den kan avlägsnas t.ex. genom skumning eller avsugning och zirkonium utvinnas på godtyckligt sätt ur metallsmältan. Vid förfarandet åstadkommes sålunda en smälta av t.ex. bly och magnesium och/ eller natrium eller eventuellt zink och i denna smälta nedföres zirkoniumtetrakloriden. Zirkoniumföreningen reagerar i det smälta metallbadet och inte med ett skikt av den reducerande metallen i sig.

I enlighet därmed avser nu föreliggande uppfinning ett sätt att reducera klorid av zirkonium, hafnium eller titan för framställning av en produktmetall i närvaro av ett skikt av klorid av en reducerande metall, kännetecknat av att man åstadkommer ett skikt av en av zink, zink tillsammans med produktmetall, tenn eller tenn tillsammans med produkt- metall bestående tillslutningsmetall i ett kärl, varvid detta av tillslut- ningsmetall bestående skikt har ett övre, smält parti och ett undre, fast parti, av vilka det undre fasta partiet är beläget intill ett kylmedel; åstadkommer ett skikt av smält klorid av den reducerande metall över tillslutningsmetallen; åstadkommer ett skikt av smält reducerande metall över skiktet av kloriden av den reducerande metallen; tillför gasformig klorid av produktmetallen ovanför den reducerande metallen för åstadkommande av en reaktion, vid vilken det bildas av produktmetallen bestående partiklar som sjunker genom nämnda skikt av smält reducerande metall, smält metallklorid och smält tillslutningsmetall; och avlägsnar en undre del av den fasta tillslutningsmetallen från kärlet så att ett parti av den smälta tillslutnings- metallen blir beläget intill det nämnda kylmedlet och där stelnar för bibehållande av en tillslutning vid kärlets botten samtidigt som bildade produktmetallpartiklar uppfångas i den stelnade tillslutningsmetallen och senare kan avlägsnas ur kärlet tillsammans med stelnad tillslutningsmetall, med en därpå följande separation av produktmetaller från tillslutnings- metallen.

Som redan nämnts har kommersiella processer för reduktion av zirkonium-, hafnium- eller titanklorider till metallform varit processer av satstyp. Detta beror till stor del på svårigheten att avlägsna produktmetallen i drift. Trots att halvkontinuerliga processer har föreslagits (se exempelvis J.

E. Mauser, "Production of Zirconium by the Semicontinuous Reactor Process" 465 727 3 Rl5759, U.S. Bureau of Mines, 1961; eller W.W. Dunham, Jr., och R.D.

Toomey, Journal of Metals, volume ll, nr. 7, July 1959, pp 438-440) har de kommersiella processerna förblivit processer av satstyp. Denna uppfinning medför möjligheten att man åtminstone periodiskt kan ta ut produktmetallen medan reduktionsprocessen fortgår och dessutom lämpligen samtidigt om- vandla produktmetallen till götform. Tillslutningsmetallen separeras företrä- desvis från produktmetallen utanför processen och återförs till kärlet.

För bättre förståelse av uppfinningen beskrivs den närmare i det följande i lämpliga utföringsexempel med hänvisning till de bifogade rit- ningarna, på vilka: fig. 1 är ett schematiskt tvärsnitt genom en reduktionsapparat för användning vid ett sätt i en första utföringsform; fig. 2 är ett schematiskt tvärsnitt genom en reduktionsapparat för användning vid ett sätt enligt en andra utföringsform; och fig. 3 är ett schematiskt tvärsnitt genom en med elektronstrâle arbetande ugn.

Fig. 1 visar en reduktionsanläggning vid vilken zirkoniumtetra- kloridpartiklar 10 sublimeras i ett sublimeringskärl 12 och zirkoniumtetra- kloridångan 14 tillförs ett reduceringskärl 16, där ångan kommer i kontakt med ett skikt av smält magnesium 18, reagerar under bildning av zirkonium- partiklar 20, vilka sjunker ner genom det smälta magnesiumskiktet 18, genom ett magnesiumkloridskikt 22 och ner genom den smälta delen av en tillslut- ningsmetall för att landa ovanpå ett fast parti av tillslutningsmetallen. Ehuru tillslutningsmetallen från början kan utgöras av exempelvis rent zink, kommer zirkonium att lösa sig i zinken så att partiet 24 av smält zink kommer att innehålla något zirkonium (t.ex. 10-15 vikt%). Under fortvarig- hetstillstând kommer tillslutningsmetallens fasta parti att innehålla zirkonium i en matris av zink som innehåller zirkonium. Detta fasta parti 26 bildar en tillslutning vid kärlets 16 botten. Medel 28 för kylning, exempelvis en vattenmantel, förefinns för att hålla det undre partiet av tillslutnings- metallen i fast form. För långsam urdragning av en del av det fasta zirkonium/zink-materialet ur kärlet 16 förefinns utmatningsorgan 30. Fig. 1 visar ett kärl 16 med ett avsmalnande parti 32 utmed vilket zirkonium- partiklarna 20 kan glida ner till gränsytan mellan smält och fast tillslutnings- metall. Den del av det undre cylindriska partiet 34 som ligger i kontakt med den flytande zink (eller tenn) innehållande tillslutningsmetallen är företrädes- vis utförd av ett sådant material, exempelvis grafit, att reaktioner med den mycket reaktiva flytande tillslutningsmetallen undviks. 465 727 4 Fig. 2 visar en reduktionsanläggning avsedd för användning vid kontinuerlig tillverkning. Den har en första sublimerare 36 och en andra sublimerare 38 så att den ena sublimeraren kan återfyllas medan den andra matar kärlet 16. För åtminstone periodisk (och eventuellt kontinuerlig) inmatning av reducerande metall (t.ex. magnesium) i kärlet 16 förefinns inmatningsorgan 40 och för åtminstone periodisk (och eventuellt kontinuerlig) utmatning av en klorid av den reducerande metallen (t.ex. magnesiumklorid) ur kärlet 16 avtappningsorgan 42. Återcirkuleringsorgan 44 används för att åtminstone periodiskt (och eventuellt kontinuerligt) tillföra kärlet 16 tillslut- ningsmetall (t.ex. zink eller zinkhaltigt zirkonium). Lämpligen hålls nivåerna hos den reducerande metallen 46, kloriden av den reducerande metallen 48, smält tillslutningsmetall 50 och fast tillslutningsmetall 52 förhållandevis konstant.

Fig. 3 visar förenklat en elektronstrålugn för avlägsnande av åtminstone en del av tillslutningsmetallen (zinken eller tennet) och framställ- ning av ett göt av förhållandevis rent produktmaterial (som dock eventuellt kan innehålla tenn om det skall användas för Zircaloy-legeringar).

Med hänvisning igen till fig. 2 visas där att en stång, som exempelvis kan bestå av zirkonium/zink i fast form, kan röra sig ut ur kärlet 16 vid dess botten och att en bit av stången vid lämpligt tillfälle kan kapas av och tas bort, samt utmatningsorganet 30 återställas för att gripa kvarvarande fast parti 52.

Denna stång av, exempelvis, zirkonium/zink kan därefter smältas i elektronstrålugnen enligt fig. 3. Fig. 3 visar den cylinder 54 som skall smältas i ett läge över ett bad av renad produktmetall 56. Badet 56 smälts med en elektronstrålkanon 58 och smältningen fortlöper förhållandevis lång- samt, så att zink eller tenn som når det smälta badet 56 får tid att förångas från badets yta. En kylmantel 60 är anordnad för att överföra det renade materialet till fast form och ge ett göt 62 av renat material. En utmatnings- mekanism 64 är fäst undertill vid götet 62. Väggarna hos elektronstrålkam- maren 66 hålls företrädesvis vid en temperatur över tennets resp. zinkens smältpunkt och är i stort sett formad så att tenn eller zink som kondenserar på väggarna rinner av till en uppsamlingstank 68. Zink- eller tennånga utmatas genom kondenseringsorgan 70. Kammaren 66 hålls under ett mycket lågt tryck med en vakuumalstrare 72.

Den av tillslutningsmetall och produktmetall (t.ex. zirkonium- /zink) bestående cylindern kan alternativt underkastas en destillations-sint- rings-behandling. Därvid upphettas cylindern till en temperatur som är 465 727 tillräcklig för att smälta bort största delen av den zink-zirkonium-legering som bildat matrisen och avdestillera kvarvarande magnesium, samtidigt som de förhållandevis rena zirkoniumpartiklarna sintrar. Zink-zirkonium-lege- ringen återförs därefter till kärlet 16 och det porösa sintrade produkt- materialet smälts därefter, exempelvis i en elektronstrålugn. Det börnämnas att det porösa götet inte ger någon tätning mot sina cylindriska sidoytor, varför det måste placeras helt inom elektronstrålugnens kammare.

Ehuru exemplen illustrerat uppfinningen i samband med zirko- nium, zink och magnesium, är det klart att hafnium eller titan kan behandlas på liknande sätt och att natrium kan ersätta magnesium samt att tenn kan ersätta zink.

Nämnas bör också att zink och zirkonium eller titan exempelvis kan separeras genom destillering på sätt som beskrivits i US-PS 4 127 409 och 4 390 365. Efter destillation är stången i svampartad form och kan krossas och vidarebehandlas på konventionellt sätt (exempelvis pressas och smältas i dubbel vakuumbåge). 465 727 6 Identifiering av på ritningar-na använda referensbeteckningar Benämning ' B_e_f¿ _If_ig_r 1:a sublimeraivre 36 2 2:a sublimeraye 38 2 inmatningsorgan 40 2 avtappningsorgan #2 2 âtercirkuieringsorgan 41: 2 uppsamlingstank 68 3 kondenseringsorgan 70 2 vakuumalstrare 72 3

Claims

465 727 PÅTENTKRAV

1. Sätt att reducera klorid av zirkonium, hafnium eller titan för framställning av en produktmetall i närvaro av ett skikt av klorid av en reducerande metall, k ä n n e t e c k n a t av att man åstadkommer ett skikt av en av zink, zink tillsammans med produktmetall, tenn eller tenn till- sammans med produktmetall bestående tillslutningsmetall i ett kärl, varvid detta av tillslutningsmetall bestående skikt har ett övre, smält parti och ett undre, fast parti, av vilka det undre fasta partiet är beläget intill ett kylmedel; åstadkommer ett skikt av smält klorid av den reducerande metall över tillslutningsmetallen; åstadkommer ett skikt av smält reducerande metall över skiktet av kloriden av den reducerande metallen; tillför gasfor- mig klorid av produktmetallen ovanför den reducerande metallen för åstad- kommande av en reaktion, vid vilken det bildas av produktmetallen bestående partiklar som sjunker genom nämnda skikt av smält reducerande metall, smält metallklorid och smält tillslutningsmetall; och avlägsnar en undre del av den fasta tillslutningsmetallen från kärlet så att ett parti av den smälta tillslutningsmetallen blir beläget intill det nämnda kylmedlet och där stelnar för bibehållande av en tillslutning vid kärlets botten samtidigt som bildade produktmetallpartiklar uppfångas i den stelnade tillslutningsmetallen och senare kan avlägsnas ur kärlet tillsammans med stelnad tillslutningsmetall, med en därpå följande separation av produktmetaller från tillslutnings- metallen.

2. Sätt enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t av att åtminstone en del av den tillslutningsmetall som utmatats ur kärlet separeras från åtminstone en del produktmetallen och âterförs till kärlet.

3. Sätt enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t av att tillslutningsmetal- len är zink och produktmetall och zink separeras från produktmetallen och zink återcirkuleras till kärlet. ll.

4. Sätt enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t av att tillslutningsmetal- len är zink och produktmetall och zink och produktmetall separeras från resten av produktmetallen och zink och produktmetall återcírkuleras till kärlet. 465 727

5. Sätt enligt krav I, 2, 3 eller 4, k ä n n e t e c k n a t av att kloriden av den reducerande metall åtminstone periodiskt utmatas ur kärlet.

6. Sätt enligt något av kraven 1 till 5, k ä n n e t e c k n a t av att reducerande metall åtminstone periodiskt sätts till kärlet, varigenom sättet blir kontinuerligt.

7. Sätt enligt något av kraven l till 6, k ä n n e t e c k n a t av att produktmetallen är zirkonium.

8. Sätt enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a t av att produktmetallpar- tiklar innehållande tillslutningsmetall som utmatats smälts med elektron- stråle i en kammare under förångning av zinken, varigenom zinken separeras från produktmetallen, och att zinkångorna kondenseras och zinken âtercirku- leras till kärlet.

9. Sätt enligt något av kraven I till 8, k ä n n e 1: e c k n a t av att kloriden av den reducerande metallen är magnesiumklorid.

10. Sätt enligt något av kraven 1 till 8, k ä n n e t e c k n a d av att den reducerande metallen är magnesium. ﬂl