ORSZÁGOS TALÁLMÁNYI HIVATAL SZABADALMI LEÍRÁS SZÁM. 40. d OSZTÁLY FE 348. ALAPSZÁM. Berendezés és eljárás fémtitán előállítására

Átírás

1 t) Megjelent: március 15. ORSZÁGOS TALÁLMÁNYI HIVATAL SZABADALMI LEÍRÁS SZÁM 40. d OSZTÁLY FE 348. ALAPSZÁM Berendezés és eljárás fémtitán előállítására Fémipari Kutató Intézet, Budapest Feltaláló: dr. Gillemot László műegyetemi tanár, Budapest A bejelentés napja: október 23. A találmány fémtitán előállítására vonatkozik titántetrakloridnak alkáliföldfémmel, előnyösen magnéziummai történő 1 redukálásával. Ennél az ismert eljárásnál oxigéntől és nitrogéntől mentes zárt térben megömlesztett alkálifémet C hőfokon titántetrakloriddal reagáltatnak, amikor is a redukció, magnézium felhasználása esetében, az alábbi egyenlet értelmében megy végbe: TiCl Mg = Ti + 2 MgCl 2 (1) A reakció során keletkező magnéziumklorid olvadáspontja 721 C és ezért az a reakció hőfokán folyékony, míg a titán, melynek olvadáspontja mintegy 1800 C, szilárd alakban válik ki. Az alkalmazott anyagok molekulasúlyát figyelembevéve 1 súlyrész titán mellett mintegy 4 súlyrész magnéziumklorid képződik, melyet a titán mellől el kell távolítani. A reakció befejeztével a reakciókeveréket lehűtik és a reakcióedényből véséssel vagy forgácsolással távolítják el. A magnéziumkloridot a titán mellől hideg vízzel való kioldással távolítják el. Ennél a műveletnél vigyázni kell, hogy a hőmérséklet a magnéziumklorid oldási hője révén ne emelkedjék, mert magasabb hőmérsékleten a titán könnyen oxidálódik. A titán oxigén szennyezése ugyanis nagyon káros, mert már 0,25%-nál nagyobb oxigéntartalom mellett ipari célokra nem használható. A fenti nehézségek elkerülésére javasolták, hogy a magnéziumkloridot a reakció befejeztével lecsapolják. A reakciókeverékből ezután a visszamaradt kis mennyiségű magnéziumkloridot és esetleg még változatlan fémmagnéziumot vákuumban való desztillálással távolítják el. A fent említett műveletek körülményesek és járulékos hőenergia felhasználását teszik szükségessé. Ezért a sz. angol szabadalmi leírás azt javasolja, hogy a magnéziumklorid lényeges részét az előállított fémtitán mellől még akkor távolítsák el, midőn az a reakcióedényben foglal helyet és midőn a magnéziumklorid még folyékony állapotban van. E célból a magnéziumkloridot a fémtitán mellől a reakció végén a reakcióedényben, vagy azon kívül elhelyezett tartályba csapolják le. A lecsapolási művelet meggyorsítása céljából a magnéziumklorid viszkozitását a hőfok emelésével csökkentik, vagy pedig nyomást vagy szívást alkalmaznak. A sz. angol szabadalmi leírás hasonló eljárást ismertet fémtitán előállítására, melynél a reakció befejezte után a magnéziumkloridot a reakciótérből lecsapolják és a reakciótérben maradt fémtitán mellől a reakcióban részt nem vett magnéziumot és a visszamaradt magnéziumkloridot vákuum desztillálással távolítják el. A fent említett eljárásokhoz a hevítőtérbe helyezett ömlesztőtégelyt vagy olyan függőleges reakcióedényt alkalmaznak, melynek a felső, esetleg az alsó része oldható fedéllel, vagy csatlakoztatott gyűjtőedénnyel van lezárva. Ezekben a készülékekben a reakciókeverék térfogatához viszonyítva viszonylag kicsi a rekció szempontjából fontos szabad felület. Ez azonban kísérleteink szerint több okból hátrányos. A reakció folyamán ugyanis nemcsak a fent említett 1. sz. reakció megy végbe, hanem a redukált és a reakciókeverék tetején úszó fémtitánnal a titántetraklorid szintén reagál az alábbi egyenlet szerint: TiCl 4 + Ti = 2 TiCl 2 '(2) Ha a titántetraklorid alacsonyabb hőmérsékleten érintkezik magnéziummal, a redukció szintén csak titándikloridig megy végbe, amint azt^az alábbi egyenlet szemlélteti: TiCl Mg = MgCl 2 + TiCl 2 (3) A fémtitán redukálása tapasztalat szerint, a rendszerint vasból készült reaktoredény oldalán indul meg és lassan. halad a reaktoredény közepe felé. A reakciótermékek térfogata a megömlött magnézium térfogatához viszonyítva annak többszörösére nő. A képződő titánszivacs részben a folyékony termékek fölé emelkedik és így az alatta levő, még nem reagált magnéziumot a

2 titántetraklorid behatása alól elzárja. Egy bizonyos idő múlva tehát a folyékony magnézium a betáplált titánkloriddal már nem érintkezik és ebben az esetben a titándiklorid képződik. A titándiklorid képződését csupán azzal nem tudjuk megakadályozni, hogy a reakció folyamán képződött magnéziumkloridot részben vagy egészben lecsapoljuk. Ha azonban arról gondoskodunk, hogy a kivált titánszivacs mellett szabad magnézium felület álljon még rendelkezésre, mellyel a betáplált titántetraklorid reagálhat, a titándiklorid képződését el tudjuk kerülni. Ezt akkor tudjuk elkerülni, ha olyan reaktoredényt alkalmazunk, melyben a reakcióban résztvevő anyagok szabad felülete a reákcióanyag tömegéhez viszonyítva nagy. Erre a célra félhenger alakú vagy lapos teknő alakú reakcióedény alkalmas. A reakcióedényt a találmány értelmében fekvő helyzetű hevítő'térben rendezzük el, melynek fűtött felületén túlnyúló részén levő töltőnyílást nyitható fedél zárja le és a titánkloridot betápláló vezeték a hevítőtérhez a fedéltől távoleső részén csatlakozik. Az ilyen hevítőtérben az alkáliföldfémet tartalmazó reakcióedényt kényelmésen a titánkloridot betápláló vezeték körzetébe tolhatjuk. Igen célszerűen olyan reakciós edényt is használhatunk, mely magassági irányban meg van osztva és felső részének nyílásokkal ellátott fenékrésze van. A reakcióedényen a reakció folyamán képződött alkáliföldfémklorid ömledék elvezetésére alkalmas szervet alkalmazunk, mely elvezető szerv gyűjtő tartállyal közlekedik. Ez az elvezető szerv lehet túlfolyó vezeték, de kialakíthatjuk a reakciós edény fenékrészén kialakított áttörésekkel is. Mindkét esetben célszerű, ha a reakciós edényt az alkáliföldfémkloridot gyűjtő tartályban rendezzük el. A hevítőteret magát előnyösen hengeresre alakítjuk ki és e fekvő hevítőtér tengelye a vízszintessel csak kis szöget, célszerűen 20 -nál kisebb szöget zár be. Ilyen fekvő hevítőtérbe a nagyfelületű reakciós edényt, valamint az alkáliföldfémkloridot gyűjtő tartályt könnyen betolhatjuk, kezelése egyszerű. A hevítőtér nyitható ajtaját célszerűen vízhűtéssel látjuk el. Ebben az esetben a reakció folyamán kismértékben képződő titándiklorid e hűtött felületen csapódik le, úgyhogy ez a redukált fémet nem szennyezi. A találmány szerinti berendezés példakénti kivitelét a mellékelt rajz mutatja. Az 1. ábra fekvő helyzetű reaktort, középsíkján vett metszetben, a 2. ábra pedig a reaktorban alkalmazott megosztott reakcióedény és gyűjtőtartály hosszanti, ill. keresztmetszetét tünteti fel. Az 1 hengeres vasköpeny körül van elrendezve a 2 villamos hevítőtest, melyet hőszigetelésű 3 köpeny burkol. Az 1 hengeres vasköpenyt nyitható 4 ajtó zárja le, melybe a hűtővizet az 5 csövön vezetjük be és az 5' csövön vezetjük el. Az 1 vasköpenyhez csatlakozik a 6 vezeték, melyen át a henger belső terét vákuum alá helyezhetjük, illetve ezen a csövön inert gázt juttathatunk be a reakciótérbe. A titántetrákloridot a reaktorhoz csatlakozó 7 csonkon át a 8 vezetéken juttatjuk be, mely vezeték vége alá toljuk a 9 reakciós edényt. E reakciós edényt a magnézíumkloridot gyűjtő nagyobb 10 - tartályban rendezzük el. A 9 edény, miként az a 2. ábrán látható, magassági irányban osztott. Alsó, része. félhenger alakú 9a részből áll, melyben a 9b rész van behelyezve. A 9b résznek 9c perforált feneke van. A 9a részhez csatlakozik a 9d túlfolyó. A fém ti tán redukálása céljából a 9 reakcióedénybe helyezzük a fémmagnéziumot,, melyet a 2 fűtőtest segélyével a reakció hőfokára, pl. 850 C ^ra hevítünk. A megömlött magnézium fölé vezetjük a 8 csövön keresztül a titántetrákloridot. A reakció megindulásakor a megömlött magnézium a 9c fenék fölötti részig tölti meg a 9 tartályt. A reakció folyamán képződött magnéziumklorid a 9c fenék nyílásain át a 9a részbe jut és a fémtitán a 9 edény felső 9b részében kezd kiválni. A megömlött magnéziumklorid a folyékony magnézium alatt gyűlik össze és a feles mennyiségű magnéziumklorid a 9d túlfolyón átcsurog a 10 gyűjtőedénybe. A berendezés kezelése egyszerű és könnyű. A reaktor nyitható fedeléhez a hűtővízen kívül más csővezeték nem csatlakozik, melyet a fedél nyitása során nem kell a fedéltől oldani. A berendezésből a reakció befejezte után csupán a 9 és 10 edényeket kell kiemelni. Tekintettel arra, hogy a reaktor hűtött felülete a reakciótértől távolesik, a reakció folyamán képződött kis mennyiségű titándiklorid a 4 fedél belső felületén csapódik le és nyitáskor könnyen eltávolító ható anélkül, hogy az a 9 edénybe jutna. Eljárhatunk úgy is, hogy a 9a tartályrészt részben vagy egészben magnéziumkloriddal vagy nátrium- és 'magnéziumklorid keverékével töltünk meg és e fémklorid ágyra helyezzük a magnéziumot, mely hevítésekor e sóömledék tetején úszik. Ilyen elrendezés mellett is elérhetjük, hogy a reakció folyamán állandóan szabad magnéziumfelület áll rendelkezésre és titándiklorid a titánszivacson nem képződik. Ily módon eljárva a magnéziumot az elméletinek csak mintegy 10 súlyszázaléknyi feleslegében kell alkalmazni. A 9b edényben kapott titán pedig csak kevés magnéziumkloridot tartalmaz. Mivel a kapott fémtitánszivacs titándikloriddal nincs szennyezve, a magnéziumkloridot nedves mosással, tehát igen olcsón, távolíthatjuk el. A reakció befejezte után a reaktort lehűtjük, majd a reakcióterméket a reaktorból kivéve szabad levegőn, légkondicionálás nélküli helyiségben törhetjük össze és azután nedvesen megőröljük. Ügy találtuk, hogy a titánszivacsban levő magnéziumszennyezés túlnyomó része a durvább szemcsékbe kerül. A finomra őrölt termék már csak igen kevés magnéziumot tartalmaz. Az őrlés után kapott és nagyobb magnéziumtartalmú durvább szemcséket, vízzel való mosás után, vákuumban megszárítjuk és a következő redukáláshoz használjuk fel. A finomabb szemcséket, melyek titán mellett kevés magnéziumot és magnéziumkloridot tartalmaznak, sósavval kezeljük, majd vízzel kloridmentesre mossuk. Az így tisztított titánszivacsot 150 C -ig terjedő hőmérsékleten vákuumszárításnak vetjük alá. Ily módon vákuumban való

3 izzítás alkalmazása nélkül Brinell keménységű fémtitánt kapunk. A 10 edényben kapott magnéziumkloridot vízmentes állapotban kapjuk, melyet elektrolízissel fémmagnéziumra dolgozhatunk fel. Szabadalmi igénypontok: 1. Berendezés fémtitán előádítására titántetrakloridnak alkáliföldfémmel történő redukálásával, melynél az alkáliföldfémet befogadó reakció tartály hevítőtérben elmozdíthatóan van elrendezve, jellemezve fekvő helyzetű hevítőtérrel, melynek fűtött felületén túlnyúló részén levő töltőnyílását előnyösen folyadékhűtésű nyitható fedél zárja le és a titánkloridot betápláló vezeték a hevítőtérhez a fedéltől távoleső részen csatlakozik, melyre jellemző továbbá, hogy a hevítőtérben az alkáliföldfémet befogadó reakcióedény a titánkloridot betápláló vezeték körzetébe tolható. 2. Az 1. igénypont szerinti berendezés kiviteli alakja, melyre jellemző, hogy az alkáliföldfémet befogadó reakcióedénynek a reakció folyamán képződött alkáliföldfémklorid ömledék elvezetésére alkalmas szerve és az elvezető szervvel közlekedő alkáliföldfémkloríd gyűjtő tartály a van. 3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti berendezés kiviteli alakja, melyre jellemző, hogy az alkáliföldfémet befogadó reakcióedény az alkáliföldfémkloridot gyűjtő 'tartályban van elrendezve. 4. Az 1 3. igénypontok bármelyike szerinti berendezés kiviteli alakja, melyre jellemző, hogy az alkáliföldfémet befogadó reakcióédénynek hengeres feneke van. 5. Az 1 4. igénypontok bármelyike szerinti berendezés kiviteli alakja, melyre jellemző, hogy az alkáliföldfémet befogadó reakcióedény magassági irányban meg van osztva és a felső részének nyílásokkal ellátott közbenső fenékrésze van. 6. Az 5. igénypont szerinti berendezés kiviteli alakja, melyre jellemző, hogy az alkáliföldfémet befogadó reakcióedény alsó részének túlfolyó vezetéke (9d) van. 7. Az 1 6. igénypontok bármelyike szerinti berendezés kiviteli alakja, melyre jellemző, hogy a hevítőtér hengeres alakú és a vízszintessel 20 nál kisebb szöget zár be. 8. Eljárás fémtitán előállítására, különösen az 1 7. igénypontok szerinti berendezéssel titántetrakloridnak alkáliföldfémmel, előnyösen magnéziummal történő redukálásával, melynél a redukálás folyamán a magnéziumkloridot a redukálótérből elvezetjük és melynél a kapott titánszivacsot sósavval és vízzel tisztítjuk, melyre jellemző, hogy a kapott titánszivacsot nedvesen őröljük, a magnéziumtartalimú durvább szemcséket a finomabb részektől elkülönítjük és a finomabb - szemcséjű részt sósavval, majd vízzel mossuk és az így tisztított titánszivacsot vákuumban 200 C alatti hőmérsékleten megszárítjuk. 9. A 8. igénypont szerinti eljárás foganatosítási módja, melyre jellemző, hogy a magnéziumtartalmú durva szemcséket a titánklorid redukálásához újból felhasználjuk. 2 rajz A kiadásért felei: a Közgazdasági és Jogi Könyvkiadó igazgatója Terv Nyomda, Budapest V., Balassi Bálint utca

4 4s I

5