AT509526B1 - METHOD AND DEVICE FOR PREPARING METALS FROM THEIR OXIDES - Google Patents
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Description
österreichisches Patentamt AT509 526B1 2012-01-15Austrian Patent Office AT509 526B1 2012-01-15
Beschreibung [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Metallen aus ihren Oxiden.Description: The present invention relates to a method and an apparatus for producing metals from their oxides.
[0002] Titan wird nach dem Stand der Technik aus thermodynamischen Gründen nicht mit herkömmlichen Reduktionsmitteln wie Kohle oder Wasserstoff aus seinem Oxid reduziert, sondern über aufwändigere Prozessierung gewonnen. So wird Titandioxid vorzugsweise in TiCI4 übergeführt, mittels Destillation gereinigt und mit Magnesium zum Metall reduziert.Titanium is not reduced according to the prior art for thermodynamic reasons with conventional reducing agents such as coal or hydrogen from its oxide, but gained over more complex processing. Thus, titanium dioxide is preferably converted into TiCl4, purified by distillation and reduced with magnesium to the metal.
[0003] Im Falle der Gewinnung von Titan ist der so genannte "Kroll-Prozess" Stand der Technik. Dieser wurde Mitte der 1950er-Jahre entwickelt und ist noch immer die beste Methode zum Erhalt von Titanmetall, da hier absolut reines, sauerstofffreies Titan gewonnen werden kann. Schon geringe Spuren von Sauerstoff führen zu einer drastischen Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des metallischen Titans. Obwohl es schon seit über 100 Jahren Bestrebungen gibt, Titan und auch Silicium über einen einfacheren und kostengünstigeren Elektrolyseprozess darzustellen und auch Kroll selbst im Jahre 1953 für die nächsten 15 Jahre einen erfolgreichen Elektrolyseprozess für die Titanherstellung prophezeite, konnte sich noch kein solcher Prozess etablieren. Siehe beispielsweise P.C. Turner, A. Hartman, J.S. Hansen und S.J. Gerdemann, "Low Cost Titanium-Myth or Reality", Technical Report, DOE/ARC-2001-086.In the case of obtaining titanium, the so-called " Kroll process " State of the art. This was developed in the mid-1950s and is still the best method for obtaining titanium metal, as it can produce absolutely pure, oxygen-free titanium. Even small traces of oxygen lead to a drastic deterioration of the mechanical properties of the metallic titanium. Although there have been efforts for more than 100 years to represent titanium and silicon over a simpler and less expensive electrolysis process, and Kroll himself prophesied a successful electrolytic process for titanium production in 1953 for the next 15 years, no such process has yet been established. See, for example, P.C. Turner, A. Hartman, J.S. Hansen and S.J. Gerdemann, " Low Cost Titanium Myth or Reality ", Technical Report, DOE / ARC-2001-086.
[0004] Wissenschaftliche Publikationen in jüngerer Zeit wie etwa G. Chen, D. Fray und T. Farthing, Nature 407, 362 (2000), haben zu einer erneuten Untersuchung der Elektrolyseprozesse angeregt. In Folge bürgerte sich, in Anlehnung an die Initialen der Autoren und der Herkunft der Arbeit, der Name "FFC-Cambridge-Prozess" ein, wie dies beispielsweise von M. Ma, D. Wang, W. Wang, X. Hu, X. Jin und G. Chen, Journal of Alloys and Compounds 420, 37-45 (2006), erwähnt wird.Recent scientific publications such as G. Chen, D. Fray and T. Farthing, Nature 407, 362 (2000), have stimulated a re-examination of the electrolysis processes. As a result, the name " FFC Cambridge Process " as noted, for example, by M. Ma, D. Wang, W. Wang, X. Hu, X. Jin and G. Chen, Journal of Alloys and Compounds 420, 37-45 (2006).
[0005] In den meisten Publikationen zur elektrolytischen Herstellung von Titan werden die möglichen wirtschaftlichen Vorteile beschrieben. Ebenso interessant ist die prinzipielle Anwendung des Prozesses auf die Reduktion anderer Oxide. So wird in der Literatur etwa die Herstellung von Si aus Si02 beschrieben (siehe z.B. K. Yasuda, T. Nohi-ra, R. Hagiwara und Y.H. Ogata, Electrochimica Acta 53, 106-110 (2007)). Die Versuchsanordnung bei der Gewinnung von Si aus Si02 unterscheidet sich von der Ti-Gewinnung dadurch, dass im letzteren Falle poröse Ti02-Tabletten über die Kathode (z.B. einen Kanthai-Draht) kontaktiert wurden, im Falle der Si-Gewinnung jedoch kompakte Si02-Plättchen.In most publications on the electrolytic production of titanium, the possible economic benefits are described. Equally interesting is the principal application of the process to the reduction of other oxides. For example, in the literature, the preparation of Si from SiO 2 is described (see, e.g., K. Yasuda, T. Nohara, R. Hagiwara and Y.H. Ogata, Electrochimica Acta 53, 106-110 (2007)). The experimental procedure for obtaining Si from SiO 2 differs from Ti recovery in that, in the latter case, porous TiO 2 pellets were contacted via the cathode (eg, a Kanthai wire) but, in the case of Si recovery, compact SiO 2 flakes ,
[0006] Im Falle von Titan gewinnt man nach erfolgreicher Elektrolyse einen porösen Titanschwamm, der mit CaO und teilreduzierten Ti02-Phasen, so genannten Magneli-Phasen der Zusammensetzung Tin02n-i (4 < n < 10), verunreinigt ist. Magneli-Phasen sind elektrisch leitend und waren Gegenstand von elektrochemischen Forschungsarbeiten, da sie sich als alternatives Elektrodenmaterial für diverse elektrochemische Prozesse anbieten (M. Zweynert, H. Döring, J. Garche, K. Enghardt und K. Wiesener, Chemie Ingenieur Technik 70(7/98), 827-841 (1998)). Das beim FFC-Cam-bridge-Prozess entstehende Titan muss also in nachfolgenden Reinigungsschritten sowohl von CaCI2 und CaO als auch von teilreduzierten Titanoxiden befreit werden.In the case of titanium is obtained after successful electrolysis a porous titanium sponge, which is contaminated with CaO and partially reduced Ti02 phases, so-called Magneli phases of the composition Tin02n-i (4 <n <10). Magneli phases are electrically conductive and have been the subject of electrochemical research, since they offer themselves as alternative electrode material for various electrochemical processes (M. Zweynert, H. Döring, J. Garche, K. Enghardt and K. Wiesener, Chemie Ingenieur Technik 70 ( 7/98), 827-841 (1998)). The titanium resulting from the FFC-Cam-Bridge process must therefore be freed from CaCl 2 and CaO as well as partially reduced titanium oxides in subsequent purification steps.
[0007] Nach eingehender Literaturrecherche stellte sich heraus, dass das Prinzip der Herstellung von Titan aus einer CaCI2-Schmelze schon seit dem Jahr 1903 bekannt ist (DE 150.557). Wilhelm Borchers und Wilhelm Huppertz aus Aachen beschreiben darin die Herstellung von metallischem Titan aus Ti02 in einer CaCI2-Schmelze. Sie vermuteten den Reaktionsmechanismus bereits in der primären kathodischen Abscheidung von metallischem Calcium, das seinerseits das Ti02 reduziert. So wird in diesem Patent Folgendes ausgeführt: "Die Elektrolyse wird nun so lange fortgesetzt, bis man nach der aufgewendeten Strommenge annehmen kann, dass alles eingetragene Titanoxyd durch das mutmaßlich primär elektrolytisch abgeschiedene Erdalkalimetall zu Titan reduziert worden ist und bis die Menge des aus dem eingetragenen Oxyde reduzierten Titans so groß geworden ist, dass mit Rücksicht auf Verhinderung von 1 /16 österreichisches Patentamt AT509 526 B1 2012-01-15After a detailed literature search, it turned out that the principle of the production of titanium from a CaCl 2 melt has been known since 1903 (DE 150,557). Wilhelm Borchers and Wilhelm Huppertz from Aachen describe the production of metallic titanium from TiO 2 in a CaCl 2 melt. They suspected the reaction mechanism already in the primary cathodic deposition of metallic calcium, which in turn reduces the TiO 2. Thus, the following is stated in this patent: "The electrolysis is now continued until, according to the amount of electricity used, it can be assumed that all of the titanium oxide introduced has been reduced to titanium by the presumably primary electrolytically deposited alkaline earth metal and the amount of the Titanium has become so high in registered oxides that, in view of the prevention of corrosion, the Austrian patent office AT509 526 B1 2012-01-15
Stromverlusten durch Wiederauflösung etwa mit der Anode in Berührung kommenden Titans eine Unterbrechung des Betriebes geboten erscheint." [0008] Die Vermutung, dass das elektrolytisch gebildete Calcium das eigentliche Reduktionsmittel darstellt, wird in der Patentschrift DE 150.557 nicht eingehender diskutiert, hat aber ihre Begründung wohl in zwei äußerst aufschlussreichen Arbeiten von Wilhelm Borchers und Lorenz Stockem, die sie ein Jahr zuvor in der "Zeitschrift für Elektrochemie" veröffentlichten (W. Borchers und L. Stockem, "Verfahren zur Gewinnung metallischen Calciums", Zeitschrift für Elektrochemie 8, 757 (1902); W. Borchers, L. Stockem, "Die elektrolytische Abscheidung reinen Strontiums", Zeitschrift für Elektrochemie 8, 757 (1902)). Diese Arbeiten beschreiben die elektrolytische Herstellung von reinem Calcium bzw. Strontium aus den Chloriden. Die Autoren betonen bei der Calciumherstellung die Wichtigkeit der Temperaturführung, da sich metallisches Calcium knapp oberhalb der Schmelztemperatur des Calciumchlorids bildet, allerdings bei weiterem Erhitzen wieder in Lösung geht und so nicht aus der Schmelze (mittels Tiegelzange) entfernt werden kann. Die Temperatur durfte also zur Calciumgewinnung nicht zu hoch eingestelltwerden.Power losses by re-dissolution about with the anode coming into contact Titans an interruption of the enterprise appears necessary. The assumption that the electrolytically formed calcium represents the actual reducing agent is not discussed in detail in the patent DE 150,557, but has its reason probably in two extremely revealing works by Wilhelm Borchers and Lorenz Stockem, which they a year earlier in the " Journal of Electrochemistry " (Borchers and L. Stockem, " Metallic Calcium Obtaining Process ", Journal of Electrochemistry 8, 757 (1902); W. Borchers, L. Stockem, " The Electrodeposition of Pure Strontium ", Journal of Electrochemistry 8 , 757 (1902)). This work describes the electrolytic production of pure calcium or strontium from the chlorides. The authors emphasize the importance of temperature control in the production of calcium, since metallic calcium forms just above the melting temperature of calcium chloride, but when heated further dissolves again and thus can not be removed from the melt (by means of crucible tongs). The temperature should therefore not be set too high for calcium recovery.
[0009] In der Patentschrift DE 150.557 zur Herstellung von Titan erwähnen die Autoren die Verwendung derselben (bzw. einer ähnlichen) Apparatur, wie sie bereits in den Publikationen aus dem Jahr 1902 beschrieben wurden: "Calciumchlorid oder andere Halogensalze, selbstverständlich auch Gemische solcher, werden unter ähnlichen Bedingungen und in ähnlichen Apparaten, wie sie von Borchers und Stockem zur elektrolytischen Abscheidung von Calcium und Strontium angegeben worden sind, der Elektrolyse unterworfen, und es wird während der Elektrolyse das zu reduzierende Titanoxyd in die Schmelze so eingetragen, dass es möglichst unmittelbar mit der Kathode in Berührung kommt. Statt dieses Oxyd erst während der Elektrolyse einzutragen, kann man es schon beim Zusammenstellen der erwähnten Apparate in die Umgebung der Kathode einstampfen, um dann die Elektrolyse der geschmolzenen Erdalkalihalogensalze in bekannter Weise zu beginnen." [0010] Nun ergibt sich aus diesen Befunden sowie aus der Beschreibung des FFC-Cambridge-Prozesses folgendes Bild: Da die Versuche unter Luftabschluss stattfinden müssen, liegt die Vermutung nahe, dass neben dem heute bekannten FFC-Cambridge-Prozess auch alle früher durchgeführten Experimente folgendermaßen konzipiert waren: [0011] 1) Aufbau des Ofens [0012] 2) Einführen der Elektroden [0013] 3) Einbringen des Ti02 um die Kathode herum [0014] 4) Auffüllen mit CaCI2 [0015] 5) Luftabschluss [0016] 6) Aufschmelzen des CaCI2 [0017] 7) Elektrolyse [0018] 8) Ende der Elektrolyse/Kühlung [0019] 9) Austrag der Produkte und Aufarbeitung.In the patent DE 150,557 for the production of titanium, the authors mention the use of the same (or a similar) apparatus as have already been described in the publications from the year 1902: "calcium chloride or other halogen salts, of course, mixtures thereof , are subjected to electrolysis under similar conditions and in similar apparatuses as those reported by Borchers and Stockem for the electrolytic deposition of calcium and strontium, and during the electrolysis the titanium oxide to be reduced is introduced into the melt in such a way that it should as far as possible immediately comes into contact with the cathode. Instead of introducing this oxide only during the electrolysis, it can already be in the vicinity of the cathode when assembling the mentioned apparatuses in order to then start the electrolysis of the molten alkaline earth halide salts in a known manner. Now results from these findings and from the description of the FFC Cambridge process the following picture: Since the experiments must take place under exclusion of air, it is reasonable to suppose that in addition to the currently known FFC-Cambridge process, all previously performed experiments 1) Construction of the Furnace 2) Insertion of the Electrodes [0013] 3) Introduction of the TiO 2 around the Cathode [0014] 4) Filling with CaCl 2 5) Air termination [0016] FIG ) Melting of the CaCl 2 7) Electrolysis 8) End of the electrolysis / cooling 9) Discharge of the products and work-up.
[0020] Diese Art der Versuchsführung ist die prinzipiell bequemste, da ein Luftkontakt durch geeignete Kapselung des Ofens in einfacher Weise vermieden werden kann. Jedenfalls erwähnen Borchers und Huppertz in DE 150.557 die prinzipielle Möglichkeit, das Ti02 während der Elektrolyse einzubringen. Allerdings weisen sie darauf hin, dass das Ti02 in die Nähe der Kathode eingebracht werden muss. Wahrscheinlich haben jedoch auch sie das Ti02 schon zu Beginn in der Versuchsanordnung um die Kathode miteingestampft, da ansonsten eine weitaus aufwändigere Apparatur beschrieben worden wäre, bei der unter Luftabschluss Titanoxid in die Schmelze einbringbar gewesen wäre. Beim FFC-Cambridge-Prozess werden "cathodic pre-forms" aus Gemischen aus CaCI2 und Ti02 vorgefertigt und als Presslinge eingesetzt. 2/16 österreichisches Patentamt AT509 526B1 2012-01-15 [0021] Für den Reaktionsmechanismus kristallisiert sich daher folgendes Bild heraus: Sollte das Ti02 in der Nähe der Kathode eingebracht werden, wie bei Borchers und beim FFC-Cambridge-Prozess beschrieben, so wird im Laufe des Elektrolyseprozesses an der Oberfläche der Kathode zuerst Calcium gebildet, das seinerseits angrenzendes Titandioxid über Zwischenstufen zu Titan reduziert. Allerdings bildet das neu entstehende metallische Titan ebenfalls einen elektrischen Leiter, der als neue Kathode fungiert. Ebenso können die teilreduzierten Titanoxyde (Magneli-Phasen) als elektrisch leitende Elektrode dienen. Dies bedeutet aber, dass sich sowohl die Art der Kathode als auch die Größe der Kathodenfläche während des Elektrolyseprozesses ändert. Die Oberfläche der neuen Kathode ist um ein Vielfaches größer, da ja ein poröser Körper aus Titanoxid reduziert wird. Es bildet sich also um die ursprüngliche metallische Kathode kleiner Oberfläche ein poröser Körper aus reduziertem und teilreduziertem Titanoxid großer Oberfläche aus. Jedenfalls verlagert sich die Produktion des elektrolytisch neu gebildeten Calciums an die Oberfläche dieses neu gebildeten porösen Körpers. Ein Rücktransport des an der Oberfläche gebildeten Calciums in den porösen Körper hinein scheint eher unwahrscheinlich.This type of experimental design is in principle the most convenient, since air contact can be avoided by suitable encapsulation of the furnace in a simple manner. In any case, Borchers and Huppertz mention in DE 150,557 the principal possibility of introducing the TiO 2 during the electrolysis. However, they indicate that the Ti02 must be placed near the cathode. Probably, however, they also co-tamped the Ti02 around the cathode in the experimental setup at the beginning, as otherwise a much more elaborate apparatus would have been described, in which titanium oxide would have been able to be introduced into the melt under exclusion of air. In the FFC Cambridge process, " cathodic pre-forms " prepared from mixtures of CaCl 2 and TiO 2 and used as pellets. Therefore, the following picture emerges for the reaction mechanism: If the TiO 2 is introduced in the vicinity of the cathode, as described in Borchers and in the FFC Cambridge process, then During the electrolysis process, calcium first forms on the surface of the cathode, which in turn reduces adjacent titanium dioxide via intermediates to titanium. However, the emerging metallic titanium also forms an electrical conductor that acts as a new cathode. Likewise, the partially reduced titanium oxides (Magneli phases) can serve as an electrically conductive electrode. However, this means that both the type of cathode and the size of the cathode surface changes during the electrolysis process. The surface of the new cathode is many times larger, since a porous body of titanium oxide is reduced. Thus, a porous body of reduced and partially reduced titanium oxide with a high surface area is formed around the original small-surface metal cathode. In any case, the production of electrolytically newly formed calcium shifts to the surface of this newly formed porous body. A return transport of calcium formed on the surface in the porous body seems rather unlikely.
[0022] Weiters ist die Vergrößerung der Kathodenoberfläche zu beachten, da Borchers und Stockem schon 1902 betonten, dass eine kleine Kathodenfläche und eine große Anodenfläche wichtig seien. Dies bedeutet, dass die Stromdichte an der Kathode entscheidend für die Calciumproduktion in diesem Prozess ist. Dies wäre auch im Einklang mit der Lehre der allgemeinen Elektrochemie.Furthermore, the enlargement of the cathode surface is to be considered, since Borchers and Stockem emphasized as early as 1902 that a small cathode surface and a large anode surface were important. This means that the current density at the cathode is critical to calcium production in this process. This would also be consistent with the doctrine of general electrochemistry.
[0023] Eine weitere Schwierigkeit aller bekannten Verfahren ist, dass das Ende der Elektrolyse schwer bestimmbar ist. Es laufen nämlich mehrere Prozesse gleichzeitig ab: Die kathodische Calciumproduktion an der Kanthai-Kathode, die calciothermische Reduktion des Metalloxids (Ti02) zum Metall (Titan), die calciothermische Reduktion des Metalloxids (Ti02) zu Zwischenstufen (Magneli Phasen), die Calciumentwicklung an neu gebildetem Metall (Titan bzw. an Magneli-Phasen), die anodische Chlorentwicklung sowie mögliche anodische Rückoxidationen von Titan und Calcium (v.a. zu den Oxiden). Das Ende der Elektrolyse wird jedoch durch die aufgenommene Strommenge und auf Grund von Erfahrungswerten abgeschätzt, und ist somit kaum exakt zu bestimmen.Another difficulty of all known methods is that the end of the electrolysis is difficult to determine. In fact, several processes occur simultaneously: Cathodic calcium production at the Kanthai cathode, calciothermal reduction of the metal oxide (TiO 2) to metal (titanium), calciothermal reduction of the metal oxide (TiO 2) to intermediates (Magneli phases), calcium evolution to new formed metal (titanium or Magneli phases), the anodic chlorine evolution and possible anodic reoxidations of titanium and calcium (especially to the oxides). The end of the electrolysis, however, is estimated by the absorbed amount of electricity and based on experience, and thus can hardly be determined exactly.
[0024] Die BHP Billiton Innovation PTY Ltd. offenbart in mehreren Patentanmeldungen verschiedene Verfahren zur Elektrolyse von Metalloxiden unter Verbrauch eines Elektrolyten wie CaCI2. In WO 2005/38092 A1 wird ein Verfahren beschrieben, in dem Pellets des Metalloxids kontinuierlich oder semikontinuierlich durch ein (CaO-hältiges) Calciumchlorid-Bad geführt werden, während sie darin reduziert werden. Der dabei verbrauchte Elektrolyt, d.h. CaCI2, wird laufend ergänzt, über ein Überlaufwehr abgezogen, außerhalb des Bades gereinigt und re-zykliert. Zu diesem Zweck sind bevorzugte Mengenströme des Elektrolyts ("70 bis 100 % der Menge an Metalloxid") angegeben. Aufgrund des (semi)kontinuierlichen Charakters des Verfahrens findet sich in dieser Offenbarung aber weder ein Hinweis auf das Elektrolyseende noch auf die Stöchiometrie. In WO 2006/00025 A1 wird im Wesentlichen dasselbe Verfahren beschrieben, bei dem jedoch Fertig- oder halbfertige Fabrikate anfallen. Darüber hinaus wurde von den dortigen Erfindern festgestellt, dass der Chloridgehalt weniger störend ist, als bis dahin angenommen wurde. Erneut fehlen jegliche Hinweise auf die Stöchiometrie der Elektrolysereaktion. Und die WO 2005/90640 A1 beschreibt ein Verfahren, bei dem das zu reduzierende Metalloxid im flüssigen Elektrolyt suspendiert ist und das auf solche Weise gerührt oder mit einem Inertgas durchperlt wird, dass ein intermittierender Kontakt mit der Kathode zustande kommt, wodurch das Metalloxid allmählich reduziert wird. Die Stöchiometrie wird auch hier nicht angesprochen.The BHP Billiton Innovation PTY Ltd. discloses in several patent applications various processes for the electrolysis of metal oxides using an electrolyte such as CaCl 2. WO 2005/38092 A1 describes a process in which pellets of the metal oxide are passed continuously or semicontinuously through a (CaO-containing) calcium chloride bath while being reduced therein. The consumed electrolyte, i. CaCI2, is constantly being supplemented, withdrawn via an overflow weir, cleaned outside the bath and re-cycled. For this purpose, preferred mass flows of the electrolyte (" 70 to 100% of the amount of metal oxide ") are indicated. Due to the (semi) continuous nature of the process, however, there is no reference in this disclosure to the end of the electrolysis or to the stoichiometry. In WO 2006/00025 A1, essentially the same process is described in which, however, finished or semi-finished products are produced. In addition, it has been found by the present inventors that the chloride content is less disturbing than previously thought. Once again there is no indication of the stoichiometry of the electrolysis reaction. And WO 2005/90640 A1 describes a method in which the metal oxide to be reduced is suspended in the liquid electrolyte and which is agitated or bubbled with an inert gas such that intermittent contact with the cathode occurs, thereby gradually reducing the metal oxide becomes. The stoichiometry is not addressed here.
[0025] Ziel der Erfindung war daher die Entwicklung eines Verfahrens, durch das die obigen Nachteile bei der Darstellung von Metallen durch Reduktion ihrer Oxide vermieden werden können.The aim of the invention was therefore the development of a method by which the above disadvantages in the preparation of metals by reducing their oxides can be avoided.
[0026] Dieses Ziel wird in einem ersten Aspekt der Erfindung durch Bereitstellung eines Verfahrens und in einem zweiten Aspekt einer Vorrichtung zur Durchführung desselben erreicht, wobei das Verfahren ein Verfahren zur Herstellung von Metallen aus ihren Oxiden durch Reduktion 3/16 österreichisches Patentamt AT509 526 B1 2012-01-15 der Metalle in einer CaCI2-Schmelze mit darin gelöstem metallischem Calcium als Reduktionsmittel, das in situ durch Elektrolyse des CaCI2 gebildet wird, ist und durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist: [0027] a) Vorlegen von CaCI2 und zumindest eines zu reduzierenden Metalloxids unter Luft ausschluss in räumlich voneinander getrennten Bereichen desselben Behälters, [0028] b) Erhitzen und Schmelzen des CaCI2, [0029] c) Elektrolyse des CaCI2 zur Bildung einer mittels Messung des Elektrolysestroms be stimmten, bezogen auf die Menge an zu reduzierendem Metalloxid stöchiometrischen Menge an metallischem Calcium und anschließende Unterbrechung der Stromzufuhr, [0030] d) Lösen des metallischen Calciums durch Erhitzen des Gemischs aus CaCI2und Calci um auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts von Calcium, [0031] e) Verlagern des zumindest einen Metalloxids in die calciumhältige CaCI2-Schmelze undThis object is achieved in a first aspect of the invention by providing a method and in a second aspect of a device for carrying out the same, the method being a method for producing metals from their oxides by reduction by Austrian Patent Office AT509 526 B1 2012-01-15 of the metals in a CaCl 2 melt with dissolved therein metallic calcium as a reducing agent, which is formed in situ by electrolysis of CaCl 2, and is characterized by the following process steps: a) presentation of CaCl 2 and at least one to b) heating and melting of the CaCl 2, c) electrolysis of the CaCl 2 to form a be determined by measuring the electrolysis current, based on the amount of metal oxide to be reduced stoichiometric amount of metallic calcium and subsequent interruption the current supply, d) dissolving the metallic calcium by heating the mixture of CaCl 2 and calcium to a temperature above the melting point of calcium, e) displacing the at least one metal oxide in the calcium-containing CaCl 2 melt and
Reduktion eines oder mehrerer der im zumindest einen Metalloxid enthaltenen Metalle, [0032] f) Entfernung von überschüssigem CaCI2 und bei der Reduktion gebildetem CaO durchReduction of one or more of the metals contained in the at least one metal oxide, f) removal of excess CaCl 2 and CaO formed in the reduction
Auflösung in Wasser bzw. wässriger Säure.Dissolution in water or aqueous acid.
[0033] Im erfindungsgemäßen Verfahren wird somit das metallische Calcium bei einer Temperatur, die nur knapp, d.h. nur wenige, z.B. 1 oder 2, Grad, oberhalb des Schmelzpunkts von CaCI2 liegt, rund um die Kathode gebildet, während das zu reduzierende Metalloxid noch räumlich davon getrennt aufbewahrt wird. Anschließend wird die Stromzufuhr unterbrochen, das Calcium durch weiteres Erhitzen aufgeschmolzen und so in der CaCI2-Schmelze gelöst. Erst jetzt wird das zumindest eine zu reduzierende Metalloxid zur Schmelze zugesetzt und vorzugsweise gründlich mit der Schmelze vermischt, während die Redoxreaktion mit dem Calciummetall abläuft und sich das gewünschte zumindest eine Metall bildet.In the process according to the invention, therefore, the metallic calcium is produced at a temperature which is only barely, i.e., at a temperature which is barely. only a few, e.g. 1 or 2, degrees, above the melting point of CaCl 2, formed around the cathode, while the metal oxide to be reduced is still stored separately from it. Subsequently, the power supply is interrupted, the calcium is melted by further heating and dissolved in the CaCl 2 melt. Only now, the at least one metal oxide to be reduced is added to the melt and preferably thoroughly mixed with the melt, while the redox reaction proceeds with the calcium metal and forms the desired at least one metal.
[0034] Auf diese Weise sind im Optimalfall im Produktgemisch ausschließlich CaCI2, CaO und das zumindest eine gewünschte Metall enthalten. In der Praxis wird freilich vorzugsweise ein geringfügiger Überschuss gegenüber der stöchiometrischen Menge an Calcium gebildet werden, um das zumindest eine gewünschte Metall quantitativ aus seinem Oxid zu reduzieren, da das überschüssige metallische Calcium in den meisten Fällen leicht, z.B. durch Auswaschen mit Wasser oder verdünnter Mineralsäure, von dem erhaltenen zumindest einen Metall abgetrennt werden kann. Somit bildet sich auch während der Elektolyse keine neue Kathode aus dem oder den kathodisch erzeugten Metall(en) aus, da der Elektrolyseprozess bei der Metalloxid-Zugabe schon beendet ist. Daraus resultieren die folgenden weiteren Vorteile: [0035] -» optimale kathodische Stromdichten bei der primären Ca-Produktion; [0036] -* keine nichtreduzierten Bereiche in einem sonst entstehenden porösen Schwamm; [0037] -» keine Rückreaktion des zumindest einen gebildeten Metalls an der Anode; [0038] -* das zumindest eine Metall fällt pulverförmig an, da keine Akkumulierung um die Ka thode stattfindet.In this way, in the optimum case in the product mixture exclusively CaCl 2, CaO and the at least one desired metal are included. In practice, however, it is preferred to form a slight excess over the stoichiometric amount of calcium in order to quantitatively reduce the at least one desired metal from its oxide, since the excess metallic calcium in most cases is readily removed, e.g. by washing with water or dilute mineral acid from which at least one metal can be separated. Thus, even during the electrolysis, no new cathode is formed from the cathodically produced metal (s), since the electrolysis process in the metal oxide addition has already ended. This results in the following further advantages: [0035] optimum cathode current densities in primary Ca production; [0036] * no unreduced areas in an otherwise formed porous sponge; [0037] "no reverse reaction of the at least one formed metal at the anode; At least one metal falls in powder form, since no accumulation takes place around the Ka method.
[0039] Die bevorzugte gründliche Durchmischung des zumindest einen Metalloxids und der CaCI2-Schmelze in Schritt e) kann auf beliebige Weise erfolgen, z.B. durch Rühren oder Umwälzen des Reaktionsgemischs, beispielsweise bei der erfindungsgemäßen Verwendung eines Drehrohrofens als Reaktionsbehälter gemäß dem später beschriebenen zweiten Aspekt der Erfindung.The preferred thorough mixing of the at least one metal oxide and the CaCl 2 melt in step e) can be carried out in any desired manner, e.g. by stirring or tumbling the reaction mixture, for example, in the use of a rotary kiln according to the invention as a reaction vessel according to the later described second aspect of the invention.
[0040] Das erfindungsgemäße Verfahren ist prinzipiell geeignet, Oxide folgender Elemente zu reduzieren: Sc, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Cu, Cd, AI, In, Si, Ge, Sn, Ce, Nd und Th, wobei aufgrund einer vereinfachten Handhabung vorzugsweise Oxide von Sc, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, In, Si, Ge, Sn, Ce, Nd und Th, noch bevorzugter Oxide von Ti, Si, Th, V, Zr und Y, ausgewählt werden. Das Verfahren eignet sich 4/16 österreichisches Patentamt AT509 526B1 2012-01-15 speziell zur Darstellung von Ti und Si, vor allem aufgrund der leichten Entfernbarkeit von Ca, CaO und CaCI2 aus den Produkten durch einfaches Auswaschen mit Wasser bzw. verdünnten Säuren, zumal manche der obigen Metalle von wässriger Säure ebenfalls angegriffen werden können.The process according to the invention is in principle suitable for reducing oxides of the following elements: Sc, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Cu, Cd, Al, In, Si, Ge, Sn, Ce, Nd and Th, wherein due to a simplified handling preferably oxides of Sc, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, In, Si, Ge, Sn, Ce, Nd and Th, more preferably oxides of Ti, Si, Th, V, Zr and Y are selected. The method is particularly suitable for the preparation of Ti and Si, especially due to the easy removability of Ca, CaO and CaCl 2 from the products by simply washing with water or dilute acids, especially some of the above metals can also be attacked by aqueous acid.
[0041] Allgemein ist festzustellen, dass das Verfahren auch zum gleichzeitigen Erhalt von mehr als einem Metall, etwa von Metalllegierungen, wie z.B. Siliciden, oder von Oxiden mit unterschiedlicher Zusammensetzung als die Ausgangsprodukte, wie z.B. von Magneli-Phasen, geeignet ist. Weiters können anstelle von oder zusätzlich zu Metalloxiden auch Metallate, Sulfide oder Phosphate als Ausgangsprodukte eingesetzt werden. Aufgrund der erschwerten Steuerbarkeit der Redoxreaktionen, unter anderem aufgrund der schwieriger feststellbaren Stöchiometrie und mitunter stark erschwerten Isolierung der gewünschten Metalle aus dem Produktgemisch, wird jedoch das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise zur Darstellung einzelner Metalle aus ihren Oxiden eingesetzt.In general, it should be noted that the method is also useful for simultaneously obtaining more than one metal, such as metal alloys, e.g. Silicides, or of oxides of different composition than the starting materials, e.g. of Magneli phases, is suitable. Furthermore, instead of or in addition to metal oxides, it is also possible to use metallates, sulfides or phosphates as starting materials. Due to the difficult controllability of the redox reactions, inter alia due to the more difficult to detect stoichiometry and sometimes severely hampered isolation of the desired metals from the product mixture, however, the inventive method is preferably used to represent individual metals from their oxides.
[0042] Das bei der Elektrolyse des Calciums gebildete Chlor wird vorzugsweise, innerhalb oder außerhalb des Behälters, eingefangen, wobei das eingefangene Chlor noch bevorzugter zur Herstellung von frischem CaCI2 und/oder von HCl eingesetzt wird und daher nicht aufwändig entsorgt zu werden braucht.The chlorine formed in the electrolysis of calcium is preferably trapped, inside or outside the container, the trapped chlorine being more preferably used to produce fresh CaCl 2 and / or HCl and therefore need not be disposed of expensively.
[0043] In einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung, wie bereits erwähnt, auch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereit, wobei die erfindungsgemäße Vorrichtung Folgendes umfasst: einen Drehrohrofen, der mittels eines Motors rotierbar ist und eine Reaktionszone sowie eine von der Reaktionszone räumlich getrennte Lagerzone umfasst und dessen Innenwand zumindest in einem Teilbereich mit einer ersten Elektrode versehen oder als solche ausgebildet ist, eine in die Reaktionszone ragende zweite Elektrode, sowie zumindest ein Mittel zum Verlagern von in der Lagerzone enthaltenem Material in die Reaktionszone. Die Reaktionszone wird dabei vorzugsweise durch eine "Vertiefung" in der Wand des Drehrohrs gebildet, worunter auch eine entsprechende Geometrie, z.B. konische Ausführung oder dergleichen, des Drehrohrs zu verstehen ist.In a second aspect, as already mentioned, the invention also provides an apparatus for carrying out the method according to the invention, the apparatus according to the invention comprising: a rotary kiln which is rotatable by means of a motor and a reaction zone and spatially from the reaction zone comprises separate storage zone and the inner wall is provided at least in a partial region with a first electrode or formed as such, a projecting into the reaction zone second electrode, and at least one means for displacing contained in the storage zone material in the reaction zone. The reaction zone is preferably characterized by a " well " formed in the wall of the rotary tube, including a corresponding geometry, e.g. conical design or the like, the rotary tube is to be understood.
[0044] Bei Durchführung des Verfahrens in einer solchen Vorrichtung wird, wie später noch ausführlicher beschrieben werden wird, CaCI2 im Drehrohr vorgelegt. Dabei kann das CaCI2 entweder gleich in der Reaktionszone vorgelegt oder durch Drehen des Drehrohrs in diese bewegt werden. Durch die in die Reaktionszone ragende Kathode wird Calcium reduziert, wobei zumindest ein Teil der Drehrohrwand als Anode dient oder mit einer solchen versehen ist. Danach wird die Stromzufuhr unterbrochen und das zumindest eine Metalloxid aus der Lagerzone ebenfalls in die Reaktionszone transferiert, um das zumindest eine gewünschte Metall darzustellen.When carrying out the process in such a device, as will be described in more detail later, CaCl 2 is introduced into the rotary tube. In this case, the CaCl 2 can either be initially charged in the reaction zone or moved into it by rotation of the rotary tube. Calcium is reduced by the cathode protruding into the reaction zone, at least part of the rotary tube wall serving as an anode or being provided with such an anode. Thereafter, the power supply is interrupted and the at least one metal oxide from the storage zone is also transferred to the reaction zone to form the at least one desired metal.
[0045] Sowohl die Lagerzone als auch das Mittel zum Verlagern von Material daraus in die Reaktionszone können beliebig ausgeführt sein. In bevorzugten Ausführungsformen ist die Lagerzone eine röhrenförmige Verlängerung des Drehrohrs, die entweder symmetrisch um die Rotationsachse des Drehrohrs oder schräg zur Rotationsachse des Drehrohrs verlaufen kann, oder eine oberhalb der Reaktionszone innerhalb des Drehrohrs angeordnete Plattform. Alternativ dazu kommen auch verschiedene andere Einbauten im Drehrohrofen als Lagerzonen in Frage, wie z.B. Kammern, Körbe, Teller, Schalen, entfernbare oder auch zerstörbare Zwischenwände usw., solange eine räumliche Trennung von der Reaktionszone bis zum Abschluss der Calciumelektrolyse gewährleistet ist.Both the storage zone and the means for displacing material therefrom into the reaction zone can be designed as desired. In preferred embodiments, the bearing zone is a tubular extension of the rotary tube, which may either be symmetrical about the axis of rotation of the rotary tube or oblique to the axis of rotation of the rotary tube, or a platform located above the reaction zone within the rotary tube. Alternatively, various other installations in the rotary kiln come as storage zones in question, such as. Chambers, baskets, plates, trays, removable or destructible partitions, etc., as long as a spatial separation from the reaction zone to the completion of the calcium electrolysis is ensured.
[0046] Das zumindest eine Mittel zum Verlagern von in der Lagerzone enthaltenem Material in die Reaktionszone, das nachstehend kurz als Verlagerungsmittel bezeichnet wird, ist ebenfalls nicht speziell eingeschränkt und kann beispielsweise ein einzelner Bauteil oder eine einzige Maßnahme, wie z.B. In-Bewegung-Setzen des Drehrohrs oder von Teilen davon, oder auch eine Kombination mehrerer Bauteile und/oder Maßnahmen sein. Die Art des Verlagerungsmittels hängt dabei unter anderem auch von der Art und Bauweise der Lagerzone ab.The at least one means for displacing material contained in the storage zone into the reaction zone, hereinafter referred to as displacement means, is also not particularly limited and may be, for example, a single component or a single measure, e.g. In-motion setting of the rotary tube or parts thereof, or even a combination of several components and / or measures. Among other things, the nature of the means of displacement depends on the type and construction of the storage zone.
[0047] Im oben beschriebenen bevorzugten Fall einer Plattform als Lagerzone kann das Verla- 5/16 österreichisches Patentamt AT509 526 B1 2012-01-15 gerungsmittel beispielsweise ein Antrieb zum Rotieren der Plattform, unabhängig vom Drehrohr, um eine vertikale Achse sein, wodurch das auf der Plattform getragene Material aufgrund der Fliehkraft von der Plattform entfernt wird und in die darunter liegende Reaktionszone fällt. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Plattform einen Schwenk- oder Kippmechanismus zum Verschwenken oder Kippen der Plattform um eine horizontale Achse aufweisen, wodurch erneut das auf der Plattform gelagerte Material in die Reaktionszone fällt. Bei Vorsehen beider Merkmale, als Rotationsantrieb und Schwenk- oder Kippmechanismus bilden somit beide jeweils ein Verlagerungsmittel.In the preferred case of a platform as a storage zone described above, for example, the drive may be a drive for rotating the platform, independent of the rotary tube, about a vertical axis, thereby reducing the load on the platform due to centrifugal force, material carried on the platform is removed from the platform and falls into the underlying reaction zone. Additionally or alternatively, the platform may include a pivoting or tilting mechanism for pivoting or tilting the platform about a horizontal axis, thereby again dropping the material stored on the platform into the reaction zone. When providing both features, as a rotary drive and pan or tilt mechanism thus both form a respective displacement means.
[0048] Im anderen oben beschriebenen bevorzugten Fall der röhrenförmigen Verlängerung des Drehrohrs als Lagerzone hängt die Art des Verlagerungsmittels von der axialen Stellung dieser Verlängerung ab. Verläuft sie symmetrisch um die Rotationsachse, so kann der Drehrohrofen, vorzugsweise an einem seiner Enden, eine Schwenkeinrichtung zum Verschwenken des Drehrohrofens um eine horizontale Achse aufweisen. Bei ausreichender Neigung des Drehrohrs rutscht das darin gelagerte Material, das üblicherweise das zumindest eine Metalloxid ist, aus der Verlängerung in die Reaktionszone. Steht hingegen die röhrenförmigen Verlängerung schräg zur Rotationsachse des Drehrohrs, reicht es - bei ausreichend schrägem Winkel, z.B. von 30° oder mehr oder von etwa 45°, aus, den Drehrohrofen durch den Motor um 180° um seine Längsachse zu drehen, wodurch das Material wiederum aus der Lagerzone in die Reaktionszone fällt. In ersterem Fall stellt somit die Schwenkeinrichtung und in zweiterem Fall der Motor des Drehrohrofens das Verlagerungsmittel dar.In the other preferred case of the tubular extension of the rotary tube described above as the bearing zone, the nature of the displacement means depends on the axial position of this extension. If it runs symmetrically about the axis of rotation, then the rotary kiln, preferably at one of its ends, can have a pivoting device for pivoting the rotary kiln about a horizontal axis. With sufficient inclination of the rotary tube, the material stored therein, which is usually the at least one metal oxide, slips out of the extension into the reaction zone. If, however, the tubular extension is inclined to the axis of rotation of the rotary tube, it is sufficient - at a sufficiently oblique angle, e.g. of 30 ° or more, or about 45 °, to rotate the rotary kiln by the motor 180 ° about its longitudinal axis, whereby the material in turn falls from the storage zone into the reaction zone. In the former case thus represents the pivoting means and in the second case, the engine of the rotary kiln, the displacement means.
[0049] Zusätzlich zu den eben beschriebenen Ausführungsformen, aber auch alternativ dazu, kann das zumindest eine Verlagerungsmittel auch ein Schieber, Wischer, Kolben oder ähnlicher Bauteil sein und das Material durch Betätigung dieses Schiebers oder dergleichen aus der Lagerzone entfernt werden. Beispielsweise kann ein Schieber oder Kolben am Ende einer als Lagerzone dienenden rotationssymmetrischen röhrenförmigen Verlängerung vorgesehen sein, z.B. ein den Querschnitt der Lagerzone im Wesentlichen abdeckender Kolben, der entweder die oben beschriebene Schwenkeinrichtung als Verlagerungsmittel ersetzt, oder aber deren Wirkung als weiteres Verlagerungsmittel verstärkt.In addition to the embodiments just described, but also alternatively, the at least one displacement means may also be a slider, wiper, piston or similar component and the material removed from the bearing zone by operation of this slider or the like. For example, a slider or piston may be provided at the end of a rotationally symmetric tubular extension serving as a bearing zone, e.g. a piston substantially covering the cross-section of the bearing zone, which either replaces the above-described pivoting device as a displacement means, or else amplifies its action as a further displacement means.
[0050] Erfindungsgemäß bevorzugt ist auch das Vorsehen eines Überdruckventils am Drehrohrofen, um während der Hydrolyse gebildetes Chlorgas aus dem Drehrohr ablassen zu können. Etwaige weitere Bauteile im oder am Drehrohrofen sind natürlich ebenfalls möglich, z.B. eine im Drehrohr oder außerhalb davon liegende weitere Reaktionszone zur Herstellung von frischem CaCI2 aus dem gebildeten Chlorgas und Calcium, das darin z.B. als CaO, Ca(OH)2 oder CaC03 vorliegt, oder auch von HCl, die zur Entfernung von bei der Reaktion gebildetem CaO eingesetzt werden kann. Eine solche Reaktion zur Gewinnung von HCl kann gegebenenfalls in einer H2/CI2-Brennstoffzelle erfolgen, mittels derer neben der Bildung von Salzsäure auch gleichzeitig Strom erzeugt wird, der für den Antrieb und/oder zur Beheizung des Drehrohrreaktors nutzbar ist.Also preferred according to the invention is the provision of a pressure relief valve on the rotary kiln in order to be able to discharge chlorine gas formed during the hydrolysis from the rotary kiln. Any other components in or on the rotary kiln are of course also possible, e.g. a further reaction zone in or outside of the rotary tube for producing fresh CaCl 2 from the formed chlorine gas and calcium therein e.g. is present as CaO, Ca (OH) 2 or CaCO 3, or also HCl, which can be used to remove CaO formed in the reaction. Such a reaction for the recovery of HCl can optionally take place in a H2 / CI2 fuel cell, by means of which, in addition to the formation of hydrochloric acid, electricity is simultaneously generated which can be used for driving and / or heating the rotary tube reactor.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
[0051] Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Vor richtung der Erfindung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.Fig. 1 is a schematic representation of a preferred embodiment of the device according to the invention for carrying out the method according to the invention.
[0052] Fig. 2 zeigt dieselbe Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus Fig. 1 in nach oben verschwenkter Position.Fig. 2 shows the same embodiment of the device according to the invention of Fig. 1 in the upwardly pivoted position.
[0053] Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Vorrichtung.Fig. 3 is a schematic representation of another embodiment of the inventions to the invention device.
[0054] Fig. 4 zeigt dieselbe Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus Fig. 3 in um 180° um die Längsachse gedrehter Position.Fig. 4 shows the same embodiment of the device according to the invention from Fig. 3 in 180 ° rotated about the longitudinal axis position.
[0055] Fig. 5 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Vorrichtung. 6/16 österreichisches Patentamt AT509 526B1 2012-01-15Fig. 5 is a schematic representation of another embodiment of the inventions to the invention apparatus. 6/16 Austrian Patent Office AT509 526B1 2012-01-15
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[0056] Nachstehend werden das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung desselben unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen näher beschrieben.Hereinafter, the inventive method and apparatus for carrying it out with reference to the embodiments shown in the drawings will be described in more detail.
[0057] In einem ersten Schritt des Verfahrens der Erfindung wird in einem Ofen unter Luftabschluss eine definierte Menge CaCI2 der Elektrolyse unterworfen. Durch Messung des Elektrolysestroms, nach dem vorab der Wirkungsgrad der Calciumproduktion bestimmt wurde, kann hier eine definierte Konzentration von metallischem Calcium in der Schmelze erzeugt werden. Durch Erhitzen über die Schmelztemperatur von Calcium geht dieses in der CaCI2-Schmelze vollständig in Lösung. Die Elektrolyse wird nun unterbrochen, und eine stöchiometrische Menge an Ti02 wird in die Schmelze eingebracht. Das pulverförmig eingebrachte Metalloxid wird durch das in der Schmelze gelöste Calcium reduziert. Dass nur das in der Schmelze gelöste Calcium als Reduktionsmittel wirkt und nicht etwa der Elektrolysestrom, wird beispielsweise durch die Untersuchungen von M. Baba et. al bekräftigt. So beschreiben M. Baba, Y. Ono und R.O. Suzuki, Journal of Physics and Chemistry of Solids 66, 466-470 (2005), die erfolgreiche calcio-thermische Reduktion von Tantal- und Nioboxiden in CaCI2-Schmelzen. Eine Schwierigkeit bei der beschriebenen Prozessführung ist die Zugabe und das homogene Einmischen des zu reduzierenden Metalloxids in die Schmelze bei vollkommenem Luftausschluss. Ebenso muss das zuzugebende Metalloxid auf ein gewisses Temperaturniveau gebracht werden, bevor es in die Schmelze eingebracht wird.In a first step of the process of the invention, a defined amount of CaCl 2 is subjected to electrolysis in an oven under exclusion of air. By measuring the electrolysis current, after the efficiency of the calcium production was determined in advance, a defined concentration of metallic calcium in the melt can be generated here. By heating above the melting temperature of calcium, it completely dissolves in the CaCl 2 melt. The electrolysis is now interrupted and a stoichiometric amount of TiO 2 is introduced into the melt. The powdered metal oxide is reduced by the dissolved calcium in the melt. That only the calcium dissolved in the melt acts as a reducing agent and not the electrolysis current, for example, by the studies of M. Baba et. al reaffirmed. Thus, M. Baba, Y. Ono and R.O. Suzuki, Journal of Physics and Chemistry of Solids 66, 466-470 (2005), the successful calcio-thermal reduction of tantalum and niobium oxides in CaCl 2 melts. A difficulty in the process described is the addition and the homogeneous mixing of the metal oxide to be reduced in the melt with complete exclusion of air. Likewise, the metal oxide to be added must be brought to a certain temperature level before it is introduced into the melt.
[0058] Diese Schwierigkeiten werden durch das erfindungsgemäße Verfahren gelöst, indem die Elektrolyse in einem speziellen Reaktor unter Luftausschluss durchgeführt wird. In den Fig. 1 bis 5 sind verschiedene Ausführungsformen eines solchen Drehrohrreaktors als so genannter "Drehrohrelektrolyseur" dargestellt, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient.These difficulties are solved by the inventive method by the electrolysis is carried out in a special reactor with exclusion of air. In Figs. 1-5, various embodiments of such a rotary tube reactor are referred to as so-called " rotary tube electrolyzer " represented, which serves to carry out the method according to the invention.
[0059] Die Fig. 1 und 2 zeigen dieselbe Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der ein beheizbares Drehrohr 1 über eine Kreuzgelenklagerung 9 und einen Wellenzapfen um zwei Achsen, nämlich eine horizontale und eine vertikale Achse, drehbar gelagert ist. Als Drehrohrantrieb dient ein Motor 2, vorzugsweise ein Elektromotor, der während der Elektrolyse ausgeschaltet ist. Im Drehrohr 1 wird Calciumchlorid 6 in einem zunächst als Reaktionszone dienenden Bereich vorgelegt. Das Drehrohr 1 ist so ausgeführt, dass es zumindest in diesem Bereich als Anode 4 dient, was entweder durch Nutzung von elektrisch leitenden Komponenten des Reaktorwandmaterials, wofür z.B. diverse (Spezial-)Stähle zum Einsatz kommen können, oder durch eine Beschichtung der Wand mit leitendem Material, wie z.B. Elektrokohle, erfolgen kann. Durch die Ausführung des Drehrohrs als sich zu den Enden hin konisch zulaufender Zylinder wird ermöglicht, nur die Innenwand bis zum Beginn der Verjüngung oder auch nur Teilbereiche davon als Anode zu nutzen, indem nur ausgewählte Bereiche z.B. mit Elektrokohle ausgekleidet werden. Als Reaktionszone dient somit zunächst der gegenüber den verjüngten Abschnitten abgesenkte Bereich des Drehrohrs 1.Figs. 1 and 2 show the same embodiment of the device according to the invention, in which a heated rotary tube 1 via a universal joint bearing 9 and a shaft journal about two axes, namely a horizontal and a vertical axis, is rotatably mounted. As a rotary tube drive is a motor 2, preferably an electric motor, which is turned off during the electrolysis. In the rotary tube 1, calcium chloride 6 is initially introduced in a region initially serving as a reaction zone. The rotary tube 1 is designed so that it serves as the anode 4 at least in this area, which is achieved either by using electrically conductive components of the reactor wall material, for which e.g. various (special) steels can be used, or by a coating of the wall with conductive material, such. Electric charcoal, can be done. By the execution of the rotary tube as tapering towards the ends of the cylinder is allowed to use only the inner wall until the beginning of the taper or even portions thereof as the anode by only selected areas, for example. be lined with electric charcoal. The reaction zone thus initially serves the area of the rotary tube 1 which is lowered in relation to the tapered sections.
[0060] Durch die Drehrohrwand hindurch ragt eine Elektrode 5 galvanisch getrennt vom Ano-deninnenraum in das Calciumchlorid 6, die als Kathode dient. In einer röhrenförmigen Verlängerung als Lagerzone 3, die formschlüssig und mechanisch lösbar mit dem Drehrohr 1 verbunden ist, wird das zu reduzierende Metalloxid 7 vorgelegt. Als mechanische Verbindung zwischen dem Hauptkörper des Drehrohrs 1 und der röhrenförmigen Verlängerung 3 dient hier eine Flanschverbindung 10, die in Fig. 2 gezeigt wird. Als Auflage am anderen Ende des Drehrohrs dient zu Beginn des Prozesses und während der Elektrolyse ein einfaches Auflager 8. Zu Beginn des Verfahrens kann über eine geeignete Widerstandsschaltung zwischen Kathode und Anode der Elektrolyt, d.i. das CaCI2 6, auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur, d.h. über 772 °C, erhitzt werden. Ebenso kann das gesamte Drehrohr 1 oder die erste Reaktionszone von außen, z.B. über Brenner erhitzt werden. Anschließend wird durch Anlegen von Gleichstrom solange elektrolysiert, bis genügend metallisches Calcium gebildet ist, wonach die Elektrolyse beendet wird. Das bei der Elektrolyse anodisch gebildete Chlorgas wird über geeig- 7/16 österreichisches Patentamt AT509 526B1 2012-01-15 nete Auslassöffnungen aus dem Reaktor geleitet oder innerhalb des Drehrohrs in einem (nicht dargestellten) Auffangbehälter aufgefangen und kann für die Bildung neuen Calciumchlorids, z.B. aus CaC03, eingesetzt werden. Sobald die Elektrolyse abgeschlossen ist, wird das Drehrohr 1 erneut erhitzt, um das gebildete Calcium zu schmelzen und in CaCI2 in Lösung zu bringen. Da der Reaktor anschließend geschwenkt wird, sollte vorzugsweise das gesamte Drehrohr 1 erhitzt werden, um das Calcium während der anschließenden Redoxreaktion mit dem Metalloxid in Lösung zu halten.Through the rotary tube wall, an electrode 5 protrudes galvanically separated from the Ano-deninnenraum in the calcium chloride 6, which serves as a cathode. In a tubular extension as a storage zone 3, which is positively and mechanically releasably connected to the rotary tube 1, the metal oxide to be reduced 7 is presented. As a mechanical connection between the main body of the rotary tube 1 and the tubular extension 3 is here a flange 10, which is shown in Fig. 2. As a support at the other end of the rotary tube is used at the beginning of the process and during the electrolysis a simple support 8. At the beginning of the process, via a suitable resistance circuit between the cathode and anode of the electrolyte, d.i. the CaCl 2 6, to a temperature above the melting temperature, i. above 772 ° C, to be heated. Similarly, the entire rotary tube 1 or the first reaction zone may be externally, e.g. be heated over burner. Subsequently, electrolysis is carried out by applying direct current until sufficient metallic calcium is formed, after which the electrolysis is terminated. The chlorine gas formed anodically in the electrolysis is passed out of the reactor via suitable outlet openings or collected within the rotary tube in a collecting vessel (not shown) and can be used for the formation of new calcium chloride, e. G. from CaCO3. Once the electrolysis is complete, the rotary tube 1 is reheated to melt the calcium formed and bring it into solution in CaCl 2. As the reactor is subsequently pivoted, preferably the entire rotary tube 1 should be heated to keep the calcium in solution during the subsequent redox reaction with the metal oxide.
[0061] Bei exothermen Reduktionsreaktionen, wie z.B. der Reduktion von Si02 mit metallischem Calcium bei etwa 900 °C, können bzw. müssen gewisse nicht beheizte Bereiche des Reaktors auch gekühlt werden. Die Notwendigkeit, das Ausmaß und die Position von Heizung und gegebenenfalls Kühlung kann für das jeweilige Reaktionssystem vom Fachmann ohne übermäßiges Experimentieren empirisch bestimmt werden, wobei unter anderem auch die zugesetzte Menge an Metalloxid zur Steuerung der Reaktionsabläufe dienen kann.In exothermic reduction reactions, such as e.g. the reduction of SiO 2 with metallic calcium at about 900 ° C, certain non-heated areas of the reactor can or must also be cooled. The necessity, the extent and the position of heating and possibly cooling can be determined empirically for the respective reaction system by the person skilled in the art without undue experimentation, wherein inter alia the added amount of metal oxide can also serve to control the reaction processes.
[0062] Fig. 2 zeigt dieselbe Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach dem anschließenden Verschwenken um die horizontale Achse. In der Figur ist ein Neigungswinkel von etwa 30° dargestellt, es kommt aber jeder beliebige Winkel in Frage, bei dem gewährleistet ist, dass im Wesentlichen das gesamte Metalloxid 7 aus der Verlängerung 3 in die Reaktionszone des Drehrohrs rutscht, was - in Abhängigkeit von der Beschaffenheit der Wand der Verlängerung, die z.B. mit einer Gleitbeschichtung versehen sein kann - etwa ab dem dargestellten Winkel von ca. 30° der Fall sein sollte. Bevorzugt sind Winkel von etwa 30° bis etwa 60°, insbesondere ein Winkel von etwa 45°. Das Drehrohr 1 kann aber auch um 90° verschwenkt und so in eine senkrechte Position gebracht werden, so dass das CaCI2 6 in den (in den Fig. 1 und 2: linken) konisch verjüngten Bereich des Drehrohrs rutscht oder fällt, in den sich somit auch die Reaktionszone, in der die Reduktion des Metalloxids durch das zuvor gebildete Calcium erfolgt, verlagern würde und der somit auch beheizbar ausgeführt sein sollte.Fig. 2 shows the same embodiment of the device according to the invention after the subsequent pivoting about the horizontal axis. In the figure, an inclination angle of about 30 ° is shown, but it is any angle in which it is ensured that substantially all the metal oxide 7 from the extension 3 slips into the reaction zone of the rotary tube, which - depending on the Texture of the wall of the extension which eg may be provided with a sliding coating - about the angle of about 30 ° should be the case. Preferably, angles of about 30 ° to about 60 °, in particular an angle of about 45 °. However, the rotary tube 1 can also be pivoted by 90 ° and thus brought into a vertical position, so that the CaCI2 6 slips or falls into the (in Figs. 1 and 2: left) conically tapered region of the rotary tube, in the thus Also, the reaction zone, in which the reduction of the metal oxide is carried out by the previously formed calcium, would relocate and thus should also be made heatable.
[0063] Die Gegenlagerung des Drehrohrs 1 kann beispielsweise über eine Kran- oder Deckenkonstruktion erfolgen. Bei der Schrägstellung rutscht das vorgelegte Oxid 7 in die Schmelze. Zur optimalen Durchmischung der Schmelze mit dem Oxid wird nun der elektrische Motor angeworfen, um das Drehrohr 1 in Rotation zu versetzen und so eine optimale Durchmischung zu gewährleisten. Zusätzlich kann die Kathode 5 so ausgeführt sein, dass sie als Rührer in Form eines statischen Mischers betrieben werden kann. Das vorgelegte Metalloxid wird nun zum Metall reduziert, während Calcium wiederum oxidiert wird und mit dem vorhandenen Sauerstoff CaO bildet.The counter bearing of the rotary tube 1 can be done for example via a crane or ceiling construction. When tilted, the submitted oxide 7 slips into the melt. For optimal mixing of the melt with the oxide of the electric motor is now started to enable the rotary tube 1 in rotation and thus to ensure optimum mixing. In addition, the cathode 5 may be designed so that it can be operated as a stirrer in the form of a static mixer. The introduced metal oxide is now reduced to the metal, while calcium is again oxidized and forms CaO with the oxygen present.
[0064] Aus der erkalteten Schmelze kann das gewonnene Metall durch Abtrennung von überschüssigem CaCI2 durch Auslaugung mit Wasser gewonnen werden. Ein weiterer Reinigungsschritt erfolgt durch die Abtrennung des bei der Reaktion entstandenen CaO, beispielsweise durch Auflösung mit geeigneten Säuren.From the cooled melt, the recovered metal can be recovered by removal of excess CaCl 2 by leaching with water. A further purification step is carried out by separating the CaO formed in the reaction, for example by dissolution with suitable acids.
[0065] Die Fig. 3 und 4 zeigen eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der ein ähnlicher Drehrohrreaktor 1, wie er in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, nur um seine Längsachse drehbar gelagert ist, d.h. die Schwenkeinrichtung der obigen Ausführungsform fehlt. In Ergänzung zu den Beschriftungen der Fig. 1 und 2 ist in Fig. 3 beidseitig des Drehrohrs 1 der jeweilige Wellenzapfen mit 11 bzw. 12 bezeichnet. Die Schwenkeinrichtung kann entfallen, da in der hier dargestellten Ausführungsform die als Lagerzone 3 dienende röhrenförmige Verlängerung des Drehrohrs 1, in der das zumindest eine Metalloxid 7 vorgelegt ist, nicht rotationssymmetrisch um dessen Längsachse verläuft, sondern zu Letzterer schräg (in Fig. 3: nach unten weisend) steht. In den Fig. 3 und 4 ist für diese Schrägstellung wiederum ein beispielhafter Winkel von 30° eingezeichnet, der jedoch erneut - in Abhängigkeit von der Wandbeschaffenheit - beliebig wählbar ist, solange gewährleistet ist, dass darin enthaltenes Material bei der anschließenden 180°-Drehung, wie in Fig. 4 dargestellt, im Wesentlichen vollständig in die Reaktionszone des Drehrohrs rutscht. Aufgrund der seitlichen Versetzung zum CaCI2 6 in der Reaktionszone ist in diesem Fall ein Winkel von 90° freilich nicht zu bevorzugen. Vielmehr ist wiederum ein Winkel von etwa 30° bis etwa 60°, insbesondere von etwa 45°, bevorzugt. 8/16 österreichisches Patentamt AT509 526B1 2012-01-15 [0066] In Fig. 4 ist die Ausführungsform aus Fig. 3 nach Drehung des Reaktors 1 um 180° mittels des Motors 2 dargestellt, wodurch das zu reduzierende Oxid 7 aus der Lagerzone 3 in die CaCI2-Schmelze rutscht. Die Reaktionszone zur Durchführung der beiden Reaktionen, d.h. zunächst Reduktion des Calciums aus dem CaCI2 und anschließende Reduktion des zumindest einen gewünschten Metalls durch das Calcium, verlagert sich auch in dieser Ausführungsform, hier allerdings von einem gegenüber den konischen Verjüngungen abgesenkten Bereich des Reaktorinnenraums zum anderen, der nach der Drehung des Drehrohrs 1 um 180° die Position des ersteren einnimmt.Figs. 3 and 4 show an alternative embodiment of the device according to the invention, in which a similar rotary tube reactor 1, as shown in Figs. 1 and 2, is rotatably mounted only about its longitudinal axis, i. the pivoting device of the above embodiment is missing. In addition to the inscriptions of FIGS. 1 and 2, the respective shaft journal is denoted by 11 or 12 in FIG. 3 on both sides of the rotary tube 1. The pivoting device can be dispensed with, since in the embodiment shown here serving as a storage zone 3 tubular extension of the rotary tube 1, in which the at least one metal oxide 7 is presented, not rotationally symmetrical about its longitudinal axis, but to the latter obliquely (in Fig. 3: after below). 3 and 4, an exemplary angle of 30 ° is again drawn for this inclination, which, however, again - depending on the wall condition - is arbitrary selectable, as long as it is ensured that contained material in the subsequent 180 ° rotation, as shown in Fig. 4, substantially completely slips into the reaction zone of the rotary tube. Due to the lateral displacement to CaCI2 6 in the reaction zone in this case, an angle of 90 ° is of course not preferable. Rather, again, an angle of about 30 ° to about 60 °, in particular of about 45 °, is preferred. In FIG. 4, the embodiment of FIG. 3 is shown by rotation of the reactor 1 through 180 ° by means of the motor 2, whereby the oxide 7 to be reduced from the storage zone 3 slips into the CaCl 2 melt. The reaction zone for carrying out the two reactions, i. First, reduction of the calcium from the CaCl 2 and subsequent reduction of the at least one desired metal by the calcium, shifts in this embodiment, but here of a relative to the tapered constrictions lowered area of the reactor interior to the other, after rotation of the rotary tube 1 by 180 ° takes the position of the former.
[0067] Nach Beendigung der Reduktion des zumindest einen gewünschten Metalls im Metalloxid 7 durch das zuvor elektrolytisch reduzierte Calcium kann erneut die Flanschverbindung gelöst und das Produktgemisch aus dem Reaktor entnommen werden.After completion of the reduction of the at least one desired metal in the metal oxide 7 by the previously electrolytically reduced calcium, the flange connection can be dissolved again and the product mixture can be removed from the reactor.
[0068] Fig. 5 zeigt schließlich eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, in der bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Drehrohrreaktor in aufrechter Position, d.h. mit vertikaler Rotationsachse, betrieben wird. Der Reaktor ist wiederum ähnlich aufgebaut wie die zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Allerdings wird in diesem Fall das Calciumchlorid 6 zur Gänze in einem (in Fig. 5: nach unten hin) verjüngten Abschnitt des an beiden Enden verjüngten Drehrohrs vorgelegt, weswegen auch die Wand dieses Abschnitts als Anode 4 zur Elektrolyse des Calciums während der ersten Redoxreaktion dient. Als logische Folge verläuft die Kathode 5 axial, von oben nach unten, innerhalb eines (nicht dargestellten) Wellenzapfens bis in die Reaktionszone, die sich in dieser Ausführungsform nicht verlagert. Als Lagerzone 3 dient nämlich in diesem Fall eine im Inneren des Reaktors positionierte Plattform, auf der das Metalloxid 3 vorgelegt ist und die mittels einer Welle 13 (innerhalb derer der nicht dargestellte Wellenzapfen verläuft) und eines (nicht dargestellten) Motors in Rotation versetzbar ist.Finally, Fig. 5 shows an embodiment of the device according to the invention in which, in carrying out the method according to the invention, a rotary tube reactor in an upright position, i. with vertical axis of rotation, is operated. The reactor is in turn similar in construction to the previously described embodiments. However, in this case, the calcium chloride 6 is completely introduced into a (tapered in Fig. 5: down) portion of the tapered at both ends rotary tube, which is why the wall of this section serves as an anode 4 for the electrolysis of calcium during the first redox reaction , As a logical consequence, the cathode 5 extends axially, from top to bottom, within a shaft journal (not shown) to the reaction zone, which does not shift in this embodiment. As a storage zone 3 is in this case a platform positioned inside the reactor on which the metal oxide 3 is presented and by means of a shaft 13 (within which the shaft journal, not shown) and a motor (not shown) is set in rotation.
[0069] Die Verfahrensführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt im Wesentlichen analog zu den zuvor beschriebenen Fällen. Das heißt, das CaCI2 6 wird durch Erhitzen des (unteren) konisch verjüngten Abschnitts geschmolzen, wonach die Elektrolyse durchgeführt wird, um metallisches Calcium zu erzeugen. Anschließend wird erneut erhitzt, um das Calcium zu schmelzen und im CaCI2 in Lösung zu bringen, wonach die Plattform 3 in Rotation versetzt wird, um aufgrund der Fliehkraftwirkung das Metalloxid 7 seitlich von der Plattform 3 zu drängen, so dass es in die darunter befindliche Schmelze fällt.The process of the method according to the invention is carried out substantially analogously to the cases described above. That is, the CaCl 2 6 is melted by heating the (lower) conically tapered portion, after which the electrolysis is carried out to produce metallic calcium. It is then reheated to melt the calcium and dissolve it in the CaCl 2, after which the platform 3 is rotated to force the metal oxide 7 laterally from the platform 3 due to the centrifugal force, so that it penetrates into the underlying melt falls.
[0070] Geeignete Werte für die Rotationsgeschwindigkeit können leicht empirisch bestimmt werden und hängen - ähnlich wie zuvor zum Neigungswinkel ausgeführt wurde - unter anderem von der Oberflächenbeschaffenheit der Plattform, die ebenfalls mit einer Gleitbeschichtung versehen oder auch zum Rand hin abfallend ausgeführt sein kann, sowie von den Eigenschaften des Metalloxids (z.B. der Korngröße) ab. So kann ein Wert von etwa 75 U/min bereits ausreichen, um im Wesentlichen das gesamte Metalloxid 7 durch die Fliehkraft von der Plattform 3 und in die Schmelze zu befördern. Bevorzugt sind Werte > 500, noch bevorzugter > 1.000, U/min. Da die Rotationsgeschwindigkeit des Drehrohrs selbst im Normalfall bei weitem nicht ausreicht, um ausreichende Fliehkräfte auf der Plattform 3 zu erzeugen, kann in der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform das Drehrohr während des gesamten Verfahrens rotiert werden. Natürlich kann aber die Welle 13 bis zur beabsichtigten Zugabe des Metalloxids 7 zur Schmelze auch statisch gehalten und erst zu diesem Zweck rotiert werden.Suitable values for the rotational speed can easily be determined empirically and depend - as was previously carried out for the angle of inclination - among other things, the surface texture of the platform, which may also be provided with a sliding coating or sloping down to the edge, and of the properties of the metal oxide (eg the grain size) from. Thus, a value of about 75 rpm may already be sufficient to convey substantially all of the metal oxide 7 by the centrifugal force from the platform 3 and into the melt. Preferably, values > 500, more preferably > 1,000, rev / min. Since the rotational speed of the rotary tube itself is by far far from sufficient to generate sufficient centrifugal forces on the platform 3, in the embodiment shown in Fig. 5, the rotary tube can be rotated during the entire process. Of course, however, the shaft 13 can also be kept static until the intended addition of the metal oxide 7 to the melt and rotated for this purpose.
[0071] Zusätzlich - oder auch alternativ - zum Rotieren der Plattform 3 kann diese jedoch auch mit einem von außerhalb des Reaktors auslösbaren Schwenk- oder Kippmechanismus versehen sein, der bewirkt, dass das Metalloxid 7 von der Plattform 7 in die Schmelze rutscht oder fällt.In addition, or alternatively, to rotate the platform 3, however, it may also be provided with a pan or tilt mechanism which can be triggered from outside the reactor, which causes the metal oxide 7 to slip or fall from the platform 7 into the melt.
[0072] Die Erfindung wird nachstehend anhand eines nichteinschränkenden konkreten Ausführungsbeispiels noch detaillierter beschrieben.The invention will be described in more detail below with reference to a non-limiting specific embodiment.
BEISPIELEXAMPLE
[0073] In einem Reaktor 1 wie in Fig. 1 dargestellt werden 50 kg wasserfreies CaCI2 6 vorgelegt und mittels Gasbrennern von außen auf ca. 785 °C erhitzt. Anschließend wird zwischen Katho- 9/16In a reactor 1 as shown in Fig. 1, 50 kg of anhydrous CaCl 2 6 are presented and heated by means of gas burners from the outside to about 785 ° C. Then, between 9/16
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