DE1066360B - - Google Patents
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Description
DEUTSCHESGERMAN
PATENTAMTPATENT OFFICE
H 24721 VI/40aH 24721 VI / 40a
BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UND AUSGABE DER AUSLEGE SCHRIFT:NOTICE THE REGISTRATION AND ISSUE OF THE INTERPRETATION LETTER:
l.lOKTOBER 1959l. l OCTOBER 1959
Vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Reinigung von Titan, Zirkonium und ihren Legierungen. Sie befaßt sich insbesondere mit der Entfernung von Sauerstoff und/oder Stickstoff, die im Grundmetall gelöst sind. Das Metall kann noch andere Verunreinigungen enthalten, z. B. Kohlenstoff, der in einer abschließenden Reinigungsbehandlung entfernt wird. Die zunehmende Bedeutung des Titans und Zirkons läßt die Aufarbeitung des gewöhnlich mit Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff verunreinigten Schrotts, iö wie er bei der Verarbeitung dieser Metalle anfällt, immer wichtiger werden.The present invention relates to the purification of titanium, zirconium and their alloys. It is particularly concerned with the removal of oxygen and / or nitrogen dissolved in the base metal. The metal may contain other impurities, e.g. B. Carbon, which is removed in a final cleaning treatment. The increasing importance of titanium and zirconium means that the processing of scrap, which is usually contaminated with oxygen, nitrogen and carbon, such as is obtained from the processing of these metals, is becoming more and more important.
Die zu reinigenden Metalle fallen bei den verschiedenen Herstellungsverfahren und Verarbeitungsgängen an. Bei der Herstellung des Metalls aus Tetrachlorid durch Reduktion mit Magnesium und der üblichen Weiterbehandlung durch Auswaschen und Schmelzen wird das Metall unabsichtlich verunreinigt. Weiterhin liegen große Mengen verunreinigten Metalls als Schrott vor, wie er bei der normalen Weiterverarbeitung der Rohmetalle anfällt. Beispielsweise wird die Warmverformung durch Schmieden und Walzen unter solchen Bedingungen durchgeführt, bei denen Titan und Zirkonium stark Sauerstoff aufnehmen. Auch wenn das Metall unter Verwendung von öl oder Seifenlösungen maschinell bearbeitet wird, fällt verunreinigter Schrott an. Bei der maschinellen Bearbeitung werden gewöhnlich Temperaturen erreicht, bei denen das Metall mit irgendwelchen Bestandteilen der Luft, des Öles oder sonstiger bei der maschinellen Bearbeitung angewandter Stoffe reagieren kann.The metals to be cleaned fall in the various manufacturing processes and processing steps at. In the manufacture of the metal from tetrachloride by reduction with magnesium and the usual Further treatment by washing and melting the metal is unintentionally contaminated. Farther there are large amounts of contaminated metal in the form of scrap, as is the case with normal further processing the raw metals accumulate. For example, the hot working is done by forging and rolling carried out under such conditions that titanium and zirconium absorb a lot of oxygen. Even if the metal is machined using oil or soapy water, it will fall more contaminated Scrap on. In machining, temperatures are usually reached at which the metal with any constituents of the air, the oil or other in the machine Processing of applied substances can react.
Es ist bekannt, daß schon kleinste Verunreinigungen durch Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff die Härte des Titans und Zirkoniums stark erhöhen. Von diesen drei Elementen sind Sauerstoff und Stickstoff als Verunreinigungen die unangenehmeren; ihr Anteil sollte zusammen 0,2% nicht übersteigen. Liegt ihr Anteil unter einigen hundertstel Prozent, so kann der Kohlenstoffgehalt bis zu 0,3% betragen, ohne daß das Metall zu spröde wird.It is known that even the smallest contamination by carbon, oxygen and nitrogen Significantly increase the hardness of titanium and zirconium. Of these three elements are oxygen and nitrogen as impurities the more unpleasant ones; their share should not together exceed 0.2%. You lie If the proportion is less than a few hundredths of a percent, the carbon content can be up to 0.3% without that Metal becomes too brittle.
Da die Härte mit dem Gehalt an Verunreinigungen stark ansteigt, wird sie zur Beurteilung der Qualität des Titans und des Zirkoniums herangezogen. Übersteigt die Brinellhärte 180 kg/mm2, so ist die Kaltverformung des Materials durch Walzen, Hämmern usw. mit -normalen-Mitteln -nicht mehr . ohne weiteres-, möglich. Bei einer Brinellhärte über 200 kg/mm2 muß das Metall warm verformt werden. Bei Titan- und Zirkoniumlegierungen kommt der Härte sogar eine noch größere Bedeutung zu, da die meisten Legierungselemente die Härte noch erhöhen. Der Härteanstieg durch Verunreinigungen an Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff erhöht die Verformungsarbeit; bei großen Gehalten an Verunreinigungen treten un-Verfahren zur Reinigung von Titan und Zirkonium Since the hardness increases sharply with the content of impurities, it is used to assess the quality of titanium and zirconium. If the Brinell hardness exceeds 180 kg / mm 2 , the cold deformation of the material by rolling, hammering, etc. with normal means is no longer possible. without further ado, possible. If the Brinell hardness is more than 200 kg / mm 2 , the metal must be hot worked. In the case of titanium and zirconium alloys, the hardness is even more important, since most alloying elements increase the hardness. The increase in hardness due to impurities in oxygen, nitrogen and carbon increases the work of deformation; if there are high levels of impurities, there are no processes for cleaning titanium and zirconium
Anmelder:Applicant:
Horizons Titanium Corporation, Princeton, Ν. J. (V. St. A.)Horizons Titanium Corporation, Princeton, Ν. J. (V. St. A.)
Vertreter: Dr. Ε. Lichtenstein1 Rechtsanwalt, Stuttgart-O, Werastr. 14-16Representative: Dr. Ε. Lichtenstein 1 Lawyer, Stuttgart-O, Werastr. 14-16
Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 19. August 1954Claimed priority: V. St. v. America 19 August 1954
Eugene Wainer, Cleveland Heights, Ohio (V. St. A.), ist als Erfinder genannt wordenEugene Wainer of Cleveland Heights, Ohio (V. St. A.) has been named as the inventor
erwünschte Effekte, wie Kantenrisse, Überlappungen u. ä., auf. .: .desired effects such as edge cracks, overlaps and the like. .:.
Erfindungsgemäß läßt sich aus dem mit Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff verunreinigten Material ein relativ reines Metall, herstellen, das genügend duktil ist und so verarbeitet werden kann wie das reine Metall.According to the invention can be made from the contaminated with oxygen, nitrogen and carbon material make a relatively pure metal that is ductile enough and can be processed like that pure metal.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das verunreinigte Metall zuerst in Gegenwart von wenigstens 1,0% Kohle geschmolzen. Der entstehende Gußblock hat, verglichen mit dem Ausgangsmaterial, einen höheren Kohlenstoffgehalt und einen geringeren Sauerstoff- und Stickstoffgehalt. Zum Schmelzen kann eines der beiden im folgenden beschriebenen Verfahren angewandt werden:According to the process of the invention, the contaminated metal is first in the presence of at least 1.0% coal melted. The resulting ingot has, compared to the starting material, one higher carbon content and lower oxygen and nitrogen content. Can melt one of the two methods described below can be used:
1. Das verunreinigte Metall wird im Induktionsofen unter Vakuum bei laufender Pumpe geschmolzen, wobei der Schmelze ein Überschuß an Kohlenstoff zugesetzt wird.1. The contaminated metal is melted in the induction furnace under vacuum with the pump running, an excess of carbon being added to the melt.
2. Das Metall-Kohlenstoff-Gemisch wird im Lichtbogenofen unter inerter Atmosphäre (Argon oder Helium) bei Drucken geschmolzen, die kleiner sind ateAtmosphärendruck.. Die Liehtj^gerieri|rgie wird kontrolliert, und die Argonatmosphäre wird langsam entfernt bis auf den Druck, der etwa dem entspricht, den die aus der Schmelze entweichenden Gase aufweisen:2. The metal-carbon mixture is heated in an electric arc furnace under an inert atmosphere (argon or Helium) melted at pressures that are lower than atmospheric pressure .. The Liehtj ^ gerieri | rgie is controlled and the argon atmosphere is slowly removed until the pressure is about the corresponds to the gases escaping from the melt:
Gewöhnlich genügen 1 bis 2% Kohlenstoff für die Beseitigung des Sauerstoffs und Stickstoffs aus dem Schrott. Der Kohlenstoffzuschlag (in Atomprozenten) sollte jedoch über dem Gesamtanteil des SauerstoffsUsually 1 to 2% carbon is enough to remove the oxygen and nitrogen from the Scrap metal. The carbon surcharge (in atomic percent) should, however, be greater than the total amount of oxygen
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und Stickstoffs (in Atomprozenten) liegen, um eine . höchstmögliche Reinigung zu erzielen. Eine vollständige Entfernung dieser beiden Gase ist jedoch nicht notwendig, weil Metall mit Sauerstoff- und Stickstoffgehalfen, die eine gewisse Grenze nicht überschreiten, wie unten beschrieben in befriedigender Weise weiterverarbeitet werden kann.and nitrogen (in atomic percent) are around a. to achieve the highest possible cleaning. A complete However, removal of these two gases is not necessary because metal with oxygen and nitrogen help which do not exceed a certain limit, as described below in a more satisfactory manner Way can be further processed.
Der beim Schmelzen zugeschlagene Kohlenstoff muß rein sein (z. B. Ruß, kalzinierter Petrolkoks usw.).The carbon added during melting must be pure (e.g. soot, calcined petroleum coke etc.).
Soll Schrott von unregelmäßiger Form und mit unbekanntem Gehalt an Verunreinigungen nach dem beschriebenen Verfahren aufgearbeitet werden, so ist es schwierig, zu entscheiden, ob ein Kohlenstoffzuschlag von 1 bis 2% ausreicht. In solchen Fällen sind zwei Verfahren möglich:Shall scrap of irregular shape and with unknown content of impurities according to the described Procedures are worked up so it is difficult to decide whether to add a carbon surcharge from 1 to 2% is sufficient. In such cases, two procedures are possible:
1. Der Schrott wird in einen Kohletiegel gefüllt und im Induktionsofen unter Vakuum geschmolzen. Zur Homogenisierung wird die Schmelze einige Minuten im flüssigen Zustand gehalten und dann in eine Barrenkokille aus Kohle vergossen. Dieser Barren wird im Lichtbogenofen (mit zwei Elektroden) als die eine Elektrode eingesetzt, während die andere Elektrode aus reinem Graphit besteht. Bei der hohen Temperatür des Lichtbogens schmilzt die Elektrode aus verunreinigtem Metall kontinuierlich, und das Metall tropft in ein geeignetes Sammelgefäß. Bei diesem Verfahren liegt der Kohlenstoffgehalt des Endproduktes in der Größenordnung von 3 bis 5%, während der Sauerstoff- und Stickstoffgehalt gegenüber dem Ausgangsprodukt erheblich abgenommen hat.1. The scrap is poured into a coal crucible and melted in an induction furnace under vacuum. For homogenization, the melt is kept in the liquid state for a few minutes and then poured into a barrels made of coal. This ingot is placed in an electric arc furnace (with two electrodes) used as one electrode, while the other electrode is made of pure graphite. At the high temperature of the arc, the contaminated metal electrode melts continuously, and the metal drips into a suitable receptacle. With this procedure lies the Carbon content of the end product in the range of 3 to 5%, while the oxygen and nitrogen content has decreased significantly compared to the starting product.
2. Das verunreinigte Metall wird im Induktionsofen unter Vakuum geschmolzen, und der Schmelze wird eine ausreichende Menge Kohlenstoff zugeschlagen. Nach dem Gießen wird der Barren chemisch analysiert, um festzustellen, ob ein zweites Schmelzen mit nochmaligem Kohlenstoffzuschlag notwendig ist.2. The contaminated metal is melted in the induction furnace under vacuum, and the melt a sufficient amount of carbon is added. After casting, the ingot becomes chemical analyzed to see if a second smelting with re-carbon surcharge necessary is.
Nach den beiden beschriebenen Verfahren werden Metalle erhalten, die im wesentlichen frei von Sauerstoff und Stickstoff sind, höchstens aber 0,2% Sauer stoff und Stickstoff, dafür jedoch wenigstens 1% Kohlenstoff enthalten. Dieser hohe Kohlenstoffgehalt, der ohne weiteres bis zu einer Konzentration, die der Formel Ti C entspricht, ansteigen darf, bereitet keine Schwierigkeiten in der Weiterbehandlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Das nach diesem Verfahrensschritt erhaltene Material hat ein silberweißes Aussehen, bricht spröde und hat eine hohe mechanische Festigkeit. Barren von 25 bis zu 76 mm Durchmesser eignen sich besonders gut für die nachfolgend beschriebene Elektrolyse.Metals which are essentially free of oxygen are obtained by the two processes described and nitrogen, but not more than 0.2% oxygen and nitrogen, but at least 1% Contain carbon. This high carbon content is readily available up to a concentration that the Formula Ti corresponds to C, may increase, does not present any difficulties in further treatment after method according to the invention. The material obtained after this process step is silver-white Appearance, breaks brittle and has high mechanical strength. Bars from 25 to 76 mm in diameter are particularly suitable for the electrolysis described below.
Zur Herstellung reinen Titans und Zirkoniums aus den erhaltenen Barren kann irgendeines der bekannten Verfahren benutzt werden. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und Einfachheit wird im Sinne dieser Erfindung die kathodische Abscheidung des Metalls aus einem geschmolzenen Salzbad bevorzugt, wobei der Barren als Anode und ein Nickel- oder Eisenstab als Kathode dient. Die Elektrolyte bestehen aus einem oder mehreren Alkalihalogeniden ohne oder mit Zusatz eines Alkali-Doppelfluorides des Titans oder Zirkoniums; Nach einem anderen Verfahren wird der kohlenstoffhaltige Titan- oder Zirkoniumbarren als Ausgangsmaterial für die Herstellung eines EIektro-. Iyten benutzt, aus dem dann das Titan oder Zirkonium wiedergewonnen wird. Einen derartigen Salzbadelektrolyten stellt man dadurch her, daß man Titan- oder Zirkoniumkarbid in einem geschmolzenen Salzbad,Any of the known ones can be used to produce pure titanium and zirconium from the obtained ingots Procedures are used. For reasons of economy and simplicity, this Invention, the cathodic deposition of the metal from a molten salt bath is preferred, wherein the ingot serves as the anode and a nickel or iron rod as the cathode. The electrolytes consist of one or more alkali halides without or with the addition of an alkali double fluoride of titanium or Zirconium; According to another process, the carbonaceous titanium or zirconium ingot is called Starting material for the production of an electric. Iyten used, from which then the titanium or zirconium is recovered. Such a salt bath electrolyte is produced by using titanium or Zirconium carbide in a molten salt bath,
bestehend aus einem Alkali- und/oder Erdalkalihalogenid mit einem Gehalt von 5 bis 50% eines Alkal ifluortitanates, erhitzt. Während der Erhitzung reagieren die Badkomponenten miteinander, und das Karbid des Metalls geht in das Halogenid über, das im Bad gelöst wird. Aus diesem Bad wird das Metall durch Elektrolyse an der Kathode abgeschieden. Führt man das karbidhaltige Material kontinuierlich dem Bad zu und sorgt dafür, daß die thermische Reaktionconsisting of an alkali and / or alkaline earth halide with a content of 5 to 50% of one Alkaline ifluorotitanates, heated. During the heating process, the bath components react with each other, and that The metal's carbide changes into the halide, which is dissolved in the bath. This bath becomes the metal deposited on the cathode by electrolysis. If the carbide-containing material is fed continuously to the Bath too and ensures that the thermal reaction
ο und die Elektrolyse kontinuierlich ablaufen, so kann das Metall in der gewünschten Reinheit kontinuierlich hergestellt werden. Weiterhin kann ein Obergangsmetall enthaltender Elektrolyt durch Chlorierung des Metallkarbides dargestellt werden. In diesem Falle ist praktisch das Karbid der kohlenstoffhaltige Barren. Das Bad ist wieder aus Alkali- oder Erdalkalihalogeniden mit oder ohne Zusatz des Alkalifluoridkomplexsalzes des Metalls zusammengesetzt.ο and the electrolysis run continuously, the metal can be continuously in the desired purity getting produced. Furthermore, an electrolyte containing transition metal can be obtained by chlorination of the Metal carbides are represented. In this case, the carbide is practically the carbonaceous ingot. The bath is again made of alkali or alkaline earth halides with or without the addition of the alkali fluoride complex salt composed of the metal.
Schließlich läßt man in einem letzten VerfahrenFinally one leaves in a final proceeding
ao zur Herstellung des Titans und Zirkoniums aus dem kohlenstoffhaltigen Barren den Barren mit einem Doppelfluorid des Natriums und Titans zwischen 800 und 1100° C reagieren, wobei sich komplexes Natriumtitanfluorid bildet, in dem das Titan zwei- oder dreiwertig ist. Durch Schmelzflußelektrolyse läßt sich - aus diesem Salz das Titan leicht gewinnen. In allen beschriebenen Schmelzflußelektrolysen wird das Titan oder Zirkonium in Form von grobkörnigen Kristallen an der Kathode abgeschieden. Die so erhaltenen Metalle werden zur Entfernung der von der Schmelzflußelektrolyse her anhaftenden Salze gewaschen und sodann geschmolzen. Sie sind sehr rein und frei von Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff.ao for the production of titanium and zirconium from the carbon-containing ingot the ingot with a Double fluoride of sodium and titanium react between 800 and 1100 ° C, forming complex sodium titanium fluoride forms in which the titanium is bivalent or trivalent. By melt flow electrolysis can - easily extract titanium from this salt. In all of the melt flow electrolyses described, titanium becomes or zirconium deposited on the cathode in the form of coarse-grained crystals. The metals thus obtained are washed to remove the adhering salts from the fused salt electrolysis and then melted. They are very pure and free of oxygen, nitrogen and carbon.
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele erläutert.The invention is illustrated by the following examples.
Es liegt ein mit 0,28% Sauerstoff, 0,16% Stickstoff und 0,12% Kohlenstoff verunreinigtes Titan zur Reinigung vor, das eine Brihellhärte von 218 kg/mm2 aufweist. IV2 Gewichtsteile kalzinierter Petrolkoks mit einer Teilchengröße von 0,15 mm werden mit 100 Gewichtsteilen des zu reinigenden Titans gut vermischt. Die Mischung wird in einem Graphittiegel im Induktionsofen unter Vakuum bei laufender Pumpe auf Rotglut erhitzt. Der Ofen wird auf Rotglut gehalten, bis das Vakuum mindestens IO-1 mm Hg beträgt. Nun wird die Temperatur bis annähernd 2000° C gesteigert und 15 Minuten gehalten. Dann läßt man die Schmelze noch unter Vakuum durch einen am Boden angebrachten Stöpselverschluß in eine Gußform aus Graphit von 50 mm Durchmesser laufen und unter laufender Vakuumpumpe abkühlen. Der erhaltene Gußblock hat 0,04% Sauerstoff, 0,01% Stickstoff und 0,93% Kohlenstoff. Die Wände des Graphittiegels waren angefressen, was darauf hinweist, daß die Charge in geschmolzenem Zustand mit dem Tiegelmaterial reagierte. Der Kohlenstoffgehalt war niedriger als erwartet. Vermutlich ist während des Anheizens ein Teil des Kohlenstoffs durch Sauerstoff von der Oberfläche her oxydiert worden.There is a titanium contaminated with 0.28% oxygen, 0.16% nitrogen and 0.12% carbon for cleaning, which has a Brihell hardness of 218 kg / mm 2 . IV2 parts by weight of calcined petroleum coke with a particle size of 0.15 mm are mixed well with 100 parts by weight of the titanium to be cleaned. The mixture is heated to red heat in a graphite crucible in an induction furnace under vacuum with the pump running. The oven is kept on red heat until the vacuum is at least 10 -1 mm Hg. The temperature is now increased to approximately 2000 ° C. and held for 15 minutes. The melt is then allowed to run under vacuum through a stopper on the bottom into a graphite casting mold with a diameter of 50 mm and to cool while the vacuum pump is running. The ingot obtained has 0.04% oxygen, 0.01% nitrogen and 0.93% carbon. The walls of the graphite crucible were pitted, indicating that the charge reacted with the crucible material in the molten state. The carbon content was lower than expected. Presumably, part of the carbon was oxidized from the surface by oxygen during the heating process.
Der =GuBblock wurde nun als Anode in ein Schmelzflußelektrolysebad gehängt. Die stabförmige Kathode bestand aus Nickel. Der Elektrolyt enthielt 16 Gewichtsteile Kaliumfluortitanat und 84 Gewichtsteile Natriumchlorid. Nach einer entsprechenden elektrolytischen Vorbehandlung zur Entfernung des Sauerstoffs, Stickstoffs und Wassers wurde die Elektrolyse in einer Zelle durchgeführt, in der Anode und Kathode einen gegenseitigen Abstand von 7,5 cm hatten.The = GuBblock was then hung as an anode in a melt flow electrolysis bath. The rod-shaped cathode consisted of nickel. The electrolyte contained 16 parts by weight of potassium fluorotitanate and 84 parts by weight Sodium chloride. After an appropriate electrolytic pretreatment to remove the oxygen, Nitrogen and water, the electrolysis was carried out in a cell, in the anode and cathode had a mutual distance of 7.5 cm.
Claims (6)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE1066360B true DE1066360B (en) | 1959-10-01 |
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