Demgegenüber stellt sich die Erfindung die Aufgabe, ein Verfahren mit einer vereinfachten Verfahrensführung und eine konstruktive Lösung für die hierfür benötigte Vorrichtung vorzuschlagen.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem Verfahren gemäß der DE-AS 15 83 920 erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man die Temperatur des flüssigen Metalls auf einem Wert hält, der oberhalb der Siede- oder Sublimationstemperatur der anderen Reaktionsprodukte beim Reaktionsdruck liegt, daß man die Reaktionspartner in einem Wirbelstrom in die Reaktionszone einführt, so daß sich die flüssigen Tröpfchen des Metalls in dem Strom zusammenlagern und sie darin einer Zentrifugalkraft unterworfen werden, und daß man die anderen Reaktionsprodukte im gasförmigen Zustand abzieht.

Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielten Vorteile sind insbesondere folgende:

Die Metalle bilden sich unmittelbar und kontinuierlich im flüssigen Zustand. Die zum Aufschmelzen einiger Metalle notwendige Wärme oder zumindest ein Teil derselben wird durch exotherme Reaktionen geliefert, so daß man einen wesentlichen Teil der Energie einsparen kann. Das Metall wird in einer festen Form erhalten, vorzugsweise in einer Kokille aus gekühltem Kupfer.

Vorteilhafterweise hält man die Schicht des hergestellten Materials oberhalb des erstarrten Metalls flüssig, wobei das erstarrte Metall die Form eines Barrens hat, den man entsprechend der Produktion des Metalls im wesentlichen kontinuierlich abzieht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß man die von den Halogeniden und dem Reduktionsmittel gebildeten Reaktionspartner gasförmig in die Reaktionszone einführt.

Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Herstellung reaktiver Metalle und insbesondere zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens vorzuschlagen.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sie eine Einrichtung zur Zufuhr der gasförmigen Reaktionspartner in den oberen Teil einer gekühlten Kokille und eine Einrichtung zur kontinuierlichen Entfernung der bei der Reaktion entstehenden Gase enthält, daß die Einrichtung zur Einführung der gasförmigen Reaktionspartner in den oberen Teil der Kokille für jeden Reaktionspartner zumindest eine Zuführleitung aufweist, die in einer gegenüber der Senkrechten geneigten Richtung in den Oberteil oder oberhalb des Oberteils der Kokille derart endet, daß in diesem Teil ein Wirbelstrom der Reaktionspartner ausgebildet wird, der durch die darin entstehenden Zentrifugalkräfte die Tröpfchen des hergestellten Metalls aus dem Wirbelstrom herausschleudert, und daß eine Einrichtung einer im wesentlichen inerten Atmosphäre im oberen Teil der Kokille vorgesehen ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 eine Darstellung ähnlich Fig. 1 eines abgewandelten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 3 eine Teilschnittansicht eines Teils der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem abgewandelten Ausführungsbeispiel und

Fig. 4 eine Schnittansicht längs Linie IV-IV in Fig. 3.

In den verschiedenen Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren reduziert man das Halogenid eines herzustellenden Metalls, insbesondere das Chlorid desselben, bei einer Temperatur, die oberhalb des Schmelzpunktes des hergestellten Metalls liegt.

Insbesondere wird die Temperatur der Reaktion auch oberhalb der Siede- oder Sublimationstemperatur aller außer dem Metall in der Reaktionszone anwesenden Substanzen gehalten, welche dem Druck entspricht, bei dem die Reduktion durchgeführt wird. Diese Substanzen verlassen daher die Reaktionszone im gasförmigen Zustand spontan.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht insbesondere, die Kosten der Titanherstellung erheblich zu senken, wodurch dieses für eine Vielzahl von Anwendungen in der gesamten Industrie verwendbar wird. Das Verfahren betrifft auch die kontinuierliche Herstellung von Zirkon, Hafnium, Tantal, Niob, Molybdän, Wolfram, Aluminium, Silizium, Kobalt, Nickel, Magnesium, Thorium, Uran, Beryllium und Chrom.

Die Erfindung betrifft - wie bereits erwähnt - auch eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung dieser reaktiven Metalle durch Reduktion ihrer Halogenide, insbesondere zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens.

Diese Vorrichtung stellt eine Anlage dar, mit der eine Herstellung dieser Metalle im industriellen Maßstabe und mit sehr hoher Produktivität möglich ist.

Anhand der beiliegenden Figuren lassen sich einige Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung reaktiver Metalle durch Reduktion ihrer Halogenide näher erläutern.

Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform umfaßt eine geschlossene Kammer 1, die sich im oberen Teil einer gekühlten Kokille 2 befindet, wobei die Kühlung insbesondere durch einen in der Zeichnung nicht dargestellten Wasserstrom erzeugt wird. Weiterhin umfaßt die Vorrichtung eine Einrichtung 3 zur Zufuhr der Reaktionspartner der Reduktion in den oberen Teil 2&min; der Kokille 2 sowie eine Einrichtung 4 zur kontinuierlichen Entfernung der bei der Reduktion entstehenden Gase.

Die Einrichtung 3 zur Zufuhr der Reaktionspartner in das obere Teil 2&min; der Kokille umfaßt für das Halogenid des herzustellenden Metalls eine erste Kammer 5, die in einem Ofen 6 angeordnet ist. Die Kammer 5 ist über eine volumetrische Pumpe 7 mit einer zweiten Kammer 8 in einem weiteren Ofen 9 verbunden. Die zweite Kammer steht über eine Zufuhrleitung 10 mit dem oberen Teil 2&min; in Verbindung.

Eine ebenfalls mit einem Ofen 12 versehene Kammer 11 ist zur Aufnahme des Reduktionsmetalles bestimmt und über eine volumetrische Pumpe 13 mit einer weiteren Kammer 14 des Ofens 9 verbunden. Diese Kammer 14 ist ihrerseits mit der verschlossenen Kammer 1 über eine Zufuhrleitung 15 verbunden.

Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist besonders für die Reduktion von Metallhalogeniden geeignet, die bei einem Druck im Bereich des atmosphärischen Druckes über einen ausreichend großen Temperaturbereich flüssig sind. In diesem Falle wird das Halogenid in der Kammer 5 mittels einer eventuellen Aufheizung durch den Ofen 6 flüssig gehalten und mittels der Pumpe 7 in die Kammer 8 des Ofens 9 gepumpt, in welchem es auf Siedetemperatur erhitzt wird. Dieses gasförmige Metallhalogenid wird anschließend über die Zufuhrleitung 10 in den oberen Teil 2&min; der Kokille 2 überführt.

Das in der Kammer 11 enthaltene Reduktionsmetall wird mittels des Ofens 12 bei einer Temperatur gehalten, die etwa um 50°C über seiner Schmelztemperatur liegt. Das geschmolzene Reduktionsmetall wird mittels der Pumpe 13 in die Kammer 14 überführt, in der es ebenfalls auf Siedetemperatur erhitzt wird. Das gasförmige Reduktionsmaterial wird dann in gesteuerter Weise über die Zufuhrleitung 15 in die Reaktionszone der geschlossenen Kammer 1 überführt.

Die Zufuhrmenge des gasförmigen Reduktionsmaterials wird über die durch die Pumpe 7 geförderte Menge des flüssigen Metalls oder durch eine in der Darstellung der Fig. 1 nicht dargestellte Steuerung der Energiezufuhr in der Verdampfungsstufe geregelt.

In der im oberen Teil 2&min; der Kokille 2 angeordneten Reaktionszone liegt die Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des herzustellenden Materials und oberhalb der Siede- oder Sublimationstemperatur der anderen an der Reaktion teilnehmenden Substanzen.

Das hergestellte Metall wird in der Kokille 2 gesammelt, die die Form eines doppelwandigen, gekühlten Kupferzylinders hat.

Die mit der Reaktionszone in Kontakt stehende, obere Schicht 16 bleibt flüssig, während das die Reaktionszone umgebende und unter dieser angeordnete Metall 17 aufgrund der Kühlung erstarrt und einen Barren bildet, der kontinuierlich nach unten abgezogen wird, wie dies durch den Pfeil 18 angedeutet ist. Diese Bewegung wird mittels an sich bekannter Mittel ausgeführt, beispielsweise mittels in der Zeichnung nicht dargestellter, angetriebener Rollen.

Außer dem Metall verlassen alle Substanzen die Reaktionszone über die Einrichtung 4, die die Form eines Abzugskamins hat. Diese Gase können zu einem in der Zeichnung nicht dargestellten Kondensator geführt werden, in dem die nicht verbrauchten Reaktionspartner wieder gewonnen werden.

Da die Kammer 1 dicht abgeschlossen ist, kann gegebenenfalls eine Atmosphäre von inertem Gas, beispielsweise von Argon oder Helium, mittels einer Einrichtung 19 in dieser Kammer aufrechterhalten werden. Diese Einrichtung 19 umfaßt einen Gasvorrat, der über eine Leitung 20 mit der Kammer 1 verbunden ist.

Die Fig. 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und zwar für die Herstellung von reaktiven Metallen durch Reduktion ihrer Halogenide. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der der Fig. 1 im wesentlichen dadurch, daß nur eine Kammer 5 in der Einrichtung 3 zur Einführung des Halogenides in den oberen Teil 2&min; der Kokille vorgesehen ist. Diese Ausführungsform ist besonders für den Fall geeignet, in dem das Halogenid nicht flüssig ist, beispielsweise bei Zirkon und Hafnium. Diese Halogenide werden im Ofen 6 aufgeheizt und durch Sublimation in den gasförmigen Zustand überführt. Die Menge des gasförmigen, in die Reaktionszone überführten Halogenids wird durch die Heizleistung dieses Ofens reguliert.

Bei den wenig refraktären Materialien, beispielsweise Titan, Aluminium, Silizium, Zirkon, Thorium, Vanadium, Chrom, Kobalt, Magnesium, Uran und auch Nickel, wird die Reduktionsreaktion vorteilhafterweise derart geführt, daß die zum Aufrechterhalten der Temperatur in der Reaktionszone notwendige Temperatur, d.h. eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des herzustellenden Materials und oberhalb der Siede- oder Sublimationstemperatur aller anderen Reaktionspartner, ausschließlich durch die exotherme Reaktion zwischen dem Halogenid des herzustellenden Metalls und dem Reduktionsmetall geliefert wird, welches ein Alkalimetall oder ein Erd-Alkalimetall sein kann.

Für die mittelmäßig refraktären Metalle kann man das herzustellende Material durch eine gleichzeitige Reduktion des Halogenides mit einem Reduktionsmetall und mit Wasserstoff abtrennen. Es handelt sich hierbei um Metalle wie Titan, Zirkon, Thorium, Uran, Hafnium , Chrom, Kobalt, Vanadium und in manchen Fällen Nickel.

Bei den sehr refraktären Materialien schließlich, wie Tantal, Niob, Molybdän, Wolfram und Hafnium, stellt man das Metall vorzugsweise durch Reduktion des entsprechenden Halogenids mittels Wasserstoff her.

Wenn sich neben der Aufheizung durch die Reduktionsreaktion eine externe Heizung als notwendig erweist, kann man vorteilhafterweise einen elektrischen Bogen, ein Rohr mit einem Plasmabogen oder einem induktiv erzeugten Plasma, eine optische Heizquelle (Spiegelofen) oder ein Laserbündel verwenden.

Die Fig. 3 und 4 zeigen eine weitere Ausführungsform eines wesentlichen Teils der erfindungsgemäßen Vorrichtung, mit welcher eine sehr hohe Ausbeute des herzustellenden Metalls erzielbar ist.

Das mit dieser Vorrichtung durchgeführte Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man die gasförmigen Reaktionspartner in der Form eines Wirbelstromes in die Reaktionszone einführt, die im oberen Teil 2&min; der Kokille 2 angeordnet ist. Auf diese Weise vereinigen sich die feinen Tröpfchen des gebildeten Metalls durch Stöße und bilden größere Tropfen. Diese werden dann unter der Wirkung der Zentrifugalkraft, die sich aufgrund der Bewegung des Wirbelstroms einstellt, aus dem Wirbelstrom herausgeschleudert und sammeln sich an den Seitenwänden der Kokille. Von dort fließen sie unter dem Einfluß der Schwerkraft nach unten in die Schicht 16 hinein, die oberhalb des metallischen Barrens 17 schwimmt.

Auf diese Weise erhält man eine sehr schnelle, kontinuierliche und wirksame Abtrennung des hergestellten Metalls von den Reaktionspartnern und den bei der Reaktion entstehenden gasförmigen Substanzen.

Eine sehr einfache Art, eine Wirbelstrombewegung der in die Reaktionszone eingeführten Gase zu erzeugen, liegt darin, daß man die gasförmigen Reaktionspartner in einer Richtung in die Reaktionszone einführt, die gegenüber der Senkrechten so geneigt ist, daß sich beispielsweise ein kreisförmiger oder schraubenförmiger Strom ausbildet.

In dem in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel wird jeder der beiden Reaktionspartner in den oberen Teil 2&min; der Kokille 2 gleichzeitig an mehreren Stellen derart eingeführt, daß sich einerseits eine erhöhte Reaktionspartnerzufuhr ergibt und andererseits in besonders geringer Zeit eine Vermischung und ein inniger Kontakt zwischen den verschiedenen Reaktionspartnern.

Um diesen kreisförmigen oder schraubenförmigen Strom zu erzeugen, endet jede der beiden Zufuhrleitungen 10 und 15 in der Reaktionszone in Form von Armen (z.B. 2), die Auslaßöffnungen 10&min;, 10&min;&min;, 15&min; und 15&min;&min; aufweisen, die derartig orientiert sind, daß ihre Auslaßrichtung in einer Tangentialebene eines koaxial zur Kokille 2 gedachten Zylinders liegen. Außerdem sind die Horizontalkomponenten der Auslässe im selben Umlaufsinn orientiert.

Die Auslaßöffnungen sind im Inneren eines Deckels 21 oder ein wenig darunter angeordnet, wobei der Deckel den oberen Teil 2&min; der Kokille dicht abschließt. Ferner weist der Deckel eine Einrichtung 4 zur Entfernung der in dem Metall entstehenden Reaktionspartner auf.