Brevet FR2123151A1 — publié le 19720908

L'invention concerne le domaine de la production des métaux réfractaires, préférentiellement de l'éponge de titane, et notamment les appareils pour la réduction des halogénures de titane, suivie de la séparation sous vide des produits de réduction. Dans le domaine de la production de l'éponge de titane, on emploie largement la méthode suivant laquelle la réduction par le magnésium des halogénures de titane est réalisée dans une chambre de réaction étanche, et la séparationsous vide des produits de réduction est exécutée à l'aide d'un condenseur qui est placé iAx la chambre de réaction après refroidissement et demontage de cette chambre, la chambre de réaction étant chauffée une seconde fois jusqu'à une température proche de 980"C pour la réalisation du processus. Le refroidissement et le second chauffage de la chambre de réaction, ainsi que son démontage avant la mise en place du condenseur pourraient être supprimés si les processus de réduction et de séparation sous vide étaient exécutés dans un même appareil, ce qui permettrait de diminuer les dépenses de main-d'oeuvre pour la production de l'éponge de titane, d'abaisser la consommation d'énergie électrique et d'exclure la pollution de la masse de réaction lors du démontage de la chambre de réaction. Toutefois, la création d'un appareil qui permettrait de réaliser les-deux opérations indiquées sans démontage d'organes et sans second chauffage est un problème ardu. On connaît des tentatives de création de tels appareils. Dans une variante, l'appareil est réalisé sous la forme d'une cornue constituée par deux parties. A la partie inférieure de la cornue sont montés des brûleurs à gaz ; à la partie supérieure est monté un sas pour l'admission du magnésium et sont réalisés des canaux de raccordement pour l'admission du tét=achlorure de titane et le raccordement à ia conduite de vide. Etant donné que la réduction dans l'appareil indiqué s'effectue dans une enceinte à grande dIfférence de température entre la partie supérieure et la partie inférieure, il y a condensation dans la cornue des produits de réaction intermediaires, y compris les chlorures inférieurs de titane ; il s'ensuit la diminution du rendement en éponge de titane et le démontage du matériel devient dangereux. On connaît aussi un appareil comprenant une chambre de réaction et un condenseur, dont les enceintes sont séparées, la liai son entre elles étant assurée p-ar un canal principal. Dans le canal principal est monté un dispositif de fermeture obturant ce canal au cours de la réduction. Les canaux,pour l'admission des réactifs, passent à travers le couvercle de la chambre de réaction, et le canal pour la connexion de la conduite de vide est ménagé dans le couvercle du condenseur. Dans ces appareils, la chambre de réaction et le condenseur sont réalisés séparément, et le canal principal passe à travers une tubulure ouvrante montée sur les surfaces latérales de la chambre de réaction et du condenseur ; la commande du dispositif de fermeture de ce canal est disposée à l'intérieur du condens'eur et dégagée sur sa surface latérale. Pour réaliser la réduction, on place la chambre dans un four et on ferme avec un écran thermique, à travers lequel passent les tubulures du canal principal et des canaux de raccordement. Ces appareils présentent des inconvénients de conception notables, résultant de la disposition des éléments de l'appareil et de leur raccordement. En effet, dans la conception indiquée, la traversée du canal principal est située dans la zone de croissance du dépôt d'éponge de titane et ce dépôt tend à l'engorger, ce qui implique la diminution du taux de remplissage du volume utile de la chambre de réaction. La disposition de la commande du dispositif de fermeture à l'intérieur du condenseur entraîne la formation d'un dépôt de produits de distillation sous vide sur cette commande. En outre, un tel appareil est incommode pour la conduite, l'entretien et le montage, par suite de la présence, entre les éléments constitutifs, d'un grand nombre de connexions devant être étanches. Le but de la présente invention est de supprimer les inconvénients mentionnés. I1 s'agissait donc de créer un appareil pour la réduction des halogénures de titane, suivie de la séparation sous vide des produits de réduction, dans lequel la séparation des enceintes de la chambre de réaction et du condenseur serait réalisée avec un minimum de connexions, dans lequel les traversées du canal principal seraient disposées de telle façon que leur engorgement par le dépôt d'éponge de titane serait supprimé, et dans lequel la commande du dispositif de fermeture du canal principal serait réalisée de telle façon que la condensation des produits de séparation sous vide sur cette commande serait supprimée. La solution, conformément à la présente invention, consiste en ce que l'appareil est réalisé en plusieurs sections ou zones et comprend une section médiane à laquelle la chambre de réaction et le condenseur sont connectés aux côtés opposés par leurs bouts ouverts, les connexions étant étanches. La section médiane sépare ainsi l'enceinte de la chambre de réaction de celle du condenseur et sert d'écran thermique ; elle est traversée par le canal principal qui raccorde les enceintes de la chambre de réaction et du condenseur. La commande du dispositif de fermeture et les canaux de raccordement passent aussi à travers la section médiane et sont dégagés sur la surface extérieure. Grâce à une telle solution constructive, on assure la séparation des enceintes de la chambre de réaction et du condenseur avec un nombre minimal de connexions entre les éléments, ainsi que la compacité de l'appareil, ce qui augmente sa fiabilité, simplifie la conduite et l'entretien, ainsi que les opérations de montage. il est avantageux que la section médiane soit réalisée avec une partie en saillie dans le condenseur, constituant avec la surface intérieure-de celui-ci une enceinte annulaire où débouche le canal pour le raccordement à la conduite de vide, ce canal passant dans la section médiane et sortant à travers sa surface latérale. La largeur de l'enceinte annulaire doit avoir une valeur suffisante pour assurer la formation entre le bord de la partie saillante de la section médiane et la surface intérieure du condenseur, d'une paroi filtrante en produits de séparation sous vide condensés. Une telle réalisation de la section médiane assure l'entretien commode de la conduite de vide, ainsi que la marche sûre de l'appareil pendant la séparation sous vide. Il est aussi avantageux de réaliser la chambre de réaction et le condenseur de façon interchangeable, c'est-à-dire que ces deux parties sont capables de coopérer fonctionnellement,aussi bien avec le matériel destiné aux opérations de réduction des halogénures de titane, qu'avec le matériel destiné aux opérations de séparation sous vide des produits de réduction. Une telle réalisation de l'appareil assurera la possibilité d'utiliser le condenseur avec les produits de distillation sous vide pour les opérations de réduction et, par cela même, une utilisation plus complète des réactifs. Dans ce cas, il est avantageux de réaliser la section médiane symétrique par rapport à un plan transversal perpendiculaire à l'axe, et avec un nombre double de canaux débouchant de chaque côté de la section médiane se connectant à la chambre de réaction et au condenseur, ainsi que de prévoir dans chacun de ces canaux des obturateurs pour leur fermeture,selon les opérations technologiques à réaliser dans la chambre de réaction et le condenseur. Une telle réalisation de la section médiane assure la diminution du nombre d'opérations de montage et supprime le contact du condensat avec l'air atmosphérique, ce qui améliore la qualité de l'éponge de titane obtenue avec utilisation du magnésium rési- duel du processus précédent. Grâce à l'invention proposée, on obtient un appareil pour la réduction des halogénures de titane, suivie de la séparation des produits de réduction, ayant un rendement en éponge de titane élevé, fiable, commode pour la conduite, l'entretien et le montage. On donne ci-dessous la description d'exemples de réalisation de la présente invention, illustrés par des dessins annexés qui représentent la fig. 1, un appareil pour la réduction des halogénures de titane, suivie de la séparation sous vide des produits de réduction, suivant l'invention, avec une chambre de réaction placée dans un four électrique (en coupe longitudinale) la fig. 2, la section médiane de l'appareil, suivant l'invention, (en coupe longitudinale à une échelle plus grande) la fig. 3, la section médiane de l'appareil suivant l'invention (vue de dessus avec arrachement partiel) la fig. 4, la coupe IV-IV sur la fig. 3 la fig. 5, le détail A de la fig. 1 (à une échelle plus grande) la fig. 6, une section médiane, réalisée suivant l'invention, symétrique par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe (en coupe longitudinale) ;; la fig. 7, la vue de dessus de la section médiane représentée par la fig. 6, avec demi-coupe Vil-Vil sur cette même figure. L'appareil pour la réduction des halogénures de titane, suivie de la séparation sous vide des produits de réduction, représenté en fig. 1, se présente sous la forme, suivant l'inven tion, d'un ensemble à plusieurs sections ou zones, dont la section inférieure est la chambre de réaction 1, et la section supérieure le condenseur 2 ; entre ces deux sections se trouve une section intermédiaire 3 qui réunit la chambre de réaction 1 et le condenseur 2 par leurs bouts ouverts. La chambre de réaction est un récipient 1 réalisé en acier réfractaire. A la partie inférieure de la chambre de réaction est fixé un tube 4, destiné à l'évacuation du chlorure de magnésium. Le tube 4 peut être hermétiquement fermé par un chapeau 5. En face de la tranche du tube 4, à l'intérieur de la chambre de réaction, est monté un faux-fond 6, prévenant la tombée du titane métal dans le dispositif de fermeture du tube 4. A la partie supérieure de la chambre de réaction est soudée une bride 7 pour la jonction à la section médiane 3. Pour réaliser la réduction par le magnésium du tétrachlorure de titane, suivie de la séparation de l'éponge de titane obtenue lors de la réduction par distillation sous vide, on place la chambre de réaction 1 dans un four 8, qui comporte des éléments chauffants répartis en hauteur dans trois zones. Dans la paroi du four 8 sont ménagés des canaux 9 pour la circulation de l'air de refroidissement, et sont montées des jauges thermiques 10 assuraS le contrôle de la température de la paroi de la chambre de réaction. Un canal il raccorde l'enceinte utile du four à une installation à vide. La partie inférieure du four-peut être hermétiquement fermée par un chapeau 12.Les canaux 9 sont reliés à une tubulure 13 d'air de refroidissement,qui comporte un dispositif 14 pour sa fermeture et des papillons de réglage 15 à l'aide desquels s' effectue la régulation du débit d'air de refroidissement. Le condenseur 2 est réalisé semblabiement à la chambre de réaction 1, et comporte aussi un tube 16, un faux-fond 17 et une bride de jonction 18 ; il est interchangeable avec la chambre de réaction, c'est-à-dire que le condenseur 2 et la chambre de réaction 1 ont la même forme et ces pièces identiques pour la connexion aux autres organes de l'appareil : au four électrique 8, au dispositif de refroidissement et à la section médiane 3. La section médiane, représentée sur la fig. 2, est une structure soudée avec des brides de jonction 19, au centre de laquelle est ménagé un canal principal 20 reliant les enceintes de la chambre de réaction 1 et du condenseur 2 ; ce canal est obturé par un dispositif de fermeture lors de la réduction. Suivant l'invention, la commande de ce dispositif passe à travers la section 3 et est dégagée sur sa surface extérieure. Dans l'exemple considéré, le canal principal 20 est obturé par une soupape 21 accouplée à un bras tournant 22, qui est calé sur l'arbre 23 (fig.3 et 4). L'arbre 23 est monté dans un tube porteur 24, qui-traverse la section médiane et débouche sur sa surface- extérieure, où il est doté d'un chapeau 25.La section médiane est traversée par deux conduites qui constituent les canaux de raccordement 26 (fig. 2) pour l'admission du magnésium liquide, et 27 (fig.4) pour l'admission du tétrachlorure de titane. Ces tubes débouchent sur la surface extérieure de la section médiane et peuvent être hermétiquement fermés par des obturateurs 28 et 29. Dans la section médiane est ménagée une chambre annulaire 30 (fig. 2 et 4), hermétiquement séparée des enceintes intérieures de la section. La chambre annulaire 30 est réalisée dans la partie cylindrique supérieure 31 saillante, et elle est mise en communication avec l'enceinte utile du condenseur 2 par des orifices 32 ; -par le canal de raccordement 33 (fig. 1 et 2), la chambre 30 peut être reliée à la conduite de vide. La partie 3 de la section médiane, faisant saillie dans le condenseur 2, constitue avec la surface intérieure de celui-ci une enceinte annulaire 34 de 10 à 20 mm de largeur, ce qui permet d'assurer la formation, entre le bord de la partie saillante 31 de ia section médiane et la surface intérieure du condenseur, d'une couche filtrante de condensat des produits de séparation sous vide. La section médiane est réalisée étanche, partagée par des cloisons circulaires 35 (fig. 2 et 4) en une série d'enceintes mises en communication entre elles par des orifices 36, et constituant l'enceinte intérieure de la section. Les cloisons circulaires de la section médiane, ses fonds et son enceinte intérieure jouent le rôle d'écran thermique entre l'enceinte utile du condenseur et l'enceinte utile de la chambre de réaction, et ils protègent le canal 20 contre le refroidissement, afin d'y prévenir la condensation des produits de la distillation sous vide de l'é- ponge de titane. Pour évacuer le gaz de l'enceinte intérieure de la section médiane, il est prévu un raccord 37 (fig.2). Pour l'admission d'un gaz inerte et la mesure de la pression dans la chambre de réaction, il est prévu un raccord 38 passant à travers la bride de la section médiane. La section médiane accouple la chambre de réaction et le condenseur à l'aide de boulons d'assemblage 39 (fig. 5), un anneau d'étanchéité en caoutchouc 40 étant interposé entre les brides pour assurer l'étanchéité de la jonction. Afin de prévenir la destruction des anneaux d'étanchéité, des canaux 41 sont ménagés dans les brides pour la circulation d'eau de refroidissement. Sur les brides 18 du condenseur 2 (fig. 1) est placé un dispositif de refroidissement, qui comprend des caissons d'eau 42, une rampe d'aspersion circulaire 43, une chambre 44 pour la collecte de l'eau débitée par la rampe circulaire. L'eau de refroidissement est admise aux caissons et à la rampe annulaire par une tuyauterie de distribution 45. L'eau sort de la chambre 44 par un raccord 46. Entre les caissons 42 et la paroi du condenseur 2, il se forme une jaquette d'air 47 ouverte à la partie supérieure et communiquant à la partie inférieure avec l'atmos- phère par un orifice 48 percé dans la chambre 44. L'appareil fonctionne de la façon suivante. I1 est monté comme le montre la fig. 1. On ouvre la soupape 21 à l'aide de la commande du dispositif de fermeture, en mettant en communication les enceintes de la chambre de réaction 1 et du condenseur 2. On connecte le canal de raccùrdement 33 à la conduite de vide, on évacue l'air et on vérifie l'étanchéité d'assemblage de l'appareil. A travers le raccord 38 (fig.2), on remplit l'appareil de gaz inerte jusqu'à une pression effective de 0,05 à 0,2 atm. On place l'appareil dans le four 8 et on chauffe jusqu'à une température proche de 800"C, après quoi, par le canal 26, on verse dans l'appareil la quantité nécessaire de magnésium liquide et on met l'obturateur 28 en place sur la tubulure 26. On ferme la soupape 21 et, par le canal 27 (fig. 4), on admet avec un débit prédéterminé le tétrachlorure de titane. I1 se forme dans l'appareil du titane métal et du chlorure de magnésium résultant de la réaction 2Mg + Tical4 = 2MgCl2 + Ti Par suite de la réaction exothermique, l'appareil se chauffe au niveau du magnésium liquide. On coupe le chauffage de la partie supérieure de l'appareil et, à travers les canaux 9 (fig. 1), on souffle la zone de réaction avec de l'air de refroidissement. L'intensité de soufflage se règle de telle façon que la température de la paroi de la chambre de réaction se situe entre 780 et 8600C. Le titane métal descend sur le-fond de la chambre de réaction et forme un bloc d'éponge de titane au-dessus du faux-fond 6. Le chlorure de magnésium descend dans la partie inférieure de l'appareil et est périodiquement évacué par le tube 4. Après utilisation de 60 à 65% du magnésium chargé par suite de la réaction indiquée plus haut, on coupe l'admission du tétrachlorure de titane. Le processus de réduction s'achève alors et on prépare l'ap- pareil à la séparation sous vide des produits de réduction. La séparation sous vide peut être exécutée avec utilisation d'un four spécial, dans lequel on transporte l'appareil chaud du four où a été exécutée la réduction. Mais la séparation sous vide peut aussi être exécutée dans le four représenté en fig. 1 et décrit plus haut, ce four étant destiné à la réalisation des deux processus. Plus loin, on donne la description des opérations de préparation pour l'exécution de la séparation sous vide et de sa réalisation avec utilisation du four représenté en fig.1. Sur le tube 4, on monte le chapeau 5. A l'aide du chapeau 12 et du dispositif 14, on rend le four 8 étanche. On ouvre la soupape 21 pour mettre en communication, par le canal principal 20, les enceintes de la chambre de réaction et du condenseur on monte l'obturateur sur le canal 27 (fig.4) d'admission du tétrachlorure de-titane et le chapeau sur la sortie de l'arbre 23, puis, par des canaux de raccordement 33, on évacue le gaz inerte de l'enceinte de l'appareil. Simultanément, on évacue le gaz de l'enceinte intérieure de la section médiane par le raccord 37 (fig. 2) et de l'enceinte intérieure du four par le canal 11 (fig. 1). On ouvre l'eau pour le refroidissement de la surface extérieure du condenseur ; l'eau est débitée par la rampe d'aspersion 43 et circule dans les caissons 42. La séparation sous vide des produits de réaction commence. A l'aide du four 8, on établit la température de la paroi extérieure de la chambre de réaction à 980"C environ. Le magnésium résiduel et le chlorure de magnésium contenus dans l'éponge de titane sont distillés ; ils se condensent sur la paroi intérieure du condenseur 2. L'aspersion de la paroi extérieure assure la condensation des vapeurs, principalement sur la paroi du condenseur et partiellement sur la surface supérieure de la partie saillante de la section médiane, et entrave le passage des vapeurs de magnésium et de chlorure de magnésium à l'enceinte annulaire 34, car au-dessus d'elle, entre la paroi du condenseur et le bord de la partie saillante de la section médiane, il se forme une couche filtrante de condensat. Ensuite, on détermine par la méthode classique la fin de la distillation des constituants volatils. On coupe le chauffage de l'appareil, on remplit l'appareil de gaz inerte et on le sort du four pour le refroidir jusqu'à une température proche de la température normale d'intérieur, après quoi on le démonte. Dans le cas d'utilisation d'un condens-eur interchangeable avec la chambre de réaction, après démontage de l'appareil, le condenseur ensemble avec le magnésium condensé lors du processus précédent est utilisé en tant que chambre de réaction pour le processus suivant. La section médiane 3 peut être réalisé comme représenté par les fig. 6 et 7, c'est-à-dire symétrique par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe. Dans ce plan, on dispose un anneau 49, dans lequel est monté un papillon 50 fermant le canal principal qui relie les enceintes du condenseur 2 et de la chambre de réaction 1. Une telle conception de la section mediane comporte un nombre double de canaux de raccordement. Pour diminuer le nombre de conduites, les canaux pour l'admission du magnésium et du tétrachlorure de titane, débouchant sur chaque côté de la section médiane se connectant au condenseur ou à la chambre de réaction, sont réalisés dans une seule tubulure 51, concentriquement. Les canaux de raccordement pour l'admission des réactifs peuvent être hermétiquement fermés par des chapeaux 52. Le papillon 50 est fixé sur un arbre 53 qui sort au-delà de la surface latérale de la section médiane, où la sortie de l'arbre peut être obturée par un chapeau 54. Dans le cas d'un appareil ainsi réalisé, ayant exécuté la séparation sous vide des produits de réduction, à l'aide du papillon 50, on ferme le canal principal reliant les enceintes de la chambre de réaction et du condenseur, on démonte le condenseur 2 ensemble avec la section médiane 3, on connecte au côté libre de la section médiane une chambre de réaction, d'où l'éponge de titane a été extraite, et l'appareil-est préparé pour la réduction suivante des halogénures de titane par le magnésium, avec utilisation des réactifs restés dans le condenseur après la séparation par le vide précédente. il faut alors fermer hermétiquement les canaux de raccordement inutiles pour la réalisation du processus dans la position actuelle de l'appareil. L'utilisation d'une section médiane réalisée symétrique, avec une chambre de réaction et un condenseur interchangeable, diminue le nombre d'opérations de montage, supprime le contact du condensat avec l'atmosphère et, par cela même, augmente le rendement en éponge de titane pour une haute qualité du métal produit. Quoique la description soit faite concernant la fabrication de l'éponge de titane, l'invention peut aussi être appliquée à des appareils pour la réalisation de processus analogues dans la production d'autres métaux réfractaires, par exemple du zirconium. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Un appareil pour la réduction des halogénures de métaux réfractaires, notamment de titane, suivie de la séparation sous vide des produits de réduction, comprenant une chambre de réaction et un condenseur dont les enceintes sont reliées entre elles par un canal principal qui est fermé par un dispositif de fermeture au cours de la réduction, et des canaux de raccordement pour l'admission des réactifs à l'enceinte de la chambre de réaction et pour la connexion du condenseur à une conduite de vide, caractérisé en ce qu'il est réalisé en plusieurs sections ou zones et qu'il comprend notamment une section médiane (3) aux côtés opposés de laquelle sont hermétiquement connectés par leur bout ouvert, la chambre de réaction (1) et le condenseur (2) ; que la section médiane sépare hermétiquement l'enceinte de la chambre de réaction de celle du condenseur et sert d'écran thermique et qu'à travers la section médiane passe ledit canal principal (20), ainsi que la commande dudit dispositif de fermeture et les canaux pour l'admission des réactifs à l'enceinte de la chambre de réaction et pour la connexion du condenseur à la conduite de vide, ces canaux débouchant sur la surface extérieure de la section médiane. 2. Un appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la section médiane a une partie (31) en saillie dans le condenseur (2), qui forme,avec la-surface intérieure de celuici, une enceinte annulaire (34), dans laquelle débouche le canal de raccordement (33) pour la connexion du condenseur à la conduite de vide, canal qui traverse la section médiane et sort sur sa surface extérieure, la largeur de l'enceinte annulaire étant choisie dans des limites assurant la formation, entre le bord de la partie saillante (33) de la section médiane (3) et la surface intérieure du condenseur (2), d'une cloison filtrante en produits de séparation sous vide condenses. 3. Un appareil suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la chambre de réaction (1) et le condenseur (2) sont réalisés interchangeables. 4. Un appareil suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la section médiane (3) est réalisée symétrique par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe, et qu'elle comporte un nombre double de canaux de raccordement débouchant sur chacun de ses côtés et dotés d'obturateurs pour les fermer selon les opérations de fabrication à exécuter dans la chambre de réaction (1) et le condenseur (2).