Brevet FR2145462A1 — publié le 19730223

L'invention concerne une nouvelle composition de bioxyde de titane obtenue par préparation des minerais titanifères, supérieure au rutile naturel pour ses propriétés comme matériaux de base pour la fabrication de pigments de bioxyde de titane. Dans les années récentes, les dépôts naturels produisant du rutile ont été sérieusement épuisés. Le rutile a été le matériau principal de base pour la production des pigments de bioxyde de titane utilisés dans de larges quantités, dans les peintures, le caoutchouc et les papiers. Une autre source potentielle de bioxyde de titane est constituée par des minerais titaniféres (nTio2mFexoy). La préparation des minerais titanifères > afin d'accrottre matériellement la proportion de bioxyde de titane, est maintenant bien connue. Pour enlever les parties indésirables du minerai, on a employé des procédés aqueux et non aqueux, comprenant une filtration avec un acide et une base, et égalerrent des scories, et enfin une chloration.La chloration des minerais titaniferes a consisté, ou à convertir la masse entière de minerai en un mélange de chlorures volatils de titane, de fer et dXautresmétaux ex et de séparer ces composants par des distiliations pour produire essentiellement du tétrachlorure de titane pur,ou, préférentiellement, une chloration de l'oxyde de fer et des autres oxydes métalliques qu'on peut chlorer facilement sans chlorer toutefois les composants d'oxyde de titane. Cependant, jusqu la présente invention, la chloration produisait ou un produit ayant une importante quantité de fer, car la chloration s'arrêtait à cause de b diminution en titane, ou comme la chloration se poursuivait suivant les mmes procèdes pour obEirun produit contenant peu de fer, une baisse signifi - tive du titane s'esiwait Une chloration continue produit un bioxyde de titane qui ntest pas souhaitable car il est doux et a tendance à former de fines particules qui conduisent à une perte de titane aussi bien dans le procédé qui suit. A cause de sa résistance physique et de sa dureté chimique, le rutile est utilisé de préférence comme matériau de base pour la production de pigments de bioxyde de titane par chloration de tétrachlorure de titane , puis oxydation du pigment final sous forme de bioxyde de titane. Le rutile, a cependant l'inconvénient que sa chloration, dans beaucoup de cas, est plus lente et plus difficile qu'avec les minerais maintenant connus. On a découvert une nouvelle composition de bioxyde de titane qui est un matériau de base préférable pour la production de pigments de bioxyde de titane. Le produit a une plus grande pureté, meilleure masse volumique et dureté que les minerais produits par les méthodes précédemment connues. Pour l'utilisation Comme matériau de base dans un lit fluidisé, la nouvelle composition en question , qui est le sujet de l'invention, est préférable obtenus par aux produits filtrage à cause de sa plus faible porosité et des pores plus larges réduisant la friabilité et les pertes par tamponnage. Les surfaces importantes manifestées dans les produits filtrés sont évitées du fait de la réduction de l'eau absorbée dans les particules. L'eau absorbée a l'inconvénient de provo quer une perte de chlore dans le procédé à lit fluidisé chloré par conversion du chlore en acide hypochlorique.Le taux de chloration du nouveau composé en question se situe entre celui du rutile naturel et celui des produits filtrés et est suffisamment élevé pour que des bénéfices résultant de la diminution de la profondeur des lits et de l'accroissement du ratio Co2/Co dans le lit fluidisé chloré puissent etre obtenus. Les taux de chloration sont indiqués sur la figure 1, dans laquelle on a porté enabscisse les minutes, en ordonnée le poids restant, la courbe A représentant le produit filtré, la courbe B la composition actuelle, la courbe C le rutile. L'invention propose une nouvelle composition de substances de bioxyde de titane comprenant 95 à 99,5%, en poids, de bioxyde de titane, jusqu'à 1%, en poids, d'oxyde de fer et d' oxydes de métaux facilement chlorables, les silicates et autres oxydes restants étant difficiles à chlorer. La nouvelle composition en question a une masse volumique de l'ordre de 1,6 à 2,4 g. par cm3, une dureté Vickers de 275-650, et une porosité de 0,03 à 0, 1 cm3 par gramme. Le produit est utilisé comme pigment. Un procédé pour la production de la composition selon l'invention comprend le passage du chlore à travers un lit fluidisé de 61cm d'épaisseur ayant un diamètre de lm, 65 (2, 2m2 de surface) d'un mélange de minerais titanifères contenant 10 à 30jlo, en poids, de carbone, à une température de 900 à 11000C, au taux de 15cm par seconde utilisant 1,7 m3 par minute de chlore avec l'air et l'azote pour maintenir la vitesse et la température. La fluidisation du lit apparat lorsque le chlore est totalement consommé à l'inté- r ieur du lit, tandis que les chlorures de fer, et principalement, les chlorures ferreux et les autres chlorures de métaux, sont produits. Ces chlorures sont retirés en continu du réacteur à l'état gazeux.Après 20 à 30 minutes, ou une prériode plus longue, ou jusqu'au "tickle point " qui est le point à partir duquel le tétrachlorure de titane quitte le lit, la concentration en oxyde de fer dans le produit est d'environ 2 à 10% en poids. Le titre en fer est diminué plus encore par contact du lit alternativement avec un agent réducteur tel que le monoxyde de carbone, puis avec du clore, jusqu a ce que l'oxyde de fer soit contenu dans le produit de 1% ou moins en poids, comme décrit dans la demande de brevet américaine dont le No de de série est 21 686, déposé le 23 Mars 1970.Le produit peut etre raffiné plus encore après refroidissement en atmosphère réductrice pour enlever le carbone qui nta pas réagi et par son passage à travers un séparateur magnétique pour enlever les particules individuelles contenant des quantités signifi catives d'oxyde de fer. Alternativement, le produit peut etre réalisé par un procédé de recyclage dans lequel le produit contenant partiellement du minerai et du carbone est continuellement ajouté à un réacteur fluidisé opérant entre 900 et 11000C que d ' évacuation et le chlore passe à travers le mélange de minerais tandis que le taux/du lit est égal à la quantité de minerais ajouté au réacteur et refroidi sous réduction. Le minerai froid passe à travers un séparateur magnétique qui sépare le bioxyde detitane ayant jusqu'à 1% en poids d'oxyde de fer. Tout minerai ayant partiellement plus de 1% en poids d'oxyde de fer est recyclé dans le réacteur avec un appoint de minerai. Ce procédé alternatif est décrit plus complètement dans la demande de brevet américain , No de série 4563 déposé le 21 Janvier 1970. Sur la figure 1, le taux de chloration du rutile naturel est representé par la courbe C, le présent produit selon l'invention par la courbe B et le produit filtré réalisé par la méthode précédente utilisant le procédé de filtration par la courbe A. Le poids du produit restant se trouve en ordonnée en grammes et est une fonction du temps de chloration en minutes porté en abscisse. La figure 2 est un relevé du changement de taux de la masse volumique selon la chloration, pour le rutile naturel, courbe F, le produit selon l'invention, courbe E, et le produit filtré réalisé parles méthodesprécédente, utilisant un procédé de filtration > représenté en D. Ce chan gement de masse volumique en gramme par centimètre cube, en abscisse et fonction des substances restantes, en grammes, en ordonnée. La figure 3A est une photomicrographie au grossissement 200 d'un minerai produit par le procédé utilisant la fiLtration. La figure 3B est une photomicrographie au grossissement 200 du nouveau minerai enrichi selon l'invention. La figure 4A est une photomicrographie de la surface d'une particule de rutile au grossissement 500. La figure 4B est une photomacrographie d'une particule du produit selon l'invention. Bien que l'on ne soit pas lié par une théorie, il semble que la plus grande densité et la dureté de la composition selon l'invention résultent de la production do du tétrachlorure de titane dans le lit du réacteur, puis,sa réaction avec l'oxyde is de fer dans mailles du cristal ilménite. I1 est économiquement et techniquement eue souhaitable deprvxhirele tétrachlorure de titane dans le lit et le titre élevé en carbone accroisse la conversion du chlore en tétrachlorure de titane de telle façon quecesot le tétrachlorure de titane et non le chlore qui effectue la conversion des oxydes de fer en chloruresde fer et dépose les molécules de bioxyde de titane dans les particules. I1 est aussi nécessaire d'ravoir des conditions réductrices dans le lit et l'on fournit donc un excès de carbone dans le réacteur afin de maintenir ces conditions réductrices tout le temps. est On peut penser que la réaction globale dans le lit/ la réaction (a), tandis que les autres réactions se produisant lors du processus, sont (b), (c) et (d) , comme suit: (a) 1/2 C + FeO. TiO2 + C12 = FeC12 + TiO2 + 1/2CO2 (b) TiO2 + 2C12 + 2C = TiC14 + CO et CO2 dans un rapport de 9 pour 1 à 10000C (c) TiC 14 + 2FeO. TiO2 = 2FeC12 + Tir2. 2TiO2 (d) 3/4 TiC14 + FeO 1.5.TiO2 = Fez13 + 3/4 TiO2. TiO2 L'équipement utilisé pour l'application du procédé peut être un équipement de chloration fluidisé conventionnel. Le matériau carboné devrait etre, de préférence, un faible consommateur de chlore , tel que du charbon de bois, du coke de pétrole ou quelque chose de semblable. Le minerai titanifère utilisé a une taille de particule de 300 à 110 microns et peut avoir une de fer composition de 40% d'oxyde et de 54% de bioxyde de titane. En plus de ces éléments et dépendant de l'origine de l'ilménite, il contient des taux variables de silice et de silicate qui sont difficiles à chlorer, et des oxydes de vanadium, de manganèse et de chrome qui sont aisément chlorables. Les chlorures de métaux secondaires sont principalement constitués de chlorure ferreux et de faibles quantités de chlorure ferrique, de chlorure de manganèse, de chlorure de chrome et de chlorure d'autres métaux. Le courant contient aussi des produits secondaires tels que le monoxyde de carbone, le bioxyde de carbone, l'azote > et une faible quantité de tétrachlorure de titane. Un produit typique obtenu par filtration,fourni par un acide en milieu aqueux filtrant de l'ilménite réduite, a les propriétés montrées dans la colonne A du tableau I. TABLEAU I. A B C D E Produit CO+C1 CO+C1 Rutile Composition 2 2 silon 'invention Tir2 % 95, 55 9, 2 95, 2 95-99, 5 Fe% 1,43 1,7 0,02 Masse volumique g/ cm3 1, 4 1,4 1,16 2, 84 1,6-2, 4 Dureté Vickers 116 199 175 995 275-650 Porosité (g/cm3) 0, 17 0, 03-0,1 Les méthodes de chloration comportent normalement la réaction des minerais avec le chlore et le monoxyde de carbone. Quand le taux d'oxyde de fer restant dans les particules est réduit de 2 à 10%, en poids, dans ces pro cédés, le titane commence à décroître sous la forme de tétrachlorure de titane volatil . Un produit obtenu par cette méthode est indiqué dans le tableau I, colonne B. Si on continue la chloration, on réduira plus encore le titre en fer mais le produit sera et restera doux et friable à cause de la perte en titane dans les particules. Un tel produit a les propriétés montrées dans le tableau I, colonne C. Les propriétés du rutile naturel et les propriétés de la nouvelle composition sont montrées respectivement dans les colonnes D et E. Dans la composition en question, les particules sont essentiellement du bioxyde de titane solide et ont des propriétés de densité, de dureté, de porosité, de taux de chloration, intermédiaires entre celles du rutile et celles des produits obtenus selon les méthodes précédentes. La dureté exprimée dans le tableau 1 est la dureté Vickers déterminée avec un appareil de dureté à micro-empreintes et faibles charges, comme décrit par Zussman, dans Physical Methods in Determinative Mineralogy, Academic Press, London and New-York, 19671 pp. 131-150. La masse volumique a été déterminée par la mesure du poids est celle du volume. La porosité a été mesurée par un porosimètre à mercure dans l'échelle des diamètres de pores, entre 0,2 et 20 microns. Les taux de chloration ont été testés en utilisant 20 grammes de produit ou de rutile naturel dans un lit fluidisé attaqué par un mélange à 50% de CO et 50% de Cl2 à 26 males/min chacun à une température de 10000C. Les résul tats sont indiqués dans la figure 1. Sur cette figure, on place en abscisse le temps en minutes, le poids restant est en ordonnéeet exprimé en grammes, la courbe A correspond au produit filtré, la courbe B à un produit correspondant à la composition actuelle, la courbe C au rutile. Pour examiner le phénomène de l'abrasion des matériaux bruts en lit fluidisé, et sous les conditions de chloration, on a employé un test comportart la réaction de 20 grammes de matériaux bruts à 1. 0000 avec 26 moles/par minute de CO et de C12. Les résultats de séries de mesure de poids, à des intervalles de temps croissants permettent de donner la masse volumique en grammes par centimètre cube, en fonction du poids restant sur un graphique log-log, ainsi qu'il est indiqué sur la figure 2. Un matériau maintenant sa géométrie par diminution de sa surface perdra du volume et du poids dans un rapport constant, et donc,la densité restera constante.Lorsque le matériau se chlorure de façon interne, son volume reste constant, son poids diminue et la pente de la courbe donnant le poids restant, en fonction de la densité est à 450. Les matériaux qui se chlorurent partiellement à la surface et partielle deux ment de façon interne, se placeront entre ces/cas. Lorsque le matériau est faible, au point qu'il se désagrège totalement ou que sa surface se désagrège, la courbe du poids restant en fonction de la densité chutera verticalement. DX a- près ce qui précède, il est clair que l'on peut s'attendre à des pertes pour les différents matériaux. Les figures 3A et 3B sont deux photomicrographies de produits pris au microscope au grossissement 2000. La photomicrographie 3A est un échan tillon de bioxyde de titane obtenu par filtration, la photomicrographie 3B est un échantillon de la composition selon l'invention. Dans la photomicrogra phie 3A, on peut voir une multitude de petits pores, tandis que dans la photo micrographie 3B, il y a plus de pores et ils sont plus importants. Ceci montre clairement la différence résultant de l'emploi du dépôt de titane. Les figures 4A et 4B montrent deux échantillons vus par un microscope électronique de grossissement 5000.En examinant la figure 4A de rutile naturel, on reconnatt que le rutile est très dense et de porosité faible , tandis que la figure 4B donne une preuve claire du grossissement des grains résultant du dépôt de bioxyde de titane, Les propriétés de la nouvelle composition selon l'invention présentent des qualités bénéfiques inattendues.Ce produit peut étre converti en tétrachle rure de titane avec une production minimum de fines particules, ctest-a-dire des petites particules de bioxyde de titane qui sont trop légères pour etre retenues dans le réacteur de chloration utilisé pour la formation du tétra- chlorure de titane, en comparaison del'utilisation du procédé defiLration de minerai La production de fines particules résulte de la perte de titane. Comparé au rutile, il est aussi plus commode d'utiliser le produit selon l'invention qui a un taux de chloration plus grand. La plus grande dureté et le titre de cette composition cariuisrf à minimiser la perte de titane car on créera moins de fines dans la réaction suivante de chloration en vue de former le tétrachlorure de titane. La présente composition a un taux de chloration plus important que le rutile. Ceci permet l'utilisation d'épaisseursde lit plus faibleset a donc l'avantage, de consommer moins de carbone et de produire moins de monoxyde de carbone rendant ainsi le procédé de fabrication du tétrachlorure de titane plus économique et plus star. La suite sert à illustrer le procédé pour réaliser l'invention. Les températures sont exprimées en degrés Celsius et les pourcentages sont en poids sans autre indication. Exemple 1. La composition en question, selon l'invention, a été préparée dans un réacteur à lit de brique, cylindrique et à fond plat, ayant une garniture de briques de 23cm d'épaisseur et un diamètre intérieur de 1 , 65m. Le réacteur portait sur la partie supérieure ur.ecXite d'acier inoxydable pour la sortie des gaz, sur sa face latérale une conduite d'entree d'alimentation des réactants solides dans le réacteur, situé environ à 61cm du fond et un trop-plein à 61cm pour le transfert d'une portion des réactants solides. L- fond du réac- teur était équipé d'un distributeur de gaz ayant des ouvertures sur 3, 8cm. Un mélange de minerai d'ilménite de Murphy et de 25% en poids de coke de pétrole était ajouté au réacteur.Le minerai avait un diamètre significatif de 80 microns et son analyse révélait, en poids, 54,1% de TiO2, 21,0% de FeO, 1,51% de MnO, le restant étant constitué principalement de silicate. Lorsque suffisamment de mélange minerai-coke était ajouté au réacteur, la température à l'intérieur du réacteur était portée à 1.0000, et un mélange de chlore a et d'air passait à travers le lit fluidisé/environ de 1,7m par minute, Par intervalle il était nécessaire de diluer le chlore avec de l'oxygène ou avec de l'azote afin de maintenir la température dans le réacteur à 10000 pour convertir les oxydes de fer en chlorure de fer volatil , principalement en chlorure ferreux, avec de faibles quantités de chlorure ferrique, lesdits chlorures étant transférés depuis le réacteur par 1 conduite de sortie en acier inoxydable avec l'azote, l'acide chlorhydrique et les autres gaz. Lorsqu'on a ajouté une quantité de chlore suffisante pour convertir pouvait complètement l'oxyde de fer du minerai en chlorure ferreux, on remar- quer d'importantes fumées de tétrachlorure de titane dans les gaz d'échappe le ment. On refroidissait réacteur et son contenu, sous condition réductrice, en présence de propane, le contenu du réacteur étant tamisé de façon à pouvoir transférer le carbone qui n'a pas réagi. Le reste du contenupassait à travers avait un séparateur magnétique. On y une première fraction ayant un titre en fer de 1,0% ou moins, en poids, d'oxyde de fer, et une seconde fraction ayant un titre en fer de 1,0% ou plus d'oxyde de fer. Le produit de la première fraction était de couleur crème et avait les propriétés suivantes TiO2% 96,5 Fe% 0,17 Masse volumique g/cm3 1, 73 Dureté Vickers 337 Porosité 0,08 Exemple 2. On introduisait 53 kg d'ilménite et une quantité suffisante de charbon de bois et on chauffait le tout dans le réacteur à chloration. Le chlorateur était un réacteur conventionnel à lit fluidisé de 43 cm de diamètre intérieur, avec une coquille en acier inoxydable garnie de briquesréfractaires, munie sur le coté d'une conduite pour l'introduction des solidesss'un distributeur pour les gaz d'entrée dans le fond et d'un couvercle conique garni de laine minérale, et d'un tuyau pour la sortie des gaz. Le lit était fluidisé par 0,25 m3 d'air. Lorsque la température atteignait 9000C, 113 kg de coke du type Great Lake Petroleum était introduit. L'air était coupé à 10000C et on envoyait 0, 25 m3 de chlore. De temps en temps, de petites quantités d'oxygène étaient égale ment envoyées afin de réduire le flux de chlore et pour maintenir le flux total 9, equilibre à 0 > 25 m3 pour / le bilan thermique. Les gaz d'échappement contenant des chlorures de fer, du gaz carbonique et de petites quantités de monoxyde de carbone et de tétrachlorure de titane étaient lavés par un mordant dans un laveur à courant descendant. On arrêtait le chlore lorsque les émanations sortant du laveur devenaient d'un blanc épais, indiquant du tétrachlorure de titane à travers le lit.Puis on envoyait 0 > 06 m3 d'azote > tandis que pendant dix minutes le carbone du lit réduisait ledit lit, puis on envoyait 0,03 m3 de chlore et ou 22 m3 d'azote jusqu'à ce qu'on observe de nouveau du tétrachlorure de titane dans les vapeurs de sortie. On passait cinq fois par les étapes alternatives de réduction et de chloration. Dans chaque étape de chloration, on stoppait le chlore dès que le tétrachlorure de titane était observé. La chloration variait donc progressivement de 5 à 1 minutes. Le lit était ensuite refroidi, séparé magnétiquement, et séché.Un produit ayant les propriétés suivantes était obtenu TiO2% 96,5 Fe% 0,17 Masse volumique 1,73 g/cm3 Dureté Vickers 435 Porosité 0,075 g/cm3 La composition selon cette invention est directement utilisable comme charge pour du caoutchouc et du papier, quand le composé est sujet à broyage afin de réduire la taille des particules. Par exemple, 1 à 10% en poids du produit peut, premièrement, etre mis sous forme de boule et mélangé à du caoutchouc non vulcanisé. Le caoutchouc non vulcanisé chargé est ensuite mélangé avec des accélérateurs appropriés et compressé à des températures élevées dans un moule, afin de produire un produit caoutchouté coloré, léger et résistant. Comme il est décrit précédemment, la composition selon l'invention est un matériau préféré pour la production de tétrachlorure de titane qui est utilisable pour la production de pigments de bioxyde de titane ou du métal titane. La description détaillée précédente a été donnée pour la clarté et la compréhension mais ne suppose aucune limitation. L'invention n'est pas limitée aux détails exacts montrés et décrits, d'évidentes modifications pouvant être apportées sans en altérer l'esprit. REVENDICATIONS 1. - Bioxyde de titane caractérisé en ce qu'il comprend 95 à 99, 5 %, en poids, de bioxyde de titane, jusqu'à 1, 0% en poids, d'oxyde de fer, combiné à des oxydes métalliques aisément chlorables, le restant étant constitué de silicates et d'oxydes difficilement chlorables ladite composition en question ayant une masse volumique variable entre 1,6 et 2,4 g/cm3 en dureté Vickers de 275 à 650 et une porosité de 0, 03 à 0, 1 cm3/g. 2. - Bioxyde de titane selon la revendication 1 caractérisé en ce que sa masse volumique est comprise, de préférence, entre 1,8 et 2,4 g/cm3. 3. - Bioxyde de titane selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend, Jusqu'à 0, 15%, en poids, d'oxyde de fer combiné à des oxydes de métaux aisément chlorables. 4. - Bioxyde de titane selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend 97 à 99, 5 %, en poids, de bioxyde de titane. 5.- Bioxyde de titane selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend 98 à 99,57o, en poids, de bioxyde de titane. 6. - Bioxyde de titane selon l'une quelconque des revendications 4 et 5 caractérisé en ce qu'il comprend jusqu'à 0, 15%, en poids d'oxyde de fer combiné à des oxydes de métaux aisément chlorables. 7. - Bioxyde de titane selon le revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend 95, 0o, en poids, de bioxyde de titane, 1, 0% en poids de bioxyde de fer, combi- né à d'autres oxydes de métaux facilement chlorables, le restant étant constitué de silicates et d'autres oxydes difficilement chlorables ladite composition de bioxyde de titane ayant une masse volumique de 1,6 à 2,4 g/cm3.