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, La présente invention se rapporte à la. production d'un carbure de.titane perfectionné.
La demande de tétrachlorure de titane susceptible d'être réduit directement en titane dit "spongieux" croit constamment. Dans un des procédés connus de fabrication de tétra- chlorure de titane, on fait réagir du chlore avec du carbure de titane (TiC). Les composés du titane sont généralement produits dans un four à arc dans lequel un mélange de matières titanifère et carbonée est fondu pour former du carbure de titane qui peut être chloruré. Toutefois, ce produit est dense, son poids spé- cifique étant d'environ 4,93 g/cm3 et réagit lentement avec le chlore pour former du tétrachlorure de titane, en raison de la
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surfa.ce limitée disponible pour la réaction. Par conséquent,' la pénétration de la surface par le gaz est lente et les conditions de la réaction doivent être soigneusement réglée.
Le but général de la présente invention est de produire un carbure de titane poreux possédant de meilleures propriétés de surface et se prêtant à la production de tétrachlo- rure de titane.
Le carbure de titane poreux a'une structure faite de particules cristallines fines reliées ensemble avec suffisamment de fermeté et de force cohésive pour qu'il puisse être traité et manipulé sans se désintégrer. Cette matière a un poids spécifiquè apparent d'environ 1,13 g/cm3 soit approximativement 23% du poids spécifique théorique du carbure de titane, et elle se présente en nids d'abeilles comportant de petits passages s'étendant de la partie extérieure à l'intérieur.
Elle offre, par conséquent, une superficie plusieurs fois plus grande que celle du carbure classique fondu. La super- ficie est de 0,030 à 0,130 m2 par gramme, et le poids spécifique apparent se situe dans la gamme de 26 à 36 g/pouce cube (1,58 à 2,19 g/cm).
Suivant le procédé de la présente invention, le produit perfectionné est préparé en mélangeant intimement une matière très divisée contenant de l'oxyde de titane, de préférence une matière de haute pureté comme le rutile, et une matière carbonée très divisée en proportions approximativement stoechiomé- triques pour la réduction de pratiquement tout l'oxyde de titane en carbure de titane, en plaçant une charge faite de ce mélange dans un récipient de chauffage, en chauffant la charge initiale- ment le long d'une partie centrale de celle-ci, à une température de réaction suffisamment élevée pour achever la réaction désirée, mais au dessous d'une température proche du point de fusion de la masse obtenue.
la charge est chauffée progressivement vers l'exté- rieur, tandis que les parties qui ont réagi sont maintenues au-
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dessous de la température voisine du point de fusion, et ce . chauffage est poursuivi jusqu'au moment où la réaction désirée au sein de la. charge est pratiquement achevée. La nature de la charge et l'application soigneuse de la chaleur provoque l'éli- mination de la matière vola.tile dégagée au cours de la réaction de manière qu'il en résulte une distribution sûre et uniforme du gaz sur la surface entière. La matière volatile produite traverse en s'élevant la masse entière, et laisse dans le produit une série d'intersitces connectés qui confèrent au produit le caractère spongieux.
Le volume de la charge n'est pas considérablement altéré par le dégagement des gaz, et le poids spécifique du pro- duit est sensiblement abaissé en raison dela manière dont la matière volatile est éliminée.
Il en résulte un produit qu'on peut très facilement faire réagir avec le chlore.
Bien que tout minerai titanifère, par exemple l'ilménite, la perovskite, ou le laitier Sorel, une ilménite partiellement réduite, puisse être utilisée dans la conversion en carbure, le rutile est préféré en raison de sa haute teneur en oxyde de ' titane (généralement supérieure à 96%).
Une préparation soignée de la charge est requise pour atteindre les résultats avantageux de la présente invention.
Le minerai, qui pourrait se présenter sous la forme d'un sable normal de plage, est mélangé avec du coke.de pétrole brut ou calciné très divisé. Il faut une dispersion aussi parfaite que possible du coke dans le minerai pour faire réagir tout le titane et obtenir un produit uniforme. Le rainerai est générale- ment en particules de 0,3 mm ou moins, et le coke a, de préfé- rence, des dimensions de particules de 0,8 à 3,3 mm. De la. sciure de bois et de l'eau sont ajoutées pour accroître la perméabilité aux gaz.
La sciure de bois augmente, en outre, la masse de la char ge et l'eau intervient pour empêcher la. ségrégation des partir cules de la charge. En, général, on maintient un rapport soechio-
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métrique entre le carbone et le dioxyde de titane choisi pour la réduction complète du titane en carbure. On a découvert, toutefois, aucune quantité de carbone légèrement inférieure à celle théoriquement nécessaire pour produire le carbure de titane est avantageuse pour renforcer le produit poreux résultant.
On donne ci-après une gamme préférée de mélanges se prêtant à la production du carbure de titane poreux conforme à la présente invention :
EMI4.1
<tb> % <SEP> en <SEP> poids
<tb>
<tb> Rutile <SEP> 60 <SEP> - <SEP> 65 <SEP>
<tb>
<tb>
<tb> Coke <SEP> 25 <SEP> - <SEP> 30
<tb>
<tb>
<tb> Sciure <SEP> de <SEP> bois <SEP> 4 <SEP> - <SEP> 10
<tb>
<tb>
<tb> Eau <SEP> 3 <SEP> - <SEP> 5
<tb>
Dans les dessins:
La figure 1 représente une vue en plan, avec parties arrachées, d'un four quelconque à résistance électrique compor- tant une charge, dans lequel le procédé de la présente invention peut être exécuté;
La figure 2 représente une vue suivant la ligne 2-2 de la figure 1 et
La figure 3 représente une vue suivant la ligne
3-3 de la figure 2, représentant la charge après l'achèvement de la réaction;
Sur les figures 1 à 3, une charge de mélange de réac- tion 10 à chauffer est préparée et introduite dans un four à résistance électrique 12, par exemple un four du type dit "Acheson" comportant des parois réfractaires 14 et des électrodes de borne 16 s'étendant à travers les parois d'extrémité opposées du four.
La charge 10 est introduite dans le four de façon à l'amener.à peu près au niveau des électrodes de borne 16, et une série de barres conductrices en carbone 18 sont placées dans le four, de
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préférence transversalement au flux prévu du courant, disposées perallèlement et espacées les unes des autres et des électrodes de borne. Ces conducteurs servent d'éléments de démarrage pour l'amorçage de la réaction. Dans les espaces entre,les barres, on introduit une matière de résistance granulaire 20, par exemple du carbone ou du graphite broyé. Le four est ensuite chargé d'une nouvelle couche de mélange de réaction jusqu'à un niveau choisi pour qu'il y ait pratiquement autant de mélange au-dessus des barres conductrices'ou'au dessous des barres conductrices.
On fait passer un courant électrique par les électrodes de borne 16 dans le four et par la matière granulaire de résistance 20, qui s'échauffe et, en même temps, chauffe les barres conductrices et forme un élément chauffant dans le mélange de réaction.
Il est clair que l'agencement de l'élément de démarrage représenté est purement exemplatif et que d'autres agencements peuvent remplir la même fonction. Par exemple, les barres de démarrage peuvent être disposées longitudinalement par rapport eu four. Si la charge est d'une longueur considérable, les barres peuvent être courtes, mais se recouvrir à leurs extrémités pour assurer le contact nécessaire. De longues barres étroites placées transversalement à travers le centre de le. charge, à intervalles espacés ou s'étendant d'une plaque de contact à l'autre, peuvent également être utilisées.
Les espaces intermé- diaires non occupés par les barres peuvent alors être remplis de poudre de graphite d'une manière semblable à celle représentée dons les dessins, pour connecter les côtés, des barras et pour maintenir le mélange hors de ces espaces.
Un mélange préféré qui s'est avéré extrêmement, intérse sant pour préparer le carbure de titane suivant la-présente invention est constitué comme suit;
EMI5.1
<tb> %en <SEP> poids
<tb>
<tb> Rutile <SEP> 64,0
<tb>
<tb> Coke <SEP> de <SEP> pétrole <SEP> 28.0
<tb>
<tb> Sciure <SEP> de <SEP> bois <SEP> 4,5
<tb>
<tb> Eau
<tb>
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La matière, après avoir été intimement mélangée, èst chargée dans l'auge d'un four à résistance directe de la manière décrite avec référence aux dessins. La tension de démarrage est ensuite appliquée pour chauffer suffisamment les éléments de démarrage et amorcer la réaction de réduction du TiO2 du rutile.
La résistance des barres de graphite et du mélange tombe-dès que le four s'échauffe, et la tension appliquée est progressivement réduite pour n'introduire finalement dans le four que suffisamment de courant pour maintenir une température de 1.500 à 2.000 C.
Le earbure de titane, dès qu'il est formé autour des barres de résistance sert à véhiculer le courant à travers la charge et la réaction s'avance progressivement vers l'extérieur depuis la partie centrale entourant les éléments de démarrage.
Finalement, le carbure de titane atteint un point où les parois du four sont susceptibles d'être attaquées par la chaleur produite et la réduction est alors arrêtée. Après une période de refroidis- sement, la partie non transformée 24 de la charge qui enveloppe la masse de réaction ou "noyau" 22 est retirée et le noyau entier 22 du carbure de titane, qui se présente sous une forme elliptique comme le montre la figure 3, peut être retiré de l'auge d'un seul bloc.
La partie non transformée de la charge peut être réutilisée dans des mélanges ultérieurs. la matière volatile qui se dégage au cours de la réaction s'élève dans la masse entière et sert à réduire ainsi sensible- ment la densité du produit et à laisser en même temps dans le noyau spongieux une série d'interstices communicants dont la fonction est demultiplier plusieurs fois les surfaces rendues disponibles pour la réaction ultérieure avec le chlore. Il est extrêmement important que la puissance d'entrée soit à tout moment suffisamment basse pour éviter la fusion d e la masse, parce que même des températures voisines du point de fusion pourraient augmenter la densité du produit.
On a constaté qu'environ 2 kWh pour 450 g de carbure de titane suffisent pour produire la structure
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asi talline desirée du carbure qui caractérise le produit obtenu par le procédé de la présente invention. Ce bas facteur d'énergie représente une économie mprquée dans la production du carbure.
Etant donné que dans le procédé normal de production du carbure de titane par fusion à l'are il faut par kg de matière approxima- tivement 10 Kwh
En dépit du fait que la forme physique du carbure de titane résultant permette un broyage facile en dimensions convenant pour l'alimentation d'une chambre de chloruration, la structure cristalline est telle que les particules sont suffisamment liées les unes aux autres pour éviter une abrasion importante en fines au cours-du traitement. l'avantsge principal de cette matière poreuse est son aptiaude à une' chloruratin rapide immédiatement après la pénétertin du chlore dans une chambre contenant la matièrele chlore attaque les surfaces multiples du carbure et la partie inférieure de la. charge de la.
chambre de chloruration est généra- lement transformée en tétrachlorure vola.til avant que le chlore n'atteigne le carbure des parties supérieures. Le caractère critique du volume de chlore introduit est de ce fait considé- rablement atténué et le tétrachlorure peut être soutiré au sommet sans la crainte qu'il y ait une addition excessive de chlore.
Un mélange de carbure 'de titane sous la forme de la présente invention'et de carbure de titane résultant d'un procédé classique par fusion est introduit dans une chambre de chlourratin et du chlore est introduit à un dbit élevé que permet la chlour ration du carbure du type poreux conforme à la présente'invention...
Après un certain temps on constate que le produit le moins dense a complètement réagi, tandis que des morceaux dé carbre non tranformé du type classique sont retrouves dans les résidus em bonés au fond du réacteur.
En outre, il n'y a pasde perte de la capacité produc tive par l'utilisation du produit le moinsdense, étant donné que la
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chloruretion se fait à une vitesse qui compense avantageusement 1:' différence des poids. Le caractère exothermique supérieur dû à 1. vitesse accrue de la chloruration favorise la rapidité de la transformation du carbure en tétrachlorure, et le poids de 10 .matière transformée, en utilisant le carbure le moins dense de la présente invention, est, de ce fait, généralement supé- rieur au'poids transformé du carbure fondu des procédés connus.
L'exemple spécifique ci-après illustre la réalisation de la présente invention.
On introduit dans un four à résistance directe un mélange formé des constituants suivants:
EMI8.1
<tb> Rutile <SEP> 23. <SEP> 906 <SEP> kg <SEP> (dont <SEP> 14.882 <SEP> kg <SEP> de <SEP> Ti)
<tb>
<tb> Coke <SEP> de <SEP> pétrole <SEP> la.459 <SEP> kg
<tb>
<tb> Sciure <SEP> de <SEP> bois <SEP> 1.681 <SEP> kg
<tb>
<tb> Eau <SEP> 1.308 <SEP> kg
<tb>
<tb>
<tb> 37.354 <SEP> kg
<tb>
Le four a une longueur de 30 pieds (9,1 m) entre les électrodes de borne, une largeur de 6 pieds (1,8 m) et ses parois latérales ont une hauteur approximative de 4 pieds (1,2 m). Le mélange est introduit dans l'auge jusqu'à la prô- fondeur approximative des électrodes de borne et des barres de résistance en graphite sont disposées transversalement à travers la charge.
Les barres sont des carrés de 4 pouces (10,2 cm), d'une longueur de 50 pouces (127,0 cm) et sont posées côté à côte sur toute la longueur du four à des intervalles de 4 pouces (10,2 cm). Ces surfaces inoccupées sont alors remplies de poudra de graphite. Le reste du mélange est alors introduit dans le four et empilé, au sommet pour former une section transversale pyramidale d'une hauteur approximative de 7 pieds (2,1 m).
Pour obtenir une température comprise entre 1.500 et 2.000 C, on applique initialement une puissance d'entrée de 1.000 kW.
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On fait démarrer le four à 200 volts et on le maintient ce niveau pendant 3 heures. Après cette période, en raison de la réduction dela résistance des barreset de la charge, la. même puissance est maintenue à 157 volts. La tension est de nouveau réduite après 2 heures à 141, et en ce moment la puissance d'entrée s'élève à 1. 250 kW et après une autre période de 2 heures, cette puissance est maintenue à 112 volts seulement.
Ensuite, et pour le reste d'une période de 48 heures, on utilise une puissance d'entrée de 1. 500 kW à 107 à 104 volts, pour une con- somatin totale d'énergie de 61,270 kwh
La matière qui n'a pas réagi est enlevée, laissant à nu le noyau de carbure de la charge, qui présente une sectin transversale elliptique et qui. mesure 68 pouces (172,7cm) de largeur et 34 pouces (86,4 cm) de hauteur..On enlève le noyau de l'auge. La moitié supérieure est facilement séparée de la moitié intérieure, et les barres de résistance sont récupérées en vue de leur réutilisation.
De tout le titane disponible dans la charge, on en obtient 19.060 livres (8637 kg) sous la. forme de 27.3'75 livres (12,410 kg) de carbure de titane. Ceci représente une conversion de.5'8,1 % des 32.810 livres (14. 877 kg) de titane que contient. le rutile. Sur la base du carbure total produit (27.375 livres ou 12.410 kg) et de l'énergie totale consommée (61.270 kwh) il ne faut que 2,24 kWh poux,.produire une livre (0,450 kg) de car- bure de titane.
L'analyse du carbure de titane décrit ci-dessus donne les résultats suivants:
EMI9.1
<tb> Titane <SEP> 69,63%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Carbone <SEP> 23,75
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> N2 <SEP> 1,11
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> fer <SEP> 0,78
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Silicium <SEP> 0,45
<tb>
<tb>
<tb> Aluminium <SEP> 0,19
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Chrome <SEP> 0,28
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Vanadium <SEP> 0,61
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Zirconium <SEP> 0,56
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Soufre <SEP> ,080
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 98,16%
<tb>
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On introduit dans un appareil de chloruration approxima- tivement 54.
660 livres (24.389 kg) de carbure de titane produit de la façon décrite ci-dessus pour obtenir au total 142.200 livres (64.497 kg) de tétrachlorure de titane brut, ce qui représente une récupération de plus de 94% du titane disponible du carbure. Il reste approximativement 12.500 livres (4. 762 kg) de résidu après l'achèvement du processus de chloruration. Ce chiffre comprend environ 22.,8%,de la charge totale et consiste principa- lement en carbone.
R E V E N DI CATIONS
1.- Procédé de production de carbure de titane à partir d'une matière titanifère contenant une quantité substan- tielle d'oxyde de titane en chauffant une charge de cette matière dans un récipient de chauffage, caractérisé en ce qu'on forme la charge en mélangeant intimement une matière titanifère très divisée et une matière carbonée très divisée en proportions approximativement stoechiométriques pour la réduction de prati- quement tout l'oxyde de titane en carbure de titane, on chauffe ,la charge dans le récipient de chauffage à une température suffisamment élevée pour réduire l'oxyde de titane en carbure de titane et telle qu'elle provoque le déplacement ascendant à travers la masse entière de la matière volatile dégagée au cours de la réaction,
on règle ce chauffage de manière à maintenir la température régnant dans le récipient de chauffage au-dessous de la température proche du point de fusion de la masse produite, et on poursuit ce chauffage jusqu'au moment où la réaction désirée est pratiquement achevée.