(57)【要約】  金属チタン製造装置は（ａ）マグネシウムを加熱して気体状とする第１加熱部およびその気体状のマグネシウムを供給する第１流路、（ｂ）四塩化チタンを加熱して１６００℃以上の気体状とする第２加熱部およびその気体状の四塩化チタンを供給する第２流路、（ｃ）第２流路が入口流路に連結され、第１流路がのど部に合流し、それによりのど部でマグネシウムと四塩化チタンとが合流して、出口流路で混合ガスが形成され、のど部および出口流路の温度が１６００℃以上に制御された、ベンチュリ部、（ｄ）７１５〜１５００℃の温度範囲の析出用基材を有する、出口流路に連通する金属チタン析出部、（ｅ）金属チタン析出部に連通する混合ガスの排出部を有する。
2012070461.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属チタン製造装置において、該装置が、
（ａ）マグネシウムおよび四塩化チタンから選択される第１材料を加熱して気体状とする第１加熱部および該第１加熱部から気体状の第１材料を供給する第１流路と、
（ｂ）マグネシウムおよび四塩化チタンから選択される第２材料を加熱して１６００℃以上の気体状とする第２加熱部および該第２加熱部から気体状の第２材料を供給する第２流路と、
（ｃ）入口流路、出口流路、および前記入口流路と前記出口流路との間で断面積が小さくなっているのど部を有するベンチュリ部であって、前記第２流路が前記入口流路に連結され、前記第１流路が前記のど部に合流し、それにより前記のど部で前記第１流路および前記第２流路を流れるマグネシウムと四塩化チタンとが合流して、前記出口流路で前記合流した気体状のマグネシウムと四塩化チタンとが混合されるようになっており、前記のど部および前記出口流路の温度が１６００℃以上に制御された、ベンチュリ部と、
（ｄ）前記出口流路に連通する金属チタン析出部であって、７１５〜１５００℃の温度範囲にある析出用基材を有する、金属チタン析出部と、
（ｅ）前記金属チタン析出部に連通する混合ガスの排出部と
を含むことを特徴とする金属チタン製造装置。
【請求項２】
前記第１材料がマグネシウムであり、前記第２材料が四塩化チタンであり、前記第２加熱部は、プラズマトーチおよび四塩化チタン供給部を備え、前記四塩化チタン供給部から供給された四塩化チタンが、前記プラズマトーチにより生成されたプラズマフレームに注入されて、１６００℃以上に加熱されるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の金属チタン製造装置。
【請求項３】
前記第１材料が四塩化チタンであり、前記第２材料がマグネシウムであり、前記第２加熱部は、プラズマトーチおよびマグネシウム供給部を備え、前記マグネシウム供給部から供給されたマグネシウムが、プラズマトーチにより生成されたプラズマフレームに注入されて、１６００℃以上に加熱されるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の金属チタン製造装置。
【請求項４】
前記金属チタン析出部の絶対圧が５０ｋＰａ〜５００ｋＰａである請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の金属チタン製造装置。
【請求項５】
前記第１流路、前記第２流路、前記ベンチュリ部、および前記金属チタン析出部のうちの少なくとも１つが黒鉛壁を有することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の金属チタン製造装置。
【請求項６】
誘導加熱によって前記黒鉛壁の一部または全てを加熱できるようになっていることを特徴とする請求項５に記載の金属チタン製造装置。
【請求項７】
前記析出用基材が９００〜１４００℃の温度範囲にあることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の金属チタン製造装置。
【請求項８】
前記析出用基材がチタンまたはチタン合金でできていることを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の金属チタン製造装置。
【請求項９】
金属チタンの製造方法において、該方法が、
（ａ）マグネシウムおよび四塩化チタンから選択される第１材料を加熱して気体状とする工程と、
（ｂ）マグネシウムおよび四塩化チタンから選択される第２材料を加熱して１６００℃以上の気体状とする工程と、
（ｃ）入口流路、出口流路、および前記入口流路と前記出口流路との間で断面積が小さくなっているのど部を有するベンチュリ部の前記入口流路に前記第２材料を流し、前記第１材料を前記のど部に供給し、前記のど部および前記出口流路の温度を１６００℃以上に制御する工程と、
（ｄ）前記工程（ｃ）で合流させた気体状のマグネシウムと気体状の四塩化チタンとの混合気体を金属チタン析出空間に導入する工程であって、前記金属チタン析出空間は７１５〜１５００℃の温度範囲にある析出用基材を備える、導入工程と、
（ｆ）前記析出用基材上に金属チタンを析出成長させる工程と、
（ｇ）前記工程（ｆ）を経た前記混合ガスを排出する工程と
を含むことを特徴とする金属チタンの製造方法。
【請求項１０】
前記第１材料がマグネシウムであり、前記第２材料が四塩化チタンであり、（ｂ）工程は、四塩化チタンをプラズマ加熱によって１６００℃以上の気体状とすることを特徴とする請求項９に記載の金属チタンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広く言えば、金属チタンを製造する方法および装置に関するものである。具体的には、本発明は、四塩化チタンおよびマグネシウムの混合ガスから金属チタンを析出成長させる金属チタンの製造方法および装置に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
チタンは、軽量で比強度が大きく耐食性に優れており、航空機、医療、自動車など様々な分野にわたって広く利用され、その使用量は増加しつつある。チタンの地殻の埋蔵量は、実用金属元素の中ではアルミニウム、鉄、マグネシウムに次いで４番目に多く、資源として豊富な元素である。このようにチタン資源は豊富にも関わらず、チタンは鉄鋼材料よりも１桁以上も高価であり、供給が不足する現状に直面している。【０００３】
現行の金属チタンの製造の主流はクロール法である。クロール法は、原料であるチタン鉱石（主成分ＴｉＯ２）に塩素ガスおよびコークス（Ｃ）を添加して四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）を製造し、さらに蒸留分離を経て高純度四塩化チタンを製造する。純化した四塩化チタンとマグネシウム（Ｍｇ）との熱還元反応により金属チタンを製造する。クロール法の熱還元工程は、ステンレス鋼製還元反応容器内に予め８００℃以上の溶融マグネシウムを満たし、容器上部から四塩化チタン液を滴下し、容器内のマグネシウムと反応させることによりチタンを生成させる。生成されたチタンはマグネシウム液中に沈下してスポンジ状のチタンを形成する。一方、反応の副生成物である塩化マグネシウムおよび残留マグネシウムは液相としてスポンジ状チタンとの混合物になる。上記反応の終了後、１０００℃以上の高温真空分離プロセスを経て、多孔質のスポンジケーキが得られ、このスポンジケーキを切断、粉砕してスポンジチタンを製造する。
クロール法は実用レベルのチタン素材を製造できるが、熱還元反応と真空分離は別工程で行なわれるために製造に長時間を要する。また、製造はバッチ式であるため、製造能率が低い。クロール法のこれらの課題を克服するために、様々な技術が提案されている。【０００４】
例えば、特許文献１（特公昭３３−３００４号公報）に開示された方法は、四塩化チタンガスとマグネシウム蒸気を反応容器に供給し、反応容器を８００〜１１００℃の温度範囲、かつ１０−４ｍｍＨｇ（１．３×１０−２Ｐａ）の真空に保った状態で気相反応を起こさせ、反応容器内に設置された網状回収材にチタンを析出させて回収する方法である。【０００５】
特許文献２（米国特許第２９９７３８５号明細書）に開示された方法は、金属元素のハロゲン化物蒸気と還元剤であるアルカリ金属又はアルカリ土類金属蒸気を反応容器に導入し、反応容器を７５０〜１２００℃の温度範囲、かつ０．０１〜３００ｍｍＨｇ（１．３Ｐａ〜４０ｋＰａ）の真空減圧状態で気相反応により、金属を製造する方法である。文献２には、ＥｘａｍｐｌｅＩＩにチタンをＴｉＣｌ４ガス＋Ｍｇガスにより生成する方法が示されており、具体的には、反応温度として約８５０℃、圧力として１０〜２００ｍｉｃｒｏｎｓ（１．３〜２６．７Ｐａ）が適用されている。【０００６】
非特許文献１（ハンゼンおよびゲルデマン、ＪＯＭ、１９９８年、Ｎｏ．１１、第５６頁）には、気相反応を通じてチタン超微細粉末を製造する方法が開示されている。この方法は、四塩化チタンガスとマグネシウムガスを反応器に導入し、８５０℃以上の温度で反応させて、生成物としてチタン微細粉末と副生成物のＭｇＣｌ２粉末を下部に設けたサイクロンで分離する。その後、得られたチタン微細粉末からマグネシウムとＭｇＣｌ２を分離するために、真空蒸留かあるいは濾過が適用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特公昭３３−３００４号公報
【特許文献２】米国特許第２９９７３８５号明細書
【特許文献３】特開２００９−２４２９４６号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】ハンゼン、ゲルデマン（Ｄ．Ａ．Ｈａｎｓｅｎ  ａｎｄ  Ｓ．Ｊ．Ｇｅｒｄｅｍａｎｎ）、ＪＯＭ、１９９８年、Ｎｏ．１１、第５６頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明者らの検討によると、特許文献１の方法は少量のチタンの回収は可能であるが、反応容器を１０−４ｍｍＨｇの真空に維持するには、反応物の供給速度を制限する必要がある。真空排気ポンプの大型化、排気能力の増強により処理能力を増強する可能性があるが、工業的な大量処理は困難である。【００１０】
特許文献２の方法も、特許文献１とほぼ同様に、純チタンを回収できるが、低圧状態での製造は製造速度が小さいという問題は残している。【００１１】
非特許文献１の方法で生成した粉末はサブミクロン程度の細かさであり、マグネシウムやＭｇＣｌ２との効率的な分離を実現できず、不純物混入量が多い。そのため、真空蒸留といった別の分離手段が必要である。【００１２】
以上のように、上記のクロール法の問題を解決するために提案された先行技術文献は、四塩化チタンガスとマグネシウムガスとの気相反応を通じてチタンを製造する方法である。しかし、いずれの方法も、基本的には高レベルの真空状態を適用して副生成物のＭｇＣｌ２あるいは未反応物のマグネシウムを分離する必要があり、大量処理が困難であるという問題があった。【００１３】
本発明者らは、ＲＦ熱プラズマフレーム中に四塩化チタンおよびマグネシウムを供給して、ＲＦ熱プラズマフレーム中で四塩化チタンおよびマグネシウムが蒸発してマグネシウムにより四塩化チタンを還元して、還元された金属チタンを堆積させる方法及び装置を提案した（特開２００９−２４２９４６号公報）。
この方法では、四塩化チタンガスとマグネシウムガスとの反応の効率を上げるためには均一に混合させる必要がある。
本発明の目的は、四塩化チタンおよびマグネシウムを出発原料として、四塩化チタンガスとマグネシウムガスとの均一混合を促進させて、金属チタンをより効率よく製造できる金属チタンの製造方法および装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る金属チタン製造装置は、以下の部材を有している。
（ａ）マグネシウムおよび四塩化チタンから選択される第１材料を加熱して気体状とする第１加熱部および第１加熱部から気体状の第１材料を供給する第１流路。
（ｂ）マグネシウムおよび四塩化チタンから選択される第２材料を加熱して１６００℃以上の気体状とする第２加熱部および第２加熱部から気体状の第２材料を供給する第２流路。
（ｃ）入口流路、出口流路、および入口流路と出口流路との間で断面積が小さくなっているのど部を有するベンチュリ部。第２流路が入口流路に連結され、第１流路がのど部に合流し、それによりのど部で第１流路および第２流路を流れるマグネシウムと四塩化チタンとが合流して、出口流路で合流した気体状のマグネシウムと四塩化チタンとが混合されるようになっている。のど部および出口流路の温度は、１６００℃以上に制御される。
（ｄ）出口流路に連通する金属チタン析出部。金属チタン析出部は、７１５〜１５００℃の温度範囲にある析出用基材を有する。
（ｅ）前記金属チタン析出部に連通する混合ガスの排出部。【００１５】
好ましい具体例によれば、第１材料がマグネシウム、第２材料が四塩化チタンであり、第２加熱部が、プラズマトーチおよび四塩化チタン供給部を備え、四塩化チタン供給部から供給された四塩化チタンが、プラズマトーチにより生成されたプラズマフレームに注入されて、１６００℃以上に加熱されるようになっている。【００１６】
代替として、第１材料が四塩化チタン、第２材料がマグネシウムであり、第２加熱部は、プラズマトーチおよびマグネシウム供給部を備え、マグネシウム供給部から供給されたマグネシウムが、プラズマトーチにより生成されたプラズマフレームに注入されて、１６００℃以上に加熱されるようになっている。【００１７】
プラズマトーチはどのようなプラズマ発生機構によるものでもよいが、たとえばＤＣプラズマにすることができる。プラズマを使用することによって、四塩化チタン（またはマグネシウム）を１６００℃以上の温度の気体状まで瞬時に加熱できる。また、プラズマの電力を制御することにより、プラズマフレームがベンチュリ部にまで到達できるようにして、混合ガスの温度を制御することも可能である。熱プラズマ中の四塩化チタンとマグネシウムの混合は、還元反応および析出に好適である。【００１８】
金属チタン析出部の絶対圧が５０ｋＰａ〜５００ｋＰａであることが好ましい。【００１９】
また、第１流路、第２流路、ベンチュリ部、および金属チタン析出部のうちの少なくとも１つが黒鉛壁を有することが好ましい。この黒鉛壁の一部または全てが、誘導加熱によって加熱できるようになっていることがさらに好ましい。【００２０】
析出用基材の少なくとも一部が９００〜１４００℃の温度範囲にあることが好ましい。また、析出用基材は、チタンまたはチタン合金でできていることが好ましい。チタンと結晶構造が同一または近似するため、金属チタンが効率よく析出するばかりではなく、場合によっては析出した金属チタンごとチタンとしての使用が可能である。【００２１】
また、本発明に係る金属チタンの製造方法は、以下の工程を含む。
（ａ）マグネシウムおよび四塩化チタンから選択される第１材料を加熱して気体状とする工程。
（ｂ）マグネシウムおよび四塩化チタンから選択される第２材料を加熱して１６００℃以上の気体状とする工程。
（ｃ）入口流路、出口流路、および入口流路と出口流路との間で断面積が小さくなっているのど部を有するベンチュリ部の入口流路に第２材料を流し、第１材料をのど部に供給し、のど部および出口流路の温度を１６００℃以上に制御する工程。
（ｄ）工程（ｃ）で合流させた気体状のマグネシウムと気体状の四塩化チタンとを金属チタン析出空間に導入する工程。ここで、金属チタン析出空間は７１５〜１５００℃の温度範囲にある析出用基材を備える。
（ｆ）析出用基材上に金属チタンを析出成長させる工程。
（ｇ）工程（ｆ）を経た前記混合ガスを排出する工程。【００２２】
好ましい具体例によれば、第１材料がマグネシウム、第２材料が四塩化チタンであり、（ｂ）工程は、四塩化チタンをプラズマ加熱によって１６００℃以上の気体状に加熱する。代替として、第１材料を四塩化チタン、第２材料をマグネシウムにすることも可能である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の金属チタンの製造装置および製造方法によれば、四塩化チタンとマグネシウムとの混合ガスを形成したうえで、気相反応により直接的にチタンを製造でき、高純度チタンが効率よく高い生産性をもって製造することが可能になる。また、チタンが析出用基材に析出するので、反応の副生成物である塩化マグネシウムおよび残留マグネシウムを別工程により分離する必要がない。
ベンチュリ構造は、流体のデッドゾーンがないために、四塩化チタンとマグネシウムの均一混合に有利であるうえ、ベンチュリ構造ののど部から一方のガスを供給するために、さらに一層効率よく混合が行われる。【００２４】
以上に記載された、およびその他の目的、効果および構成は、添付の図面を参照するうえ以下の例示の実施例の非限定的説明により、より明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】金属チタン製造装置の一例を示す側面略断面図。
【図２】金属チタン析出用基材の一例を示す模式図。
【図３】金属チタン析出用基材の一例およびスクレーパを示す模式図。
【図４】本発明で得られた金属チタンの様態を示す走査型電子顕微鏡写真。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明は、金属チタンを製造するための新規な装置および方法を開示するものである。
【００２７】
本発明の金属チタン製造装置の一例である側面略断面図を図１に示す。この装置は例えば固体のマグネシウムを加熱し、蒸発させることで、気体状とする機構を有するマグネシウム加熱部１、加熱部と連通する気体状のマグネシウムを供給する第１流路５、四塩化チタンを加熱して１６００℃以上の温度の気体状にする四塩化チタン加熱部２０、気体状の四塩化チタンを供給する第２流路２４、第２流路と連結されたベンチュリ部３０と、ベンチュリ部３０に連通する金属チタン析出部９、金属チタン析出部に連通する混合ガスの排気部１６とで構成されている。ベンチュリ部３０は、管の中央部を絞った形状を有し、断面積が極小の部分をのど部３４、その上流側（第２流路２４に連結された側）を入口流路３２、下流側（析出部９に連結された側）を出口流路３６と称する。第１流路５は、ベンチュリ部３０ののど部３４に連通している。
【００２８】
加熱部１は、マグネシウムを挿入する坩堝２と、マグネシウムを蒸発させるための熱源とで構成されている。蒸発熱源の一例として、図１では坩堝２の側壁の少なくとも一部の周りに加熱ヒータ３を設ける構成を示しており、このヒータにより坩堝内の温度をマグネシウムの蒸発可能温度に加熱し、マグネシウムを蒸発させる。蒸発熱源の他の例としては、坩堝外部に設けられたコイルを有するヒータを使って、坩堝の黒鉛壁を誘導加熱することにより加熱することができる。誘導加熱は、加熱効率が良い。そして、マグネシウムと熱源とが接触しないため、マグネシウムの汚染を防止して、マグネシウムの蒸発を行えるという利点がある。また、蒸発熱源の他の一例としては、マグネシウムを蒸発させる機構としてＤＣプラズマトーチを蒸発熱源として有するものがあげられる。
【００２９】
マグネシウム加熱部１には、ベンチュリ部ののど部３４へ気体状のマグネシウムを供給する第１流路５が連結されている。本発明の一例によれば、第１流路５の側壁の少なくとも一部の周りに加熱ヒータ６を設けることができ、このヒータにより流路内の温度をマグネシウムの蒸発可能温度に加熱し、マグネシウムの流路中への堆積を抑制することができる。他の例としては、流路外部に設けられたコイルを有するヒータを使って、流路の黒鉛壁を誘導加熱することにより加熱することができる。
【００３０】
チタン製造装置は、四塩化チタンを加熱して１６００℃以上の気体状にするために、四塩化チタン加熱部２０にプラズマトーチ２２を設置している。第２流路２４が四塩化チタン加熱部２０とベンチュリ部の入口流路３２とを連結している。四塩化チタン加熱部２０は、プラズマトーチ２２と、プラズマトーチにより生成されるプラズマフレームに向けて例えば液体状の四塩化チタンを供給する四塩化チタン供給部２６を有している。プラズマトーチ２２はベンチュリ部に向いて設置することが好ましく、プラズマフレームの一部あるいはプラズマフレームにより加熱されたキャリアガスがベンチュリ部３０に流れて、四塩化チタンとマグネシウムの混合ガスの温度をベンチュリ部３０の出口流路３６においても１６００℃以上の温度に保つことができる。なお、プラズマのキャリアガスについては不活性ガスであれば限定はないが、例えばアルゴンを使用することができる。
【００３１】
本発明の一例によれば、気体状の四塩化チタンを供給する第２流路２４、ベンチュリ部３０の側壁の少なくとも一部の周りに加熱ヒータを設けることができ、このヒータにより第２流路、ベンチュリ部３０内を所定温度まで加熱することができる。なお、第２流路２４、ベンチュリ部３０は、塩化物蒸気への耐食性を有する材料により形成することが好ましい。塩化物蒸気への耐食性を有する材料の一例として、黒鉛を使用できる。加熱は第２流路２４、ベンチュリ部３０の黒鉛壁を誘導加熱することにより行うこともできる。
【００３２】
本発明の重要な特徴は、気体状のマグネシウムと、気体状の四塩化チタンとの混合にベンチュリ管構造を使用することである。ベンチュリ管は、管の中央部が絞られた形状を有する、すなわち管の中央部の断面積が小さくなり、それは図１では滑らかに穏やかに減少して極小になる。その断面積の小さい部位をのど部と称し、図１においては断面積の極小部をのど部と称する。図１に記載されたベンチュリ部３０は、ベンチュリ管構造を有し、のど部３４の上流側、すなわち四塩化チタン加熱部２０に連通する側を入口流路３２、のど部の下流側に出口流路３６を有する。のど部には、マグネシウム加熱部から延びる第１流路５が連通している。一般にベンチュリ管を流れる流体は、のど部で絞られて流速が早くなる。ベルヌイの定理によればベンチュリ管を流れる流体の流速が早くなると圧力が低下する。そのために、のど部３４に合流する第１流路５から流入するガスは、上記の圧力差により引き込まれる。そのために、四塩化チタンガスとマグネシウムガスとの混合が容易に行われ、均一な混合ガスの形成が促進される。このように本発明においては、四塩化チタンとマグネシウムの均一な混合ガスの形成を行うことができる。
【００３３】
ベンチュリ管ののど部３４で合流したガスは、ベンチュリ管の出口流路３６、すなわち、ベンチュリ管の断面積が次第に広くなる領域およびそれに続く金属チタン析出部９までの領域（混合部）を通過しながら、反応物ガス同士の混合が進む。気体状の四塩化チタンと気体状のマグネシウムとを混合して、混合ガスを形成することにより、連続的に均一反応を実現できる。のど部３４および出口流路３６では、温度は１６００℃以上に保つ必要がある。四塩化チタンとマグネシウムの反応の駆動力は温度の上昇に伴って減少するため、１６００℃以上では四塩化チタンとマグネシウムの反応を実質的に抑制できる。下記に示すとおり、下流に設けた析出部９で反応を行わせるため、この領域では反応を抑制する必要があるからである。例えばプラズマフレームをベンチュリ部に向けておけば、のど部３４および出口流路３６には、プラズマフレームからの熱が直接流入するために、のど部３４および出口流路３６の温度調整は、プラズマフレームの加熱を調整することにより行うことができる。代替として或いは補助として、管の周りに加熱部材１１を備えることができる。加熱部材としては、黒鉛を設け誘導過熱により加熱することが好ましいが、電熱線その他どのような加熱部材も使用できる。
【００３４】
このように混合ガスは、未反応のまま金属チタン析出空間９に導入される。金属チタン析出空間９に入る通路にはオリフィス３８を設けてもよい。混合ガスはオリフィス３８を通って、金属チタン析出空間９に流れるようにでき、オリフィス３８は、混合ガスの流れを析出用基材１３に向けるように設定できる。
【００３５】
金属チタン析出空間９には析出用基材１３が配置され、析出用基材１３の少なくとも一部が７１５〜１５００℃の温度範囲に制御される。混合ガスの温度が低下することに伴って、チタンの生成反応の駆動力が増大する。金属チタン析出空間９に設置した析出用基材１３の表面が、チタンの不均一核生成を促し、チタンの生成および析出を促進する。
なお、析出部９の側壁の少なくとも一部の周りに加熱ヒータ１２を設けることで、金属チタン析出部内を所定温度まで加熱し、内部に配置された析出用基材１３を上記の温度域に制御する。また、金属チタン析出部９の内壁は、塩化物蒸気への耐食性を有する材料により設けることが望ましく、材料の一例として黒鉛があげられる。他の例としては、金属チタン析出部の側壁の外側にコイルを有するヒータを使って誘導加熱して温度制御を行うこともできる。
【００３６】
ここで、金属チタン析出空間９は、５０ｋＰａ〜５００ｋＰａの絶対圧を有することが好ましい。この絶対圧を５０ｋＰａ〜５００ｋＰａとしたのは、上限については、金属チタン析出空間９の圧力が低いほどマグネシウムやＭｇＣｌ２の蒸発分離に有利だからである。反応が不均一な場合でも真空、減圧により蒸発を促進し、副生成物や中間化合物を蒸発分離することが可能である。
【００３７】
そして、下限については、通常、単位反応器容積の処理能力は容器圧力の増加に比例して増加する。例えば、圧力が一桁増加すると処理速度も一桁増加する。本発明は、この様な従来では考えられない圧力を適用できたことにより、処理速度を飛躍的に高めることができるのである。
なお、５０ｋＰａ未満でも原理的にはチタンを回収できるが、圧力低下に伴って製造速度が低くなると同時に、装置内への空気漏れの可能性が大きくなる。チタンは酸素、窒素との反応活性が高い金属であるから、製造プロセスを空気から保護することも必要である。真空度が高いほど、プロセス上および装置上の真空漏れ対策のコストが高くなる。５０ｋＰａ以上では空気漏れという課題は工業製造レベルで容易に解決でき、実用上好ましい範囲となる。
他方、圧力の上昇に伴って、単位反応器容積の処理能力が上昇するが、ＭｇＣｌ２の蒸発効果が低下する。そのため、圧力が大きくなると高純度のチタンの製造が困難になる。そこで、工業設備では高圧対応には製造コストが上昇することも含めて、５００ｋＰａ以下が有効である。
処理能力、分離効率、工業設備の経済合理性を考慮すると、絶対圧９０ｋＰａ〜２００ｋＰａの範囲がより好ましい。
【００３８】
本発明の場合、析出基材１３の表面にチタンが粒子として析出できる温度範囲は７１５〜１５００℃である。温度低下と共に、反応駆動力が増加するが、マグネシウムおよびＭｇＣｌ２の蒸発効果が低減する。他方、温度が上昇すると、ＭｇＣｌ２等の蒸発に有利であるが、反応駆動力が低下する。１５００℃を超えると、チタンの還元反応が進行しにくくなり、７１５℃未満では反応ガスの均一核生成が行なわれ、析出基材表面に析出しにくくなる。したがって、析出用基材の少なくとも一部が７１５〜１５００℃の温度範囲とすることが有効である。
【００３９】
より低い温度でチタン析出が安定になるうえに、反応容器用構造材料の選択の観点からも、低温操業が望ましい。しかし、より低温では反応生成物であるＭｇＣｌ２などが同時混入する可能性があるので、工業的な製造安定性を実現するためには、９００℃〜１４００℃が好ましく、さらに９００℃〜１３００℃、そして９００〜１２００℃が順に好ましい。
【００４０】
析出用基材の表面は、反応で生成したチタンの不均一核形成の場所を提供し、析出を促進する。析出用基材は、混合ガスがもれなく均等に析出基材を通過、接触できる形状が望ましい。そのため、析出用基材は、混合ガスの十分に流れる空間を形成するとともに、表面積が大きいことが望ましい。析出用基材の比表面積を確保するためには、多孔体構造が好ましい。また、析出用基材は、混合ガスの流れる方向に伸張した形状を有し、混合ガスの流路を形成するようになっていることが好ましい。
【００４１】
析出したチタンを連続的に回収しようとする場合、析出用基材を金属チタンの析出成長に応じて掻き落とす機構を設ける事ができる。本発明者の観察によれば、特に析出用基材の先端（混合ガスの流れに対向する先端面）の析出量が多く、これを掻き落とすことにより、先端面に析出させたチタンを持続的に成長させることができる。
なお、析出用基材の表面上に析出させたチタンを掻き落とすスクレーパ機能を別途付加したり、析出用基材を複数配置して、析出部分を相互に摺動運動させることで、析出したチタンを掻き落とすようにしてもよい。あるいは析出用基材に振動を加えることにより、析出基材表面に形成したチタン粒子を連続的に回収することも可能である。
また、反応熱を奪い、反応領域の温度を制御する目的で、析出用基材を冷却することもできる。
【００４２】
析出用基材１３は、特に材質の制限はない。例えばセラミックスでも金属でもよい。析出用基材は、７１５〜１５００℃の温度範囲に制御されるので、この温度範囲で溶解して変質しない高融点金属とすることが望ましい。なお、効率よく析出させるためにはチタンと結晶構造が近似することが好ましく、特に純チタンやチタン合金が好ましい。
特に、回収されるチタンの純度を維持し、不純物の混入を防止するため、析出用基材は純チタンが望ましい。
【００４３】
析出用基材に析出した金属チタンを連続的に回収する場合の機構の一具体例を図２、図３に示す。図２に示す析出基材１３は、金属板の左右両側からスリットを入れ、中央部を中心にしてスパイラル状に捩じるものである。この析出基材１３は、混合ガスが十分に流れる空間が確保されているとともに、表面積が大きい。図３にはスクレーパの構造を示す模式図に示す。析出用基材１３は、回転軸線に対して垂直方向に径の異なる凹凸を有するロール形状のものを、モータで中心軸を回転させ、複数のディスク状の金属板が同一中心軸によって連結されて形成されたものが挙げられる。このロール形状の析出用基材１３の下部には、析出用基材の表面に析出した金属チタンを掻き落とすようにスクレーパ１４が設置されている。掻き落としたチタンは、金属チタン析出部の下部に連結された図示しない回収器で回収することで、連続的に回収できる。析出基材は、上記のものに限定されず、どのようなものも使用可能である。
【００４４】
金属チタン析出部で析出成長するチタン以外の気体状のマグネシウムと気体状の四塩化チタンの混合ガスは、析出部と連結された排出部１６から排出され、副生成物の塩化マグネシウムはフィルター等により回収される。
【実施例】
【００４５】
図１の金属チタン製造装置を用いて金属チタンを製造した。マグネシウム加熱部１においては、坩堝２に固体のマグネシウムを挿入した。そして、これを加熱ヒータ３によって、マグネシウムの蒸発可能温度に誘導加熱して、気体状のマグネシウムを得た。四塩化チタン加熱部２０においては、プラズマトーチ２２から発生させたプラズマフレームに向けて、供給部２６から液体状の四塩化チタンを供給した。そして、プラズマ加熱によって、四塩化チタンを気体状にした。この気体状の四塩化チタンは、１６００℃を超える極めて高温であった。【００４６】
次に、上記の気体状の四塩化チタンを、アルゴンのキャリアガスとともに、第２流路２４を通して、ベンチュリ部３０の入口流路３２へ流した。また、前記の気体状のマグネシウムは、加熱ヒータ６によって誘導加熱された第１流路５を通して、ベンチュリ部３０ののど部３４に供給した。この操作によって、上記の気体状の四塩化チタンとマグネシウムを、のど部３４で合流させて、出口流路３６で混合した。この操作時の、のど部３４および出口流路３６の温度は、操業を通して、約１７００〜１７５０℃の間で制御した。【００４７】
そして、上記の混合した気体を、オリフィス３８が設けられ、加熱ヒータ１１によって誘導加熱された途中流路を経て、同じく加熱ヒータ１２によって誘導加熱された金属チタン析出部９に導入した。金属チタン析出部９には、図２のスパイラル状でなる析出用基材１３を配置した。この析出用基材１３は、チタン製であり、温度は、操業の初期に１２５０℃程度に達することもあったが、概ね１０５０〜１２００℃の間に保った。そして、金属チタン析出部９の圧力は、後ろに連通する混合ガスの排出部１６の付近で測定が可能であり、絶対圧が１０５ｋＰａであった。【００４８】
以上の操業によって得られた、析出用基材１３の表面からの回収物の様態を、図４の走査型電子顕微鏡写真（×３００倍）に示す。この回収物は、該基材１３上に析出し、成長した様態を示している。そして、分析の結果、この回収物が金属チタンであることを確認した。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明の方法により、連続的にチタンを製造することが可能であり、溶解原料や粉末冶金原料として好適である。電子材料、航空機部品、電力・化学プラント用の溶製材の製造が不可欠な用途に適用できる。【００５０】
以上述べたように、本発明による金属チタン製造方法の構成を一例として説明したが、この構成に限定されるものではなく、請求の範囲から離脱することなく種々の変更が可能であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００５１】
１  マグネシウム加熱部
２  坩堝
３  加熱ヒータ
５  第１流路
６  加熱ヒータ
９  金属チタン析出部
１１、１２  加熱ヒータ
１３  析出用基材
１４  スクレーパ
１６  排出部
２０  四塩化チタン加熱部
２２  プラズマトーチ
２４  第２流路
２６  四塩化チタン供給部
３０  ベンチュリ部
３２  入口流路
３４  のど部
３６  出口流路
３８  オリフィス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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