(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱された反応容器内に装入された溶融金属マグネシウム浴の上方から四塩化チタンを滴下してスポンジ状の金属チタンを製造する第１の工程において、反応容器内の溶融金属マグネシウム浴中にチタンパイプを通してアルゴンガスを吹き込み、その後、スポンジチタンから不純物である未反応の金属マグネシウム及び塩化マグネシウムを真空分離する第２の工程において、前記チタンパイプを真空系に連結して生成したスポンジチタン中の不純物を反応容器外へ減圧下ないし真空下で排気することを特徴とするスポンジチタンの還元分離方法。
【請求項２】
請求項１に記載した不純物の真空分離工程の後に生成したスポンジチタンを冷却する第３の工程において、前記チタンパイプを通してスポンジチタン中にアルゴンガスを吹き込むことを特徴とするスポンジチタンの還元分離方法。
【請求項３】
加熱装置を有する反応容器において、一方が溶融金属マグネシウム浴内に浸漬する位置に複数の穴を有し、他方が反応容器外のアルゴンガス供給装置と真空排気装置に結合された金属チタン製のパイプを該反応容器に装着させたことを特徴とするスポンジチタンの還元分離装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は溶融マグネシウム浴に四塩化チタンを滴下してスポンジチタンを製造するいわゆるクロール法スポンジチタンの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
クロール法によるスポンジチタンの製造方法ではステンレス鋼製の反応容器を加熱した炉内におき、内部に溶融金属マグネシウムを装入し、不活性雰囲気下で撹拌がない静的な状態で四塩化チタンを滴下して、マグネシウムにより四塩化チタンを還元してスポンジチタンを生成する。この四塩化チタンの還元反応は発熱を伴うため、マグネシウム浴上面に相当する容器外壁の部分を空気吹き付けで冷却して温度制御している。しかし、浴の撹拌がないため、熱発生位置が局部的であり、浴内の熱伝達も極めて悪く、このため、温度分布を小さくするために四塩化チタンの滴下速度を小さくせざるを得ず、還元工程の生産性が小さいという問題がある。
【０００３】
生成したスポンジチタンはこのままでは未反応のマグネシウムと反応生成物である塩化マグネシウムを含むため、次の真空分離工程において反応容器全体を１０００℃程度に加熱しながら真空排気して不純物の金属マグネシウムと塩化マグネシウムを蒸発分離している。蒸発はスポンジチタンの外縁部から内部に向かって進行するが、スポンジチタン塊中心付近では蒸発物の拡散距離が長くなるため、蒸発速度が著しく小さくなり、スポンジチタン塊全体の不純物分離完了までの時間が長くなる問題がある。
【０００４】
真空分離工程後のスポンジチタンは高温のため、空気中で酸化や窒化するのですぐには容器から取り出せず、長時間かけて冷却した後、容器から取り出して破砕後スポンジチタン製品としている。冷却もスポンジチタン塊の外縁部から内部に向かって進むため、インゴット中心部冷却完了までの時間が長くなり、生産性が低下する問題がある。真空分離、冷却工程の生産性低下は特にスポンジチタンの塊が大型化したとき著しく、大型化による利点を相殺している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような現状から、本発明は従来の問題点を解消しようとするものであって、スポンジチタン塊製造の各工程において問題となる生産性の低下を防ぎ、高生産性のスポンジチタン製造方法及びそのための装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨とするところは、加熱された反応容器内に装入された溶融金属マグネシウム浴の上方から四塩化チタンを滴下してスポンジ状の金属チタンを製造する第１の工程において、反応容器内の溶融金属マグネシウム浴中にチタンパイプを通してアルゴンガスを吹き込み、その後、スポンジチタンから不純物である未反応の金属マグネシウム及び塩化マグネシウムを真空分離する第２の工程において、前記チタンパイプを真空系に連結して生成したスポンジチタン中の不純物を反応容器外へ減圧下ないし真空下で排気し、あるいはさらに、このスポンジチタンを冷却する第３の工程において、このチタンパイプを通してスポンジチタン中にアルゴンガスを吹き込むことを特徴とするスポンジチタンの還元分離方法、及び
加熱装置を有する反応容器からなり、一方が溶融金属マグネシウム浴内に浸漬する位置に複数の穴を有し、他方が反応容器外のアルゴンガス供給装置と真空排気装置に結合された金属チタン製のパイプを該反応容器に装着させたスポンジチタンの還元分離装置である。
以下に本発明の詳細を作用とともに説明する。
【０００７】
【作用】
本発明のスポンジチタン製造装置の概念図を模式的に図１に示す。即ち、従来のクロール法スポンジチタン製造装置において、マグネシウム浴２に四塩化チタン３を滴下し、四塩化チタンを還元してスポンジチタン１を生成させる反応容器６内にチタン製のパイプ７を挿入したものである。パイプ７の下部でマグネシウム浴２に浸漬する部分には上下方向に複数の穴８を開けてパイプの内外部を連絡している。パイプの上部はアルゴンガス供給装置５、真空排気装置４に結合されている。図中９は加熱炉、１０は冷却用流体流れを示す。
上記スポンジチタン製造装置においてパイプ７の材質をチタンとする理由はスポンジチタンの破砕に際してスポンジチタンと一緒に破砕しても化学的に成分変化がなく、分離する必要がないためである。
【０００８】
以下に各工程におけるこのパイプの機能を説明する。
還元工程においてはパイプの上部からアルゴンガスを吹き込みマグネシウム浴を撹拌する。ガスは浴浸漬部の上部の穴から出る。クロール法においては生成した塩化マグネシウムを炉底部から間欠的に排出するため、マグネシウム浴上面の高さが時間的に変動する。撹拌を効果的に継続するためにパイプの穴はマグネシウム浴の高さが最低の時も全てが浸漬しているように設ける必要がある。マグネシウム浴が撹拌されることにより、浴内の熱伝達、温度分布が改善されるので、四塩化チタンの滴下速度を大きくして生産性を上げ、従って発熱速度が大きくなっても健全なスポンジチタンインゴットを生成できる。
パイプの挿入位置は容器断面の中心付近が好ましいが、中心をはずれてもよいし、挿入方向も鉛直でなく斜めであってもよい。
【０００９】
真空分離工程においてはパイプを真空排気装置に結合し、パイプ内部を真空にする。パイプに設けた穴を通じてスポンジチタンインゴット内部からも蒸発が進行するので蒸発完了時間が短縮され、真空分離工程の生産性が向上する。蒸発を促進するために穴の面積及び数は多い方がよく、その断面積の合計がパイプ表面積の１０％以上、強度、加工上の問題がない範囲で２０％以上が好ましい。穴の配置は円周方向に均一であることが望ましい。
パイプを真空排気装置に結合するにあたっては容器の外部で排気装置に結合してもよいが、反応容器内に開口部を開けて容器内空間で真空部に連絡させてもよい。
パイプの数は１本でもよいが、生産性をさらに向上するために複数本としてもよい。
【００１０】
冷却工程においては、パイプを通じてアルゴンガスを吹き込むことにより、ガスの顕熱冷却の効果を増し、さらにスポンジチタンの細孔内の伝熱を促進して冷却速度を増加させ、冷却完了時間を短縮させる。
【００１１】
【実施例】
内径８００ｍｍのステンレス鋼製反応容器の中心から１００ｍｍの位置に、内径３０ｍｍ、下部１０００ｍｍに直径１２ｍｍの穴を全周にわたり開けたチタン製のパイプを挿入し、１．２トンの溶融マグネシウムを装入した後、温度を８００℃に保持しながら中心から四塩化チタンを毎分３ｋｇの割合で滴下した。チタンパイプからアルゴンガスを毎分３Ｎｌ流しマグネシウム浴を撹拌した。
【００１２】
２２時間後、四塩化チタンの供給を停止し、温度を１０００℃に昇温して反応容器及びチタンパイプを真空容器に結合して真空分離工程に入った。真空度は初期１３３パスカル、後半は１パスカル以下であった。真空分離工程２４時間後、反応容器内をアルゴン雰囲気にして、炉の加熱を停止し、冷却工程に入った。
【００１３】
冷却工程ではチタンパイプからアルゴンガスを毎分２０Ｎｌ流した。２４時間後には十分冷却したので、スポンジチタンのインゴット９８８ｋｇを反応容器から取り出して破砕工程に供給した。破砕後のスポンジチタン品質は密度、不純物量とも標準方法によるインゴットと同等の良好な品質であった。
【００１４】
比較としてチタンパイプを挿入しない標準方法では同一温度、圧力条件で１トンのインゴットを得るのに還元工程４０時間（四塩化チタン平均滴下速度毎分１．７ｋｇ）、真空分離工程３６時間、冷却工程３２時間を要していた。したがって、本発明は還元工程では１．８倍、真空分離工程では１．５倍、冷却工程では１．３倍、全工程を通じては１．５倍の生産性増加になった。また、本発明では次回チャージの準備時間を含めると各工程が２４時間サイクルで稼動するため、同一炉については毎日同じ時間に作業すればよく、作業計画が極めて単純になり、効率が上がった。
【００１５】
【発明の効果】
本発明に基づき反応容器内にパイプを設けてこれを通して直接溶融金属浴内あるいは生成したスポンジチタン内にアルゴンを吹き込み、真空排気操作を行うことにより、スポンジチタンの生産性が向上する。本発明の効果は特にスポンジチタンの大型インゴット製造において著しい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法を実施する装置の概略を模式的に示した説明図。
【符号の説明】
１    スポンジチタン
２    溶融金属マグネシウム
３    四塩化チタン
４    真空系
５    アルゴンガス
６    反応容器
７    チタンパイプ
８    穴
９    加熱炉
１０  冷却用流体流れ
【図１】
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