(57)【要約】【課題】Ｎｉ量及びＣｒ量が少ない高純度スポンジチタンを高収率で製造できるスポンジチタン製造装置を提供する。【解決手段】クロール法による高純度スポンジチタンの製造に使用される反応容器２０，３０の容器蓋１２，２２の内面を鉄とする。真空分離工程で反応容器２０，３０を連結する容器接続管３０の内面を鉄とする。各鉄の外側にステンレス鋼を配置する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
クロール法による高純度スポンジチタンの製造に使用される反応容器の蓋体内面及び／又はその製造の真空分離工程で反応容器同士を接続する容器接続管の内面を鉄としたことを特徴とする高純度スポンジチタン製造装置。
【請求項２】
前記鉄の外側にステンレス鋼を配置したことを特徴とする請求項１に記載の高純度スポンジチタン製造装置。
【請求項３】
前記ステンレス鋼の外側に加熱手段を配置したことを特徴とする請求項２に記載の高純度スポンジチタン製造装置。
【請求項４】
クロール法による高純度スポンジチタンの製造に使用される反応容器の蓋体であって、その内面を鉄としたことを特徴とする高純度スポンジチタン製造用容器蓋。
【請求項５】
前記鉄の外側にステンレス鋼を配置したことを特徴とする請求項４に記載の高純度スポンジチタン製造用容器蓋。
【請求項６】
前記ステンレス鋼の外側に加熱手段を配置したことを特徴とする請求項５に記載の高純度スポンジチタン製造用容器蓋。
【請求項７】
クロール法による高純度スポンジチタンの製造における真空分離工程で反応容器同士を接続する容器接続管であって、その内面を鉄としたことを特徴とする高純度スポンジチタン製造用容器接続管。
【請求項８】
前記鉄の外側にステンレス鋼を配置したことを特徴とする請求項７に記載の高純度スポンジチタン製造用容器接続管。
【請求項９】
前記ステンレス鋼の外側に加熱手段を配置したことを特徴とする請求項８に記載の高純度スポンジチタン製造用容器接続管。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、クロール法により高純度スポンジチタンを製造する装置、特に、その製造に使用される反応容器の蓋体や容器接続管に工夫を講じた高純度スポンジチタン製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属チタンは、通常はクロール法と呼ばれる方法で製造されたスポンジチタンを素材としている。クロール法では、スポンジチタンが還元反応、真空分離の２工程を経て反応容器内に製造される。
【０００３】
還元工程では、反応容器内に収容された溶融Ｍｇに対して四塩化チタンが滴下され、その四塩化チタンをＭｇで還元することによりスポンジチタンが製造される。真空分離工程では、反応容器を加熱し、更に、その反応容器に容器接続管を用いて接続された別の反応容器との系内を減圧することにより、スポンジチタンに取り込まれていた未反応のＭｇ及び副生した塩化Ｍｇが分離し、別の反応容器内に回収される。
【０００４】
真空分離工程での反応容器の加熱温度は１０００℃を超える。このため、反応容器の熱対策が重要であり、その対策の一つとしてステンレス鋼の使用が有効とされている。ところが、ステンレス鋼は高温強度確保のために多量のＣｒ及びＮｉを含んでいる。これらの重金属は、容器内の溶融Ｍｇ中へ容易に溶出し、容器内に製造されるスポンジチタンを直接・間接に汚染する大きな原因になる。
【０００５】
このような事情を背景として、反応容器の容器本体を、内面側が炭素鋼、外面側がステンレス鋼の複合材により構成することが、特許文献１及び特許文献２に記載されている。
【０００６】
【特許文献１】
特公平７−２４７５９号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開平９−２８７０３５号公報
【０００８】
容器本体の内面側を炭素鋼とすることにより、容器内に製造されるスポンジチタンのＣｒ及びＮｉによる汚染が防止される。また、外面側のステンレス鋼により高温強度が確保される。
【０００９】
反応容器の容器本体内に収容された溶融Ｍｇと接触しない容器接続管については、溶融Ｍｇへ不純物が溶出するおそれがない一方、高温強度を確保する必要や大気との接触部分である外面の腐食を防止する必要があるとの理由から、特許文献３に示すようにステンレス鋼が使用されている。容器本体に組み合わされる蓋体（容器蓋）についても、同じ理由からステンレス鋼の使用が一般的である。
【００１０】
【特許文献３】
特開２００１−２８０５７６号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、金属チタン製品に要求される純度は年々向上し、これに伴ってスポンジチタンに要求される純度も非常に高くなっている。容器本体の直胴部、望ましくはその全部を前記複合材により構成することにより、製造されるスポンジチタン中のＣｒ量及びＮｉ量は、塊平均で２０ｐｐｍ程度まで下げることが可能となる。しかしながら、最近は更なる高純度化が要求され、Ｃｒ量及びＮｉ量をそれぞれ３ｐｐｍ以下に抑えることが求められている。
【００１２】
このような極低の不純物レベルは、スポンジチタンの塊平均では、到底達成不可能である。このため、スポンジチタン中で不純物が少ない中心部を部分的に採取して製品化することが行われているが、要求品質を満足できる部分は塊全体の１５％に満たず、要求品質が更に向上してきていることから、高純度品の収率は減少する一方にある。
【００１３】
本発明の目的は、「Ｃｒ≦３ｐｐｍ、Ｎｉ≦３ｐｐｍ」というような高純度品を高収率で製造できる高純度スポンジチタン製造装置を提供することにある。本発明の別の目的は、その高純度スポンジチタン製造装置に使用される容器蓋を提供することにある。本発明の更に別の目的は、その高純度スポンジチタン製造装置に使用される容器接続管を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明者らは、ＣｒやＮｉの進入経路を詳細に調査した。その結果、以下の事実が判明した。
【００１５】
ＣｒやＮｉによる汚染経路として、本発明者は還元反応工程における溶融Ｍｇからの不純物侵入を疑った。そして、還元反応用の反応容器（還元容器）に投入される前のＭｇの品質を確認した。しかしながら、Ｍｇの品質から推定される値より、製品であるスポンジチタン中の不純物量は多かった。即ち、還元容器に投入されるＭｇの品質は、意外に高かったわけである。
【００１６】
そこで次に、Ｍｇを投入する前の還元容器に付着するＭｇに注目した。即ち、還元反応工程で使用されるＭｇは、多くは還元容器に投入されるＭｇであるが、これ以外にも、前のバッチの真空分離工程で回収されたＭｇがある。
【００１７】
詳しく説明すると、真空分離工程では、前述したとおり、還元容器と同じ種類の別の反応容器を、凝縮容器として容器接続管により還元容器と接続し、還元容器内を加熱した状態で凝縮容器との系内を減圧することにより、還元容器内のスポンジチタンに取り込まれていた未反応のＭｇ及び副生した塩化Ｍｇを凝縮容器内に回収する。そして次のバッチでは、この凝縮容器を還元容器として使用することにより、真空分離工程で回収されたＭｇが、次のバッチでのＭｇ原料の一部として利用されることになる。
【００１８】
前バッチの真空分離工程で回収されたＭｇの汚染度が高い可能性が考えられたが、凝縮容器は還元容器と同じ構成であり、その容器本体も前述した複合材であることから、容器本体間に介在して凝縮回収経路を構成する容器蓋及び容器接続管を汚染源として疑い、調査した。その結果、溶融Ｍｇと接触しないこれらの部分でも損耗が発生していることが分かった。
【００１９】
これらの部材は前述したとおりステンレス鋼からなるが、真空分離中にＭｇは蒸発して凝集回収経路を通過する際に、これらのステンレス鋼部材を浸食したと考えられる。ステンレス鋼部材を浸食させるとすれば、これと同時にＭｇは不純物、特にＣｒ，Ｎｉにより汚染されているはずであり、この汚染Ｍｇが凝縮容器内に蒸着し、次バッチの還元工程でＭｇ原料の一部として利用されることにより、製品が汚染されると考えられる。また、蒸発したＭｇに浸食された部材の破片、特に容器接続管内面で浸食された部材の破片が、ガス流により凝縮容器内に運ばれてＭｇに混入し、Ｍｇを汚染していることも考えられる。一方、容器本体及び容器蓋では、蒸発したＭｇに浸食された部材の破片が、落下により容器本体内のスポンジチタンやＭｇを汚染していることも考えられる。
【００２０】
このような予想のもとで、本発明者は、真空分離工程で容器本体間に介在する容器蓋及び容器接続管の内面を鉄に変更した装置を使用して、還元反応及び真空分離を実施した。その結果、高純度品の収率を大きく上げることができた。
【００２１】
本発明はかかる知見に基づいてなされたものであり、その高純度スポンジチタン製造装置は、クロール法による高純度スポンジチタンの製造に使用される反応容器の蓋体内面及び／又はその製造の真空分離工程で反応容器同士を接続する容器接続管の内面を鉄としたものである。
【００２２】
また、本発明の高純度スポンジチタン製造用容器蓋は、クロール法による高純度スポンジチタンの製造に使用される反応容器の蓋体であって、その内面を鉄としたものである。
【００２３】
また、本発明の高純度スポンジチタン製造用容器接続管は、クロール法による高純度スポンジチタンの製造における真空分離工程で反応容器同士を接続する容器接続管であって、その内面を鉄としたものである。
【００２４】
ここにおける鉄は、ＮｉとＣｒの合計含有量が１重量％以下のものであり、０．５重量％以下のものが好ましく、０．１重量％以下のものが特に好ましい。
【００２５】
容器蓋や容器接続管の内面を鉄とする手法としては、鉄管の単独使用、ステンレス鋼とのクラッド又はバタリング、内面側を鉄管、外面側をステンレス鋼管とした二重管の使用、鉄材の外側へのステンレス鋼材の貼り付け、ステンレス鋼材の内側への鉄材の貼り付けなど、いずれでもよいが、変形防止による寿命延長を考慮した場合は鉄の外側にステンレス鋼を配置する構成が好ましく、鉄材外面の大気による腐食の防止による寿命延長を考慮するならば、クラッドやバタリングなどの鉄とステンレス鋼が密接する構造が好ましい。
【００２６】
但し、鉄とステンレス鋼が別体であっても鉄材外側を不活性ガス雰囲気にするか、腐食防止物で覆う構造にすれば、多少の鉄材の変形があっても鉄材外側の腐食防止は可能であり、寿命到達時は鉄材のみを交換すればよいので、補修費用は低減できる。また、比較的温度が低いとか応力負荷が小さいといった高強度を必要としない箇所や、外面側の腐食の心配がない箇所では、鉄単体で使用した方が安価で寿命差も殆どない場合もある。
【００２７】
また、真空分離工程で蒸発させたＭｇやＭｇＣｌ２  が凝縮回収経路で詰まりを生じさせないように、この経路に加熱手段や保温手段を設けることが望まれる。前述した特許文献３では、容器接続管の内管と外管の間にこれらを設置しているが、構造が複雑になる上に、スケールが発生した場合に伝熱効率が低下し、電気ヒータを使用する場合は断線する危険性もある。このため、これらの手段は、外側のステンレス鋼の更に外側に配置することが望まれる。この外側配置により、構造が簡素になるので、二重管を使用した場合は内管の交換を容易に且つ安価に行えることになり、クラッドやバタリングのような密接構造では伝熱ロスの心配もない。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示す高純度スポンジチタン製造装置の構成図である。
【００２９】
本実施形態の高純度スポンジチタン製造装置では、還元反応工程で使用される還元反応用の反応容器（還元容器）１０と、真空分離工程で還元容器１０と連結して使用される反応容器（凝縮容器）２０と、両者を連結する容器接続管３０とが使用される。
【００３０】
還元容器１０は、有底円筒形状の容器本体１１に、その上面開口部を閉じる蓋体（容器蓋）１２を組み合わせた構成になっている。容器本体１１は、内面側が炭素鋼、外面側がステンレス鋼の複合材からなる。容器蓋１２は、内面側が、ＮｉとＣｒの合計含有量が１重量％以下の鉄、外面側がステンレス鋼の複合材からなり、容器連結のための管状接続部１３を中心部に有している。
【００３１】
凝縮容器２０は、還元容器１０と互換的に使用されるため、還元容器１０と同じ構成になっており、その容器本体２１は、内面側が炭素鋼、外面側がステンレス鋼の複合材からなる。容器本体２１に組み合わされる容器蓋２２は、内面側が、ＮｉとＣｒの合計含有量が１重量％以下の鉄、外面側がステンレス鋼の複合材からなり、容器連結のための管状接続部２３を中心部に有している。
【００３２】
容器接続管３０は、還元容器１０と凝縮容器２０を連結するために両端部が下方へ直角に屈曲した管体であり、熱膨脹による変形を防止するために、両端の屈曲部３１，３１と屈曲部３１，３１間の直線部３２とに３分割されたセパレート構造になっている。この容器接続管３０も、容器蓋１２，２２と同様に、内面側が、ＮｉとＣｒの合計含有量が１重量％以下の鉄、外面側がステンレス鋼の複合材からなり、外面側の軸方向複数箇所に図示されない電気抵抗加熱方式の環状加熱手段を装備している。
【００３３】
次に、本実施形態の高純度スポンジチタン製造装置を使用してスポンジチタンを製造する方法について説明する。
【００３４】
還元反応工程では、還元容器１０のみが使用される。即ち、還元容器１０を加熱炉に入れ、容器本体１１に容器蓋１２を装着し、管状接続部１３を閉じた状態で、容器内をアルゴン雰囲気に置換し、しかる後に容器内に溶融Ｍｇを投入し、所定温度に加熱維持する。
【００３５】
還元容器１０は先のバッチで凝縮容器２０として使用されたものであり、内面に凝縮Ｍｇを付着させているが、この凝縮Ｍｇも溶融してＭｇ原料の一部となる。
【００３６】
容器蓋１２を通して容器内に挿入された原料供給管から容器本体１１内に四塩化チタンを滴下する。これにより、還元反応が始まり、容器本体１１内にスポンジチタンが生成される。
【００３７】
還元反応が終わると、真空分離工程に移行する。真空分離工程では、還元容器１０と凝縮容器２０を容器接続管３０により連結した後、還元容器１０内を高温に加熱しながら凝縮容器２０内を減圧する。これにより、還元容器１０内のスポンジチタンに取り込まれていた未反応のＭｇ及び副生したＭｇＣｌ２  が分離し、凝縮容器２０の内面に凝集付着する。こうしてＭｇが還元容器１０内に回収される。
【００３８】
分離回収物が容器接続管３０の内面に凝集付着するのを防止するために、容器接続管３０が外側の加熱手段により加熱される。
【００３９】
こうして還元容器１０内に製造されたスポンジチタンを容器外に取り出し、そのスポンジチタンの中心部を採取する。この中心採りは、スポンジチタンの表層部、即ち上部、下部及び周辺部を切り捨てることにより行う。かくして、「Ｃｒ≦３ｐｐｍ、Ｎｉ≦３ｐｐｍ」というような高純度品が得られる。凝集容器２０は、次のバッチでは還元容器１０として使用されることにより、凝集容器２０内に回収されたＭｇが再利用される。
【００４０】
真空分離工程では、Ｍｇは還元容器１０の容器本体１１内で蒸発し、容器蓋１２内、容器接続管３０内及び容器蓋２２内を経由して凝縮容器２０の容器本体２１内に回収される。このときＭｇ蒸気は容器蓋１２、容器接続管３０及び容器蓋２２の各内面に接触し、これを浸食する一方で、内面構成材に汚染されるが、内面構成材は、ＮｉとＣｒの合計含有量が１重量％以下の鉄であるため、Ｃｒ及びＮｉによる汚染は生じない。このため、次バッチでは、Ｃｒ及びＮｉによる汚染のない回収Ｍｇが使用され、製品純度が上がることにより、高純度品の収率が向上する。
【００４１】
容器蓋１２，２２及び容器接続管３０がステンレス鋼単体からなる場合に約１２％であった「Ｃｒ≦３ｐｐｍ、Ｎｉ≦３ｐｐｍ」を満足する高純度品の収率が、容器蓋１２，２２及び容器接続管３０を、内面側が鉄、外面側がステンレス鋼からなるクラッド材とすることにより、約２５％に向上した。また、容器蓋１２，２２のみをクラッド材とした場合は約１８％、容器接続管３０のみをクラッド材とした場合は約２０％にそれぞれ向上した。
【００４２】
ちなみに、この例で使用した鉄は、ＮｉとＣｒの合計含有量が０．１重量％の高純度品である。鉄の厚さは、対象箇所における腐食の度合いと要求される寿命に応じて適宜決められ、ここにおける容器蓋１２，２２では５ｍｍ、容器接続管３０では５ｍｍとした。ステンレス鋼としてはＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１０、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌなどを使用でき、ここではＳＵＳ３０４Ｌを用いた。ステンレス鋼の厚さは、対象箇所に要求される寿命に応じて適宜決められ、ここにおける容器蓋１２，２２では２０ｍｍ、容器接続管３０では８ｍｍとした。
【００４３】
容器蓋１２内、容器接続管３０内及び容器蓋２２内により構成される凝縮回収経路に温度測定や他の目的でパイプ類を挿入する場合は、Ｍｇと接触するパイプ外面が鉄であることが望ましい。但し、このようなパイプ類は強度を必要としない場合が多いので、鉄単体でもよい。
【００４４】
【発明の効果】
以上に説明したとおり、本発明のクロール法による高純度スポンジチタンの製造に使用される反応容器の蓋体内面及び／又はその製造の真空分離工程で反応容器同士を接続する容器接続管の内面を鉄とすることにより、真空分離工程で回収されるＭｇの汚染を低減できるので、「Ｃｒ≦３ｐｐｍ、Ｎｉ≦３ｐｐｍ」というような高純度品の収率向上、これによる製造コスト低減に大きな効果を発揮する。
【００４５】
また、本発明の高純度スポンジチタン製造用容器蓋は、クロール法による高純度スポンジチタンの製造に使用される反応容器の蓋体であって、その内面を鉄としたことにより、真空分離工程で回収されるＭｇの汚染を低減できるので、「Ｃｒ≦３ｐｐｍ、Ｎｉ≦３ｐｐｍ」というような高純度品の収率向上、これによる製造コスト低減に大きな効果を発揮する。
【００４６】
また、本発明の高純度スポンジチタン製造用容器接続管は、クロール法による高純度スポンジチタンの製造における真空分離工程で反応容器同士を接続する容器接続管であって、その内面を鉄としたことにより、真空分離工程で回収されるＭｇの汚染を低減できるので、「Ｃｒ≦３ｐｐｍ、Ｎｉ≦３ｐｐｍ」というような高純度品の収率向上、これによる製造コスト低減に大きな効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す高純度スポンジチタン製造装置の構成図である。
【符号の説明】
１０  反応容器（還元容器）
１１  容器本体
１２  容器蓋
２０  反応容器（凝縮容器）
２１  容器本体
２２  容器蓋
３０  容器接続管
【図１】
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