(57)【要約】【課題】  還元反応を高速化すると共に反応容器からの鉄等の不純物汚染を防止し、反応副生成物の除去が容易な金属チタンの製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】  原料である二塩化チタン又は三塩化チタンを、チタン製反応容器２を用いて、金属マグネシウム又はマグネシウム合金により還元して、金属チタンを得る還元工程を有する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料である二塩化チタン又は三塩化チタンを、チタン製反応容器を用いて、
金属マグネシウム又はマグネシウム合金により還元して、金属チタンを得る還元工程を有することを特徴とする金属チタンの製造方法。
【請求項２】
前記還元工程の後に、破砕・粉砕工程を経ることなしに、
溶解鋳造工程に、この金属チタンをチタン製反応容器ごと送給することを特徴とする請求項１に記載の金属チタンの製造方法。
【請求項３】
原料である二塩化チタン又は三塩化チタンと還元剤である金属マグネシウム又はマグネシウム合金の仕込み量が０．０５〜１２０ｋｇであって、
還元反応の反応時間が１〜５００分であることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属チタンの製造方法。
【請求項４】
前記還元工程で得られるスポンジチタンの寸法が、最大の長さで４００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属チタンの製造方法。
【請求項５】
前記還元工程と、反応副生成物の分離工程とを一つのプロセスで行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属チタンの製造方法。
【請求項６】
前記還元工程に、チタン又は塩化マグネシウムを添加することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の金属チタンの製造方法。
【請求項７】
前記マグネシウム合金が、銀、ニッケル、銅及び錫からなる群から選択される少なくとも１種以上の金属を含有するマグネシウム合金であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の金属チタンの製造方法。
【請求項８】
反応容器が、チタン製であることを特徴とする金属チタンの製造装置。
【請求項９】
前記反応容器が、上釜と下釜からなり、上釜がチタン製容器であることを特徴とする請求項８に記載の金属チタンの製造装置。
【請求項１０】
仕込み量が０．０５〜１２０ｋｇである反応容器を有することを特徴とする請求項８又は９に記載の金属チタンの製造装置。
【請求項１１】
得られるスポンジチタンの寸法が、最大の長さで４００ｍｍ以下である反応容器を有することを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載の金属チタンの製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属チタンの製造方法とその製造装置に関するものであり、特に、チタンの低級塩化物を出発原料として、チタン製の小型反応容器内で、還元反応により半連続的に効率良く金属チタンを製造できるようにしたものである。
【背景技術】
【０００２】
金属チタンの製造方法の先駆けとなったのは、四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）を原料として、金属ナトリウム（Ｎａ）による還元反応を行うハンター法である。この反応式は、ＴｉＣｌ４ ＋４Ｎａ  →  Ｔｉ＋４ＮａＣｌで示されるが、反応熱が大きいので、２段還元法が有利とされている。
【０００３】
まず第１段では、四塩化チタンと溶融金属ナトリウムを連続的に鋼製反応容器に送入し、二塩化チタン（ＴｉＣｌ２）と塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）の共融物を製造する。
次に、この共融物を溶融状態で焼結ポットに移し、金属ナトリウムを追加して加熱し、二塩化チタンを金属チタンに還元する。生成物を希塩酸で浸出して反応副生成物である塩化ナトリウムを除去し、水洗、真空乾燥して、“スポンジチタン”を得るものである。
なお、温度を制御することで、ハンター法でも１段還元で製造することができる。
【０００４】
しかしながら、このハンター法では、反応副生成物である塩化ナトリウムの除去に洗浄が必要であるため、工程が煩雑であるという問題があった。
【０００５】
そこで、現在、チタンの製造方法として、最も一般的に用いられているのは、クロール法である。このクロール法は、四塩化チタンを原料として、金属マグネシウム（Ｍｇ）による１段還元を行うものである。
【０００６】
この方法は、鋼製反応容器に詰めた溶融金属マグネシウムに、四塩化チタンを滴下し、ＴｉＣｌ４ ＋２Ｍｇ  →  Ｔｉ＋２ＭｇＣｌ２で示される金属熱還元反応を行う。反応中、時々反応副生成物である塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ２）を抜き取る。生成したチタンは多孔質のスポンジ状の固体（スポンジチタン）として成長し、塊状のスポンジチタンは鋼製反応容器内壁に固着する。
還元反応終了後、このスポンジチタンには、未反応の金属マグネシウム及び塩化マグネシウムが付着している。そこで、この鋼製反応容器を真空にし、温度を１０００℃以上に加熱して、金属マグネシウムと塩化マグネシウムとを蒸発させ、揮発分離する。
その後、この鋼製反応容器を切断し、生成したスポンジチタンを破砕・粉砕した後、圧縮成形し、これを溶解鋳造してチタンインゴットを製造している。
【０００７】
このクロール法にあっては、塩化マグネシウムや未反応の金属マグネシウムを真空蒸発により効果的に除去できるため、反応副生成物の除去がハンター法よりも容易であり、比較的簡単な反応装置を用いて、不純物である酸素の含有量が低い金属チタンを製造することが可能である。
【０００８】
また、最近は、クロール法に変わる次世代プロセスとして、原料にチタン酸化物を用い、これを直接還元して金属チタンを製造する方法が注目されている。
そのなかでも、原料の酸化チタン（ＴｉＯ２）を溶融塩化カルシウム（ＣａＣｌ２）中で電解し、直接金属チタンを製造するＦＦＣ法と呼ばれる還元プロセス（例えば、特許文献１参照）や、塩化カルシウム（ＣａＣｌ２）と酸化カルシウム(ＣａＯ)との混合溶融塩を電気分解して、溶融塩化カルシウムの中に金属カルシウムを溶解した強還元性溶融塩を作り、この強還元性溶融塩の内部に酸化チタンを供給して、この酸化チタンを還元・脱酸するＯＳ法と呼ばれる還元プロセス（例えば、特許文献２参照）等が提案されている。
【特許文献１】特表２００２−５１７６１３号公報
【特許文献２】特開２００３−１２９２６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
主流となっている上記クロール法による金属チタンの製造方法にあっては、現在はプロセスの大型化が進み、一度に１０トン程度のチタンを製造できるようになった。
しかしながら、プロセスの高速化は達成できず、（１）金属マグネシウムによる還元反応に１０日以上の日数を要すること、（２）還元後に得られる塊状のスポンジチタンを破砕して溶解する必要があるため、溶解・鋳造工程に至るまでにチタン１トン当たり２日以上の日数を要すること、（３）生成した金属チタンはスポンジ状の固体として鋼製反応容器に固着して析出するため、チタンを鋼製反応容器から連続的に取り出せず、プロセスの連続化が困難であること、（４）鋼製反応容器から鉄等の不純物の汚染を受け易く、鉄汚染を避けるのは、この技術では不可能であること等の問題があった。
【００１０】
還元反応を高速化できない主な理由は、この還元反応が非常に大きな発熱反応であるにもかかわらず、鋼製反応容器からの抜熱が困難であることと、蒸気圧の高い四塩化チタン原料と還元剤とを一度に多量に反応させることができないからである。
【００１１】
今後、チタンの需要が増大することが予想されるが、現行のクロール法を利用する限り、生産量を増大させるには、還元反応及び反応副生成物の分離プロセスの遅さを補うため、５〜１０トン規模の鋼製反応容器を多数用意し、これを並列処理するような非効率な方法を採用せざるを得ない。
【００１２】
また、特許文献１及び特許文献２に係る製造方法は、主として酸化チタンを原料として用いる還元法であり、反応媒体として塩化カルシウム（ＣａＣｌ２）等の溶融塩を利用するのが主な特徴である。
この製造方法にあっては、基本的には溶融塩電解を利用するため、多量の溶融塩を使用するという欠点と、電極界面における電気化学的な反応を利用するため、空間利用効率が低く、還元プロセスの高速化やエネルギー効率の向上が困難であるという問題があった。
さらに、特許文献１及び特許文献２に係る製造方法にあっては、反応副生成物の酸化カルシウムを除去するため、ハンター法と同様に洗浄が必要な点で問題があった。
【００１３】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、還元反応を高速化すると共に反応容器からの鉄等の不純物汚染を防止し、反応副生成物の除去が容易な金属チタンの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、原料である二塩化チタン又は三塩化チタンを、チタン製反応容器を用いて、金属マグネシウム又はマグネシウム合金により還元して、金属チタンを得る還元工程を有することを特徴とする金属チタンの製造方法である。
【００１５】
請求項２にかかる発明は、前記還元工程の後に、破砕・粉砕工程を経ることなしに、溶解鋳造工程に、この金属チタンをチタン製反応容器ごと送給することを特徴とする請求項１に記載の金属チタンの製造方法である。
【００１６】
請求項３にかかる発明は、原料である二塩化チタン又は三塩化チタンと還元剤である金属マグネシウム又はマグネシウム合金の仕込み量が０．０５〜１２０ｋｇであって、還元反応の反応時間が１〜５００分であることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属チタンの製造方法である。
【００１７】
請求項４にかかる発明は、前記還元工程で得られるスポンジチタンの寸法が、最大の長さで４００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属チタンの製造方法である。
【００１８】
請求項５にかかる発明は、前記還元工程と、反応副生成物の分離工程とを一つのプロセスで行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属チタンの製造方法である。
【００１９】
請求項６にかかる発明は、前記還元工程に、チタン又は塩化マグネシウムを添加することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の金属チタンの製造方法である。
【００２０】
請求項７にかかる発明は、前記マグネシウム合金が、銀、ニッケル、銅及び錫からなる群から選択される少なくとも１種以上の金属を含有するマグネシウム合金であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の金属チタンの製造方法である。
【００２１】
請求項８にかかる発明は、反応容器が、チタン製であることを特徴とする金属チタンの製造装置である。
【００２２】
請求項９にかかる発明は、前記反応容器が、上釜と下釜からなり、上釜がチタン製容器であることを特徴とする請求項８に記載の金属チタンの製造装置である。
【００２３】
請求項１０にかかる発明は、仕込み量が０．０５〜１２０ｋｇである反応容器を有することを特徴とする請求項８又は９に記載の金属チタンの製造装置である。
【００２４】
請求項１１にかかる発明は、得られるスポンジチタンの寸法が、最大の長さで４００ｍｍ以下である反応容器を有することを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載の金属チタンの製造装置である。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の金属チタンの製造方法によれば、原料として二塩化チタン（ＴｉＣｌ２）や三塩化チタン（ＴｉＣｌ３）等のチタンの低級塩化物を使用することにより、常温で液体で蒸気圧が非常に高い四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）を還元する場合に比べ、反応による発熱量が低く、反応容器の抜熱を容易にできる。
【００２６】
また、これら低級塩化物は、常温で固体で蒸気圧も低いため、反応容器内への高密度装填が容易となる。
【００２７】
さらに、本発明の金属チタンの製造方法によれば、原料として固体であるチタンの低級塩化物を使用することにより、原料と還元剤とを一度に多量に反応させることができるため、還元工程を高速化できる。
【００２８】
また、本発明の金属チタンの製造方法によれば、原料の仕込み量が少量で、反応時間も短いため、反応による発熱量を少なくし、反応副生成物の除去が容易で、プロセスを連続化・高速化することができる。
【００２９】
さらに、本発明の金属チタンの製造方法によれば、得られるスポンジチタンが小さいことにより、小型のチタン製反応容器を用いることができるため、還元工程の高速化が可能となる。
【００３０】
また、この小型のチタン製反応容器を多数用意し、これを並列処理あるいは逐次処理することにより、プロセスの半連続化が可能となる。
【００３１】
本発明の金属チタンの製造方法によれば、還元工程と、反応副生成物の分離工程とを一つのプロセスで行うため、プロセスを連続化・高速化することができる。
【００３２】
そして、本発明の金属チタンの製造方法によれば、還元剤にマグネシウムを用いているため、水等を用いた洗浄が不要で、真空加熱等により反応副生成物の塩化マグネシウム等を容易に除去できる。
【００３３】
さらに、本発明の製造方法では、原料と還元剤以外の添加物として、チタン又は塩化マグネシウムしか反応容器に投入しないため、反応副生成物の分離を容易に行うことができる。
【００３４】
また、本発明の金属チタンの製造方法によれば、破砕・粉砕工程が不要であるため、プロセスを連続化できると共に高速化することができる。
【００３５】
そして、本発明の金属チタンの製造方法及び金属チタン製造装置によれば、チタン製反応容器を用いるため、反応容器からの鉄等の不純物汚染を防止することができる。
【００３６】
さらに、本発明では、小型のチタン製反応容器を用いることにより、容器からの抜熱が容易となり、還元反応にかかる時間を短縮できる。
【００３７】
そして、本発明では、小型のチタン製反応容器を用いることにより、クロール法における破砕・粉砕工程を経ることなしに、溶解鋳造工程に、生成したスポンジチタンをチタン製反応容器ごと送給して、半連続的に金属チタンを製造することができる。
【００３８】
本発明は、現行のクロール法から脱却を目指し、四塩化チタン原料の代わりに、二塩化チタンや三塩化チタン等のチタンの低級塩化物原料（サブハライド、常温で固体）を、チタン製小型反応容器内で、金属マグネシウムを用いて還元し、そのまま溶解可能な高純度でかつ小型のチタン塊を、半連続的に効率良く製造する方法である。
本発明のようなチタンの低級塩化物を小型のチタン製反応容器内でマグネシウムで還元し、高速・連続処理により効率良くチタンを製造する試みは、従来はまったく行われていない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、本発明の実施の形態に係る金属チタンの製造装置の例を図面に示し、詳細に説明する。
【００４０】
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る金属チタンの製造装置１の断面図である。この金属チタンの製造装置１は、反応容器２と、蓋部３と、隔壁６と、加熱装置７とから構成されている。
【００４１】
この反応容器２は、厚さが０．１〜１０ｍｍ、好ましくは１〜２ｍｍの円筒状又は箱状の容器である。この容器２の大きさは、内部に原料と還元剤との混合物８を０．０５〜１２０ｋｇ収容できる程度である。容器２の大きさが大き過ぎると容器２からの抜熱が容易でなく、また容器２が小さ過ぎるとスポンジチタンの生成量が少なくなり不経済となるからである。
また、この容器２の底部には、直径５〜２０ｍｍの穴５が設けられている。
さらに、容器２の頭部には、蓋部３が設けられており、この蓋部３は容器２から取りはずし可能となっている。また、この蓋部３には、直径５〜２０ｍｍの穴４が設けられている。
【００４２】
この容器２と蓋部３は、隔壁６で仕切られた加熱装置７の内部に収容されている。加熱装置７は、高周波誘導加熱装置を用いるのが好ましいが、抵抗加熱炉などの汎用性の高い加熱装置も利用できる。隔壁６の内部は、還元反応中の酸化を防ぐ観点から、アルゴンガス、ヘリウム等の不活性ガスが充填されている。そして、この隔壁６の外側には、加熱装置７が設けられており、容器２を不活性ガス雰囲気下で、所望の温度まで加熱できるようになっている。
【００４３】
この反応容器２は、純度９８〜９９．９９％、好ましくは９９〜９９．８％の金属チタン製である。従来法のクロール法では、四塩化チタンを原料として用いるため、チタン製の反応容器は使用できない。Ｔｉ＋ＴｉＣｌ４  →  ＴｉＣｌ２の反応が進行して、チタン容器が溶けてしまうからである。一方、本発明では、原料として二塩化チタンを用いる場合、これは金属チタンと熱力学的にも平衡であるため、チタン製の反応容器を利用できる。
蓋部３にも、金属チタンを用いてもよいが、後述する溶解鋳造工程に蓋部３を送給しない場合には、いかなる材料であってもよい。そのなかでも鋼等の材料を用いるのが好ましい。
【００４４】
この容器２の内部には、原料と還元剤との混合物８が収容されている。この混合物８の容器２への仕込み量は、上述したように、０．０５〜１２０ｋｇ、好ましくは０．１〜５０ｋｇ、より好ましくは１〜３０ｋｇである。混合物８の仕込み量を０．０５〜１２０ｋｇとすることにより、容器２を小型化できるため、発熱量を少なくすると共に、塩化マグネシウム等の反応副生成物も少量であるため、これを容易に除去でき、プロセスを連続化・高速化することができる。
また、この混合物８は、蓋部３を取りはずす点を考慮すると、生成したスポンジチタンが蓋部３にまで成長しないように、蓋部３との間に隙間を設けて容器２内に収容するのが好ましい。
【００４５】
この容器２から得られるスポンジチタンの寸法は、最大の長さで４００ｍｍ以下、好ましくは２００ｍｍ以下である。この大きさのスポンジチタンは、重さが４０ｋｇ以下、好ましくは２０ｋｇ以下である。得られるスポンジチタンの寸法が、最大の長さで４００ｍｍ以下であると、容器２からの反応熱の抜熱と反応副生成物の分離が速やかになり、プロセスの高速化を達成できるからである。
【００４６】
本実施形態に係る金属チタンの製造装置１では、チタン製の反応容器２を用いるため、反応容器２からの鉄等の不純物による汚染を防止することができる。
【００４７】
図２は、本発明に係る金属チタンの製造方法における基本的な製造工程を示すフローチャートである。図２に示すように、この金属チタンの製造方法は、還元工程Ｓ１から構成されている。
【００４８】
還元工程Ｓ１では、原料となるチタンの低級塩化物と還元剤とを本実施形態に係るチタン製の反応容器２に収容し、加熱装置７内で不活性ガス雰囲気中、７００〜１０００℃、好ましくは８００〜９５０℃に、１〜５００分、好ましくは１０〜６０分加熱し、スポンジチタンを製造する。加熱温度を７００〜１０００℃とするのは、７００℃未満では、還元反応が進行せず、また１０００℃を超えると、還元剤の蒸発量が増大するからである。
また、不活性ガス雰囲気中で還元反応を行うため、生成したスポンジチタンの酸化を防ぎ、不純物である酸素含有量を低減することができる。
【００４９】
原料として用いるチタンの低級塩化物は、固体の二塩化チタン又は三塩化チタンである。二塩化チタンは、液体である四塩化チタンを金属マグネシウム、金属ナトリウム、金属チタン等で還元する従来法を用いて製造することができる。また、三塩化チタンは、四塩化チタンを金属マグネシウム、金属アルミニウム、金属ナトリウム、金属チタン等で還元することにより得られる。これらチタンの低級塩化物を製造する場合、還元反応が進行し過ぎて多量の金属チタンが生成しないように、ハンター法、クロール法において使用する還元剤の量よりも、その量を少なくする必要がある。
【００５０】
四塩化チタンが常温で液体であり、蒸気圧が非常に高いのに対して、二塩化チタン又は三塩化チタンは、固体であり、蒸気圧も低い。また、還元反応による発熱は、四塩化チタンが、チタン１モル当たり４３４ｋＪであるのに対し、二塩化チタン又は三塩化チタンは、それぞれ９３．５ｋＪ及び１９１ｋＪである。
そのため、原料として、四塩化チタンに代えて二塩化チタン又は三塩化チタンを用いると、反応による発熱量が少ないため、反応容器２の抜熱が容易となり、原料と還元剤とを一度に多量に反応させることができる。さらに、二塩化チタン又は三塩化チタンは固体で蒸気圧も低いため、反応容器２内に原料を高密度で充填することができる。
【００５１】
本実施形態では、還元剤として金属マグネシウムを用いる。還元反応が進行すると、スポンジチタンと反応副生成物が容器２内に生成する。スポンジチタンは、容器２の内壁に融着して塊状に成長する。また、反応副生成物は、その大部分が塩化マグネシウムであり、過剰に添加した未反応の還元剤（金属マグネシウム）が含まれている。塩化マグネシウムは液体であるため、容器２の底部の穴５から排出し、分離することができる。
底部の穴５から反応副生成物を排出・分離することで、還元工程と、反応副生成物の分離工程とを一つのプロセスで行うことができるため、プロセスを連続化・高速化することができる。
【００５２】
還元反応終了後、この容器２を１０〜１０００Ｐａに真空引きし、温度を９００〜１２００℃に加熱し、スポンジチタン内に残留する塩化マグネシウムと未反応の金属マグネシウムを蒸発させ、蓋部３の穴４から揮発させて分離する。１０００℃における金属マグネシウム及び塩化マグネシウムの蒸気圧は、それぞれ５５０００Ｐａ、２７００Ｐａと高いため、ハンター法のような水等による洗浄工程を用いることなく、真空加熱によりこれらを容易に気化除去することができる。
【００５３】
この還元反応で得られるスポンジチタンは、上述したように寸法が、最大の長さで４００ｍｍ以下と小さいため、本実施形態のような小型のチタン製反応容器を用いることができる。このような小型のチタン製反応容器を多数用意し、これを並列処理あるいは逐次処理することにより、半連続的に、短時間で金属チタンを製造することができる。
【００５４】
この金属チタンの製造方法は、還元工程Ｓ１からなる構成としたが、さらに溶解・鋳造工程Ｓ２を備えてもよい。クロール法では、この還元工程の後、生成したスポンジチタンを破砕・粉砕する工程が必要であった。
それに対し、本発明では、上述したようにチタン製の反応容器２を用いることにより、この破砕・粉砕工程を経ることなしに、生成したスポンジチタンをチタン製の反応容器２ごと溶解鋳造工程Ｓ２に送給することができ、破砕工程で発生する汚染を防ぐと共に、エネルギーの節約、プロセスの連続化・高速化、時間の短縮化を図ることができる。
この溶解・鋳造工程Ｓ２では、スポンジチタンをチタン製の反応容器２ごと溶解炉で加熱溶解し、チタンインゴットを製造する。
【００５５】
［第２の実施形態］
図３は、第２の実施形態に係る金属チタンの製造装置１の断面図である。この金属チタンの製造装置１は、反応容器２と、蓋部３と、隔壁６と、加熱装置１７とから構成されている。以下に、第１の実施形態と異なる部分を説明し、第１の実施形態と同様の部分の説明は省略する。
【００５６】
この反応容器２は、円筒又は箱状の上釜２０と、下釜２１とから構成されている。この上釜２０は、第１の実施形態と同様の金属チタンで構成されている。また、下釜２１は、溶解鋳造工程に送給しないため、いかなる材料であってもよいが、そのなかでも鋼等の材料を用いるのが好ましい。この容器２の頭部には、第１の実施形態と同様の蓋部３が設けられている。そして、この容器２と蓋部３は、第１の実施形態と同様に隔壁６で仕切られた加熱装置１７の内部に収容されている。
【００５７】
本実施形態では、下釜２１の底部と蓋部３には各々穴は設けられていないが、第１の実施形態のように穴を設けておいてもよい。また、原料と還元剤との混合物８は、上釜２０に収容される。
【００５８】
本実施形態では、還元剤として、金属マグネシウム又はマグネシウム合金を用いる。このマグネシウム合金としては、銀、ニッケル、銅及び錫からなる群から選択される少なくとも１種以上の金属を含有するマグネシウム合金であるのが好ましい。上釜２０の内部に原料と共に収容させる還元剤には、金属マグネシウムが好ましい。
また、下釜２１の底部に、あらかじめ少量のマグネシウム合金からなる還元剤９、あるいは、合金元素を添加しておいてもよい。下釜２１にマグネシウム合金からなる還元剤９あるいは、合金元素をあらかじめ入れておくと、還元反応後、上釜２０内部の過剰量の還元剤が、下釜２１のマグネシウム合金からなる還元剤９あるいは、合金元素と反応して、マグネシウム合金になり、これが選択的に下釜２１に集まり、スポンジチタン内に残留する還元剤を減らすことができる。このような合金元素としては、銀、ニッケル、銅、錫等の金属を１種以上含有するものが好ましい。
【００５９】
本実施形態では、原料であるチタンの低級塩化物と還元剤の他に、反応助剤や封止剤を添加することができる。三塩化チタンを原料に用いる場合、上釜２０と反応して二塩化チタンを生成することにより、上釜２０が腐食する。この現象を防ぐため、還元剤と共に反応助剤として粉末チタンを添加するのが好ましい。
【００６０】
また、上釜２０に収容した混合物８の上部には、封止剤１０を添加してもよい。封止剤１０を添加することにより、反応副生成物である塩化マグネシウムの過度の蒸発を防ぐことができる。このような封止剤１０としては、金属マグネシウムや塩化マグネシウムが好ましい。この封止剤１０は、反応助剤としても利用することができる。
【００６１】
本発明では、原料と還元剤以外の添加物として、上記粉末チタン又は封止剤である塩化マグネシウムしか反応容器に投入しない。したがって、添加物を投入した場合でも、反応副生成物は過剰の金属マグネシウムと塩化マグネシウムになるため、真空加熱により、これらを容易に気化除去することができ、これらの分離を容易に行うことができる。
【００６２】
金属チタンの製造方法は、第１の実施形態と同様である。反応容器２と蓋部３を加熱装置１７内で不活性ガス雰囲気中、加熱し、スポンジチタンを製造する。
本実施形態では、還元反応によりスポンジチタンが上釜２０内に成長すると共に、反応副生成物である液体の塩化マグネシウムは、下釜２１の底部に溜まる。その際、下釜２１の底部に穴を設けておき、塩化マグネシウムを徐々に抜き取ってもよい。
【００６３】
還元反応終了後、上釜２０を１０００〜１１００℃に加熱し下釜２１を３００〜８００℃に冷却し、スポンジチタン内に残留する金属マグネシウムと塩化マグネシウムを揮発させ、温度の低い下釜２１に集めて除去する。
次いで、生成したスポンジチタンを上釜２０に入れたまま、上釜２０を溶解鋳造工程Ｓ２に送給する。
塩化マグネシウムを取り除いた下釜２１は、再度還元工程Ｓ１で利用する。また。塩化マグネシウムは電解して金属マグネシウムに戻し、再利用する。
【００６４】
本発明におけるチタンの製造方法と従来のクロール法との特徴の違いを、まとめて表１に示す。
【００６５】
【表１】
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【実施例】
【００６６】
以下、実施例により、本発明をさらに詳しく説明する。本発明は、下記実施例に何ら制限されるものではない。
【００６７】
［実施例１］
粉末状の三塩化チタン６ｇと金属マグネシウム４ｇを、図１に示した直径２０ｍｍ、長さ４０ｍｍの円筒形のチタン製反応容器に充填し、この容器を高周波加熱装置内で、アルゴンガス雰囲気中、８００℃で６０分間加熱した。
還元反応中、反応副生成物である塩化マグネシウムの約８０％以上は、反応容器底部の穴から取り出した。しかし、一部の塩化マグネシウムと過剰量の金属マグネシウムは、反応容器に残留したため、還元反応終了後、加熱装置で反応容器を１０００℃まで加熱し、２０分間反応容器内を１０−３気圧程度の真空にし、その後、室温まで冷却した。反応容器内にはスポンジ状の金属チタンが得られた。
【００６８】
得られたスポンジチタン中の金属不純物の含有量を、蛍光エックス線分析装置（日本電子製、ＪＳＸ−３２１０）を用いて測定した。また、高周波誘導結合プラズマ発光分析（ＩＣＰ）装置（ＳＥＩＫＯ社製）を用いて、スポンジチタン中の鉄の含有量を測定した。さらに、スポンジチタン中の酸素の含有量は、不活性ガス融解赤外線吸収分析装置（ＬＥＣＯ社製、ＴＣ−４３６）で測定した。
【００６９】
蛍光エックス線分析では、スポンジチタン中の金属不純物は検出されなかった。また、ＩＣＰ分析では、スポンジチタン中の鉄の含有量は、５００ｐｐｍであった。不活性ガス融解赤外線吸収分析では、スポンジチタン中の酸素の含有量は、１０００ｐｐｍであった。
【００７０】
［実施例２］
粉末状の二塩化チタン１０ｇと金属マグネシウム５ｇを、図３に示した上釜に相当する直径３０ｍｍ、長さ４０ｍｍの円筒形のチタン製反応容器に充填し、下釜に当たるステンレス容器で密封して、これらの容器を抵抗加熱式電気炉内で、アルゴンガス雰囲気中、８００℃で２０分間加熱した。
加熱開始時は下釜から加熱して、還元剤の蒸気圧を上昇させた。還元反応中、反応副生成物である塩化マグネシウムは、下釜底部の穴から取り出した。そして、還元反応終了後、２０分間上釜を１０００℃に維持したまま、下釜から冷却し、スポンジチタン中に残留する塩化マグネシウムと過剰量の金属マグネシウムを下釜に分離除去した。
得られたスポンジチタン中の金属不純物と酸素の含有量は、実施例１と同様の方法で分析した。
【００７１】
蛍光エックス線分析では、スポンジチタン中の金属不純物は検出されなかった。また、ＩＣＰ分析では、スポンジチタン中の鉄の含有量は、５００ｐｐｍであった。不活性ガス融解赤外線吸収分析では、スポンジチタン中の酸素の含有量は、１０００ｐｐｍであった。
【００７２】
以上の結果から、本発明の金属チタンの製造方法及び金属チタン製造装置によれば、反応容器からの鉄等の不純物汚染を防止することができ、プロセスに係る時間が短く、破砕工程も不要となるため、チタン製造プロセスを従来よりも高速化・合理化できることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】第１の実施形態に係る金属チタンの製造装置の断面図である。
【図２】本発明に係る金属チタンの製造方法における基本的な製造工程を示すフローチャートである。
【図３】第２の実施形態に係る金属チタンの製造装置の断面図である。
【符号の説明】
【００７４】
１    金属チタン製造装置
２    反応容器
２０  上釜
２１  下釜
Ｓ１  還元工程
Ｓ２  溶解鋳造工程
【図１】
2005213548.tif 000004
【図２】
2005213548.tif 000005
【図３】
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