(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属塩化物の溶融塩電解槽と、この電解槽に接続された塩素ガス吸引手段を備えた溶融塩電解装置であって、
上記塩素ガス吸引手段は、バグフィルター、電解槽内圧力制御弁としてのプラグ弁、吸引ブロアー、吸引制御弁の順に直列接続されており、
上記プラグ弁の開度が２０〜８０％の範囲で調節され、プラグ弁の流量係数Ｃｖ値（ここで、Ｃｖ値は、１５℃の水を弁前後の差圧を１ｐｓｉに保って流した場合の流量をガロン／分で表した数値であり、流体の流量Ｑ（ガロン／分）、比重Ｇおよび弁を通過する前後の差圧ΔＰ（ｐｓｉ）としたときにＣｖ＝Ｑ（Ｇ／ΔＰ）１／２）が２０〜４００の範囲に制御され、上記電解槽内の圧力が大気圧に対して−５ｍｍＨ２Ｏ〜−１５ｍｍＨ２Ｏの範囲に制御されることを特徴とする溶融塩電解装置。
【請求項２】
前記電解槽と前記バグフィルターの間に、バッファータンクを介装させたことを特徴とする請求項１に記載の溶融塩電解装置。
【請求項３】
前記電解槽内圧力制御弁として、前記プラグ弁に加え、さらにバタフライ弁を並列配置することを特徴とする請求項１に記載の溶融塩電解装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の溶融塩電解装置を用い、前記塩素ガス吸引手段の電解槽内圧力制御弁であるプラグ弁の開度を２０〜８０％の範囲で調節し、プラグ弁の流量係数Ｃｖ値を２０〜４００の範囲に制御することによって前記電解槽内の圧力を制御し、上記電解槽内の圧力を大気圧に対して−５ｍｍＨ２Ｏ〜−１５ｍｍＨ２Ｏの範囲に制御しながら、金属塩化物の溶融塩電解を行なうことを特徴とする溶融塩電解装置の運転方法。
【請求項５】
前記吸引ブロアーおよび吸引制御弁を用いて電解槽内の吸引圧力範囲を制御することを特徴とする請求項４に記載の溶融塩電解装置の運転方法。 
【請求項６】
前記金属塩化物が、塩化マグネシウム、塩化カルシウムまたは、塩化亜鉛であることを特徴とする請求項４または５に記載の溶融塩電解装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、金属塩化物の溶融塩電解装置およびこの溶融塩電解装置の運転方法に関するものであって、特に、前記溶融塩電解装置の電解槽内の圧力変動を抑制する装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属チタンは、航空機産業のみならず近年の世界的な需要の拡大に伴い生産量も大幅に伸びてきている。金属チタンの原料となるスポンジチタンは、所謂クロール法によって大量生産されており、ステンレス製の反応容器内に装入保持した溶融マグネシウム浴面上に四塩化チタンを滴下することにより、前記反応容器内にスポンジチタンを生成させるものである。
【０００３】
反応容器内に生成されたスポンジチタン内には、反応副生物の塩化マグネシウムや未反応の金属マグネシウムが残留しているので、減圧下にて高温で加熱してこれらを分離することにより、スポンジチタン塊が得られる。
【０００４】
前記四塩化チタンの還元剤として用いられる溶融マグネシウムは、塩化マグネシウムの溶融塩電解により効率的製造されている。
【０００５】
塩化マグネシウムの溶融塩電解装置の電解槽は、図３に示すように、電解室Ａとメタル室Ｂから構成されており、前記電解室Ａ内に装入されている電解浴（塩化マグネシウム）１１中には陰極１２と陽極１３が対向するように配置されており、両者の間に直流電流を流すことより、陰極１２には溶融マグネシウムが生成し、陽極１３には塩素ガスが生成する。
【０００６】
陰極１２に生成した溶融マグネシウムは、電解槽１内の電解浴１１中に形成されている浴流れに乗って、陰極１２表面から電解浴表面に向かって浮上した後、隔壁１４によって区画されているメタル室Ｂ内に輸送される。
【０００７】
前記電解浴流れに乗って電解室Ａから輸送された溶融マグネシウムは、電解浴１１に比べて比重が小さいので、隔壁１４の下端部にて浴流れから離脱して電解浴１１中を上昇し、メタル室Ｂの浴表面に溶融金属マグネシウム層６を形成する。
【０００８】
一方、電解室Ａで生成した塩素ガスは、塩素ガス吸引ノズル２１から吸引移送されて、図示しないチタン鉱石の塩素化工程に移送される。前記塩素化工程に移送された塩素ガスは、チタン鉱石の塩素化剤として供される。塩素ガスの吸引配管の途中には、圧力調整弁が介装されており、前記圧力調整弁の開度を調節することで電解槽１内の圧力が一定の範囲になるように調節されている。
【０００９】
しかしながら、上記した従来の電解槽は、通常は大気と遮断した密閉構造を形成しているが、メタル室Ｂに蓄積した溶融金属マグネシウムを系外にくみ出す際や、電解浴１１を構成する塩化マグネシウムを電解槽１内に投入する際に電解槽１の蓋１５を取る必要があり、その際には、電解槽１内の圧力が大きく変動する。
【００１０】
前記作業を完了後、電解槽１に蓋１５をして密閉した後も、前記開放作業に基づく圧力変動の余波の影響で電解槽１内の圧力変動が生起される場合があり、特に、電解槽１内の圧力が正圧になり、雰囲気中に塩素ガスが漏れ出すことは、安全上および作業環境上好ましくなく、このような状況は極力回避する必要がある。
【００１１】
前記塩素ガスの圧力制御弁は、一般的にはバタフライ弁が用いられており、バタフライ弁は、弁開度に応じて流量が直線的に変化するため、電解槽で発生する塩素ガス量が一定の場合には有効である。
【００１２】
しかしながら、塩化マグネシウムの溶融塩電解においては、電力事情の関係から、昼間に流す電流を絞って減電し、その分夜間に増電するような電力調整を行っている。前記したような電流調整を行うことで、電解槽１で生成する塩素ガス流量も大きく変化する。よって、流量の小さいときには弁開度に対する流量変化量が小さく、一方、流量の大きいときには、流量変化量が大きくなるような特性を有する弁構造が望ましいと考えられる。
【００１３】
このような機能を有する弁の一つとしてプラグ弁が知られている。前記プラグ弁とは、ガス流路全体の一部に貫通孔を有する栓状の弁であり、前記弁の位置を変更することで、前記貫通部の面積を変更させることができ、その結果流量が小さいときは弁開度に対する流量変化が小さく、逆に流量が大きいときは弁開度に対する流量変化の大きく塩素ガスの流量を調整することができるという機能を有するものである（例えば、特許文献１および２参照）。
【００１４】
しかしながら、現実には、前記の弁構造を採用しただけでは溶融塩電解槽の圧力を一定に保持することは難しい場合があり、このため特に非定常作業を含んだ溶融塩電解槽の運転中もできる限り電解槽内の圧力を一定に制御する技術が望まれている。
【００１５】
【特許文献１】特公昭３２−００３０８４号公報
【特許文献２】特公昭４４−２７１１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本願発明は、溶融塩電解槽内の圧力変動を抑制すると共に、安定的に微減圧下に制御するために好適な塩素ガス吸引手段を備えた溶融塩電解装置およびその好ましい運転方法の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
かかる実情に鑑みて鋭意検討を重ねてきたところ、溶融塩電解によって電解槽で生成した塩素ガスを、バグフィルター、電解槽内圧力制御弁、吸引ブロアー、吸引圧力制御弁の順に構成し、これらを直列に接続し、前記構成の吸引配管構成を有した溶融塩電解装置を用いることにより、電解槽内の圧力を微減圧下にて安定的に制御できることを見出し、本願発明を完成するに至った。
【００１８】
即ち、本願発明は、金属塩化物の溶融塩電解槽と、この電解槽に接続された塩素ガス吸引手段を備えた溶融塩電解装置であって、塩素ガス吸引手段は、バグフィルター、電解槽内圧力制御弁としてのプラグ弁、吸引ブロアー、吸引制御弁の順に直列接続されており、プラグ弁の開度が２０〜８０％の範囲で調節され、プラグ弁の流量係数Ｃｖ値が２０〜４００の範囲に制御され、電解槽内の圧力が大気圧に対して−５ｍｍＨ２Ｏ〜−１５ｍｍＨ２Ｏの範囲に制御されることを特徴とするものである。
【００１９】
また、本願発明は、前記電解槽とバグフィルターの間に、バッファータンクを介装させたことを好ましい態様としており、電解槽内圧力制御弁がプラグ弁で構成されていることを好ましい態様としている。
【００２０】
本願発明に係る溶融塩電解装置の運転方法は、前記の装置を用いたことを特徴とするものであり、特に電解槽内圧力制御弁の開度を調節することにより、電解槽内の圧力を大気圧に対して−５ｍｍＨ２Ｏ〜−１５ｍｍＨ２Ｏの範囲に制御することを好ましい態様としている。
【００２２】
ここで、前記溶融塩電解槽内に用いるプラグ弁の開度を２０〜８０％の範囲で調節することにより２０〜４００の範囲に制御するプラグ弁の流量係数Ｃｖ値とは、「１５℃の水を弁前後の差圧を１ｐｓｉに保って流した場合の流量をガロン／分で表した数値である」と規定されているもので、具体的には、流体の流量Ｑ（ガロン／分）、比重Ｇおよび弁を通過する前後の差圧ΔＰ（ｐｓｉ）を規定することで以下の式で計算される無次元の数値である。
【００２３】
【数１】
0005144246.tif 000002
【００２４】
前記した溶融塩電解装置およびその運転方法を用いることで、溶融塩電解槽内の圧力変動を効果的に抑制でき、その結果、電解槽内の圧力を微減圧下に安定して維持することができるという効果を奏するものである。
【発明の効果】
【００２５】
本願発明に係る溶融塩電解装置のおよびその運転方法を用いることにより、溶融塩電解槽内の圧力を微減圧下に維持し、しかも圧力変動を効果的に抑制することができるという効果を奏するものである。その結果、前記溶融塩電解槽の作業環境を、好適に維持することができるという効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本願発明の最良の実施形態について図面を用いて以下に説明する。図１は、本願発明を実施するための好適な装置構成例を表しており、同図を用いて本願発明の好ましい態様につき以下に説明する。図１は、本願発明に用いる溶融塩電解装置の概要を表しており、前記溶融塩電解装置は、溶融塩電解槽１、塩素ガス配管２、バグフィルター３、電解槽内圧力制御弁４、吸引ブロアー５、吸引圧力制御弁４１、圧力制御システム７から構成されている。
【００２７】
前記溶融塩電解槽１は、図３に示したような電解槽１で構成されている。前記溶融塩電解槽１で生成した塩素ガスは、塩素ガス吸引ノズル２１経由で電解槽１から吸い出され、塩素ガス配管２を経由してバグフィルター３に導かれる。溶融塩電解槽１内で生成した塩素ガスは、電解浴１１から湧き上がってくるものであるから、前記電解浴１１の蒸気も前記塩素ガスと随伴して塩素ガス配管内に輸送される。
【００２８】
前記塩素ガスに随伴された電解浴蒸気は、塩素ガス配管２内を通過する間に冷却されて凝縮固化して微粉を形成する。前記微粉は塩素ガスと共にバグフィルター３に導くことにより、前記微粉を効果的に捕捉除去することができる。
【００２９】
前記微粉の除去されたクリーンな塩素ガスは、電解槽内圧力制御弁４を経由し更に吸引ブロアー５および吸引圧力制御弁４１を経て、上述した塩素ガス消費工程に導かれる。例えば、金属チタンの製造工場においては、前記塩素ガスは、チタン鉱石の塩素化工程に好適に利用することができる。
【００３０】
本願発明においては、前記の電解槽内圧力制御弁４は、プラグ弁で構成することが好ましい。前記したプラグ弁は、塩素ガスの流量の広い範囲において、プラグ弁の開度を大きく変化させても流量変化は小さくすることができるという効果を奏するものである。
【００３１】
よって、このようなプラグ弁を電解槽内圧力制御弁４として用いることにより、塩素ガス流量の大小に拘わらず、精度よく好適に塩素ガスを制御することができるという効果を奏するものである。
【００３２】
本願発明においては、前記プラグ弁の開度が２０〜８０％の範囲において、前記プラグ弁４内を流れるガスの流量係数Ｃｖ値が、２０〜４００の範囲で変更できるように構成することが好ましい。
【００３３】
溶融塩電解槽１内の圧力が基準値よりも低い場合には、プラグ弁の開度が大きめに開放され、逆に、溶融塩電解槽１内の圧力が基準値よりも大きい場合には、プラグ弁の開度は、小さめに開放されるように構成することが好ましい。
【００３４】
前記の特性を発揮できるようにプラグ弁４および圧力信号を調節できるように、圧力制御システム７をプログラムすることで、溶融塩電解槽１内の圧力変動を効果的に抑制することができるという効果を奏するものである。
【００３５】
本願発明においては、また、電解槽１内の圧力は、微減圧下に維持することが好ましく、具体的には、−５ｍｍＨ２Ｏ〜−１５ｍｍＨ２Ｏの範囲に維持することが好ましい。このような範囲に前記圧力を維持することにより、電解槽の作業環境を好適に維持することができるという効果を奏するものである。
【００３６】
前記の減圧状態は図１に示した吸引ブロアー５とその下流に設けた吸引圧力制御弁４１を組み合わせることにより、好適に制御することができる。即ち、前記吸引ブロアー５により、電解槽１からの吸引圧力レベル（即ち、平均値）を所定範囲に維持することができるという効果を奏するものである。
【００３７】
図２は、本願発明の別の好ましい態様を表している。当該実施態様においては、バグフィルター３と電解槽１の間に、バッファータンク８を設けることを特徴とするものである。そのような構成とすることで、電解槽１内から溶融マグネシウムを抜き出す際や、塩化マグネシウムを電解槽１に供給する場合に生起される大きな圧力変動を、配管のみの態様に比べて大きな体積を有するので、効果的に吸収させることができるという効果を奏するものである。
【００３８】
更に、前記バッファータンク８を水冷構造とすることで、電解槽１から飛散してきた塩化物蒸気を効果的に補足することができ、これによりバグフィルター３の交換頻度を低減させるという効果を奏するものである。
【００３９】
また、本願発明では、バグフィルター３の下流には、前記したプラグ弁４とバタフライ弁４２を並列に配置することもできる。前記したような電解槽内圧力制御弁４を構成することで、電解槽１で生成する塩素ガス流量の生産量に応じて、弁の特性に応じて適宜選択的に使い分けることができる。その結果、電解槽１内の圧力を好適に維持することができるという効果を奏するものである。
【００４０】
例えば、電解槽で発生する塩素ガス量が一定の場合には、弁開度に応じて流量が直線的に変化するバタフライ弁によって制御を行い、原料投入時や電力切替時等の塩素ガスの流量変化が大きい場合には、プラグ弁によって制御を行なうというように、切り替えて使用することができる。
【００４１】
その結果、溶融塩電解槽１からの塩素ガスの漏れがなく、作業環境を好適な状態に維持することができるという効果を奏するものである。
【実施例】
【００４２】
以下、実施例および比較例によって本願発明の効果を具体的に説明する。
［実施例１］
１．溶融塩電解設備
１）溶融塩電解槽：バイポーラ型溶融塩電解槽
陽極材質：カーボン板
陰極材質：炭素鋼板
隔壁：窒化珪素壁
内壁構造：アルミナ系レンガ
２）塩素ガス配管
材質：塩ビ配管
３）バグフィルター：テフロン（登録商標）製フィルター
４）プラグ弁：ＸＯＭＯＸ社製プラグ弁（内面：テフロン（登録商標）コーティング）
【００４３】
上記構成を有し、図１に示す溶融塩電解設備を用いて、塩化マグネシウムの溶融塩電解を６ヶ月行い、金属マグネシウムを製造すると共に、副生された塩素ガスは、バグフィルター、プラグ弁およびブロアーを経由してチタン鉱石の塩素化工程に安定的に輸送された。この間の溶融塩電解槽１内の圧力は−５ｍｍＨ２Ｏ〜−１５ｍｍＨ２Ｏの範囲に維持することができた。また、溶融塩電解槽の稼働率は、９８．９％に達し塩素ガスのリークを起こすことなく、長期に亘る安定操業が可能であることが確認された。
【００４４】
［比較例１］
図１に示すプラグ弁に代えて、バタフライ弁を用いて同様の溶融塩電解操業を行った。前記溶融塩電解槽中の圧力変動が大きく、操業の途中で溶融塩電解槽から塩素ガスのリークが検出され、一時、溶融塩電解槽の運転を停止した。その結果、溶融塩電解槽の稼働率は、９８．２％に留まった。
【００４５】
なお、実施例１で確認された電解槽の稼働率と比較例１の差異は微差ではあるが、電解工程のコスト削減に及ぼす効果は顕著であると考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
金属塩化物の溶融塩電解の効率化を図ることにより、チタンのコストダウンにも寄与する。また、操業の安全性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本願発明の溶融塩電解装置を示す模式図である。
【図２】本願発明の他の溶融塩電解装置を示す模式図である。
【図３】溶融塩電解装置における溶融塩電解槽部分を示す模式断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
Ａ    電解室
Ｂ    メタル室
１    溶融塩電解槽
１１  電解浴
１２  陰極
１３  陽極
１４  隔壁
１５  蓋
２    塩素ガス配管
２１  塩素ガス吸引ノズル
３    バグフィルター
４    電解槽内圧力制御弁
４１  吸引圧力制御弁（プラグ弁）
４２  バタフライ弁
５    吸引ブロアー
６    溶融金属マグネシウム層
７    圧力制御システム
８    バッファータンク
【図１】
0005144246.tif 000003
【図２】
0005144246.tif 000004
【図３】
0005144246.tif 000005