JP2016528393A - チタン生成物の製造 - Google Patents

Abstract

チタン生成物を製造するための方法４００を開示する。方法（４００）は、ＴｉＯ２−スラグを得ること（４０１）、並びに、ＴｉＯ２−スラグ中の金属不純物から化学的に分離した（４０３）チタン生成物を直接製造する中程度の温度及び圧力にて、金属還元剤を使用して（４０２）、ＴｉＯ２−スラグからチタン生成物を製造すること、を含み得る。このチタン生成物は、ＴｉＨ２、及び場合によりチタン元素を含み得る。次に、チタン生成物中の不純物を浸出、精製及び分離により除去し（４０４）、精製されたチタン生成物を生成することができる。

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１３年８月１９日に出願された米国特許仮出願第６１／８６７，４６７号の利益を主張するものであり、その内容を参照により本明細書に援用する。

チタンは強靱で軽量であり、耐食性があり、かつ生体適合性がある。これらの性質を固有のものとして組み合わせて持つことから、チタンは数多くの潜在的な商業的用途に適した貴重な天然資源となっている。チタンは、少なくとも１９４８年より商業的に製造されており、航空宇宙産業、医療産業、及び軍事防衛産業で幅広く用いられている。例えば、アメリカ地質調査所、チタンに関する鉱物産業調査所（Mineral Industry Surveys on titanium）は、２０１１年には、延伸材及び鋳物のうちの約６７％が、商業用及び軍事宇宙航空用途で用いられていたと報告している。しかし、チタニウムの性質が有用であろう他の産業は、依然としてそのほとんどが汎用鋼に依存している。従来の方法によるチタン製造では、鋼を製造する場合と比較して費用が２０倍超にかさむことから、鋼に対する依存度が高いことは驚くべきことではない。以下の図１〜４を参照して示し、かつ論じる通り、この高コストのほとんどは、既知のプロセスの副次的な性質、すなわち、非常に時間がかかり、大量のエネルギーを必要とするという性質によるものである。

図１は、従来のチタン製造方法１００を示す。段階１０１において、炭素熱プロセスにより、イルメナイトとも呼ばれる天然鉱石のＦｅＴｉＯ_３を、チタニウムスラグ（ＴｉＯ_２−スラグ）及び銑鉄に還元する。段階１０２において、化学製錬プロセスを利用して、若干の不必要な不純物を除去し、アップグレードしたＴｉＯ_２（合成ルチルとも呼ばれる）を製造する。段階１０３において、合成ルチルを高温下（通常は８００〜１０００℃の範囲内）で塩素により塩素化し、四塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）を形成する。ＴｉＣｌ_４の処理には、周知の２通りの商業的プロセス（クロール法及びハンター法）が使用される。

元々は、レンセラー工科大学の金属学者であり教授のマシュー・ハンターにより実践され開発されたハンター法１０４は、高温（約９００℃）かつ高圧下で、密閉した鋼釜内で、ナトリウム元素によりＴｉＣｌ_４を還元し、スポンジチタン及び融解塩化ナトリウムを形成することを伴う。その後、ハンター法は２段階プロセスに改良された。改良されたハンター法１０４の段階１において、ＴｉＣｌ_４は、ナトリウムによりＴｉＣｌ_２に還元され、第１の反応槽から排出されて、溶融塩と共に第２段階の回分反応装置（炉の上、かつ不活性ガス雰囲気下）に供給され、ここでＴｉＣｌ_２が溶融ナトリウムと結合して、スポンジチタンへの還元が完了する。反応を完了させ、密閉釜を冷却させた後、塩酸溶液で塩を洗い流し、乾燥させた。理論上は、ハンター法１０４は非常に純粋な金属チタンを製造することができるものの、このプロセスは非効率的で時間がかかり、またコストもかさむため、多くの産業では非現実的である。

クロール法１０５は、ハンター法１０４の代替物としてウィリヘルム・クロールにより開発された方法であり、米国特許第２，２０５，８５４号（１９４０年６月２５日に発行）に記載されている。クロール法１０５によれば、ＴｉＣｌ_４は、大気圧及び８００℃を超える温度にて、マグネシウム金属により還元される。反応槽内では、マグネシウム還元剤と共に不活性ガスが用いられる。反応槽から運ばれた金属片は水と塩酸で処理し、塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ_２）を除去する。クロール法では、商業用の製造プロセスへのスケールアップにほぼ１０年が費やされたことが報告されている。

更に最近、特に過去２０年では、チタンを製造するのに一層経済的な方法を突き止めるべく研究が続けられている。図２は、このような方法のうちアームストロング法２００として知られている方法を示している。このプロセス２００は段階２０１から開始するものであり、段階２０１でイルメナイト鉱石がＴｉ−スラグ及び銑鉄に炭素熱還元され、以降、段階２０２での化学抽出、並びに段階２０３での、アップグレードした合成ルチルのＴｉＣｌ_４への高温塩素化が続く。段階２０４は、溶融ナトリウム（Ｎａ）金属を使用したＴｉＣｌ_４の還元のための連続プロセスである。アームストロング法は、ハンター及びクロール法を上回る利点を幾つか示すものの、多くの課題が残っている。一態様において、アームストロング法では一定の微小スポンジを有するＴｉ粉末が生じ、成形及び焼結等の後のプロセスが困難になる。別の態様では、溶融ナトリウムは費用のかさむ材料であり、かつ（ＮａＣｌから）Ｎａを再生するプロセスは、エネルギーを大量に消費する。更に、アームストロング法では依然としてＴｉＣｌ_４が必要とされる。したがって、アームストロング法による恩恵は限られている。

クロール法及びハンター法に続き、チタンを処理するのに必要な工程数を修正する方法が開発されてきた。一例として、ＦＣＣケンブリッジ法を図３に示す。方法３００は段階３０１から開始するものであり、段階３０１ではイルメナイト鉱石がＴｉ−スラグ及び銑鉄に炭素熱還元され、以降、プロセス３０２での化学抽出が続く。段階３０３では、アップグレードした合成ルチルがＦＣＣケンブリッジ法により電解され、電気化学的にＴｉスポンジ又は粉末還元される。

２００４年１月にアメリカエネルギー省及びオークリッジ国立研究所（ＯＲＮＬ）が発表したレポート「Ｓｕｍｍａｒｙ ｏｆ Ｅｍｅｒｇｉｎｇ Ｔｉｔａｎｉｕｍ Ｃｏｓｔ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓでは、新たに１６種のチタン還元プロセスが確認され、報告されている。相当の試行がなされ、かつ財政支援がなされたにも関わらず、かかる試行は、様々な理由から、広く採用されるに至らず、また多くの場合において商用利用に至らなかった。

以上のように、商業的及び開発中のプロセスの両方を含む既存の技術は、概括的には２つのグループ：（１）ＴｉＣｌ_４の還元を用いるプロセス、及び（２）ＴｉＯ_２の還元を用いて、チタンを間接的に製造するプロセス、に分けることができる。ＴｉＣｌ_４の還元についての研究は、ほとんどがＴｉＣｌ_４還元プロセスの最適化に焦点を当てている。それに対し、ＴｉＯ_２の還元による研究は、ほとんどが高温での塩素化を回避することに焦点を当てている。それでもなお、いずれのグループ及び関連研究でも、依然として、以降の処理段階（同様にコストのかかる段階）に供給するアップグレードした（非常に精製された）ルチルを得るための、化学抽出プロセスを必要としている。

上述の方法は、いずれも、金属チタンの経済的な実行可能性を十分に改善するチタン製造方法を提供しない。図４は、従来のチタン製造に伴う一般的な費用を示している。マグネシウム及びナトリウム還元処理（例えば図１のハンター法１０３及びクロール法１０４）は、総製造費用の約６６％を占める。塩素化によるＴｉＣｌ_４の形成が総製造費用の約２４％を占め、残りの１０％はアップグレードしたルチルの製造に起因する。したがって、金属チタンを製造するにあたって、簡略化され、必要経費の削減された方法が尚も必要とされている。

本開示は、ＴｉＯ_２−スラグから直接、チタン粉末又はスポンジ等のチタン生成物を製造する方法に関する。この方法は、ＴｉＯ_２−スラグを得ること、並びに、中程度の温度及び圧力にて金属還元剤を使用して、ＴｉＯ_２−スラグ中の金属不純物から化学的に分離したチタン生成物を直接製造することにより、ＴｉＯ_２−スラグからチタン生成物を製造すること、を含むことができる。このチタン生成物は、ＴｉＨ_２、及び場合によりチタン元素を含み得る。浸出、精製及び／又は分離工程を用い、チタン生成物から金属不純物を除去し、精製チタン生成物を形成することができる。

一態様において、この方法には、ＴｉＯ_２−スラグをアルカリ焙焼して、スラグから不純物を除去し、チタン酸ナトリウム及びメタチタン酸の誘導体等の中間体生成物を製造することを包含させることができる。別の態様では、この方法には、水素化チタン及び／又はチタン元素を含むチタン生成物を製造する温度及び圧力にて、金属還元剤を使用して、アルカリ浸出して水洗した生成物又はメタチタン酸を還元することを包含させることができる。

一態様において、この方法には、ＴｉＯ_２−スラグをアルカリ焙焼して、スラグから不純物を除去すること、及び、浸出させて実質的に純粋な二酸化チタン（ＴｉＯ_２）を製造することを包含させることができる。別の態様では、この方法には、ＴｉＨ_２及び／又はチタン元素を含むチタン生成物を製造するための温度及び圧力で、金属還元剤を使用して、二酸化チタンを還元することを包含させることができる。

このように、以降の詳細な説明が一層理解され得るように、かつ、当技術分野へのこの貢献が一層評価され得るように、本発明の一層重要な特徴を広範に略述した。本発明の他の特徴は、添付図面及び特許請求の範囲を合わせた、以下の本発明の詳細な説明により明確となるか、又は、本発明の実施により教示され得る。

ハンター法及びクロール法による還元を含む、従来のチタン製造プロセスを示すプロセスフロー図である。 スポンジチタン又はチタン粉末の製造のためのアームストロング法を示すプロセスフロー図である。 スポンジチタン又はチタン粉末の製造のためのＦＣＣケンブリッジ法を示すプロセスフロー図である。 従来のチタンの製造に関係する一般的な費用を示す円グラフである。 本開示の実施例に従ったチタン生成物の製造方法を示す。 本開示の実施例に従った、マグネシウム又は水素化マグネシウム還元剤による、ＴｉＯ_２−スラグの直接還元からの種々の反応生成物の相対量を示す。 本開示の別の実施例に従った、チタン生成物の製造方法を示すフローチャートである。 本開示の更に別の実施形態に従った、チタン生成物の製造方法を示すフローチャートである。 本開示の更に別の実施形態に従った、チタン生成物の製造方法を示すフローチャートである。

これらの図面は本発明の種々の態様を示すために付与され、特許請求の範囲により別様で制限されない限り、寸法、材料、構造、配置、又は比率の観点から、範囲を制限することを意図するものではない。

これらの代表的実施形態は、当業者による本発明の実施を可能にするよう十分詳細に記載されてはいるが、他の実施形態も実現され得ること、及び、本発明の趣旨及び範囲から逸脱せずとも本発明に対する種々の変更をなし得ることは理解されるべきである。したがって、本発明の実施形態についての以下の一層詳細な記載は、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を限定することを意図するものではないが、説明のみを目的として、かつ本発明の特色及び特徴の記載、本発明の操作の最良の形態の説明、並びに、当業者による本発明の実施を十分に可能にすることを限定せずに提示される。したがって、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲のみによって規定される。

定義
本発明の記載及び請求において、以下の用語を使用する。

単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈で明確に別様が規定されない限り、複数への言及を含む。したがって、例えば「還元剤（a reducing agent）」への言及は、１つ以上のかかる材料への言及を含み、かつ、「行う（subjecting）」への言及は、１つ以上のかかる工程を言及する。

特定の性質又は状況に関して本明細書で使用する場合、「実質的に」とは、ばらつきが、特定の性質又は状況から測定され得るほどに外れるようなものではなく、十分わずかなものであることを意味する。許容され得るばらつきの正確な程度は、場合によっては具体的な文脈に依存し得る。

本明細書で使用する場合、「近接する」とは、２つの構造又は要素の近接性を意味する。特に、「近接」していると特定される要素は、接触していても、結合していてもよい。かかる元素はまた、必ずしも互いが接触する必要なく、互いに接近して（near）いても、近接して（close to）いてもよい。近接性の正確な程度は、場合によっては具体的な文脈に依存し得る。

本明細書で使用する場合、複数の項目、構造要素、構成要素、及び／又は材料は、便宜上、共通の一覧表で示され得る。しかし、これらの一覧表は、あたかも一覧表の各要素が、別個の独自の要素として個々に認識されるように解釈されなければならない。したがって、かかる一覧表の個々の要素は、別途記載のない限り、共通の群の中でのこれらの提示のみに基づき、同じ一覧表の任意の他の要素の事実上の均等物として解釈されるべきでない。

本明細書で使用する場合、用語「のうちの少なくとも１つ」は、「１つ以上の」の同義語であると意図される。例えば、「Ａ、Ｂ、及びＣのうちの少なくとも１つ」は明示的に、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、又はそれぞれの組み合わせを含む。

濃度、量、及び他の数値データは、範囲の形式で本明細書で提示され得る。かかる範囲の形式は単に、利便性及び簡潔性のために用いられることは理解されなければならず、かつ、範囲の限定として明示的に列挙される数値を含むだけでなく、あたかも各数値及び部分範囲が明示的に列挙されているかのように、その範囲内に包含されている個々の数値又は部分範囲全ても含むと柔軟に解釈されなければならない。例えば、約１〜約４．５の数値範囲は、明示的に列挙された１〜約４．５の制限を含むだけでなく、２、３、４等の個々の数値、及び１〜３、２〜４等の部分範囲もまた含むと解釈されなければならない。同様の原理は、「４．５未満」等の、１つの数値だけを挙げている範囲にも適用され、これは、上で列挙した値及び範囲の全てを含むと解釈されなければならない。更に、記載される範囲の幅又は特徴に関係なく、かかる解釈を適用しなければならない。

任意の方法又はプロセスクレームで列挙した任意の工程は、任意の順序で実行してよく、特許請求の範囲に提示される順序に限定されるべきでない。ミーンズ・プラス・ファンクション又はステップ・プラス・ファンクションの限定は、特定の請求項の限定に対し、以下の条件の全て：ａ）「〜のための手段（means for）」又は「〜のための工程（step for）」が明示的に列挙され、かつｂ）対応する機能が明示的に列挙される場合にのみ、用いられるであろう。ミーンズ・プラス・ファンクションを支える構造、材料又は動作は、本明細書における記載で明示的に列挙される。したがって、本発明の範囲は、単に本明細書で与えられる記載及び実施例ではなく、添付の特許請求の範囲及びこれらの法的均等物によってのみ決定されなければならない。

図５は、ＴｉＯ_２−スラグから直接実施可能な、チタン生成物の製造方法４００の実施形態を示す。チタン生成物は、粉末及び／又はスポンジ形態のＴｉＨ_２及び／又はチタン元素を含み得る。方法４００には、ＴｉＯ_２−スラグ４０１を得ることを包含させることができる。土壌から抽出した天然物質、並びに／又は天然ルチル（ＴｉＯ_２）、イルメナイト（ＦｅＴｉＯ_３）、及びリューコキシン（チタン含有鉱物の変質物）等の前処理された物質を含む種々の原料を、本発明の方法で用いてよい。かかる物質は、種々の程度のチタニアで構成されてよい。一態様において、ＴｉＯ_２−スラグは、イルメナイト及び／又はリューコキシンを含むチタン原料を炭素熱還元することにより得ることができ、炭素熱還元は反応槽内で実施可能である。具体的な条件は変更可能であるものの、一般的な目安として、かかる炭素熱還元は約１０００〜１６００℃の温度に加熱することを包含し得る。これによりＴｉＯ_２−スラグが得られ、このスラグは、ＴｉＯ_２に加えて、銑鉄等の他の反応生成物又は不純物を含む。一般的に、ＴｉＯ_２−スラグは７０〜８５重量％のＴｉＯ_２を含み得る。

この調査で使用したスラグは、Ｒｉｏ Ｔｉｎｔｏ ＱＩＴにより提供されていたものであり、Ｓｏｒｅｌｓｌａｇ（登録商標）で流通している。スラグは、擬ブルッカイト構造を有する種々のチタネート化合物の固溶体である（Ｂｏｒｏｗｉｅｃ ｅｔ ａｌ．，１９９８）。初相内での化合物の相対的な割合は、（ＦｅＴｉ_２Ｏ_５）_０．３１（ＭｇＴｉ_２Ｏ_５）_０．３０（Ｔｉ_３Ｏ_５）_０．３１（Ａｌ_２ＴｉＯ_５）_０．０６（ＭｎＴｉ_２Ｏ_５）_{０．００８}である。Ｓｏｒｅｌｓｌａｇ（登録商標）の鉱物特性についての一層詳細な説明は、Ｂｏｒｏｗｉｅｃらにより提供されている。

別の態様では、本願で用いられる用語Ｔｉ−スラグは、「アップグレードスラグ」又はＵＧＳとして知られているものも含む。ＵＧＳは通常、一連の浸出プロセスにより通常のＴｉ−スラグを精製することにより、製造される。ＵＧＳは通常、９０％超がＴｉＯ_２で構成される。ＵＧＳは、「合成ルチル」と呼ばれる別の工業製品とＴｉＯ_２含有量が類似している。本出願では便宜上、用語ＴｉＯ_２−スラグは、本明細書で記載したプロセスのために、原料として使用可能な、これらのＴｉが濃縮されたあらゆる鉱物を意味する。

この方法は、金属還元剤４０２を使用してＴｉＯ_２−スラグを還元し、ＴｉＯ_２−スラグ４０３内の金属不純物から化学的に分離したチタン生成物を直接製造することもまた包含し得る。「化学的に分離した」とは、チタンが他の金属不純物との合金になっていないこと、又は他の金属不純物と化学的に結合していないことを示す。直接還元は、温度調節した低圧の容器内にＴｉＯ_２−スラグを配置し、水素雰囲気にて金属還元剤と混合することにより実施することができる。温度調節は、概して、約５００〜約１２００℃の範囲内とすることができる。一態様において、金属還元剤はＭｇ、ＭｇＨ_２、及び／又はＣａＨ_２を含む。本明細書でより詳細に記載されているが、金属還元剤は少なくとも化学量論量で、及び場合によってはＴｉのモル量の最大約６倍まで、導入することができる。

一態様において、ＴｉＯ_２−スラグを小粒子に粉砕し、ＭｇＨ_２又は他の還元剤と混合することができる。ＴｉＯ_２−スラグの一次粒径は、反応速度及び／又は反応生成物の粒径に影響を与える可能性がある。スラグ粒径は、以降の浸出プロセス（以下で論じる）中のＴｉＨ_２の融解を回避し、また最終生成物の酸化を回避するために寸法を合わせることができる。ＴｉＯ_２−スラグの粒径は、典型的には、０．１マイクロメートル〜５０００マイクロメートル、及び多くの場合、１０〜１００マイクロメートルとすることができる。典型的には、水素化チタンの粒径は、元のスラグ粒径、反応温度、及び時間に依存するであろう。別の態様では、ＴｉＯ_２−スラグを粉砕することによっても、転換率を向上させることができる。好適な粒径は様々であり得るものの、１０〜約５０μｍの粒径は良好な結果をもたらすことができる。

スラグは種々の酸化物化合物の固溶体とすることができ、典型的なＴｉＯ_２−スラグにおけるＴｉＯ_２の総含有量は７８．５％であり、ＦｅＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯ_２、及びＡｌ_２Ｏ_３の含有量はそれぞれ、９．８％、５．６％、２．８％、及び２．４％である。一態様において、スラグは、典型的なＴｉＯ_２−スラグにおける含有量よりもＴｉＯ_２含有量が多く、及び、典型的なＴｉＯ_２−スラグよりも不純物含有量が少ない、「アップグレード」ＴｉＯ_２−スラグを含み得る。例えば、典型的なアップグレードＴｉＯ_２−スラグではＴｉＯ_２含有量が高く（９４．５％）、ひいては不純物を十分低減することができ、これにより、以下で論じるプロセスの以降の工程において、エネルギー消費が低減され得る。

金属又は金属水素化物還元剤によるＴｉＯ_２−スラグの直接還元において生じ得る主反応を示すために、以下に式（１）〜（８）を提供する。式（１）〜（８）において、ＴｉＯ_２−スラグ（ＴｉＯ_２を含有する）は、水素ガスの存在下でＭｇ又はＭｇＨ_２還元剤と結合する。一実施形態では、プロセス５０２は比較的低温、例えば４００〜９００℃、又は７００〜１２００℃で進行し、反応生成物４０３を生成する。反応生成物４０３は水素化チタンを含む［式（１）〜（４）を参照］。比較的高温、例えば７００〜１２００℃では、反応生成物４０３はチタン元素を含む［式（５）〜（８）を参照］。
（１）ＴｉＯ_２＋２Ｍｇ＋Ｈ_２→ＴｉＨ_２＋２ＭｇＯ
（２）ＦｅＴｉＯ_３＋３Ｍｇ＋Ｈ_２→ＴｉＨ_２＋３ＭｇＯ＋Ｆｅ
（３）ＴｉＯ_２＋２ＭｇＨ_２→ＴｉＨ_２＋２ＭｇＯ＋Ｈ_２
（４）ＦｅＴｉＯ_３＋３ＭｇＨ_２→ＴｉＨ_２＋３ＭｇＯ＋Ｆｅ＋２Ｈ_２
（５）ＴｉＯ_２＋２Ｍｇ→Ｔｉ＋２ＭｇＯ
（６）ＦｅＴｉＯ_３＋３Ｍｇ→Ｔｉ＋３ＭｇＯ＋Ｆｅ
（７）ＴｉＯ_２＋２ＭｇＨ_２→Ｔｉ＋２ＭｇＯ＋２Ｈ_２
（８）ＦｅＴｉＯ_３＋３ＭｇＨ_２→Ｔｉ＋３ＭｇＯ＋Ｆｅ＋３Ｈ_２

上の式（１）〜（８）には示していないものの、当業者は、ＴｉＯ_２−スラグが、通常、ＴｉＯ_２の他にも元素を含有することを理解している。これらのその他の金属としては、例えば鉄（Ｆｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、アルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、及びバナジウム（Ｖ）を挙げることができる。ＴｉＯ_２−スラグは典型的には、約８０％がＴｉＯ_２であり、２０％が他の金属である。したがって、反応生成物４０３は、典型的には、ＴｉＨ_２又はＴｉ金属と、種々の不純物との物理的混合物を含むであろう。図６は、Ｍｇ又はＭｇＨ_２還元剤によるＴｉ−スラグの直接還元から得られる種々の反応生成物の、潜在的な相対量を示す。図５に戻って参照すると、かかる不純物は一連の分離プロセス４０４により除去することができる。水への不溶性、及び中程度酸性溶液に対する耐性などの固有の化学的及び物理的性質のために、Ｔｉは、１つ以上の既知の物理及び化学製錬技術、例えば磁気分離、重力分離、遠心分離、塩化アンモニウム浸出、アルカリ浸出、及び希酸浸出により不純物から分離することができる。同様に、プロセス４０４には、不純物からＴｉを分離するためのかかる既知の方法を包含させることができる。上述の物理的及び／又は化学的分離法は、概して、製錬産業及び研究団体内で十分に確立されている。したがって、本明細書にて開示したようにＴｉＯ_２−スラグを直接的に還元することで、従来の高温プロセスを用いることなく、スラグ中の他の不純物元素から化学的にＴｉを分離することができ、かつ、一連の化学浸出又は分離工程のうちの少なくとも１つにより、更に不純物から分離することができる。

例えば水素下にてＭｇＨ_２を使用してＴｉＯ_２−スラグと反応させた場合、ＴｉＨ_２が形成される。ＴｉＨ_２を形成することで、Ｔｉは、スラグ中の残りの化合物から化学的に分離される。Ｔｉ金属は、分離するのが困難であり得るＦｅ等の他の元素との合金を形成し易いことから、Ｔｉ金属よりもむしろＴｉＨ_２を形成することが有利である。加えて、ＴｉＨ_２は大変独特な化学的性質を有する。ＴｉＨ_２は水不溶性であり、中程度の酸性溶液に耐性があり、かつ、スラグ中の他の不純物と比べて最小限の溶解性を有するか、又は溶解性を有しない。更に、ＴｉＨ_２はＴｉ金属と比較して酸素を結合しにくく、最終的な金属生成物中の酸素量を低く維持することに役立つ。ＴｉＨ_２の水不溶性は、水による速度論的な不動態化に起因するという点に留意すべきである。これらの性質により、ＴｉＯ_２−スラグの直接還元による生成物を連続的に浸出して他の不純物元素を除去し、ＴｉＨ_２を分離及び精製する条件が構成される。ＴｉＨ_２の耐化学薬品性が、他の不純物からのＴｉＨ_２の分離を可能にするものの、ＴｉＨ_２の粒径があまりに小さいと、例えばマイクロメートル規模未満だと、これらの溶液に可溶性となる場合がある。

まずＴｉＯ_２を精製し、次に精製物を還元する従来のプロセスと比較して、本開示による方法では、まずＴｉＯ_２を還元し、ＴｉＨ_２を形成することにより、Ｆｅ等の他の元素との化学結合からＴｉを化学的に単離し、次に、他の元素及び化合物を浸出することにより、この物質を精製又は分離する。このプロセスは、ＴｉＯ_２の炭素熱塩素化、及びクロール又はハンター法によるＴｉＣｌ_４の還元を不要にする。しかし本発明は、物質を還元剤により還元する前に、少なくとも部分的に供給物質を精製し、続いて更に浸出させて、不必要な還元副産物及び不純物を除去する手順もまた含む。

一態様において、液化塩の使用により反応速度を向上することができるために、溶融塩を使用して、還元プロセスを促進することができる。具体的には、溶融塩は非常に高い電気伝導度を有し、還元反応中の電子移動を促進する。溶融塩はまた、還元プロセス中のＭｇＯ又はＣａＯ等の副産物の溶解を助ける効果も有する。溶融塩の使用はまた、ＴｉＨ_２の粒径を増加させるのに役立つ。単成分塩化物（mono-metal chloride）に加え、ＭｇＣｌ_２＋ＮａＣｌ、ＭｇＣｌ_２＋ＫＣｌ、及びＭｇＣｌ_２＋ＣａＣｌ_２等の二成分塩を、他の二成分塩混合物並びに三成分塩混合物と共に使用することができる。

ＴｉＨ_２が反応生成物４０３中に存在する場合、所望の最終生成物に応じて、任意のプロセス４０５において脱水素反応により、Ｔｉ元素に速やかに転換することができる。ＴｉＨ_２を約４００℃以上に、又は真空中もしくはＨ_２の平衡圧力より低い圧力で、対応する温度に加熱することで、水素が放出されるはずである。別の実施形態において、加熱した水素雰囲気は、脱水素反応を促進するためにアルゴンにより置き換えられてもよい。反応生成物４０３がＴｉＨ_２であるとき、ＴｉＨ_２は、物理的及び化学的分離プロセスにより混合物中の他の元素から分離することができる。物理的及び／又は化学的分離プロセスのうちの少なくとも１つを行う前にまず、脱水素反応させることも可能である。

図７は、本開示の別の実施例に従った、チタン生成物の製造方法５００を示す。方法５００は図５の方法４００の変型である。方法４００と同様に、方法５００は、金属還元剤を使用してＴｉＯ_２−スラグを還元し（５０２）、ＴｉＯ_２−スラグの金属不純物から化学的に分離したチタン生成物を直接製造すること（５０３）、不純物を物理的分離及び／又は化学的分離（即ち浸出）し（５０４）、Ｔｉ及び／又はＴｉＨ_２を製造すること（５０６）、並びにＴｉＨ_２の脱水素反応（５０５）を含む。この場合、浸出は特に、還元したチタンスラグから不必要な不純物を除去するために用いられる。

ＴｉＨ_２は、一般的な化学試薬を使用して不純物を浸出することにより、不純物から分離することができる。マグネシウム、鉄、アルミニウム、及びシリコン酸化物等の不純物の浸出は、酸性溶液及び／又はアルカリ溶液を使用して実施することができる。還元工程の生成物であるＭｇＯを浸出及び回収することができる。選択的に金属を溶解させる典型的なマグネシウム及びカルシウム浸出プロセスでは、多くの場合有機酸が使用される。

酸化マグネシウムの選択的浸出（elective leaching）化合物として、塩化アンモニウムが使用されている。この反応は以下のように想定される。
ＭｇＯ＋２ＮＨ_４Ｃｌ→ＭｇＣｌ_２＋Ｈ_２Ｏ＋２ＮＨ_３（ｇ）

これは、ＭｇＯに対する浸出剤として塩化アンモニウムを使用可能であることを示す。溶液中に空気を吹き込み、脱イオン水にアンモニアを吸収させることにより、浸出中にアンモニアを上手く回収することができる。

アルミナ及びシリカ浸出の場合、アルカリ溶液が概して用いられる。この場合でも、中間生成物が形成され得る。ＭｇＨ_２により中間生成物を還元し、ＴｉＨ_２を得ることができる。

種々の無機酸（塩酸及び硫酸）並びに有機酸（クエン酸及びシュウ酸）中にチタン、鉄、及び他の元素を選択的に溶解させることを伴う浸出を利用することができる。

硫酸中では、イルメナイトは以下のように溶解可能である。
ＦｅＴｉＯ_３＋４Ｈ^＋→ＴｉＯ^２＋＋Ｆｅ^２＋＋２Ｈ_２Ｏ

塩酸中でも同様の反応が生じ得る。クエン酸及びシュウ酸等のカルボン酸の使用は同様の反応を促進するが、これらの化合物は金属イオンと錯体を形成してそれらの活性を低下させ、浸出を向上させる傾向にある。浸出を成功するための因子の１つには、価値のある物質、すなわち還元スラグ中のＴｉＨ_２を溶解させずに、不純物を除去するというものがある。

あるいは、他の錯化剤を使用して、浸出時間を縮めるか、又は浸出工程を１つ削減することができる。

一実施形態では、塩化アンモニウム媒質中のクエン酸ナトリウム、続いて低濃度の水酸化ナトリウムを使用し、塩酸に浸出させる３工程の浸出プロセスを用いることができる。一態様において、クエン酸ナトリウムは、リン酸ナトリウム、エチレンジアミン四酢酸、シュウ酸ナトリウム、ニトリロ三酢酸、グルコン酸ナトリウム、無水エリトリトールジエチレントリアミン五酢酸、４，５−ジヒドロキシ−１，３−ベンゼンジスルホン酸二ナトリウム塩、あるいは鉄、アルミニウム、ケイ素、及び／若しくはマグネシウムと錯体を形成する他の化合物、又はそれらの化合物の組み合わせ等の錯化剤により置き換えることができる。別の態様では、塩化アンモニウム媒質中のクエン酸ナトリウムを使用する浸出プロセスは、希塩酸溶液中での浸出プロセスにより置き換えることが可能である。

別の実施形態において、塩化アンモニウム媒質中の低濃度のリン酸水素ナトリウムを使用し、低濃度の塩酸に浸出させる２工程の浸出プロセスを用いることができる。

別の実施形態において、希塩酸溶液が消費される際に連続的にＨＣｌを補充することを用いて、ＭｇＯを浸出することができる。

ＦｅＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、及びＳｉＯ_２を含む酸化物の大部分は全て、ＭｇＨ_２を使用する直接還元プロセス中に、ＴｉＯ_２と共に還元することができる。Ｆｅ_２Ｔｉ、ＴｉＡｌ、及びＴｉ_５Ｓｉ_３等の金属間化合物が、熱力学的分析に基づいて形成されてよい。Ｆｅ等の任意の残留金属又は金属酸化物化合物は、ＨＣｌ等の比較的薄い無機酸を使用して溶解することができる。混合物中の残留ＭｇＯもまた、希塩酸溶液により溶解することができる。塩酸は、マグネシウム生成プロセス中に生成した塩素から回収することができる。塩素を燃焼器中で水素と化合させ、ＨＣｌを生成することができる。得られた塩酸は浸出プロセスで必要に応じて、及び残留固体に再利用することができる。

図８は、本開示の更に別の実施例に従った、チタン生成物の製造方法６００を示す。一態様において、方法６００は残留酸素含有量が少ないチタン生成物を製造することができる。方法６００は、図５の方法４００の別の変型である。方法４００と同様に、方法６００は、金属還元剤を使用してＴｉＯ_２−スラグを還元し（６０２）、ＴｉＯ_２−スラグの金属不純物から化学的に分離したチタン生成物を直接製造すること（６０３）、不純物を物理的分離及び／又は化学的分離し（即ち浸出）（６０４）、Ｔｉ及び／又はＴｉＨ_２を製造すること（６０６ａ）、並びにＴｉＨ_２の脱水素反応（６０５）を含む。浸出工程（６０４ａ）は、典型的には、ＭｇＯ及び他の不純物の除去のために弱酸を使用することで、達成することができる。好適な弱酸の非限定例としては、希塩酸−ＨＮＯ_３溶液、酢酸、塩化アンモニウム等を挙げることができる。しかしこの場合、Ｔｉ生成物及び／又はＴｉＨ_２生成物（６０６ａ）はまた、ＣａＨ_２により高度に脱酸され（６０７）、Ｔｉ生成物及び／又はＴｉＨ_２生成物（６０６ｂ）における残留酸素含有量は最小限になる。浸出工程（６０４ａ）で使用したもの等の弱酸を使用する、追加の浸出工程（６０４ｂ）を用いて、ＣａＯ及び任意の他の不純物を除去し、精製チタン生成物（６０６ｃ）を形成することができる。

浸出プロセスによる還元生成物中の不純物の除去の後では、チタン又は水素化チタン粉末は、比較的高い酸素含有量を有し得る。次いで、比較的高温にてＣａＨ_２を使用することにより、チタン又は水素化チタン粉末を高度に脱酸し、酸素含有量の低いチタン又は水素化チタン粉末を得ることができる。残留酸素は、ＭｇＨ_２による還元生成物中に存在してよい。酸素（Ｏ）はチタンに対する溶解度が高い。α−Ｔｉでは、溶解度は最大３３．３原子％である（１４．３重量％）。これは、Ｔｉ合金の機械的特性に対して弊害となる。０．３５重量％の酸素でも、Ｔｉ生成物の機械的特性、特に延性に著しく害をなす可能性がある。商業的に純粋な（ＣＰ）チタン（グレード１）に関しては、酸素量を０．２重量％未満とする必要がある。したがって、粉末中の酸素量を最小限にすることができる。熱力学的観点から、高温でＭｇを使用して、Ｔｉ中の酸素を最小限にするには、６００℃で約１．５％以下とする制限がある。加えて、チタンの脱酸における最大の推進力は、チタン中の酸素原子の拡散である（酸素量が３３．３原子％／１４．３重量％未満の場合）。チタンの脱酸が約９００℃超で行われる場合、チタンは稠密六方（ｈｃｐ）結晶構造から体心立方（ｂｃｃ）結晶構造に変態する。後者の構造では、酸素の拡散は相対的により活発になる。チタンの変態点に到達する前は、酸素の拡散速度は低いが、変態点を超える高温にてｂｃｃ構造に変態した後は、原子の移動は、変態前の１００倍超生じる。したがって、更なる高温還元工程を実施してよい。

Ｃａは、酸素を高温下にてほぼ２％から０．２％未満へと更に抑えるための１つの選択肢である。一態様において、ＣａＨ_２を還元剤として使用してよい。ＣａＨ_２は、Ｔｉの酸素含有量を０．２％未満にまで抑えることが可能であり、これは、いわゆる金属水素化物還元（ＭＨＲ）プロセスで示されている。報告によると、ＣＰチタンはロシアで、以下の通り、水素化カルシウムによる還元により二酸化チタンから製造されている。
ＴｉＯ_２＋２ＣａＨ_２→Ｔｉ＋２ＣａＯ＋２Ｈ_２

反応は、１１００〜１２００℃の温度範囲で実施される。

１９５４年にピーター・アレクサンダーにより特許取得されたように、ＣａＯは水素雰囲気下にてＭｇと反応し、ＣａＨ_２を形成することができるため、ＣａＯはＣａＨ_２の代替物である。
ＣａＯ＋Ｍｇ＋Ｈ_２→ＣａＨ_２＋ＭｇＯ
これは、約５３０℃で生じ、ＤＳＣ分析により確認されている。

ＣａＨ_２還元プロセスにおいて、マグネシウム又は水素化マグネシウム還元プロセスから得た水素化チタン（又はチタン）粉末をＣａＨ_２又はＣａＨ_２／ＣａＣｌ_２と混合し、マグネシウム又は水素化マグネシウム還元プロセスの温度よりも高い温度まで加熱し、十分な時間保持して、チタン又は水素化チタン粉末中の残留酸素含量を低減可能である。ＣａＨ_２還元プロセスによる生成物中の、未反応のＣａＨ_２、ＣａＣｌ_２、及び生成したＣａＯを、次に洗浄し、残留酸素が最小限のチタン又は水素化チタン粉末を得ることができる。

ＭｇＨ_２及びＣａＨ_２による還元の組み合わせは２工程の還元プロセスである。この２工程の還元プロセスは２つの点で、ＭｇＨ_２又はＣａＨ_２のいずれかによる１工程の還元よりも有利である。１）．ＭｇＨ_２による第１工程の還元の温度は、Ｔｉの不純物元素との合金化の可能性を最小化するのに十分低く（例えば４００〜９００℃）、２）．ＣａＨ_２を使用して、還元の第２の工程として物質を更に脱酸することにより、ＣａＨ_２を使用する１工程の還元と比較して、過剰量のカルシウムを使用する必要なく、酸素含有量を確実に最小化する。

本発明の別の態様において、ＴｉＨ_２の粒径を増加させて、最終生成物における酸素含有量を最小化するために、高温プロセスが設計される。Ｔｉ又はＴｉＨ_２粉末の酸素含有量は、これらの比表面積、即ち粒径に非常に依存している。還元の反応速度を増加させるために、より小さな粒径を有することが望ましい。酸素を最小限にするために、より大きな粒径を有することもまた望ましい。したがって、プロセスはＭｇＨ_２還元が、比較的低温にて、比較的小さな粒径（５０マイクロメートル未満）により実施されるように設計される。次に、ＣａＨ_２による高温での脱酸素の最中に、粒子を粗大化し、酸素含有量が低く粒径が３０マイクロメートル超のＴｉＨ_２生成物を得るように、熱サイクルが設計される。高温粗大化は、ＣａＨ_２を使用する還元のための熱サイクルと一体化されている。典型的には、高温での脱酸素は約７００〜約１２００℃の温度で実施可能であるが、脱酸素及び粗大化を促進する任意の温度を使用可能である。

図９は、本開示の更に別の実施例に従った、チタン生成物の製造方法７００を示す。方法７００は図５の方法４００の変型である。方法４００と同様に、方法７００は、金属還元剤を使用してＴｉＯ_２金属を還元し（７０９）、ＴｉＯ_２−スラグの金属不純物から化学的に分離したチタン生成物を直接製造すること（７１０）、不純物を物理的分離及び／又は化学的分離（即ち浸出）し（７１１）、Ｔｉ及び／又はＴｉＨ_２を製造すること（７１２）、並びにＴｉＨ_２の脱水素反応により、チタン粉末生成物を製造すること（７１３）を含む。しかしこの場合、ＴｉＯ_２−スラグを還元する代わりに、ＴｉＯ_２−スラグ又はアップグレードＴｉＯ_２−スラグのアルカリ焙焼より得た、より純粋なＴｉＯ_２を還元する。したがって、一態様において、直接還元プロセス（７０９）を行う前に、ＴｉＯ_２−スラグ又はアップグレードＴｉＯ_２−スラグを、アルカリ焙焼プロセス（７０１）により精製することができる。

方法７００の更に別の代替方法において、純粋なＴｉＯ_２を使用する代わりに、ＴｉＯ_２−スラグ又はアップグレードＴｉＯ_２−スラグのアルカリ焙焼及び以降の浸出工程からの中間生成物を還元する。中間生成物はアルカリ浸出して水洗した生成物を含み、これはチタン酸ナトリウム誘導体、及びメタチタン酸（Ｈ_２ＴｉＯ_３）である。

アルカリ焙焼プロセスは、ＴｉＯ_２−スラグ又はアップグレートＴｉＯ_２−スラグのＮａＯＨ焙焼（７０１）を含むことができる。例えば、ＴｉＯ_２−スラグ（又はアップグレードＴｉＯ_２−スラグ）とＮａＯＨの混合物を約４５０〜６５０℃まで加熱して、しばらくの間当該温度にて保持し、スラグ中のＴｉＯ_２の、チタン酸ナトリウムへの完全な変換、並びにスラグ中のＳｉ及びＡｌ等の主要な不純物の、可溶性塩への変換を可能にすることができる。アルカリ焙焼プロセス（７０１）はまた、焙焼した固体を水で洗浄し（７０２）、チタン含有固体を得ること（７０３）を含む。例えば、焙焼した生成物を水で洗浄し、未反応のＮａＯＨ及び不純物を有する可溶塩を除去して、固体のメタチタン酸を得ることができる。更に、アルカリ焙焼プロセスはＨＣｌによる分解（７０４）、続いて加水分解（７０５）により、塩化チタン溶液を調製することを含むことができる。例えば、ＮａＯＨで焙焼して水洗した生成物をＨＣｌ溶液により分解して塩化チタン溶液を得ることができ、次にこれを沸点の温度で加水分解し、更に純粋なメタチタン酸を得ることができる（７０７）。この非常に精製されたメタチタン酸に、次に、直接還元プロセス７０９を行い、水素化チタン又はチタン粉末を製造することができる。したがって、一態様では、アルカリ焙焼プロセスは、直接還元プロセスを行う前に、更に一層精製したＴｉＯ_２原料を得るための分解及び加水分解工程を含む。

加えて、加水分解工程（７０５）の後に、か焼工程（７０６）を続けることができる。この工程中に、加水分解した生成物、即ちメタチタン酸が、純粋なＴｉＯ_２に変換される。得られたアップグレードＴｉＯ_２−スラグを次に、還元プロセス（７０８）で直接還元することができる。還元後、水素化チタン及び多くの場合純粋なチタンを含むチタン生成物は、ＭｇＯ及び他の不純物もまた含む（７１０）。これらの不純物は、前述の浸出工程７１１により除去することができる。得られた精製チタン生成物（７１２）を、脱水素反応工程（７１３）により更に処理し、上記のものと同様の方法でチタン粉末を製造することができる。

本発明に従った方法の実施可能性は、以下の実施例により確認及び例示される。

実施例１：本研究で使用したスラグはＲｉｏ Ｔｉｎｔｏ ＱＩＴより提供され、Ｓｏｒｅｌｓｌａｇ（登録商標）の商品名で販売されている。スラグの組成は上で論じている。水素貯蔵等級の水素化マグネシウムをＡｌｆａ Ａｅｓａｒより購入した。酸化を防ぐために、ＭｇＨ_２及びスラグをグローブボックス内不活性雰囲気下で混合した。化学量論量の１２５％のＭｇＨ_２を使用して、確実に反応を完了させた。この混合物を、ステンレス鋼ジャー内でステンレス鋼ボールを使用して、ＳＰＥＸミルで４時間粉砕した。次に、粉砕した混合物をマグネシアるつぼの中に入れ、酸化を防ぐために、２００％過剰のＭｇＨ_２の層を、混合物層の上に配置した。Ｍｇの蒸発を最小限にするために、モリブデンキャップを、るつぼを覆うように配置した。

るつぼを管状炉の中に配置して、加熱プログラムの開始前に少なくとも３０分間Ａｒ、及び３０分間Ｈ_２ガスでフラッシングした。１００ｋＰａ（１ｂａｒ）圧の安定したＨ_２ガス流を維持しつつ、２０℃／分の速度で炉を５５０℃まで加熱し、５５０℃で４８時間保持した。冷却時には、るつぼを水素雰囲気下で保持した。るつぼを炉から外し、粉末の上層を注意深く取り除いた。粉末の底層はＸＲＤを使用して分析した。Ｐｈｉｌｌｉｐｓ １１４０回折計（ＣｕＫα）でＸ線回折を実施し、Ｘ’Ｐｅｒｔ Ｈｉｇｈ Ｓｃｏｒｅ Ｐｌｕｓソフトウエアを使用してパターンを分析した。

水素化物−ＭｇＯ混合物を、超高純度のアルゴン雰囲気の管状炉内で５００℃まで加熱して２時間保持し、サンプルを脱水素化した。サンプルを冷却して取り出し、ＸＲＤで再分析した。α−Ｔｉのピークがすぐに出現する。このことは、スラグは、マグネシウム還元プロセスを介する商業的プロセスにより現在用いられているものより大幅に低い温度にてチタンに転換可能であることを示す。

実施例２：本研究で利用したアップグレードＴｉ−スラグ（ＵＧＳ）はＲｉｏ Ｔｉｎｔｏ ＱＩＴにより提供されていたものであり、ＴｉＯ_２を９４．５％を含み、主な不純物はＦｅ（１．０％）、ＳｉＯ_２（１．８％）、ＭｇＯ（０．７％）、ＭｇＯ（０．７％）及びＡｌ_２Ｏ_３（０．５％）である。ＵＧＳを粉砕して篩い分けし、２５〜４５μｍの粒径を有するスラグを得た。水素貯蔵等級の水素化マグネシウム（ＭｇＨ_２）はＡｌｆａ Ａｅｓａｒから購入した。ＭｇＨ_２、特定のサイズのスラグ、及びＭｇＣｌ_２塩を、酸化を防ぐためにグローブボックス内、不活性雰囲気下で混合した。化学量論量の１４０％のＭｇＨ_２を使用して、確実に反応を完了させた。ＭｇＣｌ_２に対するスラグの質量比は１：０．５とした。混合物は少なくとも３０分間ローラーで伸ばし、確実に均一に混合した。次に、前記混合物をＭｏホイルで覆ったＩｎｃｏｎｅｌるつぼの中に入れ、Ｍｇの蒸発を最小限にするために、るつぼを覆うようにマグネシアキャップを配置した。

るつぼを管状炉の中に配置し、加熱プログラムの開始前に高純度のＡｒで少なくとも３０分、次いで高純度のＨ_２ガスで３０分間パージした。１００ｋＰａ（１ｂａｒ）圧の安定したＨ_２ガス流下にて、炉を１０℃／分の速度で７５０℃まで加熱し、７５０℃で６時間維持した。炉をＨ_２雰囲気にて室温に放冷し、次に、Ｈ_２ガスを止めてＡｒで１０分間パージした後にるつぼを取り出した。

還元した粉末を希塩酸溶液で浸出させ、水溶性塩を除去し、ＭｇＯを製造した。浸出媒質のｐＨ値を１．０以上に調節した。７０℃で１時間、攪拌しながら浸出させた後、スラリーを遠心分離により分離した。そして、残留固体を高純度の水で３回洗浄し、６０℃で完全に乾燥させた。

固体をＸＲＤ、ＳＥＭ及びＩＣＰ−ＯＥＳで分析した。ＸＲＤの結果、固体の主相は水素化チタンであり、少量のＴｉ金属がＴｉＨ_{１．９２４}と共存していたことが確認された。ＳＥＭにより測定した形態は、得られたＴｉＨ_{１．９２４}粒子が比較的大きな粒径を有することを示し、その表面は多孔質構造を示した。ＩＣＰにより分析した固体の化学組成により、チタンの総含有量が、反応前の５６．７％（ＵＧＳにおける）から、還元の結果８５．４５％まで増加したことが実証された。

実施例３：還元前にシリカ及びアルミナ不純物を除去するために、水酸化ナトリウムを使用してＵＧＳを焙焼した。焙焼の際の、ＵＧＳに対するＮａＯＨの質量比は１．５：１とし、焙焼温度は５５０℃、及び焙焼時間は１時間とした。チタン酸ナトリウムがこの前処理で形成され、同時に、水溶性ケイ酸ナトリウム及びアルミン酸ナトリウムも同様に形成された。焙焼した固体を水で洗浄して過剰のＮａＯＨ、Ｓｉ及びＡｌ不純物を浸出させ、また、チタネートと化合したＮａＯＨを遊離させ、チタン酸ナトリウムの誘導体である洗浄生成物を形成した。２００ｇ／Ｌを超えるように浸出物中のＮａＯＨ濃度を調整することで、ＵＧＳ中に存在する８０％を超えるシリカ及びアルミナを除去することができる。

このように製造したメタチタン酸を、実施例２の方法と同様の方法で、ＭｇＨ_２及びＫＣｌ−ＭｇＣｌ_２の共晶塩と混合した。化学量論量の１２５％のＭｇＨ_２を使用した。混合粉末を１０℃／分の速度で加熱し、５５０℃で１２時間維持した。冷却時には、るつぼを水素雰囲気下で維持した。Ａｒでパージした後、るつぼを炉から外した。

還元固体を希酸溶液で浸出させて洗浄し、乾燥させて実施例２と同様の方法で分析した。ＸＲＤパターンでも、残留した主相が水素化チタン（ＴｉＨ_{１．９２４}）であることが確認された。ＴｉＨ_{１．９２４}の粒径は、実施例１で得たものよりも大幅に小さく、これは最終の水素化チタン粒径は、Ｔｉを有する未加工の物質の最初の粒径に大いに影響を受けることを示した。

実施例４：還元用に比較的純粋なＴｉＯ_２を得るために、ＵＧＳのＮａＯＨ焙焼、及び塩化チタンの加水分解による精製を設計した。焙焼及び水洗条件は、実施例４のものと同様にした。このようにして製造した水酸化チタンをＨＣｌ溶液により分解して塩化チタン溶液を得、次いでこれを加水分解手順にかけて純粋なメタチタン酸を得た。ＨＣｌ溶液の濃度は１８％とした。加水分解は溶液の沸点付近の温度で生じ、６時間続いた。

得た水酸化チタンを、実施例２の方法と同様の方法で、ＭｇＨ_２及びＫＣｌ−ＭｇＣｌ_２共晶塩と混合した。化学量論量の１５０％のＭｇＨ_２を使用した。混合粉末を１０℃／分の速度で加熱し、５００℃で６時間維持した。冷却時には、るつぼを水素雰囲気下で維持した。Ａｒでパージした後、るつぼを炉から外した。

還元固体を希酸溶液で浸出させて洗浄し、乾燥させて実施例２と同様の方法で分析した。ＸＲＤパターンにより、残留した主相もまた、水素化チタン（ＴｉＨ_{１．９２４}）であったことが確認された。

実施例５：２５〜４５μｍの粒径を有するアップグレードＴｉＯ２−スラグを、７５０℃にてマグネシウム／水素化マグネシウムにより６時間かけて還元した。次に、生成物を酸で浸出させて、真空炉中で乾燥させた。次に、酸化を防ぐために還元生成物をグローブボックス内、不活性雰囲気下でＣａＨ_２及びＣａＣｌ_２と混合した。化学量論量の１５０％のＣａＨ_２を使用して、確実に脱酸を完了させた。５０質量％のＣａＣｌ_２を融剤として使用した。次に、混合物質を１０００℃まで加熱して、水素雰囲気にて６時間保持した。加熱及び冷却速度は共に、１０℃／分である。有限の酸素含有量を有するα−Ｔｉが、脱水素化した１工程還元サンプル内で検出された一方で、脱水素化したＣａＨ_２還元サンプル内では、酸素成分（oxygen content）を含まないα−Ｔｉのみが検出され、ＣａＨ_２による高温での更なる還元、又は脱酸素化は効果的であることを示している。更に、高温処理及びその温度での等温保持を使用して、粒子を粗大化した。１０００℃にて６時間処理することで、平均粒径を３５μｍより大きく増大することができる。２００マイクロメートルまでの粒径を得た。等温保持時間を増加することで、更に粒径を増大することができる。

実施例６：不純物を除去するための、３つの固有の浸出経路を試験した。

一実施形態では、１ＭのＮＨ_４Ｃｌ、１Ｍのクエン酸ナトリウム、１ＭのＮａＯＨ及び０．６ＭのＨＣｌを７０℃で４時間、浸出液として使用した。主な目的が最も多い不純物であるＭｇＯを除去することである浸出は、１Ｍの塩化アンモニウムと１Ｍのクエン酸ナトリウムとを混合することから始まる。これに１Ｍの水酸化ナトリウム及び０．６Ｍの塩酸が続き、残留酸化物を除去する役割を果たす。これは３工程のプロセスであり、不純物の大部分を上手に除去することができる。結果として、最終生成物はチタンを９８．４％含有することを示し、チタンは水素化チタンの形態となっていると推定される。

別の実施形態において、１ＭのＮＨ_４Ｃｌ、１Ｍのリン酸水素ナトリウム及び０．６ＭのＨＣｌを７０℃にて４時間、浸出液として使用した。

第２の浸出経路はわずか２工程のプロセスである。これは１Ｍの塩化アンモニウムとリン酸ナトリウムとの混合から始まり、この混合により、ＭｇＯと他の酸化物の複合物がもたらされる。この工程には、０．６Ｍの塩酸を用いる第２フェーズが続き、この第２フェーズは、複合体化した酸化物を酸性溶液中に抽出することを意図している。この２工程プロセスでは、ほとんど全ての不純物を上手に除去して、最終生成物として純度９８．４％のチタンを得ることができ、このチタンは、水素化チタン形態であると推定される。

更に他の実施形態では、別の浸出経路は希塩酸溶液を使用するものである。塩酸溶液は、ＴｉＨ_２粒子を溶解しないように希釈される。しかし、ＨＣｌはＭｇＯと反応し、溶液中に分離する。ＨＣｌを連続して添加することで、ＴｉＨ_２を溶解させることなくＭｇＯを浸出させることができる。

前述の詳細な説明は、特定の代表的実施形態に関する本発明について記載している。しかし、添付の特許請求の範囲に記述されている本発明の範囲を逸脱することなく、種々の修正及び変更を行うことができることが理解されるであろう。詳細の説明及び添付図面は限定的なものではなく、単に例示的なものとしてみなされなければならず、かかる全ての修正又は変更は、たとえあったとしても、本明細書で記載及び説明した、本発明の範囲内に収まると意図されている。

Claims (32)

1. チタン生成物を製造する方法であって、
   ＴｉＯ_２−スラグを得ること、
   水素雰囲気下、中程度の温度及び圧力にて金属還元剤を使用して、前記ＴｉＯ_２−スラグ中の金属不純物から化学的に分離した前記チタン生成物を直接製造することにより、前記ＴｉＯ_２−スラグから前記チタン生成物を製造し、前記チタン生成物が、ＴｉＨ_２及び場合によりチタン元素を含み、並びに
   前記チタン生成物から前記金属不純物を除去して、精製チタン生成物を生成すること、 を含む方法。
2. 前記チタン生成物を製造する工程が、前記ＴｉＯ_２−スラグを前記金属還元剤により直接還元することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記製造する工程が、前記ＴｉＯ_２−スラグを前処理して、チタン酸ナトリウム、メタチタン酸、及び実質的に純粋な二酸化チタンの水洗した誘導体のうち少なくとも１つを含む中間生成物を製造すること、並びに、次に前記金属還元剤を使用して前記中間生成物を還元すること、を含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記金属還元剤よりも強力な第２の還元剤を使用して、前記チタン生成物を、水素雰囲気下にて前記中程度の温度を超える高温にて脱酸し、粒子状チタン生成物を製造すること、前記粒子状チタン生成物を目標粒径範囲まで粗大化すること、及び、水素雰囲気下にて前記粒子状チタン生成物を冷却すること、を更に含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記金属還元剤が、Ｍｇ、ＭｇＨ_２、及びＣａＨ_２のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記金属還元剤が、Ｍｇ及びＭｇＨ_２のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記ＴｉＯ_２−スラグを還元することが、前記ＴｉＯ_２−スラグ、前記金属還元剤、及び塩を組み合わせることを含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記塩が、単成分塩化物塩、二成分塩化物塩、及び／又は三成分塩化物塩のうちの少なくとも１つを含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記塩が、ＭｇＣｌ_２＋ＮａＣｌ、ＭｇＣｌ_２＋ＫＣｌ、及びＭｇＣｌ_２＋ＣａＣｌ_２のうちの少なくとも１つを含む、請求項７に記載の方法。
10. 前記チタン生成物から前記金属不純物を除去することが、物理的分離技術及び化学的分離技術のうちの少なくとも１つを利用することを含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記チタン生成物から前記金属不純物を除去することが、前記金属不純物を浸出剤及び任意のキレート剤で浸出することを含む、請求項１に記載の方法。
12. 前記精製したチタン生成物を脱水素化してチタン粉末を生成することを更に含む、請求項１に記載の方法。
13. 前記精製したチタン生成物を高度に脱酸して、前記精製したチタン生成物中の残留酸素を還元することを更に含む、請求項１に記載の方法。
14. 前記中程度の温度が約４００℃〜約９００℃である、請求項１に記載の方法。
15. 前記中程度の温度が約７００℃〜約１２００℃である、請求項１に記載の方法。
16. 前記圧力が約１０〜約５００ｋＰａ（約０．１ｂａｒ〜約５ｂａｒ）である、請求項１に記載の方法。
17. 前記圧力が約５００ｋＰａ〜約１００００ｋＰａ（約５ｂａｒ〜約１００ｂａｒ）である、請求項１に記載の方法。
18. 前記ＴｉＯ_２−スラグを得ることが、イルメナイト、天然ルチル、及びリューコキシンのうちの少なくとも１つを含むチタン原料を炭素熱還元することを含む、請求項１に記載の方法。
19. チタン生成物を製造する方法であって、前記方法が
    ＴｉＯ_２−スラグを得ること、
    前記ＴｉＯ_２−スラグをアルカリ焙焼して前記スラグから不純物を除去し、アルカリ浸出したＴｉＯ_２−スラグ、並びにチタン酸ナトリウム、メタチタン酸、及び純粋な二酸化チタンの水洗した誘導体、のうちの少なくとも１つを含む、中間生成物を製造すること、 ＴｉＨ_２、及び場合によりチタン元素を含むチタン生成物を製造するための温度及び圧力にて金属還元剤を使用して、前記中間生成物を還元すること、並びに
    前記チタン生成物から不純物を除去して、精製したチタン生成物を形成すること、
    を含む、方法。
20. アルカリ焙焼が、
    第２の温度にてＮａＯＨと前記ＴｉＯ_２−スラグとを組み合わせて、ＴｉＯ_２をチタン酸ナトリウムに転換し、かつ不純物を塩に転換すること、及び
    前記チタン酸ナトリウムを水で洗浄して前記塩を除去し、チタン酸ナトリウムの誘導体を製造すること
    を含む、請求項１９に記載の方法。
21. 前記第２の温度が約４５０℃〜約６５０℃である、請求項２０に記載の方法。
22. アルカリ焙焼が、前記中間生成物から不純物を除去することを更に含む、請求項２０に記載の方法。
23. 前記中間生成物から不純物を除去することが、
    前記アルカリ浸出したＴｉＯ_２−スラグ、及び前記中間生成物の水洗した誘導体をＨＣｌ溶液で分解して塩化チタン溶液を製造すること、並びに
    前記塩化チタン溶液を第３の温度にて加水分解し、メタチタン酸を製造すること
    を含む、請求項１９に記載の方法。
24. 前記第３の温度が、前記塩化チタンのほぼ沸点である、請求項２３に記載の方法。
25. 前記金属還元剤が、Ｍｇ、ＭｇＨ_２、及びＣａＨ_２のうちの少なくとも１つを含む、請求項１９に記載の方法。
26. 前記ＴｉＯ_２−スラグが、アップグレードＴｉＯ_２−スラグを含む、請求項２３に記載の方法。
27. 前記メタチタン酸を還元することが、前記メタチタン酸、前記金属還元剤、及び塩を組み合わせることを含む、請求項２３に記載の方法。
28. 前記塩が、一成分塩化物塩、二成分塩化物塩及び三成分塩化物塩のうちの少なくとも１つを含む、請求項２７に記載の方法。
29. 前記チタン生成物から不純物を除去することが、前記不純物を浸出剤、及び場合によりキレート剤で浸出することを含む、請求項１９に記載の方法。
30. 前記精製したチタン生成物を脱水素化することを更に含む、請求項１９に記載の方法。
31. 前記精製したチタン生成物を高度に脱酸して、前記チタン生成物中の残留酸素を還元することを更に含む、請求項１９に記載の方法。
32. 前記ＴｉＯ_２−スラグを得ることが、イルメナイト、天然ルチル、及びリューコキシンのうちの少なくとも１つを含むチタン原料を炭素熱還元することを含む、請求項１９に記載の方法。

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