JP3515541B2 - スポンジチタン製造装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、金属チタン製品の
素材として使用されるスポンジチタンの製造装置に関す
る。 【０００２】 【従来の技術】金属チタン製品の素材として使用される
スポンジチタンは、通常はクロール法と呼ばれる方法で
製造される。この方法では、スポンジチタンが還元、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、
その反応容器に接続された別の反応容器内を減圧するこ
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１
０００℃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、特公平７−２４７５９号
公報及び特開平９−２８７０３５号公報等に記載されて
いる。 【０００６】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・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。 【０００７】 【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・Ｎｉ含有量は、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・Ｎｉ含有量をそれぞれ３ｐｐ
ｍ以下に抑えることが求められている。 【０００８】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、高純度チタンの採取
量は減少する一方にある。 【０００９】本発明の目的は、スポンジチタンの高純度
化を図り、高純度チタンの収率を向上させることができ
るスポンジチタン製造装置を提供することにある。 【００１０】 【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、クロール法で製造したスポンジチタ
ンの不純物汚染について、種々の検討を加えた結果、以
下の知見を得ることができた。 【００１１】反応容器内に製造されるスポンジチタンの
汚染経路は、反応容器内の溶融Ｍｇを介するもの、及び
反応容器の内面と接する部分からの固相拡散によるもの
の２つと考えられている。つまり、前者は、反応容器か
ら同容器内に保持された溶融Ｍｇに不純物が溶出し、こ
の不純物を含んだ溶融Ｍｇによって四塩化チタンが還元
されることによる間接的な汚染現象であり、後者は、容
器の内面に接した部分で、容器からスポンジチタン中へ
重金属が固相拡散することによる直接的な汚染現象であ
る。 【００１２】ところで、反応容器は、溶融Ｍｇを収容す
る容器本体と、その上面開口部を閉じる蓋体とからな
り、蓋体は、容器内を真空排気するための排気管、四塩
化チタンを滴下するための原料供給管、圧抜き管等を装
備している。ここで、上述した汚染経路のいずれもが関
係するのは、容器本体だけである。このため、内面側を
炭素鋼、外面側をステンレス鋼とする複合材の適用は、
反応容器のうちの容器本体に限定されていた。 【００１３】一方、反応容器の蓋体については、溶融Ｍ
ｇとの接触がなく、上述した汚染経路に関係しない上
に、熱遮蔽体と呼ばれる炭素鋼の円盤が蓋体の下方に配
置されることもあって温度が低く、ステンレス鋼製の場
合も、容器本体内に保持された溶融Ｍｇやスポンジチタ
ンに不純物を溶出させる危険はないと考えられていた。
加えて、複合材は、ステンレス鋼や炭素鋼の単体物と比
べて非常に高価である。これらのため、前記複合材を容
器本体に適用する場合にあっても、蓋体に適用すること
はなかった。 【００１４】しかしながら、本発明者らによる詳細な調
査・解析によると、メカニズムは異なるものの、蓋体も
又、汚染原因の一つであることが判明した。すなわち、
反応容器内の反応温度は８００℃以上と高く、一方、反
応物である四塩化チタンの沸点は百数十℃、Ｍｇの融点
は約６５０℃と低い。このため、反応容器内の溶融Ｍｇ
より上の空間は、これらの物質の蒸気で充満している。
ここで、蓋体の温度が比較的高い場合は問題ないが、一
部の蓋体は空冷、水冷による強制冷却を受けて、比較的
低温に維持されている。 【００１５】このような強制冷却を受けた蓋体の場合
は、蓋体の下面を始めとする、反応雰囲気に接する部材
表面にスポンジチタンやその低級塩化物が多量に析出
し、蓋体がステンレス鋼の場合は、その析出物がＣｒ及
びＮｉにより汚染されることになる。この析出物は、基
本的に蓋体の表面に止まっており、その限り、問題は生
じない。 【００１６】ところが、実際の操業では、反応容器内に
生成されるスポンジチタンの表層部がしばしば局部的な
汚染を受ける。この経験から、蓋体の表面に析出したチ
タンやその低級塩化物が落下しているおそれがあり、こ
の落下物を介して反応容器内のスポンジチタンが蓋体中
のＮｉやＣｒにより汚染されていることが予想された。 【００１７】そこで、確認のための種々実験をおこなっ
たところ、蓋体の表面に析出し汚染されたチタンやその
低級塩化物の落下による汚染経路も無視できないことが
判明し、水冷、空冷を問わず、強制冷却を受ける蓋体に
ついては、その表面に析出する物質の汚染を防止する必
要のあることが明らかになった。以下、ＮｉやＣｒの汚
染経路について詳細に説明する。 【００１８】強制冷却を受けた蓋体は冷却されているた
めに、反応容器内の雰囲気より低温であるが、冷却が強
すぎると反応容器のＭｇ（浴面）より上の空間にあるガ
スも冷却されるため、低級塩化物が大量に発生し、反応
率の低下や排気配管の閉塞などの問題が生じる。この問
題のため、蓋体下面の表面温度がＭｇの融点を超える温
度（６５０℃以上）程度に維持されるように、強制冷却
を制御される場合が多い。このため、例えば蓋体下面に
結露したＭｇは液体、つまり溶融Ｍｇとなる。溶融Ｍｇ
はＮｉとの親和性が強いため、ステンレス鋼中のＮｉを
溶融Ｍｇに取り込み、Ｎｉに汚染される。この汚染され
た溶融Ｍｇと四塩化チタンガスが反応して蓋体下面にＮ
ｉで汚染されたチタンが析出する。溶融Ｍｇ自体が反応
域へ落下して、Ｍｇ全体を汚染する場合もある。また、
析出したチタン中へはステンレス鋼の成分であるＦｅ，
Ｎｉ，Ｃｒ等が拡散し汚染される。析出したチタンが時
々剥離して落下し、製品であるスポンジチタンを汚染す
る。また、Ｍｇ蒸気の場合も同じようにＮｉに汚染さ
れ、結果的にスポンジチタンの汚染も進行する。蓋体か
らの剥離物の製品への落下を防止するため、及び反応容
器内の浴面での反応熱による蓋体への輻射熱を遮断する
ために、蓋体の下方に熱遮蔽板と呼ばれる炭素鋼の円盤
を設ける場合もあるが、この熱遮蔽板には四塩化チタン
を供給するために比較的大きな開口部が必要であるた
め、やはりこの開口部から剥離物が落下・混入するので
ある。 【００１９】本発明のスポンジチタン製造装置は、かか
る知見に基づいて完成されたものであり、容器本体に蓋
体を組み合わせた反応容器を使用するクロール法による
スポンジチタン製造装置において、前記反応容器の容器
本体が、内面側が炭素鋼で外面側がステンレス鋼の複合
材からなり、蓋体が強制冷却機構を有すると共に、蓋体
を構成する部材のうちの少なくとも反応雰囲気に臨む部
材の一部又は全部、より具体的には少なくとも容器本体
内に臨む底板を含む一部又は全部が、反応雰囲気に対し
て表面側が炭素鋼、裏面側がステンレス鋼の複合材から
なるものである。 【００２０】蓋体を構成する部材のうちの少なくとも反
応雰囲気に臨む部材としては、容器本体内に直接臨む下
面部材（底板）、真空分離等のために容器内を排気する
排気管、圧抜き管、原料供給管等があり、これらの部材
の１又は複数を前記複合材により構成する。汚染防止効
率の点からは、まず下面部材（底板）に前記複合材を使
用するのがよく、これに加えて、排気管、圧抜き管を適
宜複合材化するのがよい。原料供給管は比較的表面積が
小さいので、ステンレス管を用いても不純物に与える影
響は大きくはないが、複合材若しくは炭素鋼を用いる方
がより望ましい。また、蓋体だけでなく、反応容器の容
器本体や、容器本体に連結される塩化Ｍｇの汲み出し管
に複合材を用いるのも、有効な汚染防止策である。ま
た、反応雰囲気に臨む部材に限らず、それ以外の蓋体構
成部材に複合材を用いることも可能である。複合材を用
いない部材は、高温強度の点からステンレス鋼が望まし
いが、炭素鋼でもよい。 【００２１】複合材を構成する炭素鋼としてはＳＳ，Ｓ
Ｍ，ＳＢ等のいずれでもよい。ステンレス鋼としては、
高温強度の高いＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６等のオース
テナイト系ステンレス鋼が好ましい。ステンレス鋼の厚
みは必要とする機械的強度等に基づいて適宜選択される
が、炭素鋼の厚みは主に汚染防止の点から１ｍｍ以上が
望ましい。 【００２２】蓋体の強制冷却機構としては空冷、水冷の
いずれでもよく、その種類を問わない。 【００２３】 【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１実施形態を示すス
ポンジチタン製造装置の主要部の縦断面図、その主要部
である蓋体の縦断面図である。 【００２４】本実施形態のスポンジチタン製造装置は、
クロール法によるスポンジチタンの製造に使用される。
このスポンジチタン製造装置は、円筒形状の反応容器Ａ
と、還元工程で反応容器Ａを加熱する加熱炉Ｂと、真空
分離工程で反応容器Ａを別の反応容器と接続するのに使
用される連結管Ｃとを備えている。 【００２５】反応容器Ａは、底部が閉じ上面が開放した
円筒形状の容器本体１０と、容器本体１０上面開口部に
装着される蓋体２０とを有している。 【００２６】容器本体１０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１０には、
上部外面から外面側へフランジ状に張り出した環状の支
持部１１と、支持部１１を上端部が貫通し、下端部が容
器本体１０の底部に接続された汲み出し管１２とが設け
られている。支持部１１及び汲み出し管１２は、容器本
体１０と異なり、ステンレス鋼からなる。複合材は、肉
盛りクラッド材でも圧延や爆着、熱間押出によるクラッ
ド材でもよい。 【００２７】蓋体２０は、容器本体１０の開口縁部に外
周縁部が係合する円板状の天板２１と、天板２１の外周
部下面から下方へ延出した円筒形状の周壁２２と、周壁
２２の下面開口部を塞ぐ底板２３と、主に底板２３を冷
却するために蓋体２０内に配置された環状の冷却配管２
６とを有している。周壁２２は、容器本体１０の開口縁
部に嵌合し、ここでは底板２３と一体化されている。 【００２８】蓋体２０の中心部には、天板２１及び底板
２３を貫通して排気管２４が設けられている。排気管２
４の側方には、圧抜き管２５が傾斜して設けられてい
る。圧抜き管２５の上部は天板２１を貫通して上方に突
出し、下部は排気管２４の下部を斜めに貫通してその下
方に突出している。そして、圧抜き管２５の中心部に原
料供給管２９が固定されている。 【００２９】冷却配管２６は、天板２１と底板２３の間
で排気管２４を包囲しており、天板２１を貫通して蓋体
２０内に投入された給気管２７を介して、図示されない
外部のブロワーと接続されている。給気管２７を介して
冷却配管２６に供給された冷却用空気は、冷却配管２６
に設けられた多数の開口部から底板２３に向けて噴出さ
れ、天板２１に取り付けられた排気管２８を介して外部
へ排出される。 【００３０】蓋体２０の構成材料は、周壁２２、底板２
３、排気管２４、圧抜き管２５及び原料供給管２９を除
き、ステンレス鋼からなる。周壁２２、底板２３、排気
管２４及び圧抜き管２５は、炭素鋼とステンレス鋼の複
合材からなる。また、原料供給管２９は、管内側がステ
ンレス鋼、外側が炭素鋼である複合材若しくは炭素鋼か
らなる。 【００３１】ここで、底板２３の下面、排気管２４の内
面及び圧抜き管２５の内面は、反応容器Ａ内に対しては
反応雰囲気に臨む表面であり、これらの表面側は炭素鋼
とされている。反対の裏面側はステンレス鋼とされてい
る。底板２３と一体化された周壁２２については、底板
２３の下面（表面）に連続する外面の側は炭素鋼、底板
２３の上面（裏面）に連続する内面の側はステンレス鋼
である。 【００３２】次に、本実施形態のスポンジチタン製造装
置を用いてスポンジチタンを製造する方法について説明
する。 【００３３】容器本体１０を加熱炉Ｂにセットし、その
容器本体１０内に所定量の溶融Ｍｇを投入する。ここ
で、溶融Ｍｇは、電解セルで製造される。製造された溶
融Ｍｇは、金属製の小型搬送鍋により保温炉に搬送さ
れ、ここに一時的に収容される。そして、必要時に必要
量の溶融Ｍｇが、金属製の大型搬送鍋を用いて保温炉か
ら容器本体１０内へ移される。保温炉は、大型搬送鍋よ
りも更に巨大な鍋状の金属容器であり、前記大型搬送鍋
と同様、蓋に取り付けたヒータにより、容器内の溶融Ｍ
ｇを融点以上の所定温度に維持する。 【００３４】容器本体１０への溶融Ｍｇの投入が終わる
と、容器本体１０に蓋体２０を装着して、容器本体１０
の上面開口部を塞ぐ。また、加熱炉Ｂ内のヒータによ
り、容器本体１０内の溶融Ｍｇを所定温度に加熱維持す
る。この状態で、蓋体２０の原料供給管２９から容器本
体１０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１０内にスポンジチタンが生成
される。 【００３５】還元反応中、蓋体２０内の冷却配管２６に
冷却用空気を供給し、主に底板２３を強制空冷する。こ
こで、容器本体１０は、反応雰囲気に臨む内面側が炭素
鋼、外面側がステンレス鋼の複合材である。このため、
優れた高温強度を維持しつつ、容器本体１０に起因する
スポンジチタンの重金属汚染が防止される。 【００３６】また、反応容器内の溶融Ｍｇの液面より上
の部分は、Ｍｇ及び四塩化チタンの蒸気で充満してお
り、容器上部の蓋体２０は強制空冷されている。このた
め、これらの蒸気が、反応容器内の反応雰囲気に臨む底
板２３の下面、排気管２４の内面、圧抜き管２５の内面
及び原料供給管２９の外面で凝縮し、スポンジチタンや
その低級塩化物が析出し、その析出物の一部は容器本体
１０内に落下する。しかし、これらの面は炭素鋼である
ので、析出物はＮｉやＣｒで汚染されない。このため、
析出物の一部が容器内に落下しても、容器本体１０内の
スポンジチタンが汚染されることはない。これらの部材
の裏面側はステンレス鋼であり、他の部材もステンレス
鋼であるので、蓋体２０の高温強度が高いことはいうま
でもない。原料供給管２９においては、反応雰囲気に対
して表面側とは管外側であり、裏面側とは反応雰囲気に
曝されない管内側を指す。この原料供給管２９は、原料
である低温の四塩化チタン液が管内を通過するために、
結果的に冷却される。 【００３７】還元反応中、副生される塩化Ｍｇを汲み出
し管１２から適宜抜き取るが、反応開始時、汲み出し管
１２内には容器本体１０内と同じレベルまで溶融Ｍｇが
侵入している。この溶融Ｍｇは、基本的には容器本体１
０内に侵入することはなく、従って汲み出し管１２をス
テンレス鋼で作製していても汚染の問題は生じない。し
かし、操業手順、操業条件等によっては、汲み出し管１
２内に初期滞留する溶融Ｍｇが容器本体１０内に侵入す
る場合があり、この場合は、汲み出し管１２も内面炭素
鋼、外面ステンレス鋼の複合材とするのがよい。 【００３８】還元反応が終わると、連結管Ｃを介して接
続された別の反応容器内を減圧する。これにより、反応
容器Ａ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が分離し、別の反応容器内に
回収される。 【００３９】このように、本実施形態のスポンジチタン
製造装置を使用すると、容器本体１０からの直接的な汚
染だけでなく、蓋体２０を介した間接的な汚染も効果的
に防止されることにより、製造されるスポンジチタンの
不純物レベルが大幅に下がる。 【００４０】上記実施形態では、蓋体２０の一部に複合
材を用いたが、その全部に複合材を用いることもでき
る。また、連結管Ｃや、電解セルで製造された溶融Ｍｇ
を反応容器へ搬送する際に使用される前述した大型搬送
鍋、保温炉、小型搬送鍋等に複合材を使用することも可
能である。前述した大型搬送鍋、保温炉、小型搬送鍋等
に複合材を使用すると、高い高温強度が確保されつつ、
これらから溶融Ｍｇへの重金属溶出が防止され、製造さ
れるスポンジチタンの純度が一層向上する。 【００４１】クロール法によって約７トンのスポンジチ
タンを製造する場合、容器本体１０にステンレス鋼（Ｓ
ＵＳ３０４）を使用し、強制空冷式の蓋体２０に同じス
テンレス鋼を使用すると、製造されるスポンジチタンか
ら、Ｃｒ，Ｎｉ含有量がいずれも３ｐｐｍ以下を満たす
高純度スポンジチタンを採取できる比率は０％であっ
た。 【００４２】容器本体１０のみに炭素鋼（ＳＳ４００）
とステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）の複合材を使用する
と、上記の高純度チタン採取比率は１２％になった。 【００４３】容器本体１０に加え、蓋体２０の容器本体
１０に臨む底板部に上記複合材を使用すると、上記の高
純度チタン採取比率は１８％になった。 【００４４】また、容器本体１０に加え、蓋体２０の容
器本体１０に臨む全ての部分に上記複合材を使用した場
合は、上記の高純度チタン採取比率は２０％になった。 【００４５】このように、要求純度が高い場合に、蓋体
２０に複合材を使用することの高純度化、高純度チタン
収率上のメリットは多大である。 【００４６】 【発明の効果】以上に述べたとおり、本発明のスポンジ
チタン製造装置は、強制冷却機構を有する蓋体の構成部
材のうちの少なくとも反応雰囲気に接する部材の一部又
は全部、より具体的には少なくとも容器本体内に臨む底
板を含む一部又は全部を、前記反応雰囲気に対して表面
側が炭素鋼、裏面側がステンレス鋼の複合材で構成する
ことにより、蓋材を介した間接的な汚染を低減できる。
従って、製造チタンの高純度化を図り、合わせて高純度
チタンの収率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の１実施形態を示すスポンジチタン製造
装置の主要部の縦断面図である。 【図２】その主要部である蓋体の縦断面図である。 【符号の説明】 １０ 容器本体 ２０ 蓋体 ２１ 天板 ２２ 周壁 ２３ 底板 ２４ 排気管 ２５ 圧抜き管 ２６ 冷却配管 ２７ 給気管 ２８ 排気管 ２９ 原料供給管 Ａ 反応容器 Ｂ 加熱炉 Ｃ 連結配管

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 容器本体に蓋体を組み合わせた反応容器
   を使用するクロール法によるスポンジチタン製造装置に
   おいて、前記反応容器の容器本体が、内面側が炭素鋼で
   外面側がステンレス鋼の複合材からなり、蓋体が強制冷
   却機構を有すると共に、蓋体を構成する部材のうちの少
   なくとも、容器本体内に臨む底板を含む、反応雰囲気に
   接する部材の一部又は全部が、前記反応雰囲気に対して
   表面側が炭素鋼、裏面側がステンレス鋼の複合材からな
   ることを特徴とするスポンジチタン製造装置。