JP4193984B2

JP4193984B2 - 金属製造装置

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Publication number: JP4193984B2
Application number: JP2003304176A
Authority: JP
Inventors: 忠司小笠原; 誠山口; 雅彦堀; 徹上西
Original assignee: Osaka Titanium Technologies Co Ltd
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Priority date: 2003-08-28
Filing date: 2003-08-28
Publication date: 2008-12-10
Anticipated expiration: 2023-08-28
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Description

本発明は、金属酸化物をＣａにより還元してチタンなどの金属を生成する、酸化物直接還元法による金属製造装置に関する。

金属チタンの工業的な製法としてはクロール法が一般的である。クロール法では、還元工程−真空分離工程を経て金属チタンが製造される。還元工程では、反応容器内で四塩化チタン（ＴｉＣｌ₄）がＭｇにより還元され、スポンジ状の金属チタンが製造される。真空分離工程では、反応容器内のスポンジ状の金属チタンから未反応Ｍｇ及び副生物（ＭｇＣｌ₂）が除去される。

クロール法による金属チタンの製造では、高純度の製品が製造される。しかし、製造コストが嵩み、製品価格が非常に高くなる。即ち、高価で高品質なものしか製造できない制約がある。しかしながら、構造材などとしては、純度は多少低くても、安価なものが求められる。このような事情から、純度が比較的低い金属チタンを低コストで連続的に製造する方法の開発が企画されており、その一つとして考えられているのが酸化チタンをＣａで還元する酸化物直接還元法である。

従来の代表的な酸化物直接還元法としては、特許文献１に記載されたオルソンの方法がある。この方法では、図８に示すように、ＣａＣｌ₂の溶融塩中にＴｉＯ₂粉末を投入し、ＴｉＯ₂をＣａで還元し、Ｔｉを生成する。同時に、ＣａＣｌ₂の溶融塩中で、鉄陰極及び黒鉛陽極を用いてＣａＯの電気分解を行う。

米国特許第２８４５３８６号明細書

オルソンの方法では、ＴｉＯ₂粉末の表面にＣａＯが副生する。そのＣａＯはＣａＣｌ₂中に溶解する性質があるため、ＴｉＯ₂粉末の表面に生成したＣａＯはＣａＣｌ₂中に溶解していき、ＴｉＯ₂粉末の表面ではＴｉＯ₂とＣａの反応が継続的に進行する。加えて、ＣａＯを含むＣａＣｌ₂の溶融塩が電気分解されることにより、化学式１に示す反応により、ＣａＣｌ₂中からＣａＯが除去される。即ち、この方法では、ＴｉＯ₂粉末の表面に生成したＣａＯがＣａＣｌ₂中に溶解すること、及びそのＣａＯがＣａＣｌ₂中から逐次除去され蓄積しないことにより、ＴｉＯ₂からのＴｉの生成反応が継続する。

しかしながら、オルソンの方法には次の問題がある。この方法では、ＣａＯを含むＣａＣｌ₂の溶融塩が電気分解されることにより、ＣａＣｌ₂中からＣａＯが除去される。即ち、この方法では、ＴｉＯ₂粉末の表面に生成したＣａＯがＣａＣｌ₂中に溶解すること、及びそのＣａＯがＣａＣｌ₂中から除去され蓄積しないことにより、ＴｉＯ₂からＴｉが継続的に生成される。しかし、その一方では、ＣａＯの電解に伴って溶融塩中にＣａＣ₂が生成する（化学式１参照）。ＣａＣ₂はＴｉ中にＴｉＣを混入させ、Ｔｉの品質を劣化させる。

このように、オルソンの方法は能率的であるが、ＣａＣｌ₂の溶融塩中に生成するＣａＣ₂により製品品質が劣化する点で致命的である。このため、酸化物直接還元法は未だ実用化されていないのが現状である。

本発明の目的は、金属酸化物をＣａで還元する酸化物直接還元法でありながら、生産性が高く、しかも炭素汚染を生じない金属製造装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の金属製造装置は、ＣａＣｌ₂を主成分としＣａを含有する溶融塩を保持し、当該溶融塩に投入される金属酸化物を溶融塩中のＣａにより還元して金属を生成する還元室と、溶融塩中に生成した金属を溶融塩から分離する手段と、金属を分離除去された後の溶融塩を保持し、該溶融塩を塩素ガスにより塩化処理して、溶融塩中の副生ＣａＯを塩化する塩化室と、塩化処理された後の溶融塩の一部又は全部を還元反応領域の外で保持し、該溶融塩を電気分解して、ＣａＣｌ₂からＣａ及び塩素を生成する電解室と、該電解室から前記還元室へ生成Ｃａ又は該Ｃａを含有する溶融塩を移送する手段とを具備しており、前記溶融塩が前記還元室、塩化室及び電解室を循環すると共に、前記塩化室は前記還元室と合体した構成である。

本発明の金属製造装置は又、ＣａＣｌ₂を主成分としＣａを含有する溶融塩を保持し、当該溶融塩に投入される金属酸化物を溶融塩中のＣａにより還元して金属を生成する還元室と、溶融塩中に生成した金属を溶融塩から分離する手段と、金属を分離除去された後の溶融塩を保持し、該溶融塩を塩素ガスにより塩化処理して、溶融塩中の副生ＣａＯを塩化する塩化室と、塩化処理された後の溶融塩の一部又は全部を還元反応領域の外で保持し、該溶融塩を電気分解して、ＣａＣｌ₂からＣａ及び塩素を生成する電解室と、該電解室から前記還元室へ生成Ｃａ又は該Ｃａを含有する溶融塩を移送する手段とを具備しており、前記溶融塩が前記還元室、塩化室及び電解室を循環すると共に、前記電解室は前記還元室と合体した構成である。

本発明の金属製造装置においては、ＣａＣｌ ₂ を主成分としＣａを含有する溶融塩中に金属酸化物を投入し、該金属酸化物を溶融塩中のＣａにより還元して金属を生成する還元工程と、溶融塩中に生成した金属を溶融塩から分離する分離工程と、金属を分離した後の溶融塩を塩素ガスにより塩化処理して、溶融塩中の副生ＣａＯを塩化する塩化工程と、塩化処理した後の溶融塩の一部又は全部を電気分解して、ＣａＣｌ ₂ からＣａ及び塩素を生成し、生成されたＣａ又はＣａを含有する溶融塩を前記還元工程へ送る電解工程とを経て金属が生成され、例えば金属チタンの場合は、化学式２に示す反応によりそのチタンが生成される。

即ち、還元工程では、投入される酸化チタンが溶融塩中のＣａで還元されることにより、金属チタンが連続的に生成し、ＣａＯが副生する。したがって、還元後の溶融塩は、金属チタンの他に副生したＣａＯを含んだＣａＣｌ₂となる。

分離工程では、溶融塩中に生成した金属チタンを溶融塩から分離する。塩化工程では、金属チタンを分離した後の溶融塩を塩素ガスにより塩化処理することにより、副生したＣａＯからＣａＣｌ₂が生成される。これにより、溶融塩はＣａＯを殆ど含まず、実質的にＣａＣｌ₂のみとなる。

実質的にＣａＣｌ₂からなる塩化処理後の溶融塩は全部又は一部が電解工程へ送られ、その後Ｃａが溶融塩中に再び生成される。その結果、Ｃａ及びＣａＣｌ₂が還元工程に循環される。かくして、金属の連続製造が可能になる。

本発明の特徴的な構成の第１は、還元反応領域の外で電気分解を行うことである。第２は、電気分解の前に溶融塩中のＣａＯを塩化することである。第１及び第２の構成により、ＣａＯの蓄積が防止されると共に、ＣａＯの電解に起因するＣａＣ₂の発生が防止され、生成金属の炭素汚染が防止される。

このように、第１及び第２の構成を組み合わせることにより、還元工程にＣａＯが蓄積せず、還元反応が継続されると共に、ＣａＯに起因したＣａＣ₂、ＴｉＣによる製品汚染が防止される。

また、本発明では、電気分解の陽極で塩素ガスが発生し、酸素ガスが発生しない有利さがある。即ち、この種の電気分解では通常、陽極材として黒鉛を使用するため、陽極で酸素ガスが発生すると、結果的に炭酸ガスが発生する（図８参照）。この電気分解で陰極側に発生するＣａは還元力が強いために金属酸化物を還元するが、溶融塩中に炭酸ガスが存在する場合にはＣａＣ₂を生成する。ＣａＣ₂が生成金属中に炭化金属を混入させ生成金属の品質を低下させることは前述したとおりである（化学式１参照）。これに対して本発明では、黒鉛陽極で塩素ガスが発生し、酸素ガス、即ち炭酸ガスが発生しない点からも生成金属の炭素汚染が防止されるし、黒鉛陽極が消耗しないために安定した電解条件が得られる。

溶融塩が循環する３つの工程（還元工程、塩化工程及び電解工程）では、ＣａＣｌ₂の融点（７８０℃）以上に溶融塩温度を管理する必要がある。ちなみにＣａの融点は８４８℃であるが、ＣａＣｌ₂に溶融させれば８４８℃以下でも溶解が可能である。厳密な溶解度は温度によって変化するものの、ＣａはＣａＣｌ₂に１．５重量％程度溶解可能であり、ＣａＯはＣａＣｌ₂に８重量％程度溶解可能である。

還元工程では、粉末状、顆粒状或いは塊状の酸化チタンが溶融塩中に投入される。還元後の溶融塩から分離された金属チタンも粉末状、顆粒状或いは塊状であり、溶融塩で濡れている。分離工程では、沈降分離、圧縮押し固めなどの物理的方法により金属チタンを分離するのが合理的である。金属チタンを沈降分離等によりある程度固めて取り出せば、後は通常の溶解法、例えばプラズマ溶解法等によりインゴットとすることができる。還元効率の点からは原料の酸化チタンは粉末が好ましい。

溶解工程では、ルツボは無底ルツボ、有底ルツボのいずれを使用してもよい。無底ルツボを使用することにより連続鋳造が可能になる。

酸化チタンの粒径が小さい場合など、生成金属チタンの粒径も小さくなるため、還元工程での沈降分離が効率的にできない場合もある。このような場合には、例えば有底容器で還元工程を行い、静置分離により生成チタンが高濃度に懸濁した溶融塩を容器底部から抜き出し、別の場所で圧縮などにより溶融塩から生成チタンを分離する方法が合理的である。残った溶融塩を塩化工程へ送ることにより、溶融塩の利用効率が上がる。

塩化工程では、溶融塩中に塩素ガスをバブリングさせればよい。これにより連続的かつ完全な塩化処理が可能である。

還元工程で生成した金属チタン中にＣａＯが残留すると、溶解時にＣａＯ中の酸素がチタンに入り、チタン中の酸素濃度が高くなる。これを防止するためには、塩化処理後のＣａＯが含まれていないＣａＣｌ₂を分離工程付近に注入し、溶融塩から分離されたチタンをそのＣａＣｌ₂でリンスするリンス工程が有効である。前述したとおり、ＣａＣｌ₂にはＣａＯが８重量％程度溶解するので、金属チタン中に残留したＣａＯは投入されたＣａＣｌ₂により溶解除去される。

電解工程では、陰極側でＣａが発生し、陽極側で塩素ガスが発生する。電解槽内の陰極部から抜き出されるＣａ含有のＣａＣｌ₂中のＣａ濃度はできるだけ高い方が還元工程での還元能力が高まるので好ましい。電解槽でＣａ濃度が溶解度を超えた場合、超えた分のＣａが固体として懸濁するか分離浮上するが、Ｃａが懸濁した状態でＣａＣｌ₂を還元工程へ送ってもよい。還元工程でＣａが消費されれば、懸濁していたＣａがＣａＣｌ₂に溶解していき、還元に寄与するからである。

塩化工程から電解工程へはＣａＣｌ₂の全部を移送する必要はない。その一部を移送してもよい。その場合、残りのＣａＣｌ₂は電解工程を経ずに塩化工程から還元工程へ直送すればよい。塩化工程から電解工程へＣａＣｌ₂の一部を移送する意味は次のとおりである。

ＣａのＣａＣｌ₂への溶解度は小さい。このため、Ｃａが溶解したＣａＣｌ₂を還元工程へ送る場合は、多量のＣａＣｌ₂をサイクルさせる必要が生じ、この点において製造効率が低下する。電解工程から還元工程へ溶融Ｃａを単体で移送すれば、多量のＣａＣｌ₂をサイクルさせる必要はなくなる。還元工程では電解工程からのＣａを液面に溜めておけば、Ｃａ層からＣａＣｌ₂層へＣａが溶解することでＣａ濃度を高めることができる。つまり、ＣａＣｌ₂層において溶解ＣａによりＴｉＯ₂が還元されたとき、その消費Ｃａ分はＣａ層からＣａＣｌ₂層への溶解という形で補給されることになるのである。

また、本発明の金属製造装置においては、塩化室が還元室と合体している。また電解室が還元室と合体している。

電解室は、陽極側と陰極側を分離する隔壁を設けた構成が好ましい。隔壁の目的は、陽極側で発生する塩素ガスが陽極側へ侵入しないようにすること、及び陰極側で発生するＣａが陽極側へ戻らないようにすることである。このため、隔壁は多孔質のセラミック板（隔膜）を使用すればよい。一方、塩化工程から供給されるＣａＣｌ₂を陽極側へ連続的に投入しつつ、陰極側からＣａ含有のＣａＣｌ₂を連続的に抜き出すなどすれば、陽極側から陰極側への定常的な流れ（フロー）が形成される。そうすれば、隔壁に多孔質板を用いずとも、少量の溶融塩が流通できる隙間や孔を液面下に設けた緻密な板（スリット付き金属板など）を使用しても、多孔質板を使用した場合と同様にＣａ分離効果が得られる。

電解室内の陽極側で発生する塩素ガスは塩化工程に用いる。

塩化室を還元室と合体させたり、電解室を還元室と合体させるのは、装置を小型化するためである。ここで合体とは、特定の室の隣に別の室を続けて設置するという意味であり、両室間を仕切る隔壁はあってもなくてもよく、隔壁がない場合が後述する一体化である。還元室に合体させた電解室の陰極側は、両室間を仕切る隔壁を取り除いて還元室と一体化させることができる。また、この電解室は、筒状に形成された還元室の周囲に環状に形成することができ、より具体的には、陽極を兼ねる外筒と、陰極を兼ね、溶融塩の流通が可能で且つ内側が還元室とされた内筒との組み合わせにより構成できる。

本発明の金属製造装置は、金属酸化物をＣａにより還元する酸化物直接還元法において、還元領域外で電気分解を行い、且つ電気分解に供する溶融塩からＣａＯを除去することにより、従来の酸化物直接還元法で問題となる生産性の低さ及び炭素による製品汚染を回避できる。したがって、酸化物還元法の実用化に大きな効果を発揮する。また、塩化室を還元室と合体させたり、電解室を還元室と合体させているので、装置が小型である。

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は本発明の実施形態の基礎となるチタン製造設備の構成図である。

本チタン製造設備は、塔状の還元室１と、その下部に連結された横向きの分離装置２とを備えている。還元室１は、ＣａＣｌ₂を主成分とし且つＣａを含む溶融塩を収容している。還元室１には、原料である酸化チタン（ＴｉＯ₂）の粉末が継続的に投入される。これにより、溶融塩中に投入されたＴｉＯ₂が溶融塩中のＣａにより還元され、金属チタン（Ｔｉ）が生成される。同時にＣａＯが副生する。生成Ｔｉ及び副生ＣａＯは、共に沈降分離され、若干量のＣａＣｌ₂と共に分離装置２内に流入する。

ここで、還元室１内には酸化チタンと共に、ＣａＣｌ₂を主成分とし且つＣａを含む溶融塩が上方から追加供給される。一方、下部からは、分離装置２により溶融塩が側方へ抜き出される。これにより、還元室１内には溶融塩の下向き流が形成される。この溶融塩流により、前述した生成Ｔｉ、副生ＣａＯの沈降分離が促進される。

分離装置２は、流入した生成Ｔｉ、副生ＣａＯを多く含む溶融塩を円筒状の孔あき筒体内でスクリュウ３により物理的に圧縮する。これにより、生成Ｔｉから溶融塩を絞り取り、その生成Ｔｉを押し固める。押し固められた多孔質状の生成Ｔｉは、分離装置２から順次排出され、溶解装置４で溶解される。分離装置２で溶融塩を圧縮分離される生成Ｔｉは、ＣａＣｌ₂を主成分としＣａＯを含まない溶融塩によりリンス処理される。具体的には、後述する塩化室７で塩化処理された溶融塩を使用する。これにより、生成Ｔｉ中に残留するＣａＯがそのＣａＣｌ₂に溶解し、生成Ｔｉから除去される。

溶解装置４は、ここではプラズマ装置を使用しており、不溶性雰囲気中で生成Ｔｉの固まりを溶かして溶融金属を一旦一次水冷モールド５に溜める。一次水冷モールド５では溶融Ｔｉが沈み、溶融塩が浮く。溶融Ｔｉは水冷二次モールド６に流し込まれ、鋳造されてＴｉインゴットとされる。溶解装置４で溶融される生成Ｔｉは、溶融塩を圧縮分離したとはいえ、若干量の溶融塩を含んでいる。溶融金属を一旦一次水冷モールド５に溜めることにより、この溶融塩を浮上分離できる。分離された溶融塩は後述する塩化槽７へ送る。

分離装置２で生成Ｔｉから分離された溶融塩は、一次水冷モールド５で浮上分離された溶融塩と共に、塩化室７へ送られる。これらの溶融塩は、副生ＣａＯを多量に含んでいる。塩化室７では、導入される溶融塩中に塩素ガスをバブリングする。これにより、溶融塩中のＣａＯがＣａＣｌ₂に変化し、溶融塩中のＣａＯが塩化されることになる。こうしてＣａＯを含まない実質的にＣａＣｌ₂からなる溶融塩が生成される。

この溶融塩は次に電解室８へ送られる。一部がリンス処理のために分離装置４へ送られることは前述したとおりである。電解室８では、導入された溶融塩を、黒鉛陽極及び鉄陰極を用いて電気分解する。室内の陽極側で塩素ガスが発生し、陰極側でＣａが生成される。これにより、ＣａＣｌ₂を主成分としＣａを含む溶融塩が生成される。塩化室７では除去目的物であるＣａＯが塩化される。還元室１ではＣａを含む溶融塩が必要である。電解室８により、このＣａを含む溶融塩が生成され、還元室１へ送られる。かくして、ＣａＣｌ₂及びＣａの外部からの補充が実質不要となる。

この電解室８では、陽極側と陰極側が多孔質状の隔壁９により仕切られている。塩化室７から送られてくる溶融塩は陽極側へ導入され、Ｃａを含む溶融塩は陰極側から抜き取って還元室１へ送られる。これにより、陽極側から陰極側へ向かう流れが形成される。その結果、陰極側から陽極側への溶融塩の逆流が阻止される。また、陽極側から陰極側への塩素ガスの侵入が防止される。

図２は本発明の実施形態の基礎となる別のチタン製造設備の構成図である。

本チタン製造設備は、塩化室７で塩化処理を終えた溶融塩の一部を電解室８へ送り、残りの溶融塩のほぼ全部を還元室１へ戻す点、及び電解室７から還元室１へのＣａの移送を金属状態で行う（ＣａをＣａＣｌ₂に溶解させて移送する方法を併用してもよい）点が、図１に示した製造設備と相違する。そして電解室８では、塩化室７からの溶融塩が陽極側へ導入され、陰極側の液面に生じるＣａが単独又は若干のＣａＣｌ₂と共に還元室１へ送られる。還元室１へ移送されたＣａは、室内の溶融塩の液面に浮上し、ＣａＣｌ₂へ溶解する。このため、塩化室７から電解室８を経て還元室１へ移送される溶融塩又はＣａの移送量が少ないにもかかわらず、還元室１内のＣａＣｌ₂中のＣａ濃度が高レベルに維持される。

塩化室７から電解室８へ一部の溶融塩を移送することにより、製造効率が上がることは前述したとおりである。

図３は本発明の第１実施形態を示すチタン製造設備の構成図である。

第１実施形態のチタン製造設備は、図２に示したチタン製造設備と比べて、還元室１に塩化室７を合体させた点が相違する。他の構成は、図２に示したチタン製造設備と実質同一である。

詳しく説明すると、塩化室７は縦型の還元室１の側方に隔壁１０を介して形成されている。還元室７では、室内のＣａＣｌ₂に差し込まれた投入管１１により、そのＣａＣｌ₂中に酸化チタンが上方から投入される。ＣａＣｌ₂中のＣａによる還元によって酸化チタンから生成されたチタンは、還元室１の底に沈降し、下方へ抜き出されて下方の分離装置２へ送られる。

副生したＣａＯを含むＣａＣｌ₂は、下部で還元室１から塩化室７に流入し、下部から注入する塩素ガスにより塩化処理されることにより、ＣａＯが塩化される。また、塩化室７内を上昇する塩素ガス流れ（ガスリフト）により、ＣａＣｌ₂は塩化室７を上昇する。分離装置２で金属チタンから分離されたＣａＣｌ₂も、塩化室７の下部に導入される。一方、塩化室７で副生する酸素ガスは上方へ抜き出される。

塩化室７を出たＣａＣｌ₂の大半は、塩化室７の上部から還元室１に還流する。残りのＣａＣｌ₂は電解室８へ移送される。電解室８では、導入されたＣａＣｌ₂からＣａが生成される。電解室８で生成されたＣａは、単独又は若干量のＣａリッチのＣａＣｌ₂と共に還元室１へ移送される。副生する塩素ガスは塩化室７へ送られる。還元室１へ導入されたＣａは、室内のＣａＣｌ₂上に層を形成する。前述した投入管１１は、ＣａＣｌ₂上のＣａ層を貫通してＣａＣｌ₂に酸化チタンを投入するためのものである。

還元室１に塩化室７を合体させたチタン製造設備では、両室間でのＣａＣｌ₂の授受が容易となる。また、塩化室７を出たＣａＣｌ₂の全部を電解室８へ移送することも可能である。

図４は本発明の第２実施形態を示すチタン製造設備の構成図である。

第２実施形態のチタン製造設備は、第１実施形態のチタン製造設備と比べて、電解室８を還元室１に合体させた点が相違する。他の構成は、第１実施形態のチタン製造設備と実質同一である。

詳しく説明すると、電解室８は、還元室１を挟んで塩化室７の反対側に形成されており、両者の間に隔壁は設けられていない。この電解室８は黒鉛陽極１２と鉄陰極１３とを備えており、陽極側と陰極側は隔壁９により分離されている。陰極側は還元室１の側に位置し、隔壁なしで還元室１に連続している。隔壁９は、第１実施形態の場合と同様、溶融塩を通過させる構造になっている。

塩化室７から移送されるＣａＣｌ₂は陽極側に導入される。陽極側で副生する塩素ガスは塩化室７へ送られる。陽極側に導入されたＣａＣｌ₂は隔壁９を通過して陰極側へ移動する。即ち、隔壁９が溶融塩を通過させるために、陽極側への溶融塩の供給に伴って陽極側から陰極側へ向かう浴流れが電解室８内に形成される。

電解室８の陰極側では、鉄陰極１３の表面にＣａが生成する。生成したＣａは浴流れに乗って浮上しつつ還元室１の側へ移動する。陰極１３から還元室１の側にかけての浴面近傍にはＣａ溜め１４が設けられている。Ｃａ溜め１４は底部が開放した箱体であり、陰極１３の表面で生成されて還元室１の側へ移動するＣａを捕捉し浴面に露出するのを防止する。Ｃａ溜め１４に溜められたＣａは還元室１内のＣａＣｌ₂に溶解し、還元室１内での還元反応に使用される。

ここで、Ｃａ溜め１４は陰極１３と同様に鉄で構成されており、陰極１３と同電位（陰極１３と一体構造）としてもよい。Ｃａ溜め１４の狙いはＣａ層を浴面に露出させないことである。陰極１３より還元室側の液面上を不溶性ガス雰囲気に維持できる場合はＣａ層を浴面に露出させても支障ないが、操業上の要求で空気の混入が避けられない場合にＣａ層が浴面に露出すると酸化によりＣａＯが生成されてしまう。これはどうしても回避せねばならない現象であり、この現象を回避するための手段がＣａ溜め１４である。

なお、隔壁９の上部は陰極１３の側に張り出し陰極１３と接触しているが、これは陰極１３の表面で発生するＣａが陰極１３と隔壁９の間に溜まるのを阻止するための構造である。

還元室１に電解室８を合体させたチタン製造設備では、電解室８から還元室１へのＣａの移送が容易となる。特に、電解室８内のＣａが生成される陰極側は還元室１と一体化できるため、両室間から隔壁を排除できる。このため、設備が特に簡略化され、小型化される。

図５は本発明の第３実施形態を示すチタン製造設備の構成図である。

第３実施形態のチタン製造設備は、第２実施形態のチタン製造設備と比べて、電解室８から隔壁９を排除した点が相違する。他の構成は、第２実施形態のチタン製造設備と実質同一である。

詳しく説明すると、還元室１に一体化された電解室８では、前述したとおり、陽極側に溶融塩が導入されるため、陽極１２の側から陰極１３の側へ溶融塩の流れが形成される。このため、陽極側と陰極側の間を仕切る隔壁９を省略しても、溶融塩の逆流による効率低下は防止される。ただし、陰極１３は、隔壁９と同様に溶融塩が通過可能な構造とされる。また、陰極１３の上方には、耐火物などの耐塩素ガス材からなるカーテンウォール形式の隔壁１５が設けられている。即ち、この隔壁として陰極１３を液面上に延長することが考えられるが、この場合は陰極１３の延長部が陽極側で発生する塩素ガスにより腐食する問題がある。このため、陰極１３とは別の隔壁１５が必要になる。

電解室８において陽極側と陰極側を仕切る隔壁９を省略することにより設備構成か一層簡略化される。なお、陰極１３の還元室側にＣａ溜め１４は設けられていない。このため、陰極１３より還元室側の液面上は不溶性ガス雰囲気に維持されている。

図６及び図７は本発明の第４実施形態を示す金属チタン製造設備の構成図である。

第４実施形態のチタン製造設備は、第３実施形態のチタン製造設備と比べて、還元室１を円筒状に形成し、電解室８をその外側に円筒状に形成した点が相違する。他の構成は、第３実施形態のチタン製造設備と実質同一である。

詳しく説明すると、還元室１の外側に円筒状に設けられた電解室８は、外壁を兼ねる円筒形状の陽極１２と、内壁を兼ねる円筒形状の陰極１３とを有している。還元室１の側方に配置された塩化室７で得られたＣａＯ及びＣａを含まないＣａＣｌ₂は、全量が陽極１２と陰極１３の間に環状空間に導入される。内側の陰極１３は還元室１の円筒状外壁の一部を兼ねており、その内側は還元室１と一体化されている。

この陰極１３は、周方向に所定間隔で設けられたスリットにより溶融塩を外側から内側へ通過させる構成になっている。各スリットは、半径線に対して傾斜すると共に、内側から外側へ向けて間隔が漸次増大する構成になっている。この構成により、陰極１３の外側及び内側に旋回流が形成されると共に、外側から内側への溶融塩の流れが促進される。

陰極１３の上方には、耐火物などの耐塩素ガス材からなる円筒状の隔壁１５が連続して設けられている。設置目的は第５実施形態の場合と同じである。

円筒形状の陰極１３の外面側に旋回流が発生すること、更には陰極１３の内側に流入した溶融塩は旋回しながら還元室１を降下することにより、陰極１３の表面で生成したＣａがその内側へスムーズに引き込まれる。陰極１３の内側に流入したＣａは還元室１内のＣａＣｌ₂上に浮上し、ＣａＣｌ₂に溶け込む。ＣａＣｌ₂に溶け込んだＣａが還元室１での還元反応に寄与することは前述したとおりである。

還元室１に合体された電解室８を、その還元室１の外側に環状に形成することにより、電解室８における陽極１２及び陰極１３の面積を大きくでき、より効率的な設備設計が可能になる。なお、ここでは塩化室７で得たＣａＣｌ₂の全量を電解室８へ導入しているが、その一部を導入することも可能である。

なお、本発明での生成金属としては、前記チタンの他に、タングステン、ニオブ、タンタル、クロム、ジルコニウム、ネオジウムを挙げることができる。

本発明の実施形態の基礎となるチタン製造設備の構成図である。本発明の実施形態の基礎となる別のチタン製造設備の構成図である。本発明の第１実施形態を示すチタン製造設備の構成図である。本発明の第２実施形態を示すチタン製造設備の構成図である。本発明の第３実施形態を示すチタン製造設備の構成図である。本発明の第４実施形態を示すチタン製造設備の構成図で立面図である。本発明の第４実施形態を示すチタン製造設備の構成図で平面図である。従来の製造方法のイメージ図である。

符号の説明

１還元室
２分離装置
３スクリュウ
４溶解装置
５一次水冷モールド
６二次水冷モールド
７塩化室
８電解室
９，１０隔壁
１１投入管
１２陽極
１３陰極
１４Ｃａ溜め

Claims

ＣａＣｌ₂を主成分としＣａを含有する溶融塩を保持し、当該溶融塩に投入される金属酸化物を溶融塩中のＣａにより還元して金属を生成する還元室と、溶融塩中に生成した金属を溶融塩から分離する手段と、金属を分離除去された後の溶融塩を保持し、該溶融塩を塩素ガスにより塩化処理して、溶融塩中の副生ＣａＯを塩化する塩化室と、塩化処理された後の溶融塩の一部又は全部を還元反応領域の外で保持し、該溶融塩を電気分解して、ＣａＣｌ₂からＣａ及び塩素を生成する電解室と、該電解室から前記還元室へ生成Ｃａ又は該Ｃａを含有する溶融塩を移送する手段とを具備しており、前記溶融塩が前記還元室、塩化室及び電解室を循環すると共に、前記塩化室は前記還元室と合体した構成である金属製造装置。
ＣａＣｌ₂を主成分としＣａを含有する溶融塩を保持し、当該溶融塩に投入される金属酸化物を溶融塩中のＣａにより還元して金属を生成する還元室と、溶融塩中に生成した金属を溶融塩から分離する手段と、金属を分離除去された後の溶融塩を保持し、該溶融塩を塩素ガスにより塩化処理して、溶融塩中の副生ＣａＯを塩化する塩化室と、塩化処理された後の溶融塩の一部又は全部を還元反応領域の外で保持し、該溶融塩を電気分解して、ＣａＣｌ₂からＣａ及び塩素を生成する電解室と、該電解室から前記還元室へ生成Ｃａ又は該Ｃａを含有する溶融塩を移送する手段とを具備しており、前記溶融塩が前記還元室、塩化室及び電解室を循環すると共に、前記電解室は前記還元室と合体した構成である金属製造装置。
前記電解室の陰極側が前記還元室と一体化している請求項２に記載の金属製造装置。
前記電解室は、陽極側に投入された溶融塩が陰極を経て還元室へ流動可能に構成されている請求項３に記載の金属製造装置。
陰極より還元室側にＣａを液中に滞留させるＣａ溜まりを有する請求項４に記載の金属製造装置。
前記電解室は、筒状に形成された還元室の周囲に環状に形成されている請求項３に記載の金属製造装置。
前記電解室は、陽極を兼ねる外筒と、陰極を兼ね、溶融塩の流通が可能で且つ内側が還元室とされた内筒とを有する請求項６に記載の金属製造装置。