JP4203039B2 - スポンジチタン配合用ホッパーおよびそれを用いた配合方法 - Google Patents

Description

本発明は、クロール法によるスポンジチタン塊から破砕整粒したスポンジチタン粒を、品質均一化のため混ぜ合わせる配合用ホッパーおよびそれを用いたスポンジチタンの配合方法に関するものである。

金属チタンおよびチタン合金の溶解原料に用いるスポンジチタンは、ほとんどの場合、クロール法により製造される。クロール法は原料の酸化チタンを主成分とする鉱石を塩化して四塩化チタンとし、これを精製してからマグネシウムで還元する金属チタンの製造方法である。この還元されたままの金属チタンは海綿状をしており、スポンジチタンと呼称される。

通常、クロール法による還元は、溶融したマグネシウムを入れた不活性ガス雰囲気の密閉容器中に、液状の四塩化チタンを徐々に導入し、約９００℃にて反応させる。反応により生じた溶融塩化マグネシウムは、溶融マグネシウムより重く、しかも相互にほとんど解け合わないことから容器下部に溜まる。一方、金属チタンは、その溶融塩化マグネシウム中に微粒子状になって分散し、そして容器底に沈降していき、相互に融着して海綿状の塊になる。

反応進行により生じた塩化マグネシウムを主とする溶融液は、溜まってくると定期的に容器外に排出され、溶融マグネシウムが少なくなってきた段階で四塩化チタンの導入を止め、反応を停止させる。残ったマグネシウムおよび反応生成融液を排除した後、得られたスポンジチタン塊は約１０００℃の加熱状態にて真空排気され、スポンジ中に残るマグネシウムや塩化マグネシウムが蒸発除去される。

図１は、クロール法によって得られたスポンジチタン塊の破砕工程を説明する図である。上述の反応容器を用いた還元はバッチ作業にて行われ、最近の量産に使用される１０トン規模の反応容器では、得られたスポンジチタン塊は直径約２ｍ、高さは３ｍにも達するものとなる。このスポンジチタン塊は、図１に示すように、まず、Ｍｇ中の不純物を多く含む底部を押切りプレスにて除去し、その後に押切りプレスにて大割りし、次に切断機にてジョークラッシャーなど破砕機にかけるための小割りを行う。

破砕機で粉砕されたスポンジチタン粒は、篩いにかけられ、破砕が不十分なものは、破砕機または切断機に戻されて、再度粉砕される。一方、篩を通ったものは、ロット別にそれぞれ異なったホッパー内に保存される。

鍛圧材とするためのチタン金属または合金は、通常、消耗電極式真空アーク溶解法にてインゴットに溶製される。これには、まずスポンジチタン粒を集めてプレスで加圧圧縮し、コンパクト（またはブリケット）と呼ばれる圧塊を作り、これらコンパクトを溶接して継いで電極を作成し、真空中または不活性ガス中でアーク溶解する。

このコンパクトの成型に用いられるスポンジチタン粒の粒径は、一般的に０．８４〜１２．７ｍｍの範囲に調整されるが、大きい粒と小さい粒とが適度に混合していることが、強固なコンパクトを得るのに好ましいとされている。

ところが、還元反応で得られたスポンジチタン塊は、反応ロット毎に不純物含有量の相違があり、部位によっても不純物量が異なる場合がある。このため、スポンジチタン粒は、ロット毎に各ホッパー別で保存しておき、顧客の要求に応じて適宜これらを配合し、混合して均一化した後、ドラム缶等の容器に分配し、アルゴン（Ａｒ）ガスを封入して出荷される。

不純物として酸素、窒素およびＦｅは、その量が増すと金属チタンを硬くし加工性を劣化させるなど機械的性質に大きな影響を及ぼす。したがって、金属原料のスポンジチタンの製造工程においても、これらの不純物の混入をできるだけ阻止しなければならない。窒素については、高温時の大気との接触を防止すれば混入を抑止でき、Ｆｅについては反応容器からの汚染対策を徹底することにより対処できる。

一方、酸素汚染については、常温での破砕工程でも大気との接触により混入してくる。しかし、チタンは極めて活性な金属であり酸化されやすいが、一般的には、大気中では表面に緻密な酸化膜が形成されると、それ以上の酸化は進展しない。ところが、酸化膜が形成された場合であっても、切断や破砕の際には、破面で新たな金属面が現れ、そこに空気中の酸素が結合する。

また、クロール法によって得られたスポンジチタンは、その表面や網目の間に、還元反応により生じた塩化マグネシウムの残渣がわずかに残留することは避けがたい。塩化マグネシウムは潮解性があり、大気中の湿気を吸収して表面に水分を付着させるので、この吸湿が進んだ状態で溶解がおこなわれると金属中の酸素が増大する結果をもたらす。

このような酸素の汚染を防止するため、特許文献１には、このスポンジチタンの粉砕工程における空気雰囲気を、絶対湿度が１０ｇ−Ｈ₂Ｏ／ｍ³以下、温度が２５℃以下とし、使用する破砕用工具も、この雰囲気下で保存されたものを用いる技術の発明が開示されている。しかし、特許文献１で開示される製造方法によれば、スポンジチタンの粉砕工程の全体を雰囲気調整するための大規模な設備装置が必要となり、この製造方法を実操業に適用することは困難である。

特開平１０−２５９４３２号公報

本発明は、上述したクロール法によって得られたスポンジチタン塊の破砕工程における問題点に鑑みてなされたものであり、還元工程にて得られたスポンジチタン塊を溶解原料等に使用される粒状のスポンジチタン製品とする配合過程における、酸素含有量の増加を効果的に抑止することができるスポンジチタン配合用ホッパーおよびそれを用いたスポンジチタンの配合方法を提供することを目的としている。

本発明は、下記（１）および（２）のスポンジチタン配合用ホッパー、および（３）のスポンジチタンの配合方法を要旨としている。
（１）破砕整粒後のスポンジチタンを品質均一化のため混ぜ合わせる配合過程で用いられる保存用のホッパーであって、前記破砕整粒後のスポンジチタンの投入にともない当該ホッパー内で発生する上昇流を抑制する蓋を上部の投入口に開閉可能に有することを特徴とするホッパーである。
（２）破砕整粒後のスポンジチタンを品質均一化のため混ぜ合わせる配合過程で用いられる保存用のホッパーであって、上部の投入口に外気を遮断しかつ開閉できる蓋を有することを特徴とするホッパーである。

上記（１）、（２）のホッパーは、内部を低湿度の乾燥気体で置換できる機能を有することが望ましい。
（３）上記（１）、（２）のいずれかのホッパーを用い、破砕整粒後のスポンジチタンを投入するとき以外は上部の蓋を閉じ、ホッパー内で発生する上昇流を抑制し、または外気が直接ホッパー内のスポンジチタンに接しないようにすることを特徴とするスポンジチタンの配合方法である。

本発明のスポンジチタン配合用ホッパーによれば、比較的簡単な設備およびその操作で、溶解原料等に使用される粒状スポンジチタンの品質均一化のために混ぜ合わせる配合過程での酸素汚染を大きく低減させることができる。これにより、大規模な設備装置を必要とせず、さらに多大な製造コストの増大を招くことなく、品質が安定したスポンジチタンを配合することができる。

加工素材として用いられる金属チタンを硬くし、加工性を劣化させる不純物の酸素は、その製造工程において、常に増加する傾向があるので、溶解原料等に使用される粒状スポンジチタンに関しても、できるだけ混入を少なくして製造する必要がある。

本発明者は、破砕して粒状とし顧客要求に応じて配合したスポンジチタン製品における酸素量が、還元反応容器から取り出した直後のスポンジチタン塊で分析した酸素量に比し、大幅に増大しているという問題の対処に種々検討をおこなった。このような酸素量の増加は、製品の酸素量を低位に保持するために、還元直後でのより低酸素のスポンジを多く配合することが必要になり生産性を悪化させる。

前述の通り、スポンジチタン塊の切断から選別、粉砕、整粒、配合、包装といった一連の工程すべてを低湿度の雰囲気とする方法は、量産の場においては大規模な設備が必要で、現実的には実施困難である。そこで、スポンジチタン塊が、粒状のスポンジチタン製品となる各工程で、どの工程にて酸素の汚染が大きいのか調査を実施した。

その結果、酸素増加は切断や粉砕の過程では少なく、篩による整粒後、包装容器に入れるまでの過程において大きいことが明らかになってきた。さらに調査を進めたところ、ホッパーに保存している過程での汚染が著しいことが見出されたのである。

クロール法で製造されたスポンジチタンは、金属であることもあって靱性が高く、岩石などと比較すれば極めて粉砕しにくいことはよく知られている。粒状のスポンジチタンにする最終の破砕機には、一般にジョークラッシャーなどが用いられるが、１パスでは粉砕しきれないスポンジチタンは篩にかけ、再度、破砕機に供給される。このように繰り返し破砕機を通過すると温度が次第に上昇してくる。特に大きな反応容器で製造されたスポンジチタン塊は、より硬くなっていて粉砕が困難であり、繰り返し回数が多くなるため、粉砕直後の温度は８０℃以上にも達していた。

図２は、従来から配合過程で用いられるホッパーの構造を説明する断面の模式図である。保存用のホッパーは、その構造概念を図２に模式的に示すように、上部から粒状スポンジチタン２を投入して内部に保持しておき、下部のフィーダー３にて、所要量をコンベア４上に切り出す装置である。不純物組成や粒度の異なる粒状スポンジチタンが保持されたこのようなホッパーを、同一コンベア上に複数配置し、それぞれのホッパーから切り出されたスポンジチタン粒を、混ぜ合わせ機に運び均一に混合する。

スポンジチタン粒がホッパーに投入されてから切り出されるまでの間は、生産状況により種々異なるが、平均すると１日以上経過していることになる。この保持される時間と、酸素量の増加との関係を調べてみると、温度の上がったスポンジチタンを投入した直後に酸素量の増加が大きく、温度が下がってくると保持時間が長くなっても酸素汚染はそれほど進まない。

粉砕後、直ちに篩にかけられた粉砕粒が温度の高いままホッパー内に投入されると、それにともなってホッパーは煙突のような作用（煙突効果）を発揮し、ホッパー内部に上昇流が発生し、ホッパーの上部側で放熱が行われるようになる。このとき、下部から多くの空気が取り込まれ、粉砕粒の間を通過していくので、その間に大量の空気に曝されることになり、それによって吸湿が進行して酸素量の増加を来すことが推定される。

通常、ホッパーの上部は、投入されるスポンジチタン粒のため、常時、開口状態になっている。そこで、上述のような見地から、蓋を取り付け、スポンジチタン粒を投入するときだけ開け、それ以外は常時蓋をした状態にして酸素量の増加を調べたところ、後述する実施例で示すように、蓋を取り付けることにより上昇流の発生が抑制でき、または外気が直接ホッパー内のスポンジチタンに接しないようにできることから、酸素の増加量を大幅に低減できることがわかった。

さらに、蓋をした状態でホッパー内部に乾燥空気、窒素、あるいはアルゴンなどを導入し、通常の大気と置換してみた結果、酸素量の増加はより一層減少することが明らかになった。

以上のような検討結果に基づき、さらに効果の限界を明確にして、本発明を完成させた。本発明は、粉砕整粒後のスポンジチタン粒を品質均一化のため混ぜ合わせる配合過程で保管に用いるホッパーに関するものであり、上部の投入口に外気を遮断しかつ開閉できる蓋を有するホッパーとそれを用いた配合方法である。

図３は、本発明のホッパーの構造を説明する断面の模式図である。ホッパー容器１の上部のスポンジチタン投入口に、開閉できる蓋５を設置する。蓋５は扉のように開閉するものや襖のようにスライドさせるものなど、ホッパー１にスポンジチタン２を投入するときは開放でき、それ以外は閉じることができるのであれば、どのような形式であってもよい。また、ホッパー１内を多量の空気が流通することを阻止できるのであれば、完全に密閉されるものでなくてもよい。このようにホッパー１内を大気が通過し難いようにすることにより、スポンジチタン塊の粒への破砕工程における酸素量の増加を大幅に低減することができる。

図３に示すように、蓋５を取り付けたホッパー１にて、蓋５を閉じた後、例えば、ホッパー容器１に取りつけたガス導入排出口６を通じて、低湿度の乾燥気体で置換できるようにすれば、酸素量の増加はより一層抑制される。ここで、乾燥気体とは水蒸気で０．８６％以下、または１ｍ³の気体中にＨ₂Ｏが６．９ｇ以下の乾燥空気、または露点が５℃以下の窒素、アルゴン等の不活性ガスを例示することができる。

破砕直後のスポンジチタンは温度が上がっていることが多く、温度の高い状態でホッパー内にあるとき酸素増加が大きいので、ホッパーへ投入後できるだけ速やかに蓋を閉め、ホッパーへ投入すると同時に乾燥気体を封入して置換をおこなうことが好ましい。

繰り返し粉砕によりホッパー投入直後にて約８５℃まで上昇した、平均粒径８．０ｍｍのスポンジチタン粒を対象に、各種のホッパーを用いてその効果を比較した。従来の蓋のないホッパー、蓋を取り付けたホッパー、および蓋を取り付けてさらに露点−２０℃以下のＡｒガスにて内部を置換したホッパーを用い、整粒後ホッパー投入前に採取したもの、１５時間後切り出されたものおよび３０時間後のものの酸素分析をおこなった。これらの結果を表１に示す。

表１の結果が示すように、従来の蓋のないホッパーの場合、１５時間後では４０ｐｐｍ、３０時間後では４５ｐｐｍと増加している。これに対し、本発明の蓋を取り付けたホッパーでは、スポンジチタンを投入後直ちに蓋をすると、１５時間後で１０ｐｐｍ、３０時間後で１２ｐｐｍというように酸素増加が大幅に抑制できることが分かる。さらに、窒素ガスにて置換をおこなえば、さらに酸素量を減少できることが明らかである。

本発明のスポンジチタン配合用ホッパーによれば、比較的簡単な設備およびその操作で、溶解原料等に使用される粒状スポンジチタンの品質均一化のために混ぜ合わせる配合過程でのる酸素汚染を大きく低減させることができる。これにより、大規模な設備装置を必要とせず、さらに多大な製造コストの増大を招くことなく、品質が安定したスポンジチタンを配合することができるので、スポンジチタンの製造方法として広範に利用することができる。

クロール法によって得られたスポンジチタン塊の破砕工程を説明する図である。 従来から配合過程で用いられるホッパーの構造を説明する断面の模式図である。 本発明のホッパーの構造を説明する断面の模式図である。

符号の説明

１ ホッパー容器
２ スポンジチタン粒
３ フィーダー（切り出し装置）
４ コンベア
５ 蓋
６ 雰囲気ガス導入排出口

Claims (4)

1. 破砕整粒後のスポンジチタンを品質均一化のため混ぜ合わせる配合過程で用いられる保存用のホッパーであって、前記破砕整粒後のスポンジチタンの投入にともない当該ホッパー内で発生する上昇流を抑制する蓋を上部の投入口に開閉可能に有することを特徴とするホッパー。
2. 破砕整粒後のスポンジチタンを品質均一化のため混ぜ合わせる配合過程で用いられる保存用のホッパーであって、上部の投入口に外気を遮断しかつ開閉できる蓋を有することを特徴とするホッパー。
3. 内部を低湿度の乾燥気体で置換できる機能を有することを特徴とする請求項１または２に記載のホッパー。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のホッパーを用い、破砕整粒後のスポンジチタンを投入するとき以外は上部の蓋を閉じ、ホッパー内で発生する上昇流を抑制し、または外気が直接ホッパー内のスポンジチタンに接しないようにすることを特徴とするスポンジチタンの配合方法。
   

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