JP4537727B2 - スポンジチタンの製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、スポンジチタンの製造方法及び装置に係り、特に、従来技術に比してスポンジチタンを効率よく製造する技術に関する。

クロール法によってスポンチタンを製造する場合には、反応容器内に溶融マグネシウムを供給し、次いで、溶融マグネシウムの浴面上に液状の四塩化チタンを供給して、還元反応を行う。

上記還元反応の進行に伴い、スポンジチタンが順次生成し、このスポンジチタンが反応容器の底部に沈降して堆積するとともに、その一部は反応容器の内壁に析出して、付着する。反応容器の底部に堆積したスポンジチタンは、時間の経過とともに鉛直方向に成長し、その途中で反応容器の内壁で成長したものと合体し、スポンジチタン塊が生成される。

即ち、四塩化チタンは、反応容器の上方からその内部に滴下され、反応容器内部に予め供給された溶融マグネシウムの浴面近傍で反応し、チタンに還元される。この還元反応により生成したチタン粒は、上述のように相互に合体し、スポンスポンジチタン塊を形成する。

このような還元反応においては、四塩化チタンと溶融マグネシウムとの反応は発熱反応である。このため、この反応進行に伴い、反応領域とその近傍の温度が著しく上昇する。従って、上記反応領域近傍においては、反応容器を外部から空気等を送って強制的に冷却することが一般に行なわれている。

しかしながら、反応容器の冷却に供された空気等が、反応容器の、上記反応領域近傍よりも下方に供給される場合があり、このような場合には、本来加熱されるべき反応容器の部分までが冷却されるため、好ましくない。また、従来技術においては、このような強制冷却用の空気等も十分利用されないまま系外に排出され、反応容器を効率よく冷却することが困難であった。従って、反応容器の反応領域近傍を効率よく冷却できる方法及び装置の開発が要請されていた。

このようなスポンジチタンの製造装置としては、溶融マグネシウムに四塩化チタンを滴下してスポンジチタンを製造する装置において、下部に加熱装置を設けるとともに内部に隔壁を設けて炉内を上下にわたって２部分或いはそれ以上に区分し、しかも隔壁間には冷却又は加熱するための空隙部を設けた装置が提案されている（特許文献１参照）。また、このような製造装置に用いられる還元炉としては、互いに隣り合う発熱ゾーンの間に遮熱板を設け、この遮熱板により、隣り合う熱影響を防ぎ、各ゾーンの温度調整をするようにし、中間の発熱ゾーンの各発熱線の発熱量を他のものより小さくした還元炉が提案されている（特許文献２参照）。

特公昭３２−２３５６号公報 特開２００１−７６８５４号公報

しかしながら、上記特許文献１，２においては、還元炉の一部に冷却ゾーンを設ける形式等の、還元炉に対する効率的な冷却手段に関する記載は全く見当たらず、これらの従来技術は、反応容器の反応領域近傍を効率よく冷却できるものであるとはいえない。

よって、本発明は、上記要請に鑑がみてなされたものであり、クロール法によるスポンジチタンの製造工程において、特に、従来技術と同量のスポンジチタンを製造するにあたり、そのスポンジチタンの生成所用時間の短縮と使用電力量の低減とを図ることより、還元反応を効率よく行わせることができるスポンジチタンの製造方法及び装置を提供することを目的としている。

発明者等は、上記実情に鑑みて鋭意検討を重ねたところ、反応容器内でマグネシウムを用いて四塩化チタンを還元することによりスポンジチタンを生成するにあたり、反応容器の全体を還元炉によって加熱するとともに、反応容器のうち、その内部に供給された四塩化チタンとマグネシウムとが接触して反応する部位近傍を冷却することにより、上記課題を効果的に解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明のスポンジチタンの製造方法は、反応容器内でマグネシウムを用いて四塩化チタンを還元するスポンジチタンを製造するにあたり、上記反応容器の外周全体を還元炉によって加熱するとともに、上記反応容器のうち、少なくともマグネシウムと四塩化チタンとが接触する反応領域近傍を冷却することを特徴としている。

このようなスポンジチタンの製造方法においては、上記反応容器と上記還元炉との間に形成された空間に仕切板を設けるとともに、上記空間のうち、上記仕切板よりも上方部に冷却媒体を流通させることが望ましい。

次に、本発明のスポンジチタンの製造装置は、上記スポンジチタンの製造方法を好適に実施するためのものであって、反応容器と、反応容器の外周全体を加熱する還元炉とを備え、反応容器内でマグネシウムを用いて四塩化チタンを還元するスポンジチタンの製造装置において、反応容器と還元炉との間に形成された空間部のうち反応領域近傍に反応容器と当接するように鉛直方向に摺動可能な厚み５〜２０ｍｍのステンレス鋼製の仕切り板を設けて、仕切り板の下方は塩化マグネシウムの融点以上に保持するとともに、還元炉のうち、仕切り板よりも上方に、冷却媒体の導入口および排出口を配設して冷却用空気を供給して反応域の温度を９００〜１０５０℃に制御するように構成したことを特徴としている。

このようなスポンジチタンの製造装置においては、上記仕切板の配設位置が、鉛直方向において、上記反応領域近傍であることが望ましく、また、上記仕切板を、鉛直方向において複数設けた場合には、一層望ましい。

本発明によれば、上記製造方法及び装置によって、反応容器の反応領域に対応した部位を効率よく冷却することができる。このため、反応容器内の反応領域への四塩化チタンの滴下速度を下げることなく、還元反応終了時まで四塩化チタンの滴下速度を維持することができる。その結果、特に、従来技術と同量のスポンジチタンを製造するにあたり、そのスポンジチタンの生成所用時間の短縮と使用電力量の低減を図ることができ、スポンジチタンを効率よく製造することができる。

以下に、本発明の好適な実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明のスポンジチタンの製造装置を示す側面図であり、図中符号１は還元炉、２は反応容器、３は容器蓋、４は仕切板、５は炉壁、６は冷却ガス導入口、７は冷却ガス排出口、そしてＳは空間である。

図１に示すように、本発明のスポンジチタンの製造装置は、還元炉１の内部に反応容器２が配設されており、反応容器２の上部には容器蓋３が取り付けられている。また、還元炉１と反応容器２との間には、空間Ｓが形成されており、この空間Ｓは、仕切板４により上下に仕切られている。さらに、還元炉１の炉壁５には、鉛直方向において仕切板４よりも上方に、２つの冷却ガス導入口６と１つの冷却ガス排出口７とが形成されている。

以上のような装置の構成の下、本発明のスポンジチタンの製造方法の具体的実施形態について説明する。
先ず、容器蓋３を反応容器２から取り外した状態で、反応容器２に溶融マグネシウムを供給する。次いで、容器蓋３を反応容器２に取り付け、容器蓋３の塩化チタン供給部３ａから塩化チタンを滴下し、四塩化チタンを反応容器２に供給する。この際、溶融マグネシウムの浴面上では、この溶融マグネシウムによって四塩化チタンが還元され、スポンジチタンと塩化マグネシウムとが生成する。生成した塩化マグネシウムは、溶融マグネシウムよりも比重が大きいため、溶融マグネシウム中を沈降する。一方、生成したスポンジチタンは、その一部が反応容器２の底部に沈降して堆積するとともに、他の一部は反応容器２の内壁に析出する。そして、これらの堆積部と析出部との双方が成長し、それぞれが一定の大きさになった際に合体してスポンジチタン塊が生成される。

なお、上記還元反応により生じた塩化マグネシウムは、生成後に外部に抜き出さねばならない。この際には、容器蓋３の不活性ガス供給３ｂから例えばアルゴンガスを注入することで、反応容器２内の圧力を高め、この状態で、図示しない排出口から、塩化マグネシウムを反応容器２の外部、ひいては、還元炉１の外部に排出する。

このような一連の還元反応等を実施するに際し、従来技術に比して効率よくスポンジチタンを製造することが本発明の目的である。このような事情に鑑み、本発明では、反応容器２の内部で溶融マグネシウムと四塩化チタンとの反応領域に対応した反応容器２の部位を効率よく冷却することとしている。よって、このために、反応容器２と還元炉１の間に形成された空間Ｓに仕切板４を設け、四塩化チタンとマグネシウムとの反応領域に相当する反応容器２の部位を限定的に冷却できるようにした。この仕切板４は、例えば、還元炉１内に反応容器２を挿入する前に、図１における反応容器２の下方から上方に向けて、反応容器２に外周から嵌合させるように取り付けるものとすることが好ましい。この際、同図に示すように、反応容器２は下方に幾分先細りの形状となっているため、ある一定の鉛直方向部分において反応容器２と仕切板４とが嵌合する。このような仕切板４の取り付け態様は、本発明の一例にすぎず、他の好適な方法も採用することができることはいうまでもない。

上述のように、反応容器２と仕切板４との嵌合がなされた後、仕切板４付きの反応容器２を還元炉１内に挿入する。このため、反応容器２のうち、仕切板４よりも上方に位置する、溶融マグネシウムと四塩化チタンとが接触する反応領域近傍を外部から冷却することができる。一方、反応容器２のうち、仕切板４よりも下方に位置する、本来加熱されるべき領域は好適に加熱することができる。従って、反応容器２内の反応領域への四塩化チタンの滴下速度を還元反応終了時まで下げずに維持することができる。その結果、スポンジチタンの生成所用時間の短縮と使用電力量の低減とを図ることができ、従来技術に比して、スポンジチタンを効率よく製造することができる。

このような仕切板４は、上記冷却空気排出口７よりも下方に設けることが好ましく、更には、冷却空気排出口７の直下に設けることが好ましい。このように、冷却空気排出口７の直下に仕切板４を設けることで、反応容器２の下方に位置する加熱ゾーンへの温度低下を防止することができることはもちろんのこと、反応領域近傍を効率的に冷却することができる。

また、仕切板４の材質は、１０００℃近傍の高温に耐えるものであれば特に制限されるものではなく、比較的入手しやすい炭素鋼等で構成することができる。但し、長期に亘り使用すると、スケールの発生によって腐食減耗するおそれがあるので、ステンレス鋼で構成することが好ましい。さらに、仕切板４の厚みは、高温強度に鑑みて適宜選択することができるが、５〜２０ｍｍの範囲で選択することが好ましい。即ち、仕切板４の厚みを５ｍｍ未満とした場合には、高温使用時に仕切板４が変形するおそれがある一方、２０ｍｍを超えるものとした場合には、コストが割高となるのみならず、重量増加に伴い、使用時に仕切板４と反応容器２との嵌合が解除されるおそれがあり、好ましくない。

さらに、仕切板４の内側は、還元炉１及び反応容器２と当接するように構成することが好ましい。このように構成することで、仕切板４と還元炉１との隙間、及び仕切板４と反応容器２との隙間の双方から、冷却用空気が漏れることがない。この際には、反応容器２の加熱ゾーンの温度低下を防止することができ、効率よくスポンジチタンを製造することができる。なお、仕切板４は、１枚でもよいが、図１の鉛直方向に複数箇所に設けてもよい。複数の仕切板４を設けることで、より効率的に反応容器２内の上部の冷却及び下部の加熱を促進させることができる。

また、還元反応で副生する塩化マグネシウムは、上述したように、溶融状態で定期的に反応容器２の外部に抜き出すことが必要となる。このため、上記反応領域よりも下方にある部位は、塩化マグネシウムの融点以上に加熱しておくことが好ましい。このような観点からも本発明に用いる仕切板４は反応領域を限定的に冷却することができるため、効果的である。

加えて、反応容器２内で進行する溶融マグネシウムと四塩化チタンとの反応領域は、図１に示す鉛直方向において、還元反応開始から終了まで一定ではなく、操業条件によっても変動するおそれがある。このような状況に柔軟に対処するためには、冷却すべき還元反応領域が変動しても、それに応じて冷却位置を変更できるようにしなければならない。このように、操業中に冷却位置を変更する態様を実現するためには、例えば、反応容器２と仕切板４とを完全に勘合させず、状況に応じて、仕切板４を反応容器２に対して摺動可能とし、仕切板４の鉛直方向位置を無段階に調整可能とすることが望ましい。この態様は、例えば、反応容器２の形状を図１に示す下方に先細りした形状とするのではなく、円筒形とすることで実現可能である。

以上は、本発明のスポンジチタンの製造技術の骨子であるが、以下に、そのより好適な実施形態を説明する。
冷却空気導入口６は、一箇所設けることで本発明の目的を達成することができるが、図１に示すように複数箇所に設けることもできる。このように、鉛直方向に複数の冷却空気導入口６を設けることで、反応容器２を一層効率よく冷却することができる。

また、それぞれの冷却空気導入口６から導入する空気量を調整することで、精度よく反応容器２反応領域を冷却することができる。更には、冷却空気導入口６と冷却空気排出口７とを１組として、これを炉壁５の仕切板４よりも上方に複数箇所設けることもできる。このような構造を採用することで、より精密に反応容器２の反応領域を効率よく冷却することができる。

さらに、冷却空気導入口６より導入された冷却用空気は、反応容器２と直交するように供給することもできるが、図１の水平方向と斜交する方向に供給してもよい。このように冷却用空気を供給することで、反応容器２の周囲を冷却用空気が好適に循環し、冷却用空気による効率よい冷却が実現される。また、冷却用空気は、室温のまま導入してもよいが、冷却装置に予め通過させておいてもよい。このように冷却用空気を予備的に冷却しておくことで、反応容器２を効率よく冷却することができる。更に、冷却用空気に一部水のミストを混入させてもよい。水ミストを混入させた場合には、より効率よく反応容器２を冷却することができる。

次に、反応容器２は、通常炭素鋼で構成されるが、高純度チタンを製造する場合には、反応容器２の内側を高純度鉄で内張りしたクラッド鋼で構成することが望ましい。また、炉壁５に組み込まれたヒーターは、還元反応に適した温度領域まで反応容器２を加熱するために用いられる。このヒーターは、ブロック単位にできる限り分割してそれぞれのブロック単位ごとに温度制御できるものであることが好ましい。更に、還元炉１のヒーターには、１０００℃近傍温度で長時間加熱に耐え得るニクロム線又はカンタル線等の発熱体を用いることが好ましい。

このような反応容器２と還元炉１とを用いて行なう、溶融マグネシウムと四塩化チタンとの反応は発熱反応である。このため、四塩化チタンの供給速度を高めていくと、反応容器２内では、反応領域の温度が上昇する。この反応容器２の反応領域の温度が１０８０℃を超えた場合には、反応容器２内で生成した金属チタンと鋼又はステンレスからなる反応容器２とが合金を形成し、反応容器２を溶損させるおそれがある。このため、反応領域の温度は、金属チタンと鉄との共晶点（１０８０℃）を超えないように制御することが重要である。従って、反応領域の温度は９００〜１０５０℃の範囲に制御することが好ましい。

〔実験例１〕
以下に、本発明の作用効果を本発明例と比較例とにより明らかにする。
＜本発明例＞
図１に示す、仕切板４を設けた本発明のスポンジチタンの製造装置を用いて、冷却用空気を供給することにより、反応容器２の反応領域を強制冷却しつつ、溶融マグネシウムを予め供給した反応容器２内に四塩化チタンを滴下して、７ｔのスポンジチタンを製造した。その結果、還元反応完結までに要した時間は、６５時間であった。

＜比較例＞
上記本発明例の態様において、仕切板４を設けない以外は同じ装置を使用し、また条件を採用して７ｔのスポンジチタンを製造した。その結果、還元反応完結までに要した時間は、６７時間であった。また、反応容器２の下部を加熱するために要した電力量は、上記本発明例に比べて３０％増加していた。従って、本発明例の装置及び方法を用いることにより、還元反応時の所要時間の短縮と使用電力の低減とを図ることができ、この結果、スポンジチタンを効率よく製造することができることが判明した。

本発明で開示したスポンジチタンの製造方法及び装置は、クロール法によるスポンジチタンの製造技術に適用でき、特に、従来技術と同量のスポンジチタンを製造するにあたり、そのスポンジチタンの生成所用時間の短縮と使用電力量の低減を図ることができる。このため、本発明は、今後益々還元時間の短縮や使用電力の低減が要請させる、チタン精錬等の各種金属関連産業において有用である。

本発明のスポンジチタンの製造装置を示す側面図である。

符号の説明

１ …還元炉
２ …反応容器
３ …容器蓋
３ａ…塩化チタン供給部
３ｂ…不活性ガス供給部
４ …仕切板
５ …炉壁
６ …冷却ガス導入口
７ …冷却ガス排出口
Ｓ …空間

Claims (1)

1. 反応容器と、前記反応容器の外周全体を加熱する還元炉とを備え、前記反応容器内でマグネシウムを用いて四塩化チタンを還元するスポンジチタンの製造装置において、前記反応容器と前記還元炉との間に形成された空間部のうち反応領域近傍に前記反応容器と当接するように鉛直方向に摺動可能な厚み５〜２０ｍｍのステンレス鋼製の仕切り板を設けて、前記仕切り板の下方は塩化マグネシウムの融点以上に保持するとともに、前記還元炉のうち、前記仕切り板よりも上方に、冷却媒体の導入口および排出口を配設して冷却用空気を供給して反応域の温度を９００〜１０５０℃に制御するように構成したことを特徴とするスポンジチタンの製造装置。
   

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