JP5526207B2 - Titanium metal production method and titanium metal obtained using this method - Google Patents
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Description
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１１年９月３０日に出願した中国特許第２０１１１０２９３６５７．８号、表題「金属チタンの製造方法およびこの方法を用いて得られた金属チタン（Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｅｔａｌｌｉｃ Ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｎｄ Ｍｅｔａｌｌｉｃ Ｔｉｔａｎｉｕｍ Ｏｂｔａｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ Ｍｅｔｈｏｄ）」の優先権を主張し、この出願は、参照によって具体的かつ全体的に組み込まれる。
(Cross-reference of related applications)
The present application is Chinese Patent No. 2011102953657.8 filed on September 30, 2011, titled “Method of producing titanium metal and metal fortitanium and metal titanium obtained using this method (Metal for Production of Metallic Titanium and Metallic Titanium Obtained). with the Method), which application is specifically and entirely incorporated by reference.
本発明は、金属チタンの製造方法およびこの方法を用いて得られた金属チタンに関する。 The present invention relates to a method for producing titanium metal and titanium metal obtained by using this method.
チタンおよびチタン合金は、密度が小さく、比強度が高く、耐熱性および耐冷性が高く、耐腐食性が高く、生体適合性が顕著であるなどの利点があり、そのため、「将来性のある金属」、「空間的な広がりがある金属」、「海上用金属」として重宝されている。 Titanium and titanium alloys have advantages such as low density, high specific strength, high heat and cold resistance, high corrosion resistance, and remarkable biocompatibility. ”,“ Spatial metal ”and“ Marine metal ”.
チタンは、レアメタルの一種に属しているが、実際には、地殻中のチタン元素埋蔵量は７番目であり（０．４５ｗｔ％）、多くの一般的な金属よりも埋蔵量はかなり多い。
チタンが活性な性質をもつため、精錬プロセスに求められる要件事項は非常に厳格であり、したがって、チタンを大量に製造することは困難である。
したがって、チタンは、「レア」金属材料に分類される。
現時点で、世界で一般的な唯一の金属チタンの工業的な製造プロセスは、クロール法であり、このプロセスは、酸化チタンから塩化チタンを製造することと、マグネシウム還元減圧蒸留と、生成物の後処理と、マグネシウムの電気分解を主に含む手順を含む。
クロール法の利点は、塩素およびマグネシウムの再利用であるが、クロール法の欠点は、プロセスが長いこと、還元効率が低いこと、還元剤が高コストであることであり、したがって、金属チタンの製造コストはきわめて高い。
チタン金属は、航空用途および宇宙用途、軍事用途から民間用途まで、さまざまな工業用途でさらに幅広く使われているため、チタン金属の製造コストを下げるための新しいチタン精錬技術の研究開発は、チタン冶金産業の研究活動で活発な開発分野になってきている。
Titanium belongs to a kind of rare metal, but in fact, the titanium element reserve in the crust is the seventh (0.45 wt%), and the reserve is much larger than many common metals.
Due to the active nature of titanium, the requirements for the refining process are very strict and therefore it is difficult to produce titanium in large quantities.
Titanium is therefore classified as a “rare” metal material.
At present, the only industrial production process of titanium metal common in the world is the crawl method, which produces titanium chloride from titanium oxide, magnesium reduction vacuum distillation, and after the product Treatment and a procedure mainly including electrolysis of magnesium.
The advantage of the chlor method is the recycling of chlorine and magnesium, but the disadvantages of the chlor method are that the process is long, the reduction efficiency is low, and the reducing agent is expensive, thus producing titanium metal Cost is very high.
Titanium metal is used in a wider range of industrial applications, from aviation and space applications, military applications to civilian applications, so the research and development of new titanium refining technology to lower titanium metal manufacturing costs It has become an active development field through industrial research activities.
今日まで、チタンを製造するための溶融塩電解プロセスは、クロール法に代わる最も有望なプロセスであるとされている。
溶融塩電解プロセスは、通常は、ＴｉＯ２溶融塩電解、ＴｉＣｌ４溶融塩電解、ＴｉＯ２の炭素熱還元生成物の溶融塩電解を含む。
To date, the molten salt electrolysis process for producing titanium is considered the most promising alternative to the crawl process.
The molten salt electrolysis process typically includes TiO 2 molten salt electrolysis, TiCl 4 molten salt electrolysis, molten salt electrolysis of the carbothermal reduction product of TiO 2 .
典型的なＴｉＯ２溶融塩電解は、ＦＦＣケンブリッジプロセスであり、すなわち、固体ＴｉＯ２をカソードとして用い、グラファイトをアノードとして用い、ＣａＣｌ２を電解質として用い、印加される外部電圧が、溶融塩の分解電圧よりも低いとき、カソード上の酸素が、イオンの形態で電解質に入り、アノードに拡散し、炭素と結合してＣＯ２ガスまたはＣＯガスを発生し、これがアノードから拡散するが、一方、カソードでは金属チタンが維持されている。
従来の溶融塩電解プロセスとは異なり、ＦＦＣプロセスは、金属チタンと酸素を分離し、チタンを得る革新的なプロセスであり、環境に優しく、プロセスが単純であり、連続生産であるなどの利点がある。
しかし、今日までに、ＦＦＣプロセスは、実験室でのみうまく実行されているが、主に、ＦＦＣプロセスが、以下の問題をもつため、工業生産にはうまく適用されていない。
ＴｉＯ２カソードの比抵抗が大きく、したがって、安定な電気分解を達成することが難しく、カソード（ＴｉＯ２）中のあらゆる不純物がチタンの中に残り、そのため、得られた生成物をさらに精製しなければならず、結果として、金属チタンの製造コストが高くなりすぎる。
A typical TiO 2 molten salt electrolysis is the FFC Cambridge process, ie using solid TiO 2 as the cathode, graphite as the anode, CaCl 2 as the electrolyte, and the applied external voltage is the decomposition of the molten salt. When lower than the voltage, oxygen on the cathode enters the electrolyte in the form of ions, diffuses to the anode, combines with carbon to generate CO 2 gas or CO gas, which diffuses from the anode, while the cathode Then, metal titanium is maintained.
Unlike the conventional molten salt electrolysis process, the FFC process is an innovative process that separates titanium metal and oxygen and obtains titanium, and has advantages such as environmental friendliness, simple process, and continuous production. is there.
To date, however, the FFC process has been successfully performed only in the laboratory, but mainly has not been successfully applied to industrial production because the FFC process has the following problems.
The specific resistance of the TiO 2 cathode is large and therefore it is difficult to achieve stable electrolysis, and any impurities in the cathode (TiO 2 ) remain in the titanium, so the resulting product must be further purified. As a result, the production cost of titanium metal is too high.
典型的なＴｉＣｌ４溶融塩電解は、ジナッタ電気分解プロセスであり、米国、日本、旧ソ連、イタリア、フランス、中国などで長期間にわたる徹底的な研究が行われてきており、いくつかの小さなプラントが構築されてきたが、これらのプラントは、実際の製造では、ダイアフラムの損傷、樹枝状結晶の成長などの問題が生じ、予想した技術指標および経済指標が得られなかったため、後に閉鎖された。 Typical TiCl 4 molten salt electrolysis is a zinetta electrolysis process that has been extensively studied in the US, Japan, the former Soviet Union, Italy, France, China, etc. for several small plants However, these plants were later closed due to problems such as diaphragm damage and dendrite growth in actual manufacturing, and the expected technical and economic indicators could not be obtained.
金属チタンを製造する既存の方法における欠点を克服するために、本発明は、新規金属チタンの製造方法およびこの方法を用いて得られた金属チタンを提供する。 In order to overcome the shortcomings in existing methods of producing metallic titanium, the present invention provides a novel method of producing metallic titanium and metallic titanium obtained using this method.
本発明は、チタン含有材料をアノードとして、金属材料をカソードとして、溶融塩材料を電解質として用いて、電気分解条件で電気分解を行い、金属チタンを得ることを含む、金属チタンの製造方法であって、チタン含有材料は、多孔性構造であり、平均孔径が１ｍｍ〜１０ｍｍ、空隙率が２０％〜６０％、チタン含有材料中のチタン元素の少なくとも一部分が、ＴｉＯｘの形態で存在し、２＞ｘ＞０である、金属チタンの製造方法を提供する。 The present invention is a method for producing metallic titanium, including electrolysis under electrolysis conditions using a titanium-containing material as an anode, a metallic material as a cathode, and a molten salt material as an electrolyte to obtain metallic titanium. The titanium-containing material has a porous structure, the average pore diameter is 1 mm to 10 mm, the porosity is 20% to 60%, and at least a part of the titanium element in the titanium-containing material exists in the form of TiO x , 2 Provided is a method for producing titanium metal in which>x> 0.
本発明は、金属チタンの別の製造方法であって、以下の工程：
（１） 溶融酸化チタンを含有する原材料を炭素質還元剤と接触させ、酸化チタンを含有する原材料中の酸化チタンを完全または部分的にＴｉＯｘ（２＞ｘ＞０）まで還元し、前記ＴｉＯｘの還元生成物を含有する溶融チタンスラグを得る工程、
（２） 工程（１）で得られた前記ＴｉＯｘの還元生成物を含有する溶融チタンスラグを冷却して成形し、チタン含有材料を得る工程であって、この冷却が、チタン含有材料の平均孔径が１ｍｍ〜１０ｍｍであり、空隙率が２０％〜６０％になるように行われる工程、
（３） 工程（２）で得られたチタン含有材料をアノードとして、金属材料をカソードとして、溶融した塩材料を電解質として用いて、電気分解条件で電気分解を行い、金属チタンを得る工程
を含む、方法をさらに提供する。
The present invention is another method for producing titanium metal, which comprises the following steps:
(1) A raw material containing molten titanium oxide is brought into contact with a carbonaceous reducing agent, and titanium oxide in the raw material containing titanium oxide is completely or partially reduced to TiO x (2>x> 0). obtaining a molten titanium slag containing a reduction product of x ,
(2) A step of cooling and shaping the molten titanium slag containing the reduced product of TiO x obtained in step (1) to obtain a titanium-containing material, and this cooling is an average of the titanium-containing material. A process performed such that the pore diameter is 1 mm to 10 mm and the porosity is 20% to 60%;
(3) including a step of obtaining metal titanium by electrolysis under electrolysis conditions using the titanium-containing material obtained in step (2) as an anode, a metal material as a cathode, and a molten salt material as an electrolyte. Further providing a method.
それに加え、本発明は、さらに、上述の製造方法を用いて得られた金属チタンを提供する。 In addition, the present invention further provides titanium metal obtained using the above-described production method.
本願発明者は、チタン含有材料の平均孔径を１ｍｍ〜１０ｍｍに制御し、空隙率を２０％〜６０％に制御すると、チタン含有材料は、アノードとしての要件事項を満たし得、電気分解プロセスで生成する気体（例えば、ＣＯ、ＣＯ２など）がうまく拡散し得、それによって、金属チタンの純度および収率比が非常に高くなるということを発見した。
さらに、酸化チタンの炭素熱還元生成物のための既存の溶融塩電解プロセスは、典型的には、ＭＥＲプロセスであり、すなわち、酸化チタンおよび炭素質還元剤をボールミルで粉砕し、混合し、加圧成形し、焼結してアノードを形成するか、または、酸化チタンおよび炭素質還元剤を混合し、焼結し、次いで、炭素質還元剤およびバインダーと混合し、加圧成形し、焼結して、アノードを形成する。
本願発明者は、このプロセスが複雑であり、得られたアノードが、簡単に粉々になり、アノード製造プロセスで十分にプレス加工された場合ではないときに、使用するための要件事項を満たし得ないことを発見し、一方、アノードにプレス加工をかけ過ぎると、電気分解プロセス中にアノード分極のような深刻な問題が起こり得ることを発見した。
さらに、加圧成形および焼結プロセスによって得られるアノード材料は、通常は、孔径が小さく、空隙率が低く、その結果、電気分解プロセスで生成した気体（例えばＣＯ）を拡散させるのは難しく、そのため、電気分解の効果は満足のいくものではなかった。
対照的に、本発明の好ましい実施形態におけるチタン含有材料の製造方法では、溶融酸化チタンを含有する原材料をまず炭素質還元剤と接触させ、その結果、酸化チタンを含有する原材料中の酸化チタンが完全または部分的に前記ＴｉＯｘに還元され、前記ＴｉＯｘの還元生成物を含有する溶融チタンスラグを得て、次いで、ＴｉＯｘの還元生成物を含有するチタンスラグを冷却して成形し、一方、その様式で、得られた溶融還元生成物を直接冷却して成形し、さらなる処理（すなわち、酸化チタンを含有する原材料および炭素質還元剤を混合し、ボールミルで粉砕し、プレス加工することでアノードを形成し、次いで、焼結すること、または、得られた固体状態の還元生成物およびバインダーの混合物をプレス加工してアノードを形成し、次いで、焼結すること）を行わずにアノードを形成し得るので、このプロセスが単純なものとなる。
他方で、酸化チタンを含有する原材料と炭素質還元剤とを接触させることによって得られる還元生成物は、ＴｉＯ、Ｔｉ２Ｏ３、Ｔｉ３Ｏ５、Ｔｉ４Ｏ７からなる群から選択される１種以上を含んでいてもよく、得られた還元生成物を、接触条件を制御することによって溶融状態になるように制御し、溶融した還元生成物を直接冷却して成形するので、還元生成物は均一な状態であり、それによって、得られたアノードは、均一な組成を有し、電気分解プロセスは安定である。
The inventor of the present application controls the average pore diameter of the titanium-containing material to 1 mm to 10 mm and controls the porosity to 20% to 60%, so that the titanium-containing material can satisfy the requirements as an anode and is generated by an electrolysis process. It has been discovered that the gases (eg, CO, CO 2, etc.) to diffuse can diffuse well, thereby greatly increasing the purity and yield ratio of titanium metal.
Furthermore, the existing molten salt electrolysis process for the carbothermal reduction product of titanium oxide is typically a MER process, i.e., titanium oxide and carbonaceous reducing agent are ground, mixed, and added in a ball mill. Compacted and sintered to form anode, or mixed with titanium oxide and carbonaceous reducing agent, sintered, then mixed with carbonaceous reducing agent and binder, pressed and sintered Thus, an anode is formed.
The inventor cannot meet the requirements for use when this process is complex and the resulting anode is easily shattered and not fully pressed in the anode manufacturing process. On the other hand, it has been discovered that over-pressing the anode can cause serious problems such as anodic polarization during the electrolysis process.
Furthermore, anode materials obtained by pressure forming and sintering processes typically have a small pore size and low porosity, so that it is difficult to diffuse the gas (eg, CO) generated in the electrolysis process, and thus The effect of electrolysis was not satisfactory.
In contrast, in a method for producing a titanium-containing material in a preferred embodiment of the present invention, a raw material containing molten titanium oxide is first contacted with a carbonaceous reducing agent, so that titanium oxide in the raw material containing titanium oxide is obtained. is reduced completely or partly the TiO x, to obtain a molten titanium slag containing reduced product of the TiO x, then molded by cooling the titanium slag containing reduced product of TiO x, whereas In that manner, the resulting smelted reduction product is directly cooled and shaped, and further processed (i.e. mixed raw materials containing titanium oxide and carbonaceous reducing agent, ground in a ball mill, and pressed. Form the anode and then sinter or press the resulting solid state reduction product and binder mixture to form the anode. Then, because it can form an anode without that) sintering, the process becomes simple.
On the other hand, the reduction product obtained by bringing the raw material containing titanium oxide into contact with the carbonaceous reducing agent is selected from the group consisting of TiO, Ti 2 O 3 , Ti 3 O 5 , Ti 4 O 7. One or more kinds may be contained, and the obtained reduction product is controlled to be in a molten state by controlling the contact conditions, and the molten reduction product is directly cooled to be molded, so that reduction production The object is in a uniform state, whereby the resulting anode has a uniform composition and the electrolysis process is stable.
本発明の他の特徴および利点を、以下の実施形態でさらに詳細に記載する。 Other features and advantages of the present invention are described in further detail in the following embodiments.
以下、本発明の実施形態を詳細に記載する。
本明細書に記載の実施形態は、単に、本発明を記述し、説明するためだけに与えられているが、本発明を限定する構成であるとみなすべきではないことを理解されたい。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
It should be understood that the embodiments described herein are provided merely to describe and explain the present invention, but should not be construed as limiting the invention.
本発明で提供される金属チタンの製造方法は、チタン含有材料をアノードとして、金属材料をカソードとして、溶融塩材料を電解質として用いて、電気分解条件で電気分解を行い、金属チタンを得ることとを含み、チタン含有材料は、多孔性構造であり、平均孔径が１ｍｍ〜１０ｍｍ、好ましくは３ｍｍ〜７ｍｍであり、空隙率は２０％〜６０％、好ましくは４０％〜６０％、チタン含有材料中のチタン元素の少なくとも一部分が、ＴｉＯｘの形態で存在し、２＞ｘ＞０である。 The method for producing titanium metal provided by the present invention includes obtaining titanium metal by electrolysis under electrolysis conditions using a titanium-containing material as an anode, a metal material as a cathode, and a molten salt material as an electrolyte. The titanium-containing material has a porous structure, the average pore diameter is 1 mm to 10 mm, preferably 3 mm to 7 mm, and the porosity is 20% to 60%, preferably 40% to 60%. At least a part of the titanium element is present in the form of TiO x , where 2>x> 0.
融合電気分解プロセスは、アノードが溶融塩電解質への特定の溶解度をもたなければならないが、酸化チタンは、溶融塩電解質への溶解性は非常に低いか、またはゼロでさえあるので、アノードとして直接使用し、電気分解によって金属チタンを得ることはできず、したがって、ｘ≠２であることが必要なのは、当業者には公知である。
しかし、価数の低い酸化チタンＴｉＯｘ（２＞ｘ＞０）の溶融塩電解質への溶解度は、電気分解の要求を満たし得る。
さらに、価数の低い酸化チタンＴｉＯｘ（２＞ｘ＞０）は、溶融塩電解のアノードの他の要件事項も満たし得ることが溶融電気分解の原理からわかっている。したがって、ｘの値は、上述の範囲内にある限り、本発明で具体的に限定されない。
The fusion electrolysis process requires the anode to have a certain solubility in the molten salt electrolyte, but titanium oxide has very low or even zero solubility in the molten salt electrolyte, so It is well known to those skilled in the art that it is not possible to use titanium directly by electrolysis and therefore it is necessary that x ≠ 2.
However, the solubility of the low valence titanium oxide TiO x (2>x> 0) in the molten salt electrolyte can satisfy the electrolysis requirements.
Furthermore, it is known from the principle of molten electrolysis that low-valence titanium oxide TiO x (2>x> 0) can satisfy other requirements of the anode of molten salt electrolysis. Therefore, the value of x is not specifically limited in the present invention as long as it is within the above-mentioned range.
本発明において、チタン含有材料中のＴｉＯｘ（２＞ｘ＞０）の含有量は、広範囲の中で選択し、変えることができ、好ましくは、チタン含有材料中のＴｉＯｘの含有量は、電解効果を高めるために、４５ｗｔ％以上であると決定される。 In the present invention, the content of TiO x (2>x> 0) in the titanium-containing material can be selected and varied within a wide range. Preferably, the content of TiO x in the titanium-containing material is In order to enhance the electrolytic effect, it is determined to be 45 wt% or more.
本発明のチタン含有材料の製造方法について、この方法が、平均孔径および空隙率を上述の範囲内に制御し得るのであれば、具体的な限定は定義されておらず、好ましくは、チタン含有材料は、以下の工程：
（１） 溶融酸化チタンを含有する原材料を炭素質還元剤と接触させ、酸化チタンを含有する原材料中の酸化チタンを完全または部分的にＴｉＯｘまで還元し、前記ＴｉＯｘの還元生成物を含有する溶融チタンスラグを得る工程、
（２） 工程（１）で得られた前記ＴｉＯｘの還元生成物を含有する溶融チタンスラグを冷却して成形する工程
を含む製造方法を用いて製造される。
With respect to the method for producing a titanium-containing material of the present invention, if this method can control the average pore diameter and the porosity within the above-mentioned ranges, no specific limitation is defined, preferably the titanium-containing material. The following steps:
(1) the raw materials containing the molten titanium oxide is contacted with a carbonaceous reducing agent, reduced to a fully or partially TiO x the titanium oxide in the raw material containing titanium oxide, containing reduced product of the TiO x A step of obtaining molten titanium slag,
(2) Manufactured using a manufacturing method including a step of cooling and forming molten titanium slag containing the reduced product of TiO x obtained in step (1).
ここで、冷却は、任意の外圧がかからない状態での自然な冷却であることに留意されたい。
冷却条件は、通常は、圧力と冷却速度を含む。
上述の平均孔径と空隙率をもつチタン含有材料を得るために、例えば、冷却は、圧力が０．９×１０５〜１．２×１０５Ｐａ（絶対圧）、冷却速度が１００〜１５０℃／時間で行われる。
Here, it should be noted that the cooling is natural cooling without any external pressure.
The cooling conditions usually include pressure and cooling rate.
In order to obtain a titanium-containing material having the above average pore diameter and porosity, for example, the cooling is performed at a pressure of 0.9 × 10 5 to 1.2 × 10 5 Pa (absolute pressure) and a cooling rate of 100 to 150 ° C. Per hour.
本発明では、上に示すように、溶融酸化チタンを含有する原材料を炭素質還元剤と接触させ、接触条件は、酸化チタンを含有する原材料中のチタン化合物を、価数が低いチタン化合物（０価より大きく、４価より小さい）に還元し、生成物が溶融状態であることを確保するように制御され、その結果、異なる価数状態の還元生成物が相互作用し、均一な状態を得ることができる。
より重要なことには、価数が低いチタンの溶融還元生成物を含有するチタンスラグを冷却して成形した後、得られたチタン含有材料は多孔性の構造であり、この構造は、電気分解プロセスで生成した気体（ＣＯ、ＣＯ２）など）がうまく拡散するように有効に確保し得るので、電気分解の結果が非常に良好である。
In the present invention, as shown above, the raw material containing molten titanium oxide is brought into contact with a carbonaceous reducing agent, and the contact condition is such that the titanium compound in the raw material containing titanium oxide is converted into a titanium compound having a low valence (0 Is controlled to ensure that the product is in a molten state, and as a result, the reduction products in different valence states interact to obtain a uniform state. be able to.
More importantly, after cooling and forming titanium slag containing low-valence titanium smelting reduction products, the resulting titanium-containing material has a porous structure, which is an electrolysis Since the gas generated in the process (CO, CO 2, etc.) can be effectively ensured to diffuse well, the electrolysis results are very good.
本発明では、酸化チタンを含有する原材料と炭素質還元剤とを接触させる目的は、酸化チタンを含有する原材料中の価数が大きいチタンを価数が小さいチタンに還元することであり、価数が低いチタンは、空洞をもち、導体と半導体の間の性質をもつため、導電性がより高く、溶融塩電解質に溶解し得る。
接触条件としては、接触温度、接触圧、接触期間が挙げられ、接触条件は、酸化チタンを含有する原材料中の酸化チタンを価数が低いチタンに還元することができ、価数が低いチタンの還元生成物を含有する溶融チタンスラグを得ることができる限り、適切に決定し得る。
好ましくは、接触は、温度１，６５０〜２，０００℃、圧力−１００Ｐａ〜１００Ｐａ（絶対圧）、２〜１０時間で行われ、さらに好ましくは、接触は、温度１，６５０〜１，７５０℃、圧力−５０Ｐａ〜５０Ｐａ（絶対圧）、３〜５時間で行われる。
これらの条件下で、酸化チタンを含有する原材料中の酸化チタンが完全にまたはほぼ完全に価数の低いチタンへと還元されるだろう。
In the present invention, the purpose of bringing the raw material containing titanium oxide into contact with the carbonaceous reducing agent is to reduce titanium having a high valence in the raw material containing titanium oxide to titanium having a low valence, Titanium, which has a low porosity, has cavities and has properties between a conductor and a semiconductor, and therefore has higher conductivity and can be dissolved in a molten salt electrolyte.
Examples of the contact conditions include contact temperature, contact pressure, and contact period. The contact conditions can reduce titanium oxide in the raw material containing titanium oxide to titanium having a low valence. As long as a molten titanium slag containing a reduction product can be obtained, it can be determined appropriately.
Preferably, the contact is performed at a temperature of 1,650 to 2,000 ° C. and a pressure of −100 Pa to 100 Pa (absolute pressure) for 2 to 10 hours, and more preferably, the contact is performed at a temperature of 1,650 to 1,750 ° C. , Pressure −50 Pa to 50 Pa (absolute pressure), and 3 to 5 hours.
Under these conditions, the titanium oxide in the raw material containing titanium oxide will be reduced completely or almost completely to low valence titanium.
炭素質還元剤の還元性に起因して、炭素質還元剤と酸化チタンを含有する原材料との酸化還元反応が起こったときに、酸化チタンを、単純な物質（例えば、ＴｉＯ、Ｔｉ２Ｏ３、Ｔｉ３Ｏ５、Ｔｉ４Ｏ７からなる群から選択される１種以上）の代わりに、４価より価数が小さい生成物に還元することができる。
融合電気分解プロセスは、アノードが溶融塩電解質への特定の溶解度をもたなければならないが、酸化チタンは、溶融塩電解質への溶解性は非常に低いか、またはゼロでさえあるので、アノードとして直接使用し、電気分解によって金属チタンを得ることはできず、したがって、ｘ≠２であることが必要なのは、当業者には公知である。
しかし、価数の低い酸化チタンＴｉＯｘ（２＞ｘ＞０）の溶融塩電解質への溶解度は、電気分解の要求を満たし得る。
さらに、価数の低い酸化チタンＴｉＯｘ（２＞ｘ＞０）は、溶融塩電解のアノードの他の要件事項も満たし得ることが溶融電気分解の原理からわかっている。
したがって、還元生成物の組成は、酸化チタンを、価数の低いチタン化合物（例えば、ＴｉＯ、Ｔｉ２Ｏ３、Ｔｉ３Ｏ５、Ｔｉ４Ｏ７からなる群から選択される１種以上）に還元する限り、本発明で提供される方法で具体的に限定されない。
When the redox reaction between the carbonaceous reducing agent and the raw material containing titanium oxide occurs due to the reducing property of the carbonaceous reducing agent, the titanium oxide is converted into a simple substance (for example, TiO, Ti 2 O 3 Instead of one or more selected from the group consisting of Ti 3 O 5 and Ti 4 O 7 ), it can be reduced to a product having a valence smaller than tetravalent.
The fusion electrolysis process requires the anode to have a certain solubility in the molten salt electrolyte, but titanium oxide has very low or even zero solubility in the molten salt electrolyte, so It is well known to those skilled in the art that it is not possible to use titanium directly by electrolysis and therefore it is necessary that x ≠ 2.
However, the solubility of the low valence titanium oxide TiO x (2>x> 0) in the molten salt electrolyte can satisfy the electrolysis requirements.
Furthermore, it is known from the principle of molten electrolysis that low-valence titanium oxide TiO x (2>x> 0) can satisfy other requirements of the anode of molten salt electrolysis.
Therefore, the composition of the reduction product is to convert titanium oxide into a low-valence titanium compound (for example, one or more selected from the group consisting of TiO, Ti 2 O 3 , Ti 3 O 5 , and Ti 4 O 7 ). As long as it reduces, it does not specifically limit by the method provided by this invention.
本発明では、酸化チタンを含有する原材料中のチタン化合物と、炭素質還元剤中の炭素との量比は、広い範囲で変えることができ、例えば、酸化チタンで計算した場合、酸化チタンを含有する原材料中のチタン化合物と炭素質還元剤中の炭素とのモル比は、１：１〜３であり得る。
さらに、酸化チタンを含有する原材料が通常は他の還元性物質（例えば、鉄イオンなど）を含んでいるため、炭素質還元剤の実際の量は、還元結果をさらに向上させるために、所望の量よりもわずかに多いことが多く、好ましくは、酸化チタンで計算する場合、酸化チタンを含有する原材料中のチタン化合物と、炭素質還元剤中の炭素とのモル比は１：１．５〜３であり、さらに好ましくは１：１．５〜２．５である。
In the present invention, the amount ratio of the titanium compound in the raw material containing titanium oxide and the carbon in the carbonaceous reducing agent can be varied within a wide range. For example, when calculated with titanium oxide, the titanium oxide is contained. The molar ratio of the titanium compound in the raw material to be used and the carbon in the carbonaceous reducing agent may be 1: 1 to 3.
Furthermore, since the raw materials containing titanium oxide usually contain other reducing substances (eg, iron ions, etc.), the actual amount of carbonaceous reductant is desired to further improve the reduction results. Often slightly more than the amount, preferably when calculated with titanium oxide, the molar ratio of titanium compound in the raw material containing titanium oxide to carbon in the carbonaceous reducing agent is from 1: 1.5 to 3, more preferably 1: 1.5 to 2.5.
本発明では、酸化チタンを含有する原材料は、任意の既存の酸化チタンを含有する材料であり得、例えば、酸化チタンを含有する材料は、チタン濃縮物および／またはチタン含有スラグであり得る。
チタン濃縮物は、イルメナイトまたはチタン磁鉄鉱から精錬され、主に、酸化チタン（４２〜６５ｗｔ％）、三二酸化鉄（５〜４０ｗｔ％）、酸化鉄（５〜４０ｗｔ％）、リン、硫黄、マグネシウム、カルシウム元素の数種の化学化合物（２〜１０ｗｔ％）を含有する。
チタン含有スラグは、他の価値が高い金属がチタン含有鉱物から抽出されたときに生成されスラグを指し、主に、酸化チタン（１５〜３０ｗｔ％）、酸化カルシウム（１０〜２５ｗｔ％）、酸化アルミニウム（１０〜２０ｗｔ％）、酸化ケイ素（１０〜２８ｗｔ％）を含有する。
In the present invention, the raw material containing titanium oxide can be any existing titanium oxide-containing material, for example, the material containing titanium oxide can be a titanium concentrate and / or a titanium-containing slag.
Titanium concentrates are refined from ilmenite or titanium magnetite and mainly contain titanium oxide (42-65 wt%), iron sesquioxide (5-40 wt%), iron oxide (5-40 wt%), phosphorus, sulfur, magnesium, Contains several chemical compounds (2-10 wt%) of elemental calcium.
Titanium-containing slag refers to slag produced when other valuable metals are extracted from titanium-containing minerals. Mainly titanium oxide (15-30 wt%), calcium oxide (10-25 wt%), aluminum oxide (10 to 20 wt%) and silicon oxide (10 to 28 wt%).
本発明では、炭素質還元剤は、酸化チタンを含有する原材料中の酸化チタンを価数が低いチタン化合物（例えば、三価および二価のチタン化合物）に還元することができるのであれば、任意の既存の炭素質還元剤であり得る。
例えば、炭素質還元剤は、無煙炭、軟炭、木炭、コークス、精錬コークスからなる群から選択される１種以上であり得る。
無煙炭は、炭化度が最も高い石炭であり、炭素含有量が高く（８０ｗｔ％以上）、揮発性物質の含有量が低い（１０ｗｔ％より低い）。
軟炭は、炭素含有率が７５〜９０ｗｔ％である。
木炭は、炭素含有率が６５〜９５ｗｔ％である。
コークスは、軟炭を９５０〜１０５０℃に加熱し、乾燥させ、熱分解し、溶融し、凝集し、固化させ、濃縮することなどによって生成され、炭素含有量が７５〜８５ｗｔ％である。
精錬コークスは、粗油を蒸留し、重油から軽油を分け、重油を熱分解によって処理することによって、粗油から生成された生成物である。
その外観から見て、コークスは、不規則な形状でさまざまな大きさをした黒い塊（または顆粒）の形態であり、金属光沢をもち、コークスの顆粒は、多孔性の構造をもち、炭素含有量が９０ｗｔ％以上であり、残りの成分は、水素、酸素、窒素、硫黄、金属元素である。
In the present invention, the carbonaceous reducing agent is optional as long as it can reduce titanium oxide in the raw material containing titanium oxide to a titanium compound having a low valence (for example, trivalent and divalent titanium compounds). Existing carbonaceous reducing agents.
For example, the carbonaceous reducing agent may be one or more selected from the group consisting of anthracite, soft coal, charcoal, coke, and refined coke.
Anthracite coal is the coal with the highest degree of carbonization, and has a high carbon content (80 wt% or more) and a low content of volatile substances (lower than 10 wt%).
The soft coal has a carbon content of 75 to 90 wt%.
The charcoal has a carbon content of 65 to 95 wt%.
Coke is produced by heating soft coal to 950-1050 ° C., drying, pyrolyzing, melting, agglomerating, solidifying, concentrating, etc., and has a carbon content of 75-85 wt%.
Refined coke is a product produced from crude oil by distilling crude oil, separating light oil from heavy oil, and treating the heavy oil by pyrolysis.
In terms of its appearance, coke is in the form of irregularly sized black lumps (or granules), with a metallic luster, and coke granules have a porous structure and contain carbon. The amount is 90 wt% or more, and the remaining components are hydrogen, oxygen, nitrogen, sulfur, and metal elements.
カソードの金属種は、金属材料が、本発明のアノードとともに働き、金属チタンを得るように電気分解を達成することができるのであれば、本発明で具体的に限定されない。
しかし、アノードの耐用寿命と、得られる金属チタンの純度を高めるために、好ましくは、カソードの金属材料は、炭素鋼、モリブデン、銅、ニッケルからなる群から選択される１種以上であり得る。
The metal species of the cathode is not specifically limited in the present invention as long as the metal material works with the anode of the present invention and can achieve electrolysis so as to obtain metal titanium.
However, in order to increase the useful life of the anode and the purity of the resulting metallic titanium, preferably, the metallic material of the cathode may be one or more selected from the group consisting of carbon steel, molybdenum, copper and nickel.
通常は、電解質は、水に溶解した後、または溶融状態になったときに電気を通すことができる化学化合物を指す。
本発明では、得られる金属チタンの純度を高め、異物が入り込むのを減らすため、好ましくは、溶融塩材料を電解質として使用し、例えば、溶融塩材料は、アルカリ塩化物および／またはアルカリ土類金属の塩化物から形成される溶融塩であり得る。
例えば、アルカリ塩化物は、塩化ナトリウムおよび／または塩化カリウムであり得、アルカリ土類金属の塩化物は、塩化マグネシウムおよび／または塩化カルシウムであり得る。
Usually, an electrolyte refers to a chemical compound that can conduct electricity after being dissolved in water or when in a molten state.
In the present invention, a molten salt material is preferably used as an electrolyte in order to increase the purity of the resulting titanium metal and reduce the entry of foreign substances. For example, the molten salt material may be an alkali chloride and / or an alkaline earth metal. A molten salt formed from the chloride of
For example, the alkali chloride can be sodium chloride and / or potassium chloride, and the alkaline earth metal chloride can be magnesium chloride and / or calcium chloride.
本発明では、電気分解の条件は、得られる金属チタンの純度に顕著な影響を与えないが、効率と収率は二律背反の関係にあり、好ましくは、電気分解の条件は、アノードの電流密度が０．０５〜２Ａ／ｃｍ２、カソードの電流密度が０．０５〜２Ａ／ｃｍ２であり、さらに好ましくは、電気分解の条件は、アノードの電流密度が０．１〜１Ａ／ｃｍ２であり、カソードの電流密度が０．１〜１Ａ／ｃｍ２である。 In the present invention, the electrolysis conditions do not significantly affect the purity of the titanium metal obtained, but the efficiency and the yield are in a trade-off relationship. Preferably, the electrolysis conditions are such that the current density of the anode is 0.05 to 2 A / cm 2 , the cathode current density is 0.05 to 2 A / cm 2 , and more preferably, the electrolysis condition is that the anode current density is 0.1 to 1 A / cm 2 The cathode current density is 0.1 to 1 A / cm 2 .
本発明では、溶融塩の温度（すなわち、電気分解の温度）は、この温度が、溶融塩を形成する塩の融点よりも高く、溶融塩を形成する塩の蒸発温度および分解温度よりも低ければ、広い範囲で変わることができ、例えば、電気分解の温度は、６００〜９００℃、好ましくは、６００〜８００℃であり得る。
電気分解の時間は、電気分解される価数の低いチタンの量および電気分解の条件によって、価数の低いチタンの少なくとも９０％が金属チタンに変換されるように、合理的に選択することができる。
In the present invention, the temperature of the molten salt (that is, the temperature of electrolysis) is higher than the melting point of the salt forming the molten salt and lower than the evaporation temperature and decomposition temperature of the salt forming the molten salt. For example, the temperature of electrolysis can be 600-900 ° C, preferably 600-800 ° C.
The time of electrolysis can be reasonably selected so that at least 90% of the low valence titanium is converted to titanium metal, depending on the amount of low valence titanium to be electrolyzed and the electrolysis conditions. it can.
本発明では、電気分解によって生成される金属チタンは、電気分解温度で空気中の酸素と反応する傾向があるため、得られる金属チタンの純度を高めるために、好ましくは、電気分解は、不活性雰囲気下で行われる。
不活性雰囲気は、窒素、元素周期表の０族の１種以上の気体から選択され得、好ましくは、アルゴンガスである。
In the present invention, the titanium metal produced by the electrolysis tends to react with oxygen in the air at the electrolysis temperature. Therefore, in order to increase the purity of the obtained titanium metal, the electrolysis is preferably inert. Performed in an atmosphere.
The inert atmosphere can be selected from nitrogen and one or more gases of Group 0 of the periodic table, preferably argon gas.
本発明で提供される別の金属チタンの製造方法は、以下の工程：
（１） 溶融酸化チタンを含有する原材料を炭素質還元剤と接触させ、酸化チタンを含有する原材料中の酸化チタンを完全または部分的にＴｉＯｘ（２＞ｘ＞０）まで還元し、前記ＴｉＯｘの還元生成物を含有する溶融チタンスラグを得る工程、
（２） 工程（１）で得られた前記ＴｉＯｘの還元生成物を含有する溶融チタンスラグを冷却して成形し、チタン含有材料を得る工程であって、この冷却が、チタン含有材料の平均孔径が１ｍｍ〜１０ｍｍであり、空隙率が２０％〜６０％になるように行われる工程、
（３） 工程（２）で得られたチタン含有材料をアノードとして、金属材料をカソードとして、溶融した塩材料を電解質として用いて、電気分解条件で電気分解を行い、金属チタンを得る工程
を含む。
Another method for producing titanium metal provided by the present invention includes the following steps:
(1) A raw material containing molten titanium oxide is brought into contact with a carbonaceous reducing agent, and titanium oxide in the raw material containing titanium oxide is completely or partially reduced to TiO x (2>x> 0). obtaining a molten titanium slag containing a reduction product of x ,
(2) A step of cooling and shaping the molten titanium slag containing the reduced product of TiO x obtained in step (1) to obtain a titanium-containing material, and this cooling is an average of the titanium-containing material. A process performed such that the pore diameter is 1 mm to 10 mm and the porosity is 20% to 60%;
(3) including a step of obtaining metal titanium by electrolysis under electrolysis conditions using the titanium-containing material obtained in step (2) as an anode, a metal material as a cathode, and a molten salt material as an electrolyte. .
ここで、上記工程の物質の種類および量、酸化チタンを含有する原材料と炭素質還元剤とを接触させるための接触条件、冷却条件、電気分解条件は、上に記載しており、以下でさらに詳細に説明はしない。 Here, the types and amounts of the substances in the above process, the contact conditions for bringing the raw material containing titanium oxide into contact with the carbonaceous reducing agent, the cooling conditions, and the electrolysis conditions are described above. It will not be described in detail.
それに加え、本発明は、さらに、上述の方法を用いて得られた金属チタンを提供する。 In addition, the present invention further provides titanium metal obtained using the method described above.
以下、本発明を、実施形態によってさらに詳細に記載する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of embodiments.
以下の実施例および比較例では、金属チタンの収率比は、金属チタンの実際の収率／金属チタンの理論収率×１００％と等しく、チタン含有材料の平均孔径は、Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ）（日立製、Ｓ−４７００型）を用いて測定され、空隙率は、窒素吸着法を用いて測定される。 In the following examples and comparative examples, the yield ratio of metallic titanium is equal to the actual yield of metallic titanium / theoretical yield of metallic titanium × 100%, and the average pore size of the titanium-containing material is the Scanning Electron Microscope (SEM). ) (Manufactured by Hitachi, model S-4700), and the porosity is measured using a nitrogen adsorption method.
Ｐａｎｚｈｉｈｕａ製１００ｇの溶融チタン濃縮物（ＴｉＯ２：４７．５ｗｔ％、Ｆｅ２Ｏ３：５．７４ｗｔ％、ＦｅＯ：３４．４８ｗｔ％、ＣａＯ：１．４２ｗｔ％、ＭｇＯ：６．２２ｗｔ％）、１４ｇの無煙炭（炭素含有量：７８．５ｗｔ％）を電気炉に入れ、温度１７５０℃、圧力−５０Ｐａ（絶対圧）で５時間精錬し、溶融チタンスラグを得る。
この溶融チタンスラグをΦ４００×６００の鋼鋳造型に注ぎ、外圧を加えずに溶融チタンスラグを冷却し（圧力：０．９×１０５Ｐａ、冷却速度：１５０℃／時間）、多孔性の構造をもつチタン含有材料を得て、ここでこのチタン含有材料の平均孔径は５．７５ｍｍであり、空隙率は４５％である。
チタン含有材料をアノードとして、Φ８０×６００炭素鋼の棒をカソードとして、ＮａＣｌ−ＫＣｌ（重量比：１：１）を溶融塩電解質として用いて、アルゴンで覆いつつ、８２０℃で３００分間電気分解し、ここでアノードの電流密度は０．２Ａ／ｃｍ２であり、カソードの電流密度は０．２Ａ／ｃｍ２である。
電気分解が終了した後、カソードを取り出し、自然に冷却し、０．５ｗｔ％の希塩酸および脱イオン水で順に洗浄し、次いで、生成物を乾燥させ、２２．５ｇの金属チタンを含有する生成物を得て、金属チタンの収率比は４６．６６％である。
この電気分解のプロセスでは、電流変動はきわめて小さく、このことは、電気分解プロセスが安定であることを示す。
蛍光Ｘ線分析方法を用いて測定すると、金属チタンを含有する生成物の構成元素は、以下のとおりである。
Ｔｉ：９８．５ｗｔ％、Ｆｅ：０．９５ｗｔ％、Ｏ：０．３７ｗｔ％、Ｈ：０．１８ｗｔ％。
100 g of molten titanium concentrate (TiO 2 : 47.5 wt%, Fe 2 O 3 : 5.74 wt%, FeO: 34.48 wt%, CaO: 1.42 wt%, MgO: 6.22 wt%), 14 g Anthracite (carbon content: 78.5 wt%) is put into an electric furnace and refined at a temperature of 1750 ° C. and a pressure of −50 Pa (absolute pressure) for 5 hours to obtain molten titanium slag.
This molten titanium slag is poured into a steel casting mold of Φ400 × 600, and the molten titanium slag is cooled without applying external pressure (pressure: 0.9 × 10 5 Pa, cooling rate: 150 ° C./hour), and has a porous structure A titanium-containing material having an average pore diameter of 5.75 mm and a porosity of 45% is obtained.
Electrolysis was performed at 820 ° C. for 300 minutes using titanium-containing material as an anode, Φ80 × 600 carbon steel rod as a cathode, and NaCl—KCl (weight ratio: 1: 1) as a molten salt electrolyte, and covering with argon. Here, the current density of the anode is 0.2 A / cm 2 and the current density of the cathode is 0.2 A / cm 2 .
After the electrolysis is complete, the cathode is removed, allowed to cool naturally, washed sequentially with 0.5 wt% dilute hydrochloric acid and deionized water, and then the product is dried to contain 22.5 g of titanium metal The yield ratio of titanium metal is 46.66%.
In this electrolysis process, the current fluctuation is very small, indicating that the electrolysis process is stable.
When measured using a fluorescent X-ray analysis method, the constituent elements of the product containing titanium metal are as follows.
Ti: 98.5 wt%, Fe: 0.95 wt%, O: 0.37 wt%, H: 0.18 wt%.
Ｐａｎｚｈｉｈｕａ製６０ｇの溶融チタン濃縮物（ＴｉＯ２：４７．５ｗｔ％、Ｆｅ２Ｏ３：５．７４ｗｔ％、ＦｅＯ：３４．４８ｗｔ％、ＣａＯ：１．４２ｗｔ％、ＭｇＯ：６．２２ｗｔ％）、Ｙｕｎａｎ製４０ｇのチタン濃縮物（ＴｉＯ２：４９．８５ｗｔ％、Ｆｅ２Ｏ３：９．６８ｗｔ％、ＦｅＯ：３６．５０ｗｔ％、ＣａＯ：０．２４ｗｔ％、ＭｇＯ：１．９９ｗｔ％）、２０ｇの無煙炭（炭素含有量：７８．５ｗｔ％）を電気炉に入れ、温度１６５０℃、圧力５０Ｐａ（絶対圧）で３時間精錬し、溶融チタンスラグを得る。
この溶融チタンスラグをΦ３００×６００の鋼鋳造型に注ぎ、外圧を加えずに溶融チタンスラグを冷却し（圧力：１．０×１０５Ｐａ、冷却速度：１００℃／時間）、多孔性の構造をもつチタン含有材料を得て、ここでこのチタン含有材料の平均孔径は６．５ｍｍであり、空隙率は５５．３％である。
チタン含有材料をアノードとして、Φ６０×６００炭素鋼の棒をカソードとして、ＮａＣｌ−ＫＣｌ（重量比：１：１）を溶融塩電解質として用いて、不活性雰囲気下、９００℃で３００分間電気分解し、ここでアノードの電流密度は２Ａ／ｃｍ２であり、カソードの電流密度は１Ａ／ｃｍ２である。
この電気分解のプロセスでは、電流変動はきわめて小さく、このことは、電気分解プロセスが安定であることを示す。
電気分解が終了した後、カソードを取り出し、自然に冷却し、０．５ｗｔ％の希塩酸および脱イオン水で順に洗浄し、次いで、生成物を乾燥させ、１４ｇの金属チタンを含有する生成物を得て、金属チタンの収率比は４８．０３％である。
蛍光Ｘ線分析方法を用いて測定すると、金属チタンを含有する生成物の構成元素は、以下のとおりである。
Ｔｉ：９７．７８ｗｔ％、Ｆｅ：０．８５ｗｔ％、Ｏ：１．２５ｗｔ％、Ｈ：０．１２ｗｔ％。
Panzhihua 60 g molten titanium concentrate (TiO 2 : 47.5 wt%, Fe 2 O 3 : 5.74 wt%, FeO: 34.48 wt%, CaO: 1.42 wt%, MgO: 6.22 wt%), Yunan 40 g titanium concentrate (TiO 2 : 49.85 wt%, Fe 2 O 3 : 9.68 wt%, FeO: 36.50 wt%, CaO: 0.24 wt%, MgO: 1.99 wt%), 20 g anthracite (Carbon content: 78.5 wt%) is put in an electric furnace and refined at a temperature of 1650 ° C. and a pressure of 50 Pa (absolute pressure) for 3 hours to obtain molten titanium slag.
This molten titanium slag is poured into a steel casting mold of Φ300 × 600, the molten titanium slag is cooled without applying external pressure (pressure: 1.0 × 10 5 Pa, cooling rate: 100 ° C./hour), and a porous structure The titanium-containing material having a mean pore size of 6.5 mm and a porosity of 55.3% is obtained.
Electrolysis was performed at 900 ° C. for 300 minutes in an inert atmosphere using a titanium-containing material as an anode, a Φ60 × 600 carbon steel rod as a cathode, and NaCl—KCl (weight ratio: 1: 1) as a molten salt electrolyte. Here, the current density of the anode is 2 A / cm 2 , and the current density of the cathode is 1 A / cm 2 .
In this electrolysis process, the current fluctuation is very small, indicating that the electrolysis process is stable.
After the electrolysis is completed, the cathode is removed, allowed to cool naturally, washed sequentially with 0.5 wt% dilute hydrochloric acid and deionized water, and then the product is dried to obtain a product containing 14 g of titanium metal. The yield ratio of metallic titanium is 48.03%.
When measured using a fluorescent X-ray analysis method, the constituent elements of the product containing titanium metal are as follows.
Ti: 97.78 wt%, Fe: 0.85 wt%, O: 1.25 wt%, H: 0.12 wt%.
Ｙｕｎａｎ製１００ｇの溶融チタン濃縮物（ＴｉＯ２：４９．８５ｗｔ％、Ｆｅ２Ｏ３：９．６８ｗｔ％、ＦｅＯ：３６．５０ｗｔ％、ＣａＯ：０．２４ｗｔ％、ＭｇＯ：１．９９ｗｔ％）、２２ｇのコークス（炭素含有量：８５．５ｗｔ％）を電気炉に入れ、温度１７００℃、圧力５Ｐａ（絶対圧）で４時間精錬し、溶融チタンスラグを得る。
この溶融チタンスラグをΦ２００×４００の鋼鋳造型に注ぎ、外圧を加えずに溶融チタンスラグを冷却し（圧力：１．２×１０５Ｐａ、冷却速度：１２０℃／時間）、多孔性の構造をもつチタン含有材料を得て、ここでこのチタン含有材料の平均孔径は３．５ｍｍであり、空隙率は６０％である。
チタン含有材料をアノードとして、Φ５０×４００炭素鋼の棒をカソードとして、ＮａＣｌ−ＫＣｌ（重量比：１：１）を溶融塩電解質として用いて、不活性雰囲気下、８５０℃で２１０分間電気分解し、ここでアノードの電流密度は１Ａ／ｃｍ２であり、カソードの電流密度は１．５Ａ／ｃｍ２である。
この電気分解のプロセスでは、電流変動はきわめて小さく、このことは、電気分解プロセスが安定であることを示す。
電気分解が終了した後、カソードを取り出し、自然に冷却し、０．５ｗｔ％の希塩酸および脱イオン水で順に洗浄し、次いで、生成物を乾燥させ、２３．５ｇの金属チタンを含有する生成物を得て、金属チタンの収率比は４６．３３％である。
蛍光Ｘ線分析方法を用いて測定すると、金属チタンを含有する生成物の構成元素は、以下のとおりである。
Ｔｉ：９８．２８ｗｔ％、Ｆｅ：０．５５ｗｔ％、Ｏ：１．０５ｗｔ％、Ｈ：０．１２ｗｔ％。
Yunan 100 g molten titanium concentrate (TiO 2 : 49.85 wt%, Fe 2 O 3 : 9.68 wt%, FeO: 36.50 wt%, CaO: 0.24 wt%, MgO: 1.99 wt%), 22 g Of coke (carbon content: 85.5 wt%) is put into an electric furnace and refined at a temperature of 1700 ° C. and a pressure of 5 Pa (absolute pressure) for 4 hours to obtain molten titanium slag.
The molten titanium slag is poured into a steel casting mold of Φ200 × 400, and the molten titanium slag is cooled without applying external pressure (pressure: 1.2 × 10 5 Pa, cooling rate: 120 ° C./hour), and has a porous structure The titanium-containing material having a mean pore diameter of 3.5 mm and a porosity of 60% is obtained.
Electrolysis was performed at 850 ° C. for 210 minutes in an inert atmosphere using a titanium-containing material as an anode, a Φ50 × 400 carbon steel rod as a cathode, and NaCl—KCl (weight ratio: 1: 1) as a molten salt electrolyte. Here, the current density of the anode is 1 A / cm 2 and the current density of the cathode is 1.5 A / cm 2 .
In this electrolysis process, the current fluctuation is very small, indicating that the electrolysis process is stable.
After the electrolysis is completed, the cathode is removed, allowed to cool naturally, washed sequentially with 0.5 wt% dilute hydrochloric acid and deionized water, and then the product is dried to contain 23.5 g of titanium metal The yield ratio of titanium metal is 46.33%.
When measured using a fluorescent X-ray analysis method, the constituent elements of the product containing titanium metal are as follows.
Ti: 98.28 wt%, Fe: 0.55 wt%, O: 1.05 wt%, H: 0.12 wt%.
実施例２に記載した方法を用いて金属チタンを製造するが、以下の点が異なっている。
Ｐａｎｚｈｉｈｕａ製の溶融チタン濃縮物と無煙炭との接触温度が１６００℃である。
電気分解が終了した後、カソードを取り出し、自然に冷却し、０．５ｗｔ％の希塩酸および脱イオン水で順に洗浄し、次いで、生成物を乾燥させ、１２ｇの金属チタンを含有する生成物を得て、金属チタンの収率比は４１．０５％である。
この電気分解のプロセスでは、電流変動はきわめて小さく、このことは、電気分解プロセスが安定であることを示す。
蛍光Ｘ線分析方法を用いて測定すると、金属チタンを含有する生成物の構成元素は、以下のとおりである。
Ｔｉ：９７．５ｗｔ％、Ｆｅ：１．５５ｗｔ％、Ｏ：１．２５ｗｔ％、Ｈ：０．１２ｗｔ％。
Metallic titanium is produced using the method described in Example 2, with the following differences.
The contact temperature between the molten titanium concentrate from Panzhihua and anthracite is 1600 ° C.
After the electrolysis is completed, the cathode is removed, allowed to cool naturally, washed sequentially with 0.5 wt% dilute hydrochloric acid and deionized water, and then the product is dried to obtain a product containing 12 g of metallic titanium. The yield ratio of titanium metal is 41.05%.
In this electrolysis process, the current fluctuation is very small, indicating that the electrolysis process is stable.
When measured using a fluorescent X-ray analysis method, the constituent elements of the product containing titanium metal are as follows.
Ti: 97.5 wt%, Fe: 1.55 wt%, O: 1.25 wt%, H: 0.12 wt%.
実施例１に記載の方法を用いて金属チタンを製造するが、以下の点が異なっている。
金属チタンを製造するためのアノードは、以下の方法を用いて得られる。
Metallic titanium is produced using the method described in Example 1, but the following points are different.
An anode for producing metallic titanium is obtained using the following method.
Ｐａｎｚｈｉｈｕａ製１００ｇの溶融チタン濃縮物（ＴｉＯ２：４７．５ｗｔ％、Ｆｅ２Ｏ３：５．７４ｗｔ％、ＦｅＯ：３４．４８ｗｔ％、ＣａＯ：１．４２ｗｔ％、ＭｇＯ：６．２２ｗｔ％）、１４ｇの無煙炭（炭素含有量：７８．５ｗｔ％）を電気炉に入れ、温度１７５０℃、圧力−５０Ｐａ（絶対圧）で５時間精錬し、溶融チタンスラグを得る。
得られた溶融チタンスラグを冷却し、次いで、Φ４００×６００の鋼鋳造型に入れ、圧力５０，０００ｐｓｉで予想形状にプレス加工し、成形したチタン含有材料を得る。
ここで、チタン含有材料の平均孔径は２００ｎｍであり、空隙率は１０％である。
この電気分解のプロセスでは、電流変動は大きく、このことは、電気分解プロセスが不安定であることを示す。
電気分解が終了した後、カソードを取り出し、自然に冷却し、０．５ｗｔ％の希塩酸および脱イオン水で順に洗浄し、次いで、生成物を乾燥させ、１１．９ｇの金属チタンを含有する生成物を得て、金属チタンの収率比は２４．３０％である。
蛍光Ｘ線分析方法を用いて測定すると、金属チタンを含有する生成物の構成元素は、以下のとおりである。
Ｔｉ：９７ｗｔ％、Ｆｅ：１．９５ｗｔ％、Ｏ：０．５７ｗｔ％、Ｈ：０．４８ｗｔ％。
100 g of molten titanium concentrate (TiO 2 : 47.5 wt%, Fe 2 O 3 : 5.74 wt%, FeO: 34.48 wt%, CaO: 1.42 wt%, MgO: 6.22 wt%), 14 g Anthracite (carbon content: 78.5 wt%) is put into an electric furnace and refined at a temperature of 1750 ° C. and a pressure of −50 Pa (absolute pressure) for 5 hours to obtain molten titanium slag.
The resulting molten titanium slag is cooled and then placed in a Φ400 × 600 steel casting mold and pressed into the expected shape at a pressure of 50,000 psi to obtain a shaped titanium-containing material.
Here, the average pore diameter of the titanium-containing material is 200 nm, and the porosity is 10%.
In this electrolysis process, the current fluctuation is large, which indicates that the electrolysis process is unstable.
After the electrolysis is completed, the cathode is removed, allowed to cool naturally, washed sequentially with 0.5 wt% dilute hydrochloric acid and deionized water, and then the product is dried to contain 11.9 g of titanium metal The yield ratio of titanium metal is 24.30%.
When measured using a fluorescent X-ray analysis method, the constituent elements of the product containing titanium metal are as follows.
Ti: 97 wt%, Fe: 1.95 wt%, O: 0.57 wt%, H: 0.48 wt%.
実施例１に記載の方法を用いて金属チタンを製造するが、以下の点が異なっている。
金属チタンを製造するためのアノードは、以下の方法を用いて得られる。
Metallic titanium is produced using the method described in Example 1, but the following points are different.
An anode for producing metallic titanium is obtained using the following method.
Ｐａｎｚｈｉｈｕａ製１００ｇの溶融チタン濃縮物（ＴｉＯ２：４７．５ｗｔ％、Ｆｅ２Ｏ３：５．７４ｗｔ％、ＦｅＯ：３４．４８ｗｔ％、ＣａＯ：１．４２ｗｔ％、ＭｇＯ：６．２２ｗｔ％）、１４ｇの無煙炭（炭素含有量：７８．５ｗｔ％）をボールミルジャーに入れ、６０分間粉砕し、次いで、混合物をΦ２００×４００鋼鋳造型に入れ、圧力５０，０００ｐｓｉで予想形状にプレス加工し、次いで、温度１７５０℃、圧力−５０Ｐａ（絶対圧）で５時間焼結し、チタン含有材料を得る。
ここで、チタン含有材料の平均孔径は３００ｎｍであり、空隙率は１５％である。
この電気分解のプロセスでは、電流変動は大きく、このことは、電気分解プロセスが不安定であることを示す。
電気分解が終了した後、カソードを取り出し、自然に冷却し、０．５ｗｔ％の希塩酸および脱イオン水で順に洗浄し、次いで、生成物を乾燥させ、１２．１ｇの金属チタンを含有する生成物を得て、金属チタンの収率比は２４．７３％である。
蛍光Ｘ線分析方法を用いて測定すると、金属チタンを含有する生成物の構成元素は、以下のとおりである。
Ｔｉ：９７．０８ｗｔ％、Ｆｅ：１．４５ｗｔ％、Ｏ：０．５７ｗｔ％、Ｈ：０．４８ｗｔ％。
100 g of molten titanium concentrate (TiO 2 : 47.5 wt%, Fe 2 O 3 : 5.74 wt%, FeO: 34.48 wt%, CaO: 1.42 wt%, MgO: 6.22 wt%), 14 g Of anthracite (carbon content: 78.5 wt%) in a ball mill jar and milled for 60 minutes, then the mixture is placed in a Φ200 × 400 steel casting mold and pressed into the expected shape at a pressure of 50,000 psi, then Sintering is performed at a temperature of 1750 ° C. and a pressure of −50 Pa (absolute pressure) for 5 hours to obtain a titanium-containing material.
Here, the average pore diameter of the titanium-containing material is 300 nm, and the porosity is 15%.
In this electrolysis process, the current fluctuation is large, which indicates that the electrolysis process is unstable.
After the electrolysis is completed, the cathode is removed, allowed to cool naturally, washed sequentially with 0.5 wt% dilute hydrochloric acid and deionized water, and then the product is dried and a product containing 12.1 g of metallic titanium The yield ratio of titanium metal is 24.73%.
When measured using a fluorescent X-ray analysis method, the constituent elements of the product containing titanium metal are as follows.
Ti: 97.08 wt%, Fe: 1.45 wt%, O: 0.57 wt%, H: 0.48 wt%.
実施例１と比較例１〜２を比較すると、本発明で提供される方法を用いて金属チタンを製造すると、生成物の収率比および純度が両方とも高いことがわかる。
さらに、本発明で得られる還元生成物は溶融状態であるため、異なる価数状態の還元生成物が互いに相互作用し、満足のいく結果を得ることができる。
それに加え、冷却して成形した後、得られたチタン含有材料は多孔性構造であり、この構造は、電気分解プロセスで生成される気体（ＣＯ、ＣＯ２）などがうまく拡散し、したがって、電気分解プロセスがより安定になるのを効果的に確保し得る。
Comparing Example 1 and Comparative Examples 1-2, it can be seen that when titanium metal is produced using the method provided by the present invention, the yield ratio and purity of the product are both high.
Furthermore, since the reduction product obtained in the present invention is in a molten state, reduction products in different valence states interact with each other, and satisfactory results can be obtained.
In addition, after cooling and forming, the resulting titanium-containing material is a porous structure, which is a good diffusion of gases (CO, CO 2 ), etc. generated in the electrolysis process, thus It can effectively ensure that the decomposition process becomes more stable.
本発明のいくつかの好ましい実施形態を上述したが、本発明は、これらの実施形態の詳細に限定されない。
当業者は、本発明の精神を逸脱することなく、本発明の技術スキームの改変例および変形例を作成し得る。
しかし、これらすべての改変例および変形例は、本発明の保護範囲にあると考えるべきである。
Although several preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the details of these embodiments.
Those skilled in the art can make modifications and variations of the technical scheme of the present invention without departing from the spirit of the invention.
However, all these modifications and variations should be considered within the protection scope of the present invention.
それに加え、上の実施形態で記載した具体的な技術的特徴は、矛盾がない限り、任意の適切な形態と組み合わせ得ることを留意されたい。
不必要な繰り返しを避けるために、可能な組み合わせを本発明で具体的には記載していない。
In addition, it should be noted that the specific technical features described in the above embodiments can be combined with any appropriate form as long as there is no contradiction.
In order to avoid unnecessary repetition, possible combinations are not specifically described in the present invention.
さらに、必要な場合、組み合わせることによって本発明の理想および精神から逸脱しない限り、本発明の異なる実施形態を自由に組み合わせ得る。
しかし、このような組み合わせも、本発明で開示した範囲に入ると考えるべきである。
Furthermore, if necessary, different embodiments of the invention can be freely combined without departing from the ideal and spirit of the invention by combining them.
However, such combinations should also be considered to fall within the scope disclosed in the present invention.
Claims (13)
チタン含有材料は、多孔性構造であり、平均孔径が１ｍｍ〜１０ｍｍ、空隙率が２０％〜６０％、チタン含有材料中のチタン元素の少なくとも一部分が、ＴｉＯｘの形態で存在し、２＞ｘ＞０である
金属チタンの製造方法。 A method for producing titanium metal, comprising: using a titanium-containing material as an anode; using a metal material as a cathode; using a molten salt material as an electrolyte; performing electrolysis under electrolysis conditions to obtain metal titanium;
The titanium-containing material has a porous structure, the average pore diameter is 1 mm to 10 mm, the porosity is 20% to 60%, and at least a part of the titanium element in the titanium-containing material exists in the form of TiO x , and 2> x A method for producing titanium metal> 0.
請求項１に記載の金属チタンの製造方法。 The method for producing titanium metal according to claim 1, wherein the titanium-containing material has an average pore diameter of 3 mm to 7 mm and a porosity of 40% to 60%.
請求項１または２に記載の金属チタンの製造方法。 3. The method for producing titanium metal according to claim 1, wherein the TiO x content of the titanium-containing material is 45 wt% or more.
（１）溶融酸化チタンを含有する原材料を炭素質還元剤と接触させ、酸化チタンを含有する原材料中の酸化チタンを完全または部分的にＴｉＯｘまで還元し、前記ＴｉＯｘの還元生成物を含有する溶融チタンスラグを得る工程、
（２）工程（１）で得られた前記ＴｉＯｘの還元生成物を含有する溶融チタンスラグを冷却して成形する工程
を含む方法を用いて得られる
請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属チタンの製造方法。 The titanium-containing material has the following steps:
(1) the raw materials containing the molten titanium oxide is contacted with a carbonaceous reducing agent, reduced to a fully or partially TiO x the titanium oxide in the raw material containing titanium oxide, containing reduced product of the TiO x A step of obtaining molten titanium slag,
(2) Step to claim 1 obtained by the method comprising the obtained step a molten titanium slag forming by cooling containing reduced product of the TiO x (1) The manufacturing method of the metal titanium of description.
（１） 溶融酸化チタンを含有する原材料を炭素質還元剤と接触させ、酸化チタンを含有する原材料中の酸化チタンを完全または部分的にＴｉＯｘ（２＞ｘ＞０）まで還元し、前記ＴｉＯｘの還元生成物を含有する溶融チタンスラグを得る工程、
（２） 工程（１）で得られた前記ＴｉＯｘの還元生成物を含有する溶融チタンスラグを冷却して成形し、チタン含有材料を得る工程であって、この冷却が、チタン含有材料の平均孔径が１ｍｍ〜１０ｍｍであり、空隙率が２０％〜６０％になるように行われる工程、
（３） 工程（２）で得られたチタン含有材料をアノードとして、金属材料をカソードとして、溶融した塩材料を電解質として用いて、電気分解条件で電気分解を行い、金属チタンを得る工程
を含む、金属チタンの製造方法。 A method for producing titanium metal, comprising the following steps:
(1) A raw material containing molten titanium oxide is brought into contact with a carbonaceous reducing agent, and titanium oxide in the raw material containing titanium oxide is completely or partially reduced to TiO x (2>x> 0). obtaining a molten titanium slag containing a reduction product of x ,
(2) A step of cooling and shaping the molten titanium slag containing the reduced product of TiO x obtained in step (1) to obtain a titanium-containing material, and this cooling is an average of the titanium-containing material. A process performed such that the pore diameter is 1 mm to 10 mm and the porosity is 20% to 60%;
(3) including a step of obtaining metal titanium by electrolysis under electrolysis conditions using the titanium-containing material obtained in step (2) as an anode, a metal material as a cathode, and a molten salt material as an electrolyte. , A method for producing metallic titanium.
請求項４または５に記載の金属チタンの製造方法。 6. The method for producing titanium metal according to claim 4, wherein the cooling is performed at a pressure of 0.9 × 10 5 to 1.2 × 10 5 Pa. 7.
請求項４〜６のいずれか１項に記載の金属チタンの製造方法。 The method for producing metallic titanium according to any one of claims 4 to 6, wherein the cooling is performed at a cooling rate of 100 to 150 ° C / hour.
請求項４〜７のいずれか１項に記載の金属チタンの製造方法。 The method for producing metallic titanium according to any one of claims 4 to 7, wherein in step (1), the contact is performed at a temperature of 1,650 to 2,000 ° C and a pressure of -100 Pa to 100 Pa for 2 to 10 hours.
請求項４〜８のいずれか１項に記載の金属チタンの製造方法。 In the step (1), when calculated with titanium oxide, the molar ratio of the titanium compound in the raw material containing titanium oxide and the carbon in the carbonaceous reducing agent is 1: 1-3. 2. A method for producing titanium metal according to item 1.
請求項４〜９のいずれか１項に記載の金属チタンの製造方法。 In step (1), the raw material containing titanium oxide is composed of titanium concentrate and / or titanium-containing slag, and the carbonaceous reducing agent is selected from the group consisting of anthracite, soft coal, charcoal, coke, and refined coke. The method for producing titanium metal according to any one of claims 4 to 9, wherein the method is one or more kinds.
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の金属チタンの製造方法。 The metal material of the cathode is one or more selected from the group consisting of carbon steel, molybdenum, copper, and nickel, and the molten salt is a molten alkali chloride and / or an alkaline earth metal chloride. The manufacturing method of the titanium metal of any one of 1-10.
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の金属チタンの製造方法。 The electrolysis conditions are an anode current density of 0.05 to 2 A / cm 2 , a cathode current density of 0.05 to 2 A / cm 2 , and an electrolysis temperature of 600 to 900 ° C. A method for producing titanium metal according to claim 1.
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