JP6431124B2 - Reduction method of titanium oxide using microwave - Google Patents

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Description

本発明は、マイクロ波を利用して酸化チタンを直接還元する方法に関する。   The present invention relates to a method for directly reducing titanium oxide using microwaves.

チタン鉱石を製錬(還元)する方法として、クロール法が知られており、その方法は、特許第4537727号公報(特許文献1)等多くの文献に開示されている。
クロール法は、まず、チタン鉱石中のTiO2を、約900℃の温度、Cの共存下でClと反応させて、TiO2 +2Cl2 +2C(又はC)=TiC4 +2CO(又はCO2)の反応式によって、TiCl4
製造し、次に、このTiCl4を精錬して金属Mgと反応させ、金属熱還元法により、スポンジ
状の金属Tiを製造する方法である。
The crawl method is known as a method for smelting (reducing) titanium ore, and the method is disclosed in many documents such as Japanese Patent No. 4537727 (Patent Document 1).
In the crawl method, first, TiO 2 in titanium ore is reacted with Cl in the presence of C at a temperature of about 900 ° C., and TiO 2 + 2Cl 2 + 2C (or C) = TiC 4 + 2CO (or CO 2 ) In this method, TiCl 4 is produced by a reaction formula, and then TiCl 4 is refined and reacted with metal Mg, and a spongy metal Ti is produced by a metal thermal reduction method.

これを反応式で表すと、TiCl4(l,g)+2Mg(l,g)=Ti(s)+2MgCl2(l)となる。工業的には、鋼製反応容器内で数日を要して製造されている(括弧内の「s」は固体、「l」は液体、「g」は気体をそれぞれ表す。)。
しかし、このクロール法による金属チタンの製造方法は、製造に長時間を要すると共に、製造コストが高いという問題がある。
This can be represented by the reaction formula as follows: TiCl 4 (l, g) + 2Mg (l, g) = Ti (s) + 2MgCl 2 (l). Industrially, it takes several days in a steel reaction vessel (“s” in parentheses represents solid, “l” represents liquid, and “g” represents gas).
However, this method for producing titanium metal by the crawl method has a problem that it takes a long time to produce and the production cost is high.

次に、酸化チタンを直接還元する方法も提案されている(非特許文献1)。
ここで提案されている還元方法は、反応容器内のモリブデン製プレートに原料であるTiO2粉末を載せ、該反応容器の底部に粉状カルシウム金属を置き、この状態で反応容器を高温に加熱することによって、カルシウム蒸気を発生させ、このカルシウム蒸気を酸化チタンに反応させるというものである。
Next, a method for directly reducing titanium oxide has also been proposed (Non-Patent Document 1).
In the reduction method proposed here, a raw material TiO 2 powder is placed on a molybdenum plate in a reaction vessel, powdered calcium metal is placed on the bottom of the reaction vessel, and the reaction vessel is heated to a high temperature in this state. Thus, calcium vapor is generated, and this calcium vapor is reacted with titanium oxide.

しかし、この方法では、カルシウム金属が蒸発する温度まで加熱することに長時間を要し、更に、反応容器を加熱する熱源として、電気、重油又はガス等が用いられるので、多くのエネルギーを消費すると共に、環境負荷も大きいという問題がある。   However, in this method, it takes a long time to heat the calcium metal to a temperature at which it evaporates, and furthermore, electricity, heavy oil, gas, or the like is used as a heat source for heating the reaction vessel. At the same time, there is a problem that the environmental load is large.

ところで、物質を加熱する手段として、マイクロ波を物質に照射する技術が知られており、非特許文献1において、カルシウム金属を効率よく加熱し蒸発させる手段として、マイクロ波加熱を用いる手段が考えられる。   By the way, as a means for heating a substance, a technique for irradiating a substance with microwaves is known. In Non-Patent Document 1, a means using microwave heating can be considered as a means for efficiently heating and evaporating calcium metal. .

しかし、一般的に、金属はマイクロ波を反射するため、誘導加熱(導体に電磁誘導で電流を流して加熱する手段)のモードでしか加熱できない。そのため、金属が加熱蒸発してしまい、誘導加熱が継続できないという問題があった。また、マイクロ波帯の誘導加熱では、シングルモードしか使用できず、その誘導加熱の領域が狭いという問題もあった。
これらの問題から、例えば、金属を加熱することによって、その金属を連続的に蒸発させて金属蒸気を発生させようとする場合に、その加熱源として、マイクロ波を利用することができないという問題があった。
However, generally, since metal reflects microwaves, it can be heated only in the mode of induction heating (means for heating a conductor by passing an electric current through electromagnetic induction). Therefore, there is a problem that the metal is heated and evaporated and induction heating cannot be continued. Further, in the microwave band induction heating, only a single mode can be used, and there is a problem that the induction heating area is narrow.
From these problems, for example, when the metal is heated to continuously evaporate the metal to generate metal vapor, the microwave cannot be used as the heating source. there were.

即ち、仮に、非特許文献1に係る技術の加熱源として、マイクロ波を用いたとしても、カルシウム金属はマイクロ波を反射し、誘導加熱モードを用いない限りは加熱できない、即ち蒸気を発生できないという問題が残る。   That is, even if a microwave is used as the heating source of the technique according to Non-Patent Document 1, calcium metal reflects the microwave and cannot be heated unless the induction heating mode is used, that is, cannot generate steam. The problem remains.

特許第4537727号公報Japanese Patent No. 4537727

一般社団法人日本鉄鋼協会が発行する学術論文誌「鉄と鋼」第76年(1990年)第4号第86〜93頁に掲載された論文「酸化チタンのカルシウム熱還元法による粉末チタンの製造方法」(著・小野勝敏他)A paper published in the Journal of Iron and Steel, published by the Japan Iron and Steel Association, in 1976 (No. 4), pages 86-93, "Production of powdered titanium by the calcium thermal reduction method of titanium oxide" Method "(Author, Katsutoshi Ono et al.)

そこで、本発明の課題は、従来は金属の加熱に適さなかったマイクロ波加熱であるが、このマイクロ波加熱を利用して、金属材料を効率よく加熱し、金属蒸気を発生させる手段を提案すると共に、この金属蒸気を用いて、少ないエネルギー、短時間かつローコストで、酸化チタンを直接還元する方法について提案することにある。   Therefore, the subject of the present invention is microwave heating, which has not been suitable for heating metal, but a means for efficiently heating a metal material and generating metal vapor using this microwave heating is proposed. The present invention also proposes a method for directly reducing titanium oxide using this metal vapor with less energy, in a short time and at low cost.

上記本発明の課題は、下記の手段により達成される。
1.金属材料とセラミックス体との混合体に、マイクロ波を照射して加熱し、前記金属材料を蒸発させることによって、金属蒸気を発生させ、
前記金属蒸気を酸化チタンに反応させる構成であり、
前記金属材料は、カルシウム、マグネシウム、ナトリウム又はカリウムであり、
前記セラミックス体は、ジルコニア、石英、アルミナ、窒化ホウ素、炭化ケイ素、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム又は窒化アルミニウムである、ことを特徴とする酸化チタンの還元方法。
The object of the present invention is achieved by the following means.
1. A mixture of a metal material and a ceramic body is irradiated with microwaves and heated, thereby evaporating the metal material, thereby generating metal vapor,
The metal vapor is configured to react with titanium oxide ,
The metal material is calcium, magnesium, sodium or potassium,
The method for reducing titanium oxide , wherein the ceramic body is zirconia, quartz, alumina, boron nitride, silicon carbide, silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, or aluminum nitride .

2.請求項1に記載の方法が、真空下で行われることを特徴とする酸化チタンの還元方法。 2. The method according to claim 1, wherein the method is performed under vacuum.

.前記酸化チタンにマイクロ波を照射して、これを加熱することを特徴とする請求項1又は2に記載の酸化チタンの還元方法。
3 . The method for reducing titanium oxide according to claim 1 or 2 , wherein the titanium oxide is irradiated with microwaves and heated.

4.前記金属材料の形状が、粉末状、粒状及び/又は薄膜であることを特徴とする請求項1〜3に記載の酸化チタンの還元方法。4). The method for reducing titanium oxide according to claim 1, wherein the shape of the metal material is powder, granular, and / or thin film.

5.前記金属材料の最長部分の長さが、照射するマイクロ波のセラミックス中における波長の1/4以下であることを特徴とする請求項4に記載の酸化チタンの還元方法。5. 5. The method for reducing titanium oxide according to claim 4, wherein the length of the longest portion of the metal material is ¼ or less of the wavelength of the microwave ceramics to be irradiated.

.前記混合体の最長部分の長さが、照射するマイクロ波のセラミックス中における波長の1/4の整数倍であることを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の酸化チタンの還元方法。
6 . The length of the longest portion of the mixture is, the method of reducing a titanium oxide according to any one of claims 1 to 5, characterized in that an integral multiple of a quarter of the wavelength in the ceramic of the microwave irradiation .

.前記混合体の周囲に断熱材を配置することを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の酸化チタンの還元方法。
7 . The method for reducing titanium oxide according to any one of claims 1 to 6 , wherein a heat insulating material is disposed around the mixture.

.前記金属材料と前記セラミックス体とを混合して、前記混合体を作製することを更に含む、請求項1〜のいずれかに記載の酸化チタンの還元方法。
8 . The metallic material and by mixing the ceramic body, further comprising preparing the mixture, the reduction method of the titanium oxide according to any one of claims 1-7.

上記1に示す発明によれば、マイクロ波の照射によっても加熱することが困難であった
金属材料であるが、金属材料とセラミックス体との混同体にマイクロ波を照射すれば、マイクロ波は混合体の一部となった金属にも吸収され、加熱することができる。この加熱により、金属材料の温度が沸点近くに達すれば、金属材料は蒸発(又は昇華)し、金属蒸気を発生させることができる。
According to the invention shown in 1 above, although it is a metal material that has been difficult to heat even by microwave irradiation, if microwaves are irradiated to a mixture of a metal material and a ceramic body, the microwaves are mixed. It is also absorbed by the metal that became part of the body and can be heated. When the temperature of the metal material reaches near the boiling point by this heating, the metal material evaporates (or sublimates), and metal vapor can be generated.

上記1に示す発明の効果を詳述すれば、次のとおりである。
従来、金属を加熱・蒸発させるためにマイクロ波を使用する場合には、アプリケータ(「加熱室」、特に「マイクロ波照射室」をいう。以下同じ。)内を、マイクロ波加熱としては一般的でない誘導加熱のモードにしなければならなかった。
The effect of the invention shown in the above 1 will be described in detail as follows.
Conventionally, when microwaves are used to heat and evaporate metals, the inside of an applicator (referred to as “heating chamber”, especially “microwave irradiation chamber”, hereinafter the same)) is generally used as microwave heating. It had to be in the mode of unintentional induction heating.

しかし、上記1に係る方法を使用すれば、金属材料とセラミックス体との混合体にマイクロ波を照射する構成であるため、誘導加熱に加えて、電場加熱も可能となることから、電磁波エネルギーの吸収が大きくなり、真空下では金属を効率よく加熱し、材料の状態が変わっても連続的に蒸発させることができる。即ち、マルチモードアプリケータを使って加熱できるようになる。シングルモードにおける電場強度が大きい場所でも、金属材料が少なくなったとしても電場により電磁波エネルギーを与え続けることができる。   However, if the method according to the above 1 is used, since the microwave irradiation is applied to the mixture of the metal material and the ceramic body, electric field heating is possible in addition to induction heating. Absorption is increased, and the metal can be efficiently heated under vacuum and can be continuously evaporated even if the state of the material changes. That is, it can be heated using a multi-mode applicator. Even in a place where the electric field strength in the single mode is high, even if the metal material is reduced, electromagnetic wave energy can be continuously applied by the electric field.

よって、上記1に示す発明によれば、アプリケータ種類を問わず、マイクロ波の照射により金属を加熱できるので、高効率かつ少ないエネルギーで金属蒸気を発生させることができる。
この金属蒸気の発生方法を用いることによって、少ないエネルギー、短時間かつローコストで、酸化チタンを還元することができる。
Therefore, according to the invention shown in the above 1, since the metal can be heated by microwave irradiation regardless of the type of applicator, metal vapor can be generated with high efficiency and low energy.
By using this metal vapor generation method, titanium oxide can be reduced with less energy, in a short time and at low cost.

上記2に示す発明によれば、真空下で、混合体にマイクロ波を照射する構成であるため、発生させる金属蒸気の分圧(大気中における金属蒸気が占める割合)を高めることができる。これにより、酸化チタンと、還元剤の役割を果たす金属蒸気との反応性を高めることができる。
更に、真空下で金属蒸気を発生させて酸化チタンを還元することで、反応前は、金属材料の酸化を防止又は抑制することができ、反応後は、還元されたチタン金属が再び酸化することを防止又は抑制することができる。
なお、本発明において「真空」とは、大気圧よりも圧力が低い状態をいい、気圧による限定はない。
According to the invention shown in 2 above, since the microwave is irradiated to the mixture under vacuum, the partial pressure of metal vapor to be generated (ratio of metal vapor in the atmosphere) can be increased. Thereby, the reactivity of titanium oxide and the metal vapor | steam which plays the role of a reducing agent can be improved.
Furthermore, by reducing the titanium oxide by generating metal vapor under vacuum, the oxidation of the metal material can be prevented or suppressed before the reaction, and the reduced titanium metal is oxidized again after the reaction. Can be prevented or suppressed.
In the present invention, “vacuum” refers to a state where the pressure is lower than atmospheric pressure, and there is no limitation by atmospheric pressure.

上記に示す発明によれば、金属材料としてカルシウム又はマグネシウムを採用することで、発生するカルシウム又はマグネシウムの金属蒸気は、酸化チタンとの反応のなかで還元剤の役割を果たし、酸化チタンを還元することができる。
TiO2(s)+2Ca(g) → Ti(s)+2CaO(s)
TiO2(s)+2Mg(g) → Ti(s)+2MgO(s)
(上記反応式において、各物質の状態が、(s)は固体、(g)は気体であることを示している。以下、同じ。)
尚、カルシウム又はマグネシウムを含有する金属とは、カルシウム又はマグネシウムの純金属、カルシウム又はマグネシウムを含む化合物である合金、その他不純物を含むカルシウム又はマグネシウムの金属等をいう。
According to the invention described in 1 above, by adopting calcium or magnesium as the metal material, the generated metal vapor of calcium or magnesium serves as a reducing agent in the reaction with titanium oxide, reducing titanium oxide. can do.
TiO 2 (s) + 2Ca (g) → Ti (s) + 2CaO (s)
TiO 2 (s) + 2Mg (g) → Ti (s) + 2MgO (s)
(In the above reaction formula, the state of each substance indicates that (s) is solid and (g) is gas. The same applies hereinafter.)
The metal containing calcium or magnesium means a pure metal of calcium or magnesium, an alloy which is a compound containing calcium or magnesium, a calcium or magnesium metal containing other impurities, or the like.

上記に示す発明によれば、金属材料のみならず、原料である酸化チタンにもマイクロ波を照射して、これらも加熱することで、金属蒸気との反応性を高めることができる。
According to the invention shown in 3 above, the reactivity with metal vapor can be enhanced by irradiating not only the metal material but also titanium oxide as a raw material with microwaves and heating them.

上記5に示す発明によれば、金属材料の最長部分の長さを、照射するマイクロ波のセラミックス中における波長の1/4以下とすることで、金属材料とセラミックス体からなる混合体は共振し、金属材料へのマイクロ波が吸収されやすい条件となる。これにより、金
属材料は効率よく加熱され、金属蒸気を発生させることができる。
上述したセラミックスの波長は、λ0/√ε1(λ0:真空中の電磁波の波長、ε1:セラミックスの誘電率)から導出される。
According to the invention shown in 5 above, the mixture of the metal material and the ceramic body resonates by setting the length of the longest portion of the metal material to ¼ or less of the wavelength in the microwave ceramic to be irradiated. It becomes a condition that the microwave to the metal material is easily absorbed. Thereby, a metal material can be heated efficiently and a metal vapor | steam can be generated.
The wavelength of the ceramic described above is derived from λ 0 / √ε 10 : wavelength of electromagnetic wave in vacuum, ε 1 : dielectric constant of ceramic).

ここで、金属材料の最長部分とは、例えば、直方体であれば最も長い対角線、球体であれば直径、歪な球状体(粒状体)であれば最も長い直径、板状体や薄膜であれば最も長い辺又は対角線、円筒形であれば直径又は辺のうち長い方であり、換言すると、金属材料に2点以上で外接する真球のうち最大のものの直径 を指し示すものとする。   Here, the longest part of the metal material is, for example, the longest diagonal line in the case of a rectangular parallelepiped, the diameter in the case of a sphere, the longest diameter in the case of a distorted sphere (granular body), and the plate or a thin film. The longest side or diagonal line, if cylindrical, is the longer of the diameters or sides. In other words, it indicates the diameter of the largest true sphere that circumscribes the metal material at two or more points.

上記に示す発明は、金属材料の個々の形状を、粉末状、粒状及び/又は膜と規定しており、即ち、粉末状、粒状又は膜の形状のうち、1の形状を単独で又は2以上の形状を混合して用いてもよい構成 である。
この構成とすることで、セラミックス体と混合し易くなり、また混合具合を均一又は不均一等任意に調整しやすくなり、混合体の製作を容易化することができる。更に、これらの形状を採用することにより、上記5に示す発明と同様、共振により金属材料へマイクロ波が吸収されやすい条件となり、加熱効率を高めることができる。
なお、粒状の形状として、球状や歪な球状体の形状を含むものとする(以下、同じ)。
Invention shown in the above 4, the individual shape of the metal material, a powder, are defined as particulate and / or thin film, i.e., powdered, of the shape of the particulate or thin film, a shape alone Alternatively, two or more shapes may be mixed and used.
With this configuration, it becomes easy to mix with the ceramic body, and it becomes easy to arbitrarily adjust the mixing condition, such as uniform or non-uniform, so that the production of the mixed body can be facilitated. Furthermore, by adopting these shapes, as in the case of the invention shown in 5 above, it becomes a condition that microwaves are easily absorbed into the metal material by resonance, and the heating efficiency can be increased.
The granular shape includes a spherical shape and a distorted spherical shape (hereinafter the same).

上記に示す発明によれば、混合体の最長部分の長さを、照射するマイクロ波のセラミックス中における波長の1/4の整数倍とすることで、混合体がアンテナ共振するため、マイクロ波エネルギーを混合体内に閉じ込めることができ、加熱効率を高めることができる。
According to the invention shown in 6 above, the length of the longest part of the mixture is set to an integral multiple of 1/4 of the wavelength of the microwave to be irradiated, so that the mixture resonates with the antenna. Energy can be confined in the mixture, and heating efficiency can be increased.

上記に示す発明によれば、マイクロ波を混合体に照射したことによって発生した熱を、断熱材によって閉じ込めるので、混合体の加熱効率を高めることができ、結果として少ないエネルギーで金属蒸気を発生させることができる。
According to the invention shown in the above 7 , since heat generated by irradiating the mixture with microwaves is confined by the heat insulating material, the heating efficiency of the mixture can be increased, and as a result, metal vapor is generated with less energy. Can be made.

上記に示す発明によれば、混合体を形成するセラミックス体として、ジルコニア、石英、アルミナ、窒化ホウ素、炭化ケイ素、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム又は窒化アルミニウムを採用することで、混合体の加熱効率を安定化させることができる。
即ち、これらのセラミックス体は、耐熱性が高く、電磁波を透過し易い(電磁波に対する損失が少ない)ので、マイクロ波を照射することよるセラミックス体の崩壊・変形等を抑制できるので、加熱効率を安定させることができる。
更に、これらのセラミックスは、マイクロ波が照射されても、マイクロ波の出力や波長などに影響を与えず、金属材料の加熱のため最適に設定された条件を維持することができ、加熱効率を安定させることができる。
According to the invention shown in 1 above, by employing zirconia, quartz, alumina, boron nitride, silicon carbide, silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide or aluminum nitride as the ceramic body forming the mixture, Heating efficiency can be stabilized.
In other words, these ceramic bodies have high heat resistance and are easy to transmit electromagnetic waves (less loss to electromagnetic waves), so that the ceramic body can be prevented from collapsing and deforming by irradiating microwaves, so that the heating efficiency is stable. Can be made.
Furthermore, these ceramics can maintain the optimally set conditions for heating the metal material without affecting the microwave output and wavelength even when irradiated with microwaves, and improving the heating efficiency. It can be stabilized.

上記に示す発明は、上記1〜に記載の方法であって、更に、金属材料とセラミックス体とを混合して、混合体を作製する工程を含む構成である。この構成により、混合体を容易に作製することができる。 The invention shown in 8 is the method described in 1 to 7 above, and further includes a step of mixing a metal material and a ceramic body to produce a mixture. With this configuration, the mixture can be easily manufactured.

本発明に係る混合体の一実施例を示す概略説明図(不均一に混合した例)Schematic explanatory drawing showing an embodiment of the mixture according to the present invention (example of non-uniform mixing) 本発明に係る混合体の他の実施例を示す概略説明図(均一に混合した例)Schematic explanatory view showing another embodiment of the mixture according to the present invention (example of uniform mixing) 本発明に係る装置の一実施例を示す概略構成図1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of an apparatus according to the present invention. 本発明に係る装置の他の実施例を示す概略構成図Schematic configuration diagram showing another embodiment of the apparatus according to the present invention 検証実験に用いた装置の概略構成図Schematic configuration diagram of equipment used for verification experiment 検証実験の結果を示す温度変化グラフ(Ca蒸気を用いた酸化チタンの還元)Temperature change graph showing the result of verification experiment (Reduction of titanium oxide using Ca vapor) 検証実験の結果を示すX線解析グラフ(Ca蒸気を用いた酸化チタンの還元)X-ray analysis graph showing results of verification experiment (reduction of titanium oxide using Ca vapor) 検証実験の結果を示す温度変化グラフ(Mg蒸気を用いた酸化チタンの還元)Temperature change graph showing the result of verification experiment (reduction of titanium oxide using Mg vapor) 検証実験の結果を示すX線解析グラフ(Mg蒸気を用いた酸化チタンの還元)X-ray analysis graph showing the result of verification experiment (reduction of titanium oxide using Mg vapor) 検証実験によって得られた生成物を撮影した写真A photograph of the product obtained from the verification experiment 検証実験によって得られた生成物を撮影した他の写真Other photos of products taken from verification experiments

本発明は、金属材料を加熱して蒸発させることによって金属蒸気を発生し、この金属蒸気を原料である酸化チタンと反応させ、酸化チタンを還元する方法に関するものである。
上述のとおり、金属材料を加熱して金属蒸気を発生させるために、従来は電気炉等を用いて加熱室ごと加熱することで金属材料を加熱していた。しかし、この加熱手段では、加熱が必要ではない他の部分まで加熱する必要があり、更に、加熱源として使用する電気炉は多くのエネルギーを消費するため、加熱効率が悪いという問題があった。
The present invention relates to a method for reducing metal oxide by generating metal vapor by heating and evaporating a metal material, reacting the metal vapor with titanium oxide as a raw material.
As described above, in order to heat the metal material and generate the metal vapor, conventionally, the metal material is heated by heating the entire heating chamber using an electric furnace or the like. However, with this heating means, it is necessary to heat up to other parts that do not require heating, and furthermore, since the electric furnace used as a heating source consumes a lot of energy, there is a problem that the heating efficiency is poor.

本発明者らは、加熱効率を改善するため、マイクロ波加熱を使用する手段を発想した。
マイクロ波加熱とは、照射されたマイクロ波が、誘電損失により物質に吸収され、そのエネルギーが熱になることによる加熱手段である。外部熱源による加熱と異なり、熱伝導や対流の影響がほとんど無視できること、特定の物質のみを選択的かつ急速・均一に加熱できること、などの特徴がある。
The inventors have conceived a means of using microwave heating to improve heating efficiency.
Microwave heating is a heating means in which irradiated microwaves are absorbed by a substance due to dielectric loss and its energy becomes heat. Unlike heating by an external heat source, the effects of heat conduction and convection are almost negligible, and only specific substances can be selectively, rapidly and uniformly heated.

しかし、金属はマイクロ波を反射するため、マイクロ波が金属に吸収されないので、従来の技術では、金属をマイクロ波加熱によって蒸発させることはできず、金属蒸気を得ることはできなかった。   However, since the metal reflects the microwave, the microwave is not absorbed by the metal, so that the metal cannot be evaporated by the microwave heating and the metal vapor cannot be obtained by the conventional technique.

そこで、本発明者らは、金属材料とセラミックスとを混合し、この混合体に真空下でマイクロ波を照射することで、混合体の一部となった金属材料にもマイクロ波が吸収され、この金属材料が発熱することを見出した。この加熱により、温度が金属材料の沸点(真空下では、沸点よりも低い温度)近くに達すれば、金属材料は蒸発(又は昇華)し、金属蒸気を発生させることができる。   Therefore, the present inventors mixed a metal material and ceramics, and by irradiating the mixture with microwaves under a vacuum, the microwaves were also absorbed by the metal material that became part of the mixture, It has been found that this metal material generates heat. When the temperature reaches near the boiling point of the metal material (a temperature lower than the boiling point under vacuum) by this heating, the metal material is evaporated (or sublimated), and metal vapor can be generated.

なお、本発明で用いられるマイクロ波には、周波数300MHz〜3THzの電磁波が含まれるが、一般的に使用可能な周波数の範囲は、900MHz〜5.8GHzといえる。なおまた、本発明における真空又は真空下とは、大気圧よりも圧力が低い状態をいい、気圧に限定はない。   Note that the microwaves used in the present invention include electromagnetic waves having a frequency of 300 MHz to 3 THz, but a generally usable frequency range is 900 MHz to 5.8 GHz. In addition, the vacuum or under vacuum in the present invention means a state where the pressure is lower than the atmospheric pressure, and the atmospheric pressure is not limited.

これらの作用効果は、金属材料とセラミックス体との混合体にマイクロ波を照射すると、金属材料への電磁波エネルギーの吸収が大きくなるためと考えられ、真空下では金属を効率よく加熱し、蒸発させることができると考えられる。   These effects are thought to be due to the absorption of electromagnetic wave energy into the metal material when the mixture of the metal material and the ceramic body is irradiated with microwaves. The metal is efficiently heated and evaporated under vacuum. It is considered possible.

これらの作用効果を換言すれば、金属材料とセラミックス体との混合体にマイクロ波を照射すれば、誘導加熱に加えて、電場加熱も可能となることから、電磁波エネルギーの吸収が大きくなり、真空下では金属を効率よく加熱し、金属材料の状態が変わっても連続的に蒸発させることができる。即ち、マルチモードアプリケータを使って加熱できるようになる。シングルモードにおける電場強度が大きい場所でも、金属材料が少なくなったとしても電場により電磁波エネルギーを与え続けることができる。
よって、アプリケータ種類を問わず、マイクロ波の照射により金属を加熱できるので、高効率かつ少ないエネルギーで金属蒸気を発生させることができる。
In other words, if microwaves are applied to a mixture of a metal material and a ceramic body, in addition to induction heating, electric field heating is also possible. Below, the metal can be heated efficiently and continuously evaporated even if the state of the metal material changes. That is, it can be heated using a multi-mode applicator. Even in a place where the electric field strength in the single mode is high, even if the metal material is reduced, electromagnetic wave energy can be continuously applied by the electric field.
Therefore, regardless of the type of applicator, the metal can be heated by microwave irradiation, so that metal vapor can be generated with high efficiency and low energy.

本発明において、金属蒸気とは、気体状態になった原子の他、マイクロ波により励起された原子プラズマやラジカルに励起された原子を含むものとする。   In the present invention, the metal vapor includes atoms that are in a gaseous state, atoms that are excited by microwaves, and atoms that are excited by radicals.

本発明に係る混合体1について、詳述する。
図1に示すとおり、混合体1は、金属材料11と、セラミックス体12とを混合した集合体である。
The mixture 1 according to the present invention will be described in detail.
As shown in FIG. 1, the mixture 1 is an aggregate obtained by mixing a metal material 11 and a ceramic body 12.

金属材料11は、本発明における被蒸発物質であり、蒸気を発生させようとする固体の金属である。金属材料11は、これ単体である場合では、マイクロ波を表面で反射して吸収しないので、マイクロ波を照射しても十分に加熱されない。   The metal material 11 is a substance to be evaporated in the present invention, and is a solid metal that attempts to generate steam. In the case where the metal material 11 is a single substance, the microwave is not reflected and absorbed by the surface, and therefore, the metal material 11 is not heated sufficiently even when irradiated with the microwave.

金属材料11を形成する金属は、酸化物の還元剤となり得る金属である。
例えば、カルシウム、マグネシウム、ナトリウム又はカリウムなどを含有した金属を挙げることができる。尚、上述したカルシウム等を含有する金属とは、カルシウム等の純金属、カルシウム等を含む化合物である合金、その他不純物を含むカルシウム等の金属等をいう。
特に、酸化チタンの還元を目的とする本発明においては、還元剤の役割を果たすカルシウム又はマグネシウムを金属材料11とすることが好ましい。
The metal forming the metal material 11 is a metal that can be an oxide reducing agent.
For example, a metal containing calcium, magnesium, sodium or potassium can be used. The above-mentioned metal containing calcium or the like means a pure metal such as calcium, an alloy which is a compound containing calcium or the like, a metal such as calcium containing other impurities, or the like.
In particular, in the present invention aiming at reduction of titanium oxide, it is preferable to use calcium or magnesium serving as a reducing agent as the metal material 11.

金属材料11の形状に限定はなく、粉末状、粒状(球状や歪な球状体を含む。)、直方体、薄膜又はコイル状など如何なる形状であってもよい。ただし、セラミックス体12との混合のし易さを考慮すれば、粉末状又は粒状の形態であることが好ましい。また、金属材料は、板状の形態で上市されることが多く、これを細かく切り刻んで薄膜又は板状の形状で使用してもよいし、これを渦巻状に巻いてコイル形状で使用してもよい。
金属材料11の大きさについても限定はない。ただし、セラミックス体12との混合のし易さを考慮して、大きさの揃った粉末状、粒状、球状、直方体状などの金属材料11を使用することが好ましい。
The shape of the metal material 11 is not limited, and may be any shape such as powder, granular (including spherical and distorted spherical bodies), rectangular parallelepiped, thin film, or coil. However, considering the ease of mixing with the ceramic body 12, it is preferably in the form of powder or granules. In addition, metal materials are often marketed in the form of a plate, which may be finely chopped and used in a thin film or plate shape, or may be wound in a spiral shape and used in a coil shape. Also good.
There is no limitation also about the magnitude | size of the metal material 11. FIG. However, in consideration of ease of mixing with the ceramic body 12, it is preferable to use a metal material 11 having a uniform size such as powder, granule, sphere, or cuboid.

金属材料11の大きさは、金属材料の最長部分の長さが、照射するマイクロ波のセラミックス中における波長の1/4以下であることが好ましい。かかる構成より、金属材料とセラミックス体からなる混合体は共振し、金属材料へのマイクロ波が吸収されやすい条件となり、金属材料は効率よく加熱され、金属蒸気を発生させることができる。   The size of the metal material 11 is preferably such that the length of the longest portion of the metal material is ¼ or less of the wavelength of the microwave ceramics to be irradiated. With this configuration, the mixture composed of the metal material and the ceramic body resonates, and the microwave is easily absorbed into the metal material, and the metal material can be efficiently heated to generate metal vapor.

なお、金属材料の最長部分の長さを、照射するマイクロ波のセラミックス中における波長の1/4にすると、マイクロ波に対してアンテナとなるため好ましくない。
なおまた、セラミックスの波長は、λ0/√ε1(λ0:真空中の電磁波の波長、ε1:セラミックスの誘電率)から導出される。
Note that it is not preferable to set the length of the longest part of the metal material to ¼ of the wavelength of the microwave ceramics to be irradiated because the antenna becomes an antenna with respect to the microwave.
The wavelength of the ceramic is derived from λ 0 / √ε 10 : wavelength of electromagnetic wave in vacuum, ε 1 : dielectric constant of ceramic).

ここで、金属材料の最長部分とは、例えば、直方体であれば最も長い対角線、球体であれば直径、歪な球状体(粒状体)であれば最も長い直径、板状体や薄膜であれば最も長い辺又は対角線、円筒形であれば直径又は辺のうち長い方であり、換言すると、金属材料に2点以上で外接する真球のうち最大のものの直径を指し示すものとする。   Here, the longest part of the metal material is, for example, the longest diagonal line in the case of a rectangular parallelepiped, the diameter in the case of a sphere, the longest diameter in the case of a distorted sphere (granular body), and the plate or a thin film. If it is the longest side or diagonal line, or cylindrical, it is the longer of the diameters or sides. In other words, it indicates the diameter of the largest true sphere that circumscribes the metal material at two or more points.

例えば、金属材料11が粉末状や粒状であれば、その形状が球形(歪な球形を含む。)となる場合が多い。この場合は、その形状の最長径、即ち、球体であれば直径、歪な球状体であれば最も長い径の長さが、金属材料の最長部分に該当する。   For example, if the metal material 11 is powdery or granular, the shape is often spherical (including distorted spherical). In this case, the longest diameter of the shape, that is, the diameter in the case of a sphere and the longest diameter in the case of a distorted sphere correspond to the longest portion of the metal material.

例えば、金属材料11が薄膜等の板状の場合、その平面形状が、三角形である場合には最長辺の長さが、その平面形状が、四角形以上の多角形である場合には最長となる対角線の長さが、それぞれ金属材料の最長部分に該当する。   For example, when the metal material 11 is in the form of a plate such as a thin film, the longest side is the longest when the planar shape is a triangle, and the longest when the planar shape is a quadrilateral or more polygon. The length of the diagonal line corresponds to the longest part of the metal material.

セラミックス体12は、無機物を加熱処理し焼き固めた焼結体である。誘電体の特性を有し、耐熱性を有するセラミックスは、電磁波に対する誘電損失が小さく、マイクロ波を透過させるので、マイクロ波を照射しても十分に加熱されない。   The ceramic body 12 is a sintered body in which an inorganic material is heat-treated and baked. Ceramics having dielectric properties and heat resistance have low dielectric loss with respect to electromagnetic waves and transmit microwaves, so that they are not sufficiently heated even when irradiated with microwaves.

セラミックス体12として、耐熱性のあるジルコニア、石英、アルミナ、窒化ホウ素、炭化ケイ素、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム又は窒化アルミニウムを例示することができる。これらの材料は、耐熱性に優れており、電磁波を透過し易いことから、電磁波に対する損失も小さいためである。換言すれば、これらのセラミックスは、マイクロ波が照射されても、これに反応せず、ターゲットの加熱に最適な条件で照射されたマイクロ波に影響を及ぼさない。   Examples of the ceramic body 12 include heat-resistant zirconia, quartz, alumina, boron nitride, silicon carbide, silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, or aluminum nitride. This is because these materials are excellent in heat resistance and easily transmit electromagnetic waves, so that the loss with respect to the electromagnetic waves is small. In other words, even when these ceramics are irradiated with microwaves, they do not react to the microwaves and do not affect the microwaves irradiated under the optimum conditions for heating the target.

セラミックス体12の形態に限定はなく、粉末状、粒状(球状や歪な球状体の形状を含む。以下同じ。)、直方体状など如何なる形状であってもよい。ただし、金属材料11との混合のし易さを考慮して、粉末状又は粒状の形態であることが好ましい。中でも、セラミックボールとも呼称させる球体のセラミックスを採用することが好ましい。
また、セラミックス体12の大きさについても限定はない。ただし、金属材料11との混合のし易さを考慮して、大きさの揃った粉末状、粒状、球状、立方体状などのセラミックス体12を使用することが好ましい。
The form of the ceramic body 12 is not limited, and may be any shape such as powder, granular (including spherical and distorted spherical bodies, the same applies hereinafter), and a rectangular parallelepiped. However, considering the ease of mixing with the metal material 11, it is preferably in the form of powder or granules. Among them, it is preferable to employ spherical ceramics that are also called ceramic balls.
Further, the size of the ceramic body 12 is not limited. However, considering the ease of mixing with the metal material 11, it is preferable to use a ceramic body 12 having a uniform powder size, granular shape, spherical shape, cubic shape, or the like.

混合体1の作製手段について限定はないが、例えば、共に粉末状、粒状又は球状の形態である金属材料11とセラミックス体12とを同じ容器(図では、第一容器2)に入れ、これらを適度に混ぜ合わせる方法を挙げることができる。この際に、混合体1を押し固める等して成型する必要はない。   Although there is no limitation about the preparation means of the mixture 1, For example, the metal material 11 and the ceramic body 12 which are both powdery, granular, or spherical forms are put in the same container (the first container 2 in the figure), and these are placed. The method of mixing moderately can be mentioned. At this time, it is not necessary to mold the mixture 1 by pressing it.

混合体1について、金属材料11とセラミックス体12とを不均一に混合する方法と、均一に混合する方法とが挙げられる。図1に示される混合体1の実施例は、金属材料11とセラミックス体12とを不均一に混合した例である。図2に示される混合体1の他の実施例は、金属材料11とセラミックス体12とを均一に混合した例である。
いずれの混合方法による加熱効率が良いかは、金属材料11とセラミックス12の具体的な性質や、マイクロ波のセッティング等によって適宜判断すべきである。
For the mixed body 1, there are a method of mixing the metal material 11 and the ceramic body 12 non-uniformly and a method of mixing uniformly. The embodiment of the mixture 1 shown in FIG. 1 is an example in which the metal material 11 and the ceramic body 12 are mixed non-uniformly. Another embodiment of the mixture 1 shown in FIG. 2 is an example in which the metal material 11 and the ceramic body 12 are uniformly mixed.
Which mixing method should provide good heating efficiency should be appropriately determined according to the specific properties of the metal material 11 and the ceramic 12, the microwave setting, and the like.

混合体の最長部分の長さを、照射するマイクロ波のセラミックス中における波長の1/4の整数倍とすることで、混合体がアンテナ共振するため、マイクロ波エネルギーを混合体内に閉じ込めることができ、加熱効率を高めることができる。
なお、混合体の大きさについて、上記1/4の整数倍の条件から外れたとしても、マイクロ波による加熱は可能である。上記1/4の整数倍の条件が、混合体を最も効率的に加熱できる条件であり、この条件から外れるほど、加熱効率が下がるといえる。
By setting the length of the longest part of the mixture to an integral multiple of 1/4 of the wavelength of the microwave to be irradiated, the mixture resonates with the antenna, so that the microwave energy can be confined in the mixture. , Heating efficiency can be increased.
Even if the size of the mixture deviates from the condition of an integral multiple of 1/4, heating with microwaves is possible. The condition that is an integral multiple of 1/4 is a condition that allows the mixture to be heated most efficiently. It can be said that the heating efficiency decreases as the condition deviates from this condition.

ここで、混合体の最長部分とは、例えば、直方体であれば最も長い対角線、球体であれば直径、歪な球状体(粒状体)であれば最も長い直径(最長径)、板状体や薄膜であれば最も長い辺又は対角線、円筒形であれば直径又は辺のうち長い方であり、換言すると、混合体に2点以上で外接する真球のうち最大のものの直径を指し示すものとする。   Here, the longest part of the mixture is, for example, the longest diagonal line for a rectangular parallelepiped, the diameter for a spherical body, the longest diameter (longest diameter) for a distorted spherical body (granular body), In the case of a thin film, it is the longest side or diagonal line, and in the case of a cylindrical shape, it is the longer one of diameters or sides. In other words, it indicates the diameter of the largest sphere that circumscribes the mixture at two or more points. .

上述の要領で製造した混合体1を、加熱室(マイクロ波照射室)に載置し、これにマイクロ波を照射すれば、混合体1内の金属材料11はマイクロ波を吸収して発熱する。金属材料11の温度が、沸点(真空下では、沸点よりも低い温度。)に達すれば、金属材料11は蒸発(又は昇華)し、金属蒸気11’を発生させることができる。   When the mixture 1 manufactured as described above is placed in a heating chamber (microwave irradiation chamber) and irradiated with microwaves, the metal material 11 in the mixture 1 absorbs microwaves and generates heat. . When the temperature of the metal material 11 reaches a boiling point (a temperature lower than the boiling point under vacuum), the metal material 11 can be evaporated (or sublimated) to generate a metal vapor 11 '.

そして、上述の要領で発生した金属蒸気11’と、酸化チタンとが反応することによって、この酸化チタンを還元し、チタン金属を得ることができる。   And when the metal vapor | steam 11 'generate | occur | produced in the above-mentioned way and titanium oxide react, this titanium oxide can be reduce | restored and a titanium metal can be obtained.

これらを反応させ酸化チタンを還元するためには、酸化チタンが、金属蒸気11’に曝されて接触すればよい。接触させる手段に限定はなく、公知公用の手段を特別の制限なく
採用することができるが、例えば、金属材料11と、酸化チタンとを同空間に設置し、金属材料11から発生した金属蒸気11’が、酸化チタンに到達するように、両者を同空間内に配置すればよい。また、金属材料11から金属蒸気11’を発生させる空間と、酸化チタンが設置された空間が異なる場合でも、金属蒸気11’が、酸化チタンが設置された空間に到達することができ、これらが接触する構成としても良い。
In order to react these and reduce titanium oxide, titanium oxide may be exposed to and contacted with metal vapor 11 '. The means for contacting is not limited, and publicly known means can be adopted without any particular limitation. For example, the metal material 11 and titanium oxide are installed in the same space, and the metal vapor 11 generated from the metal material 11 is used. Both may be arranged in the same space so that 'reaches titanium oxide. Moreover, even when the space where the metal vapor 11 ′ is generated from the metal material 11 and the space where the titanium oxide is installed are different, the metal vapor 11 ′ can reach the space where the titanium oxide is installed. It is good also as a structure which contacts.

これらの反応を反応式で示すと、以下のとおりである。
・金属材料としてカルシウムを用いた場合
TiO2(s)+2Ca(g) → Ti(s)+2CaO(s)
(s):固体,(g):気体
・金属材料としてマグネシウムを用いた場合
TiO2(s)+2Mg(g) → Ti(s)+2MgO(s)
(s):固体,(g):気体
These reactions are represented by the following reaction formulas.
・ When calcium is used as the metal material
TiO 2 (s) + 2Ca (g) → Ti (s) + 2CaO (s)
(s): Solid, (g): Gas ・ When magnesium is used as the metal material
TiO 2 (s) + 2Mg (g) → Ti (s) + 2MgO (s)
(s): Solid, (g): Gas

なお、本発明に使用される酸化チタンについて、その態様や大きさに限定はない。一般的に、酸化チタンは常温下において固体であり、白色の粉末状(粉状)又は粒状の形態であり、本発明においても、これらの形態の酸化チタンを使用することができる。   In addition, about the titanium oxide used for this invention, there is no limitation in the aspect and magnitude | size. In general, titanium oxide is solid at room temperature and is in the form of white powder (powder) or granular form. In the present invention, titanium oxides in these forms can be used.

続いて、上述の方法で金属蒸気11’を発生させ、この金属蒸気11’を酸化物に接触させて、酸化物を還元するための装置3について説明する。
なお、本発明は、金属蒸気を上述した方法で発生させ、これにより発生した金属蒸気11’と、酸化チタンとを反応させることによって、酸化チタンを還元する手段の提案を本質としており、本発明の内容は、以下に説明する装置3の構成や、この装置3を用いた還元方法に限定されるものでない。
Subsequently, the apparatus 3 for reducing the oxide by generating the metal vapor 11 ′ by the above-described method and bringing the metal vapor 11 ′ into contact with the oxide will be described.
The present invention is based on the proposal of means for reducing titanium oxide by generating metal vapor by the above-described method and reacting the metal vapor 11 ′ generated thereby with titanium oxide. Is not limited to the configuration of the apparatus 3 described below or a reduction method using the apparatus 3.

図3に、本発明に係る酸化チタンの還元方法を実施するための装置3の一実施例を示す。
装置3は、少なくとも加熱室4、第一容器2、第二容器6及びマイクロ波源7から構成される。
FIG. 3 shows an embodiment of an apparatus 3 for carrying out the titanium oxide reduction method according to the present invention.
The apparatus 3 includes at least a heating chamber 4, a first container 2, a second container 6, and a microwave source 7.

加熱室4は、マイクロ波を混合体1に照射し、加熱する空間である。加熱室4の形態やこれを形成する材料に限定はないが、高温に耐え得る材料から形成され、マイクロ波を吸収せず、かつ金属蒸気と反応しない材料で形成されることが好ましい。例えば、アルミナ系耐火物、ジルコニア系耐火物、マグネシア系耐火物で形成することができ、耐熱鋼やステンレス合金で形成してもよい。   The heating chamber 4 is a space that irradiates the mixture 1 with microwaves and heats it. The form of the heating chamber 4 and the material forming the heating chamber 4 are not limited, but the heating chamber 4 is preferably formed of a material that can withstand high temperatures, does not absorb microwaves, and does not react with metal vapor. For example, it can be formed of alumina refractories, zirconia refractories, magnesia refractories, or may be formed of heat resistant steel or stainless alloy.

加熱室4には、後述する第一容器2や第二容器6を設置・固定するための構成が設けられることが好ましい。例えば、第一容器2等を設置・固定するための置き台となる載置台9(図3では図示しないが、検証実験で使用した装置を示す図5では図示する。)を設ける構成を挙げることができる。
また、図3では第一容器2及び第二容器6を縦に直列的に配置し、マイクロ波源7を加熱室4に配置したが、加熱室4における第一容器2、第二容器6及びマイクロ波源7の位置に限定はなく、例えば、第一容器2と第二容器6を並列に配置してもよい。
The heating chamber 4 is preferably provided with a configuration for installing and fixing a first container 2 and a second container 6 described later. For example, mention may be made of a configuration in which a mounting table 9 (not shown in FIG. 3 but shown in FIG. 5 showing an apparatus used in a verification experiment) is provided as a mounting table for installing and fixing the first container 2 and the like. Can do.
Further, in FIG. 3, the first container 2 and the second container 6 are arranged vertically in series, and the microwave source 7 is arranged in the heating chamber 4, but the first container 2, the second container 6, and the micro in the heating chamber 4. The position of the wave source 7 is not limited. For example, the first container 2 and the second container 6 may be arranged in parallel.

第一容器2は、金属材料11とセラミックス体12とを収容する、即ち、混合体1を収容する容器である。換言すれば、第一容器2内で金属材料11とセラミックス体12とを混合し、混合体1を製作することができる。
使用する金属材料11は、カルシウム又はマグネシウムであることが好ましい。
第一容器2の形状に限定はないが、例えば、図3に示されるように、上方が開放されたボウル型の容器や、公知公用の形状をした石英管や坩堝を挙げることができる。
The first container 2 is a container that stores the metal material 11 and the ceramic body 12, that is, the container 1. In other words, the metal material 11 and the ceramic body 12 can be mixed in the first container 2 to produce the mixture 1.
The metal material 11 to be used is preferably calcium or magnesium.
Although the shape of the first container 2 is not limited, for example, as shown in FIG. 3, a bowl-shaped container having an open top, a quartz tube or a crucible having a publicly known shape can be used.

第二容器6は、酸化物を含む原料5を収容する容器である。
第二容器6に収容する原料5は、酸化チタンである。
第二容器6の形状に限定はないが、例えば、図3に示されるように、上方が開放されたボウル型の容器や、公知公用の形状をした坩堝を挙げることができる。
The 2nd container 6 is a container which accommodates the raw material 5 containing an oxide.
The raw material 5 accommodated in the second container 6 is titanium oxide.
Although there is no limitation in the shape of the 2nd container 6, as shown in FIG. 3, the bowl-shaped container by which upper direction was open | released, and the crucible of the publicly known shape can be mentioned, for example.

図3に示される実施例では、混合体1は第一容器2に、原料5は第二容器6にそれぞれ収容されているが、混合体1と原料5とが同じ容器に収容される構成を採用してもよい。   In the embodiment shown in FIG. 3, the mixture 1 is stored in the first container 2 and the raw material 5 is stored in the second container 6. However, the mixture 1 and the raw material 5 are stored in the same container. It may be adopted.

マイクロ波源7は、マイクロ波発振器71を含み、加熱室4内の混合体1に照射するためのマイクロ波を発振させる装置である。
マイクロ波源7は、図3に示されるように、マイクロ波発振器71により発振したマイクロ波を、導波管72を介して、マイクロ波導入口73から加熱室4にマイクロ波を照射する構成である。
マイクロ波源7については、公知公用の構成を採用することができ、例えば、マグネトロンを採用することができる。
The microwave source 7 is a device that includes a microwave oscillator 71 and oscillates microwaves for irradiating the mixture 1 in the heating chamber 4.
As shown in FIG. 3, the microwave source 7 has a configuration in which microwaves oscillated by a microwave oscillator 71 are irradiated from the microwave introduction port 73 to the heating chamber 4 via the waveguide 72.
For the microwave source 7, a publicly known configuration can be adopted, for example, a magnetron can be adopted.

加熱室4内に、断熱材8を設けることができる。
断熱材8は、第一容器2及び第二容器6の周囲に設置することが好ましい。これにより、マイクロ波の照射によって発熱した混合体1の熱を、加熱室2内の空間に逃さず、混合体1の温度上昇を早め、金属蒸気の発生を早めることができる。
ただし、断熱材8を、第一容器2の上部に設置することは好ましくない。上部に設置すると、第一容器2から発生した金属蒸気11’が、第二容器6に到達するのを妨げるおそれがあるためである。
A heat insulating material 8 can be provided in the heating chamber 4.
The heat insulating material 8 is preferably installed around the first container 2 and the second container 6. Thereby, the heat of the mixture 1 generated by the microwave irradiation is not released to the space in the heating chamber 2, and the temperature rise of the mixture 1 can be accelerated and the generation of metal vapor can be accelerated.
However, it is not preferable to install the heat insulating material 8 on the upper part of the first container 2. This is because the metal vapor 11 ′ generated from the first container 2 may be prevented from reaching the second container 6 when installed on the upper part.

加熱室4には、真空ポンプVを接続することができる。
真空ポンプVによって加熱室4内又は第一容器2及び第二容器6内を減圧することで、沸点よりも低い温度で金属材料11を蒸発させることができ、加熱室4内又は第一容器2及び第二容器6内の不純物等を除去することもできる。
A vacuum pump V can be connected to the heating chamber 4.
By reducing the pressure in the heating chamber 4 or the first container 2 and the second container 6 by the vacuum pump V, the metal material 11 can be evaporated at a temperature lower than the boiling point. In addition, impurities and the like in the second container 6 can be removed.

また、真空下で、混合体にマイクロ波を照射すれば、発生させる金属蒸気の分圧(大気中における金属蒸気が占める割合)を高めることができ、これにより、金属蒸気11’と、酸化チタンとの反応性を高めることができる。
更に、反応前は、金属材料の酸化を防止又は抑制することができ、反応後は、還元されたチタン金属が再び酸化することを防止又は抑制することができる。
なお、本発明において「真空」とは、大気圧よりも圧力が低い状態をいい、気圧による限定はない。
Further, if the mixture is irradiated with microwaves under vacuum, the partial pressure of the metal vapor to be generated (ratio occupied by the metal vapor in the atmosphere) can be increased, whereby the metal vapor 11 ′ and titanium oxide are increased. The reactivity with can be increased.
Furthermore, before the reaction, the oxidation of the metal material can be prevented or suppressed, and after the reaction, the reduced titanium metal can be prevented or suppressed from being oxidized again.
In the present invention, “vacuum” refers to a state where the pressure is lower than atmospheric pressure, and there is no limitation by atmospheric pressure.

加熱室4内において、マイクロ波は、第一容器2に収容された混合体1のみならず、第二容器6に収容された原料5(酸化チタン)にも照射されることが好ましい。これにより、上記原料5も加熱され高温の状態となれば、金属蒸気11’との反応性が高まるためである。   In the heating chamber 4, the microwave is preferably irradiated not only on the mixture 1 accommodated in the first container 2 but also on the raw material 5 (titanium oxide) accommodated in the second container 6. Thereby, if the raw material 5 is also heated to a high temperature, the reactivity with the metal vapor 11 ′ increases.

ただし、第二容器6に収容された原料5の加熱手段について限定はない。
上記した手段では、図3における加熱室4という共通した空間に、第一容器2に収容された混合体1と、第二容器6に収容された原料5が設置され、この空間に照射された同じマイクロ波源から照射されたマイクロ波によって、両者が加熱される構成である。
However, the heating means for the raw material 5 accommodated in the second container 6 is not limited.
In the above-described means, the mixture 1 accommodated in the first container 2 and the raw material 5 accommodated in the second container 6 are installed in a common space called the heating chamber 4 in FIG. 3, and this space is irradiated. Both are heated by microwaves irradiated from the same microwave source.

一方で、第一容器2に収容された混合体1が設置された空間と、第二容器6に収容された原料5が設置された空間とを、異なる空間とした構成を採用することができる。   On the other hand, it is possible to adopt a configuration in which the space in which the mixture 1 accommodated in the first container 2 is installed and the space in which the raw material 5 accommodated in the second container 6 is installed are different spaces. .

例えば、図4に示される装置3’のように、第一容器2に収容された混合体1が設置された空間(加熱室4a)と、第二容器6に収容された原料5が設置された空間(加熱室4b)のそれぞれに、マイクロ波源7a・7bを設ける構成を挙げることができる。マイクロ波源7a又は7bは、加熱対象である混合体1又は原料5のそれぞれに最適なマッチングのマイクロ波を発振することができる。   For example, as in an apparatus 3 ′ shown in FIG. 4, a space (heating chamber 4a) in which the mixture 1 accommodated in the first container 2 is installed and a raw material 5 accommodated in the second container 6 are installed. A configuration in which microwave sources 7a and 7b are provided in each of the spaces (heating chamber 4b) can be given. The microwave source 7a or 7b can oscillate the optimum matching microwave for each of the mixture 1 or the raw material 5 to be heated.

加熱室4aと4bは、蒸気通路41によって接続される。この蒸気通路41は、加熱室4aで発生した金属蒸気11’を、加熱室4bへ通過させることができる開口である。これにより、加熱室4aで発生した金属蒸気11’は、蒸気通路41を通過して加熱室4bに到達し、加熱室4bの原料5に到達することができる構成である。   The heating chambers 4 a and 4 b are connected by a steam passage 41. This steam passage 41 is an opening through which the metal vapor 11 ′ generated in the heating chamber 4 a can pass to the heating chamber 4 b. Thereby, the metal vapor | steam 11 'generate | occur | produced in the heating chamber 4a can pass the vapor | steam channel | path 41, reaches | attains the heating chamber 4b, and can reach the raw material 5 of the heating chamber 4b.

一方で、蒸気通路41は、チョーク構造によりマイクロ波が透過しないものとすることができる。この場合、加熱室4aに照射されたマイクロ波エネルギーは、加熱室4aに閉じ込められ、加熱室4bに照射されたマイクロ波エネルギーは、加熱室4bに閉じ込められるので、それぞれの加熱室4a・4bに照射されたマイクロ波が、他の加熱室4b・4aに影響を及ぼすことがない。この構造によって、加熱室4aには、ここに設置される混合体1の加熱に最適なマッチングのマイクロ波を、加熱室4bには、ここに設置される原料5の加熱に最適なマッチングのマイクロ波を、それぞれ照射することができ、混合体1と原料5を異なる設定(主に、出力と照射時間。)で効率よく加熱することができる。   On the other hand, the steam passage 41 can be configured such that microwaves do not pass through the choke structure. In this case, the microwave energy irradiated to the heating chamber 4a is confined in the heating chamber 4a, and the microwave energy irradiated to the heating chamber 4b is confined in the heating chamber 4b. The irradiated microwave does not affect the other heating chambers 4b and 4a. According to this structure, the heating chamber 4a has an optimum matching microwave for heating the mixture 1 installed therein, and the heating chamber 4b has an optimum matching microwave for heating the raw material 5 installed here. Each wave can be irradiated, and the mixture 1 and the raw material 5 can be efficiently heated with different settings (mainly output and irradiation time).

蒸気通路41の位置、形状、素材には限定はないが、金属等の導電性物質で側壁を形成することができ、その形状は、好ましくは例えば円筒型である。
蒸気通路41の直径を、マイクロ波源7a・7bから発振されるマイクロ波の波長の1/8以下とすることにより、蒸気通路41をマイクロ波が通過しないものとすることができ、その直径は好ましくは1/64以上であって、長さは、同じくマイクロ波源7a・7bから発振されるマイクロ波の波長の1/4以上であり、好ましくは1波長以下に形成されている。かかる大きさに蒸気通路41を形成することで、チョーク構造となり、蒸気通路41からマイクロ波が漏洩しない。
The position, shape, and material of the vapor passage 41 are not limited, but the side wall can be formed of a conductive material such as metal, and the shape is preferably, for example, a cylindrical shape.
By setting the diameter of the vapor passage 41 to 1/8 or less of the wavelength of the microwave oscillated from the microwave sources 7a and 7b, the microwave can be prevented from passing through the vapor passage 41, and the diameter is preferably Is 1/64 or more, and the length is also 1/4 or more of the wavelength of the microwaves oscillated from the microwave sources 7a and 7b, and preferably 1 wavelength or less. By forming the steam passage 41 in such a size, a choke structure is formed, and the microwave does not leak from the steam passage 41.

また、第二容器6に収容された原料5の加熱手段の他の例として、第二容器6又はこれに収容される原料5に対して、電気炉等を利用した異なる熱源を採用する構成を挙げることができる。この構成の場合は、第一容器2に収容された混合体1はマイクロ波によって加熱され、第二容器6に収容された原料5は電気炉等を利用した他の熱源によって加熱される。なお、この構成では、混合体1と原料5とを同空間に設置する構成(図3に示される構成)と、混合体1と原料5とを異なる空間に設置する構成(図4に示される構成)のいずれを採用しても良い。   Moreover, as another example of the heating means of the raw material 5 accommodated in the second container 6, a configuration in which a different heat source using an electric furnace or the like is employed for the second container 6 or the raw material 5 accommodated therein. Can be mentioned. In the case of this configuration, the mixture 1 accommodated in the first container 2 is heated by microwaves, and the raw material 5 accommodated in the second container 6 is heated by another heat source using an electric furnace or the like. In this configuration, the configuration in which the mixture 1 and the raw material 5 are installed in the same space (configuration shown in FIG. 3) and the configuration in which the mixture 1 and the raw material 5 are installed in different spaces (shown in FIG. 4). Any one of (configuration) may be adopted.

上述した酸化チタンの還元方法を、反応式で示すと以下のとおりである。
・金属材料としてカルシウムを用いた場合
TiO2(s)+2Ca(g) → Ti(s)+2CaO(s)
(s):固体,(g):気体
・金属材料としてマグネシウムを用いた場合
TiO2(s)+2Mg(g) → Ti(s)+2MgO(s)
(s):固体,(g):気体
The above-described titanium oxide reduction method is represented by the following reaction formula.
・ When calcium is used as the metal material
TiO 2 (s) + 2Ca (g) → Ti (s) + 2CaO (s)
(s): Solid, (g): Gas ・ When magnesium is used as the metal material
TiO 2 (s) + 2Mg (g) → Ti (s) + 2MgO (s)
(s): Solid, (g): Gas

上述した方法にて還元されたチタン金属の態様について限定はないが、粉末状(粉状)又粒状の形態で得られる場合が多い。この場合、チタン金属は、第二容器6又は加熱室4の壁面(側面のみならず、上面及び底面をも含む。)に、CaO又はMgOと共に生成物として付着ないし滞留する。この生成物は、黒色の粉末状(粉状)又粒状の形態である場
合が多く、条件によっては、白色よりの淡色として得られることもある。
Although there is no limitation on the aspect of the titanium metal reduced by the above-described method, it is often obtained in a powdery (powdered) or granular form. In this case, the titanium metal adheres or stays as a product together with CaO or MgO on the wall surface of the second container 6 or the heating chamber 4 (including not only the side surfaces but also the top and bottom surfaces). This product is often in the form of a black powder (powdered) or granular, and depending on conditions, it may be obtained as a lighter color than white.

還元されたチタン金属の回収方法についても限定はないが、例えば、第二容器6又は加熱室4の壁面に付着ないし滞留した粉末状(粉状)又粒状の生成物を、削ぎ落としてかき集める等の手段を挙げることができる。また、かき集めるための道具として、装置が大型の場合には、シャベルやスコップ等を用いても良いし、装置が小型の場合には、小さじ等を用いても良く、生成物が付着ないし滞留した容器ごと回収することもできる。   The method for recovering the reduced titanium metal is not limited. For example, the powdery (powdered) or granular product adhering or staying on the wall of the second container 6 or the heating chamber 4 is scraped off and collected. Can be mentioned. Also, as a tool for collecting, when the apparatus is large, a shovel or a scoop may be used. When the apparatus is small, a teaspoon may be used, and the product adheres or stays. The entire container can also be collected.

<検証実験1>
「カルシウム蒸気を用いた酸化チタンの還元方法」
本発明に係る酸化チタンの還元方法について、検証実験を実施した。
<Verification experiment 1>
"Reduction method of titanium oxide using calcium vapor"
A verification experiment was conducted on the method for reducing titanium oxide according to the present invention.

・装置の概要
検証実験に使用した装置3の概略構成図を、図5に示す。
図5に示すとおり、検証実験では、市販されているマイクロ波加熱炉を用いた。この加熱炉には、マイクロ波源7と真空ポンプVが接続されている。
-Outline of apparatus The schematic block diagram of the apparatus 3 used for verification experiment is shown in FIG.
As shown in FIG. 5, a commercially available microwave heating furnace was used in the verification experiment. A microwave source 7 and a vacuum pump V are connected to the heating furnace.

加熱室には、マイクロ波導入口73が設けられ、載置台9の上に筒状の断熱材8が設置されている。
断熱材8の中には、金属材料11とセラミックス体12からなる混合体1が収容された第一容器2が設置され、この第一容器2の中であって、混合体1の上部に、原料5(酸化チタン)が収容された第二容器6が設置されている。
A microwave introduction port 73 is provided in the heating chamber, and a cylindrical heat insulating material 8 is installed on the mounting table 9.
In the heat insulating material 8, a first container 2 in which a mixture 1 made of a metal material 11 and a ceramic body 12 is accommodated is installed. In the first container 2, on the upper part of the mixture 1, A second container 6 containing a raw material 5 (titanium oxide) is installed.

・混合体と原料
混合体は1、金属材料11とセラミックス体12を、共に第一容器2に収容し、この中で混合することによって作製した。
ここでは、金属材料11として、カルシウム(Ca)を、セラミックス体として、ジルコニア(ZrO2)をそれぞれ用いた。
使用したカルシウムは、球形の粒状体であり、これを複数個用いた。使用したジルコニアは、セラミックボールとも呼称される球形の粒状体であり、これを複数個用いた。このジルコニアの直径は、数百μm〜1mm程度であり、カルシウムの直径は、ジルコニアよりも小さい。
-Mixture and raw material The mixture was prepared by storing the metal material 11 and the ceramic body 12 together in the first container 2 and mixing them.
Here, calcium (Ca) was used as the metal material 11, and zirconia (ZrO 2 ) was used as the ceramic body.
The calcium used was a spherical granule, and a plurality of these were used. The zirconia used was a spherical granular material also called a ceramic ball, and a plurality of these were used. The diameter of this zirconia is about several hundred μm to 1 mm, and the diameter of calcium is smaller than that of zirconia.

混合比率は、カルシウムが2.00g(0.05mol)、ジルコニアが10.0gである。
カルシウム及びジルコニアは、共に球状の粒状体であるため、これらを同じ坩堝(第一容器2)内に収容して混ぜ合わせ、混合体1を作製した。
The mixing ratio is 2.00 g (0.05 mol) for calcium and 10.0 g for zirconia.
Since calcium and zirconia are both spherical particles, they were accommodated in the same crucible (first container 2) and mixed to prepare the mixture 1.

第一容器2として石英管を用い、第二容器6としてアルミナ製の坩堝を用いた。第一容器6の石英管よりも、第二容器6のアルミナ坩堝の方が一回り小さく、第二容器6は第一容器2の中に収容された構成である。   A quartz tube was used as the first container 2, and an alumina crucible was used as the second container 6. The alumina crucible of the second container 6 is slightly smaller than the quartz tube of the first container 6, and the second container 6 is housed in the first container 2.

第二容器6には、原料5として、アナターゼ型酸化チタンを収容した。
使用した酸化チタンは、直径45μm以下の粉体である。
The second container 6 contained anatase-type titanium oxide as the raw material 5.
The titanium oxide used is a powder having a diameter of 45 μm or less.

続いて、加熱室4にマイクロ波を照射した。第一容器2及び第二容器6内は、真空ポンプVによって数十Pa程度に減圧している。
使用したマイクロ波の周波数は2.45GHzであり、出力は800W〜1600Wの範囲で
第二容器6の温度が1050度前後となるように制御され、60分間にわたってマイクロ波を照射した。
Subsequently, the heating chamber 4 was irradiated with microwaves. The inside of the first container 2 and the second container 6 is depressurized to about several tens Pa by the vacuum pump V.
The frequency of the used microwave was 2.45 GHz, the output was controlled in the range of 800 W to 1600 W so that the temperature of the second container 6 was around 1050 degrees, and the microwave was irradiated for 60 minutes.

・検証結果
マイクロ波を照射している間、第二容器6内の温度経過を測定した(図6参照)。
図6に示されるように、マイクロ波照射を開始してから2〜3分ほど経過して、第二容器6内の温度が急激に上昇し、5分ほど経過した時点で約1050度に達した。その後は、マイクロ波の照射を終了するまで、同じ温度を維持した。
-Verification result While irradiating the microwave, the temperature course in the 2nd container 6 was measured (refer FIG. 6).
As shown in FIG. 6, about 2 to 3 minutes have passed since the microwave irradiation was started, the temperature in the second container 6 suddenly increased, and reached about 1050 degrees after about 5 minutes. did. Thereafter, the same temperature was maintained until the microwave irradiation was completed.

第二容器6内に収容された酸化チタンが、マイクロ波照射によって1000度以上に達するとは考え難いことから、これらの温度変化は、第一容器2内のカルシウムがマイクロ波加熱によって蒸発し、金属蒸気11’となって第二容器6に到達したことによるものと考えられる。   Since it is difficult to think that the titanium oxide accommodated in the second container 6 reaches 1000 degrees or more by microwave irradiation, these temperature changes cause the calcium in the first container 2 to evaporate by microwave heating, This is considered to be due to the metal vapor 11 ′ reaching the second container 6.

よって、上述した混合体1にマイクロ波を照射することによって、混合体1を構成するカルシウムが加熱され、やがて蒸発して金属蒸気を発生させることが検証された。
なお、カルシウムの沸点は1484度であるが、減圧下での蒸気圧は1000℃程度と考えられる。
Therefore, it was verified that by irradiating the above-described mixture 1 with microwaves, calcium constituting the mixture 1 was heated and eventually evaporated to generate metal vapor.
Although the boiling point of calcium is 1484 degrees, the vapor pressure under reduced pressure is considered to be about 1000 ° C.

ここでは、上記温度変化の測定と共に、第一容器2と第二容器6について目視による観察も行った。
マイクロ波を照射後、第一容器2の内部が薄紫色(薄赤色よりもやや薄色)になったことを確認した。この薄紫色は、カルシウムのプラズマ状態における発色として知られており、これにより、金属材料であるカルシウムがプラズマとなったことが確認できた。
なお、上述したとおり、本発明において金属蒸気とは、気体状態になった原子の他、マイクロ波により励起された原子プラズマやラジカルに励起された原子を含むものである。よって、本発明に係る方法の使用により、カルシウムの金属蒸気を発生させることが確認できた。
Here, the first container 2 and the second container 6 were also visually observed together with the measurement of the temperature change.
After irradiation with microwaves, it was confirmed that the inside of the first container 2 became light purple (slightly lighter than light red). This light purple color is known as color development in the plasma state of calcium, and it was confirmed that calcium, which is a metal material, became plasma.
Note that, as described above, in the present invention, the metal vapor includes atoms that are excited by microwaves and atoms excited by microwaves in addition to atoms that are in a gaseous state. Therefore, it has been confirmed that the use of the method according to the present invention generates calcium metal vapor.

続いて、マイクロ波照射を終えた後、第二容器6又はこの上部に付着した成分を取り出し、X線解析(XRD)を行った。
X線解析の結果を、図7に示す。
図7に示されるように、CaOを示すピークの近傍に、チタン(Ti)を示すピークが現れ
た。この結果により、酸化チタンの還元に成功したことがわかった。
Then, after finishing microwave irradiation, the component adhering to the 2nd container 6 or this upper part was taken out, and the X-ray analysis (XRD) was performed.
The result of the X-ray analysis is shown in FIG.
As FIG. 7 shows, the peak which shows titanium (Ti) appeared in the vicinity of the peak which shows CaO. From this result, it was found that titanium oxide was successfully reduced.

なお、本検証実験での反応を式で表すと、次のとおりである。
TiO2(s)+2Ca(g) → Ti(s)+2CaO(s)
(s):固体,(g):気体
The reaction in this verification experiment is expressed as follows.
TiO 2 (s) + 2Ca (g) → Ti (s) + 2CaO (s)
(s): Solid, (g): Gas

<検証実験2>
「マグネシウム蒸気を用いた酸化チタンの還元方法」
本発明に係る酸化チタンの還元方法について、検証実験2を実施した。
<Verification experiment 2>
"Reduction method of titanium oxide using magnesium vapor"
The verification experiment 2 was implemented about the reduction method of the titanium oxide which concerns on this invention.

検証実験2に用いた装置や混合体の製造方法などは、検証実験1と同様であり、金属材料11として、カルシウムに替えてマグネシウムを使用した。
使用したマイクロ波の周波数は2.45GHzであり、出力は800W〜1000Wの範囲で
第二容器6の温度が1100度前後となるように制御され、60分間にわたってマイクロ波を照射した。
The apparatus used in the verification experiment 2 and the manufacturing method of the mixture are the same as those in the verification experiment 1. Magnesium was used as the metal material 11 instead of calcium.
The frequency of the used microwave was 2.45 GHz, the output was controlled so that the temperature of the second container 6 was around 1100 degrees in the range of 800 W to 1000 W, and the microwave was irradiated for 60 minutes.

・検証結果
マイクロ波を照射している間、第二容器6内の温度経過を測定した(図8参照)。
図8に示されるように、マイクロ波照射を開始してから7〜8分経過したところで、第二容器6内の温度が急激に上昇し、1000度に達した。その後は、マイクロ波の照射を
終了するまで、1100度前後を維持した。
-Verification result While irradiating the microwave, the temperature course in the 2nd container 6 was measured (refer FIG. 8).
As shown in FIG. 8, when 7 to 8 minutes have elapsed since the start of the microwave irradiation, the temperature in the second container 6 suddenly increased and reached 1000 degrees. After that, around 1100 degrees was maintained until the microwave irradiation was completed.

第二容器6内に収容された酸化チタンが、マイクロ波照射によって900度に達するとは考え難いことから、これらの温度変化は、第一容器2内のマグネシウムがマイクロ波加熱によって蒸発し、金属蒸気11’となって第二容器6に到達したことによるものと考えられる。   Since it is difficult to think that the titanium oxide accommodated in the second container 6 reaches 900 degrees by microwave irradiation, these temperature changes cause the magnesium in the first container 2 to evaporate by microwave heating, and the metal This is considered to be due to the vapor 11 ′ reaching the second container 6.

よって、上述した混合体1にマイクロ波を照射することによって、混合体1を構成するマグネシウムが加熱され、やがて蒸発して金属蒸気を発生させることが検証された。   Therefore, it was verified that by irradiating the above-described mixture 1 with microwaves, magnesium constituting the mixture 1 was heated and eventually evaporated to generate metal vapor.

ここでは、上記温度変化の測定と共に、第一容器2と第二容器6について目視による観察も行った。
マイクロ波を照射後、第一容器2の内部が緑色になったことを確認した。この緑色は、マグネシウムのプラズマ状態における発色として知られており、これにより、金属材料であるマグネシウムがプラズマとなったことが確認できた。
なお、上述したとおり、本発明において金属蒸気とは、気体状態になった原子の他、マイクロ波により励起された原子プラズマやラジカルに励起された原子を含むものである。よって、本発明に係る方法の使用により、マグネシウムの金属蒸気を発生させることが確認できた。
Here, the first container 2 and the second container 6 were also visually observed together with the measurement of the temperature change.
After the microwave irradiation, it was confirmed that the inside of the first container 2 became green. This green color is known as the color development in the plasma state of magnesium, and it was confirmed that magnesium as a metal material became plasma.
Note that, as described above, in the present invention, the metal vapor includes atoms that are excited by microwaves and atoms excited by microwaves in addition to atoms that are in a gaseous state. Therefore, it was confirmed that the metal vapor of magnesium was generated by using the method according to the present invention.

続いて、マイクロ波照射を終えた後、第二容器6又はこの上部に付着した成分を取り出し、X線解析(XRD)を行った。
X線解析の結果を、図9に示す。
図9に示されるように、MgOを示すピークの近傍に、チタン(Ti)を示すピークが現れ
た。この結果により、酸化チタンの還元に成功したことがわかった。
Then, after finishing microwave irradiation, the component adhering to the 2nd container 6 or this upper part was taken out, and the X-ray analysis (XRD) was performed.
The result of the X-ray analysis is shown in FIG.
As FIG. 9 shows, the peak which shows titanium (Ti) appeared in the vicinity of the peak which shows MgO. From this result, it was found that titanium oxide was successfully reduced.

なお、本検証実験での反応を式で表すと、次のとおりである。
TiO2(s)+2Mg(g) → Ti(s)+2MgO(s)
(s):固体,(g):気体
The reaction in this verification experiment is expressed as follows.
TiO 2 (s) + 2Mg (g) → Ti (s) + 2MgO (s)
(s): Solid, (g): Gas

上述の通り、検証実験1及び2を行い、本発明に係る方法を使用して、酸化チタンの還元に成功した。
これらの実験によって得られた結果物である還元されたチタンは、従来の方法によって還元されたチタンとは、形態的特徴が異なることが分かった。
As described above, verification experiments 1 and 2 were performed, and titanium oxide was successfully reduced using the method according to the present invention.
It was found that the resulting reduced titanium obtained by these experiments differed in morphological characteristics from the titanium reduced by the conventional method.

従来の方法(カルシウムやマグネシウムを、電気炉等を用いて加熱室ごと高温で加熱し、蒸発させる方法。)によって還元されたチタンは、溶融した形態であり、これを加熱室から取り出す頃には、自然冷却により溶融物が固まって固形物となっていた。
溶融物となった理由として、従来の方法では、電気炉等を用いて加熱室全体を高温で加熱する手段を用いているため、金属材料であるカルシウム等のみならず、原料である酸化チタンも高温に加熱され、これらが溶融に至ったものと考えられる。
Titanium reduced by a conventional method (a method of heating and evaporating calcium and magnesium in a heating chamber at a high temperature using an electric furnace or the like) is in a molten form, and when it is taken out of the heating chamber The melt was solidified by natural cooling and became a solid.
As a reason for the melt, the conventional method uses means for heating the entire heating chamber at a high temperature using an electric furnace or the like, so that not only calcium which is a metal material but also titanium oxide which is a raw material It is considered that these were heated to a high temperature and reached melting.

一方で、本発明に係る方法を使用して得られたチタンは、多くの場合、粉末状の形態(粉体)で、乾燥した砂の如き形態である。これを塊として成形するには、得られた粉体を一度溶かし、これを冷却や圧縮することで成形する必要がある。   On the other hand, the titanium obtained by using the method according to the present invention is often in the form of powder (powder) and in the form of dry sand. In order to form this as a lump, it is necessary to melt the obtained powder once and then form it by cooling or compressing it.

図10〜11として、検証実験1によって得られた生成物を撮影した写真を示す。上述の通り、検証実験1では、カルシウム金属蒸気を用いている。
図10は、反応後、第二容器6(検証実験では、アルミナ製の坩堝を使用。)に付着していた生成物を取り出し、これを撮影した写真である。なお、この生成物に、還元された
チタンが含まれていたことは、上記X線解析により確認されている(図7参照)。
図10によれば、還元されたチタンを含む生成物は、第二容器6の壁面に付着していたため、その形状に模られた固形物のようにも観察される。しかし、これを接近して観察すると、細かい粉末状の形態(粉体)が集合して、この固形物を形成していることがわかった。
10 to 11 show photographs taken of the product obtained in the verification experiment 1. FIG. As described above, in the verification experiment 1, calcium metal vapor is used.
FIG. 10 is a photograph of the product taken out after taking out the product adhering to the second container 6 (using an alumina crucible in the verification experiment) after the reaction. In addition, it was confirmed by the said X-ray analysis that the reduced titanium was contained in this product (refer FIG. 7).
According to FIG. 10, since the product containing the reduced titanium was adhered to the wall surface of the second container 6, it is also observed as a solid material imitating its shape. However, when this was closely observed, it was found that fine powdery forms (powder) gathered to form this solid substance.

図11は、図10における生成物が、細かい粉末状の形態(粉体)となった様子を撮影した写真である。図10における固形物は、僅かな力を加えると崩壊して粉体となった。図10における固形物は、これを形成する粉体同士の結合が極めて弱いと考えられ、検証実験1によって得られた生成物は、細かい粉末状の形態(粉体)であることが確認できた。
なお、この生成物には、還元されたチタンの他、酸化カルシウム(CaO)が含まれている(図7に示されるXRD結果参照)。
FIG. 11 is a photograph of the appearance of the product in FIG. 10 in a fine powder form (powder). The solid matter in FIG. 10 collapsed into a powder when a slight force was applied. The solids in FIG. 10 are considered to have extremely weak bonding between the powders forming the solids, and the product obtained by the verification experiment 1 was confirmed to be in a fine powder form (powder). .
In addition, this product contains calcium oxide (CaO) in addition to the reduced titanium (see the XRD result shown in FIG. 7).

粉体として得られた理由として、本発明は金属材料であるカルシウム等を対象としてマイクロ波加熱を利用していることから、原料である酸化チタンは、マイクロ波を照射されたとしても、溶融するほど加熱されなかったことが考えられる。もし、原料である酸化チタンに対してマイクロ波以外の加熱手段を採用したとしても、従来の技術と異なり、本発明では原料の温度を制御することができるので、原料が高温には至らず、原料又は得られる生成物が溶融するには至らない。よって、本発明に係る方法を使用して得られたチタン金属は、粉末状の形態(粉体)で得られたものと考えられる。   The reason why it is obtained as a powder is that since the present invention uses microwave heating for calcium, which is a metal material, titanium oxide, which is a raw material, melts even when irradiated with microwaves. It is thought that it was not heated so much. Even if a heating means other than microwaves is adopted for the raw material titanium oxide, unlike the conventional technology, the temperature of the raw material can be controlled in the present invention, so the raw material does not reach a high temperature, The raw material or the resulting product does not melt. Therefore, it is considered that the titanium metal obtained using the method according to the present invention was obtained in a powder form (powder).

1 混合体
11 金属材料
12 セラミックス体
2 第一容器
3 装置
4 加熱室
5 原料
6 第二容器
7 マイクロ波源
71 マイクロ波発振器
72 導波管
73 マイクロ波導入口
8 断熱材
9 載置台
V 真空ポンプ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Mixture 11 Metal material 12 Ceramic body 2 First container 3 Apparatus 4 Heating chamber 5 Raw material 6 Second container 7 Microwave source 71 Microwave oscillator 72 Waveguide 73 Microwave inlet 8 Heat insulating material 9 Mounting base V Vacuum pump

Claims (8)

金属材料とセラミックス体との混合体に、マイクロ波を照射して加熱し、前記金属材料を蒸発させることによって、金属蒸気を発生させ、
前記金属蒸気を酸化チタンに反応させる構成であり、
前記金属材料は、カルシウム、マグネシウム、ナトリウム又はカリウムであり、
前記セラミックス体は、ジルコニア、石英、アルミナ、窒化ホウ素、炭化ケイ素、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム又は窒化アルミニウムである、ことを特徴とする酸化チタンの還元方法。
A mixture of a metal material and a ceramic body is irradiated with microwaves and heated, thereby evaporating the metal material, thereby generating metal vapor,
The metal vapor is configured to react with titanium oxide ,
The metal material is calcium, magnesium, sodium or potassium,
The method for reducing titanium oxide , wherein the ceramic body is zirconia, quartz, alumina, boron nitride, silicon carbide, silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, or aluminum nitride .
請求項1に記載の方法が、真空下で行われることを特徴とする酸化チタンの還元方法。   The method according to claim 1, wherein the method is performed under vacuum. 前記酸化チタンにマイクロ波を照射して、これを加熱することを特徴とする請求項1又は2に記載の酸化チタンの還元方法。 The method for reducing titanium oxide according to claim 1 or 2 , wherein the titanium oxide is irradiated with microwaves and heated. 前記金属材料の形状が、粉末状、粒状及び/又は膜であることを特徴とする請求項1〜3に記載の酸化チタンの還元方法。 The shape of the metal material, powdered, reduction method of the titanium oxide according to claim 1 to 3, characterized in that a granular and / or thin film. 前記金属材料の最長部分の長さが、照射するマイクロ波のセラミックス中における波長の1/4以下であることを特徴とする請求項4に記載の酸化チタンの還元方法。 5. The method for reducing titanium oxide according to claim 4, wherein the length of the longest portion of the metal material is ¼ or less of the wavelength of the microwave ceramics to be irradiated. 前記混合体の最長部分の長さが、照射するマイクロ波のセラミックス中における波長の1/4の整数倍であることを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の酸化チタンの還元方法。 The length of the longest portion of the mixture is, the method of reducing a titanium oxide according to any one of claims 1 to 5, characterized in that an integral multiple of a quarter of the wavelength in the ceramic of the microwave irradiation . 前記混合体の周囲に断熱材を配置することを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の酸化チタンの還元方法。 The method for reducing titanium oxide according to any one of claims 1 to 6 , wherein a heat insulating material is disposed around the mixture. 前記金属材料と前記セラミックス体とを混合して、前記混合体を作製することを更に含
む、請求項1〜のいずれかに記載の酸化チタンの還元方法。
The metallic material and by mixing the ceramic body, further comprising preparing the mixture, the reduction method of the titanium oxide according to any one of claims 1-7.
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