JPH05339606A - チタン系粉末の製造方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 脱水素工程で発生する水素ガスを水素化工程
の水素源として循環再利用することにより、プロセス上
の危険性を防止し、かつ経済的、効率的にチタン系粉末
を得るための製造方法と装置を提供する。 【構成】 水素化脱水素法によるチタン系粉末の製造プ
ロセスにおいて、脱水素化工程時に発生した水素ガスを
連結導管を介して水素化工程に水素源として供給し、水
素化工程と脱水素工程を同時並行的に進行させる方法。
装置は、外周部に加熱手段５を備え、真空排気管２を有
する冷却ジャケット３により密閉区画された脱水素炉１
と、外周部に加熱手段５を備え、水素供給管11と真空排
気管12を有する冷却ジャケット13により密閉区画された
水素化炉８を、開閉バルブ16を介して導管接続した構
造。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、水素化脱水素法（ＨＤ
Ｈ法）によるチタン系粉末の製造に係り、詳しくは脱水
素処理工程から発生した水素ガスをチタン系原料の水素
化源に利用する効率的なチタン系粉末の製造方法および
その装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】チタンまたはチタン合金は比強度が高
く、耐熱性、耐食性にも優れているため航空機や自動車
部品の材料として有用されているが、加工性の面に難点
があって製品歩留りが低くなるため製造コストが高くな
る問題がある。このため、可及的に最終製品に近似する
形状に成形して加工段階を少なくする部材の製造方法と
して粉末冶金法が注目されている。

【０００３】従来、チタン合金の粉末冶金法には、原料
にチタン粉末とチタン母合金粉末の混合粉を用いる方法
（素粉末法）とチタン合金粉末を用いる方法（合金粉末
法）とがあるが、前者の素粉末法は各原料粉末の混合割
合を変えることで所望の合金組成を形成することができ
るため、技術的、経済的に有利な方法とされている。

【０００４】前記素粉末法および合金粉末法に用いられ
る原料チタン粉や原料チタン合金粉末の製造方法として
は、金属チタンが水素を吸蔵して脆化する性質を利用し
た水素化脱水素法（ＨＤＨ法）が良く知られており、こ
の方法による場合には高性能を与える粉末冶金原料に必
要な極低塩素チタン粉の製造が可能で、微細なチタン粉
を比較的低コストで得ることができるため工業的規模に
おいて広く利用されている。

【０００５】一般に水素化脱水素化法によるチタン系粉
末の製造プロセスは、チタン系原料を高温加熱炉中で水
素ガスと接触させて水素化する水素化工程、水素化チタ
ン塊を不活性雰囲気下で所定の粒度に粉砕する粉砕工
程、粉砕後の水素化チタン粉を高温の真空加熱炉中で脱
水素化処理する脱水素工程、脱水素時に焼結したチタン
塊を破砕する解砕工程、およびチタン粉末を所定の粒度
に分級調整する篩別工程の各段階からなっている。

【０００６】このうち、脱水素工程においては水素化チ
タン系粉末から相当量の水素ガスが解離して発生する
が、現状の工業的製造技術ではこの水素ガスを大気中に
放出して除去している。ところが、水素ガスはあらゆる
気体中で最も密度が小さく、拡散速度が極めて速いう
え、爆発限界が広い。このため、放出した水素ガスが大
気に拡散して装置建屋内の水素濃度が高まると、爆発の
危険性を招くことになる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】通常、水素化脱水素法
においては多量の水素ガスを使用する関係で、その取扱
いには細心の安全対策が講じられているが、前記した脱
水素工程から発生する水素ガスについては回収−再利用
が図られていないため、爆発危険性とともに工業的規模
の見地から極めて不経済である。

【０００８】本発明の目的は、上記の問題点を解消し、
脱水素工程で発生する水素ガスを水素化工程における水
素源として再利用することによりプロセス上の危険性を
防止し、かつ経済的にチタン系粉末を得るための製造方
法ならびにこの方法に用いるための装置を提供しようと
するところにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明によるチタン系粉末の製造方法は、水素化脱
水素法によりチタンまたはチタン基合金等のチタン系粉
末を製造するプロセスにおいて、脱水素工程の処理段階
で発生した水素ガスを連結導管を介して水素化工程に供
給し、該水素ガスをチタン系原料の水素源として使用す
ることにより水素化工程と脱水素工程を同時並行的に進
行させることを構成上の特徴とする。

【００１０】脱水素工程は、予め水素化工程で処理さ
れ、粉砕工程で粉砕された水素化チタン粉を容器に充填
して真空加熱炉（脱水素炉）にセットし、炉内を５００
〜９００℃、好ましくは７００〜９００℃の温度に昇温
する方法でおこなわれる。通常の脱水素工程では、水素
解離圧力よりも雰囲気圧力が小さくなるように系内を真
空ポンプにより強制吸引するが、この操作を施すと水素
分圧が低下して発生水素ガスを水素化工程に利用するこ
とが困難となる。したがって、脱水素工程の初期におい
ては真空引きをせずに加熱して、炉内圧力が水素含有ガ
ス雰囲気により少なくとも１気圧前後に保持されるよう
に操作して水素分圧を高めることが本発明の目的に好適
な条件となる。この脱水素工程の処理段階で解離発生し
た水素ガスは、連結導管を経由して水素化工程に供給す
る。

【００１１】水素化工程は、例えばスポンジチタン、チ
タンインゴットの切削屑や鍛造端材などのチタン系原料
を容器に充填して４００℃以上の温度に保持された密閉
加熱炉（水素化炉）にセットし、この炉内に前記の脱水
素工程で発生した水素ガスを水素源とし、連結導管を経
由して供給することによっておこなわれる。この際、炉
内のチタン系原料は予め４００℃以上に加熱するととも
に、真空分離等の手段を講じて原料に付着している微量
の水分や揮発分等を除去しておくと、水素化が円滑に進
行するうえ、純度の高い水素化チタンに転化させること
ができる。水素化反応が開始されると、反応熱により炉
内温度は急激に上昇してチタン系原料の水素に対する溶
解吸収能が低下する。したがって、この段階では水素吸
収速度と温度を監視しながら、冷却手段により温度制御
をおこなう必要がある。

【００１２】その後、脱水素炉は加熱を継続して５００
℃以上、好しくは７００℃以上の高温域に保持し、他
方、水素化炉は水素吸収に好適な６００℃以下に保持す
る条件を与えることにより、脱水素炉から水素化炉への
水素ガスの移動供給が容易となる。脱水素化が進行して
保持温度における水素分圧が低下したら連結導管のバル
ブを閉じて、脱水素炉から水素化炉への水素ガス供給を
停止し、脱水素炉内を減圧して所定の水素含有量になる
まで脱水素処理をおこなう。他方、水素化炉には不足分
の水素を別系統から導入し、理論吸収量に到達するまで
十分な水素雰囲気を維持する。このようにして、水素化
工程と脱水素工程を同時並行的に効率よく進行させる。

【００１３】上記のプロセスに用いる本発明によるチタ
ン系粉末の製造装置は、外周部に加熱手段を備え、真空
排気管を有する冷却ジャケットにより密閉区画された脱
水素炉と、外周部に加熱手段を備え、水素供給管と真空
排気管を有する冷却ジャケットにより密閉区画された水
素化炉とを併設し、前記脱水素炉と水素化炉の間を開閉
バルブを介して導管接続してなる構造を特徴としてい
る。

【００１４】図１に基づいて説明すると、１は真空排気
管２を有する冷却ジャケット３により密閉区画された脱
水素炉で、炉内にはステンレス製の容器に充填した水素
化チタン粉末４がセットされ、炉の外周部は電熱等の加
熱手段５で囲われている。このほか、アルゴンのような
不活性ガス供給管６および冷却ジャケット３に送風ある
いは流水等を供給するための冷却媒体送入管７が装備さ
れている。８は水素化炉で、水素ボンベ９と流量計10に
連結する水素供給管11と真空排気管12を有する冷却ジャ
ケット13で密閉区画されており、炉内にはステンレス製
の容器に充填されたチタン系原料14がセットされ、炉の
外周部は電熱等の加熱手段５で囲われている。このほ
か、冷却ジケット13に送風または流水等を供給するため
の冷却媒体送入管15が設置されている。

【００１５】このように併設された脱水素炉１と水素化
炉８の間は、開閉バルブ16を介して連結導管17により接
続されており、脱水素炉１で発生した水素ガスを水素化
炉８に供給するためのルートが形成されている。

【００１６】操業に当たっては、まず連結導管17の開閉
バルブ16を閉じた状態で真空ポンプを作動させ、真空排
気管２を介して脱水素炉１を真空引きする。真空引きを
停止したのち、加熱手段５により炉を昇温する。この段
階で、不活性ガス供給管６からアルゴンガスを炉内に封
入すると水素化チタン粉末４の均熱化を図ることができ
る。炉内温度の上昇に伴い、水素化チタン粉末４から水
素が解離発生して炉の内圧が大気圧付近まで高まる。引
き続き、脱水素炉１の炉内温度を５００℃以上、好しく
は７００〜９００℃に保持して脱水素化を進行させる。

【００１７】この間、水素化炉８は真空排気管12を介し
て真空引きしながら加熱手段により昇温し、炉内温度が
４００℃以上になった時点で真空引きを停止する。つい
で、連結導管17の開閉バルブ16を開いて脱水素炉１から
多量の水素ガスを含むアルゴンを水素化炉８に供給す
る。この状態で、前記の水素ガスがチタン系原料と反応
するための水素源となって水素化反応が開始される。水
素化反応が開始したら、脱水素炉１の加熱を停止し、冷
却媒体送入管７から冷却ジャケット３に冷却媒体を強制
導入して炉内温度を６００℃程度に制御する。

【００１８】脱水素炉１の脱水素化が進行し、保持温度
における水素分圧の低下現象が顕著になったら連結導管
17の開閉バルブ16を閉じ、再び炉内を真空引きして所定
の水素含有量になるまで脱水素処理を継続する。一方、
水素化炉８には水素ボンベ９から水素ガスを補充し、理
論吸収量に達するまで十分な水素雰囲気を保持する。操
業が終了したら、脱水素炉１に破砕処理した水素化チタ
ン粉末を充填した新たな容器をセットし、水素化炉８に
は新たなチタン系原料を充填した容器をセットして同様
に操作する。

【００１９】

【作用】水素化脱水素法において中間生成物となる水素
化チタンは水素吸蔵金属の一種であり、平衡圧より低い
水素雰囲気中では容易に水素を解離して放出する性質を
有している。本発明は、かかる性質を巧みに利用して解
離発生させた水素ガスを水素化工程の水素源として循環
再使用する点に特徴付けられる。すなわち、本発明のチ
タン系粉末の製造方法によれば、脱水素工程で発生した
水素ガスをチタン系原料の水素源として使用することに
より、これまで個別的に操業されていた水素化工程と脱
水素工程を同時に並行して実施することが可能となる。

【００２０】したがって、脱水素処理の過程で発生する
水素ガスはほぼ完全に水素化処理に消費され、系外に放
出されることがないから大気拡散による爆発等の危険性
は効果的に解消される。また、この循環再使用の結果、
水素化工程における新たな水素ガスの補給は僅少で済む
ため、大きな経済的効果も得られる。更に、水素ガスの
有する優れた熱伝導性と対流による伝熱作用を介して原
料成分の均熱化が図られ、過度の焼結や粉体の飛散など
の現象が抑制されると共に昇温速度が促進されて、脱水
素時間の短縮化、水素化の円滑化が可能となる。

【００２１】また、本発明によるチタン系粉末の製造装
置は脱水素炉と水素化炉とを開閉バルブを介して連結導
管で接続した構造であるため、従来設備を用いて簡単に
設計施工することができる。したがって、設備費用も極
めて低廉で済む。

【００２２】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて更に具体的
に説明する。

【００２３】実施例１ 図１に示した構造の製造装置を用い、チタン系原料14と
して純チタン（ＪＩＳ−１種相当品、酸素含有量0.04重
量％）インゴットの切削粉（厚さ２mm、長さ３０mm）を
１０. ０kg充填したステンレス容器を水素化炉８にセッ
トし、炉内を真空引きしながら加熱手段５により加熱し
て６５０℃の温度に保持した。脱水素炉１には、粒径１
５０μm 以下に粉砕された理論値に近い水素含有量の水
素化チタン粉末（酸素量0.09重量％）１０．５kgを充填
したステンレス容器をセットし、真空引きしたのち炉内
温度を８００℃に昇温して保持した。脱水素炉１の炉内
が水素化チタン粉末４から発生した水素ガスによって１
気圧に到達した時点で開閉バルブ16を開け、発生水素ガ
スを連結導管17を通じて水素化炉８に供給して水素化反
応を開始した。

【００２４】ついで、水素化炉８の加熱を停止し、冷却
媒体送入管15から送風して冷却ジャケット13を強制冷却
して水素吸収が円滑に進行するように炉内を室温まで冷
却した。この状態で引き続き操業を継続し、脱水素炉１
で発生する水素ガスが認められなくなった時点で開閉バ
ルブ16を閉じ、脱水素炉内を０．０４Torrまで真空引き
したのち不活性ガス供給管６からアルゴンガスを導入し
た。炉が室温まで冷却してから容器を取り出し、処理後
の金属チタンを回収した。一方、水素化炉８も水素雰囲
気に保持したまま室温まで冷却し、容器を取り出して水
素化チタンを回収した。

【００２５】このようにして脱水素工程で処理された金
属チタンを振動ミルにより平均粒径１５０μm 以下に粉
砕した。得られた金属チタン粉末の残留水素量は０．０
３重量％、酸素量は０．１５重量％と高品位特性を示し
た。また、水素化工程で処理された水素化チタンは指先
で容易に破砕できる程に水素脆化されており、その酸素
含有量は０．０５重量％であった。

【００２６】実施例２ 水素化炉に詰めるチタン系原料としてＴｉ−６Ａｌ−４
Ｖ合金（ＡＳＴＭ Grade５相当品、酸素含有量０．１４
重量％）インゴットの切削粉（厚さ２mm、長さ３０mm）
１０．０kgを用い、脱水素炉に詰める原料にＴｉ−６Ａ
ｌ−６Ｖ合金による水素化チタン粉末１０．５kg（粒径
１５０μm 以下、酸素含有量０．１９重量％）を用い
た。その他の条件は実施例１と同一にして脱水素化およ
び水素化の処理をおこなった。その結果、脱水素化処理
後のチタン合金粉末の残留水素量は０．０３重量％、酸
素含有量は０．２５重量％であった。また、水素化処理
後の水素化チタン合金の酸素含有量は０．１５重量％で
あり、実施例１と同様に十分に水素脆化されていること
が認められた。

【００２７】

【発明の効果】以上のとおり、本発明に従えば水素化脱
水素プロセスにおいて脱水素処理の工程で発生する水素
ガスを水素化工程の水素源に有効活用することにより、
水素化工程と脱水素化工程を同時に並行して操業するこ
とが可能となる。したがって、全工程の操業効率が向上
してチタン系粉末の生産性が大幅に改善される。そのう
え、脱水素工程で発生する水素ガスを大気中に放出しな
いため操業上の爆発危険性がなくなり、高価な水素ガス
のリサイクル使用により経済的にも著しく有利となる。
また、製造装置の構造が極めて簡単であることも含め
て、粉末冶金用チタン系粉末の工業的な製造技術として
極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るチタン系粉末の製造装置を示した
略断面図である。

【符号の説明】

１ 脱水素炉 ２ 真空排気管 ３ 冷却ジャケット ４ 水素化チタン粉末 ５ 加熱手段 ６ 不活性ガス供給管 ７ 冷却媒体送入管 ８ 水素化炉 ９ 水素ボンベ 10 流量計 11 水素供給管 12 真空排気管 13 冷却ジャケット 14 チタン系原料 16 開閉バルブ 17 連結導管

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水素化脱水素法によりチタンまたはチタ
   ン基合金等のチタン系粉末を製造するプロセスにおい
   て、脱水素工程の処理段階で発生した水素ガスを連結導
   管を介して水素化工程に供給し、該水素ガスをチタン系
   原料の水素源として使用することにより水素化工程と脱
   水素工程を同時並行的に進行させることを特徴とするチ
   タン系粉末の製造方法。
2. 【請求項２】 外周部に加熱手段を備え、真空排気管を
   有する冷却ジャケットにより密閉区画された脱水素炉
   と、外周部に加熱手段を備え、水素供給管と真空排気管
   を有する冷却ジャケットにより密閉区画された水素化炉
   とを併設し、前記脱水素炉と水素化炉の間を開閉バルブ
   を介して導管接続してなる構造のチタン系粉末の製造装
   置。