JPH06505306A - 金属チタンならびにチタン鉄鉱および関連鉱物を処理する際に有用な中間体の製造方法 - Google Patents
金属チタンならびにチタン鉄鉱および関連鉱物を処理する際に有用な中間体の製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
金属チタンならびにチタン鉄鉱および関連鉱物を処理する際に有用な中間体の製
造方法本発明は、金属チタンならびにチタン鉄鉱および関連鉱物を処理する際に
有用な中間体の製造方法に関する。
オーストラリアは世界中で主要なチタン鉄鉱の生産国であり、約A$75/)ン
で輸出されている。インゴット形の金属チタンの価格は約A$20.000/ト
ンである。さらに精錬された形態においては、例えばジェットエンジンのファン
の羽根が製作されるチタンに基づく合金のように、金属チタンの価値はさらに大
きくなる。金属チタンは、他の大多数の金属および合金と比較すると、化学的腐
食に対して非常に耐性が高く、化学プラントの製造においてならびに発電所の熱
交換器およびその他のユニットに大きな需要がある。別の重要な応用は、金属チ
タンを外科および歯科の移植体および支持体に利用することである。強度と重量
の関係に基づくと、金属チタンは銅鉄よりも強く、超音速軍用航空機の製作に広
く使用されている。チタンを製造するための比較的安価な製造経路は、疲労破壊
を受けやすいことが証明されているアルミニウム合金の代わりにチタンを民間航
空機に使用することを実現可能にするであろう。これは多くの応用の一例であり
、現在よりもさらに安価な方法が利用可能になれば軽くて強くかつ非腐食性の金
属チタンは広い産業上の利用を見い出すであろう。
現在、金属チタンは2つの密接に関連した方法によって商業生産されている。
四塩化チタン(TiCL)を金属ナトリウム(Na)またはマグネシウム(Mg
)のどちらかによって還元する。それぞれの方法は「チタンスポンジ」と呼ばれ
る最初の原料物質を与えるが、この物質は最初の反応の生成物として10〜20
%の塩化ナトリウム(NaC1)または塩化マグネシウム(MgC1□)を含有
しているであろう。
低酸化状態のチタン塩化物(例えば、TiC1,またはTiC1s)がスポンジ
中に含まれるのを避けるために、過剰の還元性金属(NaまたはMg)もスポン
ジ中に存在する。両製造方法はバッチ法であり、反応後に固化したときにこのス
ポンジを反応器から手作業で除去しなければならない。さく岩ドリルおよび爆薬
すら使用されることが報告されている。次いで、このスポンジを真空アーク溶融
によって少なくとも3回精製する。この方法は労力およびエネルギー集約型であ
る。
我々はここに、通常のアルミニウム溶融法に類似した方法を用いることによって
、自由に流れる金属チタン粉末を製造しうろことを見い出した。
本発明によれば、四フッ化チタンおよび融解フッ化アルミン酸塩に可溶性の任意
のへキサフルオロチタン酸塩から選択されるチタン−フッ素化合物を溶融フッ化
アルミン酸塩中の金属アルミニウムで還元することからなる、金属チタンの製造
方法が提供される。
好ましいチタン−フッ素化合物は、ヘキサフルオロチタン酸アルカリ、さらに好
ましくはへキサフルオロチタン酸ナトリウム(NazTfFs)またはへキサフ
ルオロチタン酸カリウム(KzTiFs)である。
溶融フッ化アルミン酸塩はへキサフルオロアルミニウム酸塩であるのが好ましく
、氷晶石(NasAIFg)であるのがさらに好ましい。
本発明の具体的な態様の1つにおいては、ヘキサフルオロチタン酸ナトリウム(
Na2TiF@)またはへキサフルオロチタン酸カリウム(KzTiFs)を約
1000〜1100℃で氷晶石(Na3AIFg)中に溶解させ、金属アルミニ
ウム(AI)を加える。アルミニウムはそれが溶融に適合し、初めにフッ化アル
ミニウム(AIFs)に酸化され、次いでフッ化ナトリウム(NaF)と相互作
用して氷晶石(NaaAIFe)を生成するので、還元体として選択される。さ
らにアルミニウムは、現在の方法で使用されているナトリウムまたはマグネシウ
ム還元体よりもその製造のエネルギー集約度が相当に低く、かつ安価である。
金属チタンの回収は、反応体と溶融媒体の相対密度の結果として達成される。
アルミニウムは氷晶石よりも密度が低く、さらにこの氷晶石は金属チタンよりも
密度が低い。従って、金属チタンは反応浴の底に集まる傾向を持ち、溶融水晶石
と共にその位置から抜き取ることができる。
氷晶石中でのアルミニウムにょるNa、TiF、がら金属チタンへの還元の全体
の反応は、次の式に従って起こる:
3 Na!Ti F s+ 4 A1+6 NaF →4 Na5AI F g
+ 3 T i純粋な化合物Na@AIFgは中性の溶融媒体を構成する。この
溶融においてNaF力坏足、即ち過剰のAlF3を含んでいるときには、媒体は
酸性である。この溶融が過剰のNaFを含んでいるときには、媒体は塩基性であ
る。
Na2TiFsは酸性または塩基性の氷晶石中でアルミニウムにより金属チタン
に直接還元することができる:即ち、Ti(IV)からTi(0)への直接還元
が起こりつる。しかし、金属への最終的な還元は中性氷晶石中で行なうのが好ま
しい。中性の条件下では、Ti(IV)はTi(II)に還元されることだけが
必要になり、これは中性媒体中で次の式に従って自発的に不均化するであろう:
2Ti(II) −” Ti(0)+Ti(IV)金属チタン、即ちTi(0)
が生成し、この不均化反応によって再生したTi(IV)はアルミニウムによる
Ti(II)への還元およびその後の不均化に利用することができる。このサイ
クル法を、全てのTi(IV)がTi(0)に還元されるまで続ける。
N a ! T i F sの熱分解によって起こりうる揮発性TiF4の損失
を最少にするために、Na、TiF、を氷晶石塔に徐々に加えるのが好都合であ
る。上記の式に従って溶融氷晶石の中性度を維持するために、フッ化ナトリウム
(NaF)をNa1TiFsと共に好ましくは2:1の比で加えてもよい。アル
ミニウムは化学量論量または過剰に加えてよい。
本発明の方法がアルミニウム溶融法に用いられるのと同様の連続法の基礎を形成
しうることは理解されるであろう。1つの方法においては、NatTzFa、A
IおよびNaFを氷晶石媒体に加えてよく、この場合には反応生成物は水晶石そ
れ自体である。次いで、溶融氷晶石と浮遊金属の混合物を反応器の底から抜き取
ることができる。次いで、生成した固体物質を粉砕し、氷晶石とチタン金属の最
初の分離を任意の適当な既知の方法によって、例えば浮遊選鉱またはサイクロン
分離によって行なうことができる。チタン金属粒子に付着して残存している全て
の水晶石は、フッ素イオンとコンプレックス化するであろう金属カチオンに基づ
くいずれかの溶液、好ましくは硝酸アルミニウム溶液などの水溶性アルミニウム
化合物の溶液を用いて、チタン金属から溶解除去することができる。
本発明の方法は通常のアルミニウム溶融法に類似しているので、別の電解抽出法
を用いることができ、ここではNa、TiF、とAIF、が氷晶石塔に連続的に
加えられ、Tiはグラファイト陰極に蓄積する。犠牲陽極反応を好都合に利用す
ることもできる。AlF3は、氷晶石の中性度を維持するために、Na1TiF
sに対して正しい化学量論量(4: 3)で加える必要があろう。
本発明方法の供給原料はに2TiF、またはNa、TiF、であるのが好ましい
。しかし、Ti F 4などの他のチタン供給源を用いてもよいことは理解され
るであろう。
TiF4の主な不都合点は、これが大気中の水分と直ちに反応してフッ化水素を
生成し、取扱いが困難かつ危険であることであり、一方、Na2TiF6および
に1TiF6は湿った空気中で安定であり、取扱いが安全がっ容易である。
我々はここに、TiF、をに2TiF6またはNa2TiFsに安全かつ容易に
変換する方法を開発した。最も広い態様においては、この方法は、チタン鉄鉱お
よび関連鉱物を処理する際に有用な中間体の製造に用いることができる。
本発明によってさらに、チタン鉄鉱および関連鉱物を処理する際に有用な中間体
の製造方法であって、
(a)フッ化金属化合物を有機溶媒に溶解し:(b)工程(a)の有機溶媒中に
溶解したフッ化金属化合物にフッ化アンモニウムを加えてフッ化金属酸アンモニ
ウムを有機溶媒から沈澱させ;そして(C)工程(b)のフッ化金属酸アンモニ
ウムを水に溶解し、フッ化アルカリを加えて、フッ化金属酸アルカリとフッ化ア
ンモニウムを得る:ことからなる方法が提供される。
関連鉱物には、例えばルチル、チタン含有スラグまたはジルコンなどの他のチタ
ン含有鉱石か含まれるであろう。
所望により工程(b)からの有機溶媒を工程(a)に再利用してもよく、また、
所望により工程(C)からのフッ化アンモニウムを工程(b)に再利用してもよ
い。
工程(a)のフッ化金属化合物は、四フッ化チタン、四フッ化ジルコニウムおよ
び四フッ化スズから選択する。
工程(a)のフッ化金属化合物は、金属酸化フッ化物(例えば、酸化フッ化チタ
ン)などの不純物で汚染されていることが多い。酸化フッ化チタンは有機溶媒に
不溶性であるので、この不純物は混合物を有機溶媒に溶解することによってフッ
化チタン化合物から分離することができる。この有機溶媒による処理の後に残留
物として残存している金属酸化フッ化物不純物を加熱して、所望のフッ化金属化
合物と金属酸化物を得ることができる。次いでこの金属酸化物を処理して、金属
酸化物顔料もしくは耐熱セラミックを得るか、または再利用してTiFaもしく
はZrF4などのフッ化金属化合物を得ることができる。
工程(a)の有機溶媒は、例えばメタノールまたはエタノールなどのアルコール
であるのが好ましい。
工程(b)のフッ化アンモニウムは、フッ化アンモニウム(NH4F)またはフ
ッ化水素アンモニウム(NH4HFJから選択されるのが好ましい。
工程(b)で得られるフッ化金属酸アンモニウムは、例えばヘキサフルオロチタ
ン酸アンモニウム[(NH4)tTiFs]などのフッ化チタン酸アンモニウム
、または、例えばヘプタフルオロジルコニウム酸アンモニウム[(NH4)sZ
rFtlおよびヘキサフルオロジルコニウム酸アンモニウム[(NH4)tZr
Fglなどのフッ化ジルコニウム酸アンモニウムであってよい。フッ化金属酸ア
ンモニウムはへキサフルオロチタン酸アンモニウム[(NH4)xTiFs]で
あるのが好ましく、これを用いて上記の金属チタンの製造方法において使用され
る好ましい供給原料であるKITiF。
またはNa2TiF@を得ることができる。
好ましい工程(C)のフッ化アルカリはフッ化カリウム(KF)またはフッ化ナ
トリウム(NaF)である。
工程(C)で得られるフッ化金属酸アルカリはK2TiF6またはNa2TiF
sであってよいが、これらが上記の金属チタンの製造方法において使用される好
ましい供給原料である。
別の方法においては、水と所望により塩基を工程(a)の有機溶媒に溶解したフ
ッ化金属化合物に加えて、水和された金属酸化物を得る。
この別法により得られる水和された金属酸化物生成物を処理して金属酸化物顔料
または耐熱セラミックを得ることができる。
さらに別の方法においては、工程(b)で得られるフッ化金属酸アンモニウムを
熱加水分解して、水和された金属酸化物、フッ化アンモニウムおよびフッ化水素
を得る。
フッ化アンモニウムは所望により工程(b)に再利用することができる。
所望によりフッ化水素を二酸化ケイ素とフッ化アルカリで処理してフッ化ケイ酸
アルカリを得ることができる。次いで、このフッ化ケイ酸アルカリを加熱して四
フッ化ケイ素とフッ化アルカリを得ることができる。所望により、この四フッ化
ケイ素を、本出願人らの同時継続オーストラリア特許出願No、 48186/
90に記載されているチタン鉄鉱などの鉱物からのTiF4の生成とその後のT
iF、からTiO2への変換のための方法において使用するために再利用するこ
とができる。
さらに別の方法を、いずれかの適当な熱加水分解法を用いて実施することができ
る。特に好ましい態様においては、水蒸気を乗せた空気を有するフローシステム
を、例えばフッ化チタン酸塩からのTiF4(200〜300℃)またはフッ化
ジルコニウム酸塩からのZr7(450〜500℃)の昇華を防止するに十分な
低温で、フッ化金属酸アンモニウムの床に流すことができる。適当な反応時間(
通常は4〜5時間)の後には、残留物は加水分解されたTie、またはZrO!
である。
揮発性のHFとNH4Fは空気流中の反応ゾーンの外に運ばれ、凝縮されて固体
のNH,FおよびHF水溶液を得ることができる。この固体のNH,Fは所望に
より工程(b)に再利用することができる。HFはSin、とKFまたはNaF
で処理してに2SiF、またはNa2 S i F sを得ることができる。こ
れらを回収し、約600〜700℃に加熱してS i F 4を得ることができ
、これを鉱物反応器床に再利用してさらにT i F aおよびZrF、を得る
(オーストラリア特許出願No、 48186/90の記載のように行なう)。
KFまたはNaF残留物は工程(C)に再利用することができる。熱加水分解中
に揮発した化合物中の全フッ化物およびTi01またはZr01の100%回収
が、このような条件下の(NH4)、TiF、および(NH4)sZrF7の熱
加水分解に対して実験的に証明されている。
このさらに別の方法での熱加水分解によって生成したTfO,およびZrO,は
水和されており、従って通常の方法によって得られるTiO2およびZrO,よ
りも化学的にさらに反応性が高い。チタン鉄鉱および関連鉱物(例えばジルコン
)の通常の処理においては、高温の酸化または加水分解反応を用いて中間体を二
酸化チタン(T i Ox )または二酸化ジルコニウム(ZrOt)に変換す
る。顔料グレードのTiO2製造のための塩化物法においては、四塩化チタン(
T i C1a )を酸素中において1000℃以上で熱処理してTiO2を製
造する。ZrO2の通常の製造法においては、ジルコンをアルカリ物質と約10
00℃で溶融し、次いで水性溶液で浸出させる。浸出前にジルコンをプラズマ法
により約2000℃に予備加熱することもある。結果として、これら通常の方法
で得られるTiOxおよびZrO,生成物は耐熱性であって、特に後の精製また
は他の処理に供しやすいものではない。
本発明に従ってさらにチタン鉄鉱および関連鉱物を処理する際に有用な中間体の
製造方法であって、水と反応しつるかまたは水に可溶性のチタンまたはジルコニ
ウム化合物の水溶液を調製し、この水溶液にフッ化アルカリおよび所望により過
剰のフッ化物を加えて、フッ化チタン酸アルカリまたはフッ化ジルコニウム酸ア
ルカリを得ることからなる方法が提供される。
過剰のフッ化物の供給源はフッ化水素またはフッ化アリカリであってよい。
このさらに別の方法における水と反応しうるチタン化合物は、上記の塩化物顔料
法において製造されるTiCl4であるのが好ましい。このさらに別の方法にお
ける水に可溶性のチタン化合物は、硫酸塩顔料法において製造される中間体であ
るT i OS O4であるのが好ましい。これら両化合物を用いて、上記の金
属チタンの製造方法において使用される好ましい供給原料であるに、TiF4ま
たはNatTiF6を製造することができる。水と反応しうるジルコニウム化合
物の例はZrCLである。
以下に実施例を挙げて本発明をさらに詳しく説明および例示する。これら実施例
はいかなる意味においても本発明を限定するものとみなすべきではない。
実施例l
Na5AIFs(約30g)とKJtFs(1,9g)の混合物を、ゆるいグラ
ファイト蓋を有するグラファイト製るつぼ中、1090℃で溶融させた。溶融物
中に浸したグラファイト製ランス(やり状器具)から不活性ガスアルゴンを流し
た。ランスから数個の小さく圧縮したAIおよびNaFのペレットを導入するこ
とによって、反応中にAI(0,28g)およびNaF(0,67g)を加えた
。設定した期間の後に、溶融物を室温まで戻し、グラファイト製るつぼを切断し
た。固化した溶融物の底の方に黒色粉末が沈澱しているのがわかった。この黒色
粉末を無水フッ化水素で氷晶石を含まないように洗浄すると、この粉末は電子マ
イクロプローブ分析により金属チタンを含んでいることが示された。空気中での
この黒色粉末の燃焼により白色の二酸化チタンが生成した。この後に、硝酸アル
ミニウム水溶液が黒色粉末から氷晶石を溶解除去するのに有効であることがわか
った。
実施例2
不純物として大量のチタン酸化フッ化物を含有するT i F 4の市販の粗製
試料(3,60g)をメタノール中で数時間撹拌した。得られた溶液を白色不溶
性残留物から分離し、メタノール(250m1)中のNH4HF2の飽和溶液に
加えた。(NH4)!T i F eの不溶性白色沈澱が直ちに生成した。濾過
し、メタノールで洗浄し、風乾した後、(NH4) 2 T i F sの重量
は5.10gであり、粗製の出発試料中のTiF4の当初重量3.19gに対応
していた。
この実施例は、TiF4からの(NH4)2TiF、の回収の容易性、およびメ
タノール中へのTiF、の溶解による随伴する酸化フッ化物からの分離の有効性
を示すものである。
実施例3
HzO(5+a1.)中の実施例2製造の(NH4)zTiFe(0,318g
)を、水浴で冷却した水(1ml)中のKF(0,218g)の溶液に滴下した
。生成したゼラチン状の白色沈澱を濾過して集め、氷冷水(5園l)で洗浄して
KFを除去した。105℃で乾燥することにより0.287gの無水の純粋なK
2 T i F sを得た。濾液を煮沸により1/3の容量まで減少させ、0
℃に冷却した。第2収量の0.088gのK2TiF6を集めた。(NH,)、
TiF、からに4TiF、への変換率は全体で97%であった。
この方法の条件のもとでは、K2TiFsで飽和した溶液を全体的に使用するこ
とによって生成物の回収を最適化することができる。
実施例4
実施例2のように製造した(NHa)zTiF s(0,1232g)を200
〜250℃で5時間熱論水分解した。この熱加水分解の後の水和されたTi01
の重量は0゜0524gであり、105%の名目回収率を示した。この原料物質
をか燃によって脱水和すると、Ti01の重量は領0499gであり、100.
4%の回収率を示した。HFを含む水性濃縮物中およびNH4HF2昇華物中の
全フッ化物の分析は、99,3%の回収率を示した。
実施例5
実施例2と同様の方法で製造した(NHa)sZrFiの4〜5時間の450〜
500℃での3回の熱加水分解により、ZrO2に対しては99%、101%お
よび103%、ならびに全フッ化物に対しては99%、102%および104%
の表示回収率の結果が得られた。
Inten+atlonal Application k、W鍋u社層障鑓ε
NO0FANNEX
フロントページの続き
(72)発明者 ボン、ターセサ・キット・ヒンオーストラリア国ビクトリア3
056、ブランズウィック、シトニー・ロード287番172)発明者 ウッド
、ディピッド・ジョージオーストラリア国ビクトリア3182、セントキルダ、
パーク・ストリート4/65−67番
Claims (29)
- 1.四フッ化チタンおよび融解フッ化アルミン酸塩に可溶性の任意のヘキサフル オロチタン酸塩から選択されるチタン−フッ素化合物を溶融フッ化アルミン酸塩 中の金属アルミニウムで還元することからなる金属チタンの製造方法。
- 2.チタン−フッ素化合物がヘキサフルオロチタン酸アルカリである請求項1に 記載の方法。
- 3.ヘキサフルオロチタン酸アルカリが、ヘキサフルオロチタン酸ナトリウム( Na2TiF6)またはヘキサフルオロチタン酸カリウム(K2TiF6)であ る請求項2に記載の方法。
- 4.溶融フッ化アルミン酸塩がヘキサフルオロアルミニウム酸塩である前記請求 項のいずれかに記載の方法。
- 5.ヘキサフルオロアルミニウム酸塩が氷晶石(Na3AlF6)である請求項 4に記載の方法。
- 6.ヘキサフルオロアルミニウム酸塩が中性氷晶石(Na3AlF6)である請 求項4に記載の方法。
- 7.(a)フッ化金属化合物を有機溶媒に溶解し;(b)工程(a)の有機溶媒 中に溶解したフッ化金属化合物にフッ化アンモニウムを加えてフッ化金属酸アン モニウムを有機溶媒から沈澱させ;そして(c)工程(b)のフッ化金属酸アン モニウムを水に溶解し、フッ化アルカリを加えて、フッ化金属酸アルカリとフッ 化アンモニウムを得る;ことからなる、チタン鉄鉱および関連鉱物を処理する際 に有用な中間体の製造方法。
- 8.工程(b)からの有機溶媒を工程(a)に再利用する請求項7に記載の方法 。
- 9.工程(c)からのフッ化アンモニウムを工程(b)に再利用する請求項7ま たは8に記載の方法。
- 10.工程(a)のフッ化金属化合物を四フッ化チタン、四フッ化ジルコニウム および四フッ化スズから選択する請求項7〜9のいずれかに記載の方法。
- 11.工程(a)の有機溶媒がアルコールである請求項7〜10のいずれかに記 載の方法。
- 12.アルコールがメタノールまたはエタノールである請求項11に記載の方法 。
- 13.工程(b)のフッ化アンモニウムがフッ化アンモニウム(NH4F)また はフッ化水素アンモニウム(NH4HF2)から選択される請求項7〜12のい ずれかに記載の方法。
- 14.工程(c)で得られるフッ化金属酸アンモニウムがフッ化チタン酸アンモ ニウムまたはフッ化ジルコニウム酸アンモニウムである請求項7〜13のいずれ かに記載の方法。
- 15.フッ化チタン酸アンモニウムがヘキサフルオロチタン酸アンモニウム[( NH4)2TiF6]である請求項14に記載の方法。
- 16.フッ化ジルコニウム酸アンモニウムが、ヘプタフルオロジルコニウム酸ア ンモニウム[(NH4)3ZrF7〕およびヘキサフルオロジルコニウム酸アン モニウム[(NH4)2ZrF6]から選択される請求項14に記載の方法。
- 17.工程(c)のフッ化アルカリがフッ化カリウム(KF)またはフッ化ナト リウム(NaF)である請求項7〜16のいずれかに記載の方法。
- 18.工程(c)で得られるフッ化金属酸アルカリがK2TiF6またはNa2 TiF6である請求項7〜15または17のいずれかに記載の方法。
- 19.水と所望により塩基を、工程(a)の有機溶媒に溶解したフッ化金属化合 物に加えて、水和された金属酸化物を得る請求項7または10〜12のいずれか に記載の方法。
- 20.工程(b)で得られるフッ化金属酸アンモニウムを熱加水分解して、水和 された金属酸化物、フッ化アンモニウムおよびフッ化水素を得る請求項7、8、 10〜16のいずれかに記載の方法。
- 21.フッ化アンモニウムを工程(b)に再利用する請求項20に記載の方法。
- 22.フッ化水素を二酸化ケイ素およびフッ化アルカリで処理してフッ化ケイ酸 アルカリを得る請求項20または21に記載の方法。
- 23.フッ化ケイ酸アルカリを加熱して四フッ化ケイ素とフッ化アルカリを得る 請求項22に記載の方法。
- 24.フッ化アルカリを工程(c)に再利用する請求項23に記載の方法。
- 25.水と反応しうるかまたは水に可溶性のチタンまたはジルコニウム化合物の 水溶液を調製し、この溶液にフッ化アルカリおよび所望により過剰のフッ化物を 加えて、フッ化チタン酸アルカリまたはフッ化ジルコニウム酸アルカリを得るこ とからなるチタン鉄鉱および関連鉱物を処理する際に有用な中間体の製造方法。
- 26.水と反応しうるチタンまたはジルコニウム化合物がそれぞれTiC4また はZrCl4である請求項25に記載の方法。
- 27.水に可溶性のチタン化合物がTiOSO4である請求項25に記載の方法 。
- 28.フッ化アルカリがフッ化カリウム(KF)またはフッ化ナトリウム(Na F)である請求項25〜27のいずれかに記載の方法。
- 29.得られるフッ化チタン酸アルカリがK2TiF6またはNaTiF6であ る請求項25〜27のいずれかに記載の方法。
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