JPH07206404A - チタン系水素化物の製造方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ＨＤＨ法によりチタン系粉末を製造する際
の、チタンまたはチタン合金からなるチタン系材料の水
素化処理において、工程を連続化することにより、作業
負担の軽減、合理的な冷却処理による生産性の向上、処
理材の汚染や危険の回避、工程の自動化，および省力化
等を達成する。 【構成】 チタン系材料を原料装入用のボックスに装入
し、該ボックスを、水素雰囲気に維持された加熱室およ
び冷却室に連続的に通過させることを特徴とする製造方
法。原料装入用のボックス、水素化装置、および該装置
に該ボックスを連続的に通過させる搬送機構からなり、
水素化装置は、第１置換室，加熱室，冷却室および第２
置換室を順に配したことを特徴とする製造装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、粉末冶金原料などに用
いられる、純チタン粉末またはチタン合金粉末（本明細
書ではこれらを総称してチタン系粉末という）を、水素
化脱水素法（ＨＤＨ法）により製造する際の、チタンま
たはチタン合金の水素化物（本明細書ではこれらを総称
してチタン系水素化物という）の製造方法および装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】チタン合金は比強度が高く、耐熱性およ
び耐食性に優れており、航空機等の材料として極めて有
効な特性を具備しているが、溶解、鍛造や圧延等の熱間
加工性および切削加工性に難点がある。このため、加工
費低減や歩留向上の観点から、最終形状に近い半製品を
直接製造する技術として、粉末冶金法が有望になってい
る。粉末冶金によりチタン合金を製造する場合、原料と
して純チタン粉末と合金元素添加用粉末の混合粉末を用
いる方法、およびチタン合金粉末を用いる方法がある。

【０００３】純チタン粉末の製造方法としては、スポン
ジチタンを機械的に直接粉砕して粉末とする方法もある
が、スポンジチタンは展延性に富むため、粉砕するのが
困難であり、また得られたとしても、この方法による粉
末は塩素分が多いため、粉末冶金用としては低品質のも
のとなる。一方、チタン系粉末の製造方法として、純チ
タンまたはチタン合金（本明細書ではこれらを総称して
チタン系材料という）の融液をガスで飛散させて粉末と
するアトマイズ法、あるいはチタン電極を回転させ、プ
ラズマ等で溶融し、遠心力で飛散させて粉末とする回転
電極法がある。これらの方法によれば、比較的純度の高
いチタン系粉末が得られるが、粉末個々の形状や粒度、
コスト等に難点がある。

【０００４】このため、チタン系材料を水素化処理して
脆弱なチタン系水素化物とし、これを機械的に粉砕して
粉末にした後、真空加熱等により脱水素してチタン系粉
末を得るＨＤＨ法が一般的に採用されている。常温で脆
弱なチタン系水素化物はδ相といわれるもので、これを
得るには常温で約３重量％以上の水素を含有させる必要
がある。そして、チタン系材料の水素化は３００〜５０
０℃の温度域が最も効率が良いとされているが、原料で
あるチタン系材料の表層には、水素侵入のバリヤーとな
る酸化層が存在するため、より高温域に加熱してこの酸
化層を内部拡散して除去することが望ましい。そこで、
原料を６００〜７００℃に加熱した後、徐々に冷却して
水素化を行うことが効率的な操業法である。

【０００５】ＨＤＨ法の従来の装置例を図３に示し、処
理材の温度推移の例を図４に示す。図３のように、チタ
ン系材料のスクラップ、スポンジチタン等の原料１を内
筒４１に装入して置き台４４に載置し、外筒４２を被
せ、排気系４７より外筒４２内を真空排気する。そして
加熱炉４３を被せヒーター１３により加熱し、原料１の
外周部が６００〜７００℃に達した後、水素ボンベ４５
から外筒４２内に水素ガスを導入する。すると原料１は
水素と反応し、この反応が発熱を伴うため、原料１の温
度は急激に上昇する。

【０００６】水素ガスを導入した後、直ちに加熱炉４３
を取り外して外筒４２を強制的に風冷するが、図４に示
すように原料中心部の温度は１０００℃近くまで達す
る。水素ガスを供給しつつ冷却して、原料１に水素を吸
収させ、水素化がほとんど進行しない１００℃以下にな
った後、外筒４２内をアルゴンガスに置換し、水素化さ
れた原料１すなわちチタン系水素化物を取り出してい
た。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来のＨＤＨ法におけ
る水素化処理では、上記のようにバッチ型の炉で、一度
に数百kgの原料が水素化処理されていたが、つぎのよう
な多くの問題点を有していた。 （１）内筒４１への原料の装入および取出しが、クレー
ンやホイストを使う作業になるため、最低２〜３人の作
業者が必要であった。 （２）冷却に長時間要する。常温で脆弱なチタン系水素
化物δ相を得るためには、冷却過程の約３００℃以下
で、原料に水素を十分に吸収させる必要があるが、図４
に示すように原料中心部では、３００℃に達するまでに
長時間要し、１００℃以下になるまで合計２０時間以上
もかかっていた。 （３）水素化開始時に急激な水素吸収が起きるため、一
時的に炉内が減圧状態になって、リークなどによる原料
の汚染や水素爆発の危険が潜在的に存在した。 （４）処理速度が２０〜２５kg／hrであり、生産性が低
い。 （５）自動化が困難である。

【０００８】本発明は、ＨＤＨ法によりチタン系粉末を
製造する際の、チタン系材料の水素化処理において、工
程を連続化することにより、作業負担の軽減、合理的な
冷却処理による生産性の向上、処理材の汚染や危険の回
避、工程の自動化、および省力化等を達成することを目
的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明は、以下の構成の方法および装置である。すな
わち、（１）チタン系材料を原料装入用のボックスに装
入し、該ボックスを、水素雰囲気に維持された加熱室お
よび冷却室に連続的に通過させることを特徴とするチタ
ン系水素化物の製造方法、および（２）原料装入用のボ
ックス、水素化装置、および該装置に該ボックスを連続
的に通過させる搬送機構からなり、水素化装置は、第１
置換室，加熱室，冷却室および第２置換室を順に配した
ことを特徴とするチタン系水素化物の製造装置、であ
る。

【００１０】

【作用】本発明法を実施する装置例、および本発明装置
例を図１および図２に示す。図１は平面図であり、水素
化装置３の部分は断面を示している。図２は図１のＡ−
Ａ矢視断面図である。本装置例は、チタン系材料からな
る原料１を装入したボックス２を、ローラーコンベア２
２上の出発位置Ｓに載せ、矢印のように搬送して水素化
装置３を通過させ、ローラーコンベア３４上の末端にあ
る終了位置Ｅで取出すように構成されている。原料１は
多数個のボックス２に装入して、つぎつぎと連続的に搬
送できるようにし、水素化装置３は、第１置換室４、加
熱室５、冷却室６および第２置換室７を順に配してな
り、入口、各室の境界および出口には、シャッター８，
９，１０，１１，１２が設けてある。そして各室には、
それぞれ排気管１４，１５，１６，１７およびガス導入
管１８，１９，２０，２１が設けてあり、加熱室および
冷却室は操業中常に水素雰囲気に維持され、室内の圧力
は常に大気圧以上に保たれている。

【００１１】本発明法において、原料１をボックス２に
装入して水素化装置３に通過させると、原料１は、ボッ
クス２内の中心部でも外周部でも短時間に昇温され冷却
されて、ボックス２内の全域にわたって、脆弱なチタン
系水素化物δ相になる。ボックス２の容量は、加熱室５
および冷却室６を所定時間以内に通過させて、内部の全
ての原料がチタン系水素化物δ相になるような容量とす
る。本発明装置においても、このような容量のボックス
２を採用する。

【００１２】本発明法では、原料１をこのようなボック
ス２に装入して、ローラーコンベア上を搬送し、まず第
１置換室４に入れて該室内を水素雰囲気に置換し、つい
で水素雰囲気の加熱室５に入れてヒーター１３で加熱
し、水素化が開始したら加熱室５内のヒーターのない領
域に移送して５００〜９００℃に保持し、水素化を進行
させる。つぎに水素雰囲気の冷却室６に移送して、冷却
しつつ更に水素化を進行させ、次に第２置換室７に移送
して該室内を不活性ガス、例えばアルゴン雰囲気に置換
し、原料１の温度が１００℃以下になったら、水素化装
置３外のローラーコンベア３２上に移送する。なお、ボ
ックス２の搬送は、ローラーコンベアのほかチェーンコ
ンベア、あるいはフックにかけて牽引する方式等、公知
の手段で行うことができる。

【００１３】本発明法によれば、従来のバッチ炉で行う
場合のように、原料が１０００℃近くまで過熱されるこ
とがなく、冷却においても、すばやく冷却出来る効果的
な冷却パターンをとることができ、生産性を著しく向上
させることができる。また、原料は連続的に少量ずつ加
熱室内に装入されるので、急激な水素吸収は起こらず、
加熱室および冷却室内の圧力を常時ほぼ一定に保持する
ことができる。

【００１４】つぎに、本発明装置について、図１および
図２の装置例の構造および動作を説明する。図１および
図２の状態は、シャッター８を開けて第１置換室４にボ
ックスを１個入れ、シャッター８を閉じて排気管１４で
排気し、ガス導入管１８で水素ガスを導入して第１置換
室４内を水素雰囲気に置換している。加熱室５内では、
左から右に順次加熱され、冷却室６内では左から右に順
次冷却されている。一方第２置換室７では、水素化処理
が完了したボックスを１個、冷却室６から移送し、排気
管１７およびガス導入管２１で、室内の雰囲気を水素ガ
スから不活性ガス、例えばアルゴンに置換している。ま
た、水素化装置３から出されたローラーコンベア３２上
のボックス１個を、プッシャー３６によりローラーコン
ベア３３上に移送したところである。

【００１５】加熱室５および冷却室６には、ボックスが
連なっていて、１個分ずつローラーコンベアで断続的に
搬送するようになっている。両室５および６の長さや搬
送のタイミングは、ボックス内の原料が、加熱室５内に
てヒーター１３で加熱され、水素化が開始すると、加熱
室５内のヒーターのない領域に移送し、該領域で５００
〜９００℃に保持して水素化を進行させ、ついで冷却室
６内にてすばやく冷却され、１００℃以下で第２置換室
７から搬出されるように、設定される。

【００１６】加熱室５と冷却室６の間のシャッター１０
は、加熱室５内の高温の水素ガスが冷却室６内に流入し
て、冷却室６における冷却速度が低下するのを防止する
ために効果的であるが、ほかの手段、たとえば水素ガス
によるガスカーテンで代替することも可能である。また
両室５および６の排気管１５および１６は、装置の稼働
開始時および停止時に、室内排気用として作用するが、
第１置換室４および第２置換室７の排気管１４および１
７により代行させることもできる。

【００１７】つぎに図１および図２の本装置例における
ボックスの搬送機構について説明する。図１において、
出発位置Ｓでローラーコンベア２２上に載せられたボッ
クス２は該コンベア２２を回転駆動して矢印の方向に、
ボックス１個分搬送される。駆動ロールはローラーコン
ベア２２の全長とする必要はなく、少なくとも出発位置
Ｓにおいて回転駆動させ、各ボックスを押し出してもよ
い。ローラーコンベア２２の末端にきたボックスはプッ
シャー３５でローラーコンベア２３上を押し出されて、
ローラーコンベア２４上に達する。

【００１８】そして図２において、シャッター８を開け
ローラーコンベア２５および２６を回転駆動してボック
スを１個、第１置換室４に入れ、シャッター８を閉じ、
ローラーコンベア２４および２５を回転駆動してつぎの
ボックス２をローラーコンベア２５上に搬送する。第１
置換室４から加熱室５への搬送は、ローラーコンベア２
６および２７の回転駆動により行い、加熱室５から冷却
室６への搬送は、ローラーコンベア２８および２９の回
転駆動により、冷却室６から第２置換室７への搬送は、
ローラーコンベア３０および３１の回転駆動により、第
２置換室７からの搬出はローラーコンベア３１および３
２の回転駆動により、それぞれ行う。つぎに図１におい
て、ローラーコンベア３２の末端にきたボックスをプッ
シャー３６でローラーコンベア３３上を押してローラー
コンベア３４上に搬送し、該コンベアを回転駆動して終
了位置Ｅに到達させる。

【００１９】なおローラーコンベア２７，２９，３２，
および３４の回転駆動は、ローラーコンベア２２と同
様、全長にわたって行う必要はなく、少なくとも入側位
置において駆動し、各ボックスを押し出してもよい。ま
た、プッシャー３５および３６を設けず、ローラーコン
ベア２３および３３を２２および３２の外側に設けて駆
動させてもよい。ローラーコンベア２４は駆動させずプ
ッシャーを設けてもよい。さらに、ボックスの搬送機構
として、ローラーコンベアに替えチェーンコンベア、あ
るいはフックにかけて牽引する方式等、公知の手段を採
用することができる。

【００２０】

【実施例】

（従来例）図３に示す従来装置において、内筒４１に、
直径６００mm、高さ２０００mmのステンレス容器を採用
し、原料１として切板状の工業用純チタンスクラップを
約５００kg装入した。外筒４２を被せて内部を１０^-3To
rr以下に真空排気した後、加熱炉４３を被せ、原料１を
約６００℃まで加熱して内部に水素ガスを導入した。

【００２１】水素ガスを導入するとすぐに発熱を伴う水
素化が急激に進行し、外筒内の圧力が低下したため、大
気圧よりも減圧にならないように水素ガスを圧入した。
水素ガスを導入すると同時に、加熱炉４３を取り外し
て、外筒４２を強制的に風冷した。この間も外筒４２内
の圧が常に１気圧以上に維持されるように注意して水素
ガスを導入した。

【００２２】水素ガス導入後、原料１の中心部温度は急
激に上昇し、最高温度は約９５０℃に達した。その後、
原料１の温度は徐々に低下したが、中心部温度が１００
℃以下なるまでに約２０時間を要した。処理後の内筒４
１内の原料は全域にわたって脆弱なチタン水素化物δ相
になっていたが、水素化処理速度は、２０〜２５kg／hr
であった。

【００２３】（本発明例）図１および図２に示すような
本発明装置において、ボックス２として、縦、横、高さ
がそれぞれ２００mmのステンレス容器を採用し、原料１
としては従来例と同様、切板状の工業用純チタンスクラ
ップを約１０kgずつ各ボックスに装入した。これらボッ
クスを１個ずつ順次連続的に水素化装置３に通過させ
て、原料１の水素化処理を行った。

【００２４】加熱室５に搬送されたボックス内の原料
は、ヒーター１３により約４００℃まで昇温されると、
すぐに自己発熱し、原料中心部の温度は約８５０℃まで
上昇した。ボックスは順次冷却室６に搬送され、冷却室
６の外部からの水冷により急速に冷却され、約５時間後
には原料中心部が１００℃以下となった。冷却されたボ
ックスは順次第２置換室を経て水素化装置３から搬出さ
れた。

【００２５】この間、加熱室５および冷却室６内の水素
雰囲気の圧力変動はほとんど認められず、約４５Nm³ ／
hrの安定した速度で水素ガスを両室５および６内に連続
的に導入した。水素化装置３から搬出されたボックス内
の原料は、ボックス内の全域にわたって、脆弱なチタン
水素化物δ相になっていた。そして本例における水素化
処理速度は、約１００kg／hrであった。なお、チタン合
金からなる原料についても同様に効率良く水素化処理す
ることができた。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、ＨＤＨ法におけるチタ
ン系材料の水素化処理において、つぎのような優れた効
果が得られる。 （１）処理工程が連続化され、かつ操業の自動化が達成
されるため、大幅な省力化が可能である。 （２）原料を少量ずつ処理していくため、加熱速度、冷
却速度が十分に速く、しかも原料の全領域にわたって効
果的に水素化され、高い生産性が得られる。 （３）原料を少量ずつ処理していくため、従来のような
急激な水素消費に伴う雰囲気の圧力変動がなく、安定的
かつ安全に水素化処理を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明装置例の一部断面を含む平面図である。

【図２】本発明装置例の断面図を示し、図１のＡ−Ａ矢
視図である。

【図３】従来装置例の一部切欠断面付き正面図である。

【図４】従来装置例における処理材の温度推移を示すグ
ラフである。

【符号の説明】

１：原料 ２：ボックス ３：水素化装置 ４：第１置換室 ５：加熱室 ６：冷却室 ７：第２置換室 ８〜１２：シャッター １３：ヒーター １４〜１７：排気管 １８〜２１：ガス導入管 ２２〜３４：ローラーコンベア ３５，３６：プッシャー ４１：内筒 ４２：外筒 ４３：加熱炉 ４４：置き台 ４５：水素ボンベ ４６：流量計 ４７：排気系 Ｓ：出発位置 Ｅ：終了位置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田村 道夫 兵庫県姫路市広畑区富士町１番地 新日本 製鐵株式会社広畑製鐵所内 (72)発明者 籠橋 亘 神奈川県茅ヶ崎市茅ヶ崎３−３−５ 東邦 チタニウム株式会社内 (72)発明者 深澤 英一 神奈川県茅ヶ崎市茅ヶ崎３−３−５ 東邦 チタニウム株式会社内 (72)発明者 河野 通晴 神奈川県茅ヶ崎市茅ヶ崎３−３−５ 東邦 チタニウム株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 チタン系材料を原料装入用のボックスに
   装入し、該ボックスを、水素雰囲気に維持された加熱室
   および冷却室に連続的に通過させることを特徴とするチ
   タン系水素化物の製造方法。
2. 【請求項２】 原料装入用のボックス、水素化装置、お
   よび該装置に該ボックスを連続的に通過させる搬送機構
   からなり、水素化装置は、第１置換室，加熱室，冷却室
   および第２置換室を順に配したことを特徴とするチタン
   系水素化物の製造装置。