JPH0734103A - チタン粉末製造における水素化熱処理方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は炉内水素ガスを循環させて対流熱伝
達を加え、また循環過程で加熱或いは冷却すること、更
に炉内圧を高めることにより、大幅に加熱・冷却能を向
上するチタン粉末製造における水素化熱処理方法及びそ
の装置を提供する。 【構成】 水素化脱水素法によりチタン粉末を製造する
方法において、原料チタンを水素ガス雰囲気中で高温加
熱−冷却して水素化処理を行うに際し、水素化熱処理炉
に配設し、系内に加熱及び冷却装置を有する水素ガス循
環系により、炉内チタン脆化用水素ガスを循環すると共
に、該循環系でこの循環水素ガスを適温に加熱或いは冷
却してチタン原料中、特にその中心部に噴出し、炉内圧
を大気圧以上１０kgf/cm² 以下に加圧する水素化熱処理
方法および装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、粉末冶金原料としての
チタン粉末を、水素化脱水素法（ＨＤＨ法）により製造
する場合の水素化熱処理方法及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、耐
蝕性に優れており、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、切削等の加工性に
難点がある。このため、加工費の低減、歩留りの向上の
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。粉末冶金によって
チタン合金を製造する場合、原料として純チタン粉末と
チタン母合金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。前者の方法は両粉末の
混合比を変えることにより種々の組成の合金を安価に製
造できることから有利な方法とされている。

【０００３】純チタン粉末の製造方法としては、一般に
金属チタンを得る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
富むためこれを直接粉砕して微粉末を得るのは困難であ
り、また、得られたとしても塩素分が多いため粉末冶金
用としては低い品質となる。一方、溶融チタンをガスで
吹き飛ばして粉末を作るアトマイズ法、或いは、チタン
電極を回転させ、その電極をプラズマ等で溶融し、遠心
力を利用して粉末に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が得られるが、粉
末形状、粒度、コスト等に難点がある。

【０００４】このため、チタンを水素化処理して脆弱な
チタン水素化物とし、これを機械的に粉砕して粉末とし
た後、真空加熱等により脱水素してチタン粉末を得るＨ
ＤＨ法による方法が一般的に採用されている。

【０００５】常温で脆弱なチタン水素化物を得るにため
には、水素を約３重量％以上吸収させる必要があり、こ
の水素を約３重量％以上含有する水素化物は一般にδ相
といわれている。このチタンを水素化するには原料であ
るチタンの表層には水素の侵入のバリヤーとなる酸化相
が存在するため、この酸化相を無害化する必要がある。
そのために５００〜６００℃以上に加熱し、酸化相の酸
素を内部拡散させることが望ましい。

【０００６】チタン原料の加熱は、水素化炉で雰囲気を
調整しながら間接加熱する。例えば水素化炉は図９に示
すように、炉壁（殻）１で囲まれた炉内に、原料を入れ
た容器２を外筒３で覆って収納し、炉壁１の内壁にはヒ
ーター４を設けた構造であり、容器２中のチタン原料は
ヒーター４の熱で加熱されるが、これは炉壁部よりの炉
内輻射加熱による間接加熱で徐々に加熱されるために加
熱効率が低い。

【０００７】この加熱処理において、初期は炉内の空気
を真空引きして脱気し、その後外筒内に水素を添加する
が、水素は所定の炉圧になるようにチタンが水素を吸収
するに伴って減少する分を補給してはいるものの、炉圧
は安全性の点から従来大気圧付近で制御している。その
ため水素の対流による伝熱は少なく、加熱効率が低いと
いう問題があった。

【０００８】一方冷却過程では、炉殻を取り外し、或い
は炉外に水素化容器を外筒で覆ったまま取り出して輻射
冷却し、冷却時には外筒内に水素を入れたままで行う。
この冷却過程においてもチタンの水素吸収は起こり、加
熱工程と同様に、外筒内が所定の圧力になるようにチタ
ンの水素吸収に伴って減少する分を補給し、且つ内圧は
安全の見地から大気圧付近で制御している。この様に冷
却過程では、大気下で間接的に水素化容器を冷却しなけ
ればならず、また水素化に伴う発熱反応にも原因して冷
却に長時間を有するという問題がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、現状の
水素化処理工程においては、加熱・冷却能力が低いため
水素化処理に時間がかかり、生産性が低く処理コストが
高い。本発明はこのような問題点を解消するものであっ
て、水素ガスを循環させて対流熱伝達を加え、また循環
過程で該水素ガスを加熱或いは冷却すること、さらに炉
内圧を高めることにより、大幅に加熱・冷却能を向上す
るチタン粉末製造における水素化熱処理方法及びその装
置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、水素化脱水素法によりチタン粉末を製造す
る方法において、以下の構成を要旨とする。すなわち、 (1)原料チタンを水素ガス雰囲気中で高温加熱−冷却し
て水素化処理を行うに際し、水素化熱処理炉に配設し、
系内に加熱及び冷却装置の少なくとも一方を有する水素
ガス循環系により、水素化用水素ガスを循環すると共
に、該循環系でこの循環水素ガスを適温に加熱或いは冷
却する水素化熱処理方法である。具体的には、 (2)上記水素化処理の加熱工程において、循環系で水素
ガスを加熱し、 (3)水素化処理の冷却過程で、炉温に応じて水素ガスを
循環させ、循環系で水素ガスを冷却する。また、 (4)上記加熱工程および冷却過程で、循環系から供給さ
れる水素ガスを、水素化熱処理炉に収納した原料チタン
の中心部分に噴出することが実用上好ましい。さらに、 (5)かかる水素化処理の加熱工程及び冷却過程では、炉
内圧を大気圧以上１０kgf/cm² 以下に加圧して水素化熱
処理を実施できる。 (6)上記方法を実施する装置として、内壁に加熱装置を
有する炉殻内に、原料チタンを収納する原料容器と、こ
れを囲繞する外筒を設けた水素化熱処理炉において、前
記原料容器の中央部分に水素ガス噴出ノズルを植立し、
一端を外筒内部と連通し他端を前記水素ガス噴出ノズル
と連通する水素ガス循環系を配設せしめ、この循環系に
は、加熱装置及び冷却装置の少なくとも一方を設けると
共にガス加圧装置を設置したことを特徴とする。

【００１１】

【作用】以下に本発明を詳細に説明する。本発明におい
て、水素化炉は１室または加熱と冷却の２室に分れた炉
を用いることができ、１室の場合は炉殻を着脱自在と
し、加熱時には炉の最外周壁である炉殻を装着したまま
であり、冷却時には炉殻を取り外して操業する。また２
室の場合は上下に加熱ゾーンと冷却ゾーンを設けた構造
の炉とすることができる。

【００１２】図１の（ａ），（ｂ）は水素化処理の加熱
工程（ａ）と引き続き行う冷却工程（ｂ）を分けて模式
的に示したものであり、炉本体の構成自体は図４とほぼ
同一である。すなわち、図において１は炉の外殻（炉
殻）であり、支持部材（図示せず）に着脱可能に装着
し、炉内部を気密に保持すると共に内面を耐火材でライ
ニングし、この内壁に加熱装置４を取り付けている。２
はチタン原料を収納する容器であり、図２に示すように
その中心部に水素ガス噴出管５を直立させている。装入
するチタン原料６は、スポンジチタン、切削屑、製品・
中間製品の端切れ材等のスクラップであり、これらを容
器２内に装入する。３は外筒であり、原料収納容器２を
気密に包囲する。

【００１３】この様な水素化処理炉において、本発明は
チタン原料の水素化ガスに外筒３内で対流を起こさせる
べく循環させる循環系配管６を設置する。すなわち、こ
の循環系配管６は、一端６ａを外筒３内と連通させ、他
端６ｂを原料収納容器２に直立している水素ガス噴出管
５下部と連結させた閉回路を形成するようにしており、
そしてこの系内には、循環水素ガス加熱用のヒーター７
および冷却用のクーラー８の何れか一方或いは両方を設
置している。ヒーター７の設置は限定するものではない
が、他端６ｂ側の水素ガス供給側に位置させ、またクー
ラー８は一端６ａ側の水素ガス排出側に位置させること
が効率上好ましい。水素化処理に際し、水素ガスの循環
は処理状況によって加熱時或いは冷却時の何れかで行う
場合があり、従って循環が行われるガスについてはその
循環系で加熱或いは冷却を行えばよい。この様な場合に
は、系内にヒーター７或いはクーラー８の何れかを設け
ればよいことになる。しかし通常は加熱、冷却の両方工
程で水素ガスの循環を行い、夫々の工程で循環ガスの加
熱、冷却を実施することが効率上好ましい。

【００１４】また、図１の装置において、ガス噴射管５
に供給する循環ガスの圧力を高めるためにコンプレッサ
ー９を設けることができる。図中１０は加熱初期に容器
２内に水素ガスを供給し、かつ処理中チタン原料の水素
吸収に伴って減少した水素を適宜補給する水素供給管で
あり、１１は該管の開閉バルブである。１２は供給水素
に含有する水分を除去する吸水材（例えばＣｕ系）であ
り、１３はガス中に混入した酸素等の不純物を除去する
ゲッター材であって、これらは必要に応じて設けること
ができる。

【００１５】図３はヒーター７の一例を示すものであ
り、循環系配管６の外周近傍に電気ヒーター等の加熱手
段７ａを配置し、断熱材（例えばセラミックスファイバ
ー）７ｂを介して囲繞管７ｃで保持する構造としてい
る。加熱手段７ａを配置した部分の配管６内面には図４
に示すように、フィン７ｄを設けて循環する水素ガスと
の接触面積を拡大し加熱効率を向上させることができる
ほか、図示しないが配管６内にねじれ切片を装入し系内
の対流を促進することもできる。７ｅは温度計であり加
熱された水素ガスの温度を測定して電気ヒーターをオン
−オフ制御する。図４はクーラー８の一例であり、循環
系配管６を囲繞する導管８ａにより通路８ｂを形成し、
冷却水等の冷媒流通させて循環水素ガスを冷却する。図
６はクーラー８を複数設置した例であり、冷却ゾーンを
分割して冷媒の供給をオン−オフ制御することができる
ようにする。また、配管６外面通路８ａ側には図７に示
すようにフィン８ｃを設けて流通する冷媒との接触面積
を拡大し冷却効率を向上させることができる。８ｄは温
度計であり冷却された水素ガスの温度を測定してクーラ
ーをオン−オフ制御する。なお、ヒーター７およびクー
ラー８は上記構造に限定されるものでなく、既に用いら
れている各種のものを適用できることは勿論である。

【００１６】チタン原料の水素化処理に際しては、加熱
工程の初期はまず炉内を真空に引いた後、炉殻の加熱装
置４をオンにして加熱を開始し、かつ、水素を供給して
外筒内が所定の圧力になるように維持する。水素ガスは
コンプレッサー９の作動で高圧にして容器内の原料に向
け噴出管５より噴出するのが好ましく、これにより容器
内を対流しながら一部は原料に吸収され一部は循環系６
へ移行する。この移行ガスは前記水素供給管１０より新
たに補給される水素ガスと共に循環系でヒーター７で所
定の温度に加熱され、再度原料内に噴出される。チタン
原料は炉殻の加熱装置４からも輻射加熱されるがこれだ
けでは効率が悪い。本発明では加熱された水素ガスを原
料内に噴出し、好ましくは対流させながら原料を内部か
らも加熱するため、加熱効率は極めて良好となる。

【００１７】チタン原料が充分に水素を吸収した後は冷
却を開始する。この冷却工程では炉殻１を取り外し、外
筒３を大気中に露出して放冷すると共に、内部温度によ
り必要に応じて水素ガスを循環させ、循環系に設けたク
ーラー８を作動させて循環ガスを冷却し原料内に噴出す
る。この際コンプレッサー９は加熱過程と同様に作動さ
せ、また冷却過程でもチタン原料の水素吸収が起こるた
め適宜補給することで所定の内圧を維持することは加熱
工程と同様である。チタン原料が所定の温度に冷却され
た後は、外筒をとり原料収納容器を大気に露して常温ま
で冷却を継続する。

【００１８】この様に循環供給水素ガスは、チタン原料
収納容器内に吹き出させるようにして、内部からも加熱
・冷却効率を高めることができる。また、水素化処理の
初期は炉内の酸素を除去するため真空に脱気するが、そ
の後の水素添加時には安全上大気圧前後で操業するのが
よい。しかし、ガス噴出圧を調整し、内圧を高めて操業
を行えば熱伝達が一層向上する。実験の結果、内圧を１
０kgf/cm² 程度まで高めても安全上問題ないことが分か
った。熱効率の点から外筒内圧力は高いほどよいが、１
０kgf/cm² 超えるようにすると設備対策費が大きくなり
効果に見合わなくなる。従って、本発明は水素噴射時の
内圧を大気圧以上１０kgf/cm² 以下に調整して操業す
る。

【００１９】図８は本発明の別の水素化炉の例を示す説
明図であり、炉の上部を加熱室Ａ、下部を冷却室Ｂの２
室に分けている。加熱室Ａにおける外筒２および原料収
納容器２は部材１４を介して底壁１５で支持され、さら
にこの底壁１５は昇降支持部材１６で支承されている。
その他の構成は前記図１の場合とほぼ同一であり、同一
符号については説明を省略する。冷却室Ｂは炉殻１′で
加熱室Ａと連続一体化され、炉殻１′の周辺には冷却コ
イル１７が配置されている。図中１８は真空排気管、Ｃ
は下部構造を示す。加熱室Ａでの加熱が終了すると、昇
降支持部材１６を作動して底壁１５を下降させ、外筒で
覆われた原料収納容器３を冷却室Ｂに搬入する。冷却室
Ｂでは冷却コイル１７で外部から輻射冷却を開始し、ま
た、適宜循環系６で冷却した循環ガスを容器２内に吹き
込んでチタン原料を所定の温度まで冷却する。循環系に
おける冷却方法は図１の場合と同様に行われる。この様
に冷却室Ｂではチタン原料を内外部から強制的に冷却す
ることができ、著しく冷却効率を向上することができ
る。

【００２０】

【実施例】原料としてチタンスクラップを収納した容器
を外筒で覆い水素化炉に装入した。炉内を１０^-3torr以
下に真空引きした後水素ガスを添加して６５０℃まで加
熱した。この際、炉殻の加熱装置をオンにし、また水素
ガスを循環すると共に、常温から５５０℃までの間コン
プレッサーで約１kgf/cm² に外筒内圧を高め、循環途中
で水素ガスを５５０℃に加熱して外筒内に吹き込んだ。
炉殻加熱装置は外筒内温度が５５０℃になった時点でオ
フにし、その後はチタンの水素化による発熱でチタンを
加熱した。炉殻加熱装置のオン−オフまでの加熱時間は
約１５０分であった。

【００２１】加熱が完了したら水素を添加された状態
で、炉殻を取り外して外筒を大気に露出し冷却を開始し
た。冷却もコンプレッサーで約１kgf/cm² に外筒内圧を
高め、循環途中で水素ガスを１００℃に冷却して外筒内
に吹き込んだ。冷却は水素化チタンが１００℃になった
ら終了し、外筒内の水素をＡｒで置換した後、水素化チ
タンを収納した容器を取り出した。この場合の冷却時間
は約８５０分であった。水素ガスの循環には、コンプレ
ッサーを出て外筒内に水素ガスを吹き込む前にゲッター
材による酸素を吸着し、Ｃｕ系吸水材による湿分の吸着
を行い、酸素の酸化防止を図った。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、従来炉
壁ヒーターによる輻射加熱と大気放射冷却であったため
に加熱・冷却能が低く水素化処理に長時間要していたも
のを、水素ガスを循環させて対流熱伝達を加え、さらに
循環途中で加熱、冷却を実施し、また循環水素ガスを容
器内に噴出し内圧を高めることで、著しく加熱・冷却効
率を向上することができた。すなわち、従来加熱時間が
約２００分掛かっていたものが、実施例に示すように１
５０分に短縮され、また従来冷却に１２２０分掛かって
いたものが８５０分に短縮される等、生産性が大幅に向
上し、かつコスト削減に稗益すること極めて大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の水素化処理の加熱工程（ａ）と冷却工
程（ｂ）を分けて模式的に示した図。

【図２】本発明の原料収納容器部分の説明図。

【図３】本発明ヒーターの一例を示す断面（軸方向）説
明図。

【図４】本発明ヒーターの他の例を示す断面（軸と直交
方向）説明図。

【図５】本発明クーラーの一例を示す断面（軸方向）説
明図。

【図６】本発明クーラーの他の例を示す断面（軸方向）
説明図。

【図７】本発明クーラーの他の例を示す断面（軸と直交
方向）説明図。

【図８】本発明の２室分離した水素化熱処理炉の説明
図。

【図９】従来の水素化炉を示す説明図

【符号の説明】

１：炉殻 ２：原料収納容器 ３：外筒 ４：加熱装置 ５：水素ガス噴出管 ６：チタン原料 ７：ヒーター ７ａ：加熱手段 ７ｂ：断熱材 ７ｃ：囲繞管７ｃ ７ｄ：フィン ７ｅ：温度計 ８：クーラー ８ａ：導管 ８ｂ：通路 ８ｃ：フィン ８ｄ：温度計 ９：コンプレッサー １０：水素供給管 １１：開閉バルブ １２：給水材 １３：ゲッター材 １４：指示部材 １５：底壁 １６：昇降支持部材 １７：冷却コイル １８：真空排気管

フロントページの続き (72)発明者 山宮 昌夫 東京都千代田区大手町２−６−３ 新日本 製鐵株式会社内 (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 村山 良治 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 (7)

【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粉末を製造
   する方法において、原料チタンを水素ガス雰囲気中で高
   温加熱−冷却して水素化処理を行うに際し、水素化熱処
   理炉に配設し、系内に加熱装置および冷却装置の少なく
   とも一方を有する水素ガス循環系により、水素化用水素
   ガスを循環すると共に、該循環系でこの循環水素ガスを
   適温に加熱或いは冷却することを特徴とするチタン粉末
   製造における水素化熱処理方法。
2. 【請求項２】 水素化処理の加熱工程において、循環系
   で水素ガスを加熱することを特徴とする請求項１記載の
   チタン粉末製造における水素化熱処理方法。
3. 【請求項３】 水素化処理の冷却過程で、炉温に応じて
   水素ガスを循環させ、循環系で水素ガスを冷却すること
   を特徴とする請求項１記載のチタン粉末製造における水
   素化熱処理方法。
4. 【請求項４】 循環系から供給される水素ガスを、水素
   化熱処理炉に収納した原料チタンの中心部分に供給する
   ことを特徴とする請求項１記載のチタン粉末製造におけ
   る水素化熱処理方法。
5. 【請求項５】 水素化処理の加熱及び冷却過程で、炉内
   圧を大気圧以上１０kgf/cm² 以下にすることを特徴とす
   る請求項１記載のチタン粉末製造における水素化熱処理
   方法。
6. 【請求項６】 内壁に加熱装置を有する炉殻内に、原料
   チタンを収納する原料容器と、これを囲繞する外筒を設
   けた水素化熱処理炉において、前記原料容器の中央部分
   に水素ガス噴出ノズルを植立し、一端を外筒内部と連通
   し他端を前記水素ガス噴出ノズルと連通する水素ガス循
   環系を配設せしめ、この循環系には、加熱装置および冷
   却装置の少なくとも一方を設けると共にガス加圧装置を
   設置したことを特徴とするチタン粉末製造における水素
   化熱処理装置。
7. 【請求項７】 一端側に冷却装置を、他端側に加熱装置
   を配置したことを特徴とする請求項６記載のチタン粉末
   製造における水素化熱処理装置。