JPS60110824A - 高融点高靭性金属製造用反応容器 - Google Patents

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】 本発明は金属塩化物の還元用の反応容器に関する。金属
材料のうち高融点高靭性金属材料であるチタンとジルコ
ニウムは主としてその塩化物のマグネシウムによる還元
によって製造され、金属スポンジとして１１）られてい
る。

本明細書において高融点高靭性金属と称するものはチタ
ン、ジルコニウムその他類似の塩化物の５元によって製
造される金属を意味する。

このような高融点高靭性金属のスポンジの製造は、今の
ところ、密閉され加熱できる反応室内でマグネシウムと
目的金属の塩化物（例えば四塩化チタン）とを反応させ
る還元工程と、それに続く、生成スポンジ状金属から副
生塩化マグネシウムと未反応マグネシウムを減圧蒸留に
よって除去する真空分離工程とによっている。

このような反応容器には、マグネシウムに侵食されない
材料、今日工業的には炭素鋼、フェライト系ステンレス
鋼が使用されているが、これらの材料は耐熱強度が小さ
く、必要な強度を得るためには器壁の肉厚を増すことに
なり、これは必然的に重量の増加、加熱時の熱効率の低
下、内部温度推定の精度の低下等をもたらし、また高温
時の強度低下により変形しやすく、不可避的に耐用回数
が少ない。

オーステナイト系ステンレス鋼は耐熱強度は大きいが溶
融マグネシウムに侵され易い。オーステナイト系ステン
レス鋼製の反応容器を使用する場合は、最初にまずｊ！
！化マグネシウムを装入して溶融マグネシウムとの直接
の接触を避ける方法、特開昭５７−９８４７に開示され
ているような木質的にマグネシウムと反応ないし合金化
しない材料で製作された保護内筒を使用する装置などが
提案されている。

しかし、１１Ｘ者では操作が繁雑であり、後者では反応
容器に加えて保護内筒を使用するために必然的に重量の
増加、加熱時の熱効率の低下、内部温度椎定の精度の低
下、等をもたらす。

一般に１−記の容器では、］」的合金はスポンジ状の塊
として生成し、器壁にイ＋１着しているから、これを機
械的に取り出さねばならない。通常、容器の底に設けら
れた塩化マグネシウム排出管を切断して、そこからプレ
スで押される棒を挿入して、保１喜内筒ごと取り出され
る。保護内筒を使用しない場合も容器の底に１］皿板の
ようなものを置いて生成スポンジ状金属をこれで受け、
その板ごと取り出される。次回使用の際には塩化マグネ
シウムＪＪＩ’　ｉ、、ｌｉ　’ｎを１１トび溶接して
取り伺ける。

容Ｍか、チタンの場合はｌ　Ｏ８１’Ｃ以上、ジルコニ
ウムの場合は９３５°Ｃ以りに加熱されると、容器との
接触部において、往々生成スポンジ状金属が鉄との合金
を生成し容器に強固に固着する。そうなると生成金属の
取り出しが困難になる。このような合金の生成を防１．
Ｌする−ために、容器内面をＭｇＯおよび／またはＣａ
ｎで被覆する方法も提案されている（特開昭５６−４８
２３）。しかし、この方法は単にＭｇＯおよび／または
ＣａＯを容器内に塗布して５００℃程度で焼成するのみ
であるから、得られた被覆層の強度が弱く、還元、真空
分離中、または生成物を機械的に取り出す場合に被覆層
が剥離して製品中に混入して不純物となり、また被覆層
の耐用回数は極端に少ない。

本発明者らは反応容器の内面に何らかの被覆を施し溶融
金属マグネシウムおよび塩化マグネシウムによる侵食を
防ぎ、かつ生成スポンジ金属の取り出しの際の機械的摩
擦にも耐える、ＭｇＯおよび／またはＣａＯよりも耐久
力の大きい被覆層を探究した結果カーボンスタンプ材が
この目的に適することを見出し本発明をなすに至った。

本発明は保護内筒や耐火物の被覆の代りに、反応容器め
内壁を溶融マグネシウムに対する耐蝕性の高いカーボン
スタンプ材で被覆することによって四ｔ１化チタンまた
は四塩化ジルコニウムの還元装置の材質としてオーステ
ナイト系ステンレス鋼の使用を可億にし、生成スポンジ
状金属の機械的取り出しの際の抵抗の減少、反応容器寿
命の延長等をもたらすものであり、その要旨は　５ＵＳ
３０４．５ＵＳ３１０，５Ｕ３３１６等のオーステナイ
Ｉ・系ステンレス鋼の反応容器の内壁をカーボンスタン
プ材で被覆したことを特徴とする還元反応容器である。

カーボンスタンプ材とは石油精製における蒸留残渣であ
るタール、ピッチ等を主成分とする常温で固体（水素を
含んでいる）であり、　施工時に１２０°Ｃ程度に加熱
して軟化させ基体表面に適用してランマー等で打ち固め
、１０００　’Ｏ前後で焼成して（水素が除去される）
炭素質の層を形成しスＩＩるものであり、成形用の処方
物が市販されている。　反応容器の内面をカーボンスタ
ンプ材で被覆する方法は各製造業者の提供するカーボン
スタンプ材によって異っており、製品に惰伺された使用
指針に従わなければならない。例えば、日本カーボン株
式会社製のＮＣＫスタンプペーストは１２０℃に加熱し
たスタンプ材をランマー等で突き固め、１０００°Ｃ程
度に加熱焼成する。

また被覆に当っては、反応容器の器壁の浸炭を防ぐため
に、Ａ１７０３．　ＣａＯ、ＭｇＯ５Ｓ　ｉ０２、Ｚｒ
Ｏ２またはそれらの混合物よりなるセメント材を反応容
器の内面に施してから、その上にカーボンスタンプ材を
施すことが望ましい。また、カーボンスタンプ材の内壁
への４＝Ｉ着を容易にするために、容器内面に突起を設
けてもよい。

次に図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は本願出願人の出願にかかる特開昭５８−１２８
９３８　（特願昭５７−８７７１　）に開示されている
塩化物の還元による高融点高靭性金属の製造装置の。

断面図である。この装置は、高融点高靭性金属の塩化物
を活性金属によって還元して該金属を得るための塩化物
と活性金属を反応させるための加熱することのできる反
応室（レトルト）１０と、その内部に納められた保護内
筒（内部容器）２０　と、反応室内で生成金属から蒸発
によって分離された活性金属ならひに副生塩化物を凝縮
させるための減圧冷却可能な凝縮室４０と、これらを連
通したり遮断したりするための中間連結部３０からなる
装置であって、該中間連結部に漏斗状体３８とその開口
脚部を受け入れるパン３６からなり易融易蒸発物質を保
持するシールポット手段と該易融易液／に発物質を溶融
蒸発さゼるための加熱手段７０を設けたことを特徴とす
る。

この装置では、反応室ＩＯ内に保護内筒２０を使用して
いるので必然的にその分だけ重量は大きい。これをｉｉ
）挟合に軒数化するため、本発明においては、容器をオ
ーステナイト系ステンレス鋼で製作し、保護内筒を廃ｌ
二して、その内面にカーボンスタンプ材の被覆を施す。

そのような本発明の一実施ｍ；様の装置を第２図に示す
。装置の構造の大部分は両者共通であるから、細部の説
明は第２図について行なう。

装置はオーステナイト系ステンレス鋼で造られる。第１
図では、反応室ｌＯは、実用上は円筒形であり、保護内
筒２０は反応室よりも−まわり小さい円筒であって、そ
の底部は、溶融した塩化マグネシウムを排出できるよう
に少なくとも１個の小孔がうがっであるものであるが、
第２図では、内部容器はなく、その代りに、反応容器の
内面に前記のようにカーボンスタンプ材（１）被ｆＮ　
ｉＯａ　カにされている。

反応室の底部にも塩化マグネシウムを排出するためのバ
ルブのような開閉手段１４を有する排出管１３が設けら
れている。この反応室の−１一端にはフランジ１１が形
成され、さらに後述する加熱炉に懸架するためのつば１
２が設けられている。

中間連結部３０は木質的に反応室の内径よりも小さい直
径を有する円筒体３１よりなり、その］一端から広いフ
ランジ３２が張出しており、その下端からは別のフラン
ジ３３が張出し、後者の中程から上方に伸びる、円筒体
３０より低い円筒壁３４　が形成され、その］二縁から
フランジ３５が張り出している。このフランジ３５は前
記反応室のフランジ１１と重なるように構成されている
。中間連結部の下端のフランジ３３の直径は、反応室Ｉ
Ｏの内径よりわずかに小さく、反応室１０内に転入し、
その内壁に接触する程度の大きさである。

中間連結部のフランジ３５と反応室のフランジ１１はガ
スケットを間挿してボルト、またはクランプなどで脱ａ
　ｔｊｒ能に固定される。ガスケットは既知の耐熱性エ
ラスＩ・マー製のものでよい。

凝縮室はジャケント構造となった反応室に類似した形状
の冷却室４０とその内部に納められた凝縮筒５０よりな
っている。冷却室４０には排気口４１、ジャケットには
冷却液（水）の導入口４２、排出＋＋　４３が設けられ
、下端は反応室と同様のフラン・ン４４　となっている
。凝縮筒５０は冷却室より一回り小さい円筒状の容器で
あって、天井部には気体を通過させるため少なくとも１
個の孔がうがっである。そのド端部は冷却室と同様にフ
ランジ５２になっている。冷却室４０と凝縮筒　５０の
フランジ４４　、５２　と中間連結部３０のフランジ３
２をガスケットを間挿して重ねて、ボルトなどで離脱Ｕ
（能に固定される。ただし通常冷却室　４０と凝縮筒５
０は凝縮室として一体に取り扱われる。この部分のガス
ケットも既知の耐熱性エラストマーでよい。中間連結部
３０には、その円筒体３１の中央部に低い円筒状の容器
（パン）３６と、その上刃にパンに臨むように漏斗状体
３日が設けられ、その円錐部の１一端は中間連結部の内
周に密着固定され、その管状脚部の下端はパンの周壁の
上縁より下方に侵入している。

通常この中間連結部３０には、所望の金属１１化物と不
活性気体などを導入する導ｔｉ３’８１　と、活気用の
導管６２とが設けられている。これらの４管は反応室１
０本体に設けてもよいが、この中間連結部に設ける方が
便利である。

これらの導管は中間連結部から遠くない位置にバルブを
有し、そのバルブの外方で親骨から取り外すことができ
るようにしである。この図では右方の一＃管は金１＆塩
化物導入用の枝管と不活性気体を導入する枝管に別れ、
その各々にバルブが設けられている。

中間連結部３０の前記漏斗状部３８の上端にはパンに」
４止材料８０を導入するた・めの導管３９が設けられ、
中間連結部と封止材料導入導管３８の外周には加熱手段
、通常は電気抵抗加熱手段　７０が設けられている。

反応室ｌＯは適当な加熱装置８０に納められている。適
当な加熱装置は電気抵抗形式のものである。この加熱装
置は、反応室１０の塩化マグネシウムυ１出管のための
開口を有する。この加熱装置は、当業者が適宜設計し得
るものであるから特に説明はしない。

この装置の操作法は次の通りである０反応室にマグネシ
ウム塊を装入してから、フランジ１１　と３５を固定し
て中間連結部を結合し、ついで凝縮室（４０＋　５０　
）を固定して全装置を組み立てる。

凝縮室の固定は反応室（中間連結部を含む）を加熱装置
８０内に据えつけてから構される装置組立後、導管４１
から排気してもれ試験を行なう。

気密を確認した後、排気導管４１から排気し。

導管６１　より不活性気体を全装置内に気圧より少々高
い圧に充填する０次に導管３９より封止材料の融液８０
をパン３６に導入し固化させる。ついで加熱炉８０を操
作して反−心室を加熱して先に装入されたマグネシウム
を溶融後、導管８１　より金属塩化物を導入して反応を
遂行し、スポンジ状金属を得、副生じた塩化マグネシウ
ムを導管１３より排出する。

次いで、導管１３の閉鎖手段を閉じた後、中間連結部３
０の加熱装置７０に通電してシールポットを加熱し、そ
の中の封止材料を蒸発させる。

この状態で再びｆｃ空排気し反応室の加熱を続けると、
スポンジ状金属内に取り込まれていた塩化マグネシウム
も未反応マグネシウムも気化して金属から分離し、凝縮
筒５０内に補集される。

真空分離処理が終了したら、装置内をアルゴンで復圧し
、導管３８から再び封止材料を導入して固化させる。そ
して凝縮部を中間連結部から分離して反応室（中間連結
部を含む）加熱炉より取り出し、冷却後、排出管１３を
切断して生成スポンジを取り出す、かくして−バッチの
操作を終る。

次の操作に際しては、排出管１３を再び溶接して取り伺
け、マグネシウム塊を装入した後、中間連結部の通路は
既に遮断されているから、そのまま装置を組み立て前期
の操作を繰り返す。

実施例　ｌ 実質的に第２図に示されるような装置を組立てた。その
諸元は次の通りである。

反応室及び凝縮室は共に外形７００　ａｍ　、高さ＋７
１３０　ｆｆ１ｍ　、のベル型であり、中間連結部の円
筒体は長さく高さ）３７０＋ａｍ、内径　１８５　ｍａ
＋　であった。　反応室はオーステナイＩ・系ステンレ
ス鋼（ＳＵＳ３０４）で製作し、肉厚１８　ａｍであっ
た。

その内面にマグネシアセメントを厚さ約５腸ｍ　に貼り
伺け、そのにに、１２０℃に加熱した日本カーボン（株
）製ＮＣＫスタンプペーストを、厚さ約１０　ｍｍに貼
りつけ、ランマーでつき固め、トーチで約１０００°Ｃ
になるように、加熱して、カーボン被覆を施した。　シ
ールポット部分は５Ｉｌ１１１厚さのステンレス鋼板を
使用し、シールポットは外径１０８　ｍ＋ｍ　、高さ４
０　ａｍであった。漏斗状体は外径８８−ｍｍ、高さ５
２　ｗ＋ｍ、であった、凝縮室の冷却室と凝縮筒は１０
　ａｍ　厚さの軟鋼で製作した。

作業例１ 前述の操作法に従ってチタンを製造した。最初に３５０
　ｋｇの固形マグネシウムを反応室に装入し、装置内に
不活性気体としてアルゴンを装置内の内圧が大気圧より
高くなるように導入した。ついで封止材料として金属マ
グネシウムを使用して中間連結部の通路を遮断してから
１反応室を８００〜８５０℃に加熱して装入したマグネ
シウムを溶融し、約　１０２０　ｋｇ　の四塩化チタン
を反応室内の温度が上り過ぎないように滴下導入して反
応させた。反応終了後装置全体をアルゴンで復圧し、生
成した塩化マグネシウムを底の排出管から抽出し、シー
ルポットを前記のように操作して中間連結部の通路を開
放する。

反応室を１０００℃に加熱し真空分離処理を約３０時間
継続して真空分離を完了した。

再びシールポットに溶融マグネシウムを導入し固化させ
て、凝縮室を脱離し、反応室（中間連結部を含む）を加
熱炉から取り出して冷却後、反応室を開放して、反応室
下端の下端の塩化マグネシウム排出管を９Ｊ断し、そこ
からプレスで押される林を挿入して押し出して２５（ｌ
　ｋｇのスポンジチタンを得た。この操作を１００回繰
り返しても大きな変形は見られなかった。そして得られ
たスポンジはカーボンによる汚染はなかった。

比較例 比較のために、内筒を有し、反応室、内筒ともに５ＵＳ
４１０で製作した、反応室の外径７００ｍｍ、肉厚２５
Ｉ、内筒の外径８００　ａｍ　、肉厚１０ｍａ＋の装置
を用い、約２５０　ｋｇ／バッチのチタン生産を行なっ
たところ、反応室の耐用回数は約５０回であった。

作業例１と比較例の生成物の化学分析の結果と押し出し
圧力と容器可使用回数を次の表にまとめて示す。

化学分析（％）　押し出し　可使用 圧力ｋｇ／ｃ　回数 Ｌ」　凡１　旦−０１悦Ｃ−）□ 本発明　０．０１０．００３０．００５　７＋　１０２
従来容器　０．０４０．０１　０．００５　１７２　４
？ここに見られるように、本発明容器では押し出し圧力
は大いに減少している。

作業例２ 作業例１と同様の操作してジルコニウムを製造した。

反応室に約５０　ｋｇのマグネシウムを装入した。

封止材料としては前記同様に金属マグネシウムを使用し
た０反応室を８００〜８５０　”Ｃに加熱し、約２１０
　ｋｇ　の四塩化ジルコニウムを反応室に装入した。前
記同様に中間連結部を開放し、ついで反応室を８００〜
８５０°Ｃに加熱して真空分離処理を約２０時間継続し
た。以下チタンの場合と同様に処理して、約８０ｋｇの
スポンジジルコニラムラ得た。この操作を１００回繰り
返し′ても反応容器に大した変変形は見られなかった。

以１；詳説したように、未発リノは反応容器をオーシテ
ナイト系ステンレス鋼で製作することを可能にしたこと
により、次のような利点をもたらす。

！、　従来の装置に比べ、反応面積の増加による反応速
度の向−１、生成物の単位型ＮＥ当りの器壁との接触面
積減少による歩止りおよび品質の向上が得られる。

２、？０位製品邦当りの容器重量を低減と容器の耐用回
数の増加が達成される。

３、加熱に要する熱エネルギーの減少、加熱冷却に対す
る感度の向上、容器外からの温度測定における温度検定
精度の向りが達成される。

４、　容器から生成金属のスポンジ塊を機械的に取り出
す際の抵抗が小さいので、押圧力を減少させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の背景をなす既知の装置の概念を示す縦
断面図である。第２図は第１図の装置に本発明の適用し
た態様を示す縦断面図である。 これらの図面において、 １０　＋　２０　、、、、反応室、　４０　＋　５０．
、、、凝縮室、３０、、、、中間連結部、３８．、、、
パン、３？、、、、回転軸、３８、、、、漏斗状体、　
３６　＋　３７　＋３８．、、、シールポット特許出願
人　三菱金属株式会社 代理人　弁理士　松井政広 第１図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、　活性金属による塩化物の還元によって高融点高靭
   に１金属を製造するための反応容器において、オーステ
   ナイト系ステンレス鋼で形成され、その内面にカーボン
   スタンプ材の内張りを施したことを特ｌｔ＆とする反応
   容器。