JPS6131168B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は金属塩化物の還元装置に関する。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
ムによる還元によつて製造され、まず、金属スポ
ンジの形で得られている。

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とその上
方に設けられた冷却脱気できる凝縮室からなる反
応装置を用いて、反応室内でマグネシウムと金属
塩化物（例えば四塩化チタン）を反応させ、生成
した液状の塩化マグネシウムとスポンジ状の金属
とを分離し、次いでスポンジ状の金属から減圧に
よつて塩化マグネシウムと未反応マグネシウムを
除去（真空分離）し、凝縮室において冷却によつ
て塩化マグネシウムおよびマグネシウムを回収す
る操作によつている。

このような装置は例えば特開昭47―18717号に
開示されているが、この種の装置では下方の反応
室と上方の凝縮室との連通と遮断をどうするかが
問題である。前記の装置では、反応室と凝縮室を
つなぐ中間連結部の通路を遮断蓋で遮断する機構
になつているが、その機構が複雑なうえ、特に遮
蔽蓋付近の高温マグネシウム蒸気、塩化マグネシ
ウム蒸気が通過するので、熱歪を受けて変形し、
次第に完全な密閉ができなくなるという欠点があ
る。

特開昭52―49922号には同様の装置であつて、
上述の欠点が部分的に改良されたものが開示され
ている。この装置では前記中間連結部に遮蔽蓋の
替わりに易融性金属、即ちマグネシウム、アルミ
ニウム、亜鉛、アンチモン等の金属板をボルト締
めすることによつて還元反応時には中間連結部の
通路を遮断し、真空分離に際しては連結部に設け
た加熱装置で溶融し去ることによつて連結部通路
を開通する様になつている。この装置では先に引
用した装置の欠点を排除しているが、(1)平滑に研
摩された易融金属の板を毎回新たに準備して使用
しなければならない。(2)マグネシウム板の直下に
熱反射板を設けねばならぬため、これが真空吸引
の際に抵抗となる。(3)マグネシウム板取付装置の
シール部が熱履歴を経て歪を生じ次第にシールが
不完全になる等工業的に安定して実施するにはな
お問題が残されている。

本発明者等はこのような既知の装置の改良を意
図し、先に中間連結部の通路の遮断手段としてシ
ールポツト構造を採用し、シール材料として易蒸
発物質を使用する装置を提案した（特願昭57―
008771号）。

この特願昭57―008771号の装置は反応室と凝縮
室の間を任意に開閉できるという利点を有するも
であつたが、場合によつては通路を開放するだけ
で足りる場合もあり、このような場合には前記特
開昭47―18717および特開昭52―49922の装置に内
在する既述の問題点を改良した簡単な構造の装置
もきわめて有用なものである。

本発明者は、これらの問題点を解決する目的を
もつて高融点遮断板の材質を検討した結果、意外
にも円錐台状鋳型に溶融塩を鋳込んで冷却固化さ
せた塩化マグネシウムブロツクが、金属マグネシ
ウム製の遮断板よりもさらに優れた遮断手段とな
り得ることを見い出して本発明に至つた。すなわ
ち上記の方法で製造した塩化マグネシウムブロツ
クは充分な強度を有し、テーパーを有した円筒体
にプレス等を用いてはめ込むだけで十分な気密性
が保証されるため、かえつて中間連結部の構造が
簡単化され、これを用いた装置には取付部分の歪
による変形の惧れがなくなつたのみならず、塩化
マグネシウムは金属マグネシウムより高融点
（Mg650℃，MgCl₂714℃）なため熱反射板も不要
になり、真空引きの際の抵抗もない装置がもたら
された。

本発明によれば、高融点高靭性金属の塩化物を
活性金属によつて還元して該金属を得るための、
加熱することのできる反応室と、生成する活性金
属の塩化物を真空分離するための凝縮室と、これ
ら両者を連結するための中間連結部とからなる装
置において：該中間連結部に、その内面に少くと
も１個の突条を備えたテーパー付円筒体構造と塩
化マグネシウムブロツクの遮断板と該遮断板を溶
融蒸発させるための加熱手段とを設けたことを特
徴とする装置を特徴とする高融点高靭性金属の製
造装置が提供される。

以下図面を参照して本発明の装置の基本的な構
造について詳細に説明する。

第１図は本発明の機構を示す縦断面図である。
反応室は外側容器をなす反応レトルト１とその内
部に支持体２に支承されて納められている内部容
器３とから成つている。反応レトルトは実用上望
ましくは円筒状であり、その底部には溶融した塩
化マグネシウムを排出するための導管４が設けら
れている。図示されていないが、これには当然開
閉装置が設けられている。また内部容器３の底部
にも、生成する塩化マグネシウムとマグネシウム
の融体の入れかわり（塩化マグネシウムの方が重
い）、あるいは塩化マグネシウム融体の排出を容
易にするように多数の小孔が設けてある。反応レ
トルトの上端にはフランジ５が形成され、更に後
述する加熱炉６に懸架するためのつば７が設けら
れている。

中間連結部８は本質的には反応室の内部容器３
よりも小さい直径を有する円筒体９とそのテーパ
ー付円筒体１０と外壁２８から成り、その上端か
らは広いフランジ１１が張り出し、中程から前記
フランジ５に係合するフランジ１３が張り出し、
下端にはバツフル１２が取付けられている。この
バツフル１２は内部容器３の上端と係合する。

中間連結部のフランジ１３と、反応レトルトの
フランジ５はガスケツトを介して、ボルトまたは
クランプなどで脱離可能に固定される。また中間
連結部には所望金属の原料となる塩化物
（TiCl₄，ZrCl₄）を導入する導管２３と排気用導管
２４及び不活性ガス導入管２５が設けられてい
る。

凝縮室はジヤケツト構造になつた冷却室１５と
その内部に納められた凝縮筒１６より成つてい
る。冷却室には真空排気口１７とジヤケツトへの
冷却水の導入口１８、同排出口１９が設けられて
おり、下端はレトルトと同様のフランジ２０とな
つている。凝縮筒１６は冷却室より一まわり小さ
い円筒状の容器であつて、その天井部には真空排
気する際に気体を通過させるための多数の小孔が
あけてある。その下端部はフランジ２１となつて
り、冷却室１５と凝縮筒１６とはそのフランジ２
０と２１の間にガスケツトを挾んで固定され、さ
らにこの両者はガスケツトを介して中間連結部の
フランジ１１に重ねて、ボルトなどで離脱可能に
固定される。

中間連結部８の最も重要な部分はテーパー付円
筒体１０あり、該円筒体には塩化マグネシウムブ
ロツクの円錐台形の遮断板２２がはめ込まれ遮断
機構を形成する。この中間連結部の構造は第２図
に詳細に示されている。テーパーの角度は円筒体
１０と遮断板２２を摩際を大にするためと開口部
が余り狭くならないために垂直に対し10゜以内が
適当である。上記テーパー付円筒体１０における
遮断機構は少くとも50mm厚の塩化マグネシウムブ
ロツク遮断板をはめ込み更にプレス等で押し込む
だけも、かなりの気密性が期待できるが、第３図
に示すように、このテーパー付円筒体の内面に突
条２６を設けることにより気密性を完全なものに
することができる。

突条２６は、第３図に示すような断面形状を有
し、テーパー付円筒体の内面にリング状に少くと
も１個好ましくは２個設けたもので、突条の高さ
は１〜３mmで十分である。

塩化マグネシウムブロツク遮断板は後に具体的
に説明されるように第４図に示すような鋳型３１
に溶融塩を鋳込んで製作されるが、そのテーパー
状の側面は必ずしも平滑でなく可なりな粗面にな
ることと、固化した塩は可なり強靭であるという
事実のために、テーパーつき円筒体の内面は平滑
であるよも、突条を有する方が有利であることが
分つた。突条の固形塩体への嵌入によつてより優
れた気密性が達成される。

第１図および第２図において、テーパー付円筒
体１０は上側が広く下側がせまいテーパーとなつ
ているが、逆に上側がせまく下側が広いテーパー
となていても中間連結部を反応室にとりつける前
にあらかじめ下側から塩化マグネシウムブロツク
遮断板を押し込んでおけばよいので何ら差支えな
い。むしろ反応室内の圧力が高くなる程遮断板と
円筒体の密着が良くなり、また還元反応終了後に
遮断板を溶融除去する際、遮断板の周囲が溶融す
ると遮断板は直ちに落下して反応室と冷却室が連
通するなどの利点もあり、テーパーの方向に限定
はない。

このような中間連結部の上部ーパー付円筒体１
０と下部円筒体９は、その外側から加熱手段２７
によつて加熱される形となつている。

上記の反応レトルト、内部容器、冷却室、凝縮
筒、中間連結部はすべて軟鋼または含クロム鋼で
製作することが出来る。ただし、内部容器及び凝
縮筒は軟鋼で十分である。

反応レトルト１は適当な加熱装置６に納められ
ている。適当な加熱装置は電気抵抗加熱形式のも
のである。この加熱装置は反応レトルト１の塩化
マグネシウム排出管４のための開口を有する。中
間連結部の加熱装置は半円筒上に構成された２つ
のユニツトを両側から当てがうようにすると便利
である。

以下本発明に従つて組立てた目下のところ最好
適な装置の実例とこの装置を用いて作業した実験
例を示す。

組立てられた装置は第５図に示すような構造の
ものである。この装置は実質的に上に説明した構
造に等しいが、次の点が変更されている。

内部容器３の上縁が中間連結部のフランジ１３
に相当する高さまで延び、該フランジ１３に係合
するフランジ１４が設けられている。一方中間連
結部のバツフル１２の周縁から前記の内部容器の
上方に延びた周縁に係合するように周壁３０が設
けられ、その上縁はフランジ１３に一体化されて
いる。また中間連結部８には補強部材２９が設け
られている。これは板状支柱である。

このように構成されているので、装置を組み立
てる際は、内部容器３をレトルト１内に納め、中
間連結部８をその下部のバツフル１２が内部容器
に嵌入するように装架し、係合するフランジ５，
１３，１４の間にそれぞれガスケツトを間挿し
て、ボルト、クランプなどで固定する。周壁３０
と内部容器３の間の嵌合は気密ではないが、気体
の自由な流通は妨げられる。

このように設計することの一つの利点は内部容
器３と凝縮筒１６が同じ容器にすることができ、
転用によつて装置の使用を効率化できる点であ
る。

反応室および冷却室は共に外径700mm、高さ
1760mmのベルジヤー型であり、中間連結部の高さ
は420mm、テーパー付円筒体の高さは190mm、上部
の広い部分の内径が210mm以下の狭い部分の内径
が175mmであつた。このテーパー付円筒体と同じ
テーパーをもつた厚さ70mmの塩化マグネシウムブ
ロツク製の遮断板をあらかじめ５個製作して用意
した。

作業例 (1) 塩化マグネシウムブロツク遮断板の製作。第
４図に示すような装置のテーパー付円筒体に相
当する形状のステンレス鋼製鋳型に約5500ｇの
塩化マグネシウムを装入し、770℃の加熱炉内
でアルゴン雰囲気にて溶解しそのまま炉冷し
た。その結果中央上部に凝固の際の引け巣を残
した円錐台形のブロツクが得られた。

(2) 塩化マグネシウムブロツクのはめ込み。この
ようにして得られた塩化マグネシウムブロツク
を中間連結部のテーパー部にはめ込み、上方か
らプレス機で約8.8トンの荷重をかけて押し込
んだ。この状態で0.2Kg／cm²の圧力をかけた場
合の漏れ量は1720ml／minであつた。また、テ
ーパー部に２m/mの突条を２段につけた中間
連結部部材に同様にして鋳込んで得られた塩化
マグネシウムブロツクをはめ込み、更に8.8ton
の荷重で押し込んだ場合は、0.2Kg／cm²の圧力
に対する漏れは殆んど認められず、ほぼ完全な
気密性が得られた。

(3) 金属チタンの製造。実施例に示した還元分離
一体型の装置による金属チタンの製造は次のよ
うにして行なわれた。反応レトルト１内に納め
られた内部容器３に360Kgのマグネシウム塊を
装入し、上記中間連結部８と凝縮筒１６及び冷
却室１５を第５図のように組立て完全に密閉系
とした。この状態で装置の漏れ試験（加圧、真
空）を行ない、装置の気密性を確認したうえで
内部にアルゴンを満たし加熱装置６内に収容し
た。加熱装置による昇温の途中400℃までは反
応レトルト内は排気用パイプ２４を用いて真空
排気しつつ昇温し、その後再びアルゴンを導入
して800℃まで昇温し装入したマグネシウムを
溶融状態とした後、導入パイプ２３より四塩化
チタンを導入し反応を開始した。反応の結果生
成した金属チタンはスポンジを形成して内部容
器３の底に堆積してゆく。一方副生する塩化マ
グネシウムは四塩化チタン120Kg供給する毎に
約100Kgずつ抜出した。反応は四塩化チタンを
約1000Kg供給した時点で終了し、その後更に炉
温を900℃として約１時間保持した後に残存す
る塩化マグネシウムを抜出した。次いで直ちに
中間連結部８の加熱装置２７に通電し、連結通
路のテーパー付円筒体１０にはめ込んだ塩化マ
グネシウム２２を溶かし去り、反応レトルト１
と凝縮筒１６を結ぶ通路を開通させた。この時
点から徐々に真空排気を行ないスポンジ中に残
留するマグネシウム、塩化マグネシウムを蒸発
させ、凝縮筒１６内にこれら約200Kg凝縮付着
させた。真空度の上昇に伴い炉温を1000℃に上
げ、更に25時間1000℃、10^-5mmHgの状態に保
持した。真空分離終了後直ちに導管２５を通し
て装置内にアルゴンを導入し、800℃まで炉冷
した後加熱炉から取出し室温まで冷却した。

(4) 金属ジルコニウムの製造。金属ジルコニウム
の製造も本発明の装置を用いて同様に行なうこ
とが出来る。前記同様に塩化マグネシウムブロ
ツク遮断板を施し、反応レトルト１に約140Kg
のマグネシウムを装入し中間連結部、冷却室、
凝縮筒を第５図のように組立てて漏れ試験を行
ない、気密を確認してから加熱炉内に収容し
た。装置内を一度アルゴンにて置換した後、
400℃までは真空排気しつつ昇温を行ない、そ
の後再びアルゴン雰囲気として更に800℃まで
昇温して、マグネシウムを溶融状態とした。加
熱炉温度を800〜850℃に保持して導入管２３よ
り四塩化ジルコニウム蒸気を導入し反応を行な
つた。生成した金属ジルコニウムは反応レトル
トの底部に沈積し、スポンジを形成する。副生
塩化マグネシウは、途中抜出さずに、そのまま
反応を続け、四塩化ジルコニウム約610Kgを供
給したところで反応を終了させた。ひきつづき
直ちに中間連結部加熱装置２７により連結通路
を加熱し、テーパー付円筒体にはめ込んである
塩化マグネシウムブロツク２７を溶かし去るこ
とにより連結通路を開通させた。次いで徐々に
真空排気を行ないスポンジ中に残留するマグネ
シウム、塩化マグネシウムを蒸発させ凝縮筒内
面にこれらを凝縮付着させた。真空度の上昇に
伴い加熱炉温度を950℃に上昇させ、約20時間
で真空分離を終了した。真空分離終了後、直ち
に導管２５から装置内にアルゴンを導入し、
800℃まで炉冷した後、加熱炉かな取出し、室
温まで冷却した。

以上のように、本発明では金属チタンまたはジ
ルコニウムの製造装置において還元・分離工程を
一体化する上で最も重要な部分である中間連結部
が、その構造の簡素さ、気密性の完全さ等の改良
を加えることにより、還元反応中、真空分離中と
もに安定した機能を発揮することができる。すな
わち、連結通路の遮断装置として、テーパーをも
たせた通路に塩化マグネシウムブロツクをはめ込
みプレスで押し込むことにより、更には突起をつ
けたテーパー部に押し込むことにより還元反応中
の気密性を確実なものにし、また中間連結部開通
後の真空分離にも中間連結部の構造を簡単化した
ことにより排気抵抗なしにまた凝縮物の付着もな
く、真空分離を行なうことが出来た。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本的設計理念を示す断面図
である。第２図は、第１図に示す装置の中間連結
部８の部分を拡大して示す断面図である。第３図
は中間連結部の上部のテーパー部に塩化マグネシ
ウムブロツクの遮断板を装架した状態を示す拡大
断面図ある。第４図は塩化マグネシウムブロツク
遮断板を鋳込む鋳型の概念を示す断面図である。
第５図は本発明の好適実施態様の構造を示す断面
図である。 これらの図面において、１……反応レトルト、
２……支持体、３……内部容器、４……塩化マグ
ネシウム排出用導管、５……反応レトルトフラン
ジ、６……加熱装置、７……つば、８……中間連
結部、９……円筒体、１０……テーパー付円筒
体、１１……中間連結部の上部フランジ、１２…
…バツフル、１３……中間連結部の下部フラン
ジ、１４……内部容器のフランジ、１５……冷却
室、１６……凝縮筒、１７……真空排気口、１８
……冷却水導入口、１９……冷却水排出口、２０
……冷却室のフランジ、２１……凝縮筒のフラン
ジ、２２……塩化マグネシウムブロツク、２３…
…原料塩化物導入口、２４……排気口、２５……
不活性ガス導入口、２６……リング状突条、２７
……中間連結部加熱装置、２８……中間連結部の
外壁、２９……中間連結部の補強部材、３０……
バツフルの周壁、３１……塩化マグネシウム用鋳
型。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 高融点高靭性金属の塩化物を活性金属によつ
   て還元して該金属を得るための加熱することので
   きる反応室と、生成する活性金属の塩化物を真空
   分離するための凝縮室と、これら両者を連結する
   ための中間連結部とからなる装置において：該中
   間連結部にその内面に少くとも１個の突条を備え
   たテーパー付円筒体構造と塩化マグネシウムブロ
   ツクの遮断板と該遮断板を溶融蒸発させるための
   加熱手段とを設けたことを特徴とする装置。