WO2005080643A1 - Ca還元によるTi又はTi合金の製造方法 - Google Patents

Ca還元によるTi又はTi合金の製造方法 Download PDF

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Tadashi Ogasawara
Makoto Yamaguchi
Masahiko Hori
Toru Uenishi
Katsunori Dakeshita
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Sumitomo Titanium Corporation
Toho Titanium Co., Ltd.
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25CPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C5/00Electrolytic production, recovery or refining of metal powders or porous metal masses
    • C25C5/04Electrolytic production, recovery or refining of metal powders or porous metal masses from melts

Definitions

  • the present invention provides a method for reducing a metal chloride containing titanium tetrachloride (TiCl 4) by using Ca
  • the present invention relates to a method for producing Ti or Ti alloy by Ca reduction for producing Ti or Ti alloy.
  • TiC obtained by chlorinating titanium oxide (TiO 2) is used.
  • the chlor method of reducing 1 with Mg is common. In this crawl method,
  • the reaction vessel is filled with molten Mg, and the liquid level of TiCl
  • liquid TiCl is dispersed on a liquid surface where molten Mg exists.
  • a method has been proposed in which the efficiency of the reaction is increased by the supply and the precipitation of Ti on the inner surface of the upper part of the reaction vessel is suppressed. However, it is not sufficient as a measure for suppressing the Ti precipitation.
  • U.S. Pat.No. 4,820,339 discloses a Ti production method using a reduction reaction with Ca, in which a molten salt of CaCl is held in a reaction vessel, and metal Ca powder is contained in the molten salt from above.
  • a method of reacting dissolved Ca and TiCl in a molten salt of CaCl is described.
  • Ca has a stronger affinity for CI than Mg and is suitable in principle as a reducing agent for TiCl.
  • reaction field expands and the heat generation area also expands, facilitating cooling. Therefore, the supply speed of Ti C1 can be greatly increased, and improvement in productivity can be expected.
  • the method is a kind of the direct oxide reduction method and has high efficiency. However, using high-purity TiO
  • An object of the present invention is to economically produce high-purity metal Ti or Ti alloy with high efficiency and without using an expensive reducing agent.
  • the Ca concentration in the molten salt can be increased. Therefore, if TiCl is supplied into molten CaCl so as to react with Ca generated on the cathode side, it is consumed for generation of Ti.
  • Cathode Ca 2+ + 2e— ⁇ Ca ⁇ ⁇ ⁇ (3)
  • Electrolysis is performed in the reduction tank and the electrolytic tank, respectively, and the molten CaCl is circulated between both tanks.
  • reaction tank functions as both a reduction tank and an electrolytic tank.
  • molten CaCl is circulated between the reduction tank and the electrolytic tank, which eliminates the need to provide both tanks.
  • the present invention has been made based on vigorous considerations, and the gist of the present invention is the following method for producing Ti or a Ti alloy.
  • a reduction electrolysis step of supplying a metal chloride into the molten salt to form Ti or a Ti alloy in the molten salt; and forming a molten salt in the reaction tank or outside the reaction tank. And producing a Ti or Ti alloy by Ca reduction.
  • the method of the present invention for producing Ti or Ti alloy by reduction with Ca is a method for reducing TiCl, which is easily obtained with high purity, and therefore, high-purity metal Ti or Ti alloy can be produced.
  • Ca in molten salt containing CaCl is replaced with metal chloride containing TiCl.
  • the particles are generated, they can be taken out of the reaction tank with very little agglomeration of the particles or the growth of particles due to sintering, and continuous operation is possible. Force in the reaction tank By allowing the reduction reaction and the electrolytic reaction to proceed simultaneously and supplementing the Ca consumed in the reduction reaction with the electrolytic reaction, Ca can be used in a state of being dissolved in the molten salt at all times.
  • high-purity metal Ti or Ti alloy can be produced efficiently and economically.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a metal Ti manufacturing apparatus showing an embodiment of the present invention.
  • Ti (hereinafter, referred to as “Ti grains”) is generated.
  • the dissolved Ca in the molten salt is consumed with the formation of Ti particles, but the electrolytic reaction of molten CaCl proceeds simultaneously with the reduction reaction in the reactor.
  • Mg is the power produced by electrolyzing MgCl
  • Ca is produced by CaCl electrolysis.
  • Dissolved Ca which is difficult to manufacture, produces CaCl by back reaction (reaction of Ca generated on the cathode side to combine with C1 generated on the anode side to return to CaCl).
  • the area also expands. Furthermore, the vapor pressure at 850 ° C is about 6.7kPa (50mmHg) for Mg. Since Ca is extremely small at 0.3 kPa (2 mmHg), the amount of Ti deposited on the inner surface of the upper portion of the reaction tank is much smaller when Ca is used for reduction than when Mg is used. Therefore, in the method of the present invention for producing Ti or Ti alloy by Ca reduction,
  • Ca is inferior in wettability (adhesiveness) to Mg, and Ca attached to precipitated Ti particles dissolves in CaCl.
  • a small amount of generated Ti can be taken out of the reaction tank in a powder state, and continuous Ti production operation is possible.
  • Direct supply in a liquid state is a feature that increases the contact efficiency of TiCl with Ca in molten CaCl solution.
  • the TiCl liquid is supplied to the molten Ca liquid surface held on the molten CaCl liquid to perform the reduction reaction.
  • the molten Ca solution was kept thin enough to use Ca in the molten CaCl solution.
  • the method of the present invention for producing Ti or Ti alloy by Ca reduction is
  • the TiCl liquid is supplied to the liquid surface of the molten Mg liquid, but the reaction field is expanded.
  • the feeding mode can be implemented without any problem.
  • reaction can be carried out outside the reaction tank.
  • a batch method is used.In order to increase the productivity, taking advantage of the fact that the generated Ti is obtained in the form of particles, withdraw it out of the reaction tank together with the molten CaCl solution, Separates Ti particles from molten CaCl solution
  • TiCl is used as a raw material.
  • the other metal chloride may be used in a gaseous or liquid state.
  • a partition in the reaction tank with an opening at the bottom (see Fig. 1 described later), and divide the inside of the tank into an anode side and a cathode side.
  • the molten salt is used as a mixed salt instead of CaCl alone. It is effective to lower the melting point and the temperature of the molten salt (that is, the bath temperature). That is, in the method for producing Ti or Ti alloy by Ca reduction of the present invention, CaCl having a melting point of 780 ° C. is usually used as a molten salt, but a binary system of CaCl NaCl and CaCl KC1 is used.
  • one or more of NaCl, KC1, LiCl and CaF) are mixed and mixed with a multi-component molten salt.
  • the melting point of the salt is lowered, so that the temperature of the molten salt (bath temperature) can be lowered.
  • melting point about 800 ° C
  • the melting point can be reduced to a minimum of about 500 ° C.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a metal Ti manufacturing apparatus showing an embodiment of the present invention.
  • a reaction tank 1 for simultaneously performing a reduction reaction and an electrolytic reaction is used.
  • the reaction tank 1 holds Ca-rich molten CaCl in which Ca is dissolved in a relatively large amount as a molten salt.
  • molten CaCl which is a molten salt, is energized between the anode 2 and the cathode 3 so that
  • Electrolysis produces C1 gas on the anode 2 side and Ca on the cathode 3 side.
  • the inside of the reaction tank 1 is divided into an anode side and a cathode side by a partition wall 4.
  • the partition 4 has an opening at the lower part so that the movement of the molten salt is not hindered.
  • the generated Ti particles settle due to a difference in specific gravity, and accumulate at the bottom of the reaction tank 1 on the cathode side.
  • the Ti particles collected at the bottom on the cathode side in the reaction tank 1 are extracted from the reaction tank 1 together with the molten salt present at the bottom, and sent to a Ti separation step (not shown).
  • the Ti particles extracted together with the molten salt in the reactor 1 are separated by molten salt. Specifically, the Ti particles are compressed to squeeze out the molten salt.
  • the Ti particles obtained in the Ti separation process are melted and Ti ingot It is said.
  • the molten salt separated from the Ti particles in the Ti separation step is used molten salt, which consumes Ca and decreases the Ca concentration.
  • This molten salt is desirably returned to the reactor and reused, and is usually led to the anode side in the reactor 1 together with the used molten salt separately extracted from the reactor 1.
  • a used molten salt from the Ti separation step is fed into the anode side in the reaction tank 1 as a desirable form.
  • a unidirectional flow of the molten salt from the anode side to the cathode side is formed in the reaction tank 1, and Ca generated on the cathode side is prevented from flowing into the anode side.
  • the partition wall 4 shown in FIG. 1 it functions more effectively to prevent Ca from flowing into the anode side in combination with the formation of the unidirectional flow.
  • the molten salt introduced into the anode side in the reaction tank 1 moves to the cathode side to supplement Ca, becomes Ca-rich, and is reused in the reduction reaction.
  • the TiCl thus obtained is introduced into the reaction tank 1 and circulated and used for the generation of Ti particles by Ca reduction.
  • the generation of Ti particles by Ca reduction that is, the consumption of Ca
  • the replenishment of Ca by electrolysis are simultaneously performed in the reaction tank 1, so that No need to replenish or remove Ca in solid state High-quality Ti granules by Ca reduction Continuous and economical production.
  • the reaction tank 1 also serves as a reduction tank and an electrolytic tank, and has a great economical advantage in terms of equipment. Furthermore, in the reaction tank 1, Ca generated on the cathode side is prevented from flowing into the anode side, so that Ca reacts with the C1 gas generated on the anode side to form a back reactor.
  • Shyon can also be prevented.
  • the temperature of the molten salt in the reaction tank 1 is higher than the melting point of CaCl (about 780 ° C).
  • the raw material TiCl is supplied.
  • the feed rate can be increased and continuous production is possible. Also, the reduction reaction and the electrolysis reaction can proceed simultaneously in the reaction tank, and the Ca consumed in the reduction reaction can be supplemented by the electrolysis reaction, so it is not necessary to handle Ca itself by itself!
  • the production method of the present invention can be effectively used as a means for efficiently and economically producing high-purity metal Ti or Ti alloy. It can be widely applied.

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Abstract

 CaCl2を含み且つCaが溶解した溶融塩を反応槽内に保持し、該反応槽内の溶融塩中で電気分解を行うと共に、その電気分解で陰極側に生成したCaと反応するようにTiCl4を含む金属塩化物を前記溶融塩中に供給して、前記溶融塩中に粒状のTi又はTi合金を生成させる方法であり、高純度の金属Ti又はTi合金を製造できる。そして、原料であるTiCl4の供給速度を高めることができ、更に、連続的な製造が可能である。しかも、反応槽内で還元反応と電解反応を同時に進行させ、還元反応で消費されるCaを電解反応で補うことができるので、Caそれ自体を単独で取り扱う必要がない。従って、本発明の製造方法は、高純度の金属Ti又はTi合金を能率よく経済的に製造する手段として有効に利用することができる。

Description

Ca還元による Ti又は Ti合金の製造方法
技術分野
[0001] 本発明は、四塩化チタン (TiCl )を含む金属塩化物を Caにより還元処理して金属
4
Ti又は Ti合金を製造する Ca還元による Ti又は Ti合金の製造方法に関する。
背景技術
[0002] 金属チタンの工業的な製法としては、酸化チタン (TiO )を塩素化して得られる TiC
2
1を Mgにより還元するクロール法が一般的である。このクロール法では、反応容器内
4
で TiClを Mgにより還元する還元工程と、反応容器内に製造されたスポンジ状の金
4
属 T 未反応の Mg及び副生物である塩ィ匕マグネシウム (MgCl )を除去する真空
2
分離工程を経て、金属 Tiを製造する。
[0003] 還元工程では、反応容器内に溶融 Mgを充填し、その液面に上方から TiClの液体
4 を供給する。これにより、溶融 Mgの液面近傍で TiClが Mgにより還元され、粒子状
4
の金属 Tiが生成すると同時に、溶融 MgClが液面近傍に副生する。生成した金属 T
2
iは逐次下方へ沈降し、溶融 MgClも比重が溶融 Mgより大きいので下方に沈降して
2
、溶融 Mgが液面に現れる。この比重差置換により、液面に溶融 Mgが供給され続け 、 TiClの還元反応が継続して進行する。
4
[0004] クロール法による金属 Tiの製造では、高純度の製品が製造されるが、製造コストが 嵩み、製品価格が非常に高くなる。製造コストが嵩む原因の一つは、 TiClの供給速
4 度を上げることが困難なことである。 TiClの供給速度が制限される理由としては次の
4
(a)— (c)が考えられる。
[0005] (a)クロール法での生産性を高めるには、 TiClの供給速度、即ち溶融 Mgの液面
4
への単位面積または単位時間あたりの供給量を増大させることが有効である。しかし 、 TiClの供給速度を大きくしすぎると、前述の比重差置換が間に合わず、液面に M
4
gClが残ってこれに TiClが供給されるようになる。その結果、供給された TiClは未
2 4 4 反応の TiClガスや、 TiClなどの低級塩ィ匕物のガス(これらを、「未反応ガス」という)
4 3
となって反応容器外へ排出されるため、 TiClの利用効率が低下する。また、未反応 ガスの発生は容器内圧の急激な上昇を伴うので避ける必要がある。これらの要因か ら、 TiClの供給速度が制限される。
4
[0006] (b)TiClの供給速度を大きくすると、溶融 Mgの液面から生じる Mg蒸気が TiClの
4 4 蒸気と反応して溶融 Mg液面より上方の反応容器内面における Ti析出量が多くなる。 一方、 TiClの還元が進むにつれて溶融 Mgの液面が上昇するため、反応容器の上
4
部内面に析出した Tiが、還元工程の後半では溶融 Mgに浸漬した状態となり、液面 の有効面積が減少して反応速度が低下する。これを抑えるために、 TiClの供給速
4 度を制限し、容器上部内面における Tiの析出を極力抑えることが必要になる。
特開平 8— 295955号公報では、液状の TiClを溶融 Mgが存在する液面に分散供
4
給することによって反応効率を高め、反応容器の上部内面における Tiの析出を抑制 する方法が提案されている。しかし、前記 Ti析出の抑制対策としては十分ではない。
[0007] (c)クロール法では、反応容器内の溶融 Mgの液面近傍だけで反応が行われるた め、発熱する領域が狭ぐ局所的に温度が上昇する。そのため、冷却が困難となり、 TiClの供給速度が制限されることになる。
4
[0008] また、 TiClの供給速度に直接影響する問題ではな 、が、クロール法では、溶融 M
4
gの液面近傍で粒子状に生成した Ti粉が、溶融 Mgの濡れ性 (粘着性)により凝集し 、その状態で沈降し、沈降中にも溶融液が有する熱により焼結して粒成長する。その ため、生成した Tiを微粉として反応容器外へ取り出し、回収することが難しぐ製造を 連続的に行うことが困難であり、生産性の向上が阻害されている。 Tiが反応容器内に スポンジチタンとしてバッチ方式で製造されるのは、このためである。
[0009] クロール法以外の Ti製造方法に関しては、米国特許第 2205854号明細書に、 Ti C1の還元剤として Mg以外の例えば Caの使用が可能であることが記載されている。
4
また、米国特許第 4820339号明細書に、 Caによる還元反応を用いた Ti製造方法と して、反応容器内に CaClの溶融塩を保持し、その溶融塩中に上方から金属 Ca粉
2
末を供給して、溶融塩中に Caを溶け込ませると共に、下方から TiClガスを供給して
4
、 CaClの溶融塩中で溶解 Caと TiClを反応させる方法が記載されている。
2 4
[0010] Caによる還元では、下記(1)式の反応により、 TiCl力 金属 Tiが生成し、それと共
4
に CaClが副生する。 TiCl + 2Ca→Ti + 2CaCl · · · (1)
4 2
Caは Mgより CIとの親和力が強ぐ原理的には TiClの還元剤に適している。特に、
4
米国特許第 4820339号明細書に記載された方法では、 Caを溶融 CaCl中に溶解
2 させて使用する力 このように、溶融 CaCl中での Ca還元反応を利用すれば、クロー
2
ル法のように反応容器内の還元剤の液面に TiClを供給する場合と比べて反応の生
4
じる領域 (反応場)が拡がり、発熱領域も拡がるので、冷却が容易になる。従って、 Ti C1の供給速度を大幅に高めることができ、生産性の向上が期待できる。
4
[0011] し力しながら、米国特許第 4820339号明細書に記載された方法は、工業的な Ti製 造法としては成立し得ない。この方法では、還元剤として極めて高価な金属 Caの粉 末を使用するので、製造コストが、クロール法よりも高価となる力らである。
更に、別の Ti製造方法としては、米国特許第 2845386号明細書に、 TiOを、 TiC
2
1を経由せず Caにより直接還元する方法 (オルソンの方法)が記載されている。この
4
方法は、酸化物直接還元法の一種で、高能率である。しかし、高純度の TiOを使用
2 しなければならな!/、ので、高純度の Tiを製造するのには適さな 、。
発明の開示
[0012] 本発明の目的は、高純度の金属 Ti又は Ti合金を高能率に、し力も高価な還元剤を 使用することなく経済的に製造することにある。
[0013] この目的を達成するために、本発明者らは、 TiClの Caによる還元が不可欠である
4
と考え、前掲の米国特許第 4820339号明細書に記載されたような CaClの溶融塩
2 中に溶解する Caを利用する方法にっ 、て検討した。
この場合、還元反応容器内では、前記(1)式の反応の進行に伴い溶融塩中の Ca が消費されるが、これを補うために、米国特許第 4820339号明細書に記載された方 法では、金属 Caの粉末を還元反応容器内に供給し続ける必要がある。しかし、本発 明者らは、 Ca還元による Tiの製造方法を工業的に確立するためには、還元反応で 消費される溶融塩中の Caを経済的に、すなわち、安価に補充する必要があると考え 、その手段として、溶融塩中の溶解 Ca濃度を電気分解により操作する方法を案出し た。
[0014] 換言すれば、反応槽内で溶融 CaClを電気分解すると、下記(2)式及び (3)式の 電極反応が進行して、陽極の表面近傍で C1ガスが発生し、陰極の表面近傍で Caが
2
生成するので、溶融塩中の Ca濃度を高めることができる。そこで、この陰極側に生成 する Caと反応するように TiClを溶融 CaCl中に供給すると、 Tiの生成に消費される
4 2
Caが随時補充されるので、外部からの金属 Caの補充や金属 Caの抽出が不要になり 、金属 Tiの経済的な製造が可能になる。
陽極: 2Cl—→2e— +C1 · · · (2)
2
陰極: Ca2+ + 2e—→Ca · · · (3)
[0015] TiClの還元に消費される Caを電気分解で生成する Caで補充する方法は、還元と
4
電気分解をそれぞれ還元槽と電解槽で行わせ、両槽間で溶融 CaClを循環させるこ
2
とによっても可能である。しかし、電気分解で陰極側に生成する Caと反応するように、 TiClを反応槽内の溶融 CaCl中に供給してやれば、反応槽が還元槽と電解槽を兼
4 2
ねることとなり、両槽を設ける必要がなぐ還元槽と電解槽の間で溶融 CaClを循環さ
2 せる場合と比べて設備コストなどの面でも非常に有利となる。
[0016] 本発明は力かる考察に基づいてなされたものであり、その要旨は、下記の Ti又は Ti 合金の製造方法にある。
即ち、 Caによる還元反応を用いた Ti又は Ti合金の製造方法であって、 CaClを含
2 み且つ Caが溶解した溶融塩を反応槽内に保持し、該反応槽内の溶融塩中で電気 分解を行うと共に、その電気分解で陰極側に生成した Caと反応するように TiClを含
4 む金属塩化物を前記溶融塩中に供給して、前記溶融塩中に Ti又は Ti合金を生成さ せる還元電解工程と、前記反応槽内又は反応槽外で前記 Ti又は Ti合金を溶融塩か ら分離する Ti分離工程とを含むことを特徴とする Ca還元による Ti又は Ti合金の製造 方法である。
[0017] 本発明の Ca還元による Ti又は Ti合金の製造方法は、高純度のものが得られやす い TiClを還元する方法であるため、高純度の金属 Ti又は Ti合金を製造できる。
4
還元剤に Caを使用し、 CaClを含む溶融塩中の Caに TiClを含む金属塩化物を
2 4
反応させるので、 TiClの供給速度を増大できる。更に、 CaCl中に Ti粒又は Ti合金
4 2
粒を生成させるので、粒子同士の凝集や、焼結による粒成長が極めて少なぐこれら を反応槽外へ取り出すことができ、連続的な操業が可能である。し力も、反応槽内で 還元反応と電解反応を同時に進行させ、還元反応で消費される Caを電解反応で補 うことにより、 Caを常時、溶融塩に溶解した状態で利用することができる。
従って、この本発明の製造方法によれば、高純度の金属 Ti又は Ti合金を能率よく 経済的に製造できる。
図面の簡単な説明
[0018] 図 1は、本発明の実施形態を示す金属 Ti製造装置の構成図である。
発明を実施するための最良の形態
[0019] 1.本発明の Ti又は Ti合金製造方法の内容
本発明の Ca還元による Ti又は Ti合金の製造方法においては、例えば、溶融塩とし て溶融 CaClを反応槽内に保持し、反応槽内の溶融塩中に TiClを供給すると、そ
2 4
の TiClが溶融塩に溶解している Caにより還元されて、粒状及び Z又は粉状の金属
4
Ti (以下、これを「Ti粒」と記す)が生成する。 Ti粒の生成に伴って溶融塩中の溶解 C aは消費されるが、反応槽内では還元反応と同時に溶融 CaClの電気分解が進行し
2
ているので、陰極側に Caが生成し、消費された溶解 Caが補充される。
[0020] 従来、金属 Tiの工業的な生産に Caが使用されてこなかった理由の一つは、 Caと C aClの分離が困難なことである。 Mgは MgClを電解して製造される力 Mgは MgCl
2 2
に殆ど溶解しないので、生成された Mgは効率よく回収できる。 Naも NaClを電解す
2
ることにより、 Mgと同様に効率よく製造できる。一方、 Caは CaClの電解により製造さ
2
れるが、生成された Caは CaClに約 1. 5%溶解する。そのため、 Caだけを効率よく
2
製造することが難しぐ溶解した Caがバックリアクション(陰極側に生成した Caが陽極 側に生成した C1と結合して CaClに戻る反応)で CaClを生成する現象も加わるた
2 2 2
めに、製造効率が悪い。電極を冷却するなどの工夫により Caの回収率を高める技術 も用いられる力 それでも Caの製造コストは高くならざるを得ない。
[0021] しかし、本発明の Ca還元による Ti又は Ti合金の製造方法においては、溶融 CaCl
2 中に溶解した Caを使用し、 Caを分離する必要がないため、 Caの電解製造コストを低 減することができる。
また、溶融 CaCl中での Ca還元を利用すれば、還元反応場が広がり、同時に発熱
2
領域も広がる。更に、 850°Cでの蒸気圧は Mgが 6. 7kPa (50mmHg)であるのに対 して、 Caは 0. 3kPa (2mmHg)と極めて小さぐそのため、反応槽の上部内面への T i析出量は、還元に Caを使用した場合、 Mgに比べて格段に少なくなる。従って、本 発明の Ca還元による Ti又は Ti合金の製造方法においては、 TiCl供給速度の大幅
4
増大も可能になる。
その上、 Caは Mgより濡れ性 (粘着性)が劣る上に、析出 Ti粒子に付着する Caが C aClに溶解するので、生成チタン粒子同士の凝集や、焼結による粒成長もはるかに
2
少なぐ生成 Tiを粉末状態で反応槽外へ取り出すことができ、連続的な Ti製造操作 も可能となる。
[0022] 溶融 CaCl液中への TiClの供給形態としては、 TiClを溶融 CaCl液中へガス状
2 4 4 2
態で直接供給するのが、溶融 CaCl液中の Caに対する TiClの接触効率が高ぐ特
2 4
に望ましい形態である。しかし、これに限らず、溶融 CaCl液の液面に液体又はガス
2
状態の TiClを供給したり、溶融 CaCl液上に保持された溶融 Ca液の液面や液中に
4 2
液体又はガス状態の TiClを供給することも可能である。
4
溶融 CaCl液上に保持された溶融 Ca液面に TiClの液体を供給して還元反応を
2 4
行わせる場合、溶融 Ca液を、溶融 CaCl液中の Caを利用できる程度に薄く保持した
2
状態とするのが望ましい。 Ca層が薄ければ、溶融 CaCl液中の Caも反応に関与する
2
ので、溶融 Ca層力 溶融 CaCl層にかけて反応を行わせ、 TiClの供給速度の増大
2 4
により比重差置換が間に合わなくなっても Tiの生成を継続させることができる。
[0023] 前記 TiClガスの供給に関し、本発明の Ca還元による Ti又は Ti合金の製造方法が
4
クロール法と比べて有利であることについて述べる。
クロール法では、溶融 Mg液の液面に TiClの液体を供給するが、反応場の拡大を
4
狙って溶融 Mg液の液中に TiClのガスを供給することも試みられた。しかし、前述し
4
たように、 Mgの蒸気圧が高いため、 TiClガスの供給管へ Mg蒸気が侵入し、 TiCl
4 4 と反応して供給管を閉塞させてしまう。
一方、溶融 MgCl液中に TiClのガスを供給することも試みたが、供給管を閉塞さ
2 4
せる頻度は低下するものの、管閉塞の事態は依然として残る。 TiClガスのバブリン
4
グにより溶融物が攪拌され、供給管に溶融 Mgが到達する場合があるからである。し カゝも、溶融 MgCl液中に TiClを供給しても、その溶融塩中に Mgが殆ど溶解しない ため、還元反応が起こり難くなる。
[0024] これに対して、 Ca還元を利用する方法では、前記供給管の閉塞が起こりにくぐ溶 融 CaCl液中への TiClガスの供給が可能である。供給管が閉塞しにくいのは、溶融
2 4
Caの蒸気圧が低いことによるものと推察される。
即ち、本発明の Ca還元による Ti又は Ti合金の製造方法においては、 TiClを溶融
4
CaCl液中へガス状態で直接供給するのが特に望ましいが、実際の操業上もこの供
2
給形態が問題なく実施可能である。また、溶融 CaCl液の液面や、溶融 CaCl液上
2 2 に保持された溶融 Ca液の液面、液中に TiClの液体やガスを供給する形態を採るこ
4
とちでさる。
[0025] 溶融 CaCl液中に生成した Ti粒の溶融 CaCl液力 の分離にっ 、ては、反応槽内
2 2
又は反応槽外のいずれでも実施可能である。しかし、反応槽内で行うとバッチ方式と なるので、生産性を高めるためには、生成 Tiが粒子状で得られることを利用して、溶 融 CaCl液と共に反応槽外へ抜き取り、反応槽外で溶融 CaCl液から Ti粒を分離す
2 2
るのがよい。機械的な圧縮による絞り操作などにより、 Ti粒を溶融 CaCl
2液から簡単 に分離することができる。
[0026] 本発明の製造方法で Tiを製造する場合、原料としては、 TiClを使用するが、 TiCl
4
と他の金属塩化物とを混合して使用することにより、 Ti合金を製造することも可能で
4
ある。 TiClも他の金属塩ィ匕物も同時に Caにより還元されるので、この方法によって T
4
i合金を製造することができる。なお、前記他の金属塩化物はガス状、液状のいずれ の状態で使用してもよい。
[0027] 本発明の Ca還元による Ti又は Ti合金の製造方法では、溶融 CaCl中の Ca (陰極
2
側に生成した Caや未反応の Ca)が陽極側に生成した C1と結合して CaClに戻るバ
2 2 ックリアクションや、 Caの反応性が高いことによる炉材の損耗が問題になる。
ノ ックリアクションが生じると、それに電解電流が消費されるため、電流効率が低下 する。この問題、特に、陰極側に生成した Caが、陽極側に生成した C1と結合するバ
2
ックリアクションに対しては、反応槽に、下方部が開口をなしている隔壁を設けて (後 述する図 1参照)、槽内を陽極側と陰極側に分けるのが望ましい。
[0028] また、炉材の損耗の問題に対しては、溶融塩を CaCl単独ではなぐ混合塩として その融点を下げ、溶融塩の温度(つまり、浴温)を下げるのが有効である。 即ち、本発明の Ca還元による Ti又は Ti合金の製造方法においては、溶融塩として 、通常、融点が 780°Cの CaClを用いるが、 CaCl NaCl、 CaCl KC1の 2元系の
2 2 2
溶融塩や、 CaCl NaCl— KC1の 3元系の溶融塩のように、 CaClに対して他の塩(
2 2
例えば、 NaCl、 KC1、 LiCl及び CaF )のうちの 1種以上を混合し、多元系溶融塩と
2
することも可能である。これにより、塩の融点が下がるので、溶融塩の温度 (浴温)を 低下させることが可能になる。例えば、 CaClと NaCl (融点:約 800°C)を混合すると
2
、融点を最低で約 500°Cまで低下させることができる。
その結果、炉材の寿命の延長、炉材コストの低減、更には、液面からの Caや塩の 蒸発の抑制が可能になる。
[0029] 2.本発明の Ti又は Ti合金製造方法の実施形態
以下に本発明方法の実施形態を図面に基づいて説明する。
図 1は本発明の実施形態を示す金属 Ti製造装置の構成図である。この実施形態で は、還元反応及び電解反応を同時進行的に行う反応槽 1が使用される。反応槽 1は 、溶融塩として Caが比較的多量に溶解した Caリッチの溶融 CaClを保持する。 CaCl
2
は融点が約 780°Cであり、その溶融塩はその融点以上に加熱されている。
2
[0030] 反応槽 1では、溶融塩である溶融 CaClが陽極 2と陰極 3の間に通電することにより
2
電気分解され、陽極 2の側で C1ガスが発生し、陰極 3の側で Caが生成する。この例
2
では、反応槽 1の内部は、隔壁 4により陽極側と陰極側に分けられている。但し、隔壁 4は、溶融塩の移動が妨げられないように、下方部が開口をなしている。
反応槽 1内では、溶融塩の電気分解と並行して、槽内の陰極側の溶融塩中にガス 状の TiClが分散して注入される。これ〖こより、注入された TiClが溶融塩中の溶解 C
4 4
aにより還元され、粒子状の金属 Tiが生成される。生成された Ti粒は比重差により沈 降し、反応槽 1内の陰極側の底に溜まる。
[0031] 反応槽 1内の陰極側の底に溜まる Ti粒は、その底に存在する溶融塩と共に、反応 槽 1から抜き出され、 Ti分離工程(図示せず)に送られる。 Ti分離工程では、反応槽 1 力 溶融塩と共に抜き出された Ti粒が溶融塩力 分離される。具体的には、その Ti 粒を圧縮して溶融塩を絞り取る。 Ti分離工程で得られた Ti粒は溶融され Tiインゴット とされる。
一方、 Ti分離工程で Ti粒から分離された溶融塩は使用済みの溶融塩で、 Caが消 費され、 Ca濃度が低下している。この溶融塩は、反応槽内へ戻して再利用することが 望ましぐ通常、反応槽 1から別途抜き出された使用済みの溶融塩と共に、反応槽 1 内の陽極側へ導人される。
[0032] 反応槽 1内の陰極側では、還元反応による Ti粒の生成に伴って溶融塩中の Caが 消費される。しかし、槽内で同時に進行する電気分解により、槽内の陰極 3の表面近 傍で Caが生成し、これにより Caの消費分が補充される。つまり、陰極 3の表面近傍で 生成する Caによって、溶融塩中に供給される TiClが逐次直接的に還元される。
4
[0033] 一方、反応槽 1内の陽極側には、望ましい形態として、 Ti分離工程から使用済みの 溶融塩が送り込まれる。これにより、反応槽 1内には、陽極側から陰極側へ向かう溶 融塩の一方向流が形成され、陰極側で生成する Caの陽極側への流入が回避される 。図 1に示した隔壁 4が設けられていれば、前記一方向流の形成との組み合わせによ つて、 Caの陽極側への流入防止に対してより効果的に機能する。このように、反応槽 1内の陽極側に導入された溶融塩は、陰極側へ移動して Caを補充され、 Caリッチと なって還元反応に再利用される。
反応槽 1内の陽極側で発生した C1ガスは、 TiOを塩化処理することにより、 Tiの原
2 2
料である TiClを生成させる塩ィ匕工程(図示せず)で再利用するのが望ましい。生成
4
された TiClは反応槽 1に導入され、 Ca還元による Ti粒の生成に循環使用される。
4
[0034] 以上述べたように、この実施形態では、反応槽 1内で Ca還元による Ti粒の生成、即 ち Caの消費と、電気分解による Caの補充とが同時進行的に行なわれるので、固体 状態での Caの補充も取り出しも必要なぐ Ca還元による高品質の Ti粒力 連続的か つ経済的に製造される。しかも、反応槽 1は還元槽及び電解槽を兼ねており、設備面 での経済的メリットも大きい。更に、反応槽 1内では、陰極側で生成する Caの陽極側 への流入が回避されるので、 Caが陽極側で発生する C1ガスと反応するバックリアク
2
シヨンも防止できる。
なお、操業の間、反応槽 1内の溶融塩の温度は、 CaClの融点 (約 780°C)より高い
2
温度に管理される。 産業上の利用の可能性
本発明の Ca還元による Ti又は Ti合金の製造方法によれば、原料である TiClの供
4 給速度を高めることができ、更に、連続的な製造が可能である。し力も、反応槽内で 還元反応と電解反応を同時に進行させ、還元反応で消費される Caを電解反応で補 うことができるので、 Caそれ自体を単独で取り扱う必要がな!、。
従って、本発明の製造方法は、高純度の金属 Ti又は Ti合金を能率よく経済的に製 造する手段として有効に利用することができることから、工業上の Ti又は Ti合金の製 造方法として、広く適用することが可能になる。

Claims

請求の範囲
Caによる還元反応を用いた Ti又は Ti合金の製造方法であって、
CaClを含み且つ Caが溶解した溶融塩を反応槽内に保持し、該反応槽内の溶融
2
塩中で電気分解を行うと共に、その電気分解で陰極側に生成した Caと反応するよう に TiClを含む金属塩ィ匕物を前記溶融塩中に供給して、前記溶融塩中に Ti又は Ti
4
合金を生成させる還元電解工程と、
前記反応槽内又は反応槽外で前記 Ti又は Ti合金を溶融塩から分離する Ti分離ェ 程とを含むことを特徴とする Ca還元による Ti又は Ti合金の製造方法。
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