WO2023276440A1 - チタン含有電析物の製造方法及び金属チタン電析物 - Google Patents

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    • C25C3/26Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of titanium, zirconium, hafnium, tantalum or vanadium
    • C25C3/28Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of titanium, zirconium, hafnium, tantalum or vanadium of titanium

Definitions

  • Patent Document 2 also discloses a method of electrorefining titanium-aluminide containing more than 10 mass percent aluminum and at least 10 mass percent oxygen.
  • the separating agent contains one or more selected from calcium fluoride, calcium oxide and sodium fluoride.
  • the nitrogen content is 0.001% by mass or more and 0.03% by mass or less
  • the carbon content is 0.0004% by mass or more and 0.01% by mass. % by mass or less, an iron content of 0.010% by mass or less, a magnesium content of 0.05% by mass or less, a nickel content of 0.01% by mass or less, and a chromium content of 0 005% by weight or less, a silicon content of 0.001% by weight or less, a manganese content of 0.05% by weight or less, and a tin content of 0.01% by weight or less.
  • lower titanium chloride in this specification means a lower chloride of titanium (more specifically TiCl 2 and/or TiCl 3 ) having a lower chlorine number than titanium tetrachloride
  • titanium ion means a titanium ion in which the ionic valence x of Ti x+ is 2 and/or 3.
  • the electrolytic device 100 may be provided with an opening for gas supply and exhaust in order to make the space above the chloride bath Bf an inert gas atmosphere. Further, although illustration is omitted, the electrolytic device 100 may be provided with a heater at an appropriate location so that the chloride bath Bf can be maintained in a molten state by heating.
  • the material of the electrolytic bath 110 is not particularly limited as long as it has heat resistance and corrosion resistance.
  • the electrodes may further include a bipolar electrode.
  • the molten salt constituting the chloride bath may contain, for example, 80 mol % or more, such as 85 mol % or more, such as 90 mol % or more of alkali metal chlorides and alkaline earth metal chlorides.
  • the chloride bath includes lithium chloride (LiCl), sodium chloride (NaCl), potassium chloride (KCl), magnesium chloride ( MgCl2), rubidium chloride (RbCl), cesium chloride (CsCl), beryllium chloride ( BeCl2 ). , calcium chloride (CaCl 2 ), strontium chloride (SrCl 2 ), barium chloride (BaCl 2 ).
  • electrodeposition may be performed once or multiple times.
  • a titanium mother alloy or a titanium alloy for addition to steel can be produced as a titanium-containing electrodeposit obtained by the electrodeposition, and when the electrodeposition is performed a plurality of times.
  • Metal titanium can be produced as a purified titanium-containing electrodeposit obtained in the final electrodeposition.
  • the anodes 120 are placed in separate baskets BK, but the anodes may be placed in, for example, ring-shaped nickel baskets (see FIGS. 6A and 7).
  • a rod-shaped or plate-shaped anode obtained by casting a TiAlO conductive material may be directly connected to the conductive wire without using a cage.
  • composition of purified titanium-containing electrodeposit According to the second and subsequent electrodepositions, the aluminum content is 1000 mass ppm or less, the oxygen content is 500 mass ppm or less, the chlorine content is 500 mass ppm or less, and the balance is titanium and unavoidable impurities.
  • a purified titanium-containing electrodeposit can be obtained. These unavoidable impurities are often ore-derived impurities and chloride bath-derived components.
  • the purified titanium-containing electrodeposit referred to here can be handled as metallic titanium in terms of its composition. Therefore, the purified titanium-containing electrodeposit is a metallic titanium electrodeposit.
  • an electrolytic device 500 is provided with a nickel cage BK in which a TiAlO conductive material as an anode 520 is placed, a titanium cathode 530, and a titanium bipolar electrode 540 in the center. do.
  • the titanium bipolar electrode 540 is illustrated as being thick in FIG. 5A, the titanium bipolar electrode 540 may be thin.
  • the sieving ratio is less than 25% by mass as “poor”, 25% or more and less than 50% is “good”, 50% or more and less than 70% is “very good”, and 70% or more is “excellent”. ” he decided. “good”, “very good” and “excellent” are acceptable. The results are shown in Table 8. (3) Current Efficiency Current efficiency was measured by the method described above. At this time, a current efficiency of less than 20% by mass is “poor”, 20% or more and less than 40% is “good”, 40% or more and less than 60% is “very good”, and 60% or more is “excellent”. I decided. "good”, “very good” and “excellent” are acceptable. The results are shown in Table 8.
  • Examples 1 to 11 a chloride bath containing 1 mol % or more of lower titanium chloride was used for electrodeposition, and the current density of the cathode was in the range of 0.3 A/cm 2 or more and 2.0 A/cm 2 or less. was found to be useful.
  • the oxygen content in the titanium-containing electrodeposits TC obtained by one-time electrodeposition was low, so that the oxygen content was low. is also useful.
  • the current efficiency was equal to or higher than the predetermined value, so it can be said that the production efficiency is also high. Moreover, it can be said that good purification by electrodeposition could be achieved without using the Kroll method.
  • Nitrogen content is 0.001% by mass or more and 0.03% by mass or less, Carbon content is 0.0004% by mass or more and 0.01% by mass or less, The iron content is 0.010% by mass or less, magnesium content is 0.05 mass% or less, The nickel content is 0.01% by mass or less, The chromium content is 0.005% by mass or less, The silicon content is 0.001% by mass or less, Manganese content is 0.05% by mass or less, The metal titanium electrodeposit according to [11], which has a tin content of 0.01% by mass or less.

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Abstract

クロール法を使用せず、電析による良好な精製を実現することが可能なチタン含有電析物の製造方法を提供する。チタン、アルミニウム及び酸素を含むTiAlO導電材を含む陽極120と、陰極130とを用いて溶融塩である塩化物浴Bf中でチタン含有電析物を電析する電析工程を含む、チタン含有電析物の製造方法であって、電析工程において、陰極130の電流密度を0.3A/cm2以上かつ2.0A/cm2以下の範囲内とし、塩化物浴Bfが低級塩化チタンを1mol%以上含む。

Description

チタン含有電析物の製造方法及び金属チタン電析物
 本発明は、チタン含有電析物の製造方法及び金属チタン電析物に関する。
 一般的に、金属チタンの製造はクロール法により実施されている。しかしながら、当該製造は多くの工程が必要になる。
 ところで、従来から、主にチタン合金を溶融塩電解で製造する技術が知られている。例えば、特許文献1には、チタン鉱石とアルミニウムとを含む原料を加熱処理し、得られた素材に対してその後溶融塩電解することでチタン合金を製造する方法が開示されている。
 また、特許文献2には、10質量パーセントよりも多いアルミニウム、及び少なくとも10質量パーセントの酸素、を含むチタン-アルミナイドを電解精錬する方法が開示されている。
特表2015-507696号公報 特表2020-507011号公報
 チタン合金製品や金属チタン製品は、酸素含有量が低いことを求められる場合がある。ここで、電析によって原料を酸素含有量等が少ないチタン含有電析物に精製することができれば有利である。
 そこで、本発明は一実施形態において、クロール法を使用せず、電析による良好な精製を実現することができるチタン含有電析物の製造方法及び、金属チタン電析物を提供することを目的とする。
 本発明者は鋭意検討した結果、電析で塩化物浴中の低級塩化チタンの濃度と陰極の電流密度とを所定の範囲にすることが良好な精製のために有利であることを見出した。この場合、得られるチタン含有電析物が粗大化し、適切にチタン含有電析物の酸素含有量が低減すると考えられる。さらに、この場合、電析1回あたりの電流効率が向上することもある。以上のように、本発明者が見出した知見に基づけば、不純物含有量が少ない金属チタン電析物を製造することができる。
 すなわち、本発明は一側面において、チタン、アルミニウム及び酸素を含むTiAlO導電材を含む陽極と、陰極とを用いて溶融塩である塩化物浴中でチタン含有電析物を電析する電析工程を含む、チタン含有電析物の製造方法であって、前記電析工程において、前記陰極の電流密度を0.3A/cm2以上かつ2.0A/cm2以下の範囲内とし、前記塩化物浴が低級塩化チタンを1mol%以上含む、チタン含有電析物の製造方法である。
 本発明に係るチタン含有電析物の製造方法の一実施形態においては、前記塩化物浴の温度を730℃以上とする。
 本発明に係るチタン含有電析物の製造方法の一実施形態においては、前記塩化物浴が低級塩化チタンを6mol%以上含む。
 本発明に係るチタン含有電析物の製造方法の一実施形態においては、前記電析工程前に、塩化物浴中、金属チタンと四塩化チタンとを接触することで前記低級塩化チタンを生成する生成工程を含む。
 本発明に係るチタン含有電析物の製造方法の一実施形態においては、前記電析工程前に、塩化物浴中、スポンジチタンと四塩化チタンとを接触することで前記低級塩化チタンを生成する生成工程を含む。
 本発明に係るチタン含有電析物の製造方法の一実施形態においては、前記電析工程前に、酸化チタンを含むチタン鉱石と、アルミニウムと、分離剤とを含む化学ブレンドを加熱処理して前記TiAlO導電材を得る抽出工程を更に含む。
 本発明に係るチタン含有電析物の製造方法の一実施形態においては、前記分離剤が、フッ化カルシウム、酸化カルシウム及びフッ化ナトリウムから選ばれる1種以上を含有する。
 本発明に係るチタン含有電析物の製造方法の一実施形態においては、前記電析工程において、複数回電析を行うことで、精製チタン含有電析物を得る。
 本発明に係るチタン含有電析物の製造方法の一実施形態においては、前記精製チタン含有電析物は、アルミニウム含有量が1000質量ppm以下、酸素含有量が500質量ppm以下、塩素含有量が500質量ppm以下である。
 本発明に係るチタン含有電析物の製造方法の一実施形態においては、前記精製チタン含有電析物中の、窒素含有量が0.03質量%以下であり、炭素含有量が0.01質量%以下であり、鉄含有量が0.010質量%以下であり、マグネシウム含有量が0.05質量%以下であり、ニッケル含有量が0.01質量%以下であり、クロム含有量が0.005質量%以下であり、シリコン含有量が0.001質量%以下であり、マンガン含有量が0.05質量%以下であり、スズ含有量が0.01質量%以下である。
 また、本発明は別の側面において、金属チタン電析物であって、アルミニウム含有量が5質量ppm以上かつ1000質量ppm以下であり、酸素含有量が100質量ppm以上かつ500質量ppm以下であり、かつ塩素含有量が500質量ppm以下である、金属チタン電析物である。
 本発明に係る金属チタン電析物の一実施形態においては、窒素含有量が0.001質量%以上かつ0.03質量%以下であり、炭素含有量が0.0004質量%以上かつ0.01質量%以下であり、鉄含有量が0.010質量%以下であり、マグネシウム含有量が0.05質量%以下であり、ニッケル含有量が0.01質量%以下であり、クロム含有量が0.005質量%以下であり、シリコン含有量が0.001質量%以下であり、マンガン含有量が0.05質量%以下であり、スズ含有量が0.01質量%以下である。
 本発明の一実施形態によれば、クロール法を使用せず、電析による良好な精製を実現することができる。
(A)~(D)は、本発明に係るチタン含有電析物の製造方法の一実施形態における電析工程を説明するための図である。 (A)~(D)は、本発明に係るチタン含有電析物の製造方法の別の実施形態における電析工程を説明するための図である。 (A)~(D)は、本発明に係るチタン含有電析物の製造方法の別の実施形態における電析工程を説明するための図である。 (A)~(D)は、本発明に係るチタン含有電析物の製造方法の別の実施形態における電析工程を説明するための図である。 (A)~(D)は、本発明に係るチタン含有電析物の製造方法の別の実施形態における電析工程を説明するための図である。 (A)~(D)は、実施例1における電析工程を説明するための図である。 図6(A)のX-X端面図である。 (A)は、実施例7で得られた電析2回後の精製チタン含有電析物の写真であり、(B)は、実施例7で得られた電析2回後の精製チタン含有電析物のSEM観察で得られた写真である。
 本発明は以下に説明する各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除して発明を形成してもよい。なお、図面では、発明に含まれる実施形態等の理解を助けるため概略として示す部材もあり、図示された大きさや位置関係等については必ずしも正確でない場合がある。
 また、本明細書中の「低級塩化チタン」は、四塩化チタンより塩素数が少ない、チタンの低級塩化物(より具体的にはTiCl2及び/又はTiCl3)を意味し、「チタンイオン」は、Tix+のイオン価数xが2及び/又は3のチタンイオンを意味する。
 [1.チタン含有電析物の製造方法]
 本発明に係るチタン含有電析物の製造方法の一実施形態においては、不純物含有量を低減するため、電析工程を含む。なお、電析工程前に、抽出工程や生成工程を更に含んでよい。当該抽出工程と生成工程を含む場合、これらの順序の後先は問わず、いずれが先であってもよいし、ほぼ同時期に行ってもよい。
 以下、各工程の一例を説明する。
 <抽出工程>
 抽出工程は、例えば酸化チタンを含有するチタン鉱石と、アルミニウムと、分離剤とを含む化学ブレンドを加熱処理してTiAlO導電材を得る。すなわち、当該抽出工程においては、アルミニウムで金属酸化物である酸化チタンの還元を行うテルミット反応を利用していると思われる。化学ブレンドとは、TiAlO導電材を得るための原料混合物である。チタン鉱石中の酸化チタンは、導電性が低いことから電析に適さない。そのため、チタン鉱石を用いて当該抽出工程を行い、TiAlO導電材を作製することができる。TiAlO導電材は比較的高い導電性を有するので、金属チタンを製造するための後述する電析工程に用いることができる。なお、当該抽出工程においては、上記特許文献1(特表2015-507696号公報)等に記載された公知の方法を適宜参照してTiAlO導電材を作製すればよい。
 (チタン鉱石)
 チタン鉱石中の酸化チタン含有量は限定されないが、例えば50質量%以上であり、例えば80質量%以上であり、例えば90質量%以上である。なお、チタン鉱石は、採掘により得られたもののみならず、いわゆるアップグレード処理されたものも含まれる。チタン鉱石における酸化チタン含有量が少ない場合はリーチング等適宜の処理を行って酸化チタン含有量を向上させる(すなわち、アップグレード処理する)ことがある。
 (分離剤)
 分離剤は、抽出工程においてTiAlO導電材と副生物であるスラグとを分離する目的で化学ブレンドに混合される。このような機能を有するものを分離剤として使用可能であるが、分離剤はフッ化カルシウム、フッ化アルミニウム、フッ化カリウム、フッ化マグネシウム、酸化カルシウム及びフッ化ナトリウムから選ばれる1種以上を含むことが好ましく、その中でも加熱処理中の反応における形態の観点から、フッ化カルシウムを含有することがより好ましい。よって、分離剤はフッ化カルシウム単独であってもよい。
 (化学ブレンド組成)
 上記化学ブレンドを作製するために、例えば、チタン鉱石とアルミニウムと分離剤との投入量が、mol比で例えば酸化チタン:アルミニウム:分離剤=3:4~7:2~6になるように調整する。これにより、化学ブレンドに含まれる酸化チタンとアルミニウムと分離剤とのモル比は、酸化チタンを1とした場合、アルミニウムが4/3以上かつ7/3以下であり、分離剤が2/3以上かつ2以下である。
 (加熱処理条件)
 加熱処理条件について、不活性ガス(例えばAr)雰囲気下、容器内部の温度が例えば1500℃以上かつ1800℃以下である。また、容器の内壁の材質としては、耐熱性等の観点から、例えばカーボンやセラミック等が挙げられる。
 (TiAlO導電材)
 抽出工程で得られたTiAlO導電材は、例えばチタン含有量が50質量%以上かつ80質量%以下であり、アルミニウム含有量が3質量%以上かつ40質量%以下であり、酸素含有量が0.2質量%以上かつ40質量%以下である。本発明においてはアルミニウム含有量及び酸素含有量が高いTiAlO導電材であっても、後述する電析工程を行って良好に精製できる。
 なお、上記チタン含有量は、下限側として例えば60質量%以上である。
 また、上記アルミニウム含有量は下限側として例えば5質量%以上である。また、上記アルミニウム含有量は、上限側として例えば30質量%以下、例えば20質量%以下である。
 また、上記酸素含有量は下限側として例えば3質量%以上、例えば5質量%以上、また例えば8質量%以上である。また、上記酸素含有量は、上限側として例えば30質量%以下、例えば20質量%以下である。
 なお、TiAlO導電材の各成分の不純物含有量の測定方法については、本明細書の実施例に記載の測定方法を採用可能である。
 (比抵抗)
 当該TiAlO導電材の比抵抗は、チタン含有電析物を製造する観点から、上限側として例えば1×10-4Ω・m以下であってよい。また、当該TiAlO導電材は適度に通電可能であればよいので、比抵抗の下限側は例えば1×10-8Ω・m以上であってよく、例えば1×10-7Ω・m以上であってよく、例えば5×10-7Ω・m以上であってよい。
 なお、TiAlO導電材の比抵抗の測定方法については、本明細書の実施例に記載の測定方法を採用可能である。
 <生成工程>
 生成工程は、塩化物浴中、金属チタンと四塩化チタンとを接触させることで低級塩化チタンを生成することを含む。当該金属チタンは、スポンジチタンであってよいし、本発明の製造方法を実施して製造される金属チタンであってもよいし、それらのチタンスクラップであってもよい。四塩化チタンと反応させる金属チタンのうち、スポンジチタンのようにある程度の大きさを有し塩化物浴中に配置可能のものはそのまま使用できる。また、粉末状等のように細かな金属チタンを四塩化チタンと接触させる場合は、前記粉末状など細かな金属チタンをそのまま使用してもよいし、前記粉末状など細かな金属チタンを圧縮成型等してある程度の大きさに加工してから塩化物浴中に配置することとしてもよい。以下、説明の便宜の観点から、四塩化チタンを接触させる金属チタンとしてスポンジチタンを使用する実施形態を説明する。なお、他の金属チタンを使用する場合でも同様に実施して低級塩化チタンを生成できる。
 一実施形態において、生成工程は、塩化物浴中、スポンジチタンと四塩化チタンとを接触させることで低級塩化チタンを生成することを含む。例えば、塩化物浴を所定の温度に加熱維持しつつ、撹拌等によりスポンジチタンと四塩化チタンとを十分に接触させ、低級塩化チタンの生成効率を更に向上させることができる。当該低級塩化チタンは、電析工程において、塩化物浴中のチタンイオン源として利用できる。
 スポンジチタンと四塩化チタンとを十分に接触させることで低級塩化チタンを生成させる観点から、スポンジチタンの物質量(mol)を四塩化チタンの物質量(mol)よりも若干多くすればよく、スポンジチタンと四塩化チタンとは例えばmol比で6:4~7:3の範囲内で投入するのがよい。スポンジチタンが固体であるのに対し、四塩化チタンは液体または気体としてスポンジチタンに接触させることが多い。よって、上記mol比の範囲内として、未反応四塩化チタン量を低減し、効率的に低級塩化チタンを製造可能である。
 塩化物浴の温度は、十分な反応速度を確保する観点から、例えば700~900℃の範囲内に維持する。当該温度の維持時間は、製造効率の観点から、2時間以上であればよく、例えば3~10時間である。ただし、当該温度の維持時間は、製造設備によってはさらに長くなることもあり得、例えば10時間以上となることがあり得る。
 なお、生成工程においては、説明上、抽出工程で得られたTiAlO導電材を塩化物浴内に配置させていないが、抽出工程で得られたTiAlO導電材を塩化物浴内に配置させた後、低級塩化チタンを生成してもよい。
 <電析工程>
 電析工程では、上記のTiAlO導電材の不純物含有量を低減して、TiAlO導電材をチタン含有電析物に精製する。この際に、例えば後述する電解装置で、TiAlO導電材を含む陽極と、陰極とを用いて、溶融塩である塩化物浴中でチタン含有電析物を電析させる。この実施形態では、電析開始時に低級塩化チタンを1mol%以上含む塩化物浴とし、陰極の電流密度を0.3A/cm2以上かつ2.0A/cm2以下の範囲内にすることが好ましい。このようにすれば、電析工程の初期であっても、塩化物浴には、低級塩化チタンから電離したチタンイオン(Ti2+及びTi3+)が含まれ、電析中、陰極近傍のチタンイオンが還元されてチタン含有電析物が陰極に電析されると考えられる。一方、陽極ではTiAlO導電材からチタンイオンが塩化物浴中に溶出する。電析工程では、TiAlO導電材を、そこに含まれていた主に酸素、さらにはその他の鉱石由来元素等の含有量が低減されたチタン含有電析物に精製することができる。また、上述のように塩化物浴が低級塩化チタンを含有し、電流密度を所定の範囲内とすることで、チタン含有電析物が粗大化し、酸化被膜由来の酸素含有量が低減すると考えられる。さらに1回あたりの電流効率が比較的高くなる。その結果、クロール法によらずとも、抽出工程で用いたチタン鉱石から、電析工程後に、良好に精製されたチタン含有電析物を得ることができる。
 (電解装置)
 一実施形態においては、種々の電解装置を用いることができる。図1(A)に示す電解装置100の一例はバッチ式であり、塩化物浴Bfを貯留する密閉容器状の電解槽110と、塩化物浴Bfに浸漬させて配置する陽極120及び陰極130を含む電極と、陽極120及び陰極130に導電線ELを介して接続されて、該陽極120及び該陰極130に通電する電源(不図示)とを備えるものが挙げられる。図示は省略するが、電解装置100は陽極および陰極を設置し、或いは、取り出す等のために通常は開閉可能な構造である。また、図示は省略するが、塩化物浴Bf上の空間を不活性ガス雰囲気とするために、電解装置100はガスの給排気を行う開口を備えることとしてよい。また、図示は省略するが、電解装置100は適宜の箇所にヒータを備え、加熱により塩化物浴Bfの溶融状態を維持できることとしてよい。なお、電解槽110の材質は耐熱性及び耐腐食性を有していれば特に限定されるものではない。また、電極は、複極を更に含むこともある。
 (溶融塩)
 塩化物浴を構成する溶融塩は、アルカリ金属塩化物及びアルカリ土類金属塩化物を例えば80mol%以上、例えば85mol%以上、例えば90mol%以上含有することがある。上記塩化物浴には、塩化リチウム(LiCl)、塩化ナトリウム(NaCl)、塩化カリウム(KCl)、塩化マグネシウム(MgCl2)、塩化ルビジウム(RbCl)、塩化セシウム(CsCl)、塩化ベリリウム(BeCl2)、塩化カルシウム(CaCl2)、塩化ストロンチウム(SrCl2)、塩化バリウム(BaCl2)から選択される1種以上の金属塩化物が含有される。これら金属塩化物のうち、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化マグネシウムから選択される1種以上を含有することが好ましい。中でも塩化物浴が塩化マグネシウムを含有している場合、該塩化物浴は、該塩化マグネシウムを例えば30mol%以上、例えば50mol%以上、例えば80mol%以上、例えば90mol%以上を含有することがある。塩化マグネシウムは電析工程におけるアルミニウム含有量低減に優れる。なお、本発明において、塩化物浴に替えてフッ化物浴、臭化物浴及びヨウ化物浴を使用しない理由としては、高腐食性、高環境負荷及び高コスト等が挙げられる。
 一実施形態において、塩化物浴が1mol%以上の低級塩化チタンを含有する。これは、電析開始時において塩化物浴が1mol%以上の低級塩化チタンを含有するが、電析中にも塩化物浴が1mol%以上の低級塩化チタンを含有することが好ましい。また、低級塩化チタンは、先述したように生成工程にて塩化物浴内で生成させることができるが、生成工程を行わず、電析工程での電析前に別途調製した低級塩化チタンを塩化物浴内に混合してもよい。当該塩化物浴中の低級塩化チタン濃度は、好ましくは3mol%以上、より好ましくは5mol%以上、更に好ましくは6mol%以上、最も好ましくは10mol%以上である。塩化物浴中の低級塩化チタンの飽和濃度を超えると製造効率が大きく変わらないので、上限側としては飽和濃度であり、敢えて例示すると20mol%以下である。なお、先述の生成工程により低級塩化チタンを塩化物浴中に生成させる場合は、所望する低級塩化チタン濃度に鑑みてスポンジチタン投入量及び四塩化チタン投入量を適宜調整すればよい。これらの投入量が多くなるほど、低級塩化チタン濃度は高くなる傾向にある。
 当該塩化物浴は、アルカリ金属塩化物、アルカリ土類金属塩化物、低級塩化チタン及び不可避的不純物からなるものであってもよい。このような場合、上述した範囲の含有量を適宜採用可能である。
 低級塩化チタン以外の塩化物の種類や含有量は、操業温度等を考慮して、その具体的な塩の種類や含有量を適宜決定することができる。なお、上記mol基準の含有量は、ICP発光分析及び原子吸光分析により測定する。
 ここで、上記のmol基準の含有量は以下のようにして計算する。塩化物浴から採取した溶融塩のサンプルを固化させた後、そのサンプルの成分を、ICP発光分析及び原子吸光分析することにより、塩化物浴Bf中の各金属イオンのmol基準の含有量を算出する。仮に塩化物浴中にMgCl2、NaCl、KCl、CaCl2、LiCl、TiCl2及びTiCl3が含まれていた場合、Na、K及びLiは原子吸光分析、その他はICP発光分析により測定し、金属イオンの含有量の合計(Mn)は、マグネシウムイオンの含有量、ナトリウムイオンの含有量、カリウムイオンの含有量、カルシウムイオンの含有量、リチウムイオンの含有量及び、チタンイオンの含有量を足し合わせて求める。下記式(1)に示すように、塩化物浴中に含まれるチタンイオンのmol基準の濃度は、当該各成分の金属イオンの含有量を当該金属イオンの含有量の合計(Mn)で除して百分率で表すことにより算出することができる。本明細書においては、塩化物浴中のチタンイオン(Ti2+およびTi3+)濃度が塩化物浴中の低級塩化チタン濃度として取り扱われる。
 チタンイオン濃度[mol%]=(塩化物浴中のチタンイオン含有量[mol/L]/塩化物浴中の金属イオン含有量の合計[mol/L])×100・・・式(1)
 (陽極・陰極)
 陽極120及び陰極130はそれぞれ適宜の形状を備え、形状は例えば、棒状、動かしながら使用する長尺の帯状、筒状、板状若しくは、円柱その他の柱状又は、塊状等のものとすることができる。例えば、陽極120としてのTiAlO導電材を溶解及び鋳造し陽極を形成することができる。なお、陽極120と陰極130の電極間距離を特定の範囲内に設定したい場合は、陽極120と陰極130の対向部位に対する垂直断面での形状を相似形とすることが好ましい。例えば、筒状、棒状、又は柱状の陰極130を使用し、その外側に陽極120を配置する場合、陽極120も筒状としてよい。この場合、筒状の陽極120が陰極130を取り囲むので電析物が生成する面積を大きくできる。また、軸位置を固定して回転可能とした棒状または柱状の陰極130を使用し、対向部位に断面弧状の板状陽極120を使用してよい。この場合でも、陽極120と陰極130の対向部分はほぼ同じ電極間距離を維持できる。
 また、チタンよりイオン化傾向が小さい金属製の籠(例えばニッケル製、ニッケル合金製、ハステロイ製等)の中に、先述した抽出工程で得られたTiAlO導電材を粒状や粉状として載置して陽極120を構成してもよい。この場合、籠BKは多数の貫通孔を有し、籠BKの形状を陽極120の形状として取り扱い可能である。また、当該籠BKに導通を図ったとしても、塩化物浴Bf内に該籠BKが溶出しにくく、主にTiAlO導電材が溶出される。図面を用いた説明では、理解容易のため、TiAlO導電材等の溶出がされる部分に陽極の符号を付して説明することがある。前記籠の材質としては、耐腐食性の観点から、ニッケル、Ni基合金(例えば、ハステロイ)、鉄及びカーボン等が挙げられる。当該材質は、中でも、耐衝撃性の観点から、ニッケル、Ni基合金(例えば、ハステロイ)及び鉄が好ましく、ニッケルがより好ましい。
 また、陰極130の形状としては、金属チタンが析出するその陰極130の表面の少なくとも一部が、曲面形状であってもよい。このような陰極130を使用すると該陰極130を回転等作動させながら金属チタンを陰極130の表面に電析させることができ連続生産時の装置小型化に貢献する。
 当該電析工程において、1回又は複数回電析を行ってもよい。電析を1回実施した場合、その電析で得られるチタン含有電析物としてチタン母合金や鉄鋼などへの添加用であるチタン合金を製造することができ、電析を複数回実施した場合、最終回の電析で得られる精製チタン含有電析物として金属チタンを製造することができる。
 次に、電析工程の一例(電析を2回実施する場合)について図1(A)~(D)乃至図5(A)~(D)を用いてそれぞれ説明する。
 1回目の電析において用いられる塩化物浴が先述した所定量の低級塩化チタンを含有する場合、2回目以降の電析において用いられる塩化物浴は上記所定量の低級塩化チタンを含有してよく、また、上記所定量の低級塩化チタンを含有しなくてもよい。なお、上記所定量の低級塩化チタンを含有しない浴で電析した材料をTiAlO導電材として1回目の電析を行うこともできる。
 また、図1(A)~(D)乃至図5(A)~(D)に示される各導電線は、電源(不図示)にそれぞれ接続可能であり、該電源の制御機構(不図示)は、各陽極及び各陰極に応じて電流を供給する導電線を適宜切り替えることができるものとする。
 1回目の電析は、塩化物浴BfでTiAlO導電材を含む電極を用いて電析することでチタン含有電析物を得る。
 例えば、1回目の電析において、図1(A)に示すように、陽極120としてのTiAlO導電材が載置されたニッケル製籠BKと、チタン製陰極130とを塩化物浴Bfにそれぞれ配置する。次いで、制御機構が籠BK及び陰極130に接続された導電線ELを介して該陽極120及び該陰極130に電流を供給することで、電析を実施する。
 なお、図面上、別々の籠BKにそれぞれ陽極120を載置しているが、例えば、円環状のニッケル製籠に陽極を載置してもよい(図6(A)及び図7参照)。また、籠を使用せずに、TiAlO導電材を鋳造することで得られた棒状又は板状等の陽極を直接、導電線に接続してもよい。
 (電流密度)
 陰極130の電流密度は、0.3A/cm2以上かつ2.0A/cm2以下の範囲内である。陰極の電流密度は、下限側として例えば0.4A/cm2以上であり、また例えば0.5A/cm2以上であり、上限側として例えば1.8A/cm2以下であり、また例えば1.6A/cm2以下である。陰極130の電流密度は、式:電流密度(A/cm2)=電流(A)÷電解面積(cm2)により算出することができる。ここで、電解面積については、たとえば円筒状の表面を有する陰極の場合、式:電解面積(cm2)=陰極浸漬表面積=陰極直径(cm)×π×陰極高さ(cm)で算出する。なお、電極に流す電流を、連続的に流すこととする他、電流値をゼロ(すなわち通電しない)にする通電停止期間が設けられて通電期間と通電停止期間が交互に繰り返されるパルス電流としてもよい。
 また、電極間の最大電圧は特に限定されるものではないが、不純物混入抑制の観点から、例えば0.2V以上かつ3.5V以下であればよい。電極間の最大電圧は、例えば1.0V以上となることがある。電極間の最大電圧は、省電力の観点から、さらに3.0V以下とすることが好ましい。
 (塩化物浴の温度)
 塩化物浴Bfの温度は該塩化物浴Bf内の成分次第で適宜変更すればよい。すなわち、塩化物浴が溶融状態を維持できるようにする、過度の加熱によるエネルギーロスを省く、等の観点から塩化物浴Bfの温度を適宜決定すればよい。この際、各金属塩化物の融点を参考として塩化物浴Bfの温度を適宜決定することも可能である。塩化物浴Bfの温度は、下限側として730℃以上が好ましく、750℃以上がより好ましい。また、塩化物浴Bfの温度は、上限側として900℃以下が好ましく、880℃以下がより好ましい。
 電解槽110内は、大気中の水分等が混入するとチタン含有電析物中の不純物含有量が増加し得るので、これを抑制する観点から、例えばアルゴン等の不活性ガス雰囲気に制御されることが通常である。
 次に、図1(B)に示すように、ニッケルよりもイオン化傾向が大きいチタンを含む陽極120が塩化物浴Bfに溶出されるにつれ陽極120が消耗され、陰極130の表面上に不純物含有量が低減されたチタン含有電析物TCが形成される。そして、電析を終了させるために、制御機構が電流の供給を停止する。
 電解槽110から取り出した陰極130の表面上に形成されたチタン含有電析物TCを切削工具で剥がす等して回収する。なお、チタン含有電析物TCに対し、下記の洗浄や乾燥を実施してもよい。また、洗浄や乾燥は陰極130と共にしてもよいし、陰極130から回収後に実施してもよい。
 一例として、電解槽110から陰極130を取り出し、その陰極130及びチタン含有電析物TCを酸洗浄及び/又は水洗浄でそれぞれに付着した溶融塩を溶解させて除去する。次いで、陰極130表面からチタン含有電析物TCを切削工具等で剥がす。そして、チタン含有電析物TCを容器に入れて水分等を蒸発させるため真空乾燥する。
 (2回目の電析)
 チタン含有電析物は、さらに電解に供し、精製チタン含有電析物とすることができる。1回目の電析で得られたチタン含有電析物TCを更に精製することで、不純物含有量が更に低減された精製チタン含有電析物TP(チタン含有電析物)が得られる。なお、3回目以降の電析において、前回得られた精製チタン含有電析物を電極として用いれば金属チタン含有量を更に向上させることができる。
 例えば、図1(C)に示すように、陽極122としてのチタン含有電析物TCが載置されたニッケル製籠BKと、チタン製陰極130とを塩化物浴Bfにそれぞれ配置する。次いで、制御機構が籠BK及び陰極130に接続された導電線ELを介して該陽極122及び該陰極130に電流を供給することで、電析を実施する。なお、当該陰極130は、1回目の電析で使用した陰極130と同じでもよく、新たな陰極に交換してもよい。
 2回目の電析における塩化物浴Bfの組成、塩化物浴の温度、電流密度については、アルミニウムと酸素の低減の観点から1回目の電析と同じとしてよく、この場合は説明が重複するので説明を割愛する。なお、2回目以降の電析では、低級塩化チタンを含まない、または低級塩化チタン含有量が1mol%未満の塩化物浴を使用してよいし、これらとは異なる組成の溶融塩浴、例えばフッ化物浴やヨウ化物浴等を使用してもよい。
 次に、図1(D)に示すように、チタンを含む陽極122が塩化物浴Bfに溶出されるにつれ陽極122が消耗され、陰極130の表面上に不純物含有量が低減された精製チタン含有電析物TPが形成される。そして、電析を終了させるために、制御機構が電流の供給を停止する。
 電解槽110から取り出した陰極130の表面上に形成された精製チタン含有電析物TPを切削工具で剥がす等して回収する。なお、精製チタン含有電析物TPに対し、上記1回目の電析で先述した洗浄や乾燥を実施してもよい。また、洗浄や乾燥は陰極130と共にしてもよいし、陰極130から回収後に実施してもよい。
 これにより、精製されたチタン含有電析物が得られる。
 なお、図1(C)~(D)に示す実施形態において2回目の電析を1回実施しているが、不純物含有量を更に低減させて金属チタンの純度を更に向上させるために電析をさらに実施してよい。より具体的には、得られた精製チタン含有電析物TPを電解槽110内のニッケル製籠BKに載置し、制御機構が陽極としての精製チタン含有電析物TPとチタン製陰極130との間に電流を供給することで、電析を実施する。このような実施を繰り返す度にアルミニウム含有量及び酸素含有量がより確実に低減された金属チタンを回収可能となる。ただし、製造コストの観点から、繰り返す回数を適宜採択すればよい。なお、電析工程は、例えば1回以上かつ5回以下であり、例えば、2回以上かつ5回以下である。また例えば、電析工程は、2回以上かつ3回以下である。
 (精製チタン含有電析物の組成)
 上記2回目以降の電析によれば、アルミニウム含有量が1000質量ppm以下、酸素含有量が500質量ppm以下、塩素含有量が500質量ppm以下、残部チタン及び不可避的不純物からなる組成に制御された精製チタン含有電析物を得ることができる。この不可避的不純物は、鉱石由来の不純物や、塩化物浴由来の成分であることが多い。ここでいう精製チタン含有電析物は、その組成が金属チタンとして取り扱い可能である。よって、精製チタン含有電析物は、金属チタン電析物である。金属チタン電析物はその不純物含有量が少なく、例えば不純物含有量の合計は5000質量ppm以下であり、より好ましくは3000質量ppm以下である。
 なお、上記アルミニウム含有量は上限側として例えば1000質量ppm以下であり、例えば100質量ppm以下であり、例えば50質量ppm以下である。また、上記アルミニウム含有量は、下限側として例えば5質量ppm以上、例えば10質量ppm以上である。
 上記酸素含有量は上限側として例えば500質量ppm以下であり、例えば400質量ppm以下である。また、上記酸素含有量は、下限側として例えば100質量ppm以上であり、例えば150質量ppm以上である。
 上記塩素含有量は、上限側として例えば500質量ppm以下であり、また例えば300質量ppm以下であり、また例えば200質量ppm以下である。また、上記塩素含有量は、下限側として例えば50質量ppm以上であり、例えば100質量ppm以上である。精製チタン含有電析物は、低級塩化チタンを多く含む塩化物浴の電析を経て製造されたとしても、塩素含有量を適切に低減できる。
 また、更なる一実施形態において、上述した不可避的不純物等をさらに具体的に特定した場合、窒素含有量が0.03質量%以下、炭素含有量が0.01質量%以下、鉄含有量が0.010質量%以下、マグネシウム含有量が0.05質量%以下、ニッケル含有量が0.01質量%以下、クロム含有量が0.005質量%以下、シリコン含有量が0.001質量%以下、マンガン含有量が0.05質量%以下、スズ含有量が0.01質量%以下に更に制御された精製チタン含有電析物を得ることもできる。
 なお、上記窒素含有量は、下限側として例えば0.001質量%以上であり、例えば0.002質量%以上であり、例えば0.003質量%以上である。また、上記窒素含有量は、上限側として例えば0.009質量%以下であり、例えば0.008質量%以下である。
 また、上記炭素含有量は、下限側として例えば0.0004質量%以上であり、例えば0.0006質量%以上であり、例えば0.0008質量%以上である。また、上記炭素含有量は、上限側として例えば0.008質量%以下であり、例えば0.004質量%以下である。
 また、上記鉄含有量は、上限側として例えば0.005質量%以下であり、例えば0.003質量%以下である。
 上記マグネシウム含有量は、上限側として例えば0.05質量%以下であり、例えば0.01質量%以下である。また、上記マグネシウム含有量は、下限側として例えば0.001質量%以上であり、例えば0.005質量%以上である。
 また、上記ニッケル含有量は、上限側として例えば0.008質量%以下であり、例えば0.004質量%以下である。
 また、上記クロム含有量は、下限側として例えば0.0005質量%以上であり、例えば0.001質量%以上である。
 また、上記マンガン含有量は、下限側として例えば0.001質量%以上であり、例えば0.005質量%以上である。また、上記マンガン含有量は、上限側として例えば0.03質量%以下である。
 また、上記スズ含有量は、上限側として例えば0.005質量%以下であり、例えば0.003質量%以下である。
 なお、本発明の一実施形態により製造された精製チタン含有電析物を使用すれば、種々の純チタン製品やチタン合金製品を安価に得ることができると推察される。
 また、精製チタン含有電析物の各成分の不純物含有量の測定方法については、先述したTiAlO導電材の各成分の不純物含有量の測定方法と同様である。
 (別の実施形態)
 以下に、別の実施形態を説明する。以下で説明する実施形態は、上述の実施形態と相違する点について重点的に説明する。すなわち、上記実施形態で説明した構成は、適宜以下の実施形態に適用することができる。
 図1(A)~(D)に示す実施形態は陽極と陰極が概略同じ高さに配置されているが、陽極と陰極の配置を変更しても電析を実施することが可能である。その一例として、陰極を上側、陽極を下側に配置する実施形態を以下に説明する。図2(A)に示すように、電解装置200に、例えば電解槽210の底部にニッケル製基台BS及び該基台BS上に陽極220としてのTiAlO導電材を載置し、該陽極220よりも高い位置にチタン製陰極230を配置する。次いで、制御機構が基台BS及び陰極230に接続された導電線ELを介して該陽極220及び該陰極230に電流を供給することで、電析を実施する(1回目の電析)。
 次に、図2(B)に示すように、陽極220が塩化物浴Bfに溶出されるにつれ陽極220が消耗され、陰極230の表面上に不純物含有量が低減されたチタン含有電析物TCが形成される。そして、電析を終了させるために、制御機構が電流の供給を停止する。
 次に、電解槽210から取り出した陰極230の表面上に形成されたチタン含有電析物TCを切削工具で剥がす等して回収する。なお、チタン含有電析物TCに対し、先述した洗浄や乾燥を実施してもよい。
 次に、図2(C)に示すように、電解槽210の底部にニッケル製基台BS及び該基台BS上に陽極222としてのチタン含有電析物TCを載置し、該陽極222よりも高い位置にチタン製陰極230を配置する。次いで、制御機構が基台BS及び陰極230に接続された導電線ELを介して該陽極222及び該陰極230に電流を供給することで、電析を実施する(2回目の電析)。
 次に、図2(D)に示すように、チタンを含む陽極222が塩化物浴Bfに溶出されるにつれ陽極222が消耗され、陰極230表面上に不純物含有量が低減された精製チタン含有電析物TPが形成される。そして、電析を終了させるために、制御機構が電流の供給を停止する。
 次に、電解槽210から陰極230を取り出し、該陰極230の表面上に形成された精製チタン含有電析物TPを洗浄、剥離、乾燥を行い、金属チタン電析物を得る。
 図3(A)~(D)に示す実施形態は、電解槽の少なくとも一部をニッケル製とし、かつ、ニッケル製である部分を陰極として使用する実施形態である。また、チタン含有電析物TCを塩化物浴Bfから取り出さずに金属チタン電析物を製造できる実施形態である。図3(A)に示すように、電解装置300に、陽極320としてのTiAlO導電材が載置されたニッケル製籠BKを配置する。このとき、電解槽310のうち少なくとも内壁の材質をニッケル製にすることで、電析時に当該内壁を陰極330にする。次いで、制御機構が籠BK及び陰極330に接続された導電線ELを介して該陽極320及び該陰極330に電流を供給することで、電析を実施する(1回目の電析)。
 次に、図3(B)に示すように、陽極320が塩化物浴Bfに溶出されるにつれ陽極320が消耗され、電解槽310の内壁上に不純物含有量が低減されたチタン含有電析物TCが形成される。そして、電析を終了させるために、制御機構が電流の供給を停止する。
 次に、塩化物浴Bfからニッケル製籠BKを取り出す。
 次に、図3(C)に示すように、チタン製陰極335を塩化物浴Bf内に配置する。このとき、ニッケル製電解槽310の内壁表面上に形成されたチタン含有電析物TCを陽極322にする。次いで、制御機構が電解槽310の内壁及び陰極335に接続された導電線ELを介して該陽極322及び該陰極335に電流を供給することで、電析を実施する(2回目の電析)。
 次に、図3(D)に示すように、陽極322が塩化物浴Bfに溶出されるにつれ陽極322が消耗され、陰極335の表面上に不純物含有量が低減された精製チタン含有電析物TPが形成される。そして、電析を終了させるために、制御機構が電流の供給を停止する。
 次に、電解槽310から陰極335を取り出し、該陰極335の表面上に形成された精製チタン含有電析物TPを洗浄、剥離、乾燥を行い、金属チタン電析物を得る。
 チタン含有電析物TCを塩化物浴Bfから取り出さずに精製チタン含有電析物TPを製造できる更なる別の実施形態を説明する。図4(A)に示すように、電解装置400に、陽極420としてのTiAlO導電材が載置されたニッケル製籠BKを配置する。次いで、籠BKが配置された位置よりも中央部に向かって2枚のチタン製陰極430、チタン製陰極435を並べて配置する。この実施形態では、電析の効率化の観点から、チタン製陰極430は陽極420側とチタン製陰極435側とに開口を有する孔を多数備えることが好ましい。この孔の形状は特段限定されず、断面が直線状の貫通孔でもよいし、多孔体が有するような複雑な形状の孔でもよい。次いで、制御機構が接続された籠BK及び陰極430に導電線ELを介して該陽極420及び該陰極430に電流を供給することで、電析を実施する(1回目の電析)。
 次に、図4(B)に示すように、陽極420が塩化物浴Bfに溶出されるにつれ陽極420が消耗され、陰極430の表面上に不純物含有量が低減されたチタン含有電析物TCが形成される。そして、電析を終了させるために、制御機構が電流の供給を停止する。
 次に、図4(C)に示すように、チタン含有電析物TCが表面上に形成された陰極430(図4(B)参照。)から陽極424に切り替え、制御機構が切り替えられた陽極424及び中央部付近の陰極435に電流を供給することで、電析を実施する(2回目の電析)。このとき、チタン含有電析物TCが陽極422となる。
 次に、図4(D)に示すように、陽極422、場合によりさらに陽極424が塩化物浴Bfに溶出されるにつれ陽極が消耗され、陰極435の表面上に不純物含有量が低減された精製チタン含有電析物TPが形成される。そして、電析を終了させるために、制御機構が電流の供給を停止する。
 次に、電解槽410から陰極435を取り出し、該陰極435の表面上に形成された精製チタン含有電析物TPを洗浄、剥離、乾燥を行い、金属チタン電析物を得る。
 チタン含有電析物TCを塩化物浴Bfから取り出さずに、かつ、電源接続の変更を行わずに連続的に複数回の電析を行う実施形態を説明する。図5(A)に示すように、電解装置500に、陽極520としてのTiAlO導電材が載置されたニッケル製籠BKと、チタン製陰極530と、中央部にチタン製複極540をそれぞれ配置する。図5(A)ではチタン製複極540が厚いものとして図示されているが、チタン製複極540は薄いものであっても構わない。制御機構が籠BK及び陰極530に接続された導電線ELを介して該陽極520及び該陰極530に電流を供給することで、電析を実施する。
 次に、図5(B)に示すように、陽極520が塩化物浴Bfに溶出されるにつれ陽極520が消耗され、不純物含有量が低減されたチタン含有電析物TCが複極540の表面上に形成される。この複極540へのチタン含有電析物TCの生成が1回目の電析に該当する。
 なお、陽極と陰極の間に電流が流れているので、陽極の溶解と複極の溶解は同時に進行しうる。図5(C)では、複極540の内、陰極530側が溶出することを示している。この実施形態では、複極540は、最初は該複極540由来のチタンを溶出し、その後チタン含有電析物TCを溶出することとなる。
 次に、図5(D)に示すように、複極540やチタン含有電析物TCが消耗され、陰極530の表面上に不純物含有量が低減された精製チタン含有電析物TPが形成される(2回目の電析)。次に、電析を終了させるために、電流の供給を停止する。
 次に、電解槽510から陰極530を取り出し、該陰極530表面上に形成された精製チタン含有電析物TPを洗浄、剥離、乾燥を行い、金属チタン電析物を得る。
 なお、図5(A)においては、チタン製の複極を配置しているが、例えば複極に替えてTiAlO導電材を電析することで得られたチタン含有電析物TCを配置してこれを複極としてもよい。
 また例えば、陽極520側の複極540の表面上にチタン含有電析物TCが形成された後、該複極540の上端に付いたフック(不図示)に吊るし棒等を引っ掛けて複極540を180度回転すればよい。そうすることで、チタン含有電析物TCが陰極530に向かい合う。
 以上の説明において、複極および陰極はチタン製として説明したが、電析物が析出可能であればその材質は適宜変更可能である。なお、複極については導電性を有する必要がある。よって、複極はセラミック等の非導電性材料は使用できない。
 複極は上述のとおり、非可動式としてもよいし、可動式としてもよい。非可動式の複極の場合は電析と溶出が同時に起こり得るため、陽極側と陰極側とに開口する孔を多数備えることが好ましい。他方、可動式の複極の場合は電析と溶出とを各々進行させることが可能であるので、上記のような孔は不要である。むしろ、孔を無くすことで孔内に電析物が入り込み溶出に時間がかかるといった事態を回避しうる。
 以上のとおり、電析工程を説明した。1回目の電析及び2回目の電析は適宜組合せて実施することも可能であり、例えば図1(A)及び(B)に示す実施形態の1回目の電析を実施した後、図2(C)及び(D)に示す実施形態の2回目の電析を実施することも可能である。
 (篩別)
 製造されたチタン含有電析物、精製チタン含有電析物、金属チタン電析物はその粒が粗大化される傾向にある。チタン含有電析物の粒度分布は特に限定されないが、63μm目の篩で篩別した際の篩上となる割合が、質量基準で、下限側として例えば25%以上であり、また例えば50%以上であり、また例えば70%以上である。
 以下、篩別による粒度分布の測定方法の一例を示す。
 酸素濃度5体積%以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内で、チタン含有電析物及び精製チタン含有電析物を破砕や粉砕しない程度に解砕し、目開き63μmの篩を用いて篩別する。下記式(2)に示すように、目開き63μmの篩上のチタン含有電析物(或いは精製チタン含有電析物)の質量(A1)を、篩に投入した全質量(Atotal)で除し、割合(α)を百分率で算出する。
  α(%)=A1/Atotal×100・・・式(2)
 (電流効率)
 チタン含有電析物の電析における電流効率は特に限定されないが、例えば20%以上であり、40%以上であることが好ましく、60%以上がより好ましい。
 また、精製チタン含有電析物の電析における電流効率は特に限定されないが、例えば20%以上であり、40%以上であることが好ましく、60%以上であることがより好ましい。
 各々の通電量条件での運転時に生成し回収された電析物質量を合計し、各条件における電流効率は下記式(3)により算出した。
 電流効率(%)=(陰極から回収したチタン含有電析物(或いは精製チタン含有電析物)の質量/理論上生成されるチタン含有電析物(或いは理論上生成される精製チタン含有電析物)の質量)×100・・・式(3)
 [2.金属チタン電析物]
 本発明に係る金属チタン電析物は、例えば先述したチタン含有電析物の製造方法により製造される精製チタン含有電析物等に相当し、不純物含有量が低減されている。金属チタン電析物はその不純物含有量が少なく、例えば不純物含有量の合計は5000質量ppm以下、例えば3000質量ppm以下である。一実施形態において、当該金属チタン電析物は、アルミニウム含有量が5質量ppm以上1000質量ppm以下であり、酸素含有量が100質量ppm以上500質量ppm以下であり、塩素含有量が500質量ppm以下であり、残部チタン及び不可避的不純物からなる組成を有する。この不可避的不純物は、鉱石由来の不純物や、塩化物浴由来の成分であることが多い。上記各成分の含有量は、さらに、「精製チタン含有電析物の組成」にて上述した範囲とすることもできる。
 また一実施形態において、上述した不可避的不純物等をさらに具体的に特定することもありうる。すなわち、当該金属チタン電析物中の窒素含有量が0.001質量%以上かつ0.03質量%以下であり、炭素含有量が0.0004質量%以上かつ0.01質量%以下であり、鉄含有量が0.010質量%以下であり、マグネシウム含有量が0.05質量%以下であり、ニッケル含有量が0.01質量%以下であり、クロム含有量が0.005質量%以下であり、シリコン含有量が0.001質量%以下であり、マンガン含有量が0.05質量%以下であり、スズ含有量が0.01質量%以下であってよい。上記各成分の含有量は、さらに、「精製チタン含有電析物の組成」にて上述した範囲とすることもできる。
 金属チタン電析物は、外観目視で概略粒状であり、ミクロな形状を観察すると樹枝状や多面体状の微細粒が連なった立体的形状を有することが多い。
 なお、金属チタン電析物の各成分の不純物含有量の測定方法については、先述したTiAlO導電材の各成分の不純物含有量の測定方法と同様である。
 本発明を実施例及び比較例に基づいて具体的に説明する。以下の実施例及び比較例の記載は、あくまで本発明の技術的内容の理解を容易とするための試験的な具体例であり、本発明の技術的範囲はこれらの具体例によって制限されるものではない。
 [TiAlO導電材の評価]
 まず、後述する実施例および比較例で用いるTiAlO導電材を、酸化チタンを含むチタン鉱石と、アルミニウムと、分離剤としてのフッ化カルシウムとを含む化学ブレンドを下記に示す条件下で加熱処理した後、公知の方法に基づき後処理をして準備した(抽出工程)。当該TiAlO導電材から採取された測定用試料を、金属成分はICP発光分析法(PS3520UVDDII、HITACHI社製)、酸素は不活性ガス融解-赤外線吸収法(TC-436AR、LECO社製)、窒素は不活性ガス融解-熱伝導度法(TC-436AR、LECO社製)、炭素は燃焼-赤外線吸収法(EMIA-920V2、堀場製作所社製)、塩素は硝酸銀滴定法(GT-200、日東精工アナリテック社製)により各成分の不純物含有量を測定した。なお、この成分含有量の測定方法は、チタン含有電析物及び精製チタン含有電析物にも適用する。不純物の含有量が極微量である場合にはGD-MS測定を利用することも可能である。また、10mm角のブロック形状として採取された別途の測定用試料を2端子測定法(低抵抗計3566-RY、鶴賀電機株式会社製)により比抵抗を測定した。これらの結果を表1、表2に示す。なお、TiAlO導電材のチタン含有量は70%以上であった。
 <TiAlO導電材の製造条件>
  チタン鉱石:酸化チタン含有量95質量%
  化学ブレンドのmol比は酸化チタン:アルミニウム:フッ化カルシウム(分離剤)=3:4~7:2~6の範囲内になるように調整した。
  不活性ガス:アルゴンガス
  加熱温度:1500℃~1800℃の範囲内
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 [チタン含有電析物の製造(1回目の電析)]
 <実施例1>
 図6(A)及び図7に示した構成を備える電解装置600を使用した。電解装置600の電解槽610の浴部分の寸法形状は、300mmΦ×570mm深さとした。次に、電解装置600の電解槽610内に22kgの塩化カリウム及び17kgの塩化ナトリウム(50mol%:50mol%(表3参照。))を投入して、これを溶解させて塩化物浴Bfとした。次に、塩化物浴Bfに、スポンジチタンを投入し、当該スポンジチタンに四塩化チタンガスを接触させながら(mol比ではスポンジチタン:四塩化チタン=6:4)、塩化物浴Bfの温度を800℃にて5時間加熱保持した。これにより、塩化物浴Bf中に低級塩化チタンを生成した(生成工程)。電析開始前に、塩化物浴Bf中の低級塩化チタン濃度を先述した方法で測定した結果、3mol%であった。後掲の表では、「塩化物浴の組成」は低級塩化チタンを生成させる前の状態の組成を示し、「低級塩化チタン濃度」は低級塩化チタンを含む塩化物浴中の濃度を示す。
 次に、5000gのTiAlO導電材からなる陽極620が載置され、多数の貫通孔を有する円環状のニッケル製籠BKを配置した。また、陰極630としては、径50mm×300mmのチタン丸棒を準備した。なお、陽極620及び陰極630の高さ方向が塩化物浴の深さ方向とほぼ平行になるように、陽極620及び陰極630を配置した。
 制御機構が陽極620及び陰極630に連結された導電線ELを介して該陽極620及び該陰極630に電流を供給して、塩化物浴Bf中にて電析を実施した。電流の供給開始時から7時間経過後、制御機構が電流の供給を停止した。なお、図6(B)に示すように、その陰極630の表面全体に亘って析出されたチタン含有電析物TCが得られた。
 <電析条件>
  電解槽内:Arガス雰囲気
  塩化物浴の温度:750℃
  電流密度:0.4A/cm2
  塩化物浴中の低級塩化チタン濃度:3mol%
 電流の供給停止後、電解槽610から陰極630を引き上げて、該陰極630及びチタン含有電析物TCを水洗し、それぞれ付着していた溶融塩を除去した。当該陰極からチタン含有電析物TCを切削工具で剥がし回収した。当該チタン含有電析物TCを真空乾燥機で水分を除去した。
 [評価]
 (1)不純物含有量
 電析で得られたチタン含有電析物TCから採取された測定用試料を、先述した方法により各成分の不純物含有量を測定した。このとき、チタン含有電析物中の酸素含有量が10000質量ppm以下を「good」とし、それ以外を「poor」と判断した。「good」が合格である。なお、結果を表4に示す。表に示した不純物量以外の残部がチタンの含有量である。
 (2)篩上割合
 先述した方法である篩別法(目開き63μmの篩を使用)によりチタン含有電析物における篩上となる割合を測定した。このとき、篩上割合が質量基準で25%未満を「poor」とし、25%以上50%未満を「good」とし、50%以上70%未満を「very good」とし、70%以上を「excellent」と判断した。「good」、「very good」、「excellent」が合格である。なお、結果を表4に示す。
 (3)電流効率
 先述した方法により電流効率を測定した。このとき、電流効率が質量基準で20%未満を「poor」とし、20%以上40%未満を「good」とし、40%以上60%未満を「very good」とし、60%以上を「excellent」と判断した。「good」、「very good」、「excellent」が合格である。なお、結果を表4に示す。
 <実施例2~11、比較例1~7>
 実施例2~11、比較例1~7においては、表3及び表5に示す電析条件に変更した点を除き、実施例1と同様にそれぞれ実施した。
 電析終了後、得られたチタン含有電析物を実施例1と同様に水洗浄及び真空乾燥後、不純物含有量、篩上割合及び電流効率を測定した。その結果を表4及び表6にそれぞれ示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
 [精製チタン含有電析物の製造(2回目の電析)]
 <実施例1>
 実施例1では、1回目の電析と同様に新たな塩化物浴を準備し、塩化物浴Bf中に低級塩化チタンを生成した(生成工程)。電析開始前に、塩化物浴Bf中の低級塩化チタン濃度を先述した方法で測定した結果、11mol%であった。次に、図6(C)に示すように、500gのチタン含有電析物TC(1回目の電析で得たもの)からなる陽極622が載置された、多数の貫通孔を有する円環状のニッケル製籠BKを配置した。また、陰極630としては、径50mm×300mmのチタン丸棒を準備した。下記表7では、「塩化物浴の組成」は低級塩化チタンを生成させる前の状態の組成を示し、「低級塩化チタン濃度」は低級塩化チタンを含む塩化物浴中の濃度を示す。
 なお、陽極622及び陰極630の高さ方向が塩化物浴の深さ方向とほぼ平行になるように、陽極622及び陰極630を配置した。
 制御機構が陽極622及び陰極630に連結された導電線ELを介して該陽極622及び該陰極630に電流を供給して、表7に示す電析条件下で、塩化物浴Bf中にて電析を実施した。電流の供給開始時から7時間経過後、制御機構が電流の供給を停止した。なお、図6(D)に示すように、その陰極130の表面全体に亘って析出された精製チタン含有電析物TPが得られた。
 <電析条件>
  電解槽内:Arガス雰囲気
  塩化物浴の温度:750℃
  電流密度:0.4A/cm2
  塩化物浴中の低級塩化チタン濃度:11mol%
 電流の供給停止後、電解槽610から陰極630を引き上げて、該陰極630及び精製チタン含有電析物TPを酸洗し、さらに水洗し、それぞれ付着していた溶融塩を除去した。当該陰極630から精製チタン含有電析物TPを切削工具で剥がし回収した。当該精製チタン含有電析物TPを真空乾燥で水分を蒸発させた。
 [評価]
 (1)不純物含有量
 粗電析で得られた精製チタン含有電析物TPから採取された測定用試料を、先述した方法により各成分の不純物含有量を測定した。このとき、精製チタン含有電析物中の酸素含有量が500質量ppm以下、アルミニウム含有量が1000質量ppm以下及び塩素含有量が500質量ppm以下を「good」とし、それ以外を「poor」と判断した。なお、結果を表8に示す。
 (2)篩上割合
 先述した方法である篩別法(目開き63μmの篩を使用)により精製チタン含有電析物TPにおける篩上となる割合を測定した。このとき、篩上割合が質量基準で25%未満を「poor」とし、25%以上50%未満を「good」とし、50%以上70%未満を「very good」とし、70%以上を「excellent」と判断した。「good」、「very good」、「excellent」が合格である。なお、結果を表8に示す。
 (3)電流効率
 また、先述した方法により電流効率を測定した。このとき、電流効率が質量基準で20%未満を「poor」とし、20%以上40%未満を「good」とし、40%以上60%未満を「very good」とし、60%以上を「excellent」と判断した。「good」、「very good」、「excellent」が合格である。なお、結果を表8に示す。
 <実施例2~12>
 実施例2~11においては、表7に示す電析条件に変更した点を除き、実施例1と同様にそれぞれ実施した。また、別途設定した実施例12においては、実施例9の1回目の電析と同じ条件で得られたチタン含有電析物TCを籠BKに配置し、電流密度を0.7A/cm2に変更した点を除き、実施例9と同様に2回目の電析を実施した。なお、電析中の最大電圧及び電析時間を表7に示す。
 電析終了後、得られた精製チタン含有電析物TPを1回目の電析と同様に水洗浄及び真空乾燥後、不純物含有量、篩上割合及び電流効率を測定した。その結果を表8にそれぞれ示す。また、実施例7で得られた精製チタン含有電析物TPの形状確認のため、カメラで撮影した。また、精製チタン含有電析物TPの形状確認のため、下記測定条件にてSEM観察した。これらの結果を図8(A)及び図8(B)に示す。精製チタン含有電析物は外観目視で概略粒状であり、ミクロな形状を観察すると樹枝状や多面体状の微細粒が連なった立体的形状であった。
 <SEM測定条件>
  SEM:型式JSM-7800F、JEOL社製
  加速電圧:10kV
  倍率:60~1000倍の範囲内
 なお、比較例1~7は、1回目の電析にて不合格の評価結果があったため、2回目の電析を実施しなかった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
 (実施例による考察)
 実施例1~11において、アルミニウム含有量11.6質量%及び酸素含有量10.3質量%のTiAlO導電材を用い、1回の電析で得られたチタン含有電析物TC中の酸素含有量は10000質量ppm以下まで低減することができた。実施例1~11において、酸素含有量を低減することができた理由としては、電析による精製効果の他に、得られたチタン含有電析物が粗大化し、チタン含有電析物の酸素含有量が低減したと推察される。実施例1~11においては、電析で低級塩化チタンを1mol%以上含む塩化物浴とし、陰極の電流密度を0.3A/cm2以上かつ2.0A/cm2以下の範囲内にすることが有用であることを確認した。なお、実施例1~11において1回の電析で得られたチタン含有電析物TC中の酸素含有量が低かったので、チタンアルミニウム合金の原料や鉄鋼等への添加材を製造する方法としても有用である。また、実施例1~11によれば、電流効率が所定値以上であったから生産効率も高いといえる。また、クロール法を使用せず、電析による良好な精製を実現することができたといえる。なお、実施例7~11によれば、塩化マグネシウムを含む塩化物浴を使用すると、アルミニウム含有量をより低減可能であったことを確認した。
 一方、比較例1~7においては、1回の電析において「塩化物浴が低級塩化チタンを1mol%以上含んでいたこと」と、「陰極の電流密度を0.3A/cm2以上かつ2.0A/cm2以下の範囲内にしたこと」との少なくとも1つを満たしていなかった。そのため、比較例1~7においては、粒径サイズを粗大化できない、チタン含有電析物中の酸素含有量を十分に低減させることができない、また、電流効率が低下してしまう、等の不具合が生じたと推察される。
 さらに、実施例1~12において、電析を複数回実施したことで、精製チタン含有電析物TP中の酸素含有量、アルミニウム含有量及び塩素含有量をより確実に低減させることができたと推察される。特に、低級塩化チタンを1mol%以上含む塩化物浴とし、陰極の電流密度を0.3A/cm2以上かつ2.0A/cm2以下の範囲内にする電析を複数回実施したため、酸素含有量、アルミニウム含有量及び塩素含有量をより確実に低減させることができたと推察される。
100、200、300、400、500、600 電解装置
110、210、310、410、510、610 電解槽
120、122、220、222、320、322、420、422、424、520、620、622 陽極
130、230、330、335、430、435、530、630 陰極
540 複極
Bf 塩化物浴
BK 籠
BS 基台
EL 導電線
TC チタン含有電析物
TP 精製チタン含有電析物
 なお、本発明は以下の発明も包含するものとする。
 [1]
 チタン、アルミニウム及び酸素を含むTiAlO導電材を含む陽極と、陰極とを用いて溶融塩である塩化物浴中でチタン含有電析物を電析する電析工程を含む、チタン含有電析物の製造方法であって、
 前記電析工程において、前記陰極の電流密度を0.3A/cm2以上かつ2.0A/cm2以下の範囲内とし、
 前記塩化物浴が低級塩化チタンを1mol%以上含む、チタン含有電析物の製造方法。
 [2]
 前記塩化物浴の温度を730℃以上とする、[1]に記載のチタン含有電析物の製造方法。
 [3]
 前記塩化物浴が低級塩化チタンを6mol%以上含む、[1]又は[2]に記載のチタン含有電析物の製造方法。
 [4]
 前記電析工程前に、塩化物浴中、金属チタンと四塩化チタンとを接触することで前記低級塩化チタンを生成する生成工程を含む、[1]~[3]のいずれかに記載のチタン含有電析物の製造方法。
 [5]
 前記電析工程前に、塩化物浴中、スポンジチタンと四塩化チタンとを接触することで前記低級塩化チタンを生成する生成工程を含む、[1]~[3]のいずれかに記載のチタン含有電析物の製造方法。
 [6]
 前記電析工程前に、酸化チタンを含むチタン鉱石と、アルミニウムと、分離剤とを含む化学ブレンドを加熱処理して前記TiAlO導電材を得る抽出工程を更に含む、[1]~[5]のいずれかに記載のチタン含有電析物の製造方法。
 [7]
 前記分離剤が、フッ化カルシウム、酸化カルシウム及びフッ化ナトリウムから選ばれる1種以上を含有する、[6]に記載のチタン含有電析物の製造方法。
 [8]
 前記電析工程において、複数回電析を行うことで、精製チタン含有電析物を得る、[1]~[7]のいずれかに記載のチタン含有電析物の製造方法。
 [9]
 前記精製チタン含有電析物は、アルミニウム含有量が1000質量ppm以下、酸素含有量が500質量ppm以下、塩素含有量が500質量ppm以下である、[8]に記載のチタン含有電析物の製造方法。
 [10]
 前記精製チタン含有電析物中の、
 窒素含有量が0.03質量%以下であり、
 炭素含有量が0.01質量%以下であり、
 鉄含有量が0.010質量%以下であり、
 マグネシウム含有量が0.05質量%以下であり、
 ニッケル含有量が0.01質量%以下であり、
 クロム含有量が0.005質量%以下であり、
 シリコン含有量が0.001質量%以下であり、
 マンガン含有量が0.05質量%以下であり、
 スズ含有量が0.01質量%以下である、[9]に記載のチタン含有電析物の製造方法。
 [11]
 金属チタン電析物であって、
 アルミニウム含有量が5質量ppm以上かつ1000質量ppm以下であり、酸素含有量が100質量ppm以上かつ500質量ppm以下であり、かつ塩素含有量が500質量ppm以下である、金属チタン電析物。
 [12]
 窒素含有量が0.001質量%以上かつ0.03質量%以下であり、
 炭素含有量が0.0004質量%以上かつ0.01質量%以下であり、
 鉄含有量が0.010質量%以下であり、
 マグネシウム含有量が0.05質量%以下であり、
 ニッケル含有量が0.01質量%以下であり、
 クロム含有量が0.005質量%以下であり、
 シリコン含有量が0.001質量%以下であり、
 マンガン含有量が0.05質量%以下であり、
 スズ含有量が0.01質量%以下である、[11]に記載の金属チタン電析物。

Claims (12)

  1.  チタン、アルミニウム及び酸素を含むTiAlO導電材を含む陽極と、陰極とを用いて溶融塩である塩化物浴中でチタン含有電析物を電析する電析工程を含む、チタン含有電析物の製造方法であって、
     前記電析工程において、前記陰極の電流密度を0.3A/cm2以上かつ2.0A/cm2以下の範囲内とし、
     前記塩化物浴が低級塩化チタンを1mol%以上含む、チタン含有電析物の製造方法。
  2.  前記塩化物浴の温度を730℃以上とする、請求項1に記載のチタン含有電析物の製造方法。
  3.  前記塩化物浴が低級塩化チタンを6mol%以上含む、請求項1又は2に記載のチタン含有電析物の製造方法。
  4.  前記電析工程前に、塩化物浴中、金属チタンと四塩化チタンとを接触させることで前記低級塩化チタンを生成することを含む、請求項1~3のいずれか一項に記載のチタン含有電析物の製造方法。
  5.  前記電析工程前に、塩化物浴中、スポンジチタンと四塩化チタンとを接触することで前記低級塩化チタンを生成する生成工程を含む、請求項1~3のいずれか一項に記載のチタン含有電析物の製造方法。
  6.  前記電析工程前に、酸化チタンを含むチタン鉱石と、アルミニウムと、分離剤とを含む化学ブレンドを加熱処理して前記TiAlO導電材を得る抽出工程を更に含む、請求項1~5のいずれか一項に記載のチタン含有電析物の製造方法。
  7.  前記分離剤が、フッ化カルシウム、酸化カルシウム及びフッ化ナトリウムから選ばれる1種以上を含有する、請求項6に記載のチタン含有電析物の製造方法。
  8.  前記電析工程において、複数回電析を行うことで、精製チタン含有電析物を得る、請求項1~7のいずれか一項に記載のチタン含有電析物の製造方法。
  9.  前記精製チタン含有電析物は、アルミニウム含有量が1000質量ppm以下、酸素含有量が500質量ppm以下、塩素含有量が500質量ppm以下である、請求項8に記載のチタン含有電析物の製造方法。
  10.  前記精製チタン含有電析物中の、
     窒素含有量が0.03質量%以下であり、
     炭素含有量が0.01質量%以下であり、
     鉄含有量が0.010質量%以下であり、
     マグネシウム含有量が0.05質量%以下であり、
     ニッケル含有量が0.01質量%以下であり、
     クロム含有量が0.005質量%以下であり、
     シリコン含有量が0.001質量%以下であり、
     マンガン含有量が0.05質量%以下であり、
     スズ含有量が0.01質量%以下である、請求項9に記載のチタン含有電析物の製造方法。
  11.  金属チタン電析物であって、
     アルミニウム含有量が5質量ppm以上かつ1000質量ppm以下であり、酸素含有量が100質量ppm以上かつ500質量ppm以下であり、かつ塩素含有量が500質量ppm以下である、金属チタン電析物。
  12.  窒素含有量が0.001質量%以上かつ0.03質量%以下であり、
     炭素含有量が0.0004質量%以上かつ0.01質量%以下であり、
     鉄含有量が0.010質量%以下であり、
     マグネシウム含有量が0.05質量%以下であり、
     ニッケル含有量が0.01質量%以下であり、
     クロム含有量が0.005質量%以下であり、
     シリコン含有量が0.001質量%以下であり、
     マンガン含有量が0.05質量%以下であり、
     スズ含有量が0.01質量%以下である、請求項11に記載の金属チタン電析物。
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