チタンスクラップの製造方法

チタンとその合金は、低密度耐食性や耐高温性などの優れた特性を持っています。 世界のチタン産業は、航空宇宙を主要市場とする単一モデルから、冶金、エネルギー、輸送、化学産業、生物医学、その他の民生分野の開発に焦点を当てた多角的なモデルへの移行を経験しています。 現在、世界でチタンの工業生産ができるのは米国、日本、ロシア、中国など数か国のみで、世界のチタンの年間総生産量はわずか数万トンに過ぎない。 しかし、チタンの重要な戦略的価値と国家経済の地位により、チタンは「第3の金属」の次に鉄、アルミニウムの台頭となり、21世紀はチタンの世紀となるでしょう。

現在のチタン製造方法 金属熱還元法を使用した現在のチタン製造。これは、金属還元剤 (R) と金属酸化物または塩化物 (MX) を使用して金属 M を製造する反応を指します。 マグネシウムのチタン冶金法による製造はすでに工業化されています。熱還元法（クロール法）とナトリウム熱還元法（ハンター法）です。 ハンター法はクロール法に比べて高価であるため、現在産業界で広く使用されているのはクロール法のみであるが、1948年の開発以来、コストが高く、還元効率が低いと批判されてきた。 半世紀経った今でも、プロセスは根本的に変わっておらず、依然として断続的な生産であり、連続的な生産を実現できていません。

数十年の開発を経て、世界のチタン産業における新たなトレンドとなった金属チタンの製造方法、クロール法とハンター法は一連の改良が行われていますが、それらは断続的な操作であり、小さな改良ではチタンの価格を大幅に下げることはできません。 したがって、高い生産コストの問題を根本的に解決するには、新しい低コストの連続プロセスを開発する必要があります。 この目的を達成するために、研究者は数多くの実験や研究を行ってきました。 現在の研究は次の方法に焦点を当てています：コストを削減するために電気化学的還元法、チタン金属の直接脱酸研究。 海外では、電気化学的手法を使用してチタン中の固体溶存酸素濃度を検出限界（500 ppm）以下に下げる人もいます。 彼らは、電気化学的脱酸素の過程で、塩化カルシウム溶融塩の電気分解で脱酸剤カルシウムが生成され、O2-が陽極でCO2またはCOの形で沈殿すると考えています。 この新しい高純度精製方法はチタンだけでなく、イットリウムやネオジムなどの希土類金属の脱酸素にも使用されており、酸素含有量を10ppmまで低減することができます。

実験プロセスの工業化の電気化学的方法は次のとおりです。まず第一に、鋳造または加圧成形により二酸化チタン粉末を焼結し、陰極として、黒鉛を陽極として、CaCl2を溶融塩として、黒鉛またはチタンるつぼ中で電解します。 印加電圧は2.8V～3.2Vであり、CaCl2の分解電圧（3.2V～3.3V）よりも低いです。 一定時間の電解の後、陰極は白色から灰色に変化し、0.25 μm の TiO2 から 12 μm のスポンジチタンへの変態が SEM で観察されました。 溶融塩として塩化カルシウムを使用する主な理由は、その価格が安いことと、O2-の溶解度が高く、析出したチタンが酸化しにくいためです。 さらに、CaCl2 は無毒で環境を汚染しません。

TiCl4 溶融塩電解と比較して、この方法で使用される原料は揮発性塩化物ではなく酸化物であるため、調製プロセスが簡略化され、製品の品質が高くなります。 チタン価イオン間では酸化還元反応は起こりません。 アノード析出ガスは純酸素 (不活性アノード) または CO と CO2 の混合物 (グラファイト アノード) であり、制御が容易で無公害です。

この方法では、陰極付近での還元反応が促進されるだけでなく、還元により得られたチタンも還元される。 この方法は、酸化物の直接電解還元と電気化学的脱酸素を組み合わせた新しいチタン製造方法であり、チタン抽出プロセスで最も注目すべき方法となっています。 英国の雑誌Nature in 2000に掲載された論文のデータによると、この方法の使用によりスポンジチタンの生産コストが1トンあたり約13000ドル削減されると推定されています。 、現在の世界総生産量は50,{6}}から6万トンですが、この電気化学的方法の生産に切り替えられた場合、年間7億7,000万米ドルの生産コストが節約されます。

アームストロング法 Amstrong et al. ハンター方式を改良し、継続的な生産プロセスにします。 プロセスは次のとおりです。最初に TiCl4 ガスが過剰な溶融ナトリウムに注入され、生成物を還元して分離プロセスに運ぶ冷却剤として機能します。 ナトリウムと塩を除去するとチタン粉末が得られます。 製品中の酸素含有量は0.2%と低く、二次チタンの基準に達しています。 プロセスをわずかに改良することで、VTi、AlTi 合金を製造できるようになります。 ハンター法と比較して、この方法は連続生産、低投資、幅広い製品用途、ナトリウムと塩素に分解される副生成物をリサイクルできるという利点があります。

TiCl4 電解還元法 電解プロセスの観点から見ると、TiCl4 電解法の使用は、クロール法とハンター法の両方よりも優れています。 したがって、クロールの熱還元法の開発当初から、チタンの精錬プロセスを電解法に変えるという考えがありました。

TiCl4 電解還元法は、かつてクロール法に代わる可能性があると考えられていた唯一の方法であり、米国、旧ソ連、日本、フランス、イタリア、中国などが長期的かつ長期的に実施してきた。それについての深層研究。 TiCl4 電解還元法は、技術的には TiCl4 をチタンの低価塩化物にして融液に溶解する必要があり、同時に陰極部と陽極部を分離し、電解槽を密閉する必要がある。 。

イタリア人はTiCl4電気分解に取り組んでおり、塩素化電気分解のデータを分析したところ、温度が900度を超えると電解液中にTi2+やTi3+は存在せず、Tiだけが存在することがわかりました。 4+とティ。 これに基づいて確立された電解プロセスは次のとおりです。TiCl4 ガスが多層電解質に注入され、吸収されます。 この多相層は、カリウム、カルシウム、チタン、塩素、フッ素のイオン、およびカリウムとカルシウムから構成され、チタン陰極をグラファイト陽極から分離します。 最下層で生成した液体チタンは水冷により銅るつぼ内に槽底に沈み、インゴットが形成されます。 しかし、この方法で得られるチタンの純度は高くなく、効率も低い。

優れた性能と豊富な資源を持つチタンは、20世紀後半から理想的な素材として注目されてきましたが、世界のチタンの年間生産量はたったの数万トンのうち、これまでレアメタルからは生まれていませんでした。 クロール法は四塩化チタンを金属マグネシウムで還元してスポンジ状の金属チタンを得る方法であるため、工程が長く、複数の工程を繰り返すなどの要因が加わり、スポンジチタンのコストが高くなり、さまざまな産業でのチタンの応用に影響を及ぼしています。そのため、多くの応用分野での使用はまだ普及していません。 しかし、科学技術の発展、金属チタンの新たな製造プロセスの開発、生産コストの低減、生産規模の拡大により、21世紀は真のチタンの世紀となると考えております。