JPS6144124B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は金属の塩化物を還元して該金属を生成
し、それを真空精製する装置に関する。

金属材料のうち高融点高靭性材料であるチタン
およびジルコニウムは、主としてその塩化物をマ
グネシウム等の活性金属で還元することにより、
金属スポンジとして製造される。古くは還元工程
と、生成金属スポンジの真空分離精製（副生物の
凝縮）の工程とは、別々の装置で行なわれていた
が、特開昭47−18717以来両者を一体化した装置
が提案ないし実施されている。

以来、この一体化された装置の改良案が、特開
昭52−49922などによつて開示され、本願出願人
もまたすでに特願昭57−8771（特開昭58−
126936），特願昭57−47227（特開昭58−164736）
によつてその改良案を提案している。

これまでの還元凝縮一体化型の装置は何れも、
反応室（還元室）の直上に凝縮室が配置され、上
に言及した改良案は主としてその中間連結部（気
体通路）の構造およびその遮断方式に関するもの
であつた。例えば特願昭57−8771の装置は、反応
室と凝縮室の間の気体通路（中間連結部）の遮断
を易融易蒸発性物質を満たしたシールポツト構造
とし、両室の遮断と連通と分離を容易にし、反応
室がまだ高温の状態でも凝縮室を切り離し、反応
室を単独で加熱炉から取り出され得る利点を有し
た。またこの装置では反応室と凝縮室が容器とし
て同形のものを使用し得た。

しかしながら、この装置では、凝縮室は底の開
いたベル状のものが使用されるため、精製された
金属スポンジを取り出す操作は、反応室を凝縮室
から分離して傾倒ないし転倒してなされている。
またもし、凝縮室と反応室を互換的に交互に交替
で使用しようとする場合にも、凝縮室を次に反応
室として使用する時には180゜転倒させねばなら
ない。しかし反応装置が大型化すると、傾倒ない
し転倒する操作は困難となる。

反応室と凝縮室の配置は、全く同形の容器を反
応室および凝縮室として使用し；凝縮室を正立で
正立した反応室の直上に配置するが；凝縮室を正
立で正立の反応室の直下に配置するか；凝縮室を
倒立で正立の反応室の直上に配置するが；凝縮室
を横倒して反応室の横手下方に配置して反応室の
底と凝縮室の頂部を90゜曲つた連結部で結合する
か；凝縮室を横倒して反応室の横手上方に配置し
て反応室の頂部と凝縮室の頂部を90゜曲つた連結
部で結合するか；反応室と凝縮室を正立で並立に
配置する配置が考えられる。

本発明は前記の最後の配置を採用し、前記の困
難を解消した装置を提供するものである。

即ち、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、生成金属
から分離した未反応活性金属ならびに生成する金
属塩化物を凝縮させるための凝縮室と、この両者
を連結するための気体通路からなる装置におい
て；反応室と凝縮室を互いに並列配置し、それぞ
れの室の上蓋に漏斗状体とその開口脚部を受ける
ポツトからなる易融易蒸発物質によるシールポツ
ト構造の遮断手断と該易融易蒸発物質を溶融蒸発
させるための加熱手段を有する頚部が設けられ、
かつ両頚部を脱離可能な加熱手段を有する連結管
で接続したことを特徴とする装置が提供される。

本発明の装置が適用されるのは今日のところ、
チタンおよびジルコニウムの、その塩化物のマグ
ネシウムによる還元による製造である。シールポ
ツトに使用される易融易蒸発性物質はマグネシウ
ムまたは塩化マグネシウムである。

本発明の装置は、先に言及したように凝縮室を
傾倒ないし転倒する必要がないのみならず、以下
に詳細に説明されるように、その好適実施態様に
おいては、同一の容器を交互に反応室と凝縮室と
して使用することにより、操作を能率化するとと
もに、装置の諸部分の老化を均等化することによ
り、装置の使用を効率化することができる。

添付図面中、第１図Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅは先に
言及した反応室と凝縮室の配置を図解したもので
ある。

Ａは凝縮室を正立で正立の反応室の直上に配置
した状態、Ｂは凝縮室を正立で正立の反応室の直
下に配置した状態、Ｃは凝縮室を倒立で正立の反
応室の直上に配置した状態、Ｄは凝縮室を横倒し
て正立の反応室の横手下方に配置した状態、Ｅは
凝縮室を横倒して正立の反応室の横手上方に配置
した状態を示す。

以下図面を参照して本発明の装置の基本的な構
成と機能をTiCl₄のMgによる還元について詳細に
説明する。第２図は本発明の装置の一具体例の機
構を示す縦断面図である。

この実施態様では反応室２と凝縮室２′は全く
同一形状の円筒体で、互いに並立した形で、反応
室は加熱炉１に、凝縮室２′は冷却装置１９に納
められる。この両者は、それぞれその上蓋８，
８′と、一体になつた頚部（気体通路）２１，２
１′を有し、その各々の頚部を接続する横長の逆
Ｕ字形の連結管１７によつて結合されている。

先に記したように、反応室は凝縮室と同形同構
造であるから、その詳細は以下反応室について説
明する。凝縮室には反応室の部材と同じ数字にダ
ツシユを付した参照符号が付してあるから、反応
室に関する説明はそのまま凝縮室に適用される。

反応室２の下部には格子板３が設けられ、その
下方に開口するMgCl₂の排出管６が設けられてい
る。この排出管は反応室の壁に沿つて上昇し反応
室のつば２３に固定されている。

反応室の底部にはその中央部に底の閉じた円筒
状の突起２２が設けられ、円筒の一部につば２５
が設けられている。反応と分離凝縮を完了した後
に生成金属スポンジを掻き出す際には円筒の端部
を切断して開口する。前記つば２５は後に説明す
る真空排気管を結合するためのものである。反応
室の容器を凝縮室として使用する際には、この円
筒状部の端部を切断したものを設ける。

反応室の上部開口は上蓋８によつて閉じられる
が、この上蓋を貫通し、これに固定された加熱手
段（通常電気抵抗加熱装置）を備えた頚部２１が
設けられ、この頚部２１には、特願昭57−8711
（特開昭58−126936）に開示したものと同じシー
ルポツトが設けられている。

シールポツトの原理自身は既知である。ポツト
１４が頚部の気体通路の中央に支持され（支持手
段は図示されていない）、このポツト内に、その
開口脚部が臨むように漏斗状体２７が設けられて
いる。その上方に設けられた易融易蒸発性物質の
導入口１５（後に再度説明する）から例えば溶融
マグネシウムをポツト内に注入し固化させてこの
部分を閉鎖する。開放する場合は前記加熱手段に
より該物質を蒸発させる。

頚部の下端からは傘形にひろがる邪魔板１２が
その周辺が反応室２の内壁に接するように設けら
れている。

TiCl₄の導入管９と、Arのような不活性気体の
導入管１１（図では二重管になつている）と、
Mgの導入管１０が上蓋８を貫通して邪魔板１２
の内面に開口するように設けられ、さらに頚部２
１にはその壁を貫通してシールポツトの下側に前
記不活性気体の排出管１６が設けられている。

連結管１７は単に全体にわたつて加熱手段（こ
れも通常電気抵抗加熱装置）を有するＵ字形の管
であるが、その両端に近い部分にシールポツトに
易融易蒸発性物質を導入するための導入管１５を
備えている。

反応室２の上部開口部の周縁はフランジを有し
クランプまたはボルト等で耐熱性ガスケツトを介
して上蓋８に脱離可能に固定される。また頚部の
上部開口部もまたフランジを有し、結合管の対応
するフランジに同様に脱離可能に固定される。

上に述べた導管類にはすべて弁と親管からの脱
離手段が設けてあるが、そのことは当業者には自
明であるから、図面では省略してあり、特に説明
もしない。

反応室を容れる加熱炉は公知のものであつて、
これも電気抵抗加熱方式のものが便利である。反
応室はそのつば２３によつて加熱炉の上縁に支承
される。

冷却装置１９は凝縮室を容れる、冷却液の導入
管２０と排出管２８を有する単純な容器であつ
て、底部には凝縮室の底の開口を外に臨ませる開
口が設けられ、その周囲にエラストマーの環状ガ
スケツト２４が付設されていて、凝縮室の底がそ
のガスケツトに気密に載せられ、冷却装置との間
にジヤケツト空間を構成するようになつている。

冷却装置の底の開口部に臨んだ凝縮室（反応室
と同じ容器）の底の円筒状部は、この段階ではそ
の端部が切断されており、冷却装置の底の開口の
外に出たこの円筒状部には、真空排気管１８が結
合される。後者は凝縮室の円筒状部の外径より大
きな内径を有し、その開口端にはフランジ２６を
有し、円筒状部の先端部を収容して、、フランジ
２６と円筒状部のつば２５を適当なガスケツトを
間挿してボルト、クランプなどで固定することに
よつて凝縮室に固定される。

先に述べた反応室に設けられた種々の導入管、
排出管は、凝縮室と使用される場合には、そのあ
るものは使用されない。

凝縮室を次に反応室として使用する場合には、
開いている円筒状部にその断面と同じ形状寸法の
円板を手早く溶接して開口を閉鎖する。

目下のところ高温に耐える適当なガスケツト材
料がないためにこのような手段が取られている
が、将来において適当な材料が開発されれば、こ
の部分と真空排気管の結合は両者のフランジ同志
をガスケツトを間挿してボルトかクランプで固定
すればすむことになる。

この装置は実質的部分において特願昭57−8711
（特開昭58− ）と同様であり、諸先行技
術文書、上記の説明、および添付図面を参照して
当業者が化学工学の通常の知識に基づいて容易に
製作することができるから、その製作の詳細をこ
こに述べる必要はない。

ただ本発明者等が試作した装置は、反応室（凝
縮室にもなる）は外径700mm、高さ1760mmのベル
型であり、頚部（気体通路）の長さ（高さ）380
mm、内径185mmであつた。凝縮室（反応室）、連結
管は肉厚25mmの含クロム鋼で製作した。シールポ
ツト部は５mm厚の材料を使用して製作し、外径
150mm、高さ50mmであつた。また連結管の直径は
185mmでその中心長は2100mmであつた。

次に上記の装置を用いて、スポンジチタンを製
造する操作を作業例として説明する。

最初に装置全体を第１図に示す状態に設置し
た。この際反応容器１の底部の開口部は閉鎖され
ており、凝縮室１′の底部の開口部（円筒状部）
２２′はその端部が切断されて開放されており、
真空排気管１８に結合されている。またこの時シ
ールポツト１４，１４′は固化した金属マグネシ
ウムで閉鎖されているが、シールポツト１４は開
放状態にあり（閉鎖されていてもよい）凝縮室の
底の円筒状部２２′は先端が切断されて開口し排
気管１８に接続されている。この装置を始めて使
用する時は、シールポツト１４′は開放状態にあ
るが、次回以後凝縮室と反応室を互換的に使用す
るようになれば、凝縮作業の際シールポツト１
４′は常に閉鎖されている。

装置を前記のように組立てる前に反応室２に約
415KgのMgを装入する。反応室を密閉系とした
後、不活性気体導入口１１を利用して真空脱気し
た後Arを導入して反応室内を完全にAr雰囲気と
した。その後加熱炉１により反応室を加熱して
Mgを溶融状態とし、750℃で導管９よりTiCl₄を
導入して反応を開始した。反応は約28時間継続
し、TiCl₄を約1170Kg消費した時点で終了した。
その後約60分間炉温を900℃に保持した後、残存
するMgCl₂を出来る限りMgCl₂排出管１６から抜
出した。次いで直ちに反応室上部の気体通路１
３、凝縮室上部の排気通路１３′及び連結管１７
を加熱し750〜800℃まで昇温して、徐々に真空排
気管１８より排気しはじめた。この時は勿論、真
空排気系統以外の大気に通ずる開口箇所はすべて
完全に密封されている。真空排気開始後間もなく
反応室上部気体通路に設けられたシールポツト１
４はMgが蒸発することにより開通する。真空度
が上昇するにつれて、反応室内の生成したスポン
ジチタン中から蒸発した残存Mg，生成MgCl₂は
連結路を通つてジヤケツトに水を通ずることによ
つて冷却された凝縮室の内壁に凝縮付着する。真
空度の上昇とともに炉温を900℃から1000℃に上
げ更に25時間真空分離を継続した。真空分離終了
後、直ちに系内にArを導入し、反応室内、凝縮
室内をともに常圧とした後、Mg導入管１５，１
５′よりそれぞれ約750℃の溶融Mgを1.3Kg注入し
てから固化させ排気通路を遮断した。反応室温度
が800℃以下になつた時点で、連結路１７を切離
した。各々の切離し面のフランジは密閉蓋を取付
けることにより反応室及び凝縮室は密閉状態と
し、内容物が大気と接触するのを避けるようにし
た。その後反応室内をArで若干の加圧状態に保
ちつつ反応室を加熱炉より吊り上げて炉外に出
し、図示されない冷却スタンド上で強制冷却し
た。冷却後反応室の底の円筒部の先端を切断して
開口を設け、約280Kgの良質のスポンジ状チタン
を掻き出した。一方凝縮室は、ジヤケツトの冷却
水を抜いた後真空排気管１８から切り離し、その
底部の開口を密閉蓋を溶接して閉鎖し（この間凝
縮室内は大気と通ずるのでArを満たしつつ手早
く操作した）そのまま吊り上げて加熱炉１内に移
動させ、連結管１７を接続して次のランの組立て
に入つた。この状態では両方のシールポツトは遮
断されているから、次の作業を効率的に進めるこ
とができる。

このように本発明の装置では金属チタンの製造
において、還元凝縮一体化装置の方式として、反
応室と凝縮室を互いに並立させ、各々の上部を連
結路で接続する形をとることにより、従来複雑化
の傾向にあつた頚部を簡単化でき、更に特願昭57
−8771で提案した装置の利点をすべてそのまま継
承することができ、また凝縮室を傾転する必要が
なく、しかも内容物を殆んど大気に曝すことなし
に、次のバツチに反応室として使用することがで
きる。

繰り返し使用していると反応容器（反応室およ
び凝縮室を指す）の底の円筒状部はだんだん短か
くなつて行く。従つて円筒状部の長さは容器の使
用寿命（使用回数）を勘案して決定する。

第３図は第２図に示した装置の一変形である。
この実施態様では、反応室と凝縮室の間の気体通
路に存在するシールポツトを１個だけになるよう
にして通気抵抗を小さくしたものである。

即ち、反応室（凝縮室）の上蓋８，８′には二
つの開口部２１，２１′、２５，２５′が設けら
れ、その各々が頚部（気体通路）が設けられる
が、シールポツトは対応しあう一方（第３図では
２５，２５′）にのみに設けてある。（２１，２
１′の側に設けてもよい。）一方の室のシールポツ
トを設けてない頚部と他方の室のシールポツトを
設けない頚部が連結管１７によつて接続される。
シールポツトを設けてない頚部（第２図の場合２
１，２１′）では、連結管を接続しない場合には
蓋２６を施こす、この部分に設けられる導入管、
排出管はこの蓋に取付ければよいから単純化され
る。なおこの蓋は反応室と凝縮室に交互に使用で
きるから、１個でよい（即ち２６′はない）。

その他の構造は第２図に示した装置と実質的に
同じであり、同じ部材には同じ参照番号を付して
あるから、前記の説明により理解されよう。

本発明の装置が金属ジルコニウムの製造にも使
用できることは自明である。上に詳細に説明した
ように本発明はチタン，ジルコニウムなどの高融
点高靭性金属の製造を能率化し、装置の損耗を均
一化し装置の耐用条件を効率化した。

【図面の簡単な説明】

第１図は一体化した高融点高靭性金属の装置の
反応室と凝縮室の配置の態様を示したものであ
る。第２図は本発明の装置の一実施態様を示す模
式図であり、第３図はそのもうひとつの実施態様
を示す模式図である。 １……加熱炉、２……反応室、２′……凝縮
室、３……グリツド板、６……排出管、８……上
蓋、９……TiCl₄導入管、１０……Mg導入管、１
１……不活性気体導入管、１２……バツフル邪魔
板、１３……排気通路、１４……遮断手段（シー
ルポツト）、１５……易融易蒸発性物質導入口、
１６……不活性気体排出口、１７……連結路、１
８……真空排気管、１９……ジヤケツト、２０…
…冷却水導入口、２１……頚部、２８……冷却水
排出口。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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、生成金属から分離した未反応活
   性金属ならびに生成する金属塩化物を凝縮させる
   ための凝縮室と、この両者を連絡するための気体
   通路からなる装置において：反応室と凝縮室を互
   いに並列配置し、それぞれの室の上蓋に漏斗状体
   とその開口脚部を受けるポツトからなる易融易蒸
   発物質によるシールポツト構造の遮断手断と該易
   融易蒸発物質を溶融蒸発させるための加熱手段を
   有する頚部が設けられ、かつ両頚部を脱離可能な
   加熱手段を有する連結管で接続したことを特徴と
   する装置。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の装置であつ
   て、反応室と凝縮室が同一形状の容器であつて互
   換共用されることを特徴とする装置。 ３ 特許請求の範囲第２項に記載の装置であつ
   て、反応室と凝縮室がともに底部に閉鎖できる開
   口を有することを特徴とする装置。 ４ 特許請求の範囲第３項に記載の装置であつ
   て、凝縮室を収容できる容器であつて、その底部
   に凝縮室の底部開口を臨ませることができる開口
   を有し、その開口の周囲に、凝縮室の底部に密着
   できるエラストマーの環状ガスケツトが設けら
   れ、かつ液体の導入管と排出管を有し、凝縮室を
   その底部を前記環状ガスケツトに載せて収容する
   時にジヤケツト空間を形成するように構成された
   冷却器を備えていることを特徴とするもの。 ５ 特許請求の範囲第１ないし４項のいずれかの
   項に記載の装置であつて、反応室および凝縮室の
   上蓋がそれぞれ２個の頚部を有し、その一つにの
   み通路遮断手段が設けられ、互いの室の通路遮断
   手段を有するものと有しないものとが連結管で接
   続されることを特徴とする装置。