JP2005350749A - Method for producing titanium and titanium alloy - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、酸化チタンを含有する金属酸化物を、塩化カルシウムを含む溶融塩中に浸漬し、通電することにより直接還元してチタンおよびチタン合金を製造する方法に関する。 The present invention relates to a method for producing titanium and a titanium alloy by directly reducing a metal oxide containing titanium oxide by immersing it in a molten salt containing calcium chloride and energizing it.
金属チタンおよびチタン合金は、耐食性に優れ、軽量でかつ強度が高い(すなわち、比強度が高い)等の優れた特性を備えており、航空機材料、石油精製、石油化学を含む化学プラントの装置材料、伝熱管や熱交換器用材料をはじめ、自動車部品、医療関係の機器類、スポーツ用具などの素材として、多岐にわたる産業分野で広く使用されている。 Metallic titanium and titanium alloys have excellent properties such as corrosion resistance, light weight and high strength (ie, high specific strength), and equipment materials for chemical plants including aircraft materials, petroleum refining, and petrochemistry. It is widely used in various industrial fields as materials for heat transfer tubes, heat exchanger materials, automobile parts, medical equipment, and sports equipment.
金属チタンの製造に当たっては、通常、ルチル(TiO2)、イルメナイト(FeTiO3)等の鉱石を前処理して得られる酸化チタン(TiO2)を塩素化して四塩化チタン(TiCl4)とし、これをマグネシウムと反応させて還元し、スポンジ状の金属チタンとするクロール法(Mg還元法)が用いられている。 In the production of titanium metal, titanium oxide (TiO 2 ) obtained by pretreatment of ores such as rutile (TiO 2 ) and ilmenite (FeTiO 3 ) is usually chlorinated to form titanium tetrachloride (TiCl 4 ). A crawl method (Mg reduction method) is used in which a metal is reduced by reacting with magnesium to form sponge metal titanium.
しかし、四塩化チタンをスポンジチタンとする工程はバッチ方式で、連続化が困難であり、また、四塩化チタンの還元により生じる塩化マグネシウム(MgCl2)の再利用のために、MgCl2を溶融塩電解法によりMgとCl2に分離する際、多大なエネルギー(電力)が消費される。そのため、連続操業が可能で、電力消費量を低減できる金属チタンの製造方法の開発が求められている。 However, in the process a batch method in which the titanium sponge titanium tetrachloride, it is difficult to continuously. In addition, for reuse of magnesium chloride produced by reduction of titanium tetrachloride (MgCl 2), molten salt MgCl 2 When separating into Mg and Cl 2 by the electrolytic method, a great amount of energy (electric power) is consumed. Therefore, development of the manufacturing method of the metal titanium which can be operated continuously and can reduce electric power consumption is calculated | required.
そのような方法の一つとして期待されているのがチタンの酸化物を直接還元して金属チタンを得る方法であるが、これに関連する技術として、特許文献1に、塩化物溶融塩中で電気分解によりTi、Si、Geなどの金属の酸化物から酸素を除去する直接電解法が開示されている。この方法は、例えば、酸素を含む金属チタンを陰極として溶融塩中で通電すると、溶融塩中の金属イオンがチタンの表面に析出するよりも、チタン中の酸素が電解質中に移動(溶解)する反応の方が優先的に進行するという現象を利用するもので、金属チタン中の酸素だけではなく、チタン酸化物を陰極と接触させておくことによりチタン酸化物から酸素を除去できるとしている。
One of such methods is expected to be a method of directly reducing titanium oxide to obtain titanium metal. As a technique related to this,
この特許文献1に記載される方法でチタン酸化物から酸素を除去して、直接金属チタンが得られれば、従来の四塩化チタンを中間原料として用いるクロール法に対して、工程を簡素化し、エネルギー的にも有利とし得る可能性がある。しかし、直ちに実用化に結びつけることは困難で、様々な問題を解決する必要がある。
If oxygen is removed from titanium oxide by the method described in
本発明は、このような状況下にあって、酸化チタンを電解により還元して金属チタンとする方法を利用し、酸化チタン含有金属酸化物の連続体(酸化チタンを表面に付着させた導体基材なども含む)を陰極とし、塩化カルシウムを含む溶融塩中で電解することにより酸化チタン等を還元するチタンおよびチタン合金の製造方法を提供することを目的としている。 Under such circumstances, the present invention uses a method of reducing titanium oxide by electrolysis to form metal titanium, and uses a continuum of titanium oxide-containing metal oxide (a conductive substrate having titanium oxide attached to the surface). It is an object of the present invention to provide a method for producing titanium and a titanium alloy in which titanium oxide and the like are reduced by electrolysis in a molten salt containing calcium chloride.
本発明者らは、前記の課題を解決するため、鋼板を基材とし、その表面に溶射により酸化チタン(TiO2)を付着させたものを陰極とし、黒鉛(カーボン)電極を陽極として、塩化カルシウムを主体とする溶融塩中で電解したところ、付着させた酸化チタンが還元されて金属チタンとなり、鋼板表面にチタン層としてコーティングされることを知見した。酸化チタンを基材表面に付着させる方法としては、溶射の他に、酸化チタンを圧着する方法、基材表面の酸化チタン粉末をプラズマ溶解する方法等も適用可能である。
また、酸化チタンと金属チタンを混合して、成形し、焼結した混合物(焼結体)を陰極として使用しても、同様に金属チタンが得られることを確認した。
In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have used a steel plate as a base material, a surface in which titanium oxide (TiO 2 ) is adhered by thermal spraying as a cathode, a graphite (carbon) electrode as an anode, and chloride. As a result of electrolysis in a molten salt mainly composed of calcium, it was found that the attached titanium oxide was reduced to metal titanium and was coated on the steel sheet surface as a titanium layer. As a method of attaching titanium oxide to the substrate surface, in addition to thermal spraying, a method of pressure-bonding titanium oxide, a method of plasma-dissolving titanium oxide powder on the substrate surface, and the like can be applied.
Moreover, even if it used the mixture (sintered body) which mixed, shape | molded and sintered titanium oxide and metal titanium as a cathode, it confirmed that metal titanium was obtained similarly.
本発明はこのような知見に基づいてなされたもので、その要旨は、下記のチタンおよびチタン合金の製造方法にある。すなわち、
『酸化チタン含有金属酸化物を含む連続体を、塩化カルシウムを含む溶融塩中に導入し、前記連続体を陰極とし、溶融塩に浸漬した陽極との間で通電して連続体に含まれる酸化チタン含有金属酸化物を還元し、溶融塩から抜き出すチタンおよびチタン合金の製造方法』である。
The present invention has been made based on such knowledge, and the gist thereof is in the following method for producing titanium and titanium alloy. That is,
“Oxidation contained in a continuum by introducing a continuum containing a metal oxide containing titanium oxide into a molten salt containing calcium chloride, using the continuum as a cathode, and energizing the anode immersed in the molten salt. “Method for producing titanium and titanium alloy by reducing titanium-containing metal oxide and extracting from molten salt”.
ここで、「酸化チタン含有金属酸化物を含む連続体」とは、酸化チタン単独、または酸化チタンを主体として、例えば、酸化バナジウム、酸化アルミニウム、酸化クロム等、チタンに合金成分として加えようとする元素の酸化物を含み、長さ方向に連続した形態を有するもので、例えば、酸化チタンと金属チタンを混合して、成形し、焼結した混合物(焼結体)や、酸化チタンを表面に付着させた導体基材などをいう。 Here, “continuum containing titanium oxide-containing metal oxide” means that titanium oxide alone or titanium oxide as a main component, for example, vanadium oxide, aluminum oxide, chromium oxide or the like is added to titanium as an alloy component. It contains elemental oxides and has a continuous form in the length direction. For example, titanium oxide and titanium metal are mixed, molded, and sintered (sintered body), or titanium oxide on the surface. An attached conductor base material.
また、「塩化カルシウムを含む溶融塩」とは、塩化カルシウム(CaCl2)のみ、または、塩化カルシウムの他に、融点の低下、粘性等の調整のために、塩化カリウム(KCl)、弗化カルシウム(CaF2)等を含む溶融塩をいう。溶融塩に混合塩を用いる場合、塩化カルシウムや弗化カルシウムなどのカルシウム化合物の濃度が低過ぎると、溶融塩中のカルシウムイオンが不足して反応率が低下するので、カルシウム化合物の濃度は10質量%以上が望ましい。 In addition, “molten salt containing calcium chloride” means only calcium chloride (CaCl 2 ), or in addition to calcium chloride, potassium chloride (KCl), calcium fluoride for adjusting the melting point, viscosity, etc. A molten salt containing (CaF 2 ) and the like. When a mixed salt is used for the molten salt, if the concentration of calcium compound such as calcium chloride or calcium fluoride is too low, the calcium ion in the molten salt is insufficient and the reaction rate decreases, so the concentration of the calcium compound is 10 mass. % Or more is desirable.
前記本発明のチタンおよびチタン合金の製造方法において、『連続体の溶融塩中への導入と、酸化チタン含有金属酸化物の還元と、還元処理後の連続体の溶融塩からの抜き出しを連続的に行う』方法(これを「実施態様1」の方法という)を採用することとすれば、操業を連続化して生産効率の向上を図ることができ、望ましい。
In the method for producing titanium and titanium alloy according to the present invention, “introduction of the continuum into the molten salt, reduction of the metal oxide containing titanium oxide, and extraction of the continuum after the reduction treatment from the molten salt are performed continuously. It is desirable to adopt the method of “performing” (this is referred to as the method of “
本発明の製造方法(「実施態様1」の方法を含む)において、『連続体を、酸化チタン含有金属酸化物と金属チタンが混在した連続体とする』方法(これを「実施態様2」の方法という)を採用すれば、良好な導電性を確保でき、製造を効率よく行える。
In the production method of the present invention (including the method of “
本発明の製造方法(「実施態様1および2」の方法を含む)において、『連続体を、連続している導体基材表面に酸化チタン含有金属酸化物を付着させたものとし、陽極との間で通電し、連続体に含まれる酸化チタン含有金属酸化物を還元して得られるチタンまたはチタン合金を基材表面にチタンまたはチタン合金層として形成させる』方法(これを「実施態様3」の方法という)を採用すれば、例えば鋼板表面をチタンまたはチタン合金で被覆して耐食性に優れた材料とする等の用途にも活用でき、チタンおよびチタン合金の用途の多様化を図ることができる。
In the production method of the present invention (including the methods of “
ここで、「導体基材」とは、電気伝導率の大きい材料で、一般的には、炭素鋼、合金鋼、ステンレス鋼等の鉄系金属、ニッケル、チタン等の非鉄金属であるが、これに限らず、半導体や、高温で電解に必要な導電性を示す材料であれば、基材として使用可能である。 Here, the “conductor base material” is a material having a high electrical conductivity, and is generally a ferrous metal such as carbon steel, alloy steel or stainless steel, or a non-ferrous metal such as nickel or titanium. However, any material can be used as a base material as long as it is a semiconductor or a material exhibiting conductivity necessary for electrolysis at a high temperature.
本発明の製造方法(「実施態様1〜3」の方法を含む)において、『陽極を黒鉛電極とする』方法(これを「実施態様4」の方法という)を用いれば、高温の塩化カルシウムを含む溶融塩中でも電極が侵食されず、耐熱衝撃性に優れ、望ましい。
In the production method of the present invention (including the methods of “
本発明の製造方法(「実施態様1〜4」の方法を含む)において、『連続体または基材を板状、線状、角状または管状とする』方法(これを「実施態様5」の方法という)を採用すれば、そのような種々の形状のチタンまたはチタン合金を製造し、また、様々な形状の基材表面にチタンまたはチタン合金層を形成させる(コーティングする)ことができる。
In the production method of the present invention (including the methods of “
「実施態様3〜5」の方法において、『基材への電流供給を、溶融塩から抜き出された基材側から行う』方法(これを「実施態様6」の方法という)を採用すれば、酸化チタン含有金属酸化物が還元されて基材表面はチタンまたはチタン合金によりコーティングされた状態になっているので、基材への通電性が良好で、製造を効率よく行える。
In the method of “
「実施態様3〜6」の方法において、『基材が板状の場合、その厚さを0.1〜3.5mmとする』方法(これを「実施態様7」の方法という)を採用するのが望ましい。
In the method of “
また、「実施態様3〜7」の方法において、『基材表面に付着させる酸化チタン含有金属酸化物の厚さを0.1〜1.5mmとする』方法(これを「実施態様8」の方法という)を採用するのが望ましい。
Further, in the method of “
「実施態様3」の方法において、『基材をチタンとし、基材表面に付着させる酸化チタン含有金属酸化物を酸化チタンとする』方法(これを「実施態様9」の方法という)を採用すれば、基材として用いたチタンを厚くし、または太らせることができ、これをそのまま溶解してインゴットとすることも可能である。
In the method of “
本発明のチタンおよびチタン合金の製造方法によれば、酸化チタン含有金属酸化物の連続体を電解、還元して、チタンおよびチタン合金を製造することができる。鉄その他の金属を基材として使用し、その表面にチタンまたはチタン合金層を形成させ、優れた耐食性を付与することも可能である。 According to the method for producing titanium and titanium alloy of the present invention, titanium and titanium alloy can be produced by electrolysis and reduction of a continuous body of titanium oxide-containing metal oxide. It is also possible to use iron or another metal as a base material, to form a titanium or titanium alloy layer on the surface thereof, and to give excellent corrosion resistance.
以下に、本発明のチタンおよびチタン合金の製造方法について、その実施態様も含め、詳細に説明する。 Below, the manufacturing method of the titanium and titanium alloy of this invention is demonstrated in detail including the embodiment.
図1は、本発明の方法を実施することができる装置の概略構成例を示す図である。この装置は、同図に示すように、塩化カルシウムを含む溶融塩5を容れた電解槽6と、溶融塩5に浸漬された陽極7を備えている。コイル2から巻き戻された連続体1aは溶融塩5中へ導入され、電解槽6の出側のピンチロール8から、連続体1aを陰極として通電できるように構成されている。電解実施後、溶融塩5から抜き出された連続体1aはコイル9に巻き取られる。
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration example of an apparatus capable of performing the method of the present invention. As shown in the figure, this apparatus includes an electrolytic cell 6 containing a
本発明の製造方法では、先ず、『酸化チタン含有金属酸化物を含む連続体を、塩化カルシウムを含む溶融塩中に導入』する。 In the production method of the present invention, first, “a continuum containing a titanium oxide-containing metal oxide is introduced into a molten salt containing calcium chloride”.
連続体、すなわち、長さ方向に連続した形態を有する焼結体や導体基材を用いるのは、チタンまたはチタン合金の製造を連続的に行うためである。前記の「実施態様1」の方法を採用すれば、操業の連続化を実現できる。
The reason for using a continuous body, that is, a sintered body or conductor base material having a continuous form in the length direction is to continuously manufacture titanium or a titanium alloy. If the method of the above “
前記連続体として、酸化チタン含有金属酸化物と金属チタンが混在した連続体を用いれば、良好な導電性を確保できるので、製造を効率よく行える(「実施態様2」の方法)。このような連続体の作製方法としては、酸化チタン含有金属酸化物と金属チタンの混合体であって、長さ方向に連続した形態を有するものが比較的容易に得られる方法であればよく、特定の方法に限定されない。
If a continuum in which a titanium oxide-containing metal oxide and metal titanium are mixed is used as the continuum, good conductivity can be ensured, so that the production can be performed efficiently (method of “
例えば、金属チタンと酸化チタンの混合物をプラズマ溶解により連続した混合体とする方法、金属チタンと酸化チタンを混合して成形し、焼結体とする方法、酸化チタンにバインダーを加えてペースト状とし、これに金属チタンを混合、成形し、焼結体とする方法等が適用可能である。 For example, a method in which a mixture of metal titanium and titanium oxide is made into a continuous mixture by plasma melting, a method in which metal titanium and titanium oxide are mixed and formed into a sintered body, and a binder is added to titanium oxide to form a paste. In addition, a method of mixing and forming metal titanium into this to form a sintered body can be applied.
前記連続体としては、連続している導体基材表面に酸化チタン含有金属酸化物を付着させたものを用いることもできる(「実施態様3」の方法)。例えば、鉄を基材として使用し、その表面にチタンまたはチタン合金層を形成させて、耐食性を格段に高めることも可能である。
As the continuous body, a continuous conductor base material surface with a titanium oxide-containing metal oxide adhered can be used (the method of “
続いて、『前記連続体を陰極とし、溶融塩に浸漬した陽極との間で通電して連続体に含まれる酸化チタン含有金属酸化物を還元』する。 Subsequently, “reducing the titanium oxide-containing metal oxide contained in the continuum by applying current between the continuum as the cathode and the anode immersed in the molten salt”.
これにより、酸化チタン、または酸化チタンを主体として酸化バナジウム等のチタン合金成分の酸化物を含む金属酸化物が還元され、金属チタンまたはバナジウム等を含むチタン合金が生成する。 As a result, titanium oxide or a metal oxide mainly containing titanium oxide and containing an oxide of a titanium alloy component such as vanadium oxide is reduced to produce a titanium alloy containing metal titanium or vanadium.
その後、『(還元処理後の連続体を)溶融塩から抜き出す』。これによって、金属チタンまたはチタン合金を得ることができる。 Then, “(The continuum after the reduction treatment) is extracted from the molten salt”. Thereby, titanium metal or a titanium alloy can be obtained.
さらに、連続している導体基材表面に酸化チタン含有金属酸化物を付着させたものを用いる「実施態様3」の方法について、図面を参照し、説明する。
Furthermore, the method of “
図2〜図4は、いずれも本発明の「実施態様3」の方法を実施することができる装置の概略構成例で、図2は基材表面に圧着により酸化チタンを付着させる場合、図3は同じく溶射による場合、図4は同じくプラズマ溶解による場合である。なお、この図2〜図4の例では、基材形状は板(帯)状である。
2 to 4 are schematic configuration examples of an apparatus that can carry out the method of “
図2において、コイル2から巻き戻された導体基材1bの表面に粉状の酸化チタン(TiO2)3を供給し、ロール4で圧着して基材表面に酸化チタンを付着させた後、その基材1bを電解槽6内の塩化カルシウムを含む溶融塩5中へ導入する。前記溶融塩5には陽極7が浸漬されており、基材1bを陰極として、陽極と陰極間に通電し、電解する。電解実施後、基材1bを溶融塩5から抜き出し、コイル9に巻き取る。
In FIG. 2, after supplying powdered titanium oxide (TiO 2 ) 3 to the surface of the conductor base material 1 b unwound from the
図3は、導体基材1bの表面へ溶射により酸化チタン(TiO2)を付着させる場合で、その後の工程は図2の場合と同様である。溶射は、半溶融状態とした酸化チタンの微粉末を圧縮空気で吹き付ける通常の方法で行えばよい。同図には、基材1bの上方から溶射し、飛沫を受け皿10で受ける例を示しているが、基材1bを垂直に配置し、側方から溶射する方式を採れば、基材1bの両面へ酸化チタンを付着させることも可能である。
FIG. 3 shows a case where titanium oxide (TiO 2 ) is adhered to the surface of the conductor base 1b by thermal spraying, and the subsequent steps are the same as those in FIG. Thermal spraying may be performed by a normal method of spraying fine powder of titanium oxide in a semi-molten state with compressed air. Although the figure shows the example which sprays from the upper direction of the base material 1b, and receives a splash with the
図4は、導体基材1bの表面へプラズマ溶解により酸化チタン(TiO2)を付着させる場合で、その後の工程は図2の場合と同じである。プラズマ溶解とは、基材の表面に酸化チタンの粉末を薄く広げておき、そこに弱いプラズマをスキャンさせる等の方法で照射して酸化チタンを溶解し、基材の表面に酸化チタン層を形成する方法である。 FIG. 4 shows a case where titanium oxide (TiO 2 ) is attached to the surface of the conductor base 1b by plasma dissolution, and the subsequent steps are the same as those in FIG. Plasma melting means that a thin layer of titanium oxide powder is spread on the surface of the base material, and the titanium oxide is melted by irradiating it with a method such as scanning weak plasma to form a titanium oxide layer on the surface of the base material. It is a method to do.
プラズマ溶解を適用する場合、基材側にプラズマ電流の供給機能と冷却機能が必要であるが、例えば、水冷式のローラ電極を使用し、板状の基材がローラ電極上を通過する際に、酸化チタンの粉末を供給し、直ちにプラズマを照射する方式を採用することができる。板状基材の下面は水冷式ローラ電極に接触しているので、電流の供給と抜熱が可能である。 When plasma melting is applied, a plasma current supply function and a cooling function are required on the substrate side. For example, when a water-cooled roller electrode is used and a plate-shaped substrate passes over the roller electrode, A method of supplying titanium oxide powder and immediately irradiating with plasma can be employed. Since the lower surface of the plate-like substrate is in contact with the water-cooled roller electrode, current can be supplied and heat can be removed.
本発明の「実施態様3」の方法では、まず、『連続している導体基材表面に酸化チタン含有金属酸化物を付着』させる。
In the method of “
「連続している導体基材」として、図2〜図4に示した例では、コイル2から巻き戻された帯状の基材を用いている。このような連続した基材を用いるのは、操業を連続的に実施することを前提としているからである。前記の「実施態様1」の方法を採用すれば、操業の連続化を実現できる。
As the “continuous conductor base material”, in the example shown in FIGS. 2 to 4, a belt-like base material unwound from the
基材の形状はこれに限らず、線状(丸棒など、「線」の概念よりも太いものも含む)、角状または管状であってもよい。これは、前述した本発明の製造方法で用いる連続体においても同様である(「実施態様5」の方法)。基材表面への酸化チタンの付着方法は基材の形状に応じて適宜選択する必要はあるが、様々な形状の基材を、その表面をチタンで被覆して耐食性に優れた材料とすることが可能である。
The shape of the substrate is not limited to this, and may be linear (including a thicker than the concept of “line” such as a round bar), square, or tubular. The same applies to the continuum used in the production method of the present invention described above (the method of “
図2〜図4に示した例では、基材表面に付着させる酸化チタン含有金属酸化物として、酸化チタンを用いているが、例えば、酸化バナジウム、酸化アルミニウム、酸化クロム等を含有する酸化チタンを用いてもよい。これは、前述した本発明の製造方法で用いる連続体においても同様である。 In the example shown in FIGS. 2 to 4, titanium oxide is used as the titanium oxide-containing metal oxide to be attached to the substrate surface. For example, titanium oxide containing vanadium oxide, aluminum oxide, chromium oxide, or the like is used. It may be used. The same applies to the continuum used in the production method of the present invention described above.
酸化バナジウム、酸化アルミニウム、酸化クロム等は、酸化チタンと同様に還元されて、バナジウム、アルミニウム、クロム等としてチタンに固溶した状態となり、合金層として基材表面にコーティングされるので、酸化バナジウム、酸化アルミニウム、酸化クロム等の混合量は、その合金組成に見合った量とすればよい。 Vanadium oxide, aluminum oxide, chromium oxide and the like are reduced in the same manner as titanium oxide, and are in a solid solution state in titanium as vanadium, aluminum, chromium, etc., and are coated on the substrate surface as an alloy layer, so vanadium oxide, The mixing amount of aluminum oxide, chromium oxide, or the like may be set in accordance with the alloy composition.
続いて、『この基材を塩化カルシウムを含む溶融塩中に導入し、基材を陰極とし、溶融塩に浸漬した陽極との間で通電して基材表面の酸化チタン含有金属酸化物を還元』する。 Subsequently, “This substrate is introduced into a molten salt containing calcium chloride, the substrate is used as a cathode, and the titanium oxide-containing metal oxide on the substrate surface is reduced by energizing between the anode immersed in the molten salt. ].
このように、酸化チタン(TiO2)を付着させた基材を陰極として、陽極との間で通電し、電解すると、陰極では下記(1)式の電極反応が生じ、さらに、陰極近傍では(2)式の化学反応が進行して、(1)式の反応で生成したCaにより酸化チタン(TiO2)が還元され、金属Tiが生じる。 In this way, when the base material to which titanium oxide (TiO 2 ) is attached is used as a cathode, electricity is passed between the anode and electrolysis, an electrode reaction of the following formula (1) occurs at the cathode, and ( 2) The chemical reaction of the formula proceeds, and titanium oxide (TiO 2 ) is reduced by the Ca generated by the reaction of the formula (1) to produce metal Ti.
陰極: 2Ca2++4e-→2Ca ・・(1)
TiO2+2Ca→Ti+2CaO ・・(2)
一方、陽極では、それが黒鉛電極であれば、下記(3)式の電極反応が生じ、陽極表面から二酸化炭素(CO2)が発生する。
Cathode: 2Ca 2+ + 4e − → 2Ca (1)
TiO 2 + 2Ca → Ti + 2CaO (2)
On the other hand, in the anode, if it is a graphite electrode, an electrode reaction of the following formula (3) occurs, and carbon dioxide (CO 2 ) is generated from the anode surface.
陽極: 2CaO+C→CO2+2Ca2++4e- ・・(3)
電解により生じる全反応は下記(4)式で表され、形式的には、酸化チタン(TiO2)がカーボン(C)で還元され、基材表面に金属チタン層が形成される。
Anode: 2CaO + C → CO 2 + 2Ca 2+ + 4e − (3)
The total reaction caused by electrolysis is represented by the following formula (4). Formally, titanium oxide (TiO 2 ) is reduced with carbon (C), and a metal titanium layer is formed on the surface of the substrate.
TiO2+C→Ti+CO2 ・・(4)
陽極の材質は導電体であれば特に限定されないが、黒鉛(カーボン)電極が、電気の良導体で、耐薬品性、耐熱衝撃性に優れており、これを用いるのが望ましい(「実施態様4」の方法)。
TiO 2 + C → Ti + CO 2 (4)
The material of the anode is not particularly limited as long as it is a conductor, but the graphite (carbon) electrode is a good electrical conductor and excellent in chemical resistance and thermal shock resistance, and it is desirable to use this (“Embodiment 4”). the method of).
図2〜図4に例示した装置を用いれば、基材の溶融塩中への導入と、酸化チタン含有金属酸化物の還元と、還元処理後の基材の溶融塩からの抜き出しを連続的に行うことができ、基材表面へのチタンまたはチタン合金層の形成(コーティング)を連続的に行うことが可能である。 If the apparatus illustrated in FIGS. 2 to 4 is used, the introduction of the base material into the molten salt, the reduction of the titanium oxide-containing metal oxide, and the extraction of the base material after the reduction treatment from the molten salt are continuously performed. It is possible to carry out, and it is possible to continuously form (coat) a titanium or titanium alloy layer on the surface of the substrate.
図2〜図4に例示した装置では、電解槽6の出側のピンチロール8から基材1bへ通電しているが、このように、基材への電流供給は、基材1bを溶融塩5から抜き出した基材側から行うのが望ましい(「実施態様6」の方法)。図示した例では、酸化チタンの付着は基材の片面のみであるが、両面に付着させる場合もあって、導電性の確保が難しいのに対し、溶融塩5から抜き出した基材側では酸化チタンが還元されて基材表面はチタンによりコーティングされており、基材へ確実に通電できるからである。
In the apparatus illustrated in FIG. 2 to FIG. 4, current is supplied from the
その後、『(還元処理後の基材を)溶融塩から抜き出す』。これにより、基材表面にチタンまたはチタン合金層を形成することができる。 Then, “(removed base material after reduction treatment) from the molten salt”. Thereby, a titanium or titanium alloy layer can be formed on the substrate surface.
基材が板状の場合、その厚さを0.1〜3.5mmとするのが望ましい(「実施態様7」の方法)。板厚が0.1mm未満では、強度が低く、稀ではあるが製造中に基材が破れることがある。また、板厚が3.5mmを超えると、基材を誘導するロールで基材が曲げられるため、表面に付着させた酸化チタン含有金属酸化物層や、還元後のチタンまたはチタン合金層も曲げられ、その際に、基材と酸化チタン含有金属酸化物層やチタンまたはチタン合金層との剥離が生じる場合がある。 When the substrate is plate-like, the thickness is preferably 0.1 to 3.5 mm (the method of “Embodiment 7”). If the plate thickness is less than 0.1 mm, the strength is low, and rarely, the substrate may be broken during production. In addition, if the plate thickness exceeds 3.5 mm, the substrate is bent by a roll for guiding the substrate, so that the titanium oxide-containing metal oxide layer attached to the surface and the reduced titanium or titanium alloy layer are also bent. In that case, peeling of the base material from the titanium oxide-containing metal oxide layer or titanium or titanium alloy layer may occur.
酸化チタン含有金属酸化物の厚さは、0.1〜1.5mmとするのが望ましい(「実施態様8」の方法)。厚さが0.1mm未満では、例えば、溶射によって酸化チタン層を形成する場合に、均一な酸化チタン層の形成が困難になり、それに起因して還元によって形成されるチタン層も不均一となる場合がある。
The thickness of the titanium oxide-containing metal oxide is desirably 0.1 to 1.5 mm (the method of “
以上述べた「実施態様3」の方法によれば、酸化チタン含有金属酸化物を連続的に金属チタンまたはチタン合金に還元することができ、様々な形状の基材表面に、チタンまたはチタン合金をコーティングして、耐食性に優れた材料とすることができる。
According to the method of “
また、この「実施態様3」の方法においては、例えば、板状の適切な基材を選定するなどして、得られるチタンまたはチタン合金の層を剥離させることにより、チタンまたはチタン合金の薄板を得ることも可能である。この場合、基材は何度でも再利用できる。
In the method of “
前記の「実施態様9」の方法は、『基材をチタンとし、基材表面に付着させる酸化チタン含有金属酸化物を酸化チタンとする』方法で、例えば、チタン板を基材として用い、この基材表面に酸化チタンを付着させて塩化カルシウムを含む溶融塩中で電解、還元すれば、基材表面に形成させる層(コーティング層)も金属チタンなので、「厚さを増したチタン基材」が得られる。これを基材として、同様の処理を複数回施せば、チタン基材の厚さを更に厚くすることができる。 The method of the above “Embodiment 9” is a method of “a substrate is titanium and a titanium oxide-containing metal oxide to be attached to the substrate surface is titanium oxide”. For example, a titanium plate is used as a substrate. If titanium oxide is attached to the surface of the substrate and electrolyzed and reduced in a molten salt containing calcium chloride, the layer (coating layer) formed on the surface of the substrate is also metallic titanium. Is obtained. By using this as a base material and performing the same treatment a plurality of times, the thickness of the titanium base material can be further increased.
図5は、この「実施態様9」の方法を実施することができる装置の概略工程例を示す図である。 FIG. 5 is a diagram showing a schematic process example of an apparatus capable of carrying out the method of “Embodiment 9”.
図5において、チタン板を基材とし、種コイル11から巻き戻されたチタン板12の表面に酸化チタンを付着させる。付着の方法としては、前記図2〜図4に例示した方法が適用できる。このチタン板12を塩化カルシウムを含む溶融塩13中に導入し、チタン板12を陰極とし、溶融塩に陽極14(黒鉛電極を使用)を浸漬して通電し、電解してチタン板12表面の酸化チタンを還元する。チタン板12への電流供給は、チタン板12を溶融塩13から抜き出した側から行うのが望ましく、図示した例では、ピンチロール15を介して通電している。電解終了後のチタン板12を溶融塩13から抜き出し、電解終了コイル16として巻き取る。この電解終了コイル16を種コイル11として用い、同様の処理を複数回実施することができる。
In FIG. 5, a titanium plate is used as a base material, and titanium oxide is attached to the surface of a
こうして得られた「さらに厚さを増したチタン基材」は、基材部もコーティング部も金属チタンであるため、そのまま溶解すればチタンインゴットが得られる。 The thus-obtained “titanium substrate with increased thickness” is made of metallic titanium in both the substrate part and the coating part.
酸化チタン粉と金属チタン粉末(粒径200μm程度以下)とを混合してプラズマ溶解し、酸素濃度が2〜32質量%(以下、単に「%」と記す)、厚さが1〜2.5mmの範囲の板状連続体を形成した。この板状連続体を、前記図1に示した装置を用いて電解還元し、電解後の連続体の酸素濃度を調査した。 Titanium oxide powder and metallic titanium powder (particle size of about 200 μm or less) are mixed and plasma-dissolved, and the oxygen concentration is 2 to 32% by mass (hereinafter simply referred to as “%”), and the thickness is 1 to 2.5 mm. A plate-like continuum in the range of was formed. This plate-like continuum was electrolytically reduced using the apparatus shown in FIG. 1, and the oxygen concentration of the continuum after electrolysis was investigated.
表1に、原料として用いた酸化チタン(TiO2)粉と金属チタン粉末の混合割合、得られた板状連続体の板厚と酸素濃度、ならびに電解後の連続体の酸素濃度と評価結果を示す。電解後の酸素濃度が1%以下であれば、「合格」と評価した。 Table 1 shows the mixing ratio of titanium oxide (TiO 2 ) powder and metal titanium powder used as raw materials, the plate thickness and oxygen concentration of the obtained plate-like continuum, and the oxygen concentration and evaluation results of the continuum after electrolysis. Show. If the oxygen concentration after electrolysis was 1% or less, it was evaluated as “pass”.
表1に示した結果から明らかなように、実施例1〜5のいずれにおいても、酸化チタンの還元を進行させ、電解後の連続体の酸素濃度を0.7%以下まで低下させることが可能であった。 As is clear from the results shown in Table 1, in any of Examples 1 to 5, the reduction of titanium oxide can be advanced to reduce the oxygen concentration of the continuum after electrolysis to 0.7% or less. Met.
次に、厚さが0.05〜5mmの鉄(炭素鋼)または金属チタンを基材として使用し、「実施態様3」の方法を適用して基材表面に金属チタン層を形成させ、その良否を調査した。基材表面に付着させる金属酸化物としては酸化チタン(TiO2)を用い、溶射により付着させた。一部、圧着とプラズマ溶解による付着も試みた。
Next, using iron (carbon steel) or metal titanium having a thickness of 0.05 to 5 mm as a base material, the method of “
表2に、用いた基材とその厚さ、酸化チタンの基材への付着方法、および酸化チタン層の厚さを示す。さらに、金属チタン層の評価結果も併せ示した。なお、金属チタン層の評価は、外観、および、金属チタン層を形成させた基材をその長さ方向に垂直に、基材側から金属チタン層側へ、シア切断したときの切断面を肉眼で観察し、金属チタン層の剥離が認められないか、観察長さに対して剥離割合が10%以下であれば合格とした。なお、観察長さは、合計長さで50mm以上とした。 Table 2 shows the base material used and its thickness, the method of attaching titanium oxide to the base material, and the thickness of the titanium oxide layer. Furthermore, the evaluation result of the titanium metal layer is also shown. The evaluation of the metal titanium layer is based on the appearance and the cut surface when the substrate on which the metal titanium layer is formed is shear-cut from the substrate side to the metal titanium layer side perpendicular to the length direction. When the peeling of the metal titanium layer was not observed, or the peeling ratio was 10% or less with respect to the observation length, it was determined as acceptable. The observation length was 50 mm or more in total length.
表2において、実施例6〜10は、基材厚さを0.8mmの一定とし、その表面に付着させる酸化チタン層の厚さを0.05〜2mmの範囲内で変化させた場合である。いずれも良好な金属チタン層を形成させることができた。しかし、酸化チタン層の厚さが2mmの場合(実施例8)、電解(すなわち、TiO2のTiへの還元)に長時間を要し、また、酸化チタン層の厚さが0.05mmの場合(実施例10)は、コーティング後の表面に若干のムラが発生した。この結果から判断して、基材表面に付着させる酸化チタン含有金属酸化物の厚さは、0.1〜1.5mmとするのが望ましい。 In Table 2, Examples 6 to 10 are cases in which the base material thickness is made constant at 0.8 mm, and the thickness of the titanium oxide layer attached to the surface is changed within the range of 0.05 to 2 mm. . In any case, a good metal titanium layer could be formed. However, when the thickness of the titanium oxide layer is 2 mm (Example 8), it takes a long time for electrolysis (that is, reduction of TiO 2 to Ti), and the thickness of the titanium oxide layer is 0.05 mm. In the case (Example 10), some unevenness occurred on the surface after coating. Judging from this result, the thickness of the titanium oxide-containing metal oxide deposited on the substrate surface is preferably 0.1 to 1.5 mm.
実施例11〜14は、基材表面に付着させる酸化チタン層の厚さを0.5mmの一定とし、基材厚さを0.05〜3.5mmの範囲内で変化させた場合である。この場合も、いずれも良好な金属チタン層が得られた。しかし、基材厚さが5mmの場合(実施例12)、稀にチタン層の剥離が生じることがあった。また、基材厚さが0.05mmと薄い場合(実施例14)、稀ではあるが基材に破れが発生することがあった。この結果から、基材が板状のときは、その厚さは0.1〜3.5mmとするのが望ましい。 Examples 11 to 14 are cases in which the thickness of the titanium oxide layer to be attached to the surface of the base material is constant at 0.5 mm and the base material thickness is changed within a range of 0.05 to 3.5 mm. Also in this case, a good metal titanium layer was obtained. However, when the substrate thickness is 5 mm (Example 12), the titanium layer may be peeled off rarely. Further, when the substrate thickness was as thin as 0.05 mm (Example 14), the substrate was sometimes torn, although rare. From this result, when the substrate is plate-shaped, the thickness is preferably 0.1 to 3.5 mm.
実施例15は、実施例6における基材の材質を鉄から金属チタンに変更した場合であるが、良好な金属チタン層が得られた。 Example 15 is a case where the material of the base material in Example 6 was changed from iron to metal titanium, but a good metal titanium layer was obtained.
実施例16は、基材表面への酸化チタンの付着をロールで圧着することにより行った場合であるが、溶射により付着させた場合と同様、良好な結果が得られた。 In Example 16, the titanium oxide was adhered to the surface of the substrate by pressure bonding with a roll, but good results were obtained as in the case of adhesion by thermal spraying.
実施例17は、基材表面への酸化チタンの付着をプラズマ溶解により行った場合である。なお、プラズマ溶解は、前述の水冷式ローラ電極を用いる方法で行った。この場合も、溶射により付着させた場合と同様、良好な金属チタン層が得られた。 Example 17 is a case where titanium oxide was adhered to the substrate surface by plasma melting. The plasma melting was performed by the method using the water-cooled roller electrode described above. In this case as well, a good metal titanium layer was obtained, as in the case of being deposited by thermal spraying.
本発明のチタンおよびチタン合金の製造方法によれば、酸化チタン含有金属酸化物を連続的に電解、還元して、チタンまたはチタン合金を製造することができ、また、鉄その他の金属を基材として使用し、その表面にチタンまたはチタン合金層を形成させる(すなわち、コーティングする)ことも可能である。したがって、本発明の製造方法は、産業の各分野で、特に、チタンまたはチタン合金が有する耐食性が必要とされる装置や部品に使用する材料を提供するための手段として、有効に利用することができる。 According to the method for producing titanium and titanium alloy of the present invention, titanium or titanium alloy can be produced by continuously electrolyzing and reducing titanium oxide-containing metal oxide, and iron or other metal as a base material. And a titanium or titanium alloy layer can be formed (ie, coated) on the surface. Therefore, the manufacturing method of the present invention can be effectively used as a means for providing materials used in devices and parts that require the corrosion resistance of titanium or titanium alloys, particularly in various industrial fields. it can.
1a:連続体
1b:導体基材
2:コイル
3:酸化チタン
4:ロール
5:溶融塩
6:電解槽
7:陽極
8:ピンチロール
9:コイル
10:受け皿
11:種コイル
12:チタン板
13:溶融塩
14:陽極
15:ピンチロール
16:電解終了コイル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a: Continuous body 1b: Conductive base material 2: Coil 3: Titanium oxide 4: Roll 5: Molten salt 6: Electrolysis tank 7: Anode 8: Pinch roll 9: Coil 10: Sauce 11: Seed coil 12: Titanium plate 13: Molten salt 14: Anode 15: Pinch roll 16: Electrolysis finished coil
Claims (10)
5. The method for producing titanium according to claim 4, wherein the base material is titanium, and the titanium oxide-containing metal oxide to be adhered to the surface of the base material is titanium oxide.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105220182A (en) * | 2015-10-29 | 2016-01-06 | 攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司 | A kind of method preparing porous titanium valve |
| JP2017082332A (en) * | 2011-11-25 | 2017-05-18 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | Reduction treatment method |
| CN115449855A (en) * | 2022-10-24 | 2022-12-09 | 青岛国韬钛金属产业研究院有限公司 | Preparation method of titanium alloy |
-
2004
- 2004-06-11 JP JP2004174752A patent/JP2005350749A/en not_active Withdrawn
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017082332A (en) * | 2011-11-25 | 2017-05-18 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | Reduction treatment method |
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