溶解装置およびこれを用いた溶解方法
【課題】金属塩と金属粉との混合物から金属粉を溶解して分離する溶解方法およびそれに用いる溶解装置において、エネルギー効率に優れた移行式プラズマを適用化可能とする。
【解決手段】第１の金属からなるハース１０の側面および側面の上縁を覆うように、第２の金属からなる内面部材１５を嵌め込む。そして、金属塩と金属粉からなる混合物１を、スキマー１３によって区分されたハース１０の混合物投入領域１６に投入し、プラズマ１９ａを用いて混合物１の全体を溶解した状態で保持し、上層（金属塩が溶融した溶融塩６）と下層（溶融金属７）の上下２層を比重差によって形成する。内面部材１５の溶融塩６に接する部分の温度を溶融塩６の融点以上に保つことによって、ハース１０の内面に溶融塩６が凝固して形成される、絶縁体である溶融塩層の生成を防止する。
【解決手段】第１の金属からなるハース１０の側面および側面の上縁を覆うように、第２の金属からなる内面部材１５を嵌め込む。そして、金属塩と金属粉からなる混合物１を、スキマー１３によって区分されたハース１０の混合物投入領域１６に投入し、プラズマ１９ａを用いて混合物１の全体を溶解した状態で保持し、上層（金属塩が溶融した溶融塩６）と下層（溶融金属７）の上下２層を比重差によって形成する。内面部材１５の溶融塩６に接する部分の温度を溶融塩６の融点以上に保つことによって、ハース１０の内面に溶融塩６が凝固して形成される、絶縁体である溶融塩層の生成を防止する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属粒と金属塩との混合物から金属粒を構成する金属を分離するのに用いる溶解装置であって、熱効率に優れた移行型プラズマを用いて安定した動作が可能な溶解装置、およびこれを用いた溶解方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属Ｔｉの工業的な製法としては、ＴｉＣｌ4をＭｇにより還元するクロール法が一般的であり、この方法によれば高純度の製品を製造することが可能である。しかし、生成したＴｉ粉が凝集した状態で沈降し、反応容器外へ回収することが困難であるため、操業をバッチ方式で行わざるを得ない。また、ＴｉＣｌ4が反応容器内の溶融Ｍｇ液の液面に上方から液体状で供給され、溶融Ｍｇ液の液面近傍だけで反応が行われるので、ＴｉＣｌ4の利用効率の低下を回避し、反応に伴う局所的な発熱を避けるため、ＴｉＣｌ4の供給速度が制限される。その結果、製造コストが嵩み、製品価格が非常に高くなる。
【０００３】
そのため、クロール法以外の金属Ｔｉの製造方法に関して多くの研究開発がなされてきた。例えば、特許文献１には、反応容器内にＣａＣｌ2の溶融金属塩（以下、単に「溶融塩」ともいう）を保持し、その溶融塩中に上方から金属Ｃａ粉末を供給して、溶融塩中にＣａを溶け込ませるとともに、下方からＴｉＣｌ4ガスを供給して、ＣａＣｌ2の溶融塩中で溶解ＣａとＴｉＣｌ4を反応させる方法が記載されている。しかし、金属Ｃａの粉末が極めて高価であり、加えて、反応性が強いＣａは取り扱いが非常に難しく、この方法は工業的な金属Ｔｉ製造法としては成立し得ない。
【０００４】
そこで、本発明者らは、Ｃａ還元による金属Ｔｉの製造方法を工業的に確立するには、ＴｉＣｌ4のＣａによる還元が不可欠であり、還元反応で消費される溶融塩中のＣａを経済的に補充する必要があると考え、溶融ＣａＣｌ2の電気分解により生成するＣａを利用するとともに、このＣａを循環使用する方法、即ち「ＯＹＩＫ法（オーイック法）」を提案した（特許文献２および３参照）。
【０００５】
特許文献２では、電気分解によりＣａが生成、補充され、Ｃａ濃度が高められた溶融ＣａＣｌ2を反応容器に導入し、Ｃａ還元によるＴｉ粒子の生成に使用する方法が記載され、特許文献３では、更に、陰極として合金電極（例えば、Ｍｇ−Ｃａ電極）を用いることにより、電解に伴うバックリアクションを効果的に抑制する方法が示されている。バックリアクションとは、分離工程でＴｉが分離された後の溶融塩を電解槽に戻したときに、溶融塩中のＣａと電気分解により生成したＣｌ2との反応をいい、バックリアクションが生じると、電流効率が低下する。
【０００６】
特許文献４には、前記ＯＹＩＫ法に立脚したＴｉの製造方法が記載されており、還元反応で生成したＴｉ粒を含有する溶融塩からＴｉを分離する方法として、まず高温デカンターで遠心沈降によりＴｉ粒を溶融塩から分離し、次いで分離槽でプラズマトーチから照射されるプラズマによりＴｉ粒を加熱、溶融して、Ｔｉ粒に付着している溶融塩を除去する方法が記載されている。そして、溶融したＴｉは鋳型に流し込まれインゴットとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第４８２０３３９号明細書
【特許文献２】特開２００５−１３３１９５号公報
【特許文献３】特開２００５−１３３１９６号公報
【特許文献４】国際公開第２００７／１０５６１６号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図１は、分離槽およびプラズマトーチを備える従来の溶解装置の構成例を示す図である。分離槽であるハース１０は底面１１と側面１２からなり、内部がスキマー１３によって混合物投入領域１６と溶融Ｔｉ領域１７とに区分されている。両領域１６、１７はスキマー１３の下部に設けられた連通口１４によって連通している。側面１２の上縁は、混合物投入領域１６側の方が溶融Ｔｉ領域１７側よりも高く設定されており、双方の側面１２の上縁には液体等の流動物の排出のための溝（図示せず）が形成されている。
【０００９】
ハース１０の上方には、首振り運動が可能であり、混合物投入領域１６と溶融Ｔｉ領域１７にプラズマ１９ａの照射が可能なプラズマトーチ１９が配置されている。ハース１０としては、水冷銅ハースが一般的に用いられる。また、スキマー１３としては、Ｙ2Ｏ3等のセラミックスを使用することができる。
【００１０】
次に、ハース１０における操作について説明する。還元反応で生成したＴｉ粒と、ＣａＣｌ2を含む溶融塩との混合物（以下、固液混合物１という）を、ハース１０の混合物投入領域１６に投入する。固液混合物１に、プラズマトーチ１９からプラズマ１９ａを照射して、Ｔｉの融点以上に加熱し、固液混合物１の全体を溶融状態とする。そして、この溶融物をＴｉの融点以上に保持し、Ｔｉと溶融塩との比重差によって、溶融Ｔｉを沈降させ、上層（溶融塩６）と、下層（溶融Ｔｉ７）の上下２層に分離させる。
【００１１】
そして、固液混合物１をさらに投入すると、溶融物は２層に分離した状態で混合物投入領域１６と溶融Ｔｉ領域１７において液面が上昇し、溶融Ｔｉ領域１７側の側壁１２の上縁から溶融塩が排出され始める。溶融塩が全て排出されると、溶融Ｔｉ領域１７は溶融Ｔｉ７のみが占める状態となり、溶融Ｔｉ７が排出される。一方、混合物投入領域１６においても液面が上昇し、液面が混合物投入領域１６側の側壁１２の上縁よりも高くなると、溶融塩６が排出され始める。
【００１２】
従来、ハース１０で固液混合物１を溶解するのに用いられるプラズマトーチ１９としては、トーチ単独でプラズマを発生させることができ、使用が簡便な非移行型プラズマトーチが用いられていた。しかし、非移行型プラズマトーチは熱効率が１０％以下と低いため、本発明者らは、３０％以上の優れた熱効率を有する移行型プラズマトーチを用いたハース１０における固液混合物１の溶解を試行した。移行型プラズマトーチでは、プラズマを発生させるためにトーチと被加熱体との間に通電しなければならないため、プラズマトーチ１９とハース１０との間に電源を配置した。固液混合物１はＴｉ粒を含む電気伝導体であるため、移行型プラズマトーチを用いた場合でもプラズマによる溶解が可能である。
【００１３】
ところが、溶解を連続して行っているうちに、プラズマトーチ１９からプラズマが発生しなくなった。また、プラズマが発生しなくなった際にトーチに流す電流を増加するのにともないしばらくはプラズマが発生するものの、ハースの内面が局部的に損傷するという問題が生じた。この原因について検討したところ、ハース１０の内面全体に、溶融塩６が凝固した金属塩層が生成していることが分かった。
【００１４】
図２は、ハース１０の内面に金属塩層８が形成された状態を示す図である。金属塩は絶縁体であるため、金属塩層８によってハース１０と溶融Ｔｉ７とが絶縁され、溶融Ｔｉ７に通電しなくなり、プラズマが発生しなくなったと考えられる。また、ハース１０の内面の局部的損傷は、金属塩層８が広がる途中の段階で、ハース１０の内面のわずかにチタンが露出している部分を通じて溶融Ｔｉ７との間で放電し、溶解したものと考えられる。
【００１５】
このように金属塩層８が生成する理由は、以下のように考えられる。ハース１０は水冷されているため、固液混合物１を収容した状態ではプラズマ１９ａが照射されてもハース１０の内面の温度はＴｉおよびＣａＣｌ2の融点以下に保たれる。そのため、固液混合物１がプラズマによって溶解された後、プラズマが照射されている状態であっても、ハース１０の内面ではＴｉおよびＣａＣｌ2が凝固し、ＴｉおよびＣａＣｌ2の混合物からなるシェル４が形成される。
【００１６】
シェル４は、プラズマトーチ１９の首振り運動等の要因から温度が変動するため、収縮、膨張する。そして、シェル４が収縮した際にできるハース１０の内面とシェル４との間の隙間に、混合物投入領域１６に上層として存在する溶融塩６が流れ込み、凝固する。このようなシェル４の収縮、膨張が繰り返されるうちに、溶融塩６の流れ込む部分がハース１０の内面に次第に広がり、金属塩層８が形成される。このような現象は、固液混合物１中の金属塩とＴｉ粒との比率にかかわらず生じる可能性がある。
【００１７】
そこで、本発明は、金属粒と金属塩の混合物を溶解して金属粒を構成する金属を分離するのに用いる溶解装置であって、熱効率に優れた移行型プラズマを用いて安定した動作が可能な溶解装置、およびこれを用いた溶解方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の課題を解決するために、本発明者らが、ハース１０の内面とシェル４との間に金属塩層８を生成させない方法について検討したところ、金属塩層８の生成の起点となるのは混合物投入領域１６におけるシェル４と上層の溶融塩６とが接する部分であることから、この部分での溶融塩６の凝固を防止することに着想した。
【００１９】
本発明は、上述の知見に基づいてなされたもので、その要旨は、下記（１）の溶解装置および下記（２）の溶解方法にある。
【００２０】
（１）側面と底面を有し、第１の金属からなる水冷ハースと、前記水冷ハースの内面にプラズマを照射可能に配置された移行型のプラズマトーチとを備える溶解装置であって、前記水冷ハースの内面のうち少なくとも側面および側面の上縁を覆うように、第２の金属からなる内面部材が嵌め込まれたことを特徴とする溶解装置。
【００２１】
前記（１）に記載の溶解装置において、前記内面部材が前記水冷銅ハースの内面の底面も覆うことが望ましく、前記内面部材が一体に形成されていることがより望ましい。また、前記第１の金属をＣｕ、前記第２の金属をＴｉとすることができる。Ｔｉは金属Ｔｉであっても、合金Ｔｉであってもよい。
【００２２】
（２）前記（１）に記載の溶解装置において、金属塩と前記第２の金属からなる金属粉との混合物を前記水冷ハースに収容し、前記プラズマトーチの照射するプラズマによって溶解する溶解方法であって、前記内面部材の前記金属塩に接する部分の温度を前記金属塩の融点以上に保つことを特徴とする溶解方法。水冷ハースに投入する時点での金属塩は、固体状態であっても液体状態であってもよい。
【００２３】
前記（２）に記載の溶解方法において、前記水冷ハースの内面を、スキマーにより複数の領域に区分され、前記複数の領域がそれぞれ前記スキマーの下部に設けられた連通口により連通されたものとし、前記混合物を前記水冷ハースの１の領域でプラズマによって溶解し、比重差によって、前記金属粉が溶解した溶融金属からなる層と、前記金属塩が溶解した溶融塩からなる層の上下二層に分離し、上層を前記領域の上部から、下層を前記連通口から排出することとしてもよい。これにより、金属粉を構成する第２の金属と、金属塩とを容易に分離することが可能となる。
【００２４】
前記（２）に記載の溶解方法において、前記金属塩をＣａＣｌ2、前記第２の金属をＴｉとすることができる。Ｔｉは金属Ｔｉであっても、合金Ｔｉであってもよい。合金Ｔｉの場合は、内面部材を、金属粉を構成する合金元素とすることにより、分離されたＴｉ合金の汚染を防止することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の溶解装置および溶解方法によれば、内面部材を設けることにより、水冷ハースの内面に絶縁体である金属塩層が形成されるのを防ぐことができるため、トーチと被加熱体との間に通電が必要な移行型プラズマを用いても、安定して金属粒と金属塩（溶融塩）の混合物から金属粒を構成する金属を分離することができる。また、内面部材を構成する金属を分離する金属と同じものとするため、分離する金属を汚染することもない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】従来の溶解装置の構成例を示す図である。
【図２】従来の溶解装置においてプラズマが発生しなくなった場合の模式図である。
【図３】本発明の第１の実施形態にかかる溶解装置の構成例を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態にかかる溶解装置の別の構成例を示す図であり、（ａ）は底板を設けた場合、（ｂ）はハースの内面全体を一体化した内面部材で覆った場合である。
【図５】本発明の第２の実施形態にかかる溶解装置の構成例を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態にかかる溶解装置の動作を示す図であり、（ａ）は溶融塩を排出している状態、（ｂ）は溶融Ｔｉを排出している状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
〈第１の実施形態〉
図３は、本発明の第１の実施形態にかかる溶融装置の構成例を示す図である。図３に示す溶融装置は、プラズマトーチが移行式である点およびハースの内側の側面に内面部材が設けられている点以外は、図１に示すものと同等であり、同一の符号を付している。
【００２８】
図３に示すように、プラズマトーチ１９は、移行型であり、プラズマトーチ１９とハース１０との間には、電源２０が接続されている。ハース１０および固液混合物１は電気伝導体であるため、固液混合物１をハース１０に投入した状態で電源２０によって電圧を印加するとプラズマトーチ１９とハース１０および固液混合物１との間でプラズマ１９ａが発生する。本実施形態において、溶融塩と金属粒からなる固液混合物１に代えて、固体状態の金属塩と金属粒との混合物をハース１０に投入してもよい。
【００２９】
また、本実施形態のハース１０には、側面１２の上縁および内面を覆うように、Ｔｉからなる内面部材１５が嵌め込まれている。この内面部材１５の厚さやハース１０との密着度等を調整することにより、ハース１０と内面部材１５との間の熱伝導量を調整し、プラズマ１９ａを照射して固液混合物１を溶解している間の内面部材１５の溶融塩６に接する面の温度を金属塩の融点以上とすることができる。以下、収容物がない場合に露出しているハース１０の内面および内面部材１５の露出している面（ハース１０の内面が露出していない場合は内面部材１５の溶融塩６に接する面）を総称してハース１０の内面という。
【００３０】
これにより、ハース１０の内面でＴｉが凝固してシェル４が形成され、シェル４の収縮によってハース１０の内面との間にできた隙間に、混合物投入領域１６に上層として存在する溶融塩６が流れ込んだとしても、溶融塩６が凝固しない。そのため、流れ込んだ溶融塩６はシェル４が膨張した際に上層に押し戻される。また、シェル４と内面部材１５とが一体化した場合には、シェル４とハース１０の内面との間には隙間ができない。そのため、ハース１０の内面に絶縁物である金属塩層８が形成されることがない。
【００３１】
ハース１０の側面１２の上縁も内面部材１５によって覆われている。そのため、混合物投入領域１６に上層として存在する溶融塩６が混合物投入領域１６の上部から外部に排出される際に、ハース１０と内面部材１５との間に入り込まず、ハース１０と内面部材１５との間の通電状態は維持される。また、内面部材１５の下部は溶融Ｔｉ７と接しており、ハース１０と内面部材１５との間に溶融Ｔｉ７が入り込んで凝固したとしても、シェル４の一部となるため、ハース１０と内面部材１５との間の通電状態は維持される。したがって、電源２０から溶融Ｔｉ７への通電状態およびプラズマ１９ａの発生が安定して維持される。
【００３２】
また、ハース１０が浅い場合や、プラズマトーチ１９の出力が大きい場合等、ハース１０内全体にプラズマ１９ａの熱が行き渡り、シェル４が形成されない場合には、ハース１０の内面で溶融塩６が凝固しないことおよび溶融Ｔｉ７よりも溶融塩６の比重が小さいことから溶融塩６は混合物投入領域１６に上層として存在することとなる。この場合にも、溶融Ｔｉ７への通電状態およびそれによるプラズマ１９ａの発生が維持される。
【００３３】
したがって、上述のように、シェルの有無にかかわらず、熱効率に優れた移行型プラズマトーチを用いて安定したＴｉと溶融塩との分離を行うことができる。また、内面部材１５は、Ｔｉからなるため、分離されたＴｉを汚染することがない。Ｔｉ粒をＴｉ合金とする場合には、内面部材１５を、Ｔｉ粒を構成する合金元素からなるものとすることにより、分離されたＴｉ合金の汚染を防止することができる。
【００３４】
図４は、本実施形態にかかる溶解装置の別の構成例を示す図である。本実施形態において、図４（ａ）に示すように、ハース１０の側面１２の上縁および内面を覆う内面部材１５に加えて、ハース１０の底面１１の内面を覆う底板１５ａを設けてもよい。また、同図（ｂ）に示すように、内面部材１５を一体でハース１０の内面全体および側面１２の上縁を覆うものとしてもよい。図４では、シェルが形成されていない状態を示す。
【００３５】
これらの場合、底面１１も含めたハース１０の内面の温度を金属塩の融点以上とすることができるため、シェルが形成された後、溶融塩６が底面まで侵入することがあったとしても、金属塩層の形成を防止することができ、より安定した、移行型プラズマトーチを用いたＴｉと溶融塩との分離を行うことができる。
【００３６】
〈第２の実施形態〉
図５は、本発明の第２の実施形態にかかる溶融装置の構成例を示す図である。図５に示す溶融装置は、ハースが傾動可能である点およびハース内にスキマーが設けられていない点以外は、図３に示すものと同等であり、実質的に同一の部分には同一の符号を付している。
【００３７】
本実施形態では、ハース１０に投入された固液混合物１にプラズマトーチ１９からプラズマ１９ａを照射して、固液混合物１を溶融塩の融点以上Ｔｉの融点未満に加熱する。さらに、固液混合物１をこの温度に保持し、ハース１０の底面１１に溶融塩６が広がり、溶融塩６中に固体Ｔｉ３が分散した状態とする。固液混合物１を構成する固体Ｔｉが、Ｔｉ粒が焼結等により結合し、多孔質の塊状となっている場合には、このＴｉ塊の溶融塩６から露出している部分では、Ｔｉ塊内部の隙間に存在していた溶融塩または金属塩が外部に排出される。
【００３８】
図６は、本発明の第２の実施形態にかかる溶融装置の動作を示す図であり、（ａ）は溶融塩を排出している状態、（ｂ）は溶融Ｔｉを排出している状態を示す図である。図６では、プラズマトーチ等は省略している。溶融塩６をハース１０の底面１１に広がった状態とした後、ハース１０を、図６（ａ）に示すように左側が下がるように傾動させ、溶融塩６をハース１０の左下に配置された溶融塩容器２１に排出し、ハース１０内に固体Ｔｉ３と排出されなかったわずかな溶融塩とが存在する状態とする。固体Ｔｉ３が小さい粒状または粉状である場合には、溶融塩６中で沈降させ、溶融塩６を攪拌しないように排出することにより、溶融塩６とともに排出される固体Ｔｉ３を最小限とすることができる。
【００３９】
続いて、ハース１０を水平に戻して、ハース１０内に残存した固体Ｔｉ３に、プラズマトーチ１９からプラズマ１９ａを照射して固体Ｔｉ３を溶解し、ハース１０を右側が下がるように傾動させ、溶融Ｔｉ７をハース１０の左下に配置されたＴｉ容器２２に排出する。固体Ｔｉ３は、全体を溶解してから排出してもよいし、部分的に溶解しながら順次Ｔｉ容器２２に排出してもよい。
【００４０】
その後、再びハース１０に固液混合物１を投入し、固液混合物１の溶解、溶融塩の排出、Ｔｉの溶解およびＴｉの排出を繰り返す。固液混合物１の投入は、Ｔｉを全て排出してから行ってもよいし、ハース１０内に固体や液体のＴｉが一部残存した状態で行ってもよい。ハース１０内にＴｉが一部残存した状態で固液混合物１を投入すると、残存した高温のＴｉによって固液混合物１が加熱されるため、エネルギー効率の面で優れている。
【００４１】
本実施形態においても、プラズマ１９ａの照射により、固液混合物１や固体Ｔｉ３を溶解している間の内面部材１５の溶融塩やＴｉに接する面の温度を、金属塩の融点以上とすることができる。そのため、ハース１０の内面で溶解したＴｉが再び凝固してシェルが形成され、シェルの収縮によってシェルとハース１０の内面との間にできた隙間に溶融塩が流れ込んだとしても、内面部材１５の溶融塩やＴｉに接する面の温度を金属塩の融点以上となるようにプラズマ１９ａを照射することにより、その隙間内での溶融塩の凝固を抑制できる。したがって、ハース１０の内面に絶縁物である金属塩層８が形成されることがなく、電源２０と、被加熱体である固液混合物１や固体Ｔｉ３との間の通電状態は維持され、プラズマ１９ａの発生が安定して維持される。また、本実施形態によれば、スキマーを必要としないため、溶融装置を簡単な構成とすることができる。
【００４２】
本実施形態の溶融装置を用いて得られた溶融Ｔｉは、微量の溶融塩を含有する。この溶融Ｔｉを、溶融状態を維持したままで別のハースへ移動させ、溶融塩を除去することにより、Ｔｉを精製することができる。このＴｉの精製用のハースとしては、上述の第１の実施形態のハースを用いることができる。
【００４３】
図６では、溶融塩を排出する場合とＴｉを排出する場合とで、ハース１０を傾動させる方向が異なる。しかし、溶融塩容器２１とＴｉ容器２２が移動可能である場合など、ハース１０に対して同じ側に位置する場合には、ハース１０を傾動させる方向は同じであってもよい。
【００４４】
本実施形態において、溶融塩と金属粒からなる固液混合物１に代えて、固体状態の金属塩と金属粒との混合物をハース１０に投入してもよい。また、ハースの側面の高さは前記図３および図４に示すように左右で異なっていてもよいし、前記図５および図６に示すように均一であってもよい。
【００４５】
本実施形態において、内面部材１５が図４（ａ）に示すようにハース１０の側面１２の上縁および内面のみを覆うものと底板とからなるものであっても、図４（ｂ）に示すようにハースの側面の上面および内面のみを覆うものであってもよい。いずれの場合であっても、底面１１も含めたハース１０の内面の温度を金属塩の融点以上とすることができるため、シェルが形成された後、溶融塩６が底面まで侵入することがあったとしても、内面部材とシェルとの間における金属塩層の形成を防止することができ、より安定した、移行型プラズマトーチを用いたＴｉと溶融塩との分離を行うことができる。
【実施例】
【００４６】
本発明の金属の溶解装置および溶解方法の効果を確認するため、下記の溶解実験を行い、その結果を評価した。
【００４７】
〈試験１〉
１．溶解条件
図４（ｂ）に示す溶解装置を用いて、Ｔｉ粒と固体状態のＣａＣｌ2の混合物からなる原料を溶融塩と溶融Ｔｉに分離した後、Ｔｉのインゴットを鋳造した。表１は、用いた製造装置の条件である。表１に示すように、チャンバー内雰囲気はアルゴン雰囲気とした。また、本発明例は、水冷ハースにハース内面全体および側面の上縁を覆う一体形成の内面部材を嵌め込み、比較例は、内面部材を用いないこととした。
【００４８】
表２は、原料組成、重量および溶解電流量の条件である。原料は、本発明例、比較例ともに、Ｔｉ粒を１０重量％とＣａＣｌ2を９０重量％含有する混合物とし、５０００〜６０００ｇ用いた。
【００４９】
溶解電流とは、プラズマトーチに流す電流であり、本発明例、比較例ともに、ハースの上部では、原料全体が溶解するように設定した。
【００５０】
【表１】
【００５１】
【表２】
【００５２】
２．試験結果
上記条件で行ったＴｉインゴットの鋳造について、表３に示すように、ハースの損耗の有無および溶解中断後の溶解の再開の可否を指標として評価を行った。
【００５３】
【表３】
【００５４】
比較例、本発明例ともに、Ｔｉインゴットの鋳造は可能であった。しかし、表３に示すように、本発明例ではハースの損耗が発生しなかったものの、比較例では発生した。これは、比較例ではハースの内面とシェルとの間に金属塩層の形成が進行しており、ハースの内面の露出している部分において溶融Ｔｉとの間で局部的な放電が発生したためと考えられる。
【００５５】
また、本発明例では、溶解を中断し、溶融塩および溶融Ｔｉが凝固した後でも、プラズマトーチからプラズマが発生し、溶解の再開も可能であった。しかし、比較例では、溶解を中断した後では、ハースの内面とシェルとの間に金属塩層が形成されていたため、プラズマトーチからプラズマが発生せず、溶解を再開することができなかった。
【００５６】
原料としてＴｉ粒と液体状態のＣａＣｌ2との混合物を用いた場合にも、同様の結果となった。
【００５７】
〈試験２〉
１．溶解条件
実験１と同様の溶解実験を、前記図５に示す溶解装置を用いて行った。表４は、用いた製造装置の条件である。本発明例では水冷ハースにハース内面全体および側面の上縁を覆う一体形成の内面部材を嵌め込み、比較例は、内面部材を用いなかった。
【００５８】
表５は、原料組成、重量および溶解電流量の条件である。原料は、本発明例、比較例ともに、多孔質の塊状に焼結したＴｉ粒を４０重量％とＣａＣｌ2を６０重量％含有する混合物とした。
【００５９】
【表４】
【００６０】
【表５】
【００６１】
そして、前記図６に示すように、ハースを左に傾動させて溶融塩を排出し、右に傾動させて溶融Ｔｉを排出し、溶融Ｔｉが残った状態で原料を追加する操作を、原料の全量を溶解するまで繰り返した。プラズマの照射はこの操作の間停止しなかった。
【００６２】
また、上記の連続溶解試験を行ったハースを用いて、溶融塩がハースの底面に広がった状態とした後、プラズマの照射を中断し、Ｔｉ粒と金属塩が凝固した状態とした後、再度プラズマの照射を行った。
【００６３】
２．試験結果
上記溶解実験について、表６に示すように、上述の試験１と同様にハースの損耗の有無および溶解中断後の溶解の再開の可否を指標として評価を行った。
【００６４】
【表６】
【００６５】
比較例、本発明例ともに溶融Ｔｉを得ることができた。しかし、試験１と同様に、ハースの損耗は、本発明例では発生せず、比較例では発生した。これは、比較例ではハースの内面とシェルとの間に金属塩層の形成が進行しており、ハースの内面の露出している部分において溶融Ｔｉとの間で局部的な放電が発生したためと考えられる。
【００６６】
また、原料の溶解を中断した後の再開は、本発明例ではプラズマトーチからプラズマが発生したため可能であった。しかし、比較例では、ハースの内面（内面部材の表面）とシェルとの間に金属塩層が形成されていたため、プラズマトーチからプラズマが発生せず、溶解を再開することができなかった。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明の溶解装置および溶解方法によれば、金属粉と金属塩の混合物を溶融させて、金属粒を構成する金属を分離する際に、水冷ハースの内面に絶縁体である金属塩層が形成されるのを防ぐことができるため、熱効率に優れているが、トーチと被加熱体との間の通電が必要な移行型プラズマトーチを用いても、安定して分離動作を行うことができる。
【００６８】
したがって、本発明の溶解装置および溶解方法は、金属粉が溶融塩と混合した状態で得られる、溶融塩中で金属の塩化物等を還元することによる金属の製造において有効に利用することができる。
【符号の説明】
【００６９】
１：固液混合物、 ３：固体Ｔｉ、 ４：シェル、 ６：溶融塩、 ７：溶融Ｔｉ、
８：金属塩層、 １０：ハース、 １１：底面、 １２：側面、 １３：スキマー、
１４：連通口、 １５：内面部材、 １５ａ：底板、 １６：混合物投入領域、
１７：溶融Ｔｉ領域、 １９：プラズマトーチ、 １９ａ：プラズマ、 ２０：電源
２１：溶融塩容器、 ２２：Ｔｉ容器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属粒と金属塩との混合物から金属粒を構成する金属を分離するのに用いる溶解装置であって、熱効率に優れた移行型プラズマを用いて安定した動作が可能な溶解装置、およびこれを用いた溶解方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属Ｔｉの工業的な製法としては、ＴｉＣｌ4をＭｇにより還元するクロール法が一般的であり、この方法によれば高純度の製品を製造することが可能である。しかし、生成したＴｉ粉が凝集した状態で沈降し、反応容器外へ回収することが困難であるため、操業をバッチ方式で行わざるを得ない。また、ＴｉＣｌ4が反応容器内の溶融Ｍｇ液の液面に上方から液体状で供給され、溶融Ｍｇ液の液面近傍だけで反応が行われるので、ＴｉＣｌ4の利用効率の低下を回避し、反応に伴う局所的な発熱を避けるため、ＴｉＣｌ4の供給速度が制限される。その結果、製造コストが嵩み、製品価格が非常に高くなる。
【０００３】
そのため、クロール法以外の金属Ｔｉの製造方法に関して多くの研究開発がなされてきた。例えば、特許文献１には、反応容器内にＣａＣｌ2の溶融金属塩（以下、単に「溶融塩」ともいう）を保持し、その溶融塩中に上方から金属Ｃａ粉末を供給して、溶融塩中にＣａを溶け込ませるとともに、下方からＴｉＣｌ4ガスを供給して、ＣａＣｌ2の溶融塩中で溶解ＣａとＴｉＣｌ4を反応させる方法が記載されている。しかし、金属Ｃａの粉末が極めて高価であり、加えて、反応性が強いＣａは取り扱いが非常に難しく、この方法は工業的な金属Ｔｉ製造法としては成立し得ない。
【０００４】
そこで、本発明者らは、Ｃａ還元による金属Ｔｉの製造方法を工業的に確立するには、ＴｉＣｌ4のＣａによる還元が不可欠であり、還元反応で消費される溶融塩中のＣａを経済的に補充する必要があると考え、溶融ＣａＣｌ2の電気分解により生成するＣａを利用するとともに、このＣａを循環使用する方法、即ち「ＯＹＩＫ法（オーイック法）」を提案した（特許文献２および３参照）。
【０００５】
特許文献２では、電気分解によりＣａが生成、補充され、Ｃａ濃度が高められた溶融ＣａＣｌ2を反応容器に導入し、Ｃａ還元によるＴｉ粒子の生成に使用する方法が記載され、特許文献３では、更に、陰極として合金電極（例えば、Ｍｇ−Ｃａ電極）を用いることにより、電解に伴うバックリアクションを効果的に抑制する方法が示されている。バックリアクションとは、分離工程でＴｉが分離された後の溶融塩を電解槽に戻したときに、溶融塩中のＣａと電気分解により生成したＣｌ2との反応をいい、バックリアクションが生じると、電流効率が低下する。
【０００６】
特許文献４には、前記ＯＹＩＫ法に立脚したＴｉの製造方法が記載されており、還元反応で生成したＴｉ粒を含有する溶融塩からＴｉを分離する方法として、まず高温デカンターで遠心沈降によりＴｉ粒を溶融塩から分離し、次いで分離槽でプラズマトーチから照射されるプラズマによりＴｉ粒を加熱、溶融して、Ｔｉ粒に付着している溶融塩を除去する方法が記載されている。そして、溶融したＴｉは鋳型に流し込まれインゴットとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第４８２０３３９号明細書
【特許文献２】特開２００５−１３３１９５号公報
【特許文献３】特開２００５−１３３１９６号公報
【特許文献４】国際公開第２００７／１０５６１６号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図１は、分離槽およびプラズマトーチを備える従来の溶解装置の構成例を示す図である。分離槽であるハース１０は底面１１と側面１２からなり、内部がスキマー１３によって混合物投入領域１６と溶融Ｔｉ領域１７とに区分されている。両領域１６、１７はスキマー１３の下部に設けられた連通口１４によって連通している。側面１２の上縁は、混合物投入領域１６側の方が溶融Ｔｉ領域１７側よりも高く設定されており、双方の側面１２の上縁には液体等の流動物の排出のための溝（図示せず）が形成されている。
【０００９】
ハース１０の上方には、首振り運動が可能であり、混合物投入領域１６と溶融Ｔｉ領域１７にプラズマ１９ａの照射が可能なプラズマトーチ１９が配置されている。ハース１０としては、水冷銅ハースが一般的に用いられる。また、スキマー１３としては、Ｙ2Ｏ3等のセラミックスを使用することができる。
【００１０】
次に、ハース１０における操作について説明する。還元反応で生成したＴｉ粒と、ＣａＣｌ2を含む溶融塩との混合物（以下、固液混合物１という）を、ハース１０の混合物投入領域１６に投入する。固液混合物１に、プラズマトーチ１９からプラズマ１９ａを照射して、Ｔｉの融点以上に加熱し、固液混合物１の全体を溶融状態とする。そして、この溶融物をＴｉの融点以上に保持し、Ｔｉと溶融塩との比重差によって、溶融Ｔｉを沈降させ、上層（溶融塩６）と、下層（溶融Ｔｉ７）の上下２層に分離させる。
【００１１】
そして、固液混合物１をさらに投入すると、溶融物は２層に分離した状態で混合物投入領域１６と溶融Ｔｉ領域１７において液面が上昇し、溶融Ｔｉ領域１７側の側壁１２の上縁から溶融塩が排出され始める。溶融塩が全て排出されると、溶融Ｔｉ領域１７は溶融Ｔｉ７のみが占める状態となり、溶融Ｔｉ７が排出される。一方、混合物投入領域１６においても液面が上昇し、液面が混合物投入領域１６側の側壁１２の上縁よりも高くなると、溶融塩６が排出され始める。
【００１２】
従来、ハース１０で固液混合物１を溶解するのに用いられるプラズマトーチ１９としては、トーチ単独でプラズマを発生させることができ、使用が簡便な非移行型プラズマトーチが用いられていた。しかし、非移行型プラズマトーチは熱効率が１０％以下と低いため、本発明者らは、３０％以上の優れた熱効率を有する移行型プラズマトーチを用いたハース１０における固液混合物１の溶解を試行した。移行型プラズマトーチでは、プラズマを発生させるためにトーチと被加熱体との間に通電しなければならないため、プラズマトーチ１９とハース１０との間に電源を配置した。固液混合物１はＴｉ粒を含む電気伝導体であるため、移行型プラズマトーチを用いた場合でもプラズマによる溶解が可能である。
【００１３】
ところが、溶解を連続して行っているうちに、プラズマトーチ１９からプラズマが発生しなくなった。また、プラズマが発生しなくなった際にトーチに流す電流を増加するのにともないしばらくはプラズマが発生するものの、ハースの内面が局部的に損傷するという問題が生じた。この原因について検討したところ、ハース１０の内面全体に、溶融塩６が凝固した金属塩層が生成していることが分かった。
【００１４】
図２は、ハース１０の内面に金属塩層８が形成された状態を示す図である。金属塩は絶縁体であるため、金属塩層８によってハース１０と溶融Ｔｉ７とが絶縁され、溶融Ｔｉ７に通電しなくなり、プラズマが発生しなくなったと考えられる。また、ハース１０の内面の局部的損傷は、金属塩層８が広がる途中の段階で、ハース１０の内面のわずかにチタンが露出している部分を通じて溶融Ｔｉ７との間で放電し、溶解したものと考えられる。
【００１５】
このように金属塩層８が生成する理由は、以下のように考えられる。ハース１０は水冷されているため、固液混合物１を収容した状態ではプラズマ１９ａが照射されてもハース１０の内面の温度はＴｉおよびＣａＣｌ2の融点以下に保たれる。そのため、固液混合物１がプラズマによって溶解された後、プラズマが照射されている状態であっても、ハース１０の内面ではＴｉおよびＣａＣｌ2が凝固し、ＴｉおよびＣａＣｌ2の混合物からなるシェル４が形成される。
【００１６】
シェル４は、プラズマトーチ１９の首振り運動等の要因から温度が変動するため、収縮、膨張する。そして、シェル４が収縮した際にできるハース１０の内面とシェル４との間の隙間に、混合物投入領域１６に上層として存在する溶融塩６が流れ込み、凝固する。このようなシェル４の収縮、膨張が繰り返されるうちに、溶融塩６の流れ込む部分がハース１０の内面に次第に広がり、金属塩層８が形成される。このような現象は、固液混合物１中の金属塩とＴｉ粒との比率にかかわらず生じる可能性がある。
【００１７】
そこで、本発明は、金属粒と金属塩の混合物を溶解して金属粒を構成する金属を分離するのに用いる溶解装置であって、熱効率に優れた移行型プラズマを用いて安定した動作が可能な溶解装置、およびこれを用いた溶解方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の課題を解決するために、本発明者らが、ハース１０の内面とシェル４との間に金属塩層８を生成させない方法について検討したところ、金属塩層８の生成の起点となるのは混合物投入領域１６におけるシェル４と上層の溶融塩６とが接する部分であることから、この部分での溶融塩６の凝固を防止することに着想した。
【００１９】
本発明は、上述の知見に基づいてなされたもので、その要旨は、下記（１）の溶解装置および下記（２）の溶解方法にある。
【００２０】
（１）側面と底面を有し、第１の金属からなる水冷ハースと、前記水冷ハースの内面にプラズマを照射可能に配置された移行型のプラズマトーチとを備える溶解装置であって、前記水冷ハースの内面のうち少なくとも側面および側面の上縁を覆うように、第２の金属からなる内面部材が嵌め込まれたことを特徴とする溶解装置。
【００２１】
前記（１）に記載の溶解装置において、前記内面部材が前記水冷銅ハースの内面の底面も覆うことが望ましく、前記内面部材が一体に形成されていることがより望ましい。また、前記第１の金属をＣｕ、前記第２の金属をＴｉとすることができる。Ｔｉは金属Ｔｉであっても、合金Ｔｉであってもよい。
【００２２】
（２）前記（１）に記載の溶解装置において、金属塩と前記第２の金属からなる金属粉との混合物を前記水冷ハースに収容し、前記プラズマトーチの照射するプラズマによって溶解する溶解方法であって、前記内面部材の前記金属塩に接する部分の温度を前記金属塩の融点以上に保つことを特徴とする溶解方法。水冷ハースに投入する時点での金属塩は、固体状態であっても液体状態であってもよい。
【００２３】
前記（２）に記載の溶解方法において、前記水冷ハースの内面を、スキマーにより複数の領域に区分され、前記複数の領域がそれぞれ前記スキマーの下部に設けられた連通口により連通されたものとし、前記混合物を前記水冷ハースの１の領域でプラズマによって溶解し、比重差によって、前記金属粉が溶解した溶融金属からなる層と、前記金属塩が溶解した溶融塩からなる層の上下二層に分離し、上層を前記領域の上部から、下層を前記連通口から排出することとしてもよい。これにより、金属粉を構成する第２の金属と、金属塩とを容易に分離することが可能となる。
【００２４】
前記（２）に記載の溶解方法において、前記金属塩をＣａＣｌ2、前記第２の金属をＴｉとすることができる。Ｔｉは金属Ｔｉであっても、合金Ｔｉであってもよい。合金Ｔｉの場合は、内面部材を、金属粉を構成する合金元素とすることにより、分離されたＴｉ合金の汚染を防止することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の溶解装置および溶解方法によれば、内面部材を設けることにより、水冷ハースの内面に絶縁体である金属塩層が形成されるのを防ぐことができるため、トーチと被加熱体との間に通電が必要な移行型プラズマを用いても、安定して金属粒と金属塩（溶融塩）の混合物から金属粒を構成する金属を分離することができる。また、内面部材を構成する金属を分離する金属と同じものとするため、分離する金属を汚染することもない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】従来の溶解装置の構成例を示す図である。
【図２】従来の溶解装置においてプラズマが発生しなくなった場合の模式図である。
【図３】本発明の第１の実施形態にかかる溶解装置の構成例を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態にかかる溶解装置の別の構成例を示す図であり、（ａ）は底板を設けた場合、（ｂ）はハースの内面全体を一体化した内面部材で覆った場合である。
【図５】本発明の第２の実施形態にかかる溶解装置の構成例を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態にかかる溶解装置の動作を示す図であり、（ａ）は溶融塩を排出している状態、（ｂ）は溶融Ｔｉを排出している状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
〈第１の実施形態〉
図３は、本発明の第１の実施形態にかかる溶融装置の構成例を示す図である。図３に示す溶融装置は、プラズマトーチが移行式である点およびハースの内側の側面に内面部材が設けられている点以外は、図１に示すものと同等であり、同一の符号を付している。
【００２８】
図３に示すように、プラズマトーチ１９は、移行型であり、プラズマトーチ１９とハース１０との間には、電源２０が接続されている。ハース１０および固液混合物１は電気伝導体であるため、固液混合物１をハース１０に投入した状態で電源２０によって電圧を印加するとプラズマトーチ１９とハース１０および固液混合物１との間でプラズマ１９ａが発生する。本実施形態において、溶融塩と金属粒からなる固液混合物１に代えて、固体状態の金属塩と金属粒との混合物をハース１０に投入してもよい。
【００２９】
また、本実施形態のハース１０には、側面１２の上縁および内面を覆うように、Ｔｉからなる内面部材１５が嵌め込まれている。この内面部材１５の厚さやハース１０との密着度等を調整することにより、ハース１０と内面部材１５との間の熱伝導量を調整し、プラズマ１９ａを照射して固液混合物１を溶解している間の内面部材１５の溶融塩６に接する面の温度を金属塩の融点以上とすることができる。以下、収容物がない場合に露出しているハース１０の内面および内面部材１５の露出している面（ハース１０の内面が露出していない場合は内面部材１５の溶融塩６に接する面）を総称してハース１０の内面という。
【００３０】
これにより、ハース１０の内面でＴｉが凝固してシェル４が形成され、シェル４の収縮によってハース１０の内面との間にできた隙間に、混合物投入領域１６に上層として存在する溶融塩６が流れ込んだとしても、溶融塩６が凝固しない。そのため、流れ込んだ溶融塩６はシェル４が膨張した際に上層に押し戻される。また、シェル４と内面部材１５とが一体化した場合には、シェル４とハース１０の内面との間には隙間ができない。そのため、ハース１０の内面に絶縁物である金属塩層８が形成されることがない。
【００３１】
ハース１０の側面１２の上縁も内面部材１５によって覆われている。そのため、混合物投入領域１６に上層として存在する溶融塩６が混合物投入領域１６の上部から外部に排出される際に、ハース１０と内面部材１５との間に入り込まず、ハース１０と内面部材１５との間の通電状態は維持される。また、内面部材１５の下部は溶融Ｔｉ７と接しており、ハース１０と内面部材１５との間に溶融Ｔｉ７が入り込んで凝固したとしても、シェル４の一部となるため、ハース１０と内面部材１５との間の通電状態は維持される。したがって、電源２０から溶融Ｔｉ７への通電状態およびプラズマ１９ａの発生が安定して維持される。
【００３２】
また、ハース１０が浅い場合や、プラズマトーチ１９の出力が大きい場合等、ハース１０内全体にプラズマ１９ａの熱が行き渡り、シェル４が形成されない場合には、ハース１０の内面で溶融塩６が凝固しないことおよび溶融Ｔｉ７よりも溶融塩６の比重が小さいことから溶融塩６は混合物投入領域１６に上層として存在することとなる。この場合にも、溶融Ｔｉ７への通電状態およびそれによるプラズマ１９ａの発生が維持される。
【００３３】
したがって、上述のように、シェルの有無にかかわらず、熱効率に優れた移行型プラズマトーチを用いて安定したＴｉと溶融塩との分離を行うことができる。また、内面部材１５は、Ｔｉからなるため、分離されたＴｉを汚染することがない。Ｔｉ粒をＴｉ合金とする場合には、内面部材１５を、Ｔｉ粒を構成する合金元素からなるものとすることにより、分離されたＴｉ合金の汚染を防止することができる。
【００３４】
図４は、本実施形態にかかる溶解装置の別の構成例を示す図である。本実施形態において、図４（ａ）に示すように、ハース１０の側面１２の上縁および内面を覆う内面部材１５に加えて、ハース１０の底面１１の内面を覆う底板１５ａを設けてもよい。また、同図（ｂ）に示すように、内面部材１５を一体でハース１０の内面全体および側面１２の上縁を覆うものとしてもよい。図４では、シェルが形成されていない状態を示す。
【００３５】
これらの場合、底面１１も含めたハース１０の内面の温度を金属塩の融点以上とすることができるため、シェルが形成された後、溶融塩６が底面まで侵入することがあったとしても、金属塩層の形成を防止することができ、より安定した、移行型プラズマトーチを用いたＴｉと溶融塩との分離を行うことができる。
【００３６】
〈第２の実施形態〉
図５は、本発明の第２の実施形態にかかる溶融装置の構成例を示す図である。図５に示す溶融装置は、ハースが傾動可能である点およびハース内にスキマーが設けられていない点以外は、図３に示すものと同等であり、実質的に同一の部分には同一の符号を付している。
【００３７】
本実施形態では、ハース１０に投入された固液混合物１にプラズマトーチ１９からプラズマ１９ａを照射して、固液混合物１を溶融塩の融点以上Ｔｉの融点未満に加熱する。さらに、固液混合物１をこの温度に保持し、ハース１０の底面１１に溶融塩６が広がり、溶融塩６中に固体Ｔｉ３が分散した状態とする。固液混合物１を構成する固体Ｔｉが、Ｔｉ粒が焼結等により結合し、多孔質の塊状となっている場合には、このＴｉ塊の溶融塩６から露出している部分では、Ｔｉ塊内部の隙間に存在していた溶融塩または金属塩が外部に排出される。
【００３８】
図６は、本発明の第２の実施形態にかかる溶融装置の動作を示す図であり、（ａ）は溶融塩を排出している状態、（ｂ）は溶融Ｔｉを排出している状態を示す図である。図６では、プラズマトーチ等は省略している。溶融塩６をハース１０の底面１１に広がった状態とした後、ハース１０を、図６（ａ）に示すように左側が下がるように傾動させ、溶融塩６をハース１０の左下に配置された溶融塩容器２１に排出し、ハース１０内に固体Ｔｉ３と排出されなかったわずかな溶融塩とが存在する状態とする。固体Ｔｉ３が小さい粒状または粉状である場合には、溶融塩６中で沈降させ、溶融塩６を攪拌しないように排出することにより、溶融塩６とともに排出される固体Ｔｉ３を最小限とすることができる。
【００３９】
続いて、ハース１０を水平に戻して、ハース１０内に残存した固体Ｔｉ３に、プラズマトーチ１９からプラズマ１９ａを照射して固体Ｔｉ３を溶解し、ハース１０を右側が下がるように傾動させ、溶融Ｔｉ７をハース１０の左下に配置されたＴｉ容器２２に排出する。固体Ｔｉ３は、全体を溶解してから排出してもよいし、部分的に溶解しながら順次Ｔｉ容器２２に排出してもよい。
【００４０】
その後、再びハース１０に固液混合物１を投入し、固液混合物１の溶解、溶融塩の排出、Ｔｉの溶解およびＴｉの排出を繰り返す。固液混合物１の投入は、Ｔｉを全て排出してから行ってもよいし、ハース１０内に固体や液体のＴｉが一部残存した状態で行ってもよい。ハース１０内にＴｉが一部残存した状態で固液混合物１を投入すると、残存した高温のＴｉによって固液混合物１が加熱されるため、エネルギー効率の面で優れている。
【００４１】
本実施形態においても、プラズマ１９ａの照射により、固液混合物１や固体Ｔｉ３を溶解している間の内面部材１５の溶融塩やＴｉに接する面の温度を、金属塩の融点以上とすることができる。そのため、ハース１０の内面で溶解したＴｉが再び凝固してシェルが形成され、シェルの収縮によってシェルとハース１０の内面との間にできた隙間に溶融塩が流れ込んだとしても、内面部材１５の溶融塩やＴｉに接する面の温度を金属塩の融点以上となるようにプラズマ１９ａを照射することにより、その隙間内での溶融塩の凝固を抑制できる。したがって、ハース１０の内面に絶縁物である金属塩層８が形成されることがなく、電源２０と、被加熱体である固液混合物１や固体Ｔｉ３との間の通電状態は維持され、プラズマ１９ａの発生が安定して維持される。また、本実施形態によれば、スキマーを必要としないため、溶融装置を簡単な構成とすることができる。
【００４２】
本実施形態の溶融装置を用いて得られた溶融Ｔｉは、微量の溶融塩を含有する。この溶融Ｔｉを、溶融状態を維持したままで別のハースへ移動させ、溶融塩を除去することにより、Ｔｉを精製することができる。このＴｉの精製用のハースとしては、上述の第１の実施形態のハースを用いることができる。
【００４３】
図６では、溶融塩を排出する場合とＴｉを排出する場合とで、ハース１０を傾動させる方向が異なる。しかし、溶融塩容器２１とＴｉ容器２２が移動可能である場合など、ハース１０に対して同じ側に位置する場合には、ハース１０を傾動させる方向は同じであってもよい。
【００４４】
本実施形態において、溶融塩と金属粒からなる固液混合物１に代えて、固体状態の金属塩と金属粒との混合物をハース１０に投入してもよい。また、ハースの側面の高さは前記図３および図４に示すように左右で異なっていてもよいし、前記図５および図６に示すように均一であってもよい。
【００４５】
本実施形態において、内面部材１５が図４（ａ）に示すようにハース１０の側面１２の上縁および内面のみを覆うものと底板とからなるものであっても、図４（ｂ）に示すようにハースの側面の上面および内面のみを覆うものであってもよい。いずれの場合であっても、底面１１も含めたハース１０の内面の温度を金属塩の融点以上とすることができるため、シェルが形成された後、溶融塩６が底面まで侵入することがあったとしても、内面部材とシェルとの間における金属塩層の形成を防止することができ、より安定した、移行型プラズマトーチを用いたＴｉと溶融塩との分離を行うことができる。
【実施例】
【００４６】
本発明の金属の溶解装置および溶解方法の効果を確認するため、下記の溶解実験を行い、その結果を評価した。
【００４７】
〈試験１〉
１．溶解条件
図４（ｂ）に示す溶解装置を用いて、Ｔｉ粒と固体状態のＣａＣｌ2の混合物からなる原料を溶融塩と溶融Ｔｉに分離した後、Ｔｉのインゴットを鋳造した。表１は、用いた製造装置の条件である。表１に示すように、チャンバー内雰囲気はアルゴン雰囲気とした。また、本発明例は、水冷ハースにハース内面全体および側面の上縁を覆う一体形成の内面部材を嵌め込み、比較例は、内面部材を用いないこととした。
【００４８】
表２は、原料組成、重量および溶解電流量の条件である。原料は、本発明例、比較例ともに、Ｔｉ粒を１０重量％とＣａＣｌ2を９０重量％含有する混合物とし、５０００〜６０００ｇ用いた。
【００４９】
溶解電流とは、プラズマトーチに流す電流であり、本発明例、比較例ともに、ハースの上部では、原料全体が溶解するように設定した。
【００５０】
【表１】
【００５１】
【表２】
【００５２】
２．試験結果
上記条件で行ったＴｉインゴットの鋳造について、表３に示すように、ハースの損耗の有無および溶解中断後の溶解の再開の可否を指標として評価を行った。
【００５３】
【表３】
【００５４】
比較例、本発明例ともに、Ｔｉインゴットの鋳造は可能であった。しかし、表３に示すように、本発明例ではハースの損耗が発生しなかったものの、比較例では発生した。これは、比較例ではハースの内面とシェルとの間に金属塩層の形成が進行しており、ハースの内面の露出している部分において溶融Ｔｉとの間で局部的な放電が発生したためと考えられる。
【００５５】
また、本発明例では、溶解を中断し、溶融塩および溶融Ｔｉが凝固した後でも、プラズマトーチからプラズマが発生し、溶解の再開も可能であった。しかし、比較例では、溶解を中断した後では、ハースの内面とシェルとの間に金属塩層が形成されていたため、プラズマトーチからプラズマが発生せず、溶解を再開することができなかった。
【００５６】
原料としてＴｉ粒と液体状態のＣａＣｌ2との混合物を用いた場合にも、同様の結果となった。
【００５７】
〈試験２〉
１．溶解条件
実験１と同様の溶解実験を、前記図５に示す溶解装置を用いて行った。表４は、用いた製造装置の条件である。本発明例では水冷ハースにハース内面全体および側面の上縁を覆う一体形成の内面部材を嵌め込み、比較例は、内面部材を用いなかった。
【００５８】
表５は、原料組成、重量および溶解電流量の条件である。原料は、本発明例、比較例ともに、多孔質の塊状に焼結したＴｉ粒を４０重量％とＣａＣｌ2を６０重量％含有する混合物とした。
【００５９】
【表４】
【００６０】
【表５】
【００６１】
そして、前記図６に示すように、ハースを左に傾動させて溶融塩を排出し、右に傾動させて溶融Ｔｉを排出し、溶融Ｔｉが残った状態で原料を追加する操作を、原料の全量を溶解するまで繰り返した。プラズマの照射はこの操作の間停止しなかった。
【００６２】
また、上記の連続溶解試験を行ったハースを用いて、溶融塩がハースの底面に広がった状態とした後、プラズマの照射を中断し、Ｔｉ粒と金属塩が凝固した状態とした後、再度プラズマの照射を行った。
【００６３】
２．試験結果
上記溶解実験について、表６に示すように、上述の試験１と同様にハースの損耗の有無および溶解中断後の溶解の再開の可否を指標として評価を行った。
【００６４】
【表６】
【００６５】
比較例、本発明例ともに溶融Ｔｉを得ることができた。しかし、試験１と同様に、ハースの損耗は、本発明例では発生せず、比較例では発生した。これは、比較例ではハースの内面とシェルとの間に金属塩層の形成が進行しており、ハースの内面の露出している部分において溶融Ｔｉとの間で局部的な放電が発生したためと考えられる。
【００６６】
また、原料の溶解を中断した後の再開は、本発明例ではプラズマトーチからプラズマが発生したため可能であった。しかし、比較例では、ハースの内面（内面部材の表面）とシェルとの間に金属塩層が形成されていたため、プラズマトーチからプラズマが発生せず、溶解を再開することができなかった。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明の溶解装置および溶解方法によれば、金属粉と金属塩の混合物を溶融させて、金属粒を構成する金属を分離する際に、水冷ハースの内面に絶縁体である金属塩層が形成されるのを防ぐことができるため、熱効率に優れているが、トーチと被加熱体との間の通電が必要な移行型プラズマトーチを用いても、安定して分離動作を行うことができる。
【００６８】
したがって、本発明の溶解装置および溶解方法は、金属粉が溶融塩と混合した状態で得られる、溶融塩中で金属の塩化物等を還元することによる金属の製造において有効に利用することができる。
【符号の説明】
【００６９】
１：固液混合物、 ３：固体Ｔｉ、 ４：シェル、 ６：溶融塩、 ７：溶融Ｔｉ、
８：金属塩層、 １０：ハース、 １１：底面、 １２：側面、 １３：スキマー、
１４：連通口、 １５：内面部材、 １５ａ：底板、 １６：混合物投入領域、
１７：溶融Ｔｉ領域、 １９：プラズマトーチ、 １９ａ：プラズマ、 ２０：電源
２１：溶融塩容器、 ２２：Ｔｉ容器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
側面と底面を有し、第１の金属からなる水冷ハースと、前記水冷ハースの内面にプラズマを照射可能に配置された移行型のプラズマトーチとを備える溶解装置であって、
前記水冷ハースの内面のうち少なくとも側面および側面の上縁を覆うように、第２の金属からなる内面部材が嵌め込まれたことを特徴とする溶解装置。
【請求項２】
前記内面部材が前記水冷ハースの内面の底面も覆うことを特徴とする請求項１に記載の溶解装置。
【請求項３】
前記内面部材が一体に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の溶解装置。
【請求項４】
前記第１の金属がＣｕであり、前記第２の金属がＴｉであることを特徴とする請求項１に記載の溶解装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の溶解装置において、金属塩と前記第２の金属からなる金属粉との混合物を前記水冷ハースに収容し、前記プラズマトーチの照射するプラズマによって溶解する溶解方法であって、
前記内面部材の前記金属塩に接する部分の温度を前記金属塩の融点以上に保つことを特徴とする溶解方法。
【請求項６】
前記水冷ハースの内面を、スキマーにより複数の領域に区分され、前記複数の領域がそれぞれ前記スキマーの下部に設けられた連通口により連通されたものとし、
前記混合物を前記水冷ハースの１の領域でプラズマによって溶解し、比重差によって、前記金属粉が溶解した溶融金属からなる層と、前記金属塩が溶解した溶融塩からなる層の上下二層に分離し、上層を前記領域の上部から、下層を前記連通口から排出することを特徴とする請求項５に記載の溶解方法。
【請求項７】
前記金属塩がＣａＣｌ2であり、前記第２の金属がＴｉであることを特徴とする請求項５または６に記載の溶解方法。
【請求項１】
側面と底面を有し、第１の金属からなる水冷ハースと、前記水冷ハースの内面にプラズマを照射可能に配置された移行型のプラズマトーチとを備える溶解装置であって、
前記水冷ハースの内面のうち少なくとも側面および側面の上縁を覆うように、第２の金属からなる内面部材が嵌め込まれたことを特徴とする溶解装置。
【請求項２】
前記内面部材が前記水冷ハースの内面の底面も覆うことを特徴とする請求項１に記載の溶解装置。
【請求項３】
前記内面部材が一体に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の溶解装置。
【請求項４】
前記第１の金属がＣｕであり、前記第２の金属がＴｉであることを特徴とする請求項１に記載の溶解装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の溶解装置において、金属塩と前記第２の金属からなる金属粉との混合物を前記水冷ハースに収容し、前記プラズマトーチの照射するプラズマによって溶解する溶解方法であって、
前記内面部材の前記金属塩に接する部分の温度を前記金属塩の融点以上に保つことを特徴とする溶解方法。
【請求項６】
前記水冷ハースの内面を、スキマーにより複数の領域に区分され、前記複数の領域がそれぞれ前記スキマーの下部に設けられた連通口により連通されたものとし、
前記混合物を前記水冷ハースの１の領域でプラズマによって溶解し、比重差によって、前記金属粉が溶解した溶融金属からなる層と、前記金属塩が溶解した溶融塩からなる層の上下二層に分離し、上層を前記領域の上部から、下層を前記連通口から排出することを特徴とする請求項５に記載の溶解方法。
【請求項７】
前記金属塩がＣａＣｌ2であり、前記第２の金属がＴｉであることを特徴とする請求項５または６に記載の溶解方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−１４３９８（Ｐ２０１０−１４３９８Ａ）
【公開日】平成２２年１月２１日（２０１０．１．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−６８４４１（Ｐ２００９−６８４４１）
【出願日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【出願人】（３９７０６４９４４）株式会社大阪チタニウムテクノロジーズ (133)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月２１日（２０１０．１．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【出願人】（３９７０６４９４４）株式会社大阪チタニウムテクノロジーズ (133)
【Ｆターム（参考）】
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