金属の製造方法
【課題】金属塩と金属粉との混合物から金属粉成分を分離する金属の製造方法において、製造に必要なエネルギーを低減することが可能な金属の製造方法を提供する。
【解決手段】金属塩と金属粉の混合物１を、スキマー１１によって区分された第１のハース１０の原料投入領域１２に供給し、プラズマ１９ａを用いて金属塩の融点以上金属粉の融点未満に加熱、保持し、上層（金属塩が溶融した溶融塩２）と、下層（金属粉の濃度の高まった高濃度固液混合物３）の２層を形成する。そして、上層の溶融塩２を第１のハースの上部の排出口から、下層の高濃度固液混合物３を下層排出口１４から排出する。続いて、高濃度固液混合物３を、金属粉の融点以上に加熱、保持し、高濃度固液混合物３中の金属粉を溶融させて溶融金属とし、上層（溶融塩４）と下層（溶融金属５）を形成し、溶融塩４から溶融金属５を分離し、溶融金属５を凝固させインゴット６とする。
【解決手段】金属塩と金属粉の混合物１を、スキマー１１によって区分された第１のハース１０の原料投入領域１２に供給し、プラズマ１９ａを用いて金属塩の融点以上金属粉の融点未満に加熱、保持し、上層（金属塩が溶融した溶融塩２）と、下層（金属粉の濃度の高まった高濃度固液混合物３）の２層を形成する。そして、上層の溶融塩２を第１のハースの上部の排出口から、下層の高濃度固液混合物３を下層排出口１４から排出する。続いて、高濃度固液混合物３を、金属粉の融点以上に加熱、保持し、高濃度固液混合物３中の金属粉を溶融させて溶融金属とし、上層（溶融塩４）と下層（溶融金属５）を形成し、溶融塩４から溶融金属５を分離し、溶融金属５を凝固させインゴット６とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶融金属塩と金属との混合物から金属を分離することによる金属の製造方法であって、エネルギー効率に優れた金属の製造方法に関する。
【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。
【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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献４に記載された高温デカンターは、Ｔｉの分離用として高温で回転駆動するものであるため、長時間に亘り連続操業させるのは困難である。そこで、回転駆動を要しない方法として、Ｔｉ粒を含有する溶融塩を容器内で静置し、沈降分離を試みたところ、容器の底部にＴｉ粒が沈降し、溶融塩中にＴｉ粒の含有率の高い部分が形成された。この部分での溶融塩中のＴｉ粒含有率は約１０重量％と推測される。
【０００９】
このようにして溶融塩中に形成されたＴｉ粒含有率の高い部分のみを容器から抽出しようとしたところ、流動性が悪く、容器の底部まで挿入した配管によって吸入する方法および底部に排出口を設けて排出する方法のいずれの方法によっても、配管または排出口が詰まってしまい、十分に抽出することができなかった。
【００１０】
この理由としては、沈降分離では溶融塩を長時間に亘り静置するため、沈降したＴｉ粒が焼結して多孔質の塊になっていることが考えられる。そこで、沈降分離を行った際に、実際に抽出および分離槽への移送が可能な溶融塩中のＴｉ粒含有率を検討したところ、約２重量％であった。
【００１１】
分離槽において溶融塩中のＴｉ粒を加熱、溶融する際には、Ｔｉ粒のみならず融点の低い溶融塩をもＴｉの融点まで加熱することとなる。そのため、溶融塩中のＴｉ粒含有率が低いと、溶融塩の加熱量が増大し、高出力でプラズマを発生させるための大電力が必要となるため、エネルギー効率が悪い。
【００１２】
そこで、本発明は、金属と溶融塩の固液混合物から金属を分離する工程を含む金属の製造方法であって、エネルギー効率に優れた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】
【００１３】
上記の課題を解決するために、本発明者らは、分離槽に移送可能な状態であり、且つ金属粉の含有率の高い溶融塩と金属粉との固液混合物を得る方法について検討した。
【００１４】
そして、スキマーにより区分され、スキマーの下部に排出口を有する領域を備えるハースを用い、前記領域において、高温デカンターから排出された金属粉を含む溶融塩をプラズマによって加熱し、溶融塩の融点以上当該金属の融点未満の温度で保持したところ、比重差によって溶融塩のみからなる上層と当該金属粉を高率で含有する溶融塩と金属粉の固液混合物からなる下層に分離させることができ、さらにスキマー下部の排出口から下層の固液混合物を金属粉含有率の高いまま排出することができた。
【００１５】
このように、金属粉の含有率が高いまま固液混合物を排出できた理由は、このハースでは、溶融塩の投入側およびスキマー下部の排出口ともに圧損がかからない状態であり、金属粉が焼結しないため、上層のみならず下層も容易に流動可能であったことによると考えられる。そのため、上層の溶融塩のみをハースから排出することにより、容易に下層の金属粉を高率で含有する固液混合物を抽出することが可能であった。
【００１６】
このようなハースを用いて得られる金属粉を高率で含有する固液混合物は、そのままの状態で分離槽に移送することが可能である。そのため、固液混合物の溶融塩と金属を溶融させ、分離する際のエネルギー効率を向上させることが可能となる。
【００１７】
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、下記の金属の製造方法にある。
【００１８】
下記（ａ）〜（ｆ）の工程を備える金属の製造方法。
（ａ）スキマーによって区分され、上部に上層排出口、前記スキマーの下部に下層排出口を有する原料投入領域を備える第１のハースの前記原料投入領域に、金属塩と前記金属塩よりも融点の高い金属からなる金属粉との混合物を供給する工程、
（ｂ）前記第１のハースの原料投入領域中の混合物を、プラズマを用いて前記金属塩の融点以上前記金属の融点未満に加熱、保持し、前記金属塩と前記金属との比重差によって、前記金属塩が溶融した溶融塩からなる上層と、前記溶融塩と前記金属粉が混合し、前記混合物よりも前記金属粉の濃度の高まった高濃度固液混合物からなる下層の２層を形成する工程、
（ｃ）前記上層の溶融金属塩を前記上層排出口から排出し、前記下層の高濃度固液混合物を前記下層排出口から排出する工程、
（ｄ）前記下層排出口から排出された前記高濃度固液混合物を、前記金属の融点以上に加熱して、前記高濃度固液混合物中の前記金属粉を溶融させ、液体混合物とする工程、
（ｅ）前記液体混合物を前記金属の融点以上に保持し、比重差によって前記溶融塩からなる上層と前記金属粉が溶融した溶融金属からなる下層を形成する工程、および
（ｆ）前記溶融塩から分離した前記溶融金属を凝固させる工程。
【００１９】
上記（ａ）における金属塩は、固体状態であっても液体状態であってもよい。また、「金属粉の濃度」とは、原料や固液混合物中の金属粉の含有率を意味し、単に「金属濃度」ともいう。
【００２０】
上記の金属の製造方法において、前記金属塩としてＣａＣｌ2、前記金属としてＴｉを用いることができる。また、前記金属はＴｉ単体のみならずＴｉ合金であってもよい。
【００２１】
上記の金属の製造方法において、前記第１のハースが、前記スキマーによって、前記原料投入領域と、金属高濃度領域とに区分されるとともに、前記原料投入領域および前記金属高濃度領域が前記スキマーの下方に設けられた前記下層排出口によって連通され、前記金属高濃度領域に、前記高濃度固液混合物が排出されるものとすることができる。
【００２２】
上記の金属の製造方法の前記工程（ｃ）において、前記下層の高濃度固液混合物を第２のハースに排出し、前記工程（ｄ）および前記工程（ｅ）を、前記第２のハースにおいて、プラズマを用いて前記高濃度固液混合物を加熱することによって行ってもよいし、前記下層の高濃度固液混合物を前記金属高濃度領域に排出し、前記工程（ｄ）および前記工程（ｅ）を前記金属高濃度領域において、プラズマを用いて前記高濃度固液混合物を加熱することによって行ってもよい。また、前記工程（ｃ）において、前記第１のハースを揺動させることにより前記高濃度固液混合物を排出してもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の金属の製造方法によれば、分離槽に金属粉の濃度の高い固液混合物を供給することができるため、分離槽において金属粉を溶融塩ともに溶融させる際の溶融塩の量を減少させることができ、エネルギー効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の金属の製造方法は、上述の工程（ａ）〜（ｆ）を備える金属の製造方法である。
【００２５】
〈第１の実施形態〉
図１は、本発明の第１の実施形態に係る金属の製造方法に用いる装置の構成例を示す図である。図１に示すように、この装置においては、上方から順に、第１のハース１０、第２のハース（分離槽）２０、鋳型３０が配置されている。また、装置の外観は図示しないチャンバーによって構成されており、チャンバーの内部はアルゴン等の不活性ガス雰囲気に保たれている。
【００２６】
第１のハース１０はスキマー１１によって、内部が原料投入領域１２と金属高濃度領域（Ｔｉ高濃度領域）１３に区分されている。原料投入領域側の側壁１６の上縁は、Ｔｉ高濃度領域側の側壁１７の上縁よりも高く設定されており、双方の側壁１６、１７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。
【００２７】
原料投入領域１２には、金属塩であるＣａＣｌ2と金属粉であるＴｉ粉との混合物からなる原料１が投入される。原料投入領域１２とＴｉ高濃度領域１３とは、スキマー１１の下部に設けられた下層排出口１４によって連通している。第１のハース１０の上方には、首振り運動が可能であり、原料投入領域１２およびＴｉ高濃度領域１３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。
【００２８】
同様に、第２のハース２０もスキマー２１によって、内部が溶融塩流入領域２２と溶融Ｔｉ領域２３とに区分されており、両領域２２、２３はスキマー２１の下部に設けられた連通口２４によって連通している。溶融塩流入領域側の側壁２６の上縁は、溶融Ｔｉ領域側の側壁２７の上縁よりも高く設定されており、双方の側壁２６、２７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。
【００２９】
溶融塩流入領域２２は、第１のハース１０のＴｉ高濃度領域１３から排出された液体または固液混合物を受けることができる位置に配置されている。また、第２のハース２０の上方には、首振り運動が可能であり、溶融塩流入領域２２および溶融Ｔｉ領域２３にプラズマ２９ａの照射が可能なプラズマトーチ２９が配置されている。
【００３０】
第１のハース１０および第２のハース２０としては例えば銅製の水冷ハースを使用することができ、スキマー１１、２１としては例えばＹ2Ｏ3（イットリア）やＡｌ2Ｏ3（アルミナ）等のセラミックス製の板を使用することができる。
【００３１】
次に第１のハース１０における操作について説明する。原料投入領域１２から原料１を投入し、プラズマトーチ１９からプラズマ１９ａを照射して、ＣａＣｌ2の融点以上、Ｔｉの融点未満に加熱し、Ｔｉ粉とＣａＣｌ2の溶融塩の固液混合物を生成させる。
【００３２】
そして、この固液混合物をＣａＣｌ2の融点（７８０℃）以上、Ｔｉの融点（１６８０℃）未満に保持し、ＴｉとＣａＣｌ2との比重差によってＴｉ粉を沈降させ、上層（溶融塩２）と、下層（Ｔｉ粉の含有率の高められた高濃度固液混合物３）の上下２層に分離させる。この場合の保持温度は、８００℃以上１０００℃以下とすることができる。
【００３３】
また、金属塩として、ＣａＣｌ2にＫＣｌ等を混合したものを使用してもよく、その場合には金属塩の融点がＣａＣｌ2に比べて低下するため、保持温度を７５０℃以上１０００℃以下とすればよい。
【００３４】
そして、原料１の溶融が進行するにともない随時原料１を原料投入領域１２に追加投入すると、追加した原料１も溶融する。そして、固液混合物は上下２層に分離した状態で原料投入領域１２およびＴｉ高濃度領域１３において液面が上昇する。
【００３５】
さらに、原料１を追加して、Ｔｉ高濃度領域側の側壁１７の上縁よりも液面が高くなると、Ｔｉ高濃度領域１３側の上層の溶融塩が第１のハース１０から第２のハース２０に排出され始める。上層の溶融塩が全て排出されると、Ｔｉ高濃度領域１３は高濃度固液混合物３のみが占める状態となり、高濃度固液混合物３が第２のハース２０に排出される。
【００３６】
原料１中のＴｉ濃度が２〜１０％である場合、第１のハース１０から排出される高濃度固液混合物３中のＴｉ濃度は３０〜６０％に上昇する。以下、原料または固液混合物におけるＴｉの含有率（重量％）をＴｉ濃度という。
【００３７】
一方、原料投入領域１２においても液面が上昇し、液面が原料投入領域側の側壁１６の上縁よりも高くなると、溶融塩２が排出され始める。排出された溶融塩２は、ＴｉＣｌ4の還元反応に再利用することができる。
【００３８】
原料１の追加は、少量ずつ連続して行ってもよいし、所定の時間をおいて行ってもよい。時間間隔が長くなる場合には、溶融塩２および高濃度固液混合物３は間欠的に第１のハース１０から排出される。
【００３９】
次に、溶融塩と金属を分離する分離槽である第２のハース２０における操作について説明する。第１のハース１０から第２のハース２０の溶融塩流入領域２２に流入した高濃度固液混合物３（最初に流入した少量の溶融塩を含む）にプラズマトーチ２９からプラズマ２９ａを照射して、Ｔｉの融点以上に加熱し、高濃度固液混合物３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ＣａＣｌ2との比重差によって溶融Ｔｉ５を沈降させ、上層（溶融塩４）と、下層（溶融Ｔｉ５）の上下２層に分離させる。
【００４０】
そして、第１のハース１０からの高濃度固液混合物３の流入が進行すると、溶融物は２層に分離した状態で溶融塩流入領域２２と溶融Ｔｉ領域２３において液面が上昇し、溶融Ｔｉ領域側の側壁２７の上縁から鋳型３０に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２３は溶融Ｔｉ５のみが占める状態となり、溶融Ｔｉ５が鋳型３０に排出され、Ｔｉインゴット６が鋳造される。
【００４１】
一方、溶融塩流入領域２２においても液面が上昇し、液面が溶融塩流入領域側の側壁２６の上縁よりも高くなると、溶融塩４が排出され始める。この溶融塩４も、ＴｉＣｌ4の還元反応に再利用することができる。
【００４２】
図１には、第１のハース１０のＴｉ高濃度領域１３および第２のハース２０の溶融Ｔｉ領域２３から溶融塩の排出が完了した後の定常状態が示されている。定常状態においては、第１のハース１０では、Ｔｉ高濃度領域１３から高濃度固液混合物３、原料投入領域１２から溶融塩２が排出され、第２のハース２０では、溶融Ｔｉ領域２３から溶融Ｔｉ５、溶融塩流入領域２２から溶融塩４が排出される。
【００４３】
このように、本発明の製造方法によれば、原料に含まれるＴｉとＣａＣｌ2とを分離するにあたって、まず第１のハース１０で、ＣａＣｌ2の融点以上、Ｔｉの融点未満の比較的低温でＴｉ濃度を高めた高濃度固液混合物を生成させ、Ｔｉ濃度の高いまま分離槽である第２のハース２０へ移送することができる。これに続いて、第２のハース２０では、ＣａＣｌ2が減少した高濃度固液混合物３の全体を、Ｔｉの融点以上の高温で溶融させ、溶融Ｔｉ５と溶融塩４とを分離する。
【００４４】
したがって、１個のハースでＴｉを含む原料の全体を高温で溶融させてＴｉを分離する従来の方法と比べて、Ｔｉの融点以上に加熱するＣａＣｌ2の量を減少させることができる。このため、原料に含まれるＴｉとＣａＣｌ2を分離するのに必要なエネルギーを大きく低減することができるとともに、装置を囲繞するチャンバーの内部でのＣａＣｌ2の蒸発量を低減し、チャンバー内部の汚染や、排気系の損傷を低減することもできる。
【００４５】
図１に示す定常状態では、Ｔｉの方がＣａＣｌ2よりも比重が大きいことから、第１のハース１０では原料投入領域１２側の液面の方がＴｉ高濃度領域１３側よりも高い状態、第２のハース２０では溶融塩流入領域２２側の液面の方が溶融Ｔｉ領域２３側よりも高い状態で安定する。
【００４６】
そのため、原料投入領域側の側壁１６の上縁をＴｉ高濃度領域側の側壁１７の上縁よりも高く設定することおよび溶融塩流入領域側の側壁２６の上縁を溶融Ｔｉ領域側の側壁２７の上縁よりも高く設定することができる。これにより、原料投入領域１２および溶融塩流入領域２２における上層（溶融塩２、４）の深さを確保し、それぞれ排出口から上層と下層との境界までの距離を大きくすることができ、Ｔｉ粉又は溶融Ｔｉをより多く沈降させることができるため、排出される溶融塩２、４中のＴｉ含有量を少なくすることができる。
【００４７】
〈第２の実施形態〉
図２は、本発明の第２の実施形態に係る金属の製造方法に用いる装置の構成例を示す図である。第２の実施形態は第１のハースにおいて高濃度固液混合物を溶融させる点が異なる以外は第１の実施形態と同様であり、図において実質的に同一の部分については同一の符号を付している。
【００４８】
本実施形態の定常状態では、第１のハース１０の原料投入領域１２においては、第１の実施形態と同様に、原料１の溶融した固液混合物はＣａＣｌ2の融点以上Ｔｉの融点未満に保持され、上層（溶融塩２）と、下層（高濃度固液混合物３）の上下２層に分離している。そして、下層の高濃度固液混合物３は、スキマー１１の下部に設けられた下層排出口１４からＴｉ高濃度領域１３に流入している。
【００４９】
Ｔｉ高濃度領域１３では、高濃度固液混合物３の液面へのプラズマ１９ａの照射により、液面近傍はＴｉの融点以上に保持され、高濃度固液混合物３中のＴｉ粉が溶融する。そのため、Ｔｉ高濃度領域１３のスキマー１１近傍では、原料投入領域１２から流入した高濃度固液混合物３が露出し、Ｔｉ高濃度領域側の側壁１７の近傍では、溶融塩４からなる上層と、この露出した高濃度固液混合物３中のＴｉ粉が溶融した溶融Ｔｉ５が沈降した下層の上下２層に分離する。
【００５０】
上述の、プラズマトーチ１９を用いた液面等の温度調整は、プラズマトーチ１９の首振り速度を調整し、各領域の液面等の近傍でのプラズマトーチ１９の滞在時間を調整することにより実現可能である。
【００５１】
そして、原料投入領域１２への原料１の追加により、Ｔｉ高濃度領域１３における液面が上昇すると、Ｔｉ高濃度領域側の側壁１７の上縁から溶融塩４および溶融Ｔｉ５が第２のハース２０に排出される。
【００５２】
第２のハース２０において、第１のハース１０から溶融塩流入領域２２に流入した溶融塩４および溶融Ｔｉ５を、プラズマ２９ａによって引き続きＴｉの融点以上に加熱、保持すると、ＴｉとＣａＣｌ2との比重差によって溶融Ｔｉ５が沈降し、上層（溶融塩４）と、下層（溶融Ｔｉ５）の上下２層に分離する。そして、第１の実施形態と同様に、第２のハース２０の溶融塩流入領域２２から溶融塩４が排出され、溶融Ｔｉ５は鋳型３０に排出され、Ｔｉインゴット６が鋳造される。
【００５３】
このように、第１のハース１０のＴｉ高濃度領域１３において、高濃度固液混合物３の液面近傍をＴｉの融点以上に保持することにより、高濃度固液混合物３の流動性が悪く第２のハース２０に排出されにくい場合でも、溶融塩４と溶融Ｔｉ５として溶融させ、排出することができる。
【００５４】
〈第３の実施形態〉
図３は、本発明の第３の実施形態に係る金属の製造方法に用いる装置の構成例および動作を示す図である。第３の実施形態は、第１の実施形態と比べ、第１のハースが揺動可能である点が異なる以外は同様であり、図３では第１のハースのみを示すとともに実質的に第１の実施形態と同一の部分については同一の符号を付す。
【００５５】
本実施形態では、第１のハース１０は下面に設けられた支軸１８によって、原料投入領域１２側が上昇するとＴｉ高濃度領域１３側が下降し、原料投入領域１２側が下降するとＴｉ高濃度領域１３側が上昇するように揺動可能に支持されている。
【００５６】
図３（ａ）は、定常状態において、溶融塩２および高濃度固液混合物３の排出が停止した状態、同図（ｂ）は、第１のハース１０の原料投入領域１２側を下降させ、溶融塩２を排出している状態、同図（ｃ）は、さらに原料投入領域１２側を下降させ、第１のハース１０から溶融塩２の排出を完了した状態、同図（ｄ）は、第１のハース１０のＴｉ高濃度領域１３側を下降させ、高濃度固液混合物３を排出している状態を示す図である。
【００５７】
図３（ａ）に示す水平な状態から、同図（ｂ）に示すように、第１のハース１０の原料投入領域１２を下降させ、溶融塩２を排出させる。このとき、高濃度固液混合物３を巻き上げないようにすることおよびスキマー１１の下端からＴｉ高濃度領域１３に溶融塩２が移行しないようすることに注意する。
【００５８】
そして、図３（ｃ）に示すように、さらに原料投入領域１２側を下降させ、所定量の溶融塩２の排出が完了すると、同図（ｄ）に示すようにＴｉ高濃度領域１３側を下降させ、高濃度固液混合物３を排出させる。
【００５９】
図３（ｃ）に示す状態から同図（ｄ）に示す状態に移行する間の、第１のハース１０を水平に戻した際には、スキマー１１の下端から液面が離れない量の高濃度固液混合物３を残すようにするのが望ましい。これは、スキマー１１の下端から液面が離れると、原料投入領域１２側の溶融塩２がＴｉ高濃度領域１３側に移行し、高濃度固液混合物３中のＴｉ濃度を低下させるとともに、新たに追加した原料が溶融した際に生成する溶融塩２がＴｉ高濃度領域１３側にも移行するからである。
【００６０】
高濃度固液混合物３の排出を完了した後は、第１のハース１０を再び図３（ａ）に示すように水平に戻し、原料投入領域１２から原料１を投入する。この一連の揺動動作の間、溶融塩２および高濃度固液混合物３の温度はＣａＣｌ2の融点以上、Ｔｉの融点未満に保持する。
【００６１】
このように第１のハース１０を揺動させることによって、高濃度固液混合物３の流動性が悪い場合でも、強制的に第２のハース２０に排出させることができる。
【００６２】
揺動させる場合に、図３（ｂ）および（ｃ）に示す原料投入領域１２側の下降を省略し、同図（ａ）の状態から直接同図（ｄ）に示すようにＴｉ高濃度領域１３側を下降させてもよい。しかし、原料投入領域１２側の溶融塩２がＴｉ高濃度領域１３側に移行するのを抑制するため、高濃度固液混合物３の排出に先立って、原料投入領域１２の下降による溶融塩２の排出を行うことが望ましい。
【００６３】
また、このような揺動は、第１のハース１０のみならず第２のハース２０で行ってもよい。これにより、溶融Ｔｉ５の流動性が悪い場合でも、第２のハース２０から鋳型３０に排出することができる。
【実施例】
【００６４】
本発明の金属の製造方法の効果を確認するため、下記の製造実験を行い、その結果を評価した。
【００６５】
１．製造条件
図１に示す製造装置を用いて、原料を溶融塩とＴｉに分離し、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。チャンバー内雰囲気はアルゴン雰囲気とし、第１のハースと第２のハースとは同じものを用いた。
【００６６】
表２は、原料組成、重量ならびに第１のハースおよび第２のハースにおける溶融電流量および溶融時間の条件である。原料は、Ｔｉ粉を２重量％とＣａＣｌ2を９８重量％含有する混合物とし、３０００ｇ用いた。
【００６７】
溶融電流とは、プラズマトーチに流す電流である。第１のハースにおける溶融電流は、比較例では、原料全体が溶融するように設定し、本発明例では、原料のうちＣａＣｌ2のみが溶融し、Ｔｉ粉と溶融塩との固液混合物が生成するように設定した。第２のハースにおける溶融電流は、比較例、本発明例とも、原料全体が溶融するように設定した。
【００６８】
【表１】
【００６９】
【表２】
【００７０】
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、第１のハースでのＣａＣｌ2の蒸発量、高濃度固液混合物中のＴｉ濃度、Ｔｉインゴットの鋳造の可否および使用総エネルギー量を指標として評価を行った。使用総エネルギー量とは、第１のハースに原料の投入を開始してからインゴットの鋳造が完了するまでの間に、第１のハース用のプラズマトーチと第２のハース用のプラズマトーチで使用したエネルギー量の合計である。第１のハースでのＣａＣｌ2の蒸発量および使用総エネルギー量については、比較例を１とした相対量で示した。
【００７１】
【表３】
【００７２】
表３に示すように、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。さらに本発明例では、比較例よりも第１のハースでの溶融電流量を少なく設定したため、第１のハースでのＣａＣｌ2の蒸発量および使用エネルギー量を比較例と比べて低い値とすることができた。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明の金属の製造方法は、第１のハースにおいて、金属塩のみが溶融し、金属粉が溶融しない温度に原料を保持して生成した固液混合物において、溶融塩を除去して金属粉濃度を上昇させた後、第２のハースで固液混合物の全体を溶融させるため、金属粉の融点以上に加熱する溶融塩を減少させることができるため、原料から金属を分離する際のエネルギー効率を向上させることができる。
【００７４】
したがって、本発明の金属の製造方法によれば、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り、例えば金属Ｔｉの製造において有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る金属の製造方法に用いる装置の構成例を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る金属の製造方法に用いる装置の構成例を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る金属の製造方法に用いる装置の構成例および動作を示す図であり、（ａ）は、定常状態において、溶融塩および高濃度固液混合物の排出が停止した状態、（ｂ）は、第１のハースの原料投入領域側を下降させ、溶融塩を排出している状態、（ｃ）は、さらに原料投入領域１２側を下降させ、第１のハースから溶融塩の排出を完了した状態、（ｄ）は、第１のハースのＴｉ高濃度領域側を下降させ、高濃度固液混合物を排出している状態を示す図である。
【符号の説明】
【００７６】
１ 原料
２ 溶融塩
３ 高濃度固液混合物
４ 溶融塩
５ 溶融Ｔｉ
６ Ｔｉインゴット
１０ 第１のハース
１１ スキマー
１２ 原料投入領域
１３ 金属高濃度領域（Ｔｉ高濃度領域）
１４ 下層排出口
１６ 側壁（原料投入領域側）
１７ 側壁（Ｔｉ高濃度領域側）
１８ 支軸
１９ プラズマトーチ
２０ 第２のハース（分離槽）
２１ スキマー
２２ 溶融塩流入領域
２３ 溶融Ｔｉ領域
２４ 連通口
２６ 側壁（溶融塩流入領域側）
２７ 側壁（溶融Ｔｉ領域側）
２９ プラズマトーチ
３０ 鋳型
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶融金属塩と金属との混合物から金属を分離することによる金属の製造方法であって、エネルギー効率に優れた金属の製造方法に関する。
【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。
【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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献４に記載された高温デカンターは、Ｔｉの分離用として高温で回転駆動するものであるため、長時間に亘り連続操業させるのは困難である。そこで、回転駆動を要しない方法として、Ｔｉ粒を含有する溶融塩を容器内で静置し、沈降分離を試みたところ、容器の底部にＴｉ粒が沈降し、溶融塩中にＴｉ粒の含有率の高い部分が形成された。この部分での溶融塩中のＴｉ粒含有率は約１０重量％と推測される。
【０００９】
このようにして溶融塩中に形成されたＴｉ粒含有率の高い部分のみを容器から抽出しようとしたところ、流動性が悪く、容器の底部まで挿入した配管によって吸入する方法および底部に排出口を設けて排出する方法のいずれの方法によっても、配管または排出口が詰まってしまい、十分に抽出することができなかった。
【００１０】
この理由としては、沈降分離では溶融塩を長時間に亘り静置するため、沈降したＴｉ粒が焼結して多孔質の塊になっていることが考えられる。そこで、沈降分離を行った際に、実際に抽出および分離槽への移送が可能な溶融塩中のＴｉ粒含有率を検討したところ、約２重量％であった。
【００１１】
分離槽において溶融塩中のＴｉ粒を加熱、溶融する際には、Ｔｉ粒のみならず融点の低い溶融塩をもＴｉの融点まで加熱することとなる。そのため、溶融塩中のＴｉ粒含有率が低いと、溶融塩の加熱量が増大し、高出力でプラズマを発生させるための大電力が必要となるため、エネルギー効率が悪い。
【００１２】
そこで、本発明は、金属と溶融塩の固液混合物から金属を分離する工程を含む金属の製造方法であって、エネルギー効率に優れた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】
【００１３】
上記の課題を解決するために、本発明者らは、分離槽に移送可能な状態であり、且つ金属粉の含有率の高い溶融塩と金属粉との固液混合物を得る方法について検討した。
【００１４】
そして、スキマーにより区分され、スキマーの下部に排出口を有する領域を備えるハースを用い、前記領域において、高温デカンターから排出された金属粉を含む溶融塩をプラズマによって加熱し、溶融塩の融点以上当該金属の融点未満の温度で保持したところ、比重差によって溶融塩のみからなる上層と当該金属粉を高率で含有する溶融塩と金属粉の固液混合物からなる下層に分離させることができ、さらにスキマー下部の排出口から下層の固液混合物を金属粉含有率の高いまま排出することができた。
【００１５】
このように、金属粉の含有率が高いまま固液混合物を排出できた理由は、このハースでは、溶融塩の投入側およびスキマー下部の排出口ともに圧損がかからない状態であり、金属粉が焼結しないため、上層のみならず下層も容易に流動可能であったことによると考えられる。そのため、上層の溶融塩のみをハースから排出することにより、容易に下層の金属粉を高率で含有する固液混合物を抽出することが可能であった。
【００１６】
このようなハースを用いて得られる金属粉を高率で含有する固液混合物は、そのままの状態で分離槽に移送することが可能である。そのため、固液混合物の溶融塩と金属を溶融させ、分離する際のエネルギー効率を向上させることが可能となる。
【００１７】
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、下記の金属の製造方法にある。
【００１８】
下記（ａ）〜（ｆ）の工程を備える金属の製造方法。
（ａ）スキマーによって区分され、上部に上層排出口、前記スキマーの下部に下層排出口を有する原料投入領域を備える第１のハースの前記原料投入領域に、金属塩と前記金属塩よりも融点の高い金属からなる金属粉との混合物を供給する工程、
（ｂ）前記第１のハースの原料投入領域中の混合物を、プラズマを用いて前記金属塩の融点以上前記金属の融点未満に加熱、保持し、前記金属塩と前記金属との比重差によって、前記金属塩が溶融した溶融塩からなる上層と、前記溶融塩と前記金属粉が混合し、前記混合物よりも前記金属粉の濃度の高まった高濃度固液混合物からなる下層の２層を形成する工程、
（ｃ）前記上層の溶融金属塩を前記上層排出口から排出し、前記下層の高濃度固液混合物を前記下層排出口から排出する工程、
（ｄ）前記下層排出口から排出された前記高濃度固液混合物を、前記金属の融点以上に加熱して、前記高濃度固液混合物中の前記金属粉を溶融させ、液体混合物とする工程、
（ｅ）前記液体混合物を前記金属の融点以上に保持し、比重差によって前記溶融塩からなる上層と前記金属粉が溶融した溶融金属からなる下層を形成する工程、および
（ｆ）前記溶融塩から分離した前記溶融金属を凝固させる工程。
【００１９】
上記（ａ）における金属塩は、固体状態であっても液体状態であってもよい。また、「金属粉の濃度」とは、原料や固液混合物中の金属粉の含有率を意味し、単に「金属濃度」ともいう。
【００２０】
上記の金属の製造方法において、前記金属塩としてＣａＣｌ2、前記金属としてＴｉを用いることができる。また、前記金属はＴｉ単体のみならずＴｉ合金であってもよい。
【００２１】
上記の金属の製造方法において、前記第１のハースが、前記スキマーによって、前記原料投入領域と、金属高濃度領域とに区分されるとともに、前記原料投入領域および前記金属高濃度領域が前記スキマーの下方に設けられた前記下層排出口によって連通され、前記金属高濃度領域に、前記高濃度固液混合物が排出されるものとすることができる。
【００２２】
上記の金属の製造方法の前記工程（ｃ）において、前記下層の高濃度固液混合物を第２のハースに排出し、前記工程（ｄ）および前記工程（ｅ）を、前記第２のハースにおいて、プラズマを用いて前記高濃度固液混合物を加熱することによって行ってもよいし、前記下層の高濃度固液混合物を前記金属高濃度領域に排出し、前記工程（ｄ）および前記工程（ｅ）を前記金属高濃度領域において、プラズマを用いて前記高濃度固液混合物を加熱することによって行ってもよい。また、前記工程（ｃ）において、前記第１のハースを揺動させることにより前記高濃度固液混合物を排出してもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の金属の製造方法によれば、分離槽に金属粉の濃度の高い固液混合物を供給することができるため、分離槽において金属粉を溶融塩ともに溶融させる際の溶融塩の量を減少させることができ、エネルギー効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の金属の製造方法は、上述の工程（ａ）〜（ｆ）を備える金属の製造方法である。
【００２５】
〈第１の実施形態〉
図１は、本発明の第１の実施形態に係る金属の製造方法に用いる装置の構成例を示す図である。図１に示すように、この装置においては、上方から順に、第１のハース１０、第２のハース（分離槽）２０、鋳型３０が配置されている。また、装置の外観は図示しないチャンバーによって構成されており、チャンバーの内部はアルゴン等の不活性ガス雰囲気に保たれている。
【００２６】
第１のハース１０はスキマー１１によって、内部が原料投入領域１２と金属高濃度領域（Ｔｉ高濃度領域）１３に区分されている。原料投入領域側の側壁１６の上縁は、Ｔｉ高濃度領域側の側壁１７の上縁よりも高く設定されており、双方の側壁１６、１７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。
【００２７】
原料投入領域１２には、金属塩であるＣａＣｌ2と金属粉であるＴｉ粉との混合物からなる原料１が投入される。原料投入領域１２とＴｉ高濃度領域１３とは、スキマー１１の下部に設けられた下層排出口１４によって連通している。第１のハース１０の上方には、首振り運動が可能であり、原料投入領域１２およびＴｉ高濃度領域１３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。
【００２８】
同様に、第２のハース２０もスキマー２１によって、内部が溶融塩流入領域２２と溶融Ｔｉ領域２３とに区分されており、両領域２２、２３はスキマー２１の下部に設けられた連通口２４によって連通している。溶融塩流入領域側の側壁２６の上縁は、溶融Ｔｉ領域側の側壁２７の上縁よりも高く設定されており、双方の側壁２６、２７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。
【００２９】
溶融塩流入領域２２は、第１のハース１０のＴｉ高濃度領域１３から排出された液体または固液混合物を受けることができる位置に配置されている。また、第２のハース２０の上方には、首振り運動が可能であり、溶融塩流入領域２２および溶融Ｔｉ領域２３にプラズマ２９ａの照射が可能なプラズマトーチ２９が配置されている。
【００３０】
第１のハース１０および第２のハース２０としては例えば銅製の水冷ハースを使用することができ、スキマー１１、２１としては例えばＹ2Ｏ3（イットリア）やＡｌ2Ｏ3（アルミナ）等のセラミックス製の板を使用することができる。
【００３１】
次に第１のハース１０における操作について説明する。原料投入領域１２から原料１を投入し、プラズマトーチ１９からプラズマ１９ａを照射して、ＣａＣｌ2の融点以上、Ｔｉの融点未満に加熱し、Ｔｉ粉とＣａＣｌ2の溶融塩の固液混合物を生成させる。
【００３２】
そして、この固液混合物をＣａＣｌ2の融点（７８０℃）以上、Ｔｉの融点（１６８０℃）未満に保持し、ＴｉとＣａＣｌ2との比重差によってＴｉ粉を沈降させ、上層（溶融塩２）と、下層（Ｔｉ粉の含有率の高められた高濃度固液混合物３）の上下２層に分離させる。この場合の保持温度は、８００℃以上１０００℃以下とすることができる。
【００３３】
また、金属塩として、ＣａＣｌ2にＫＣｌ等を混合したものを使用してもよく、その場合には金属塩の融点がＣａＣｌ2に比べて低下するため、保持温度を７５０℃以上１０００℃以下とすればよい。
【００３４】
そして、原料１の溶融が進行するにともない随時原料１を原料投入領域１２に追加投入すると、追加した原料１も溶融する。そして、固液混合物は上下２層に分離した状態で原料投入領域１２およびＴｉ高濃度領域１３において液面が上昇する。
【００３５】
さらに、原料１を追加して、Ｔｉ高濃度領域側の側壁１７の上縁よりも液面が高くなると、Ｔｉ高濃度領域１３側の上層の溶融塩が第１のハース１０から第２のハース２０に排出され始める。上層の溶融塩が全て排出されると、Ｔｉ高濃度領域１３は高濃度固液混合物３のみが占める状態となり、高濃度固液混合物３が第２のハース２０に排出される。
【００３６】
原料１中のＴｉ濃度が２〜１０％である場合、第１のハース１０から排出される高濃度固液混合物３中のＴｉ濃度は３０〜６０％に上昇する。以下、原料または固液混合物におけるＴｉの含有率（重量％）をＴｉ濃度という。
【００３７】
一方、原料投入領域１２においても液面が上昇し、液面が原料投入領域側の側壁１６の上縁よりも高くなると、溶融塩２が排出され始める。排出された溶融塩２は、ＴｉＣｌ4の還元反応に再利用することができる。
【００３８】
原料１の追加は、少量ずつ連続して行ってもよいし、所定の時間をおいて行ってもよい。時間間隔が長くなる場合には、溶融塩２および高濃度固液混合物３は間欠的に第１のハース１０から排出される。
【００３９】
次に、溶融塩と金属を分離する分離槽である第２のハース２０における操作について説明する。第１のハース１０から第２のハース２０の溶融塩流入領域２２に流入した高濃度固液混合物３（最初に流入した少量の溶融塩を含む）にプラズマトーチ２９からプラズマ２９ａを照射して、Ｔｉの融点以上に加熱し、高濃度固液混合物３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ＣａＣｌ2との比重差によって溶融Ｔｉ５を沈降させ、上層（溶融塩４）と、下層（溶融Ｔｉ５）の上下２層に分離させる。
【００４０】
そして、第１のハース１０からの高濃度固液混合物３の流入が進行すると、溶融物は２層に分離した状態で溶融塩流入領域２２と溶融Ｔｉ領域２３において液面が上昇し、溶融Ｔｉ領域側の側壁２７の上縁から鋳型３０に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２３は溶融Ｔｉ５のみが占める状態となり、溶融Ｔｉ５が鋳型３０に排出され、Ｔｉインゴット６が鋳造される。
【００４１】
一方、溶融塩流入領域２２においても液面が上昇し、液面が溶融塩流入領域側の側壁２６の上縁よりも高くなると、溶融塩４が排出され始める。この溶融塩４も、ＴｉＣｌ4の還元反応に再利用することができる。
【００４２】
図１には、第１のハース１０のＴｉ高濃度領域１３および第２のハース２０の溶融Ｔｉ領域２３から溶融塩の排出が完了した後の定常状態が示されている。定常状態においては、第１のハース１０では、Ｔｉ高濃度領域１３から高濃度固液混合物３、原料投入領域１２から溶融塩２が排出され、第２のハース２０では、溶融Ｔｉ領域２３から溶融Ｔｉ５、溶融塩流入領域２２から溶融塩４が排出される。
【００４３】
このように、本発明の製造方法によれば、原料に含まれるＴｉとＣａＣｌ2とを分離するにあたって、まず第１のハース１０で、ＣａＣｌ2の融点以上、Ｔｉの融点未満の比較的低温でＴｉ濃度を高めた高濃度固液混合物を生成させ、Ｔｉ濃度の高いまま分離槽である第２のハース２０へ移送することができる。これに続いて、第２のハース２０では、ＣａＣｌ2が減少した高濃度固液混合物３の全体を、Ｔｉの融点以上の高温で溶融させ、溶融Ｔｉ５と溶融塩４とを分離する。
【００４４】
したがって、１個のハースでＴｉを含む原料の全体を高温で溶融させてＴｉを分離する従来の方法と比べて、Ｔｉの融点以上に加熱するＣａＣｌ2の量を減少させることができる。このため、原料に含まれるＴｉとＣａＣｌ2を分離するのに必要なエネルギーを大きく低減することができるとともに、装置を囲繞するチャンバーの内部でのＣａＣｌ2の蒸発量を低減し、チャンバー内部の汚染や、排気系の損傷を低減することもできる。
【００４５】
図１に示す定常状態では、Ｔｉの方がＣａＣｌ2よりも比重が大きいことから、第１のハース１０では原料投入領域１２側の液面の方がＴｉ高濃度領域１３側よりも高い状態、第２のハース２０では溶融塩流入領域２２側の液面の方が溶融Ｔｉ領域２３側よりも高い状態で安定する。
【００４６】
そのため、原料投入領域側の側壁１６の上縁をＴｉ高濃度領域側の側壁１７の上縁よりも高く設定することおよび溶融塩流入領域側の側壁２６の上縁を溶融Ｔｉ領域側の側壁２７の上縁よりも高く設定することができる。これにより、原料投入領域１２および溶融塩流入領域２２における上層（溶融塩２、４）の深さを確保し、それぞれ排出口から上層と下層との境界までの距離を大きくすることができ、Ｔｉ粉又は溶融Ｔｉをより多く沈降させることができるため、排出される溶融塩２、４中のＴｉ含有量を少なくすることができる。
【００４７】
〈第２の実施形態〉
図２は、本発明の第２の実施形態に係る金属の製造方法に用いる装置の構成例を示す図である。第２の実施形態は第１のハースにおいて高濃度固液混合物を溶融させる点が異なる以外は第１の実施形態と同様であり、図において実質的に同一の部分については同一の符号を付している。
【００４８】
本実施形態の定常状態では、第１のハース１０の原料投入領域１２においては、第１の実施形態と同様に、原料１の溶融した固液混合物はＣａＣｌ2の融点以上Ｔｉの融点未満に保持され、上層（溶融塩２）と、下層（高濃度固液混合物３）の上下２層に分離している。そして、下層の高濃度固液混合物３は、スキマー１１の下部に設けられた下層排出口１４からＴｉ高濃度領域１３に流入している。
【００４９】
Ｔｉ高濃度領域１３では、高濃度固液混合物３の液面へのプラズマ１９ａの照射により、液面近傍はＴｉの融点以上に保持され、高濃度固液混合物３中のＴｉ粉が溶融する。そのため、Ｔｉ高濃度領域１３のスキマー１１近傍では、原料投入領域１２から流入した高濃度固液混合物３が露出し、Ｔｉ高濃度領域側の側壁１７の近傍では、溶融塩４からなる上層と、この露出した高濃度固液混合物３中のＴｉ粉が溶融した溶融Ｔｉ５が沈降した下層の上下２層に分離する。
【００５０】
上述の、プラズマトーチ１９を用いた液面等の温度調整は、プラズマトーチ１９の首振り速度を調整し、各領域の液面等の近傍でのプラズマトーチ１９の滞在時間を調整することにより実現可能である。
【００５１】
そして、原料投入領域１２への原料１の追加により、Ｔｉ高濃度領域１３における液面が上昇すると、Ｔｉ高濃度領域側の側壁１７の上縁から溶融塩４および溶融Ｔｉ５が第２のハース２０に排出される。
【００５２】
第２のハース２０において、第１のハース１０から溶融塩流入領域２２に流入した溶融塩４および溶融Ｔｉ５を、プラズマ２９ａによって引き続きＴｉの融点以上に加熱、保持すると、ＴｉとＣａＣｌ2との比重差によって溶融Ｔｉ５が沈降し、上層（溶融塩４）と、下層（溶融Ｔｉ５）の上下２層に分離する。そして、第１の実施形態と同様に、第２のハース２０の溶融塩流入領域２２から溶融塩４が排出され、溶融Ｔｉ５は鋳型３０に排出され、Ｔｉインゴット６が鋳造される。
【００５３】
このように、第１のハース１０のＴｉ高濃度領域１３において、高濃度固液混合物３の液面近傍をＴｉの融点以上に保持することにより、高濃度固液混合物３の流動性が悪く第２のハース２０に排出されにくい場合でも、溶融塩４と溶融Ｔｉ５として溶融させ、排出することができる。
【００５４】
〈第３の実施形態〉
図３は、本発明の第３の実施形態に係る金属の製造方法に用いる装置の構成例および動作を示す図である。第３の実施形態は、第１の実施形態と比べ、第１のハースが揺動可能である点が異なる以外は同様であり、図３では第１のハースのみを示すとともに実質的に第１の実施形態と同一の部分については同一の符号を付す。
【００５５】
本実施形態では、第１のハース１０は下面に設けられた支軸１８によって、原料投入領域１２側が上昇するとＴｉ高濃度領域１３側が下降し、原料投入領域１２側が下降するとＴｉ高濃度領域１３側が上昇するように揺動可能に支持されている。
【００５６】
図３（ａ）は、定常状態において、溶融塩２および高濃度固液混合物３の排出が停止した状態、同図（ｂ）は、第１のハース１０の原料投入領域１２側を下降させ、溶融塩２を排出している状態、同図（ｃ）は、さらに原料投入領域１２側を下降させ、第１のハース１０から溶融塩２の排出を完了した状態、同図（ｄ）は、第１のハース１０のＴｉ高濃度領域１３側を下降させ、高濃度固液混合物３を排出している状態を示す図である。
【００５７】
図３（ａ）に示す水平な状態から、同図（ｂ）に示すように、第１のハース１０の原料投入領域１２を下降させ、溶融塩２を排出させる。このとき、高濃度固液混合物３を巻き上げないようにすることおよびスキマー１１の下端からＴｉ高濃度領域１３に溶融塩２が移行しないようすることに注意する。
【００５８】
そして、図３（ｃ）に示すように、さらに原料投入領域１２側を下降させ、所定量の溶融塩２の排出が完了すると、同図（ｄ）に示すようにＴｉ高濃度領域１３側を下降させ、高濃度固液混合物３を排出させる。
【００５９】
図３（ｃ）に示す状態から同図（ｄ）に示す状態に移行する間の、第１のハース１０を水平に戻した際には、スキマー１１の下端から液面が離れない量の高濃度固液混合物３を残すようにするのが望ましい。これは、スキマー１１の下端から液面が離れると、原料投入領域１２側の溶融塩２がＴｉ高濃度領域１３側に移行し、高濃度固液混合物３中のＴｉ濃度を低下させるとともに、新たに追加した原料が溶融した際に生成する溶融塩２がＴｉ高濃度領域１３側にも移行するからである。
【００６０】
高濃度固液混合物３の排出を完了した後は、第１のハース１０を再び図３（ａ）に示すように水平に戻し、原料投入領域１２から原料１を投入する。この一連の揺動動作の間、溶融塩２および高濃度固液混合物３の温度はＣａＣｌ2の融点以上、Ｔｉの融点未満に保持する。
【００６１】
このように第１のハース１０を揺動させることによって、高濃度固液混合物３の流動性が悪い場合でも、強制的に第２のハース２０に排出させることができる。
【００６２】
揺動させる場合に、図３（ｂ）および（ｃ）に示す原料投入領域１２側の下降を省略し、同図（ａ）の状態から直接同図（ｄ）に示すようにＴｉ高濃度領域１３側を下降させてもよい。しかし、原料投入領域１２側の溶融塩２がＴｉ高濃度領域１３側に移行するのを抑制するため、高濃度固液混合物３の排出に先立って、原料投入領域１２の下降による溶融塩２の排出を行うことが望ましい。
【００６３】
また、このような揺動は、第１のハース１０のみならず第２のハース２０で行ってもよい。これにより、溶融Ｔｉ５の流動性が悪い場合でも、第２のハース２０から鋳型３０に排出することができる。
【実施例】
【００６４】
本発明の金属の製造方法の効果を確認するため、下記の製造実験を行い、その結果を評価した。
【００６５】
１．製造条件
図１に示す製造装置を用いて、原料を溶融塩とＴｉに分離し、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。チャンバー内雰囲気はアルゴン雰囲気とし、第１のハースと第２のハースとは同じものを用いた。
【００６６】
表２は、原料組成、重量ならびに第１のハースおよび第２のハースにおける溶融電流量および溶融時間の条件である。原料は、Ｔｉ粉を２重量％とＣａＣｌ2を９８重量％含有する混合物とし、３０００ｇ用いた。
【００６７】
溶融電流とは、プラズマトーチに流す電流である。第１のハースにおける溶融電流は、比較例では、原料全体が溶融するように設定し、本発明例では、原料のうちＣａＣｌ2のみが溶融し、Ｔｉ粉と溶融塩との固液混合物が生成するように設定した。第２のハースにおける溶融電流は、比較例、本発明例とも、原料全体が溶融するように設定した。
【００６８】
【表１】
【００６９】
【表２】
【００７０】
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、第１のハースでのＣａＣｌ2の蒸発量、高濃度固液混合物中のＴｉ濃度、Ｔｉインゴットの鋳造の可否および使用総エネルギー量を指標として評価を行った。使用総エネルギー量とは、第１のハースに原料の投入を開始してからインゴットの鋳造が完了するまでの間に、第１のハース用のプラズマトーチと第２のハース用のプラズマトーチで使用したエネルギー量の合計である。第１のハースでのＣａＣｌ2の蒸発量および使用総エネルギー量については、比較例を１とした相対量で示した。
【００７１】
【表３】
【００７２】
表３に示すように、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。さらに本発明例では、比較例よりも第１のハースでの溶融電流量を少なく設定したため、第１のハースでのＣａＣｌ2の蒸発量および使用エネルギー量を比較例と比べて低い値とすることができた。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明の金属の製造方法は、第１のハースにおいて、金属塩のみが溶融し、金属粉が溶融しない温度に原料を保持して生成した固液混合物において、溶融塩を除去して金属粉濃度を上昇させた後、第２のハースで固液混合物の全体を溶融させるため、金属粉の融点以上に加熱する溶融塩を減少させることができるため、原料から金属を分離する際のエネルギー効率を向上させることができる。
【００７４】
したがって、本発明の金属の製造方法によれば、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り、例えば金属Ｔｉの製造において有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る金属の製造方法に用いる装置の構成例を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る金属の製造方法に用いる装置の構成例を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る金属の製造方法に用いる装置の構成例および動作を示す図であり、（ａ）は、定常状態において、溶融塩および高濃度固液混合物の排出が停止した状態、（ｂ）は、第１のハースの原料投入領域側を下降させ、溶融塩を排出している状態、（ｃ）は、さらに原料投入領域１２側を下降させ、第１のハースから溶融塩の排出を完了した状態、（ｄ）は、第１のハースのＴｉ高濃度領域側を下降させ、高濃度固液混合物を排出している状態を示す図である。
【符号の説明】
【００７６】
１ 原料
２ 溶融塩
３ 高濃度固液混合物
４ 溶融塩
５ 溶融Ｔｉ
６ Ｔｉインゴット
１０ 第１のハース
１１ スキマー
１２ 原料投入領域
１３ 金属高濃度領域（Ｔｉ高濃度領域）
１４ 下層排出口
１６ 側壁（原料投入領域側）
１７ 側壁（Ｔｉ高濃度領域側）
１８ 支軸
１９ プラズマトーチ
２０ 第２のハース（分離槽）
２１ スキマー
２２ 溶融塩流入領域
２３ 溶融Ｔｉ領域
２４ 連通口
２６ 側壁（溶融塩流入領域側）
２７ 側壁（溶融Ｔｉ領域側）
２９ プラズマトーチ
３０ 鋳型
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記（ａ）〜（ｆ）の工程を備える金属の製造方法。
（ａ）スキマーによって区分され、上部に上層排出口、前記スキマーの下部に下層排出口を有する原料投入領域を備える第１のハースの前記原料投入領域に、金属塩と前記金属塩よりも融点の高い金属からなる金属粉との混合物を供給する工程、
（ｂ）前記第１のハースの原料投入領域中の混合物を、プラズマを用いて前記金属塩の融点以上前記金属の融点未満に加熱、保持し、前記金属塩と前記金属との比重差によって、前記金属塩が溶融した溶融塩からなる上層と、前記溶融塩と前記金属粉が混合し、前記混合物よりも前記金属粉の濃度の高まった高濃度固液混合物からなる下層の２層を形成する工程、
（ｃ）前記上層の溶融金属塩を前記上層排出口から排出し、前記下層の高濃度固液混合物を前記下層排出口から排出する工程、
（ｄ）前記下層排出口から排出された前記高濃度固液混合物を、前記金属の融点以上に加熱して、前記高濃度固液混合物中の前記金属粉を溶融させ、液体混合物とする工程、
（ｅ）前記液体混合物を前記金属の融点以上に保持し、比重差によって前記溶融塩からなる上層と前記金属粉が溶融した溶融金属からなる下層を形成する工程、および
（ｆ）前記溶融塩から分離した前記溶融金属を凝固させる工程。
【請求項２】
前記金属塩がＣａＣｌ2であり、前記金属がＴｉであることを特徴とする請求項１に記載の金属の製造方法。
【請求項３】
前記第１のハースが、前記スキマーによって、前記原料投入領域と、金属高濃度領域とに区分されるとともに、前記原料投入領域および前記金属高濃度領域が前記スキマーの下方に設けられた前記下層排出口によって連通され、前記金属高濃度領域に、前記高濃度固液混合物が排出されることを特徴とする請求項１または２に記載の金属の製造方法。
【請求項４】
前記工程（ｃ）において、前記下層の高濃度固液混合物を第２のハースに排出し、
前記工程（ｄ）および前記工程（ｅ）を、前記第２のハースにおいて、プラズマを用いて前記高濃度固液混合物を加熱することによって行うことを特徴とする請求項１または２に記載の金属の製造方法。
【請求項５】
前記工程（ｃ）において、前記下層の高濃度固液混合物を前記金属高濃度領域に排出し、
前記工程（ｄ）および前記工程（ｅ）を前記金属高濃度領域において、プラズマを用いて前記高濃度固液混合物を加熱することによって行うことを特徴とする請求項３に記載の金属の製造方法。
【請求項６】
前記工程（ｃ）において、前記第１のハースを揺動させることにより前記高濃度固液混合物を排出することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の金属の製造方法。
【請求項１】
下記（ａ）〜（ｆ）の工程を備える金属の製造方法。
（ａ）スキマーによって区分され、上部に上層排出口、前記スキマーの下部に下層排出口を有する原料投入領域を備える第１のハースの前記原料投入領域に、金属塩と前記金属塩よりも融点の高い金属からなる金属粉との混合物を供給する工程、
（ｂ）前記第１のハースの原料投入領域中の混合物を、プラズマを用いて前記金属塩の融点以上前記金属の融点未満に加熱、保持し、前記金属塩と前記金属との比重差によって、前記金属塩が溶融した溶融塩からなる上層と、前記溶融塩と前記金属粉が混合し、前記混合物よりも前記金属粉の濃度の高まった高濃度固液混合物からなる下層の２層を形成する工程、
（ｃ）前記上層の溶融金属塩を前記上層排出口から排出し、前記下層の高濃度固液混合物を前記下層排出口から排出する工程、
（ｄ）前記下層排出口から排出された前記高濃度固液混合物を、前記金属の融点以上に加熱して、前記高濃度固液混合物中の前記金属粉を溶融させ、液体混合物とする工程、
（ｅ）前記液体混合物を前記金属の融点以上に保持し、比重差によって前記溶融塩からなる上層と前記金属粉が溶融した溶融金属からなる下層を形成する工程、および
（ｆ）前記溶融塩から分離した前記溶融金属を凝固させる工程。
【請求項２】
前記金属塩がＣａＣｌ2であり、前記金属がＴｉであることを特徴とする請求項１に記載の金属の製造方法。
【請求項３】
前記第１のハースが、前記スキマーによって、前記原料投入領域と、金属高濃度領域とに区分されるとともに、前記原料投入領域および前記金属高濃度領域が前記スキマーの下方に設けられた前記下層排出口によって連通され、前記金属高濃度領域に、前記高濃度固液混合物が排出されることを特徴とする請求項１または２に記載の金属の製造方法。
【請求項４】
前記工程（ｃ）において、前記下層の高濃度固液混合物を第２のハースに排出し、
前記工程（ｄ）および前記工程（ｅ）を、前記第２のハースにおいて、プラズマを用いて前記高濃度固液混合物を加熱することによって行うことを特徴とする請求項１または２に記載の金属の製造方法。
【請求項５】
前記工程（ｃ）において、前記下層の高濃度固液混合物を前記金属高濃度領域に排出し、
前記工程（ｄ）および前記工程（ｅ）を前記金属高濃度領域において、プラズマを用いて前記高濃度固液混合物を加熱することによって行うことを特徴とする請求項３に記載の金属の製造方法。
【請求項６】
前記工程（ｃ）において、前記第１のハースを揺動させることにより前記高濃度固液混合物を排出することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の金属の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００９−２９９０９８（Ｐ２００９−２９９０９８Ａ）
【公開日】平成２１年１２月２４日（２００９．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１５１９１２（Ｐ２００８−１５１９１２）
【出願日】平成２０年６月１０日（２００８．６．１０）
【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２１年１２月２４日（２００９．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月１０日（２００８．６．１０）
【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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