2018 Fiscal Year Annual Research Report

アルカリ金属によるチタンの還元反応メカニズムの解明と新プロセスのための学術指針

Research Project

Project/Area Number	18H05340
Allocation Type	Single-year Grants
Research Institution	Kyoto University
Principal Investigator	宇田哲也京都大学, 工学研究科, 教授 (80312651)
Project Period (FY)	2018-06-29 – 2022-03-31
Keywords	チタン製錬
Outline of Annual Research Achievements	私たちのグループでは、現在工業的に主流であるクロール法(マグネシウム還元法）の反応メカニズムを解明してきた。本研究では、その経験を活かしハンター法（ナトリム還元法）とクロール法では生成チタンの形状ならびに生成部位が違うことの理由を探り、その上で、新しい発想による新プロセスの提案を行う。具体的な課題は以下の２点である。課題１　ハンター法によるチタンの還元反応のメカニズムの解明課題２　クロール法ならびにハンター法の反応メカニズムの解明を基にした革新的なプロセスの提案まずは、反応のその場観察による反応メカニズムの解明を第一目的として実験を行った。実験の開始に当たって、マイクロフォーカスX線装置用に金属箔を照射窓として有する反応容器セルを作製し、X線透過による最適なX線強度の調査を行った。また、ドラフト内で、X線透過実験に用いる反応容器と同じ反応容器を用いて、予備的にTiCl4のNa還元を実施した。最初の実験では、外側の反応容器に用いている石英が割れるトラブルもあったが、Na蒸気と石英との接触を極力防止できる工夫を行うことで、清浄な状態を保ったまま実験を行うことに成功し、文献で報告されているように、Mg還元と異なり、100ミクロン以下の粒径の粉状のチタンを確認できた。また、金属ナトリウムを用いた還元実験は、私たちにとって今回が初めての経験であり、次年度以降の研究にとって、貴重なノウハウを修得することができた。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 関連する技術課題を解決し、その場観察の準備が整った。現在までの進捗状況は、具体的には下記のようである。 X線の透過窓を有する容器として、5 mm厚のSUS430製のコの字型鋼材に厚さ0.03 mmのSUS430箔を挟み込むことで反応容器を作製した。この反応容器に角状の金属Na を充填し、石英製の密閉容器内に設置した後、内部をアルゴンで置換した。この密閉容器を電気炉で780 ℃まで昇温してNaを溶融させた後、SUS304製の鋼管を通して溶融Na上にTiCl4液体を滴下供給した。予備実験の結果、還元中に石英の密閉容器が割れるというトラブルが発生した。割れた石英容器の内側は激しく腐食しており、割れ付近に付着していたサンプルをXRDで分析した結果、TiO2やNaClが検出され、NaやTiCl4の蒸気が石英容器壁面まで到達していたことが確認された。このことからNaが容器と反応することで割れにつながったものと推定された。そこで本研究ではNa蒸気と石英との接触を防止するため、石英容器の内側をX線が透過可能な厚さのSUS430箔で内張りすることを考案した。この手法を取り入れたことにより、石英との反応が抑制され清浄な状態を保ったまま実験を行うことに成功した。EDXの分析結果から液面付近に堆積しているものは還元で生成したTiと副生成物のNaClであると確認された。また、文献で報告されているようにNa還元ではMg還元と異なり<100 μmの粉末状Tiが多く生成されていることが確認できた。この予備実験で得られた反応容器に様々な加速電圧・電流値でのX線を照射することで、X線透過像におけるTi、NaおよびNaClによるコントラストが明瞭となるX線の条件を得た。本研究で用いているW線ターゲットの封入型X線管球では、加速電圧90 kV　電流値 600 μAで明瞭なコントラストを得た。
Strategy for Future Research Activity	H30年度の知見を活用し、本年度は、X線装置内において、溶融金属Naを設置した反応容器セルに、液送ポンプを用いTiCl4を供給し、Na還元によってTiCl4が還元される様子をマイクロフォーカスX線透過観察法で観察する。各種反応温度で実験を行い、金属Tiが生成する様子を確認する。なお、TiCl4は、大気中に漏洩すると、水分と反応し、HClガスが生成する。よって、万が一、漏洩が起こったとしても、HClガスを強制排出するシステムを用意済みである。さらに、そのような漏洩が起こらないような、緊急リーク経路の確保も既に行っており、ただちに実験を行う体制が既に整っている。その場観察実験後は、反応容器全体を樹脂埋めし、反応部位の把握、反応で生成したチタンの形態をEPMAなどで観察する。その後、マグネシウム還元によるその場観察実験の結果などと比較し、粉末チタン形成のメカニズムを突き止める。さらには、TiCl2を経由する２段還元法のその場観察実験も行い、最終的には、マグネシウム還元とナトリウム還元を組み合わせた新プロセスの模索を行っていく。