Review on Titanium Refining Research, and Future Scope for Development of New Production Process

Abstract

For increasing demand of titanium-based materials, and for making contribution to the development of Jap-anese material industry, it is essential to reduce production cost of titanium by developing new reduction process of titanium, which can replace the current Kroll process. When reviewing the past research works, there are many original studies and technologies developed. However, most of these technologies are not sufficient for practical development of the new process. The combination of some of these key technologies is expected to induce germination of the new process. After designing the target new process by assorting and arranging the past research findings , general program for development of the new process has to be initiated. 1．は じ め に チタンは比強度が高く耐食性，優れた機能特性等を持つ有用な 金属であり商業生産開始以来，半世紀あまりを経ているが展伸材 の年間の需要は全世界でいまだ5 万 t 程度にすぎない (中村， 2001)。 金属チタン製造には，チタン原鉱石から精製四塩化チタンをつく り，これをマグネシウムで還元してスポンジチタンとし，さらに これを溶解精製して金属チタンとする。この工程は複雑で生産性 は低く製造コストは非常に高くこれがチタンの需要拡大への大き な障害となっている。精製四塩化チタンからマグネシウム還元に よるスポンジチタン製造はクロール法と呼ばれ工業的に広く用い られ，純度の高いスポンジチタンが得られるという点で優れた技 術であるが，四塩化チタンの製造，その還元，副生物塩化マグネ シウム電解によるマグネシウムの再生の各工程はそれぞれ同程度 の製造コストを要し，さらにスポンジチタンの溶解精製にはスポ ンジチタン製造と略々同程度のコストを必要とする。クロール法 に代わる溶解精製を含めた簡素で低廉なチタン製錬プロセスが開 発されればチタン業界は大きく発展することができるが，いまの ところ確定的なものはない。重要な金属資源の入手には技術的な 協力が必要とされている今日 (後藤，1999)，資源に乏しいわが国 が今後の金属資源を確保するためにも率先して新しいチタン製錬 プロセスを確立することは大きな意義がある。技術産業立国を目 指す日本の素材産業の発展に寄与するため，従来のチタン製錬に 関する研究を概観総括し，問題点を整理し，チタンの新製錬技術 の開発について述べる。 2．チタン製錬プロセス研究の概要 20 世紀の半ばより，チタン還元プロセスはクロール法に定着し てからはチタンの優れた特徴が認識されるとともにその製錬の合 理化が種々検討され多様な研究結果が発表されている。米国では 戦略物質としてチタン製錬プロセスの合理化に努力し，NMAB (National Material Advisory Board) のような公的機関を中心として 精力的に活動し広範な調査検討を行ったが (野田，1991；大倉， 1976)，現在，研究は個々の努力に任せ，製造者と流通業界が一体 となって毎年開催される ITA (International Titanium Association) 等 をチタン発展の総合的な検討の場としている。世界的には 4 年ご とに開催される世界チタン国際会議 WCT (World Conference on Titanium) でも最近は還元プロセスをはじめとする製錬に関する研 究発表は合金開発等の研究に比べて極めて少ない。還元プロセス の新技術としては，最近 Nature 誌に発表されケンブリッジ大の Fray らによって提唱された酸化物の直接還元が話題となっている に過ぎない (Chen et al.，2000)。わが国ではチタンと酸素その他不 純物の挙動に関する基礎研究が精力的に行われ，高純度化，不純 物除去プロセスに関する研究も進展し今後の新しい技術開発の策 定に多くの示唆を与える基礎的な知見が得られている。チタンの 製錬プロセスは金属熱還元法，電解採取法に大別されるが以下こ れらについて概説する。 2・1 チタン製錬の特徴 天然に産出するチタン鉱石は酸化物が主体であり表 1 に示すよ ＊ 2001 年 12 月 27 日受付 2002 年 5 月 24 日受理 1. NKR 代表 2. 普通会員 工博 東京大学助教授 生産技術研究所 3. 普通会員 工博 京都大学名誉教授 [ 著者連絡先 ] FAX 0468-73-9285 (NKR) E-mail：kaworu.nikami@nifty.ne.jp キーワード：チタン製錬， 還元プロセス， カルシウム熱還元， 直接還元， レビュー， 技術開発，クロール法 資源と素材 118 (2002) N o.8 529〈 5 〉 表 1 チタン鉱石の化学成分