Promotion of Solid TiO2 Reduction by Molten Magnesium from the Perspective of Reaction Mechanisms

Keita Ouchi, Yoshinao Kobayashi, Rie Endo, Masahiro Susa
2013 Tetsu to hagane  
緒言 金属チタンは比強度が大きく,耐腐食性に優れているこ とから,航空機エンジンや機体用素材などの航空・宇宙産 業の製品,化学プラントなどの製造産業装置,そしてメガ ネのフレームやゴルフヘッドなどの一般産業用品まで,幅 広く用いられている 1) 。今後,さらなるチタンの用途拡大 による需要増加が見込まれており,金属チタンの生産性向 上が求められている。現在,金属チタンは主にクロール法 で生産されている。クロール法は以下の式 (1)および(2) で表わされる反応による 2 段階プロセスからなる。 (1) (2) まず,式(1)の塩化反応により酸化チタンを四塩化チタン とする。そして式(2)の四塩化チタンのマグネシウムによ る還元反応により,金属チタンを生成し,半製品としての スポンジチタンを得る。このように,クロール法は塩化・ 還元の 2 工程からなる操業時間の長いプロセスであるた め,酸化チタンを直接還元できる方法があれば操業時間の 短縮につながり,生産性の観点からは望ましい。その際の 還元剤はいくつかの条件を満たす必要がある。まず,還元
more » ... 化物よ りも安定であることが必要であり,これに該当する金属と してアルミニウム,マグネシウム,カルシウムなどが挙げ られる。次に,還元剤がチタンに対して高濃度に固溶せず, かつチタンと中間化合物を形成しないことが必要である。 上述の金属のうち,アルミニウムはチタンと TiAl 相などの 金属間化合物を生成することから酸化チタンの還元剤と しては適さない。カルシウムはこの条件を満たし,酸化チ タンのカルシウム還元については Ono ら 2-4) が詳細に明ら かにしているが,カルシウムが高価であることが問題とな る。またカルシウムは,高清浄度が要求される産品の素材 溶製時に精錬用還元剤として用いられることがほとんどで あることから,それ自体が構造材料などの製品に使用され ることはなく,市中回生材として再利用できる可能性もな い。 マグネシウムはその酸化物がチタンより安定であり,チ タンとは金属間化合物を生成せず,かつチタンとマグネシ 論 文 固体 TiO 2 の溶融マグネシウムによる還元機構と反応の促進 Synopsis : The possibility of direct reduction of TiO 2 by molten magnesium has been investigated using TiO 2 single crystals and powders. First, reduction experiments were carried out using TiO 2 single crystals at 1173 K for up to 8 h, resulting in formation of two layers consisting of oxide phases with different Mg and Ti concentrations between magnesium and TiO 2 , in which layers TiO 2 was reduced only to TiO 0.5 as a maximum and there was no metallic titanium obtained. The thicknesses of both the oxide layers increased according to the parabolic rate law, and Mg is reported to have diffusivity greater than the others, suggesting that the reduction rate of TiO 2 is controlled by the diffusion of Mg across the oxide layers. Second, reduction experiments were carried out using TiO 2 powers having 45 and 100 μm diameters at 1173 K for up to 48 h, resulting in reduction of TiO 2 to form metallic titanium, TiO 0.5 and TiO, indicating the effect of change in figuration of TiO 2 from single crystal to powder. However, difference in powder size did not appear in the degree of reduction presumably due to sintering effect during reduction. Finally, reduction experiments were carried out using TiO 2 powers having 45 μm diameters with additions of MgCl 2 at 1173 K for 30 h because MgCl 2 is miscible with MgO. TiO 2 was reduced to form only metallic titanium and TiO 0.5 , without TiO remaining as titanium oxide, suggesting the removal effect of MgO by MgCl 2 which may allow continuous reduction on the TiO 2 surface. Consequently, it has been found that additions of MgCl 2 are effective to promote reduction of TiO 2 by molten magnesium.
doi:10.2355/tetsutohagane.99.433 fatcat:rsa2cin2ujfxhggqsbp2k4udgq