JP2005538252A - ＴｉスラリーからＴｉを分離する方法 - Google Patents

Abstract

液体金属及び金属粒子及び塩の粒子の元の成分のスラリーから金属粒子を分離する方法が開示されている。金属及び塩の粒子は少なくともいくらかの液体金属を除去することで濃縮され、その後、更に金属粒子を濃縮するために、液体金属又は元の塩成分の液体又はそれらの混合物を、元の塩成分の融点より高い温度で、金属粒子内を通す。その後、金属粒子を、残りの元の成分又は塩成分から分離する。液体金属と塩との間の比重の相違も分離を促進するために用いる。

Description

本発明は、米国特許第５，７７９，７６１号、第５，９５８，１０６号及び第６，４０９，７９７号明細書に開示されているような生成物を製造するための方法及びアームストロング法（Armstrong Process）の操作の間に製造されるスラリーからの、不要な成分の分離に関する。それらを参照することで、各々の開示は、本明細書に組み込まれる。

上述の組み込んだ特許に記載されているように、例えば、過剰のナトリウムを用いて四塩化チタンを還元することにより、チタン又はチタン合金を製造する連続製造方法が開示されている。反応器から出る生成物の流れ（又はストリーム）は、液体金属、塩の粒子又はパウダー（又は粉）及び粒子又はパウダーとしてのチタン金属又は合金のスラリーである。本発明は、アームストロング法に基づいて製造することができるいずれの材料にも関することを、理解するべきである。アームストロング法によって製造されるスラリーは、濾過されて、金属パウダー又は粒子、塩のパウダー又は粒子及び過剰の液体還元剤金属のゲル又はゲル状の材料（又は物質）が形成される。金属粒子又はパウダーである所望の目的生成物から、例えば過剰の液体金属、塩の粒子等の不要の（又は望ましくない）成分を分離するために、このスラリーを、処理しなければならない。

本発明の要約
チタンとその合金に関するアームストロング法を改良する際に、上述のスラリーを製造する方法は極めて迅速であり、スラリーからの生成物の分離が連続法のエンジニアリングに関して最も困難な状況であることを見出した。この説明（又は記載）は、四塩化チタンとナトリウムとの発熱を伴う還元反応を行って、チタン粒子、塩化ナトリウム粒子及び過剰のナトリウムを生ずることに関するが、このことは本発明を制限するものではなく、便宜的なものとして解すべきである。

従って、液体金属及び金属パウダー又は金属粒子及び塩のパウダー又は塩の粒子のスラリーから、金属パウダー又は金属粒子を分離する方法を提供することが、本発明の目的である。

更に本発明の他の目的は、スラリーから両方の成分を分離するために不要な成分の一を用いるタイプの、スラリーから金属粒子を分離する方法を提供することである。

更にまた、本発明の目的は、液体金属及び金属粒子及び塩の粒子の元の（又は最初の）成分のスラリーから金属粒子を分離する方法を提供することであって、液体金属の少なくともいくらかを除去することで金属粒子及び塩の粒子を濃縮すること、元の塩成分又はそれらの混合物の融点より高い温度で、液体金属又は液体の元の塩成分又はそれらの混合物を、濃縮された金属及び金属粒子に通して、更に金属粒子を濃縮すること、及びその後に、金属粒子を、残りの元の成分又は塩成分の混合物から分離することを含んで成る方法を提供することである。

本発明の最後の目的は、液体金属及び金属粒子及び塩の粒子の元の成分のスラリーから金属粒子を分離する方法を提供することであって、元の成分のスラリーを、液体の塩を有する容器に入れること（ここで、その中で、最も軽い液体金属と最も重い金属粒子の比重の相違のために層が形成され、容器の底部に向かって金属粒子の濃度が増加する）、容器から液体金属を取り出すこと、容器からいくらかの液体の塩を有する濃縮された金属粒子を分離すること、金属粒子から塩を濾別すること、その後冷却し、金属粒子から塩を水洗することを含んで成る方法を提供する。

本発明の追加の長所、目的及び新規な特徴は、下記の試験の際に、本発明を行うことによって、当業者に明らかになるであろう。

本発明は、ある新規な特徴とパーツ（要素又は部品）の組み合わせから成り、以下に十分に説明し、添付した図面を参照して例証し、特に添付した特許請求の範囲に示す。本発明の精神から離れることなく、また、本発明のいずれかの長所を犠牲にすることなく、細部の種々の変更を行えることは、理解されるであろう。

本発明の理解を容易にするために、添付した図面にその好ましい態様を説明しており、下記の説明と一緒に考慮して、それらを検討することで、本発明、その構成及び操作、その多くの長所を容易に理解し正しく理解することができるであろう。

発明を実施するための形態

以下、図面、より特には図１を参照するが、ドーム状の上部１７及び円錐台状の下部１８及び容器１５の下部から伸びる出口パイプ１９を有するおおむね円筒形の部分１６を容器１５が有する分離系（又はシステム）１０が示されている。上述の特許に開示されているタイプの反応器２０は、外側の液体金属又はナトリウムチューブ２１及び内側のハロゲン化物蒸気又は四塩化チタンチューブ２２を有する。上述したように、液体金属又はナトリウム供給タンク２５は、ナトリウム又は他の液体金属を反応器２０にフィードし、ハロゲン化物ボイラー２６は、適するハロゲン化物の蒸気を反応器２０に供給する。

容器１５の内部に、下向きに傾斜したバッフル２８が有り、バッフル２８は、ナトリウム又は液体金属出口２９におおむね対向し、より鋭角に伸びる末端２８ａを有する。流体入口３４及び流体出口３５を有する熱交換器３３につながる金属又はナトリウムポンプ３１と、液体金属出口２９は流体連絡している。液体金属補給ライン３７は、供給タンク又はリザーバー２５と連絡している。当業者には周知のように、ベントライン３８が、タンク又はリザーバー２５に設けられている。

アクチュエーター（又は作動装置）４１を有するバルブ４０は、容器１５の出口１９に配置されており、出口１９は、二つの出口ライン４２及び４３と連絡している。二つの出口ラインの各々には、ライン４２に記載されているバルブ４４のようなバルブが設けられている。

フィルターアセンブリ４５は、以下に示す目的のために傾斜したフィルター付きプレート４７及びコンテナ４６を含む。不動態化（又は不活性化）ガス入口５０は、不動態化ガスのソース（図示せず）とコンテナ４６との間にバルブ５１を有する。減圧乾燥ライン５２は、コンテナ４６から出て、それにはバルブ５３が設けられている。コンテナ４６の底部のスラリー出口ライン５６には、バルブ５７が設けられ、塩の出口ライン６１には、バルブ６２が設けられている。最後に、水洗入口パイプ６６には、バルブ５７が設けられている。

下記のようにして、分離系１０を操作するが、本願明細書に組み込んだ上述したアームストロング特許に記載されたような方法によって、金属又は合金等の材料が、反応器２０で製造される。例示の目的に過ぎないが、ナトリウム又はマグネシウム等のアルカリ金属又はアルカリ土類金属によって、四塩化チタン蒸気又は合金用の複数のハロゲン化物蒸気の還元により、チタン又はチタン合金を製造し得る。合金は、適量のハロゲン化物蒸気を混合すること及び上述した方法と全く同じ方法でそれらを還元することによるアームストロング法を用いて容易に製造することができる。いずれにしても、反応を制御するために大過剰の還元剤金属を用いることで、過剰の還元剤金属（例えば、ナトリウム）、金属粒子（例えば、チタン）及びもう一つの反応生成物（例えば、塩の粒子、塩化ナトリウム）のスラリーを生成することとなる。反応器２０を出たスラリーは、一例では、存在する過剰の還元剤金属の量によって、制御された種々の温度となり得る。

実際の例では、スラリーは、約１０重量％までの粒子を典型的に有する。粒子は、約１０〜約５０ミクロンの平均直径を有する塩であり得、約０．１ミクロン〜約５００ミクロンの範囲の平均直径を有するチタンであり得、チタン粒子又はパウダーは、約１〜１０ミクロンの範囲であることがより好ましく、約５０ミクロン〜約１０００ミクロンの間の範囲のチタンの凝集したリガメント（ligament）（塊）であってよい。液体金属、塩の粒子及びチタン粒子の混合物は、ノズル２０を出て、容器１５に入る。容器１５において、塩は、ナトリウムの出口２９より低い限り、任意に選択し得るレベルとして示す。塩は、反応生成物の塩、例えば塩化ナトリウムであり得、又は反応生成物の塩より低い融点を有する塩の混合物であり得る。上述したように塩はいずれの塩であってよいが、好ましくは、塩は、反応生成物又はそれの混合物、例えば、約６００℃で融解する塩化カルシウム−塩化ナトリウム等の共融混合物であることが好ましい。

全体の系１０は、より低い温度で操作してよい。例えば、塩化ナトリウムは、約８５０℃で融解する。もし容器１５の塩が塩化ナトリウムである場合、容器１５は、その融点以上の温度で操作しなければならないが、共融混合物は６００℃で融解するので、このことは操作温度を低下させる。いずれにしても、どの塩が、容器１５のレベル３０で存在するかに関係なく、液体金属は、密度の相違のため浮上し、ナトリウム又は液体金属ポンプ３１によって出口２９を通って抜き出される。適する入口及び出口ライン３４、３５を有する熱交換器３３は、容器１５において６００℃（例として示すにすぎない）からナトリウムの温度を低下させるように作用し、リサイクルされるナトリウムは、予め選択された温度（例えば、約４００℃）で反応器２０に入る。バッフル２８と２８ａは、反応器２０から容器１５に入る粒子がナトリウムの出口２９に吸い込まれることを防止する。

粒子は容器１５の下部１８内に沈降するので、ライン２９を通してナトリウムを除去することで、粒子の濃度は増加する。バルブ４０を作動させると、濃縮されたスラリーは、出口１９からライン４２を通って、フィルターアセンブリ４５の中に排出される。融解した塩を液相に保持するために十分な温度に維持されたフィルターアセンブリ４５の中で、金属粒子はフィルタープレート３７の上に集まるが、フィルタープレートを通過する塩は、例えば電解槽（図示せず）に戻るためにライン６１を通って出る。バルブ６２はライン６１を開いて塩が流れ出ることを可能にするが、バルブ５７は材料がフィルターアセンブリ４５を出ることを防止するために閉じられている。十分なフィルター・ケーキが蓄積した後、バルブ６２を閉じ、バルブ４４を閉じ、フィルター・ケーキが約１００℃以下に冷却した後減圧乾燥ライン５３を開き、アルゴンと割合が小さいパーセントの酸素から成り得る不動態化ガスをバルブ５１の作動によってコンテナ４６の中に入れてもよい。いくらかの塩を有する主にチタンのパウダーであり得るフィルター・ケーキが不動態化された後、バルブ５１を閉じ、水洗バルブ６７を開き、それによって、水がコンテナ４６の中に入れられ、塩を溶解し、フィルター・ケーキをライン５６を通して移動させて、洗浄と分級を終了するが、水洗の前にバルブ６７は、開かれていることが理解されるべきである。フィルターアセンブリ４５からライン６１を通って出る塩は、ライン６１ａに示すように、容器１５に再び循環することができる。

従って上述したように、分離系１０は、乾燥蒸気と還元剤金属との反応の間に生成した塩及び金属粒子と、スラリーの不要の液体金属成分との間の比重の相違に左右される。この分離系１０は、バッチ系であるが、当業者には周知のように、簡単なバルブ分配系を介して、必要に応じて一のフィルターアセンブリ４５から他のフィルターアセンブリに、迅速にサイクルで操作することができる。

上記の例は、ナトリウムと四塩化チタンを用いて説明したが、アームストロング法によって製造されるいずれの材料でも上述の方法で分離し得ることが理解されるべきである。

図２は、別の態様の分離系８０であって、容器８５は、容器１５と同様であり、円筒形の部分８６、ドーム状の上部８７及び円錐台状の下部８８（それから伸びる出口８９を有する）を有する。上述したものと同じタイプの反応器９０は、容器８５と連絡しており、ハロゲン化物の入口９１及び還元剤金属入口９２を有する。スラリーの出口９３は、容器８５の上部８７と連絡している。フィルター９５は、当業者に既知のいずれかの適するフィルターであるが、例示の目的に過ぎないが、１２５ミクロンの粒子までを通すサイズの「ウェッジ・スクリーン・フィルター：wedge screen filter」が好ましい。フィルター９５を通って流れる材料は、出口ライン９６を通って容器８５から出て、重力分離器９７の中に流れ込む。重力分離器９７は、円錐台形であり、より重い材料、この場合塩化ナトリウムが流れる出口ライン９９を有する。出口ライン９８は、より軽い材料、この場合ナトリウムを取り出し、それを適するフィルター及び他の機構（図示せず）を通して、反応器９０にリサイクルする。この態様において、塩、この場合塩化ナトリウムが液体であり又は融解しているように、容器８５は、当業者に既知の、内部又は外部ヒーターを用いて約８５０℃の高温に維持される。大過剰の融解したナトリウムは、粒子の周りの塩化ナトリウムを置換し、従って、ナトリウムと塩は、フィルタープレート９５を通って重力分離器９７の中へ流れ、上述したようにリサイクルされる。適当なフィルター・ケーキが、フィルタープレート９５上に蓄積した後、バルブは閉じられ、その後フィルター・ケーキは、更に処理するために取り出される。ここに開示した態様の長所は、不要な成分の一つ、即ち、液体金属ナトリウムを、他の不要な成分、この場合融解した塩を置換するために用いるということである。リサイクルする前にライン９８の取り出されるナトリウムの温度を低下させるために、及び容器８５と容器９７内の融解状態の塩の温度を保ち加熱するために、適する熱交換器が必要である。

更に、図３を参照して、分離系１００として、本発明の他の態様を説明する。態様１０及び８０で説明したものと同様の装置が、分離系１００に設けられている。系１００において、円筒形部分１０６、ドーム状の上部１０７及び円錐台形の下部１０８（底部に出口１０９を有する）を有する容器１０５がある。アームストロング法を行うために上述したタイプの反応器１１０は、例として示すに過ぎないが、上述した反応を生じさせるように作用する四塩化チタン入口１１１及びナトリウム入口１１２、反応で生ずるスラリーを運ぶ出口１１３を有する。

重力分離器１１７は、円錐台形をしており、より軽量の液体金属、例えばナトリウム用の出口１１８とより重い不要な成分、この場合塩化ナトリウムが出る下部の出口１１９を有する。バルブ１２１によって示されるように、出口ライン１１６と重力分離器１１７の間に適するバルブが設けられ、バルブ１２２は容器１０５とナトリウム入口１１２の間の出口ライン１１６にある。他のバルブ１２３は、容器１０５と重力分離器１１７からの塩化ナトリウム出口の間にあり、最後にバルブ１２４は、反応器１１０と容器１０５の間にある。

本発明の系１００において、融点、例えば塩化ナトリウムでは８５０℃より高い適当な温度で融解している塩は、フィルター・ケーキがフィルター１１５の上に形成されるにつれて、フィルター・ケーキから置換される過剰の融解ナトリウムと共にフィルタープレート１１５を通って流れるので、金属粒子は、フィルタープレート１１５に蓄積される。液体ナトリウムと液体の塩の混合物は、容器１０５から流れ出る。バルブ１２２を閉じ、バルブ１２１を開けることで、適するポンプ（図示せず）によって材料は重力分離器１１７に移される。重力分離器１１７において、液体金属ナトリウムは浮き、液体の塩は分離器１１７の下部でより重い層を形成して、ナトリウムが分離器の上部でライン１１８を通って引き出されることで分離され、反応器１１０へのナトリウム入口に（必要であれば冷却後）リサイクルされる。塩はバルブ１２３を通って容器１０５にリサイクルされる。反応器１１０をバルブ１２４によって系から分離することができるので、所定の時間の後、反応器を系から分離して、液体の塩を用いる別の分離モジュールに入れ替えて、フィルター１１５上にケーキを形成するチタン粒子内及び容器１０５内に存在する液体ナトリウムを置換することができる。
ことができる。

ここで説明した分離系は、バッチ操作のものであるが、反応器を運転しながら、連続的な分離を行えるように、バルブで調節できる。分離系１０、８０又は１００の二又はそれ以上の簡単な系によって、反応器は、連続的にアームストロング反応の生成物を製造することが可能となる。

チタン及びナトリウムを参照してここでは説明したが、いずれかのアルカリ金属又はアルカリ土類金属又はそれらの種々の組み合わせを、還元剤金属として使用することができる。発熱反応を生じさせるために液体金属中に入れられる蒸気として、いずれのハロゲン化物も有用であり得又はハロゲン化物のいずれの組み合わせも有用であり得る。経済的な理由からナトリウム又はマグネシウムが好ましく、ナトリウムが最も好ましい。他の理由のために、バナジウム塩化物及びアルミニウムの塩素化物を伴う四塩化チタンも、チタンパウダー又は種々のチタン合金を製造するために好ましく、チタン６：４合金が、現在使用する際に最も好ましいチタン合金である。当業者には既知であるが、６：４チタン合金は、アルミニウム６％、バナジウム４％とチタン残部である。

本発明の好ましい態様と考えたものを詳細に説明したが、本発明の精神から離れることなく又は本発明のいずれかの長所を犠牲にすることなく、詳細な種々の変更を行い得ることを理解するべきである。

図１は、本発明の第一の態様の模式図を示す。 図２は、本発明の別の態様の模式図を示す。 図３は、本発明の別の態様の模式図を示す。

Claims (25)

1. 液体金属及び金属粒子及び塩の粒子の元の成分のスラリーから金属粒子を分離する方法であって、
   少なくともいくらかの液体金属を除去することで金属及び塩の粒子を濃縮すること、
   金属粒子を更に濃縮するために、元の塩成分又はその混合物の融点より高い温度で、液体金属又は元の塩成分の液体又はそれらの混合物を、濃縮された金属粒子及び塩粒子に通すこと、並びに
   その後に、金属粒子を残りの元の成分又は塩成分の混合物から分離すること
   を含んで成る方法。
2. 少なくともいくらかの液体金属を除去した場合、ゲルが形成される請求項１に記載の方法。
3. 元の塩成分又はその混合物の融点又はそれ以上の温度で、液体金属を、濃縮された金属粒子及び塩粒子と接触させて、塩粒子を置換して金属粒子を更に濃縮する請求項１に記載の方法。
4. 元の塩成分の液体を、濃縮された金属粒子及び塩粒子と接触させて、塩粒子を溶解し又は置換して、金属粒子を更に濃縮する請求項１に記載の方法。
5. 元の塩成分の液体混合物を、濃縮された金属粒子及び塩粒子と接触させて、塩粒子を溶解し又は置換して、金属粒子を更に濃縮する請求項１に記載の方法。
6. 液体金属の元の成分は、アルカリ金属又はアルカリ土類金属又はそれらの混合物である請求項１に記載の方法。
7. 液体の元の塩成分又はその混合物は、金属粒子の更なる濃縮の間に、金属粒子の合体温度より低い温度に保持する請求項１に記載の方法。
8. 元の塩の成分の混合物は、ＮａＣｌとＣａＣｌ_２の共融混合物又は実質的な共融混合物である請求項７に記載の方法。
9. 金属粒子は、Ｔｉ又はＴｉ合金である請求項１に記載の方法。
10. Ｔｉ合金は、Ａｌが６％、Ｖが４％及び残部が実質的にＴｉである請求項９に記載の方法。
11. 液体金属は、約６００℃より高い温度に加熱されているナトリウムである請求項１に記載の方法。
12. ナトリウムは、約８００℃より高い温度に加熱されている請求項１１に記載の方法。
13. 液体の元の塩又はその混合物は、約６００℃より高い温度に加熱されている請求項１に記載の方法。
14. 金属粒子はＴｉ又はＴｉ合金であり、液体金属はＮａであり、塩粒子はＮａＣｌである請求項１に記載の方法。
15. 金属粒子は、Ａｌが６％、Ｖが４％及び残部が実質的にＴｉであるＴｉ合金である請求項１４に記載の方法。
16. 液体金属及び金属粒子及び塩粒子の元の成分のスラリーから金属粒子を分離する方法であって、
    液体の塩を有する容器に元の成分のスラリーを入れること（ここで、最も軽い液体金属と最も重い金属粒子との比重の相違のために層が形成され、容器の底部に向かって金属粒子の濃度が増加する）、
    容器から液体金属を除去すること、
    容器からいくらかの液体の塩を伴う濃縮された金属粒子を分離すること、
    金属粒子から塩を濾別すること、並びに
    その後、冷却し、金属粒子から塩を水洗すること
    を含んで成る方法。
17. 液体の塩は、塩粒子と実質的に同じものである請求項１６に記載の方法。
18. 液体の塩は、塩粒子の混合物である請求項１６に記載の方法。
19. 液体の塩は、塩粒子の共融混合物又は実質的に共融混合物である請求項１６に記載の方法。
20. 共融混合物は、Ｎａ及びＣａＣｌ_２を含む請求項１９に記載の方法。
21. 液体の塩は、約８００℃より低い温度に維持されている請求項１６に記載の方法。
22. 液体の塩は、約６００℃の温度に維持されている請求項１６に記載の方法。
23. 液体金属は、アルカリ金属又はアルカリ土類金属又はそれの混合物又はそれらの合金である請求項１６に記載の方法。
24. 液体金属は、Ｎａ又はＭｇである請求項１６に記載の方法。
25. 金属粒子が液体金属と一緒に除去されることを防止しながら、吸い込むことによって、容器から液体金属を取り出す請求項１６に記載の方法。
    
    

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