金属チタンは多くの産業で重要な役割を果たしている。チタン鉱石から様々な最終製品に至るまでには、一連の加工を経なければならない。その中で、採掘から最終製品の製造まで、どのような工程が必要なのでしょうか。この記事では、チタンについての理解を深め、あなたのプロジェクトに適したチタン製品をより良く選択するのに役立ちます。.
一般的に使用されるチタン鉱石
チタンは地殻中で9番目に豊富な元素であり、様々な鉱石に広く含まれている。以下は一般的に使用されているチタン含有鉱石です：
- イルメナイト：これは最も一般的なチタン含有鉱石であり、その主成分はメタチタン酸第一鉄（FeTiO₃）である。イルメナイトは世界中の多くの地域に大量に分布しており、埋蔵量も多く、採掘コストも低い。通常、チタン製造の主原料の一つであり、チタン産業において重要な地位を占めている。その外観は一般的に黒色または黒灰色で、金属光沢を持ち、硬度が高い。.
- ルチル：ルチルの主成分は二酸化チタン（TiO₂）。チタン含有量が高く、不純物が比較的少ない。高品質のチタン製品を製造するための高品質原料です。しかし、ルチルは地殻中で比較的希少であり、イルメナイトほど広く分布していないため、その価格は通常より高くなります。ルチルは屈折率が高く、光学部品にも使用されています。.
- アナターゼ：アナターゼも二酸化チタンの鉱物形態であり、その純度と結晶構造はルチルとは異なる。アナターゼも自然界に一定の埋蔵量があり、チタン製造の原料として使用することができますが、一般的にチタンの抽出率と製品品質を向上させるために、より複雑な処理を必要とします。.
チタン鉱石濃縮
チタン製造の最初のステップは、鉱石からチタンを濃縮することである。鉱石によって濃縮方法は異なりますが、一般的な考え方は、鉱石を粉砕して微粉末にし、鉱石とその後の試薬との接触面積を増やし、不純物を除去するために対応する処理を行うことです。イルメナイトを例にとると、一般的な磁気分離法は、イルメナイトとガング鉱物の磁気特性の違いを利用して分離する方法である。その他の物理的・化学的選鉱方法も、精鉱中のチタン含有量を増加させるために広く使用されています。.
四塩化チタン（TiCl₄）への変換
次のステップは、チタン鉱石を精製が容易な揮発性化合物である四塩化チタン（TiCl₄）に変換することである。イルメナイトのようなチタン含有鉱石の場合、通常、塩素化反応の前に一連の前処理が行われる。大型の鋼鉄製反応炉で、塩素と炭素の存在下、約1,000℃の温度で、鉱石中のチタン分が塩素と反応して四塩化チタンを生成する。.
例えば、イルメナイトの反応は以下の通りである：
FeTiO₃ + 3Cl₂ + 3C → TiCl₄ + FeCl₃ + 3CO
得られたTiCl_2084は無色透明の液体で、反応性が高い。.
四塩化チタンの精製
高品質のチタンを確保するためには、TiCl₄を精製する必要があります。通常、不純物をその沸点に基づいて分離するために蒸留が使用されます。純粋なTiCl_2084は次のステップに不可欠です。なぜなら、微量の不純物であっても、その後のチタン製品の品質や性能に影響を及ぼす可能性があるからです。.
クロールプロセスTiCl₄からチタンへの変換
1940年代に冶金学者ウィリアム・J・クロールによって開発されたクロール法は、今日チタンを製造する最も一般的な方法です。その方法は以下の通りです：
1.還元：純粋なTiCl₄は、800～850℃前後の温度で、大きな鋼鉄製の反応器内でマグネシウム（またはナトリウム）と反応する。マグネシウムは四塩化チタンを元素状チタンに還元する：
TiCl₄ + 2Mg → Ti + 2MgCl₂
2.チタンスポンジの形成反応により、塩化マグネシウム（MgCl₂）と混合されたスポンジチタンと呼ばれる多孔質でスポンジ状のチタンが生成される。.
3.分離と洗浄：塩化マグネシウムは浸出（水または化学溶媒を使用）により除去され、チタンスポンジが残る。.
製錬と合金
チタンスポンジはまだ使える状態ではない。非常に多孔質でもろいのだ。使用可能なチタンを作るには、スポンジを溶かし、必要な特性に応じてアルミニウム、バナジウム、モリブデンなどの他の金属と合金化する必要がある。これは通常、2つの方法のうちの1つによって行われる：
- 真空アーク再溶解（VAR）：高純度のチタン電極を高真空下で溶解し、純度の高い均一なチタンインゴットを製造する。.
- 電子線コールドハース溶解（EBCHM）：不純物や介在物を除去してチタンをさらに精製する、より高度な方法。.
成形と加工
チタンは溶かされ精錬された後、インゴットに鋳造され、様々な形状に加工されます。チタンは鍛造、圧延、押し出し、機械加工され、航空宇宙、自動車、医療、その他の産業用の部品となります。.
なぜ、これほどまでにプロセスが複雑なのか？
チタンは反応性が高いため、製造が難しい。高温で酸素、窒素、水素と容易に反応し、金属の特性を弱める。高品質のチタンを生産するためには、全プロセスを制御された条件下で実施する必要があり、多くの場合、高価な装置とアルゴンなどの不活性雰囲気を使用する。この複雑さがチタンのコストを押し上げ、鋼鉄よりも高価にしている。.
チタン製造における将来の革新
研究者たちは、チタン製造の効率と費用対効果の改善に絶えず取り組んでいる。フレイ・ファーシング・チェン（FFC）ケンブリッジ・プロセスのような新しい方法は、クラウアー・プロセスを必要とせず、酸化鉱から直接チタンを生産することを目指している。これらの技術革新が成功すれば、業界に革命をもたらし、チタンをより安価で身近なものにすることができるだろう。.
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