チタンはどのように製錬されるのですか?

「宇宙金属」とも呼ばれるチタンは、その独特の物理的・化学的性質により、航空、宇宙、医療などの分野でかけがえのない役割を果たしています。では、チタンは地中深くの鉱石からどのように抽出されるのでしょうか。次は、一緒にチタン製錬の旅に出かけましょう。

1. チタンの原料
金属チタンの原料は主にルチルで、二酸化チタンを96％以上含んでいます。ルチル鉱山がない国では、イルメナイトから作られた「高チタンスラグ」が使われています。イルメナイトには、二酸化チタンが約90％含まれています。天然ルチルの価格上昇と埋蔵量の減少により、各国はイルメナイトを使ってチタンを多く含む材料、つまり高チタンスラグと人工ルチルを作る傾向があります。チタンは1791年に発見されましたが、最初の純チタンが生産されたのは1910年で、100年以上かかりました。その理由は、チタンは高温で非常に活性であり、酸素、窒素、炭素などの元素と結合しやすいためです。純チタンを抽出するには非常に厳しい条件が必要です。

2. チタン製錬工程
チタンを製錬するには、複雑な手順が必要です。イルメナイトを四塩化チタンに変え、密閉されたステンレス製のタンクに入れてアルゴンを充填し、マグネシウム金属と反応させて「スポンジチタン」を得ます。この多孔質の「スポンジチタン」はそのまま使用することはできず、電気炉で液体に溶かしてからチタンインゴットに鋳造する必要があります。しかし、このような電気炉を作るのはどれほど簡単なのでしょうか。電気炉内の空気を排気する必要があることに加えて、さらに厄介なのは、液体チタン用のるつぼを見つけることが不可能であることです。一般的な耐火物には酸化物が含まれており、その中の酸素は液体チタンによって奪われてしまいます。

3. 「水冷銅るつぼ」
その後、人々はついに「水冷銅るつぼ」を備えた電気炉を発明しました。この電気炉は、中央の一部だけが非常に高温で、残りの部分は冷たい状態です。電気炉で溶けたチタンは、水で冷やされた銅るつぼの壁に流れ、すぐにチタンインゴットに凝縮されます。この方法では、数トンのチタンブロックを生産できますが、そのコストは想像に難くありません。

4. 二酸化チタンの工業的抽出
工業的には、イルメナイトを硫酸で分解して二酸化チタンを製造することが多く、その後二酸化チタンから金属チタンが製造されます。不純物 Fe2(SO4)3 を除去するために、鉄粉を加え、Fe3+ を Fe2+ に還元し、溶液を 273K 以下に冷却すると、副産物として FeSO4·7H2O (緑色硫酸塩) が結晶化します。

5. 二酸化チタンは、メタチタン酸を焼成して二酸化チタンを生成することによって製造されます。金属チタンは、金属熱還元によって四塩化チタンを還元することによって工業的に製造されます。二酸化チタン（または天然ルチル）と炭素粉末を混合し、1000-1100Kに加熱して塩素化し、発生したTiCl4蒸気を凝縮します。

6. 四塩化チタンは金属マグネシウムによって還元されます。
四塩化チタンを不活性ガス中で金属マグネシウムとモル比で還元し、反応温度を約900度に制御してスポンジ状のチタンを生成します。副産物の塩化マグネシウムは真空中で1000度に加熱することでチタンから分離できます。

7. 浄化
二酸化チタンは、1070Kの溶融マグネシウムでアルゴン中でTiCl4に還元され、多孔質スポンジチタンが生成されます。このスポンジチタンは粉砕され、真空アーク炉で精錬され、最終的にさまざまなチタン材料に作られます。得られたTiCI4は高温（約1250度）でTiCI4=Ti+2CI2に分解され、純粋なチタンが得られます。

チタンの製錬プロセス全体を振り返ると、人類の知恵の偉大さにため息をつくしかありません。地中深くに埋もれた鉱石から軽くて丈夫な金属チタンに至るまで、すべての工程に数え切れないほどの人々の知恵と汗が込められています。一見平凡な労働者たちの懸命な努力のおかげで、貴金属チタンはさまざまな分野で広く使用され、人類社会の進歩と発展に大きく貢献してきました。