금속 화합물을 제조하기 위한 장치 및 방법 document_id A220623108810

티탄-알루미늄 합금 및 금속간 화합물(본원에서는 총칭하여 "티탄-알루미늄 화합물"이라 명명함)은 매우 귀중한 물질이다. 그러나 이들은 특히 바람직한 분말 형태로 제조하는 것이 어려우며 많은 비용이 든다. 이러한 제조 비용은, 이들 물질이 자동차, 항공 우주선 및 기타 산업에서 사용하기에 매우 바람직한 특성을 가졌음에도 불구하고, 이들 물질의 광범위한 용도를 제한한다. 티탄 광물은 자연 상태에서 매우 안정한 산화물(TiO2)의 형태로 발견된다. 티탄의 통상적인 제조 방법은 Kroll 방법 및 Hunter 방법이다. Kroll 방법은 Ti 금속을 제조하기 위해 (염소화 전처리에 의해 산화물로부터 제조한) TiCl4를 환원시키기 위한 환원제로서 마그네슘을 사용하는 것을 필요로 한다. Hunter 방법은 환원제로서 나트륨을 사용하는 것을 필요로 한다. TiCl4는 열역학적으로 안정하기 때문에, TiCl4로부터 티탄 금속을 제조하기 위해서는 마그네슘 또는 나트륨과 같이 반응성이 높은 환원제가 필요하다. 이러한 반응성이 높은 환원제는 다루기가 어렵고 비싸다. Kroll 방법에 있어서 염화마그네슘은 1,300 K 이상의 온도까지 안정하기 때문에, 생성물은 Mg와 TiCl2의 잔여물 및 MgCl2와 혼합된 Ti 스폰지 형태로 종종 존재한다. 순수 Ti를 수득하기 위해서, 생성물은 대규모의 후-처리를 필요로 하는데, 이 처리에는 모든 불순물을 제거하기 위한 진공 아크-로(arc-furnace) 내에서의 세척 및 용융 단계가 포함된다. 이로 인해 현재 티탄 제조에 많은 비용이 든다. Ti-Al-V와 같은 티탄 합금, 및 Ti3Al, TiAl, TiAl3, Ti-Al-(Cr, Nb, Mo 등) 및 이들 화합물을 기반으로 한 합금과 같은 금속간 화합물을 제조하기 위한 공지된 기술에서는, 상기 합금을 포함하는 금속의 스폰지, 주괴 또는 분말의 적절한 양을 함께 분쇄하거나 용융시킨 뒤 어닐링(annealing)하는데, 이는 제조 비용을 증가시키며, 특히 논의된 바와 같이 이는 티탄의 경우에 있어서 우선 금속을 얻기 위해 필요하기 때문에 상당한 비용을 발생시키게 된다. 상기 티탄 합금 및 금속간 화합물의 분말을 제조하기 위해서는 이미 높은 제조 비용에 더하여 대개 추가 처리가 더 필요하다. 지난 수십년간, 전해추출(electrowinning), 플라즈마-수소 및 알루미늄테르미트(aluminothermic) 환원법과 같은 기술을 사용하여 기존의 Kroll 및 Hunter 기법을 대체하기 위해 많은 시도가 있어 왔다. 알루미늄으로 TiCl4를 직접 환원하기 위한 시도에서는, 매우 다른 조성의 생성물 화합물, 예컨대 Ti3Al, TiAl, TiAl3와 같은 금속간 화합물이 제어할 수 없게 제조된다. 제어할 수 없는 기체상 반응과 관련된 어려움으로 인해, 염화티탄으로 직접 환원시켜 티탄 및/또는 티탄-알루미늄 화합물의 단일상 물질을 제조할 수는 없었다.