製造プロセスの革新: チタンの「ベッセマーの瞬間」?

ユタ州ソルトレークシティにある IperionX パイロットチタン施設は、米国からの資金で建設されました... [+] エネルギー省の ARPA-E プログラム。

既存の企業に大きな破壊的影響を与える可能性があるため、私は製造プロセスの主要な革新に常に注目しています。 多くの場合、エネルギー使用量を減らしたり、望ましくない副産物の生成を減らしたりして、小規模または低コストの生産方法を許可することで経済性を変えることができます。 プロセス革新が特に刺激的になるもう 1 つの理由は、既存の製造業者が通常、新しいプロセスの導入に時間がかかるためです。多くの場合、まだ減価償却が完了していない可能性がある既存の生産設備を所有しているためです。 あるいは、完全に減価償却できるため、使用の限界コストが非常に低くなります。 これにより、新興企業が彼らに苦痛と苦痛を与える余地が残されたままになる。なぜなら、新参者には判断を鈍らせる可能性のある守るべき既存の資産がないからだ。 戦略金属チタンの生産でもそうなりつつあるのか？

私は最近、新しい生産プロセスを拡大しているチタンの新興企業 IperionX の創設者兼 CEO であるアナスタシオス "タソ" アリマと話す機会がありました。 有馬氏はプロセスイノベーションの重要性の一例を語ることから議論を始めた。 同氏は、鉄鋼は 3,000 年前から存在しているが、製造コストが非常に高かったため、1856 年まではニッチな製品であったと説明しました。 通常、剣や鎧の製造にそれを使用する余裕があったのは世界中の軍隊でしたが、人々はナイフ、斧、のこぎりなどの刃物にもそれを使用していました。 18 世紀から 19 世紀初頭にかけて、代かき炉の発明により、労働力とエネルギーが非常に多大に消費されたにもかかわらず、イギリスは世界の鉄鋼の首都になりました。 1854年、クリミア戦争勃発時に軍事的ニーズに取り組んでいたヘンリー・ベッセマーは、溶けた鉄に空気を吹き込むと急速に鋼に変化することを発見した。 しかし、それは暴力的なプロセスであり、ベッセマーはコンバーターと呼んだ円筒形の鋼製ポットの中でそれを実行することでこれを解決しました。 これにより生産性が 7 倍向上し、鋼材のコストが劇的に下がりました。 しかし、南北戦争終結後の鉄道建設により鉄鋼需要が急増したため、本当の規模拡大が起こったのはアメリカでした。 1864 年から 1876 年の間に、アメリカの鉄鋼生産が 87 倍に拡大したため、米国に 13 のベッセマー プロセス工場が建設されました。 そして、鋼の価格が下がるにつれて、この素晴らしい素材はさらに広く使用されるようになりました。

ベッセマー製鉄プロセス - 転炉を空にする。 ベットマン アーカイブからのイラスト。

私はTasoに電話して、チタン製造のプロセス革新について話しました。 それは炭素の代わりに水素を使用する新しい方法、水素支援金属熱還元 (HAMR) です。 HAMR は、環境に優しいだけでなくコストも大幅に削減できることを約束しており、これを有馬氏はチタンの「ベッセマー モーメント」と呼んでいます。 このプロセスは、米国エネルギー省の ARPA-E プログラム (DARPA 版) の後援のもと、ユタ大学の冶金学者で冶金工学教授の Z. ザク ファン博士によって開発されました。 「私たちのパイロットプラントは年間6トンを生産しています」と有馬氏はユタ州にあるプロトタイプ施設について説明した。 「しかし、その炉はアクティブな冷却が備わっていない古い炉です。新しい炉では、能力を 3 倍にするだけでなく、サイクル時間を 3 日から 1 日に短縮するつもりです。」 新しい炉は年間 125 トンを生産する予定で、規模拡大戦略は並行して炉を追加するだけです。 この容易な拡張性は重要です。なぜなら、同社は巨大な工場を建設するために投資し、その後その稼働を維持するために顧客を探す必要がなくなるのではなく、需要に応じて生産能力を追加できるからです。

ロシア（大量のチタンを入手していた）がウクライナに侵攻した後に私が最近書いたように、チタンは非常にユニークな金属です。 これとその合金は軽量で、耐食性が高く、高温にも耐えることができ、重量に対する強度の比率が非常に高くなります。 このため、航空宇宙産業では非常に人気がありますが、一般に消費者向け製品に使用するには高価すぎます。 従来の生産が高価である理由は、まずクロールプロセスを使用して、コークス（冶金用石炭から）と塩素を使用してチタン鉱石を四塩化チタン（TiCl4）に変換するためです。 その後、TiCl4 を真空蒸留して精製する必要があり、その蒸気を不活性アルゴンガスに覆われた溶融マグネシウムが入った反応容器に供給し、800 ～ 1000℃で約 2 日間加熱します。 これによりスポンジチタンが得られますが、これを粉砕してマグネシウム塩を除去する必要があります。 対照的に、HAMR プロセスでは、炉に電力を供給するために半分のエネルギーを使用し、排出量を 30% 以上削減します (再生可能エネルギーを使用する場合は潜在的にゼロになります)。 チタンの製造コストを大幅に削減します。 節約の大部分は、塩素化ステップと減圧蒸留の両方を省略することによってもたらされます。

同社はチタンスクラップを原料として使用することもできる。 航空宇宙産業では、鍛造インゴットからチタン合金部品を製造しますが、材料の大部分は機械加工されてスクラップになります。 ある推定では、ボーイング 787 の製造に使用された 90 ～ 120 トンのチタン合金部品のうち、85% が「切り粉」、つまり切削工具で除去された金属片になったとされています。 切りくずは収集されて洗浄され、再溶解することができます。 しかし、必然的に酸素濃度が高くなり、スクラップから高品位なチタンを製造することは困難です。 HAMR プロセスでは、スクラップを処理する際にスクラップ内の酸素含有量を低減できるため、この状況が変わります。

IperionX 球状チタン粉末は、レーザー溶融積層造形に使用できます。

HAMR プロセスで生成される材料であるチタン球状粉末は、積層造形で直接使用する準備ができています。 有馬氏によると、通常は1キロ当たり150～250ドルで販売されるという。 同氏は、製造コストを 75% 以上削減できるだろうと考えています。 興味深いことに、同社は航空宇宙用途をターゲットにしていない。 「飛行申請の資格を得るには時間がかかりすぎる」と彼は私に語った。 彼らは代わりに、自動車分野や消費者向け製品の軽量化アプリケーションに注目しています。 私がその戦略をとても気に入っているのは、彼らが学びながら「授業料を払って」くれる要求の少ない顧客向けに、プロセスを「練習」して洗練させることができるからです。 そして、彼らが良くなったら、もしかしたら航空宇宙を目指すこともできるかもしれません。 私は 2005 年頃のチタン外装の Mac PowerBook G4 を今でも持っていますが、Apple AAPL がアルミニウムに切り替えたのは、おそらく当時のチタンがあまりにも高価だったためでしょう。 おそらく IperionX はこれらすべてを変更し、再び実用的なものにするでしょう。 私はTasoに、本当に欲しいのは自分の車のチタン製クォーターパネルだと言いました。 そうすれば、ボストンの渋滞でもより回復力を感じて運転できるようになります。