JP2023102012A

JP2023102012A - 金属の精製方法及び金属の精製装置

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Publication number: JP2023102012A
Application number: JP2022002309A
Authority: JP
Inventors: 晃広皆川; Akihiro Minagawa; 雄一朗村上; Yuichiro Murakami; 直紀尾村; Naoki Omura; 敬次志賀; Keiji Shiga
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; UACJ Corp
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; UACJ Corp
Priority date: 2022-01-11
Filing date: 2022-01-11
Publication date: 2023-07-24

Abstract

【課題】精製純度を高めつつ、安全性の向上及び精製コストの低減が可能な金属の精製方法を提供する。【解決手段】本開示の一態様は、ステンレス製の精製容器に収容された精製対象金属と精製対象金属以外の元素とを含む溶湯を、回転磁場によって回転させつつ冷却することで、固相率が０．２以上０．７以下の成形体を製造する工程と、精製容器内で成形体に圧力を加えることで、成形体を精製対象金属が含まれる純化鋳塊と、濃化溶湯とに分離する工程と、を備える金属の精製方法である。【選択図】図２

Description

本開示は、溶湯から所定の金属を精製するための金属の精製方法及び金属の精製装置に関する。

産業機器、輸送機器、電子機器などを廃棄する際には、金属スクラップが発生する。この金属スクラップには複数種類の金属が混在しているが、有用性の高い金属を精製することでリサイクルが実現できる。

このような金属スクラップの精製に対し、精製容器に収容した溶湯をα－Ａｌの凝固点直上の温度まで冷却した後、この精製容器の上部から複数の孔を有する押し固め板を下降させて圧力を付与し、α－Ａｌと不純物とを分離する方法が提案されている（特許文献１及び特許文献２参照）。

特開平７－０５４０６５号公報特開２０１２－２０１９１７号公報

図１は、共晶凝固の一例を示す状態図である。共晶凝固が起きる合金が亜共晶組成（つまり、共晶組成よりも溶質元素濃度の低い組成）を有する場合は、濃度が高い元素が先に初晶として晶出する。そのため、初晶のみを取り出すことで、純度の高い金属がリサイクルできる。

例えば、Ａｌ－Ｓｉ系合金において、図１のＣ_０組成の合金溶湯を固液共存状態となるＴ_１℃まで冷却すると、濃度Ｃ_ｓの固体と濃度Ｃ_ｌの液体とに分離し、固体と液体との比率はＷ_ｓ：Ｗ_lとなる。この合金溶湯から不純物濃度が低い、濃度Ｃ_ｓの固体を取り出すことにより、Ａｌの精製が可能となる。

一方、例えばＳｉなどの不純物濃度が高い場合、例えば図１のＣ_１組成の合金溶湯では、固体晶出量が最大となる温度Ｔ_２℃まで冷却しても固体の晶出量はＷ’_ｓ／（Ｗ’_l＋Ｗ’_ｓ）であり、分離できる精製金属の量が少なくなる。

上述した特許文献１の方法では、電磁撹拌を用いることで不純物濃度が高い場合でも精製金属の分離量を高められる。しかしながら、この方法では撹拌時に耐火物製の精製容器を用いているため、圧搾による分離時に精製容器が消耗し易く、安全面及びコスト面で課題が生じる。

また、上述した特許文献２の方法では、黒鉛製の精製容器を用いているため、電磁撹拌を行うことができない。また、特許文献１の方法と同様、圧搾による分離時に精製容器が消耗し易い。

本開示の一局面は、精製純度を高めつつ、安全性の向上及び精製コストの低減が可能な金属の精製方法を提供することを目的とする。

本開示の一態様は、ステンレス製の精製容器に収容された精製対象金属と精製対象金属以外の元素とを含む溶湯を、回転磁場によって回転させつつ冷却することで、固相率が０．２以上０．７以下の成形体を製造する工程と、精製容器内で成形体に圧力を加えることで、成形体を精製対象金属が含まれる純化鋳塊と、濃化溶湯とに分離する工程と、を備える金属の精製方法である。

本開示の別の態様は、ステンレス製の精製容器と、精製容器に収容された精製対象金属と精製対象金属以外の元素とを含む溶湯を、回転磁場によって回転させつつ冷却することで、固相率が０．２以上０．７以下の成形体を製造するように構成された成形部と、精製容器内で成形体に圧力を加えることで、成形体を精製対象金属が含まれる純化鋳塊と、濃化溶湯とに分離するように構成された分離部と、を備える金属の精製装置である。

これらのような構成によれば、回転磁場による電磁撹拌によって金属の精製純度を高められる。また、ステンレス製の精製容器内で成形体の製造及び圧搾分離が行われるため、安全性の向上及び精製コストの低減を図ることができる。

図１は、共晶凝固の一例を示す状態図である。図２は、実施形態における金属の精製装置の模式図である。図３Ａは、精製容器における溶湯の収容状態を示す模式図であり、図３Ｂは、電磁撹拌による成形体の製造工程を示す模式図であり、図３Ｃ及び図３Ｄは、圧搾による成形体の分離工程を示す模式図である。図４は、実施形態における金属の精製方法のフロー図である。図５Ａは、実施例１における純化鋳塊の凝固組織であり、図５Ｂは、実施例１における濃化溶湯の凝固組織である。

以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１－１．構成］
図２に示す金属の精製装置１は、複数種類の元素を含む溶湯から目的の金属を精製するために用いられる。精製装置１は、精製容器２と、成形部３と、分離部４とを備える。

＜溶湯＞
精製装置１で精製が行われる溶湯としては、例えば金属スクラップを溶融したものが用いられる。

溶湯は、精製対象金属と、精製対象金属以外の元素（以下、「不純物」ともいう。）とを含む。溶湯は、精製材料の金属を溶融温度以上に加熱することで得られる。

溶湯に含まれる精製対象金属としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、マグネシウム（Ｍｇ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）が挙げられる。この中でもリサイクルの経済性が高いＡｌが好ましい。また、溶湯におけるＡｌの質量濃度が、溶湯に含まれる他の金属元素の質量濃度よりも大きいとよい。

溶湯に含まれる不純物としては、例えば、精製対象金属として上述した金属に加えて、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、チタン（Ｔｉ）、シリコン（Ｓｉ）等が挙げられる。

溶湯全体に対する不純物の濃度の下限としては、１．０質量％が好ましく、１．５質量％がより好ましく、３．０質量％以上がさらに好ましい。溶湯全体に対する不純物の濃度の上限としては、１５．０質量％が好ましく、１１．０質量％がより好ましい。精製装置１によれば、不純物の濃度がこのような範囲の溶湯に対し、精製対象金属の高純度精製が可能である。

溶湯は、共晶凝固を生じる精製対象金属と不純物との組合せを含むとよい。精製装置１は、このような組合せの溶湯に対し精製を効果的に行える。また、溶湯には、上述した元素以外に、貴金属又はレアメタルがそれぞれ１種以上含まれてもよい。

精製対象金属がＡｌの場合、不純物にＳｉ（つまりケイ素）が含まれるとよい。ＡｌとＳｉとの組合せは、広く鋳造用合金として用いられており、金属スクラップとしての発生量が多い。精製装置１は、このような元素の組合せを含む溶湯からＡｌを高純度で精製することができる。

金属元素としてＡｌを最も多く含む溶湯において、溶湯全体に対するＳｉの濃度の下限としては、１．０質量％が好ましく、３．０質量％がより好ましい。溶湯全体に対するＳｉの濃度の上限としては、１１．０質量％が好ましい。Ｓｉの濃度をこのような範囲とすることで、アルミニウム合金を含む金属スクラップにおけるＡｌの精製効率を高めることができる。また、Ｓｉの濃度の上限を１１．０質量％とすることで、α－Ａｌの晶出温度と、ＡｌとＳｉとの共晶相の晶出温度とに差を設けられるため、Ａｌを精製することが容易となる。

さらに、溶湯は、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｚｎ及びＴｉの少なくとも１つを含むとよい。また、溶湯におけるＦｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｚｎ及びＴｉの質量濃度の合計の下限としては、０．５質量％が好ましい。溶湯におけるＦｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｚｎ及びＴｉの質量濃度の合計の上限としては、６．０質量％が好ましく、４．０質量％がより好ましい。

Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｚｎ及びＴｉの質量濃度の合計をこのような範囲とすることで、鋳造用アルミニウム合金と展伸用アルミニウム合金とが混合した金属スクラップにおけるＡｌの精製効率を高めることができる。

＜精製容器＞
精製容器２は、溶湯を保持可能な耐熱性を有する、るつぼである。具体的には、精製容器２は、磁性を有しないステンレス製の有底の円筒体である。精製容器２の材質としては、例えば、ＪＩＳ－Ｇ－４３０３：２０１５に規定されるＳＵＳ３０４を用いることができる。

精製容器２は、成形部３による溶湯の電磁撹拌が可能となるように、外部の磁気を内部に通過させる。また、精製容器２は、分離部４から圧力を受けた際に破損しない強度を有する。

図３Ａに示すように、溶湯Ｍ１は、精製容器２の内部に収容される。また、溶湯Ｍ１の温度は、温度計２Ａによって測定される。

＜成形部＞
成形部３は、精製容器２に収容された精製対象金属と精製対象金属以外の元素とを含む溶湯を、回転磁場によって回転させつつ冷却することで、固相率が一定範囲の成形体を製造するように構成されている。

成形部３は、図３Ｂに示すように、回転磁場付与装置３１を有する。回転磁場付与装置３１は、精製容器２の周囲に、Ｓ極とＮ極との対が中心軸周りに回転するように極性が変化する回転磁場を発生させる。回転磁場が与えられた溶湯は、精製容器２内で回転する。回転磁場付与装置３１としては、例えば３つのステータコイルを備えた公知の装置が使用できる。

回転磁場付与装置３１によって生成される回転磁場の中心軸は、精製容器２の内部を通る。また、回転磁場の中心軸は、上下方向と平行である。回転磁場の中心軸は、精製容器２の中心軸と一致することが好ましい。

回転磁場の周波数の下限としては、１Ｈｚが好ましく、５Ｈｚがより好ましい。回転磁場の周波数の上限としては、１００Ｈｚが好ましい。周波数をこの範囲とすることで、溶湯の冷却によって発生する初晶の形態を効率よく制御できる。

溶湯の回転磁場の周方向に沿った表面（つまり最外面）における磁束密度の最大値としては、２０ｍＴ以上１２０ｍＴ以下が好ましい。磁束密度をこの範囲とすることで、消費電力を抑制しつつ溶湯を十分に撹拌することができる。なお、磁束密度は、直接測定のほか、電磁場解析等で測定できる。

溶湯の回転磁場の周方向に沿った表面における回転磁場の回転速度としては、０．５ｍ／ｓ以上１０ｍ／ｓ以下が好ましい。回転速度をこの範囲とすることで、溶湯の冷却によって発生する初晶の量を効率よく増加させることができる。

溶湯を撹拌せずに冷却した場合には、精製対象金属は樹枝状組織を有する。これに対し、回転磁場によって溶湯を電磁撹拌しつつ冷却することで、精製容器２内の溶湯温度のばらつきが低減されると共に、初晶が微細かつ球形に近い形状となる。そのため、樹枝状組織の場合に比べて、分離工程における圧力損失が減少する。その結果、精製対象金属と濃化溶湯（つまり濃化液相）とを効率よく分離できる。

成形部３は、溶湯が、固相率が０．２以上０．７以下である固液共存状態の成形体Ｍ２となるまで溶湯の撹拌及び冷却を続ける。成形体Ｍ２には、温度低下によって晶出した個体Ｓと、溶融状態の液体Ｌとが含まれる。冷却の方法は特に限定されず、空冷、風冷、冷媒による冷却等の公知の方法が使用できる。

成形体Ｍ２の固相率を上述の範囲とすることで、精製効率（つまり目的金属の回収率）を高めつつ、分離部４における圧力損失の低減により分離効率を高めることができる。成形体Ｍ２の固相率の下限としては、０．４が好ましい。なお、「成形体の固相率」とは、液相と固相とを含む成形体全体に対する、晶出した固相全体の質量割合を意味する。

また、成形部３は、精製対象金属（例えばＡｌ）の固相率が０．２以上０．７以下の成形体を製造するとよい。これにより、初晶として晶出する精製対象金属の濃度が高い成形体Ｍ２を得ることができる。なお、「精製対象金属の固相率」とは、液相と固相とを含む成形体全体に対する、晶出した精製対象金属（つまり初晶）の質量割合を意味する。

＜分離部＞
分離部４は、精製容器２内で成形部３が製造した成形体Ｍ２に圧力を加えることで、成形体Ｍ２を精製対象金属が含まれる純化鋳塊Ｉ１と、溶質元素の濃度が高い濃化溶湯Ｉ２とに分離するように構成されている。

分離部４は、図３Ｃに示すように、プレス機４１と、フィルター４２とを有する。プレス機４１は、フィルター４２を下方に押圧することで、フィルター４２を上方から成形体Ｍ２に押し当てる。

フィルター４２は、複数の孔を有する押し固め板である。図３Ｄに示すように、成形体Ｍ２に上方から押し当てられたフィルター４２は、純化鋳塊Ｉ１を下方に押圧しつつ、濃化溶湯Ｉ２を上方に通過させる。これにより、成形体Ｍ２が圧搾され、濃化溶湯Ｉ２がフィルター４２の上方において純化鋳塊Ｉ１と分離される。

純化鋳塊Ｉ１は、精製対象金属が多く含まれる固相である。純化鋳塊Ｉ１における精製対象金属の濃度は、濃化溶湯Ｉ２における精製対象金属の濃度よりも大きい。濃化溶湯Ｉ２は、不純物が多く含まれる液相である。濃化溶湯Ｉ２は、冷却により濃化鋳塊となる。

分離部４が成形体Ｍ２に加える圧力としては、０．５ＭＰａ以上３０．０ＭＰａ以下が好ましい。また、圧力を加える際の成形体Ｍ２の温度としては、５００℃以上７００℃以下が好ましい。

＜金属の精製方法＞
図４に、精製装置１を用いた金属の精製方法のフローを示す。本実施形態の金属の精製方法は、溶融工程Ｓ１０と、成形体製造工程Ｓ２０と、圧搾分離工程Ｓ３０とを有する。なお、各工程は、１つの精製容器２に対し行われるバッチ処理である。

（溶融工程）
本工程では、精製材料（例えばアルミニウム合金を含む金属スクラップ）を精製容器２に投入し、溶融温度まで加熱する。精製材料の溶融により溶湯が得られる。

（成形体製造工程）
本工程では、精製容器２に収容された溶湯を、回転磁場によって回転させつつ冷却することで、固相率が０．２以上０．７以下の成形体を製造する。

（圧搾分離工程）
本工程では、精製容器２内で成形体に圧力を加えることで、成形体を精製対象金属が含まれる純化鋳塊と、濃化溶湯とに分離する。

［１－２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）回転磁場による電磁撹拌によって金属の精製純度を高められる。また、ステンレス製の精製容器２内で成形体の製造及び圧搾分離が行われるため、安全性の向上及び精製コストの低減を図ることができる。

［２．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

（２ａ）上記実施形態の金属の精製装置において、分離部の構成は一例であり、上述のものに限定されない。

（２ｂ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

［３．実施例］
以下に、本開示の効果を確認するために行った試験の内容とその評価とについて説明する。

＜実施例１－３＞
表１に示す組成のＡｌ－４％Ｓｉ合金１００ｇを精製材料として精製容器に投入した。この合金は、鋳造用アルミニウム合金と展伸用アルミニウム合金とが混合した金属スクラップを想定したものである。なお、表１中の数値は、溶湯全体に対する質量％である。

次に、精製容器を６８０℃まで加熱し、精製材料を溶融させることで溶湯を得た。この溶湯を空冷し、溶湯の温度が６３０℃になった時点で回転磁場を付与し、溶湯を電磁撹拌した。

回転磁場付与装置としては、三相交流モータのコイルを用いた。回転磁場の周波数、溶湯の回転磁場の周方向に沿った表面における磁束密度の最大値、及び溶湯の回転磁場の周方向に沿った表面における回転磁場の回転速度は、表２に示す通りとした。回転磁場は、溶湯の温度が６１０℃に到達するまで継続して付与した。

回転磁場の付与停止後（つまり電磁撹拌の終了後）、フィルター（つまり押し固め板）が取り付けられたプレス機に精製容器を設置した。その後、表２に示す圧搾温度に到達した時点で、成形体の固相率を測定した。また、表２に示す圧搾圧力によって精製容器内の成形体を加圧し、純化鋳塊と濃化溶湯とに分離した。

図５Ａに、実施例１にて得られた純化鋳塊の凝固組織を示す。また、図５Ｂに、実施例１にて得られた濃化溶湯の凝固組織を示す。純化鋳塊の凝固組織では、白色のα－Ａｌが組織の大部分を占めており、α－Ａｌが純化精製されていた。一方、濃化溶湯の凝固組織では、灰色のＡｌ－Ｓｉ共晶組織が大部分を占めている。この結果から、本開示の精製方法によりα―Ａｌが純化精製されていることが確認された。

＜比較例１－３＞
実施例１－３と同じＡｌ－４％合金１００ｇを精製容器にて溶融して溶湯を得た。この溶湯を空冷し、フィルターが取り付けられたプレス機に精製容器を設置した。

その後、表２に示す圧搾温度に到達した時点で、成形体の固相率を測定した。また、表２に示す圧搾圧力によって精製容器内の成形体を加圧し、純化鋳塊と濃化溶湯とに分離した。

＜評価＞
表２に、実施例１－３及び比較例１－３で得られた純化鋳塊におけるＳｉ濃度と、純化鋳塊の回収率とを示す。Ｓｉ濃度は、純化鋳塊全体におけるＳｉの質量割合である。回収率は、溶湯（つまり精製材料）全体における純化鋳塊の質量割合である。

表２から、実施例１－３では、比較例１－３よりもＳｉ濃度が低減されている。つまり、実施例１－３では、濃化した液相が効率よく分離されることで、Ｓｉ濃度が３．０質量％以下のα－Ａｌが精製されている。

１…精製装置、２…精製容器、２Ａ…温度計、３…成形部、４…分離部、
３１…回転磁場付与装置、４１…プレス機、４２…フィルター。

Claims

ステンレス製の精製容器に収容された精製対象金属と前記精製対象金属以外の元素とを含む溶湯を、回転磁場によって回転させつつ冷却することで、固相率が０．２以上０．７以下の成形体を製造する工程と、
前記精製容器内で前記成形体に圧力を加えることで、前記成形体を前記精製対象金属が含まれる純化鋳塊と、濃化溶湯とに分離する工程と、
を備える、金属の精製方法。
請求項１に記載の金属の精製方法であって、
前記製造する工程では、前記精製対象金属の固相率が０．２以上０．７以下の前記成形体を製造する、金属の精製方法。
請求項１又は請求項２に記載の金属の精製方法であって、
前記回転磁場の周波数は、１Ｈｚ以上である、金属の精製方法。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の金属の精製方法であって、
前記溶湯の前記回転磁場の周方向に沿った表面における磁束密度の最大値は、２０ｍＴ以上である、金属の精製方法。
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の金属の精製方法であって、
前記溶湯は、アルミニウム（Ａｌ）を含み、
前記溶湯におけるＡｌの質量濃度は、前記溶湯に含まれる他の金属元素の質量濃度よりも大きい、金属の精製方法。
請求項５に記載の金属の精製方法であって、
前記溶湯は、シリコン（Ｓｉ）を含み、
前記溶湯におけるＳｉの質量濃度は、１．０質量％以上１１．０質量％以下である、金属の精製方法。
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の金属の精製方法であって、
前記溶湯は、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、マンガン（Ｍｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、クロム（Ｃｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、及びチタン（Ｔｉ）の少なくとも１つを含み、
前記溶湯におけるＦｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｚｎ及びＴｉの質量濃度の合計は、０．５質量％以上６．０質量％以下である、金属の精製方法。
ステンレス製の精製容器と、
前記精製容器に収容された精製対象金属と前記精製対象金属以外の元素とを含む溶湯を、回転磁場によって回転させつつ冷却することで、固相率が０．２以上０．７以下の成形体を製造するように構成された成形部と、
前記精製容器内で前記成形体に圧力を加えることで、前記成形体を前記精製対象金属が含まれる純化鋳塊と、濃化溶湯とに分離するように構成された分離部と、
を備える、金属の精製装置。
請求項８に記載の金属の精製装置であって、
前記成形部は、前記精製対象金属の固相率が０．２以上０．７以下の前記成形体を製造する、金属の精製装置。
請求項８又は請求項９に記載の金属の精製装置であって、
前記回転磁場の周波数は、１Ｈｚ以上である、金属の精製装置。
請求項８から請求項１０のいずれか１項に記載の金属の精製装置であって、
前記溶湯の前記回転磁場の周方向に沿った表面における磁束密度の最大値は、２０ｍＴ以上である、金属の精製装置。
請求項８から請求項１１のいずれか１項に記載の金属の精製装置であって、
前記溶湯は、アルミニウム（Ａｌ）を含み、
前記溶湯におけるＡｌの質量濃度は、前記溶湯に含まれる他の金属元素の質量濃度よりも大きい、金属の精製装置。
請求項１２に記載の金属の精製装置であって、
前記溶湯は、シリコン（Ｓｉ）を含み、
前記溶湯におけるＳｉの質量濃度は、１．０質量％以上１１．０質量％以下である、金属の精製装置。
請求項８から請求項１３のいずれか１項に記載の金属の精製装置であって、
前記溶湯は、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、マンガン（Ｍｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、クロム（Ｃｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、及びチタン（Ｔｉ）の少なくとも１つを含み、
前記溶湯におけるＦｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｚｎ及びＴｉの質量濃度の合計は、０．５質量％以上６．０質量％以下である、金属の精製装置。