JPH01290720A - 金属の純化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ポンディングワイヤー、メモリーディスク等
の電子ａ層材料に用いられる高純度金属の製造装置に関
するものである。

（従来の技術〕 近年、電子機器の超小型化、精密化等に伴い、そこに使
用される金属材料には導電性、柔軟性、表面特性等の一
層の向上が求められており、高純度金属をベースとする
材料開発が年々拡大してきている。

金属を純化する方法としては、電解法と偏析法とがある
が、微量不純物を除去するには偏析法が通している。偏
析法には帯溶融法と凝固法の２種類があり、両者共溶質
の分配法則、即ち溶湯から固相が形成される際、溶質は
固相から液相側へ排出され、初期濃度Ｃ０に対して、形
成された固相濃度Ｃｓと固相周辺の残留融液濃度Ｃ，と
の関係が、Ｃ，＞Ｃ，＞Ｃ，となる法則を利用したもの
である。

帯溶融法は、るつぼ内に金属棒をセットし、該金属棒の
一部を溶かして、その溶融部を前記金属棒の一端から他
端迄移動させ、この操作を繰り返して？８賞を金属棒の
他端へ濃縮させて、金属を純化する方法である。

凝固法は、るつぼ内で金属を溶解し、周囲又は内部から
これを凝固させ、凝固途中で残液を除去し、僅かに純化
した固相を再び溶解、凝固させ、これを繰り返して金属
を純化する方法である。

然しなから、これらの方法を用いた従来の純化装置はい
ずれもバッチ式の為、時間及びコストがかかるものであ
った。即ち前記帯溶融法では少量の金属しか純化出来な
く、又凝固法は溶解と凝固を何回も繰り返す必要があっ
て、エネルギー的及びコスト的に不利であった。

本発明者等は上記の点に鑑み、鋭意検討の結果、高純度
金属を低コストで大量に、連続して製造出来る金属純化
！ｊｉ’ｌｌを開発し、先に特許出願を行なった（特願
昭６１−２４１０３７号参照）。

即ち第７図（ａ）及び（ｂ）は、本発明者等が開発した
前記金属純化装置の一実施Ｂ様を示す縦断面図及び平面
図であって、３は核生成装置、４は昇降装置、５は支持
アーム、６は振動発生装置、１１は核生成室、１２は核
溶解室、１８は炉壁、１４は発熱体、１５は熱電対、１
６は樋、１７は隔壁、１８は炉床面、１９は固相である
。

本装置においては、核生成室１１と核溶解室１２とから
なるユニット炉が、核溶解室１２と次のユニッ１炉の核
生成室１１とで、樋１６を介して、順次複数個連結され
ており、ユニット炉の核生成室１１と核溶解室１２がア
ンダーフロータイプの隔壁１７で仕切られ、炉床面１８
が核生成室１１から核溶解室１２へ下り勾配で傾斜し、
炉壁に発熱体１４が組み込まれ、各室毎に溶湯温度が制
御可能であり、核生成室１１に核生成装置３が具備され
ている。

而して、前記ユニット炉の核生成室１１に導入された溶
湯は、そこにセットされている冷却された核生成装置３
により固相が形成され、接置相は振動発生装置６により
核生成装置３に付与された振動により、前記核生成装置
３から遊離し、更に溶湯との比重差により核生成室底部
に沈降し、炉床面１日で加熱されつつ核溶解室１２へ移
動して再溶解され、この様にして核溶解室１２の溶湯中
の不純物量は核生成室１１のそれよりもはるかに低い水
準となり、この振作を繰り返す事により金属が純化され
ていくものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

先ず、金属の凝固時における溶質の挙動を図により説明
する。第６図は分配係数が１より小さい溶質を含存する
金属の状態図の概要を示すものであって、初期溶質濃度
Ｃ０の溶湯を冷却してい（場合、液相線温度Ｔ、におい
て、Ｃ，＆Ｉｌ成の固相が最初に核生成する。その後温
度の低下に従って固相は成長し、溶質量が徐々に増して
、前記固相の組成はＣＩ組成からｃｏ＆［ｌ成へと変化
する。即ち、前記核生成装置により形成された同相が咳
核生成装置から遊離する迄の時間が長いと、不純物を多
く含む固相が沈降する。従って前記固相中の不純物量を
少なくする為には、核生成装置により形成された固相を
出来るだけ速く咳核生成装置から遊離させる事が必要で
ある。

然しなから従来は、核生成装置により形成された固相は
隣で形成された固相との融合により大きく成長しやすく
、 （１）核生成装置からの固相の分離が困難であって、該
核生成装置に大きな振動エネルギーを与える必要がある
。

（２）核が生成してから遊離する迄の時間が長くなる為
、固相中の不純物量が多くなる。

等の問題点があった。

（課題を解決する為の手段〕 本発明は上記の点に鑑み鋭意検討の結果なされたもので
あり、その目的とするところは、核生成装置により形成
された固相の成長を抑えて、前記固相の核生成装置から
の分離を容易にすると共に、短時間の内に微細な固相を
分離する事により、接置相中の不純物量を少なくし、純
化処理の一層の効率化を図る事である。

即ち本発明は、核生成室と核溶解室とからなるユニット
炉が、核溶解室と次のユニット炉の核生成室とで、順次
複数個連結されており、ユニット炉の核生成室と核溶解
室がアンダーフロータイプの隔壁で仕切られ、炉床面が
核生成室から核熔解室へ下り勾配でｆ１１斜し、炉壁に
発熱体が組み込まれ、各室毎に溶湯温度が制御可能であ
り、核生成室に核生成装置が具備されている金属の純化
装置において、前記核生成装置の核生成部の少なく共表
面酒が金属溶湯との濡れ性の良い材料と濡れ性の悪い材
料とから構成されており、濡れ性の良い材料の割合が３
〜ｌ　９ｗＬ％の範囲内である事を特徴とする金属の純
化装置である。

本発明は、核生成装置の核生成部の少なく共裏面層を金
属溶湯との濡れ性の良い材料と濡れ性の悪い材料とから
構成し、固相の核（初晶様〕が形成される場所を濡れ性
が良好な材料の部分に限定する事によって、前記核生成
部に形成された初晶様の成長を抑えようとするものであ
る。

而して前記核生成部は通常、金属溶湯との濡れ性の良い
材ｒ）の粉末と濡れ性の悪い材料の粉末とを所望組成と
なる様に混合し、成形加工後焼結処理して製造されるが
、その際金属溶湯との濡れ性の良い材料の割合が３ｗＬ
％（以下単に％と記す）未満であると、前記核生成部表
面に形成される初晶様の量が少なく、又濡れ性の良い材
料の割合が１８％を超えると、前記濡れ性の良い材料を
均一に細かく分散させる事が困難で、その上に形成され
る初晶様が粗大化しやすいので、濡れ性の良い材料の割
合は３〜１８％の範囲内にする必要がある。

又濡れ性の良い材料の粒径が８０μｍを超えると、その
上に形成される初晶様がやはり粗大化しやすいので、前
記濡れ性の良い材料は粒径が８０μｍ以下のものを用い
る事が望ましい。

尚本発明の核生成部に用いられる濡れ性の良い材料と濡
れ性の悪い材料との組み合わせは、純化しようとする金
属の種類に応じて、適正な組み合わせを選択すべきであ
るが、−Ｓに金属溶湯に対する濡れ性の差が大きい材料
の組み合わせを用いた方が、単位時間当たりに核生成部
から遊離し、沈降する固相量が多くなり、より大きな効
果が得られるものである０例えば、電気炉内に設置した
板状の調査材（厚さ：５ｍｍ、輻：５０ｍｍ、長さ：５
０ｍｍ）上で、純化しようとする金属の鋳塊（直径：５
ｍｍφ、高さ：　５ｍｍ）を溶融、凝固させ、凝固後の
鋳塊の高さ（Ｈ）と直径（Ｄ）の比（Ｈ／Ｄ）で材料の
濡れ性を評価した場合、Ｈ／Ｄの差が０．２以上である
材料の組み合わせを選択する事が望ましい。

〔作用〕

本発明による金属の純化装置においては、核生成装置の
核生成部が、溶湯に対する濡れ性が悪い材料中に濡れ性
が良好な材料が細かく分散して構成されているので、固
相の核が形成される場所が濡れ性が良好な材料の部分に
限定され、且つ形成された固相がその材料の粒子径以上
には成長しない、従って核生成装置からの固相の分離が
容易であって、該核生成装置の振動も従来よりも小さな
振動エネルギーで形成された固相を遊離させる事が可能
であり、核が生成してから遊離する迄の時間が短くなる
ので、固相中の不純物量が少なくなり、エネルギー的及
び時間的に効率良く純化処理する事が可能である。

〔実施例１〕 次に本発明を実施例により更に具体的に説明す第１図は
本発明による核生成装置を用いて、金属の純化実験（核
生成実験）を行なった実験装置の概要を示す継断面図で
あって、ｌは非金属抵抗炉、２は黒鉛るつぼ、３は核生
成装置、４は昇降装置、５は支持アーム、６は振動発生
装置、７は溶湯である。非金属抵抗炉ｌ内に黒鉛るつぼ
２が設置されており、該黒鉛るつぼ２中で６７５”Ｃに
保持されたＡ　Ｑ　−５ｗ　ｔ％Ｓｉ溶湯７に核生成装
置３が場面から３ｃｍの深さ迄挿入されている。

第２図は前記核生成装置３の縦断面図であって、８は核
生成部、９は銅棒、１０は水路である６本核生成装置３
は、溶湯に対する濡れ性の異なる少なく共２種類の材料
を混合後、直径４０ｍｍφの棒状に成形加工して焼結処
理した核生成部８に、内部に直径５ｍｍφの水路１０を
有する直径３０ｍｍφの銅棒９を螺合したものである。

この核生成装置３は、第１図に示した昇降装置４によっ
て上下動が可能となっており、且つ該昇降装置４の支持
アーム５に振動発生装置６が取りつけられている。

核生成装置３により生成し、沈陳した固相（初晶核）の
溶質濃度と結晶粒の大きさに及ぼす核生成装置材質の影
響を調べる為に、前記核生成装置に１５°Ｃの水を２０
　ｃ　ｃ　／　ｍ　ｉ　ｎの割合で流して冷却し、５０
Ｈｚの振動を付与しつつ、その先端を６７５°Ｃに保持
したＡＮ−５ｗｔ％Ｓｉ溶湯の湯面から３ｃｍの深さに
１分間浸漬した後、前記溶湯を凝固させ、るつぼ２の底
部に堆積した初晶核の生成■を求め、その結果を第２表
に示した。

又初晶核の結晶粒径を測定すると共に、該初晶核中心部
分の３１４度分析をｘｖＡマイクロアナライザーにより
行ない、前記結晶粒径とＳｉ４度との関係を第３図に示
した。

尚この際、核生成部８の材質としては、黒鉛、Ａｌｔｏ
ｓ、ＭｇＯ１ＳｉＣＯ内の何れか１種類（単体）又は２
種類以上の材料を混合したもの（いずれも、粒径：２０
〜５０μｍ）を用いた。

又予め予備実験として、ＡＩ！、溶湯（純度：９９．９
ｗＬ％）に対する前記材質の濡れ性を調べる為、電気炉
内に設置した板状の調査材（厚さ：５ｍｍ、幅：５０ｍ
ｍ、長さ：５０ｍｍ）上で、純Ａｌ鋳塊（直径：５ｍｍ
φ、高さ：５ｍｍ）をＡｒ雰囲気中で溶融、凝固させ、
凝固後の鋳塊の高さ（Ｈ）と直径ＣＤ）の比（Ｈ／Ｄ）
を求めて、その結果を第１表に示した。

第　　１　　表 第１表から明らかな様に、これら材質の純Ａ１７８　ｆ
＆との濡れ性は、黒鉛が最も悪く、ＳｉＣが最も良好と
なっている。

又第２表から明らかな様に、核生成部の材質として単体
のものを用いた比較例１−４〜１−７においては、濡れ
性が良好な材質を用いた場合の方が、固相（初晶核）生
成量が多くなっている。

而して濡れ性の異なる材料を混合して用いた本発明例１
−１〜１−３は、前記これら材料を単体として用いた場
合（比較例１−４〜１−７）よりも固相生成量が多くな
っている。又材料間の濡れ性の差が大きい程、固相生成
量が多くなっており、前記濡れ性の差が０．２以上であ
る本発明例１−３において、特に大きな固相生成量が得
られている。

更に第３図から明らかな様に、初晶核の結晶粒径が小さ
い程、初晶核中の５ｉｆｉ度が低く（即ち不純物量が少
なく）なっており、金属の純化処理を効率良く行なう事
が出来る。而して前記固相生成量の場合と同様に、核生
成部の材質として単体のものを用いた場合よりも、濡れ
性の異なる材料を混合して用いた場合の方が初晶績の結
晶粒径が小さくなっており、且つ材料間の濡れ性の差が
大きい程、結晶粒径が小さくなっている。

前述の様に、材料間の濡れ性の差が大きい程、固相生成
量が多く、且つ初晶績の結晶粒径が小さくて、咳初晶核
中の不純物量が少なくなっている。

即ちＡ２を純化する際の核生成部の材質としては、黒鉛
モＡｆｆｉ２０．よりも濡れ性の差が大きい黒鉛子Ｓｉ
Ｃの組み合わせを用いた方が、より効率的に高純度化を
行なう事が出来る。

［実施例２〕 Ｃｕ　−５％Ｓｎ溶湯について、溶湯温度を１０７０°
Ｃに保持し、核生成部の材質として第４表に示した材質
を用いた以外は、実施例１と同様な方法で純化実験（核
生成実験）を行なった。

尚この際、実施例１と同様な方法で、核生成部の材質の
Ｃｕ溶湯に対する濡れ性を予（ｉｌｌ！ｊｌ査し、第３
表に示す結果を得た。この結果に基づいて、第４表に示
す材質を核生成部に用いた。

而して実施例１と同様な方法で、固相（初晶績）の生成
量並びに初晶績の結晶粒径及び該初晶核中のＳｎ濃度を
求め、これらの結果を第４表並びに第４図に示した。

第３表 第３〜４表及び第４図から明らかな様に、この場合も実
施例１と同様な結果が得られている。即ち核生成部の材
質として、濡れ性の異なる材料を混合して用いた本発明
例２−１〜２−３は、これら材料を単体として用いた場
合（比較例２−４〜２−７）よりも固相生成量が多くな
っており、且つ初晶績の結晶粒径が小さくて、該初晶核
中の不純物量が少なくなっている。

而してこれらの効果は、前記混合して用いた材料間の濡
れ性の差が大きい程大きく、前記濡れ性の差が０．２以
上である本発明例２−３において、特に顕著である。

〔実施例３］ Ｆ　ｅ　−５％Ｓｉｔ＄湯について、溶湯温度を１４７
０°Ｃに保持し、核生成部の材質として第６表に示した
材質を用いた以外は、実施例１と同様な方法で純化実験
（核生成実験）を行なった。

尚この際、実施例１と同様な方法で、核生成部の材質の
Ｆｅ溶湯に対する濡れ性を予備調査し、第５表に示す結
果を得た。この結果に基づいて、第６表に示す材質を核
生成部に用いた。

而して実施例１と同様な方法で、固相（初晶績）の生成
量並びに初晶績の結晶粒径及び咳初晶核中のＳｉ濃度を
求め、これらの結果を第６表並びに第５図に示した。

第５表 第５〜６表及びｍ５図から明らかな様に、この場合も実
施例１と同様な結果が得られている。即ち核生成部の材
質として、濡れ性の異なる材料を混合して用いた本発明
例３−１〜３−３は、これら材料を単体として用いた場
合（比較例３−４〜３−７）よりも固相生成量が多くな
っており、且つ初晶績の結晶粒径が小さくて、咳初晶核
中の不純物量が少なくなっている。

而してこれらの効果は、前記混合して用いた材料間の濡
れ性の差が大きい程大きく、前記濡れ性の差が０．２以
上である本発明例３−３において、特に顕著である。

（実施例４〕 実施例１において、核生成部の材質として、黒鉛とＳｉ
Ｃを混合したものを用い、第７表に示した様に、ＳｉＣ
の割合及び該Ｓ　ｉ　Ｃの粒径を変えて純化実験（核生
成実験）を行なった（黒鉛の粒径は３５μｍ一定とした
）。

而して実施例１と同様な方法で、固相（初晶績）の生成
量並びに初晶績の結晶粒径及び該初晶核中のＳｉＣ４度
を求め、これらの結果を第７表に併記した。

第７表から明らかな様に、核生成部を構成する材料の内
、Ａｌ溶湯に対する濡れ性の良い材料（ＳｉＣ）の割合
、及び咳ｓｉｃの粒径が本発明の範囲内である本発明例
４−１〜４−４は、いずれも固相（初晶核）生成量が多
く、且つ初晶核の結晶粒径が小さくて、該初晶核中の不
純物（Ｓｉ）量が少なくなっている。

一方前記ＳｉＣの割合が少なすぎる比較例４−５は、固
相生成量が少なく、又該Ｓ　＋　Ｃの割合が多すぎる比
較例４−６及びＳｉＣの粒径が大きすぎる比較例４−７
は、初晶核が粗大化して、該初晶核中の不純物量が多く
なっている。

〔発明の効果〕 本発明装置によれば、高純度の金属を従来よりもエネル
ギー的及び時間的に効率良く製造する事が出来、工業上
顕著な効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は金属の純化実験（核生成実験）装置の概要を示
す縦断面図、第２図は核生成装置の縦断面図、第３図、
第４図及び第５図はそれぞれＡＮ−５％Ｓｉン容湯、Ｃ
ｕ　−５％Ｓｎン容湯及びＦｅ−５％Ｓｉ７容湯におけ
る核生成装置表面から遊離沈降した初晶核の結晶粒径と
咳初晶核中の不純物量（それぞれＳｉｌ、Ｓｎｌ及び５
ｉｉｌ）との関係を示す説明図、第６図は分配係数が１
より小さい１８Ｔ１を含有する金属の状態図、第７図（
ａ）及び（ｂ）は、金属純化装置の一実施態様を示す縦
断面図及び平面図である。 １−非金属抵抗炉、２−黒鉛、３−核生成装置、４−昇
降装置、５−支持アーム、６・−振動発生装置、７−溶
湯、８−核生成部、９−銅棒、ｌＯ−水路、１１−核生
成室、１２−核溶解室、１８−炉壁、１４−発熱体、１
５−熱電対、１６−・−樋、＋７−隔壁、１Ｂ−炉床面
、１１−固相。 特許出願人　古河電気工業株式会社 第　　　１　　　図 第２図 第　　　３　　　図 第　　　４　　　図 第　　　５　　　図 ＣＩｃｏ　　組成 第　　　６　　　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 核生成室と核溶解室とからなるユニット炉が、核溶解室
   と次のユニット炉の核生成室とで、順次複数個連結され
   ており、ユニット炉の核生成室と核溶解室がアンダーフ
   ロータイプの隔壁で仕切られ、炉床面が核生成室から核
   溶解室へ下り勾配で傾斜し、炉壁に発熱体が組み込まれ
   、各室毎に溶湯温度が制御可能であり、核生成室に核生
   成装置が具備されている金属の純化装置において、前記
   核生成装置の核生成部の少なく共表面層が金属溶湯との
   濡れ性の良い材料と濡れ性の悪い材料とから構成されて
   おり、濡れ性の良い材料の割合が３〜１８ｗｔ％の範囲
   内である事を特徴とする金属の純化装置。