JP5415066B2 - 金属精製方法及び装置、精製金属、鋳造品、金属製品及び電解コンデンサ - Google Patents

Description

本発明は金属の精製方法及び装置に関し，更に詳しく言えば、偏析凝固法の原理を利用して共晶不純物を含むアルミニウム、ケイ素、マグネシウム、鉛、亜鉛等の金属から、共晶不純物の含有量を元の金属よりも少なくし，高純度の金属を製造する方法及び装置に関し、さらには前記方法により精製された金属、この金属を用いた鋳造品、金属製品及び電解コンデンサに関する。

この種金属の精製方法として、精製用溶湯保持炉内に入れられた共晶不純物を含む溶融金属中に回転冷却体を浸漬し、回転冷却体内に冷却流体を供給しつつこの冷却体を回転させてその周面により純度の高い精製金属を晶出させる方法が知られている（例えば特許文献１参照）。

この方法では、冷却体周面への凝固速度が遅いほど、晶出した金属の純度が高くなることがわかっている。ところで、冷却体周面の温度が低い状態のまま冷却体を精製すべき溶融金属中に浸漬すると、その周面への凝固速度が速くなる。このような凝固速度が大きな状態で晶出した金属は冷却体との密着性が悪く、精製初期の段階で冷却体の回転による遠心力によって非常に剥離しやすい。また、剥離が多いと精製金属重量が小さくなるという問題がある。

このような剥離に対処する方法として、回転冷却体周面に剥離防止用凹溝を設けることが提案されている（特許文献２参照）。
昭公昭６１−３３８５号公報 特開昭６２−２８０３３４号公報

しかし、回転冷却体周面に剥離防止用凹溝を設ける方法だけでは不十分であり、剥離を防ぐことは出来ず、このため精製金属重量が少なくなってしまうという問題を、依然として解決できなかった。

この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、凝固速度が大きな状態で晶出した金属が、精製初期の段階で冷却体から剥離するのを防止することにより、精製金属重量を大きくすることができる金属精製法及び装置を提供し、さらには前記方法により精製された金属、この金属を用いた鋳造品、金属製品及び電解コンデンサを提供することを課題とする。

上記課題は、以下の手段によって解決される。
（１）精製すべき溶融金属中に冷却体を浸漬し、この冷却体を回転させながら冷却体表面に高純度金属を晶出させる金属の精製方法において、精製初期の冷却体の平均周速をそれ以降の平均周速よりも小さく設定し、かつ精製初期の冷却体の最大周速がそれ以降の平均周速を超えないように設定して精製を行うことを特徴とする金属精製方法。
（２）前記精製初期が精製開始から全精製時間×０．１までである前項１に記載の金属精製方法。
（３）精製開始から全精製時間×０．０５までの冷却体の平均周速Ｖ１とそれ以降の平均周速Ｖ３の関係がＶ１≦Ｖ３×０．９に設定されている前項１または２に記載の金属精製方法。
（４）精製開始から全精製時間×０．１までの冷却体の平均周速Ｖ１とそれ以降の平均周速Ｖ３の関係がＶ１≦Ｖ３×０．９に設定されている前項１または２に記載の金属精製方法。
（５）精製される金属がアルミニウムである前項１〜４のいずれかに記載の金属精製方法。
（６）精製すべき溶融金属を収容する炉体と、前記炉体に収容された溶融金属中に浸漬される冷却体と、前記冷却体を回転させる回転駆動装置と、精製初期の冷却体の平均周速がそれ以降の平均周速よりも小さくなるように、かつ精製初期の冷却体の最大周速がそれ以降の平均周速を超えないように、前記回転駆動装置による冷却体の回転速度を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする金属精製装置。
（７）前記精製初期が精製開始から全精製時間×０．１までである前項６に記載の金属精製装置。
（８）前記制御手段は、精製開始から全精製時間×０．０５までの冷却体の平均周速Ｖ１とそれ以降の平均周速Ｖ３の関係がＶ１≦Ｖ３×０．９となるように、回転駆動装置による冷却体の回転速度を制御する前項６または７に記載の金属精製装置。
（９）前記制御手段は、精製開始から全精製時間×０．１までの冷却体の平均周速Ｖ１とそれ以降の平均周速Ｖ３の関係がＶ１≦Ｖ３×０．９となるように、回転駆動装置による冷却体の回転速度を制御する前項６または７に記載の金属精製装置。
（１０）前項１ないし４のいずれかに記載の方法で精製された精製金属。
（１１）前項１０に記載の精製金属から製造された鋳造品。
（１２）前項１１に記載の鋳造品が圧延されてなる金属製品。
（１３）前項１２に記載の金属製品が電極材として用いられている電解コンデンサ。

前項（１）に記載の発明によれば、精製初期の冷却体の平均周速をそれ以降の平均周速よりも小さく設定し、かつ精製初期の冷却体の最大周速がそれ以降の平均周速を超えないように設定して精製を行うから、冷却体を精製すべき溶融金属中に浸漬した際の精製初期における凝固速度の大きい晶出金属に対して作用する回転冷却体の遠心力を小さくでき、このため前記晶出金属が回転冷却体から剥離するのを防止できる。こうして、冷却体との密着性が悪い晶出金属の剥離を防止しながら精製を行い、その後、冷却体の周速を大きくし精製効率の高い金属を晶出させる。このように、精製初期の晶出金属の剥離を防止することで、得られる精製金属の重量を大きくすることができる。

前項（２）に記載の発明によれば、精製初期の晶出金属の剥離を安定的に防止することができる。

前項（３）に記載の発明によれば、精製開始から全精製時間×０．０５までの冷却体の平均周速Ｖ１とそれ以降の平均周速Ｖ３の関係がＶ１≦Ｖ３×０．９に設定されているから、凝固速度が大きく冷却体との密着性が悪い晶出金属の初期の剥離防止効果を有効に発揮させることができる。

前項（４）に記載の発明によれば、精製開始から全精製時間×０．１までの冷却体の平均周速Ｖ１とそれ以降の平均周速Ｖ３の関係がＶ１≦Ｖ３×０．９に設定されているから、凝固速度が大きく冷却体との密着性が悪い晶出金属の初期の剥離防止効果をさらに有効に発揮させることができる。

前項（５）に記載の発明によれば、凝固速度が大きく冷却体との密着性が悪い晶出アルミニウムの精製初期における剥離を防止して、アルミニウム塊の精製重量を大きくすることができる。

前項（６）に記載の発明によれば、凝固速度が大きく冷却体との密着性が悪い晶出金属の精製初期の剥離を防止して、得られる精製金属の重量を大きくできる精製装置となしうる。

前項（７）に記載の発明によれば、精製初期の晶出金属の剥離を安定的に防止することができる精製装置となしうる。

前項（８）に記載の発明によれば、凝固速度が大きく冷却体との密着性が悪い晶出金属の初期の剥離防止効果を有効に発揮させることができる精製装置となしうる。

前項（９）に記載の発明によれば、凝固速度が大きく冷却体との密着性が悪い晶出金属の初期の剥離防止効果をさらに有効に発揮させることができる精製装置となしうる。

前項（１０）に記載の発明によれば、重量の大きな精製金属となしうる。

前項（１１）に記載の発明によれば、重量の大きな精製金属から製造された鋳造品となしうる。

前項（１３）に記載の発明によれば、重量の大きな精製金属から製造された圧延金属製品となしうる。

前項（１４）に記載の発明によれば、重量の大きな精製金属から製造された電極材が用いられた電解コンデンサとなしうる。

以下、この発明の一実施形態を説明する。

図１はこの発明の一実施形態に係る金属精製装置の概略構成と、これを用いた金属精製方法を説明するための図である。

図１において、１は溶湯保持炉であり、この溶湯保持炉１の内部に溶融金属２が収容保持されている。保持炉１の上方には回転冷却体３が上下左右移動自在に配置されるとともに、金属精製時には冷却体３が下方移動して、溶湯保持炉１内の溶融金属２中に浸漬されるものとなされている。また、図示は省略したが、溶湯保持炉１と平行する配置で、精製金属掻き落とし装置が設置され、冷却体３に晶出した金属を掻き落として回収することができるものとなされている。さらに、溶湯保持炉１内の溶融金属２は、一定の温度となるよう加熱炉内に配置され、保持炉１の外側から加熱されるようになっている。

前記冷却体には、回転軸３１を介してモータ等の回転駆動装置４が連結され、冷却体３に回転力を付与できるようになっている。この回転駆動装置４の回転速度、換言すれば冷却体３の回転速度は制御部５により可変制御可能となされており、これにより後述するように、精製初期の冷却体３の平均周速を精製中の平均周速よりも小さく設定し、かつ精製初期の冷却体の最大周速がそれ以降の平均周速を超えないように設定することができるものとなされている。

図１（ａ）に示すように、前記回転冷却体３を溶湯保持炉１内の溶融金属２に浸漬し、内部に冷却流体を供給しつつ回転させ、冷却体１の周面に精製金属６をゆっくり晶出させる。この順序は特に限定するものではなく、回転冷却体３を回転させながら溶融金属２に浸漬させても問題はない。共晶不純物は液相中に排出されて凝固界面近傍の液相中に共用不純物の不純物濃化層が出来るが、回転冷却体３と溶融金属２との相対速度によって不純物濃化層中の不純物が液相全体に分散させられる。この状態で凝固を進行させると、図１（ｂ）に示すように、冷却体３の周面には元の溶融金属２よりはるかに高純度の金属塊６が得られる。

この回転冷却体３の周面の高純度金属塊６は、ある一定時間経過後に溶融金属２から冷却体３と共に引き上げられ、冷却体３から掻き落として回収される。こののち冷却体３は再度溶湯保持炉１内の溶融金属２に浸潰され、金属精製に供される。この工程は繰り返し実施され連統的に金属精製が行われる。

この工程において、精製金属掻き落とし後の冷却体は溶融金属の温度より明確に低い温度となる。そのため溶融金属２に再度浸漬した時に冷却体３の同面に接する溶融金属２は、冷却体３への熱拡散により急激に凝固してしまう。このとき凝固した金属は急激に冷却されるため冷却体３への密着が悪く、このため精製途中で精製金属塊６が剥離してしまうことが多く、その場合には一定時間の精製後に得られる精製塊重量が小さくなってしまう。このように非常に不安定な精製工程となり、結果として生産効率が悪いものとなる。

そこで、この発明は、冷却体３の浸漬直後に晶出した、冷却体３との密着性の悪い金属精製塊６の冷却体３からの剥離を防止するため、精製初期に回転冷却体３の周速を意図的に小さくして金属精製塊６へ作用する遠心力を減少させるものである。つまり、精製初期の冷却体の平均周速をそれ以降の平均周速よりも小さく設定し、かつ精製初期の冷却体の最大周速がそれ以降の平均周速を超えないように設定して精製を行うものである。

この方法によれば、冷却体３の浸漬直後に晶出した精製金属は、回転冷却体３の平均周速が低速であり、かつ最大周速が小さいために剥離が防止され、その後は周速を大きくすることにより、晶出した金属精製塊６は図１（ｃ）に示すように剥離することもなく成長し安定した精製が可能となり、最終的に得られる精製金属重量が大きくなる。

ここで、精製初期とは、例えば、精製開始から全精製時間×０．１までの時間をいう。全精製時間×０．１を超える時間まで平均周速を小さくしても、精製金属の剥離防止効果が飽和するのみならず、生産性の低下を招いて最終的に得られる精製金属重量を大きくすることができない恐れがある。

具体的には、精製開始から全精製時間×０．０５までの冷却体３の平均周速Ｖ１を、それ以降の平均周速Ｖ３に対してＶ１≦Ｖ３×０．９に設定して精製を行うのが良いが、更に確実な効果を得るためには、精製開始から全精製時間×０．１までは冷却体３の平均周速Ｖ１で精製を行い、それ以降は平均周速Ｖ３（ただしＶ１≦Ｖ３×０．９）で精製を行うのがよい。

また、精製初期の冷却体３の最大周速Ｖ２がそれ以降の平均周速以上であると、たとえ精製初期の冷却体３の平均周速Ｖ１をそれ以降の平均周速Ｖ３よりも小さく設定しても、最大周速によって生じる遠心力により、精製金属が剥離する恐れがあることから、精製初期の冷却体の最大周速Ｖ２をそれ以降の平均周速Ｖ３を超えないように設定する必要がある。好ましくは、精製初期の冷却体３の最大周速Ｖ２をそれ以降の平均周速Ｖ３の０．９５倍以下に設定するのが望ましい。

この金属精製装置において、溶湯保持炉１は単独であっても良いし連結樋によって複数の保持炉が互いに連通状に接続されていても構わない。単独の場合は精製を繰り返すと溶融金属の不純物濃度が増すために、精製した金属の純度が悪化してしまう。そのために定期的に溶融金属を入れ替えるのが良い。連結樋によって互いに連結した場合は、一端から新たな溶融金属を注ぎこめば溶融金属２が、隣接する溶湯保持炉１に流出し、高濃度の溶融金属がそのまま溶湯保持炉１に滞留することはなく、このため溶融金属を入れ替える必要がない。また最下流の溶湯保持炉１から流出した溶融金属は、精製に適さない濃度となるので排出される。

回転冷却体３は黒鉛、セラミックス製等が望ましいが、これに限るものではない。高温の溶融金属と接触するために回転冷却体３も高温となるので、この高温で溶融せず、極端な強度低下をしないものであれば良く、金属製であっても構わない。

回転冷却体３を冷却するための冷媒も特に限定はされず、窒索ガス、二酸化炭素ガス、アルゴンガス、圧縮エアー等を使用できるが、コストの面で圧縮エアーが推奨される。

精製金属は、共晶不純物を含むアルミニウム、ケイ素、マグネシウム、鉛、亜鉛等の金属を挙げうる。特にアルミニウムを精製する際、アルミニウムと包晶を生成する不純物が含まれる場合には、ホウ素添加および撹拌を行うのが良い。ホウ素添加および撹拌を行うことで、ホウ素が溶融金属中に含まれているＴｉ、Ｖ、Ｚｒ等の包晶不純物と反応してＴｉＢ2、ＶＢ2、ＺｒＢ2等の不溶性ホウ化物が生成される。余剰のホウ素は、共晶不純物にして除去される。上記ホウ化物は、溶湯保持炉１内で冷却体３の回転により生じる遠心力によって冷却体３から遠ざけられ、冷却体３の周面に晶出したアルミニウムに含まれることはない。また、溶湯保持炉１が連結樋によって互いに連通状に接続されている場合は、最上流にホウ素添加用るつぼを配置しておくのがよい。ホウ素は一般的にアルミニウムに添加された母合金ロッドとして溶融金属中に供給される。

上記により精製された金属は、各種の加工や用途に用いることで優れた特性や機能を発揮させることができる。一例を挙げると、精製金属を鋳造に用いて鋳造品を製作しても良いし、この鋳造品を圧延して各種の金属板や金属箔として用いても良い。また、この金属箔を例えばアルミニウム電解コンデンサの電極材として用いてもよい。

［実施例］
不純物として主にＦｅ：５００ｐｐｍ、Ｓｉ：４００ｐｐｍが含まれるアルミニウム溶湯を精製保持炉内に入れ、精製炉ヒーターの電力を調整し６６５℃の温度に保持する。その後、温度を調整した上端部の外径が１５０ｍｍであるテーパー形状の回転冷却体を溶湯中に浸潰し、以下に示す速度で回転させながら、７分間回転冷却体周面に精製アルミニウムを晶出させた。なお回転冷却体内には圧縮エアーを直接当てて冷却させた。
（１）冷却体の回転数を、精製開始から全精製時間×０．０５まで平均周速Ｖ１：２．７ｍ／ｓｅｃ、最大周速Ｖ２：２．９ｍ／ｓｅｃ、それ以降周速３．１ｍ／ｓｅｃ（従って平均周速Ｖ３も３．１ｍ／ｓｅｃ）に設定して、５回の精製実験を実施した結果、精製塊重量は平均で６．１ｋｇであった。また、精製中に発生した剥離回数を精製開始後の時間経過とともに調査したところ、表１の通りであり、精製開始から全精製時間×０．０５以内での剥離発生率は減少した。

（２）冷却体の回転数を、精製開始から全精製時間×０．１まで平均周速Ｖ１：２．７ｍ／ｓｅｃ、最大周速Ｖ２：２．９ｍ／ｓｅｃ、それ以降周速３．１ｍ／ｓｅｃ（従って平均周速Ｖ３も３．１ｍ／ｓｅｃ）に設定して、５回の精製実験を実施した結果、精製塊重量は平均で６．１４ｋｇであった。また、精製中に発生した剥離回数を精製開始後の時間経過とともに調査したところ、表２の通りであり、精製開始から全精製時間×０．１以内での剥離発生率は減少した。

［従来例］
不純物として主にＦｅ：５００ｐｐｍ、Ｓｉ：４００ｐｐｍが含まれるアルミニウム溶湯を精製保持炉内に入れ、精製炉ヒーターの電力を調整し６６５℃の温度に保持する。その後、温度を調整した上端部の外径が１５０ｍｍであるテーパー形状の回転冷却体を溶湯中に浸潰し、周速３．１ｍ／ｓｅｃの一定速度で回転させながら、７分間回転冷却体周面に精製アルミニウムを晶出させた。なお回転冷却体内には圧縮エアーを直接当てて冷却させた。

５回の精製実験を実施した結果、精製塊重量は平均で６．０ｋｇであった。また、精製中に発生した剥離回数を精製開始後の時間経過とともに調査したところ、表３の通りであり、精製開始から全精製時間×０．０５までは全ての精製で剥離が発生した。

この発明の一実施形態に係る金属精製装置の概略構成と、これを用いた金属精製方法を説明するための図である。

符号の説明

１ 溶湯保持炉
２ 溶融金属（溶湯）
３ 冷却体
４ 回転駆動装置
５ 制御部
６ 精製金属塊

Claims (8)

1. 精製すべき溶融金属中に冷却体を浸漬し、この冷却体を回転させながら冷却体表面に高純度金属を晶出させる金属の精製方法において、
   前記冷却体を前記溶融金属中へ浸漬したときを精製開始とし、この精製開始から前記冷却体を前記溶融金属から引き上げたときまでを全精製時間とするときに、精製開始から全精製時間×０．１までの精製初期の冷却体の平均周速をそれ以降の平均周速よりも小さく設定し、かつ精製初期の冷却体の最大周速がそれ以降の平均周速を超えないように設定して精製を行うことを特徴とする金属精製方法。
2. 精製開始から全精製時間×０．０５までの冷却体の平均周速Ｖ１とそれ以降の平均周速Ｖ３の関係がＶ１≦Ｖ３×０．９に設定されている請求項１に記載の金属精製方法。
3. 精製開始から全精製時間×０．１までの冷却体の平均周速Ｖ１とそれ以降の平均周速Ｖ３の関係がＶ１≦Ｖ３×０．９に設定されている請求項１または２に記載の金属精製方法。
4. 精製される金属がアルミニウムである請求項１〜３のいずれかに記載の金属精製方法。
5. 精製すべき溶融金属を収容する炉体と、
   前記炉体に収容された溶融金属中に浸漬される冷却体と、
   前記冷却体を回転させる回転駆動装置と、
   前記冷却体を前記溶融金属中へ浸漬したときを精製開始とし、この精製開始から前記冷却体を前記溶融金属から引き上げたときまでを全精製時間とするときに、精製開始から全精製時間×０．１までの精製初期の冷却体の平均周速がそれ以降の平均周速よりも小さくなるように、かつ精製初期の冷却体の最大周速がそれ以降の平均周速を超えないように、前記回転駆動装置による冷却体の回転速度を制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする金属精製装置。
6. 前記制御手段は、精製開始から全精製時間×０．０５までの冷却体の平均周速Ｖ１とそれ以降の平均周速Ｖ３の関係がＶ１≦Ｖ３×０．９となるように、回転駆動装置による冷却体の回転速度を制御する請求項５に記載の金属精製装置。
7. 前記制御手段は、精製開始から全精製時間×０．１までの冷却体の平均周速Ｖ１とそれ以降の平均周速Ｖ３の関係がＶ１≦Ｖ３×０．９となるように、回転駆動装置による冷却体の回転速度を制御する請求項５または６に記載の金属精製装置。
8. 請求項１ないし３のいずれかに記載の方法で精製された精製金属。

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