JP2006029674A

JP2006029674A - 精錬装置及び精錬方法

Info

Publication number: JP2006029674A
Application number: JP2004208573A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Nakai; 泰弘中井; Masanori Tsuda; 正徳津田
Original assignee: Shinko Electric Co Ltd
Current assignee: Shinko Electric Co Ltd
Priority date: 2004-07-15
Filing date: 2004-07-15
Publication date: 2006-02-02

Abstract

【課題】短時間で高純度に金属を精錬することが可能であり、かつ、導入する水素ガスの低減が可能で、かつ、金属を凝固させる際にインゴット上部に水素の気泡が残存したり、インゴット上部が不定形になることを防止できる精錬装置および精錬方法を提供する。
【解決手段】スカルＳ上の溶融金属６は、ノズル２３から溶解炉３に直接吹き込まれる水素ガスによって、高濃度の水素環境に晒され、低酸素濃度になるまで効率的に脱酸反応が進行し、効率的に短時間で高純度な精錬を行うことができる。水素ガスをノズル２３から溶解炉３に向けて直接吹き込むことによって、溶解炉３付近だけ偏在的に水素濃度を短時間で上げることができ、気密容器２内全体の水素濃度を上げなくても、効率的に低酸素濃度まで溶融金属の脱酸反応を行うことが可能になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属の精錬装置及び精錬方法に係り、特に、水素ガスを用いた高純度金属の精錬装置及び精錬方法に関する。

各種金属を高純度に精錬した高純度金属は、それぞれの金属が持つ特性を顕在化させ、更に従来は見出されていなかった新たな性質が出現するなどの効果がある。このため、金属を高純度化する技術が注目されている。金属を高純度化する手法としては、金属を水素雰囲気で溶解する水素精錬が古くから知られている。しかし、従来は溶解ルツボとしてアルミナ等の金属酸化物からなる耐火物ルツボが用いられてきたため、耐火物が溶融金属と反応して耐火物の構成元素や耐火物中の不純物が溶融金属に入ってくるため、高純度化には限界があった。

こうした、溶解ルツボからの汚染のない精錬装置として、例えば、特許文献1に示すような、コールドクルーシブル溶解炉を用いた金属精錬装置が挙げられる。コールドクルーシブル溶解炉では、水冷された銅製ルツボによって溶融金属の外側を凝固させ、この凝固層(スカル)によって内側の溶融金属を保持することで、溶融金属がルツボとの接触によって汚染されることがほとんどないという特徴がある。
特開平１０−１００２２３号公報

しかしながら、特許文献1に記載された従来の精錬装置では、水素ガスを気密容器内に導入して、換気をせずに原料金属を溶解するか、あるいは換気を行っても気密容器の容積に対して水素ガスの導入量が少ないため、精錬反応による生成水のために上がった水の分圧がなかなか下がらないために、低酸素濃度まで脱酸反応がなかなか進行しない。このため、高純度に金属を精錬するために精錬時間がかかるという課題があった。

また、水素雰囲気下で精錬金属を凝固させると、金属に溶解していた水素が溶解度の差から気泡となってインゴットの上部に残存したり、インゴット上部が不定形になるという課題もあった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、短時間で高純度に金属を精錬することが可能であり、かつ、導入する水素ガスの低減が可能で、かつ、金属を凝固させる際にインゴット上部に水素の気泡が残存したり、インゴット上部が不定形になることを防止できる精錬装置および精錬方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によれば、金属を加熱融解して溶融金属を形成する溶解ルツボと、前記溶解ルツボを収容する気密容器と、前記気密容器を真空にする真空排気装置と、前記気密容器内に不活性ガスを導入する不活性ガス導入手段とを備えた精錬装置であって、前記溶解ルツボが水冷された銅または溶融金属と反応しない耐火物から形成されており、前記溶解ルツボに少なくとも水素を含むガスを導入する水素ガス導入手段を備えたことを特徴とする精錬装置が提供される。。

前記不活性ガス導入手段は、不活性ガスを前記溶解ルツボに導入する構成であれば良い。前記水素ガス導入手段または前記不活性ガス導入手段は、前記溶解ルツボの上部から水素ガスまたは不活性ガスあるいはこれらの混合ガスを前記溶解ルツボに吹き込むノズルを備え、前記溶融金属に直接吹き付ける構成であればよい。前記ノズルは非金属耐火物で形成されていればよい。前記ノズルが前記溶解ルツボの上方に退避可能な構造であればよい。

前記水素ガス導入手段または前記不活性ガス導入手段は、前記溶解ルツボの底部から水素ガスまたは不活性ガスあるいはこれらの混合ガスを前記溶融金属内に直接吹き込む構造であればよい。

本発明によれば、水冷された銅または溶融金属と反応しない耐火物から形成された溶解ルツボを備えた気密容器内を真空排気する工程と、真空排気終了後に水素ガスあるいは不活性ガスを導入する工程と、前記溶解ルツボに少なくとも水素を含むガスを導入しながら原料金属を溶解精錬する工程と、精錬終了後に不活性ガスを導入し、前記水素ガスと置換する工程とを備えたことを特徴とする精錬方法が提供される。

前記真空排気は、前記気密容器内の圧力が少なくとも０．１Ｐａとなるまで行うのが好ましい。前記水素ガスあるいは不活性ガスの導入時の導入圧力は１３．３Ｐａ以上に設定されるのが好ましい。前記不活性ガスによる前記水素ガスの置換時の導入圧力は１３．３Ｐａ以上に設定されるのが好ましい。

前記不活性ガスによる前記水素ガスの置換を間歌的に複数回に分けて行うのが好ましい。前記不活性ガスによる前記水素ガスの置換を、前記溶解ルツボに不活性ガスを導入して前記溶解ルツボ内を局所的に換気することにより行うのが好ましい。溶融金属の凝固直後に前記気密容器内を排気するのが好ましい。

本願発明によれば、溶解ルツボに直接吹き込まれる水素ガスによって、溶解ルツボに局
所的かつ直接的に水素を供給することが可能となり、精錬反応による生成水を溶解ルツボから迅速に排除することが可能となり、精錬反応によって低下したＰ_Ｈ２／Ｐ_Ｈ２Ｏ（Ｐ_Ｈ２：水素分圧、：Ｐ_Ｈ２Ｏ水の分圧）を急速に回復させ、高く保つことができるので、迅速に脱酸反応が進行し、効率的に短時間で高純度に精錬を行うことができる。また、水冷された銅製ルツボまたは溶融金属と反応しない耐火物から形成されたルツボを用いることにより、ルツボから汚染されることがないので、従来のように溶融金属とルツボが反応する場合よりも高純度に精錬することができる。

そして、精錬終了後に不活性ガスを導入して換気することにより、水素分圧を下げて、溶解金属中の溶存水素を放出することが可能になり、インゴット上部に水素ガスによる気泡が残ったり、こうした気泡によってインゴット上部が不定形になったりすることが防止される。更に、前記の換気を溶解ルツボに局所的かつ直接的に不活性ガスを導入して行うことによって、溶融ルツボの水素分圧を迅速に下げることが可能となり、気密容器内全体を換気する場合と比較して短時間でかつ少ない不活性ガスで溶解金属中の溶存水素を放出させることが可能になる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を交えて説明する。図１は、本発明の金属の精錬装置を示す断面図である。精錬装置１は、コールドクルーシブル型の溶解炉３と、この溶解炉３を収容する気密容器２とを備えている。溶解炉３は、熱伝導率の大きい純銅又は銅合金等からなる炉本体（溶解ルツボ）１１と、その周囲に配設された、原料金属を加熱するための誘導加熱コイル１２とを備えている。炉本体（溶解ルツボ）１１の周囲に巻回される誘導加熱コイル１２は、高周波数の交流電流を供給して交流磁場を発生させるものであり、炉本体１１内に収容された原料金属を誘導加熱する。

なお、溶解ルツボとしては、上述した誘導加熱コールドクルーシブル方式以外にも、例えば、アークやプラズマを加熱源とした水冷銅ルツボや、耐火物ルツボでも溶融金属に反応しない組み合わせでのもの、例えば、銅に対する黒鉛ルツボのように、ルツボの構成元素が目標とする純度に影響するほど溶融金属に溶け出さない材質の耐火物ルツボを用いることができる。

炉本体（溶解ルツボ）１１は、互いに電気的に絶縁された複数の縦割り状の導電性セグメント１３を円周方向に配列することで、上下方向に延びる円筒状に形成されたものである。なお、それぞれの導電性セグメント１３の間には、電気的絶縁のための耐火材が埋め込まれている。炉本体１１には冷却水を循環させる冷却パイプ（冷却手段）１４が接続され、冷却水によって炉本体１１が冷却される。

炉本体１１の上方には、水素ガスや不活性ガスを溶解炉３に向けて直接吹き付けるためのノズル２３が形成されている。こうしたノズル２３は、水素ガス供給装置（水素ガス導入手段）２４や不活性ガス供給装置（不活性ガス導入手段）２５に接続されている。水素ガスや不活性ガスは、こうした供給装置からバルブ２７等の切り替えによってそれぞれ供給されればよい。ノズル２３は、伸縮装置２６によって、炉本体１１に接近させたり、炉本体１１から退避させたりすることができる。このようなノズル２３は、気密容器２に収容された溶解炉３付近の水素ガスや不活性ガスの濃度を局所的に高め、精錬反応で生成した水や不要となった水素ガスを溶解炉３付近から除去する役割を果たす。

このようなノズル２３は、例えば非金属耐火物で形成されればよい。そして、ノズル２３は、炉本体１１の上方に形成される以外にも、炉本体１１の底部に形成され、溶融金属６の下方から溶融金属内に水素ガスや不活性ガスを吹き込んで、溶解炉３付近の水素ガスや不活性ガスの濃度を局所的に高めるような構造でもよい。

気密容器２は、その内面が電界研磨又は化学研磨等により極めて平滑に処理されており、内面に吸着する気体分子が少なくされている。溶解炉３の炉本体１１及び誘導加熱コイル１２等も同様の研磨が行われており、また、気密容器２内の配線物に絶縁被膜のない裸導線（何れも図示略）を使用する等、気密容器２内の各構成要素は、真空排気時の放出ガス等を抑えるように構成されている。

従って、気密容器２内に放出される放出ガス等は極めて微量となるため、気密容器２内を、例えば１０^−５Ｐａ以下の超高真空とすることが可能となっている。こうした超高真空を実現するために、気密容器２には、気密容器２内を真空環境にする真空排気装置２８が接続されている。

次に、上述したような構成の本発明の金属精錬装置を用いた、本発明の金属精錬方法について説明する。本発明の金属精錬方法は、高純度金属、例えばＦｅ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃｒやこれらの合金の精錬、インゴット作成に特に好適に用いることができる。

（１）真空排気工程
精錬にあたっては、まず、原料金属を溶解炉３に投入するとともに、真空排気装置（真空ポンプ）２８によって気密容器２内を排気し、気密容器２内を高清浄な溶解雰囲気にする。気密容器２内の圧力をどこまで下げる必要があるかは、溶解する金属の種類や目標とする純度によって異なるが、残留ガスや放出ガスによる汚染や精錬に必要なＰ_Ｈ２／Ｐ_Ｈ２Ｏ（Ｐ_Ｈ２：水素分圧、：Ｐ_Ｈ２Ｏ水の分圧）が得られるかを考慮して決定される。多くの場合、圧力が０．１Ｐａ以下であれば、残留ガスによる汚染はわずかであるので、気密容器２内の圧力は、少なくとも０．１Ｐａ以下が好ましい。

（２）ガス導入工程
次に、伸縮装置２６を動作させてノズル２３の先端を溶解炉３まで伸長させる。そして、水素ガス供給装置２４からノズル２３を介して溶解炉３に水素ガスを吹き込む。こうした水素ガスを吹き込む際の水素ガスの導入圧力は、気密容器２内の圧力が１３．３ｋＰａ以上になるまで行う。１３．３ｋＰａ以下であると放電が起こる領域に近づくからである。なお、導入するガスは不活性ガスでもよい。

（３）溶解工程
冷却パイプ（冷却手段）１４に冷却水を流して炉本体（溶融ルツボ）１１を冷却するとともに、誘導加熱コイル１２に高周波電力を印加して、炉本体（溶融ルツボ）１１の原料金属の加熱、溶解を開始する。溶解炉３に投入された原料金属は、誘導加熱されて溶解を始めると共に、炉本体１１は、冷却パイプ（冷却手段）１４を通る冷却水によって冷却されているため、溶融金属６は炉本体１１の壁面に沿って直ちに凝固して膜状のスカルＳを生成する。このスカルＳ上に滞留されていく溶融金属６は、電磁誘導作用により中央部が盛り上がり、炉本体１１の壁面と接触しない状態で十分に撹拌される。

そしてノズル２３から溶解炉３に向けて水素ガスを直接吹き付けることによって、溶解炉３内に局所的かつ直接的に水素を供給することが可能となり、精錬反応による生成水を溶解炉３内から迅速に排除することが可能となり、精錬反応によって低下したＰ_Ｈ２／Ｐ_Ｈ２Ｏを急速に回復させ、高く保つことができ、低酸素濃度まで効率的に脱酸反応を進行させることが可能となる。導入する水素ガスは不活性ガスで希釈した混合ガスとしても良い。水素ガスを導入しつつ排気を行い、気密容器２内を概ね一定圧力に保持しすることにより、一定の精錬条件で精錬を行うことができる。

（４）換気工程
溶融金属６の精錬が完了したら、バルブ２７等の切り替えによって、今度は不活性ガス供給装置（不活性ガス導入手段）２５からノズル２３を介して溶解炉３にアルゴンガス等の不活性ガスの導入を行うことにより、溶解炉３付近だけ換気を行う。この換気操作により、溶解終了前（精錬終了後）少量の不活性ガスで溶解炉３付近の水素分圧が短時間に下がり、溶融金属６中の溶存水素をすみやかに放出させることができる。その結果、凝固時に水素の気泡の発生が抑制され、インゴットの上部に気泡が残存したり、上部形状に乱れが生じることを防止する。

不活性ガスによる換気操作は、ノズル２３以外から不活性ガスを導入、排気することにより気密容器２内の換気を行ってもよいが、気密容器２内全体を換気することになるため、ノズル２３から溶解炉３に吹き込む場合に比べて大量の不活性ガスが必要となり、時間もかかる。このような換気操作は必要に応じて複数回繰り返してもよい。気密容器２内を排気する場合は、気密容器２内の圧力が１３．３ｋＰａになるまでとする。１３．３ｋＰａ以下であると放電が起こる領域に近づくからである。

上記（１）〜（４）の工程を経た後、溶解炉３への電力供給を停止し、真空排気装置（真空ポンプ）２８を動作させて気密容器２内の真空排気を行う。この真空排気により、金属の種類によっては凝固金属（インゴット）内に溶け込んでいる残留水素が拡散によって外部に放出され、凝固金属の残留水素の量を少なくすることができる。

図１は、本発明の金属精錬装置を示す断面図である。

符号の説明

１金属精錬装置
２気密容器
３溶解炉
１１炉本体（溶融ルツボ）
１４冷却パイプ（冷却手段）
２３ノズル
２４水素ガス供給装置（水素ガス導入手段）
２５不活性ガス供給装置（不活性ガス導入手段）
２６伸縮装置
２８真空排気装置（真空ポンプ）

Claims

金属を加熱融解して溶融金属を形成する溶解ルツボと、前記溶解ルツボを収容する気密容器と、前記気密容器を真空にする真空排気装置と、前記気密容器内に不活性ガスを導入する不活性ガス導入手段とを備えた精錬装置であって、
前記溶解ルツボが水冷された銅または溶融金属と反応しない耐火物から形成されており、前記溶解ルツボに少なくとも水素を含むガスを導入する水素ガス導入手段を備えたことを特徴とする精錬装置。
前記不活性ガス導入手段は、不活性ガスを前記溶解ルツボに導入することを特徴とする請求項１に記載の精錬装置。
前記水素ガス導入手段または前記不活性ガス導入手段は、前記溶解ルツボの上部から水素ガスまたは不活性ガスあるいはこれらの混合ガスを前記溶解ルツボに吹き込むノズルを備え、前記溶融金属に直接吹き付けることを特徴とする請求項１または２に記載の精錬装置。
前記ノズルは非金属耐火物で形成されていることを特徴とする請求項３に記載の精錬装置。
前記ノズルが前記溶解ルツボの上方に退避可能な構造であることを特徴とする請求項３または４に記載の精錬装置。
前記水素ガス導入手段または前記不活性ガス導入手段は、前記溶解ルツボの底部から水素ガスまたは不活性ガスあるいはこれらの混合ガスを前記溶融金属内に直接吹き込むことを特徴とする請求項１または２に記載の精錬装置。
水冷された銅または溶融金属と反応しない耐火物から形成された溶解ルツボを備えた気密容器内を真空排気する工程と、真空排気終了後に水素ガスあるいは不活性ガスを導入する工程と、前記溶解ルツボに少なくとも水素を含むガスを導入しながら原料金属を溶解精錬する工程と、精錬終了後に不活性ガスを導入し、前記水素ガスと置換する工程とを備えたことを特徴とする精錬方法。
前記真空排気は、前記気密容器内の圧力が少なくとも０．１Ｐａとなるまで行うことを特徴とする請求項７に記載の精錬方法。
前記水素ガスあるいは不活性ガスの導入時の導入圧力は１３．３Ｐａ以上に設定されることを特徴とする請求項７または８に記載の精錬方法。
前記不活性ガスによる前記水素ガスの置換時の導入圧力は１３．３Ｐａ以上に設定されることを特徴とする請求項７ないし９のいずれか１項に記載の精錬方法。
前記不活性ガスによる前記水素ガスの置換を間歌的に複数回に分けて行うことを特徴とする請求項７ないし１０のいずれか１項に記載の精錬方法。
前記不活性ガスによる前記水素ガスの置換を、前記溶解ルツボに不活性ガスを導入して前記溶解ルツボ内を局所的に換気することにより行うことを特徴とする請求項７ないし１０のいずれか１項に記載の精錬方法。