JP2008163419A

JP2008163419A - 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

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Publication number: JP2008163419A
Application number: JP2006356238A
Authority: JP
Inventors: Yasuhisa Hagiwara; 靖久萩原; Yukihiro Miyate; 幸裕宮手; Katsuoki Yoshida; 勝起吉田; Uretake Hosono; 宇礼武細野; Akifumi Muraoka; 亮史村岡
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2006-12-28
Publication date: 2008-07-17
Anticipated expiration: 2026-12-28
Also published as: JP5134817B2

Abstract

【課題】凝固速度が大きな状態で晶出した金属がある程度成長した後に冷却体から剥離する事態を回避して、精製効率の向上を図ることができる金属精製法及び装置等を提供する。
【解決手段】精製すべき溶融金属２中に冷却体３を浸漬し、この冷却体３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３の最大周速をそれ以降の平均周速よりも大きく設定して精製を行う。
【選択図】図１

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り、その結果晶出した金属の純度が図２のように低くなるという問題がある。また、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、回転による遠心力によって非常に剥離しやすい。精製初期に剥離すれば問題はないが、ある程度成長した後に剥離した場合には、精製金属回収量が少なくなってしまうものであった。

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、このためある程度成長した後に剥離した場合には、精製金属回収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ある程度成長した後に冷却体から剥離する事態を回避して、精製効率の向上を図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最大周速をそれ以降の平均周速よりも大きく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までの冷却体の最大周速Ｖ１とそれ以降の平均周速Ｖ２の関係がＶ１≧Ｖ２×１．１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までの冷却体の最大周速Ｖ１とそれ以降の平均周速Ｖ２の関係がＶ１≧Ｖ２×１．１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）不純物元素の組成分布が、その不純物平均濃度の７０％以上、１３０％以下の範囲内である金属精製塊。
（６）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。
（７）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最大周速がそれ以降の平均周速よりも大きくなるように、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。
（８）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×０．０５までの冷却体の最大周速Ｖ１とそれ以降の平均周速Ｖ２の関係がＶ１≧Ｖ２×１．１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７または８に記載の金属精製装置。
（１０）前記制御手段は、精製開始から全精製時間×０．１までの冷却体の最大周速Ｖ１とそれ以降の平均周速Ｖ２の関係がＶ１≧Ｖ２×１．１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７または８に記載の金属精製装置。
（１１）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。
（１２）前項１１に記載の精製金属から製造された鋳造品。
（１３）前項１２に記載の鋳造品が圧延されてなる金属製品。
（１４）前項１３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最大周速をそれ以降の平均周速よりも大きく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発生する、凝固速度が大きく純度の低い晶出金属を回転冷却体から積極的に剥離させ、溶融金属中に再溶解させることができる。こうして、冷却体との密着性が悪い晶出金属はごく初期に除去されるので、凝固速度が大きな状態で晶出した金属がある程度成長した後に冷却体から剥離する事態を回避でき、積極的剥離後の精製金属を剥離することなく成長させることができ、精製効率の向上を図ることができる。

前項（２）に記載の発明によれば、精製効率の安定的な向上を期待できる。

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までの冷却体の最大周速Ｖ１とそれ以降の平均周速Ｖ２の関係がＶ１≧Ｖ２×１．１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積極的剥離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までの冷却体の最大周速Ｖ１とそれ以降の平均周速Ｖ２の関係がＶ１≧Ｖ２×１．１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積極的剥離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、高純度の金属塊となしうる。

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アルミニウムを精製初期に冷却体から剥離させて、アルミニウム塊の精製効率を向上することができる。

前項（７）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を精製初期に積極的に剥離させ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、精製効率の安定的な向上を期待できる。

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積極的剥離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（１０）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積極的剥離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（１１）に記載の発明によれば、純度の高い精製金属となしうる。

前項（１２）に記載の発明によれば、純度の高い鋳造品となしうる。

前項（１３）に記載の発明によれば、純度の高い圧延金属製品となしうる。

前項（１４）に記載の発明によれば、純度の高い圧延金属からなる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の周速を精製中の平均周速よりも大きく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、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、共晶不純物がほとんど排出されないために純度は悪いものとなる。また冷却体３への密着が悪い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少なってしまう。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、図１（ｂ）に示すように、冷却体３の浸漬直後に晶出した金属精製塊６を、回転冷却体３の周速を意図的に大きくして遠心力を増大させることで、精製初期の短時間の間に積極的に剥離させるものである。つまり、精製初期の冷却体の最大周速をそれ以降の平均周速よりも大きく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の周速が高速であるために短時間で剥離し、その後は周速を低下させることにより、図１（ｃ）に示すように、晶出した金属精製塊６は剥離することもなく成長し安定した精製が可能となる。しかも急激な冷却により凝固した純度の低い晶出金属を積極的に剥離させるから、精製塊全体としての精製効率も向上するものである。

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の経過後に冷却体の最大周速を大きくしても、晶出した金属精製塊６の剥離タイミングが遅すぎて、生産効率が悪くなる恐れがある。

具体的には、精製開始から全精製時間×０．０５までの冷却体の最大周速Ｖ１を、それ以降の平均周速Ｖ２に対してＶ１≧Ｖ２×１．１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までは冷却体の最大周速Ｖ１で精製を行い、それ以降は平均周速Ｖ２（ただしＶ１≧Ｖ２×１．１）で精製を行うのがよい。

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Ｔ
ｉＢ₂、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、高純度であるから、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。

上記精製金属塊は、図２に示すような不純物元素の組成分布が、その不純物平均濃度の７０％以上、１３０％以下の範囲内に収まるようになり、精製金属塊全体の不純物元素の濃度ばらつきが少ない点で望ましい。

［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、以下の（１）〜（３）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まで周速Ｖ１：３．５ｍ／ｓｅｃ、それ以降周速３．１ｍ／ｓｅｃ（従って平均周速Ｖ２も３．５ｍ／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６．１２ｋｇ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、ほとんどのものは精製開始から全精製時間×０．１以内での剥離のみであったが、５回の試験中１回（実験番号３）は全精製時間×０．１〜全精製時間×０．１５での剥離が発生した。

実験番号３の精製塊の平均組成はＦｅ：１００ｐｐｍ、Ｓｉ：１２０ｐｐｍ、回転冷却体接触部近傍の組成を調査したところ、Ｆｅ：１２７ｐｐｍ、Ｓｉ：１５０ｐｐｍ、塊外周部近傍の組成を調査したところ、Ｆｅ９８ｐｐｍ、Ｓｉ１１２ｐｐｍであった。

（２）冷却体の回転数を、精製開始から全精製時間×０．１まで周速Ｖ１：３．５ｍ／ｓｅｃ、それ以降周速３．１ｍ／ｓｅｃ（従って平均周速Ｖ２も３．５ｍ／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６．１６ｋｇ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以降の剥離は発生しなかったため、精製塊平均重量は増大した。

［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×０．１以降での剥離が多く、そのために平均精製塊重量が小さいものであった。

実験番号１３の精製塊の回転冷却体接触部近傍の組成を調査したところ、Ｆｅ：２００ｐｐｍ、Ｓｉ：２４０ｐｐｍと極めて純度の悪いものであった。

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。精製された金属塊の不純物元素の組成分布を示すグラフである。

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

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最大周速をそれ以降の平均周速よりも大きく設定して精製を行うことを特徴とする金属精製方法。
前記精製初期が精製開始から全精製時間×０．１までである請求項１に記載の金属精製方法。
精製開始から全精製時間×０．０５までの冷却体の最大周速Ｖ１とそれ以降の平均周速Ｖ２の関係がＶ１≧Ｖ２×１．１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。
精製開始から全精製時間×０．１までの冷却体の最大周速Ｖ１とそれ以降の平均周速Ｖ２の関係がＶ１≧Ｖ２×１．１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。
不純物元素の組成分布が、その不純物平均濃度の７０％以上、１３０％以下の範囲内である金属精製塊。
精製される金属がアルミニウムである請求項１〜４のいずれかに記載の金属精製方法。
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最大周速がそれ以降の平均周速よりも大きくなるように、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。
前記精製初期が精製開始から全精製時間×０．１までである請求項７に記載の金属精製装置。
前記制御手段は、精製開始から全精製時間×０．０５までの冷却体の最大周速Ｖ１とそれ以降の平均周速Ｖ２の関係がＶ１≧Ｖ２×１．１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７または８に記載の金属精製装置。
前記制御手段は、精製開始から全精製時間×０．１までの冷却体の最大周速Ｖ１とそれ以降の平均周速Ｖ２の関係がＶ１≧Ｖ２×１．１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７または８に記載の金属精製装置。
請求項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。
請求項１１に記載の精製金属から製造された鋳造品。
請求項１２に記載の鋳造品が圧延されてなる金属製品。
請求項１３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。