JP2009542901A - アルミニウムのような金属母液から精製された金属を分離精製する方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、限定された比密度を有し、一種以上の分離すべき異元素を含んでなる金属母液から金属を精製し、精製された金属結晶を分離する方法であって、カラム装置中に、金属結晶、および少なくとも一種の異元素を含んでなる金属母液を含んでなる出発材料を用意する工程、該カラムの上端にある相対的に高温の区域と、該カラム装置の下端にある相対的に低温の区域との間に温度差を作用させる工程、該金属結晶を該金属母液の上側表面に上昇させることにより、該金属結晶の少なくとも一部を該金属母液から分離する、分離工程、および該金属母液の該上側表面に浮揚している精製された金属を該カラム装置から排出する、更なる分離工程を含んでなる、方法に関する。

Description

発明の分野

本発明は、少なくとも一種の異元素を含んでなる金属母液から金属を精製し、精製された金属を分離する方法および装置に、特に非鉄金属、好ましくは循環使用されるアルミニウムスクラップ、の精製方法に関する。一般的に、金属の精製は、様々な合金化元素または異元素および様々な量の異元素を含むことができるスクラップ金属を処理し、標準的な純度およびより高い経済的価値を再獲得することができるので、経済的に非常に利益率が高い場合がある。

発明の背景

下記の内容から明らかなように、他に指示が無い限り、合金の名称は、アルミニウム協会により2006年に出版されているAluminum Standards and Data and the Registration Recordsにおけるアルミニウム協会名称に従う。

合金組成物または好ましい合金組成物の説明に関して、他に指示が無い限り、百分率は全て重量％である。

この分野では、精製された金属の最終的な目的には許容できない量の異元素を含んでなる金属(本明細書では、合金の略称として使用する)を精製するための様々な結晶化方法および装置が使用されている。そのような異元素は、金属鉱石から製造された金属、即ち一次金属、中に存在する異元素が多すぎるため、または循環使用されるスクラップ金属が含んでなる異元素の濃度が高すぎるために、存在することがある。例えば、アルミニウムスクラップは、そのような元素をほとんど含まない一次金属と結合して混合していない、Ｆｅ、ＳｉまたはＭｇのような異元素を、商業的に許容できないレベルで含むことがある。分別結晶化では、出発材料として使用される母液の部分的凝固の際に形成される金属結晶は、母液自体の組成とは異なった組成を有する。母液は、亜共晶(例えば米国特許第4,273,627号参照)または過共晶組成を有することができる。

米国特許第4,273,627号から公知の方法では、一種以上の異元素を含んでなる亜共晶溶融金属を冷却し、部分的凝固を達成する。溶融金属は、共融温度のすぐ上に冷却される。溶融金属中に形成される結晶は、出発点として使用される溶融金属の組成よりも純粋な組成を有する。次いで、これらの結晶は、残留する溶融金属から、固体−液体分離技術を使用して分離することができる。しかし、この方法には、異元素の初期濃度が高い場合、得られる精製された金属の量が相対的に低くなり、発生する副生成物の量が高いという欠点がある。つまり、分別結晶化方法は、例えばスクラップの精製には、経済的に有利ではない場合がある。

もう一つの精製方法は、一種以上の異元素を含んでなる過共晶溶融金属を冷却して部分的凝固を達成し、異元素を分離する。溶融金属は、共融温度のすぐ上の温度に冷却する。異元素は、凝固して少なくとも一種の異元素を含んでなる結晶および／または異元素の純粋な結晶を形成し、次いでこれらを溶融金属から、固体−液体分離技術を使用して分離することができる。亜共晶溶融金属は、米国特許第5,741,348号に開示されているように、特定の元素を添加することにより、過共晶にすることができる。この方法には、得られる残留液体生成物があまり純粋ではなく、従って、価値が比較的低いという欠点がある。

結晶化は、共融温度で行い、精製された金属結晶および母液の組成と比較して濃度がより高い一種以上の異元素を含んでなる結晶を同時に生成することもできる、例えば国際特許出願第WO-2005/095658-A1号参照。国際特許出願第WO-2005/095658-A1号から公知の方法では、溶融金属を共融温度に冷却し、精製された金属結晶および少なくとも一種の異元素を含んでなる結晶を同時に、形成する。溶融金属の出発組成物と比較して、精製された金属結晶は、異元素が少ないのに対し、少なくとも一種の異元素を含んでなる他の結晶中には異元素が濃縮されている。次いで、固体−固体分離技術を使用し、少なくとも一種の異元素を含んでなる結晶の少なくとも一部を、精製された金属結晶から分離する。この公知の精製方法は、精製された金属結晶として比較的純粋な金属が高収率で得られるので、例えばスクラップ、例えば循環使用されるアルミニウム、の精製には、経済的な有用性の観点から有益である。固体−固体分離工程は、とりわけ、両方の種類の結晶を溶融金属から混合物として分離し、次いでこの混合物を、精製された金属結晶の比密度(specific density)と、少なくとも一種の異元素を含んでなる結晶の比密度との間の比密度を有する溶融塩に加え、結晶の一部を塩の中に沈降させ、残りを塩の上に浮揚させる、液体-固体予備分離工程により代表される。

国際特許出願第WO-2005/095658-A1号に記載されている別の固体-固体分離方法は、遠心力、電磁界および気泡に基づく浮選を使用する。両種類の結晶を溶融金属の総量から分離するための別の予備分離工程、例えば濾過、遠心分離および攪拌を使用する塩層接触工程、も記載されている。この方法では、両種類の結晶が同時に生じ、溶融金属中に一緒に沈降し、それによって、結晶の混合物を形成する。この混合物をその各成分に分離するための様々な技術が記載されているが、これらの技術は、製法をとりわけ複雑に、手間のかかるものにしていると思われる。

ほとんど全ての結晶化方法に関連する問題は、精製された金属結晶を不純な母液から分離することである。母液は、製造された結晶の間および結晶自体の中に残留する。この問題は、複数の結晶化工程および／または再溶融された純粋な液体により母液を結晶から向流洗浄する工程により、少なくとも部分的に解決される。

金属を精製するための分別結晶化の商業的に採用されている方法は、いわゆるYunnan結晶化装置で使用されている。この結晶化装置は、スズ合金を、ＰｂをＳｎから除去することにより精製するために使用される。溶融スズ合金を、開いた上部および傾斜した底部を有する細長い容器中に供給し、該容器の中でスクリューがゆっくり回転する。溶融スズ合金の表面を水噴霧により冷却し、精製されたスズ合金を結晶化させる。これらの結晶は、溶融スズ合金中で結晶化し、容器の浅い部分に運ばれる。容器の長さ全体にわたる温度差のために、浅い部分では、結晶が部分的に再度融解し、純粋な結晶を生じる。この機構が数回繰り返され、最終的に非常に純粋な結晶が除去される。Ｐｂを含む溶融スズ合金は、容器の深い末端で除去される。このようにして、約10％のＰｂを含む合金が、約0.05％のＰｂを含むスズ合金に精製される。しかし、Yunnan結晶化装置を使用する金属の精製方法は、あらゆる種類の金属に使用できる訳ではない。一つの問題は、ほとんどの金属が、Yunnan結晶化装置が対象としているスズ合金の融点より遙かに高い融点を有することである。温度が高いために、熱放射が遙かに高く(熱放射は、Kで表す温度の4乗で増加する)、熱損失も遙かに高い。この結果、結晶化装置中の温度を制御するのが遙かに困難になる。もう一つの問題は、多くの金属にとって、合金の結晶化温度と純粋金属の結晶化温度との温度差が非常に小さく、数Kのオーダーにあることである。Yunnan結晶化装置は、そのような小さな結晶化温度の差には使用できない。別の問題は、機械的部品、例えば該スクリュー、の使用にあるが、これは、該スクリューに通常使用される金属が、ある種の溶融金属中に溶解するためである。さらに大きな問題は、溶融金属中で形成される結晶が、結晶化装置の壁またはスクリューに密着する傾向があることである。

Yunnan製法の改良版では、特にアルミニウムの精製用に、連続する結晶化容器間に配置された沈降カラム中での複数の分離工程による、幾つかの懸濁結晶化の段階を使用している。国際特許出願第WO-2005/095658号または第WO-2004/005558号参照。

米国特許第4,133,517号は、金属母液中にある金属結晶のスラリーからなるカラム中で不純な金属を連続的に精製するための方法および装置を開示している。このカラムは、カラムの下端にある相対的に高温の区域および相対的に低温の上側区域を有する。低温区域は、液体および金属結晶が共存するような温度にある。高温区域は、金属結晶を十分に再融解させる温度を有する。これらの区域間に、連続的な、垂直に逆転する温度勾配を作用させ、カラムの上部にある低温区域が冷却され、ある量の金属結晶を、通常、密着した固まり(coherent mass)として形成する。次いで、カラムの低温区域にある液体金属中で該固まりの初期融解が起こり、それによって、該固まりから金属結晶を放出する。結晶は、それらの高密度のために、下側の高温区域に沈降し、そこで結晶の融解が起こり、このようにし、高温区域が純粋な液体金属で濃縮される。通常の操作では、不純な減量金属をカラムに供給し、精製された液体金属が下側の高温区域から取り出され、不純物濃度が高い金属は上側の低温区域から取り出される。この製法の欠点は、処理量を増加するか、または断面積を増加することにより、カラムの製造速度を増加すると、カラムの安定性が大きくかき乱される傾向があることである。カラムの下端における結晶の高温再溶融物は、母液よりも低い密度を有する。その結果、高温の羽毛状再溶融物が母液中で上昇し、それによって、結晶材料を通る向流の流れを破壊するが、該向流の流れは、該精製方法の適切な操作にとって不可欠である。

ここで、一般的に結晶化製法における可動機械部品およびある種の分離を達成するための液体金属の高圧ポンプ輸送は、工業的規模での金属精製には、あまり好適ではないことにも注意する必要がある。

従って、この分野では、金属を精製するための方法および装置を改良することが、依然として求められている。

発明の説明

本発明の目的は、カラムを使用して母液から金属を精製し、精製された金属結晶を分離するための、特に連続操作様式で行った場合に、より安定した操作を可能にする、改良された方法および装置を提供することである。

本発明の別の目的は、亜共晶、共晶または過共晶であれ、一種以上の公知の懸濁結晶化方法との共同操作で使用することができる方法および装置を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、公知の精製方法および装置に少なくとも代えることができる方法および装置を提供することである。

これらの、および他の目的および更なる利点は、限定された比密度を有し、一種以上の分離すべき異元素を含んでなる金属母液から金属を精製し、精製された金属結晶を分離する方法であって、該方法が、
(a)金属結晶と、少なくとも一種の異元素を含んでなる金属母液とを含んでなる出発材料をカラム装置中に与える工程、
(b)該カラム装置の上端またはその近くにある相対的に高温の区域と、該カラム装置の下端またはその近くにある相対的に低温の区域(14)との間に温度差を作用させる工程、
(c)該金属結晶を該金属母液の上側表面に上昇させることにより、該金属結晶の少なくとも一部を該金属母液から分離する、分離工程、および
(d)該金属母液の該上側表面に浮揚している精製された液体金属および／または金属結晶を該カラム装置から排出する、更なる分離工程
を含んでなる、方法に関する本発明により、達成または凌駕される。

本発明の方法では、金属結晶およびそれらの母液を含んでなる出発材料を、典型的にはカラム装置の下側にある、低温区域と考えられる末端に導入する。カラムの最上部には、高温区域が位置する。これらの2区域間に温度差を作用させ、カラムの長さ全体にわたって温度勾配を形成する。所望により、金属結晶は、金属母液の部分的凝固により、その場で発生させることができる。金属結晶を、母液を通して、母液の上側表面に達するまで上昇させる。金属結晶が母液を通って移動する際に、金属結晶は、再結晶によりさらに精製され、精製度は、とりわけカラムの長さにより決定される滞留時間によって異なる。こうして精製され、母液の上に浮揚している金属結晶は、カラムの上端から除去することができる。

カラムの上側部分に存在する高温区域およびカラムの下側部分に存在する低温区域および関連する温度勾配のために、本発明の方法は、本来安定している。さらに、本方法により、金属結晶および金属結晶母液を含んでなる出発材料を、その起源に関係なく、処理することができる。即ち、出発材料は、亜共晶分別結晶化、共晶分別結晶化または過共晶結晶化であっても、懸濁結晶化製法から得ることができる。

本願では、用語「異元素」は、精製される金属中にある元素であって、その濃度を、該金属の価値を下げるので、下げるべきである元素を示すのに使用される。

本明細書で使用する用語「少なくとも一種の異元素を含んでなる結晶」は、2種類以上の元素の原子が特定の比率で組み合わされ、個々の異元素のいずれかの構造とは異なった構造を有する結晶および異元素の純粋結晶も形成する場合に形成される金属間化合物を包含する。

溶融金属中に存在するが、それらの存在が精製された製品中で有害ではない元素は、精製された金属結晶中に存在してもよい。

用語「共融温度」は、少なくとも2つの固相が同時に生じる温度を意味する。従って、共融温度は、二成分系に関しては共融点を、三成分、四成分またはそれ以上の系に関しては共融谷間の温度を指す。関連するほとんどの合金の状態図は、ハンドブックおよび基礎的な教科書、ならびに関連する比密度またはそれらの計算方法から容易に入手できる。

好ましくは、高温区域は、金属結晶を金属液体に再融解させるのに十分な温度を有する。次いで、液体は、精製された金属として、例えば制御されたオーバーフローにより、または排出導管中の可動バルブを使用して、排出される。一般的に、精製された金属の回収速度を、本発明の方法を制御するための制御パラメータとして使用する。

本方法は、連続操作様式で行うのが有利である。

連続操作様式では、副生成物材料も母液から分離し、カラムの下端から取り出す。この副生成物材料は、精製された金属および出発材料と比較して濃縮された不純物である。出発材料が共晶分別結晶化に由来する好ましい実施態様では、副生成物が、少なくとも一種の異元素を含んでなる結晶も含んでなる。これらの結晶は、間欠的な様式で沈降により排出することができる。

好ましい実施態様では、金属母液の比密度を、精製された金属、即ち精製された金属結晶および／または精製された金属結晶を(部分的に)再融解することから得られる精製された金属液体の比密度より高い値に増加することを目的とする金属を添加することにより、金属結晶を上昇させる。この好ましい実施態様では、好適な金属(高密度添加剤)を、より軽い金属結晶を上昇させるのに十分な量で添加することにより、母液の密度を変化させる。出発材料が、共融温度における結晶化工程に由来する場合、その出発材料は、少なくとも一種の異元素を含んでなる、一般的により純粋な金属結晶よりも高い比密度を有する金属結晶(不純物濃度が高い結晶)も含んでなる。これによって、母液の比密度が、両方の種類の結晶の比密度により限界を定められた範囲内に、意図的に調節される。異なった種類の結晶は、異なった比密度を有するので、間にある比密度を有する金属母液は、ある種類の結晶を他の結晶から空間的に分離する分離手段として作用し、それによって、空間的な分離が起こる。これによって、後に続く、それぞれの種類の結晶に対する実質的に液体-固体分離に基づく除去工程を容易に行うことができる。

金属の添加は、カラム装置中で、例えば出発材料をカラム装置中で、その場で発生させる時に、行うことができる。この添加は、カラム装置における出発材料の入口の前で行うのが有利である。

共晶分別結晶化工程と組み合わせて、金属母液を共融温度に冷却する。本発明の方法にかけるべき溶融金属母液中の異元素の濃度が、共融温度における異元素の固溶解度よりもかなり高い場合、および分配係数が1未満である場合、精製された金属結晶として得られる製品は、一貫して純度が比較的高く、収率も比較的高い。精製された金属結晶の形態で得られる製品中に含まれる異元素は、母液中に本来存在していた異元素の濃度と比較して、非常に少なく、副生成物の量も最少に抑えられる。少なくとも一種の異元素を含んでなる金属結晶は、母液中に本来存在していた異元素の濃度と比較して、かなり多くの異元素を含む。分配係数は、精製された金属結晶中にある異元素の濃度と、溶融金属中に本来存在していた異元素の濃度の比である。この分配係数は、純粋な製品をより多く得るには、好ましくは0.5以下、より好ましくは0.25以下である。これは、亜共晶分別結晶化にも当てはまる。

分配または分布係数の例は、異元素として鉄を含むアルミニウムでは0.03、異元素としてケイ素を含むアルミニウムでは0.1、異元素としてマンガンを含むアルミニウムでは0.93である。ここに参考として含める会議録The Fourth International Symposium On Recycling Of Metals And Engineering Materials TMS 2000 p.979-991 Ali I Kahveci and Ali Unalによる「Refining Of a 5XXX series aluminium alloy scrap by Alcoa fractional crystallisation process」、は、アルミニウム中の幾つかの不純物に関する分配または分布係数を挙げている。

添加された金属は金属母液中に容易に溶解する。得られる精製された金属のその後の用途、処理または使用を考慮して、高密度添加剤を選択するのが有利である。金属母液の比密度を必要なレベルに調節するために添加すべき高密度添加剤の比率は、容易に計算でき、実験的に確認することができる。

好ましい実施態様では、溶融金属の比密度を増加させる金属は、精製された金属相中に実質的に不溶な金属である。「精製された金属相中に波実質的に不溶な金属」の表現は、低溶解度、例えば0.1％未満、を有する金属を包含する。例えば、本発明のアルミニウム精製の場合、そのような金属としては、鉛、スズ、および水銀がある。鉛およびスズは、共に、精製された金属結晶中の溶解度が0.1％未満である。精製されたアルミニウム結晶は、溶融金属上に浮揚するのに対し、少なくとも一種の異元素を含んでなる他の結晶は沈降する。得られる精製されたアルミニウム結晶は、機械加工合金、例えばAA6082、AA6262、AA2011、およびAA2111に使用するのに好適である。

別の実施態様では、溶融金属の比密度を増加させる金属は、精製された金属相中に可溶な金属である。アルミニウムの場合、好適な例としては、特に銅および亜鉛がある。やはり、精製されたアルミニウム結晶は、溶融金属上に浮揚する。ＣｕまたはＺｎを含んでなる精製されたアルミニウム結晶は、AA2xxxシリーズ合金、AA7xxxシリーズ合金に使用するのに好適である。

本発明の方法は、一種以上の除去すべき合金化異元素を含んでなる非鉄金属、より好ましくは溶融アルミニウム、が関与する用途に特に好適である。アルミニウム鉱石からの一次アルミニウム製造は、非常に多くのエネルギーと経費を必要とし、そのために循環使用がより重要になる。しかし、先行技術の金属精製方法を使用する場合、存在する異元素を効果的に希釈するために比較的純粋な一次アルミニウムをスクラップに加えないと、アルミニウムスクラップを経済的に精製できないことが多い。本発明の方法を使用することにより、大量の純粋な一次アルミニウムを添加する必要なしに、大量のアルミニウム合金スクラップをコスト的に効果的に精製することができる。

比較的大量、例えば7〜15重量％、のＳｉを含んでなるアルミニウムキャスティング(鋳造)合金またはアルミニウムろう付け合金も、本発明により精製することができる。この場合、精製された(即ちＡｌが枯渇した)Ｓｉ結晶が母液を通って上昇し、上側生成物として分離できるのに対し、アルミニウム結晶は、金属間化合物と共に、底部生成物として分離することができる。この底部生成物は、更なる精製処理にかけることができる。

本発明は、アルミニウム合金スクラップ中に様々な量で存在することが多い一種以上の異元素、例えば鉄、ケイ素、銅、リチウム、マンガン、亜鉛、およびマグネシウム、を除去するのに有利に使用できる。

本発明は、連続製法に、より好ましくは精製された金属結晶および少なくとも一種の異元素を含んでなる結晶が連続様式で形成され、分離される連続製法に応用するのが有利である。共融温度にすでに冷却されており、少なくとも一種の異元素を含んでなる金属結晶がすでに形成されている溶融金属に、溶融金属を、共融温度以上で連続的に供給し、溶融金属の温度を共融温度に維持することにより、少なくとも一種の異元素を含んでなる金属結晶がより大きく成長する。これは、溶融金属中にすでに存在する、少なくとも一種の異元素を含んでなる金属結晶が、核形成箇所として作用し、続いて加えられる溶融金属から、少なくとも一種の異元素を含んでなる結晶が形成される。少なくとも一種の異元素を含んでなる結晶のサイズが大きい程、それらの結晶は、比較的容易に沈降する。好ましくは、精製された金属結晶ならびに少なくとも一種の異元素を含んでなる結晶は、大量の溶融金属も排出されることなく、母液から分離される。金属結晶と共に排出される母液は全て、さらに固体−液体分離した後、主要装填材料に戻される。精製された金属結晶の量は、少なくとも一種の異元素を含んでなる結晶の量よりも遙かに大きいので、精製された金属結晶を母液から連続様式で分離し、少なくとも一種の異元素を含んでなる結晶は、母液から非連続的な様式で、例えば定期的に、分離することができる。例えば、これらの後者の結晶を沈降により集め、その後で、予め決められた量が得られた時に、分離工程で除去する。

こうして分離された精製された金属結晶は、更なる精製工程に、典型的には結晶化工程にもかけることができ、それによって、さらに精製された、一種以上の異元素の量が大幅に低下した金属製品が得られる。そのような結晶化方法の例は、国際特許出願第WO-2004/005559号に開示されている。得られる製品は、一般的なアルミニウム合金用途に使用することができる。

通常、副生成物材料、例えば少なくとも一種の異元素を含んでなる結晶、は、更なる精製工程にかける必要はない。副生成物は、使用するか、またはそのまま廃棄する。所望により、この副生成物材料は、例えば結晶化方法により、さらに精製することができる。かなり大きな共融温度範囲内で、副生成物結晶のサイズ、形状および組成を最適化するための更なる選択が可能であることに注意すべきである。

別の連続操作様式では、液体の精製された金属が金属結晶を通して還流するように、金属結晶の(再)融解速度が、精製された金属の排出速度より高い。この実施態様では、母液上に浮揚する金属結晶が、精製された金属の後退速度より高い速度で融解する。その結果、液体の精製された金属の一部が液体として排出され、精製された液体の別の部分は、通常は結晶の床を形成する浮揚している金属結晶を通って、ある程度下方に流れ、それによって、該結晶がさらに精製される。これによって、一般的に合金の原料として使用することができる精製された金属製品が製造される。

カラム中には、金属結晶の比密度が、同じレベルにある精製された金属液体の比密度と等しくなるレベルがあるので、比密度の差により金属結晶を上方向に移動させる駆動力がゼロに近くなる。それにも関わらず、これらの金属結晶は、カラム中の、このレベルより下にある金属結晶の充填された床により加えられる上方向の力により、このレベルより上にさらに上昇し、このレベルでは、金属粒子の比密度が金属液体の比密度よりなお低い。従って、金属結晶は結晶床により押し上げられる。

別の態様で、本発明は、少なくとも一種の異元素を含んでなる金属母液から、金属を精製し、精製された金属を分離する装置を提供するが、該装置は、金属結晶および金属母液を含んでなる精製すべき出発材料を供給するための入口と、精製された金属を排出するための上部出口と、少なくとも一種の異元素を含んでなる副生成物材料を排出するための出口とを有する分離チャンバーを規定するカラムを含んでなり、該装置は、該カラムの上端にある相対的に高温の区域と、該カラムの下端にある相対的に低温の区域との間に温度差を作用させる手段と、該母液を通して該金属結晶を上昇させる手段とを更に備えてなる。本発明の装置は、垂直に配置された縦方向カラムを含んでなる。このカラムは、分離チャンバーを限定し、その中で金属結晶が底部から上部に上昇し、その際、金属結晶は再結晶によりさらに精製される。分離チャンバーは、典型的にはカラムの底部にある、出発材料用の供給部を有する。カラムの上部は、精製された金属用の出口および関連する排出手段、例えばプラグまたはオーバーフロー、を備えている。排出手段は、溶融液体であれ、金属結晶であれ、精製された金属の性質を考慮して選択する。副生成物材料、通常は不純物として、所望により上記のように副生成物として、異元素が濃縮された母液、用の別の出口は、通常、低温区域に接続される。本発明のこの装置は、本発明の方法に関して上に記載した利点を提供する。

温度差を作用させる手段は、一個以上の加熱素子、例えばカラムの上端にある高温区域を取り囲む外部誘導加熱コイル、および／またはカラムの下端にある低温区域における冷却手段を含んでなることができる。好ましい実施態様では、結晶を上昇させる手段は、母液の比密度を、金属結晶の比密度より低い値に調節する手段を含んでなる。好ましくは、そのような手段は、金属の供給装置を含んでなる。そのような装置は、高密度添加剤を計量して母液に供給する。

別の実施態様では、本発明の装置は、分別結晶化工程用の結晶化容器をさらに含んでなり、該容器の少なくとも一個の生成物出口は、精製すべき出発材料を供給するための分離チャンバー入口に接続される。

本発明は、そのような装置の、アルミニウム合金の精製における使用に関する。

本発明を、添付の図面を参照しながらさらに説明する。

図1に、長さ全体にわたって一定した断面を有するカラム10を示す。カラム10は、上部13の近くに上側高温区域12および底部16の近くに下側低温区域14を有する分離チャンバー11を規定する。底部16は、出発材料用の入口18に接続され、反対側の壁に、不純物を含んでなる廃棄流を排出するための廃棄物出口20を備えている。上部は、精製された金属のための出口22を備えている。高温区域12を取り囲んで、黒丸26で示す金属結晶を再融解させるための外部加熱素子24がある。

操作の際、金属結晶および母液およびこの場合、高比密度添加剤をすでに含んでなる出発材料の供給流Ｆが、入口18を経由して、カラム10の底部16にある低温区域14に供給される。母液と結晶26との間の比密度差により、結晶26は、分離チャンバー11中を上昇し始め、金属結晶の床を形成する。この床の最上部にある結晶は、加熱素子24により融解し、精製された金属製品Ｐになる。この液体の精製された製品Ｐは、出口22を経由し、例えばオーバーフロー（図には示していない）を使用して除去される。還流様式では、製品Ｐの一部だけがカラム10から戻される。次いで、製品の別の部分Ｒが、向流で、結晶の床を通って流れ、床中にある結晶の更なる精製を、部分的再結晶により引き起こし、取り込まれた母液および／または不純物を洗い流す。

図2は、図1で説明したカラム10が結晶化容器50と流体連絡して配置された実施態様を示す。より詳しくは、機械的攪拌機52を備えた結晶化容器50は、出発材料用の入口18に接続された底部ドレン54を有する。この場合、カラム10は、副生成物用の出口を別に備えていないが、容器50は備えている。高密度添加剤を計量供給するための供給手段56が、容器50の上に配置されている。

操作の際、(溶融)金属の供給流Ｆが、金属結晶26が連続的に形成されるように冷却手段（図には示していない）により冷却されている結晶化容器50に供給される。カラム10の最上部における精製された製品Ｐの取り出しおよび機械的攪拌により、容器50から、ドレン54および入口18を経由して、分離チャンバー11中に連続的な安定した結晶26の流れが起こる。このようにして、下からは成長し、上からは再融解により減少する、結晶26の一定した床が分離チャンバー中に形成される。やはり、液体の精製された製品Ｐの一部が連続的に排出され、一方、還流操作により、液体の別の部分Ｒが、向流で、結晶の床を通って下方に流れる。副生成物材料Ｗの流れは、容器50から排出され、異元素が過度に蓄積するのを防止する。

共晶分別結晶化され、母液の比密度が、一方で金属結晶26の比密度により、および他方一種以上の異元素(金属間化合物固体)を含んでなる結晶60の比密度により限界を定められる範囲内に調節される場合、結晶60は、容器50の底部に集まり、直ちに精製された金属結晶26から分離される。

ここで、本発明の非限定的な実施態様により、本発明を説明する。

例1
この定性的な例は、本発明の方法の、精製されたアルミニウム結晶相に対する溶解度が低い高密度添加剤、例えば鉛またはスズ、を添加する操作様式に関する。これらの金属は、比密度を、アルミニウム結晶の比密度より上に増加する。母液中に形成されるアルミニウム結晶は、共晶元素、例えば鉄およびケイ素、の含有量が低下していると共に高比密度添加剤の濃度が非常に低い。

精製実験は、各1重量％のＦｅ、Ｍｎ、およびＳｉを含んでなるアルミニウム合金を基材とする出発材料で行った。これは共晶組成物に近い組成物である。出発材料は、アルミニウム結晶の母液中懸濁液(30％固体)を含んでいた。このアルミニウム母液の比密度は、約2.4 g/cm^３である。スズは、7.5〜25重量％の量で添加し、それによって、比密度を、2.6〜2.9 g/cm^３に上昇させた。精製されたアルミニウム結晶の比密度は約2.6 g/cm^３である。この比密度の差は、良好な分離およびカラムの安定した操作に十分であった。

出発材料をカラムに供給したところ、軽いアルミニウム結晶が最上部に急速に上昇し、結晶の充填された床を形成した。最上部では、金属結晶が再融解した。その結果、カラムの最上部にある精製された金属液体の純度がより高くなった。この精製された金属結晶をカラムの最上部で製品として取り出した。この取り出し速度は、再融解速度と等しかった。製品は、元素Ｆｅ、Ｍｎ、およびＳｉから精製された。この製品は、機械加工合金、例えばAA6081、AA6262、AA2011、およびAA2111、またはAA2011、として使用するのに好適である。

同様の実験で、7.5〜25重量％の鉛を添加し、アルミニウム母液の比密度を2.6〜3.0 g/cm^３に上昇させた。同様の結果が得られた。

例2
この例は、精製された金属結晶に可溶な元素を使用した以外は、例1と同様の本発明の方法の連続操作様式を示す。

例1と同じ出発材料を使用し、銅7.5〜25重量％を加え、それによって、母液の比密度を約2.6〜3.2 g/cm^３に増加した。銅を含むアルミニウム結晶の密度は約2.6〜2.7 g/cm^３に僅かに増加した。得られた製品は、AA2xxxシリーズ合金に有用であった。

亜鉛を添加する場合、好適な作業範囲は15〜25重量％であり、それによって、アルミニウム母液の比密度は2.7〜3.0重量％に増加し、アルミニウム結晶の比密度は2.7〜2.8 g/cm^３に増加する。得られる製品は、AA7xxxシリーズ合金に使用できる。

例3
この例は、還流様式の操作を示す。条件は、再融解速度を製品の取り出し速度より高く設定し、それによって、精製された金属液体の還流を発生させた以外は、例1および2の条件と等しい。この場合、粒子の浮力による結晶床の上向きの力により、精製された金属液体の一部を、カラム中の結晶床を通して向流で、下方に流す。この向流の流れが、取り込まれた母液を洗い流し、精製効率を増加する。精製効率の増加は、精製された金属液体と結晶床の接触時間によって異なる。言い換えると、カラムが十分な長さを有し、精製された金属液体の上からの還流流れが結晶床と十分に長い距離、十分に長い時間接触する場合、液体と結晶の間に局所的な化学的平衡がカラムの高さ全体にわたって得られる。それによって、アルミニウム結晶中の共晶元素(全ての高比密度添加剤を包含する)濃度がさらに低下する。その結果、得られる製品は、アルミニウム合金の一般的な使用に十分に純粋になる。

以上、本発明を十分に説明したが、当業者には明らかなように、本明細書に記載する本発明の精神または範囲から離れることなく、多くの変形および修正を行うことができる。

本発明の装置の一実施態様を図式的に示す。 本発明の装置の別の実施態様を図式的に示す。

Claims (18)

1. ある比密度を有し、一種以上の異元素を含んでなる金属母液から金属を精製し、精製された金属を分離する方法であって、該方法が、
   ・ 金属結晶(26)と、少なくとも一種の異元素を含んでなる金属母液とを含んでなる出発材料をカラム装置(10)中に与える工程、
   ・ 前記カラム(10)の上端(13)にある相対的に高温の区域(12)と、前記カラム(10)の下端(16)にある相対的に低温の区域(14)との間に温度差を作用させる工程、
   ・ 前記金属結晶を前記金属母液の上側表面に上昇させることにより、前記金属結晶(26)の少なくとも一部を前記金属母液から分離する、分離工程、および
   ・ 前記金属母液の前記上側表面に浮揚している精製された液体金属または金属結晶を前記カラム装置(10)から排出する、更なる分離工程
   を含んでなる、方法。
2. 前記金属母液の前記比密度を、前記精製された液体金属および前記金属結晶の前記比密度より高い値に調節することにより、前記金属結晶(26)を前記金属母液から上昇させ、金属の添加により前記金属母液の前記比密度が前記値に調節される、請求項１に記載の方法。
3. 前記金属母液の前記比密度を増加させる前記金属が、前記金属結晶相に実質的に不溶な金属である、請求項２に記載の方法。
4. 前記金属母液がアルミニウムであり、前記アルミニウム結晶相に実質的に不溶な前記金属が、Ｓｎ、Ｐｂ、およびＨｇを含んでなる群から選択される、請求項３に記載の方法。
5. 前記金属母液の前記比密度を増加させる前記金属が、前記金属結晶相に可溶な金属である、請求項２に記載の方法。
6. 前記金属母液がアルミニウムであり、前記精製された金属結晶の相に可溶な前記金属が、Ｃｕ、およびＺｎの群から選択される、請求項５に記載の方法。
7. 前記異元素が、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｓｉ、およびＺｎの群の一種以上を含んでなる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記出発材料が、懸濁結晶化製法に由来する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 副生成物材料が前記金属母液から、分離工程で、前記カラム装置(10)の前記下端(16)で分離される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 少なくとも一種の異元素を含んでなる結晶を含んでなる副生成物材料(60)が、別の分離工程で、沈降により分離される、請求項９に記載の方法。
11. 前記金属母液の上に浮揚する前記金属結晶(26)が、金属液体に融解し、続いて排出される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記方法が、連続操作で行われる、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 精製された液体が前記金属結晶を経由して還流するように、金属結晶(26)の融解速度が、精製された金属の排出速度よりも高い、請求項１１に記載の方法。
14. 少なくとも一種の異元素を含んでなる金属母液から、金属を精製し、精製された金属を分離する装置であって、該装置が、金属結晶(26)および金属母液を含んでなる精製すべき出発材料を供給するための入口(18)と、精製された金属を排出するための上部出口(22)と、少なくとも一種の異元素を含んでなる副生成物材料を排出するための出口(20)とを有する分離チャンバー(11)を規定するカラム(10)を含んでなり、前記装置が、前記カラム(10)の上端(13)にある相対的に高温の区域(12)と、前記カラム(10)の下端(16)にある相対的に低温の区域(14)との間に温度差を作用させる手段(24)と、前記母液を通して前記金属結晶を上昇させる手段と更に備えてなる、装置。
15. 前記金属結晶を上昇させる手段が、前記金属母液の前記比密度を、前記金属結晶の前記比密度より高い値に調節する手段を含んでなる、請求項１４に記載の装置。
16. 前記比密度を調節する手段が、高密度金属添加剤を加えるための供給手段を含んでなる、請求項１４または１５に記載の装置。
17. 懸濁結晶化処理用の結晶化容器(50)をさらに含んでなり、前記容器の出口(54)が、出発材料を分離チャンバーに供給するための入口(18)に接続されている、請求項１４〜１６のいずれか一項に記載の装置。
18. 請求項１４〜１７のいずれか一項に記載の装置の、アルミニウム合金の精製における使用。

Images