JP2014159631A - 金属精製装置および金属精製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】設備の追加やメンテナンスの手間を伴わずに金属の精製効率を向上しうる金属精製装置を提供する。
【解決手段】金属精製装置は、精製すべき溶融金属（Ｍ）を収容し、横断面において少なくとも１つの入隅部（11）を有する形状の溶湯保持容器（10）と、前記溶湯保持容器（10）内の溶融金属（Ｍ）中に浸漬されて、前記溶湯保持容器（10）に対して相対的に回転する冷却体（20）とを備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、偏析凝固法の原理を利用した金属の精製装置およびその関連技術に関する。

従来、高純度金属の精製方法として、精製用溶湯保持容器に入れられた共晶不純物を含む溶融金属中に冷却体を浸漬し、冷却体内に冷却流体を供給しながら冷却体を回転させることで、その周囲に、溶融金属よりも高純度の精製金属を晶出させる、という方法が知られている（例えば特許文献１）。

前記特許文献１で述べられている方法は、精製すべき金属を溶解して金属溶湯とした後、この溶湯を常にその凝固温度を超えた温度に加熱保持しておいた上で、その溶湯に冷却体を浸漬させ、その際、冷却体の表面温度が溶湯の凝固温度以下になるように保持し、さらに、冷却体外周面と溶湯との相対速度を大きくすることによって冷却体外周面に溶湯より高純度の金属塊を晶出させ付着させる、というものである。

この方法は、液相線と固相線の間の領域の温度に金属溶湯を保持すると、より高純度の固相と不純物の多い液相とに分離する、という偏析の原理を利用している。

冷却体の表面には最初に不純物が少ない固相が生成され、その固相と溶湯との間の凝固界面に不純物の多い液相が排出され、いわゆる不純物濃化層が形成される。冷却体外周面に付着、成長する金属塊は、凝固界面の進行速度を不純物濃化層の外側への拡散速度よりも遅くすることで不純物を外側に拡散させることによって、および／または、不純物濃化層を液相の流速によって分散させて層の厚さを薄くすることによって、より不純物の少ないものとして得られている。

近年、用途によってはさらに高純度の金属が必要とされている。

例えば、アルミニウムの場合、電解アルミニウムコンデンサの電極箔に使われている原料のアルミニウムは、純度９９．９％という高い純度が求められている。さらに近年、高圧用の電解アルミニウムコンデンサの需要が高まっており、それに必要なアルミニウム箔として、純度９９．９９％というさらに高純度のものが必要とされる。

従来の精製方法によってさらに高純度な金属塊を得るためには、精製を複数回行えばよい。具体的には、一度精製したものを集めて再溶解し、その再溶解された溶湯に対して精製を行い、それを繰り返せばその繰り返した回数分だけ高純度金属塊を得ることができる。ただし、この方法は、工程が非常に多くなり、その間に製造ラインから不純物が混入する可能性が多くなってしまう。また、何度も再溶解することで必要なコスト、必要なエネルギーが増大し、生産効率が低くなってしまう。

したがって、精製回数を増やすよりも、精製工程自体の中で、さらに精製効率を向上させる方が望ましい。

従来の方法では、冷却体が溶湯中に浸漬して回転している際、周囲の溶湯は止まっておらず、冷却体の回転する方向と同じ方向に回転している。冷却体の回転速度よりも遅い周速度で回っているものの、溶湯自体が冷却体と同じ方向に回っているということは、溶湯と冷却体との速度差が小さくなるので、相対速度は冷却体の回転速度より小さくなってしまう。

精製効率を向上させるには、実際にはあまり大きくなっていない相対速度を如何に大きくするかが重要となってくる。

冷却体と溶湯との相対速度をさらに大きくする手段として、以下のような方法が挙げられる。
（Ａ）冷却体の周速度を大きくすることによって、溶湯との相対速度を大きくする。
（Ｂ）溶湯の流速を遅くするために、特許文献２に記載されているように坩堝内周面に邪魔板を設置する。

また、特許文献３には、溶湯中にガス気泡を導入して溶湯に働く遠心力の反作用の力を利用してガス気泡を効率的に凝固界面に到達させることにより、凝固界面に生じる不純物濃化層を効率良く除去して精製効率を高める方法が開示されている。

また、本出願人は、冷却体の浸漬位置を坩堝内周面に接近させて溶湯の流動幅が拡大する箇所を形成し、溶湯流れの向きを変えることによって冷却体と溶湯との相対速度を大きくする方法を発明した（特許文献４）。

これらの特許文献に記載された精製装置では、断面円形の溶湯保持容器（坩堝等）を用いている。

特公昭６１−３３８５号公報 特開昭６１−１７０５２７号公報 特許第３６７４３２２号公報 特開２００８−１６３４２０号公報

しかしながら、前記（Ａ）の冷却体の周速度を大きくすることによって、溶湯との相対速度を大きくする方法では、やはり溶湯が冷却体につられて同じ方向に回転してしまう点が解消されず、相対速度を上げることが難しいという問題がある。設備の面でも、冷却体を回転させる装置は、回転速度をさらに大きくせねばならないことから従来の装置よりも大掛かりなものとなってしまい、現実的でない。また、冷却体の周速度が速くなると、溶湯の周速度も速くなり、それによって液面の高低差が大きくなると共に、液面変動も激しくなることで、溶湯飛散が頻発するので、安全面でも問題がある。さらに、冷却体外周面に生じる遠心力が大きくなり、冷却体外周面に付着した金属塊が外れやすくなるため、得られる金属塊が少なくなってしまい、生産効率の面でも好ましくない。

また、前記（Ｂ）の坩堝内周面に邪魔板を設置する方法では、邪魔板により溶湯全体の流速を抑制、または、乱流を生じさせる効果があるものの、その効果の範囲を大きくしようとすると邪魔板の長さを大きくする必要があるが、邪魔板の長さを大きくすると、冷却体外周面に付着、成長した金属塊が邪魔板に接触し、邪魔板が破損してしまう危険がある。また、坩堝内周面に邪魔板がある坩堝を得るためには、坩堝内周面に邪魔板を別部品として接着する、あるいは、最初から邪魔板が存在するような坩堝を製作する方法などがあるが、いずれも製作、メンテナンスの面で手間がかかってしまう。

特許文献３の溶湯にガス気泡を導入する方法もまた設備の追加を伴う方法であり、設備の製作およびメンテナンスに手間がかかることになる。

特許文献４の冷却体の浸漬位置を変更する方法は設備の追加やメンテナンスの手間を必要としない。

本発明は、上述した背景技術に鑑み、特許文献４に記載された技術のように、設備の追加やメンテナンスの手間を伴わずに金属の精製効率を向上しうる金属精製装置およびその関連技術の提供を目的とする。

即ち、本発明は下記［１］〜［１１］に記載の構成を有する。

［１］精製すべき溶融金属を収容し、横断面において少なくとも１つの入隅部を有する形状の溶湯保持容器と、
前記溶湯保持容器内の溶融金属中に浸漬されて、前記溶湯保持容器に対して相対的に回転する冷却体とを備えることを特徴とする金属精製装置。

［２］前記入隅部の入隅角度が１２０°以下である前項１に記載の金属精製装置。

［３］前記溶湯保持容器の横断面形状が三角形または四角形である前項１または２に記載の金属精製装置。

［４］前記入隅部の先端部が交差する２つの面で形成されている前項１〜３のいずれか１項に記載の金属精製装置
［５］前記入隅部の先端部が曲面で形成されている前項１〜３のいずれか１項に記載の金属精製装置。

［６］前項１〜５のいずれか１項に記載の金属精製装置を用い、
溶湯保持容器に収容した精製すべき溶融金属中に冷却体を浸漬し、この冷却体を前記溶湯保持容器に対して相対的に回転させながら冷却体表面に高純度金属を晶出させることを特徴とする金属精製方法。

［７］前記溶融金属がアルミニウムである前項６に記載の金属精製方法。

［８］前項６または７に記載の方法で精製された精製金属。

［９］前項８に記載の精製金属から製造された鋳造品。

［１０］前項９に記載の鋳造品が圧延されてなる金属製品。

［１１］前項１０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。

［１］に記載の発明によれば、冷却体の回転によって生じる溶湯流が溶湯保持容器の入隅部に衝突することによって抑止されるので、冷却体と溶湯との相対速度が大きくなる。その結果、凝固界面近傍に生じる不純物濃化層の分散が促進されて金属の精製効率が向上し、高純度の金属を得ることができる。また、かかる効果は溶湯保持容器の形状によって得られるので、邪魔板のような追加部材を必要とせず、メンテナンスの手間が増えることもない。

［２］に記載の発明によれば、入隅部の入隅角度が１２０°以下であるから、特に溶湯流の抑止効果が大きい。

［３］に記載の発明によれば、溶湯保持容器の横断面が四角形または三角形であるから入隅角度が小さくなり、入隅部による溶湯流の抑止効果が大きい。

［４］に記載の発明によれば、入隅部の先端部が交差する２つの面で形成され、角張ったシャープな形状であるから、溶湯流の抑止効果が大きい。

［５］に記載の発明によれば、入隅部の先端部が曲面で形成されているので、溶湯の流速が極端に遅くなりがちな入隅部における溶湯の流れが促され、気泡や酸化物の滞留を回避できる。

［６］に記載の発明によれば、冷却体の回転によって生じる溶湯流が溶湯保持容器の入隅部に衝突することによって抑止されるので、冷却体と溶湯との相対速度が大きくなる。その結果、凝固界面近傍に生じる不純物濃化層の分散が促進されて金属の精製効率が向上し、高純度の金属を得ることができる。また、かかる効果は溶湯保持容器の形状によって得られるので、邪魔板のような追加部材を必要とせず、メンテナンスの手間が増えることもない。

［７］に記載の発明によれば、純度の高いアルミニウムを精製することができる。

［８］に記載の発明によれば、純度の高い精製金属となしうる。

［９］に記載の発明によれば、純度の高い鋳造品となしうる。

［１０］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。

［１１］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。

本発明の一実施形態に係る金属精製装置の概略構成図である。 図１のII−II線断面図である。 本発明の金属精製装置に用いる溶湯保持容器の他の実施形態を示す断面図である。 本発明の金属精製装置に用いる溶湯保持容器のさらに他の実施形態を示す断面図である。 本発明の金属精製装置に用いる溶湯保持容器のさらに他の実施形態を示す断面図である。 本発明の金属精製装置に用いる溶湯保持容器のさらに他の実施形態を示す断面図である。 本発明の金属精製装置に用いる溶湯保持容器のさらに他の実施形態を示す断面図である。 本発明の金属精製装置に用いる溶湯保持容器のさらに他の実施形態を示す断面図である。 従来の溶湯保持容器の断面図である。

図１および図２はこの発明の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。

［金属精製装置の構成］
金属精製装置（1）は、溶融金属（Ｍ）（以下、「溶湯」と称する）を収容する溶湯保持容器（10）と、冷却体（20）と、精製金属掻き落とし装置（図示省略）とを備えている。

前記溶湯保持容器（10）は有底筒状であり、その横断面形状については後述する。前記溶湯保持容器（10）は加熱炉内に配置されて外側から加熱され、溶湯（Ｍ）が一定の温度となるように制御されている。

前記溶湯保持容器（10）の材質は限定されないが、内面は溶湯（Ｍ）に接触し外面からは加熱されるので、高温で溶融せず極端な強度低下が生じない耐熱性を有していることが必要である。具体的には、グラファイト、セラミックス、これらの複合材等を推奨できる。

前記溶湯（Ｍ）の温度は、凝固温度を超えていればよいが、冷却体（20）が溶湯（Ｍ）に浸漬している間は、溶湯中に固相が存在しなくなる温度よりも低い方がより望ましい。

前記冷却体（20）は上端側が径大の円錐台形状に形成され、回転軸（21）の下端に設置されている。前記回転軸（21）はモーター等の回転駆動装置および移動装置が連結され、前記冷却体（20）に回転力を付与するとともに、上下左右に自在に移動できるものとなされている。

前記冷却体（20）の形状は限定されることはなく、円柱状その他の形状であっても良い。前記回転軸（21）は管状になっており、また、冷却体（20）の内部にも空間が形成されている。前記回転軸（21）の内部には冷媒供給管（22）および冷媒排出管（23）が挿通され、冷媒供給管（22）から冷媒が供給されるものとなされている。供給された冷媒は、冷媒供給管（22）を通って冷却体（20）の内部空間に噴出し、その後、回転軸（21）の内部の冷媒排出管（23）を通って排出されるようになっており、冷却体（20）をその内側から冷やすことができるものとなされている。

前記冷却体（20）の材質は、高温の溶湯（Ｍ）と接触するので耐熱性が高く熱伝導率の高いものが望ましく、グラファイト、セラミックス、これらの複合材等を推奨できる。また、溶湯温度で溶融せず、極端な強度低下が生じないものであれば金属製の冷却体も使用できる。また、前記冷却体（20）の冷媒は気体あるいは液体のいずれでも使用でき、気体冷媒としては窒素ガス、二酸化炭素ガス、アルゴンガス、圧縮エアを使用できる。これらの気体冷媒のうち、コスト面で圧縮エアを推奨できる。

また、図示が省略されている精製金属掻き落とし装置は溶湯保持容器（10）の側方近傍に設置され、溶湯（Ｍ）から引き上げられて移動してきた冷却体（20）の表面に晶出した精製金属を掻き落として回収する。

［溶湯保持器の形状］
図２に示すように、前記溶湯保持容器（10）は横断面形状が正方形であり、４つの入隅部（11）を有している。前記入隅部（11）はその先端部が交差する２つの平面で形成されており、角張ったシャープな形状である。また、前記入隅部（11）の入隅角度（θ）は９０°である。

［金属の精製方法］
図１および図２に示すように、前記回転軸（21）を移動させて前記冷却体（20）を溶湯保持容器（10）内の任意の位置において溶湯（Ｍ）に浸漬し、冷媒を供給しながら矢印Ａの方向に回転させ、回転する冷却体（20）の周面に精製金属をゆっくり晶出させる。この晶出過程で共晶不純物は液相中に排出されて凝固界面近傍に共晶不純物が濃化された不純物濃化層が形成されるが、冷却体（20）と溶湯（Ｍ）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れる。

前記冷却体（20）の回転により、溶湯（Ｍ）には矢印Ｂで示される冷却体（20）の接線方向の流れが生じるが、この溶湯流Ｂが溶湯保持容器（10）の入隅部（11）に衝突すると流れが抑止される。その結果、冷却体（20）と溶湯（Ｍ）との相対速度が大きくなって上述した不純物濃化層中の不純物の分散が促進され、不純物の除去が効率良く行われて精製効率が向上し、冷却体（20）の周面に高純度の金属を晶出させることができる。

なお、晶出金属の純度に大きな影響を及ぼさない限り、冷却体（20）の底面にも金属が晶出してもかまわない。また、前記冷却体（20）は、溶湯（Ｍ）に浸漬してから回転を開始しても良いし、回転させながら溶湯（Ｍ）に浸漬しても良い。

前記溶湯保持容器（10）に対し、図９の溶湯保持容器（50）は横断面円形であり、入隅部を有さず曲面のみで形成されている。このような内面形状の溶湯保持容器（50）では溶湯（Ｍ）が曲面上を滑るように流動し、流れが滞ることのなく、冷却体（20）と同じ回転方向の滑らかな旋回流が形成される。このため、入隅部（11）を有する形状の溶湯保持容器（10）よりも冷却体（20）と溶湯（Ｍ）との相対速度が遅くなる。

本発明においては、冷却体（20）の回転によって生じる溶湯流Ｂを入隅部（11）に衝突させることによって旋回流を抑止し、滑らかな旋回流動を妨げることによって冷却体（20）と溶湯（Ｍ）との相対速度を大きくしている。また、かかる効果は邪魔板等の追加ではなく溶湯保持容器の形状によって得られるので、追加部材を必要とせず、メンテナンスの手間が増えることもない。

前記冷却体（20）を溶湯（Ｍ）中で所定時間回転させて冷却体（20）の周面に精製金属を晶出させた後、溶湯（Ｍ）から冷却体（20）を引き上げて溶湯保持容器（10）側方の精製金属掻き落とし装置まで移動させる。精製金属掻き落とし装置によって冷却体（20）から精製金属を掻き落として回収する。精製金属の回収方法は限定されず、掻き落としの他、再加熱によって冷却体から回収することもできる。

精製金属を回収した冷却体（20）は、要すれば、再び溶湯保持容器（10）に移動させて溶湯（Ｍ）中に浸漬して回転させて精製を行い、精製と回収を繰り返す。

［溶湯保持器の他の形状］
上述した溶湯保持容器（10）の入隅部（11）による溶湯流Ｂの抑止効果は、入隅角度（θ）が小さい方が大きく、好ましい入隅角度（θ）は１２０°以下である、さらに好まし入隅角度（θ）は９０°以下である。従って、溶湯保持容器が多角形である場合は、六角形よりも角数が少ないものが好ましい。図３は正六角形の溶湯保持容器（30）であり、入隅部（31）の入隅角度（θ）は１２０°である。図４は正三角形の溶湯保持容器（32）であり、入隅部（33）の入隅角度（θ）は６０°である。また、特に好ましい入隅角度（θ）が９０°以下であることから、特に好ましい溶湯保持容器の横断面形状は四角形または三角形である。

また、溶湯保持容器の横断面形状は正多角形であることに限定されず、図５に示す、長辺と短辺を有する長方形の溶湯保持容器（34）も本発明に含まれる。さらには、入隅角度の異なる入隅部を有する横断面形状、例えば、四角形であれば台形、平行四辺形、三角形であれば二等辺三角形、直角三角形、不等辺三角形の溶湯保持容器も本発明に含まれる。

また、前記溶湯流Ｂの抑止効果は溶湯保持容器が少なくとも１つの入隅部を有していれば得ることができるので多角形であることにも限定されず、角形と円形を組み合わせた方円形や扇形の横断面を有する溶湯保持容器も本発明に含まれる。ただし、１箇所で溶湯流を抑止させるとその入隅部において湯面変動が大きくなるので、溶湯流の抑止は複数箇所で分散して行うことが好ましい。溶湯流の抑止箇所を分散させるという観点からも、上述した四角形または三角形は好ましい形状である。

また、溶湯保持容器の横断面形状は各辺または一部の辺が曲線で形成された膨多角形であっても良い。図６の溶湯保持容器（35）は横断面形状において全ての辺が曲線で形成された膨四角形であり、入隅部（36）は２つの曲面の交差によって形成されている。前記入隅部（36）の先端部は角張ったシャープな形状である。図７の溶湯保持容器（37）は横断面形状において曲線と直線とを組み合わせた膨四角形であり、入隅部（38）は平面と曲面とが交差することによって形成されている。前記入隅部（38）の先端部は角張ったシャープな形状である。

従って、角張ったシャープな形状の入隅部は２つの面の交差によって形成される。具体的には、角張ったシャープな形状の入隅部は、平面同士の交差（図２〜４参照）、曲面同士の交差（図６参照）、平面と曲面の交差（図７参照）のうちのいずれによっても形成される。溶湯保持容器は上記３種のうちのいずれか１種の入隅部を有しているものであっても良いし、２種または３種の入隅部を有しているものであっても良い。また、図７および図８の溶湯保持容器（35）（37）は四角形であるが、三角形、六角形等の多角形においても平面と曲面の組み合わせにより３種の入隅部を形成することができる。

なお、上述の横断面が扇形の溶湯保持容器は、２つの直線と１つの曲線とで形成された三角形でもあるから、平面同士の交差による１つの入隅部と、平面と曲面の交差による２つの入隅部とを有している。

［入隅部の形状］
前記溶湯保持容器内の溶湯は冷却体の回転により攪拌され、この攪拌によって溶湯中に空気が取り込まれて気泡や酸化物が生じる。本発明では入隅部を有する溶湯保持容器を使用して入隅部で溶湯流を抑止するので、生成する気泡や酸化物も入隅部で抑止される。入隅部は溶湯の流速が極めて遅いので、入隅部で抑止された気泡や酸化物は浮上して溶湯の表面近傍に残留することがある。気泡や酸化物を多く含む溶湯はこれらを含まない溶湯よりも熱伝導性が悪く、また溶湯表面が大気により冷却されるため、気泡や酸化物を流動させずに入隅部に滞留させておくと溶湯の表面が凝固し易くなる。図２〜４、６、７に示した入隅部（11）（31）（33）（36）（38）は先端部が角張ったシャープな形状である。このような形状の入隅部（11）（31）（33）（36）（38）は溶湯流の抑止効果が大きいが、生成する気泡や酸化物の抑止効果も大きくこれらが滞留しやすくなる傾向がある。

このような入隅部における気泡や酸化物の滞留に対しては、図８に示す溶湯保持容器（40）ように、入隅部（12）の先端部を曲面で形成し、溶湯の流速が入隅部（12）で極端に遅くならないようにすることで対処することができる。即ち、溶湯（Ｍ）の流速が極端に遅くなりがちな入隅部（12）において、先端部を曲面で形成して溶湯の流れを促すことによって気泡や酸化物の滞留を回避する。前記入隅部（12）の先端部の曲率半径（Ｒ）は１０〜１００ｍｍの範囲が好ましい。前記曲率半径（Ｒ）が１０ｍｍ未満の小さい曲率では気泡や酸化物を流動させる効果が小さい。また、曲率半径（Ｒ）が１００ｍｍであれば気泡や酸化物を流動させる効果が十分に得られるので、それを超える大きい曲率半径（Ｒ）は意味がないし、過大な曲率半径（Ｒ）は溶湯流の抑止効果を低下させるので不純物濃化層中の不純物の分散促進効果も低下する。

図８の入隅部（12）は、平面同士の交差による角張ったシャープな形状の入隅部（11）（図２参照）の先端部を曲面で形成したものであるが、曲面同士の交差による入隅部（36）（図６参照）や平面と曲面の交差による入隅部（38）（図７参照）に対しても先端部を曲面で形成することができる。ただし、多角形の角数が同じであれば、曲面同士の交差による入隅部（36）や平面と曲面の交差による入隅部（38）は平面同士の交差による入隅部（11）よりも入隅角度が大きくなるので、もとより、先端部における溶湯速度の低下の度合いが小さく気泡や酸化物の滞留量も少ない。このため、入隅部の先端部の曲面形成は平面同士の交差によって形成された入隅部への適用意義が大きい。

また、前記曲率半径（Ｒ）は、溶湯保持用器の断面寸法、入隅部の入隅角度、気泡や酸化物の滞留の程度等に応じて任意に設定することができる。

［金属精製装置の他の構成］
本発明の金属精製装置において、溶湯保持容器と冷却体は単独組であっても良いし、複数組を並べて配置し、隣接する溶湯保持容器を上端部において連結樋により連通状に接続しても良い。

単独組の場合は、精製を繰り返すと溶湯保持容器内の溶湯の不純物濃度が増すので、精製した金属の純度が低下するおそれがある。このため、溶湯中の不純物濃度が一定値に達したら溶湯を入れ替えることが好ましい。

複数組の場合は、複数個の溶湯保持容器が連通しているので、一端の溶湯保持装置に溶湯を注ぎ込めば隣接する溶湯保持容器に順次流出していき、高濃度の不純物を含む溶湯が１つの溶湯保持容器に滞留することはない。このような装置構成では溶湯保持容器毎にバッチ操作で溶湯の入れ替えを行う必要がないので、作業効率が向上する。また、最下流の溶湯保持容器から流出した溶湯は不純物濃度が高くなっているので、排出等により処理する。また、上流側の溶湯保持容器内で浮滓が生成したとしても、浮滓を除去してから溶湯を下流側の溶湯保持容器に供給するようにすれば、浮滓が下流側の溶湯保持容器に持ち越されることもない。

本発明において冷却体は溶湯保持容器に対して相対的に回転すれば良いので、冷却体を固定して溶湯保持容器を回転させる構成、冷却体と溶湯保持容器を逆方向に回転させる構成も本発明に含まれる。

［精製する金属］
本発明によって精製する金属は、共晶不純物を含むアルミニウム、ケイ素、マグネシウム、鉛、亜鉛等を挙げうる。

アルミニウムの精製において、精製すべきアルミニウムにアルミニウムと包晶を形成する不純物元素、例えばＴｉ、Ｚｒ、Ｖ等の包晶元素が含まれている場合は、溶湯保持容器に収容される溶湯にホウ素を添加して攪拌した上で本発明の精製方法を適用することが好ましい。ホウ素添加および攪拌を行うことで、ホウ素が溶湯中に含まれている包晶不純物と反応して、ＴｉＢ_２、ＶＢ_２、ＺｒＢ_２等の不溶性ホウ化物が生成される。生成された不溶性ホウ化物は冷却体の回転により生じる遠心力によって冷却体から遠ざけられるので、冷却体の周面に晶出するアルミニウムに含まれることはない。また、余剰のホウ素は共晶不純物として除去されるので、これも冷却体の周面に晶出するアルミニウムに含まれることはない。

なお、ホウ素は、例えば、精製すべきアルミニウムにＡｌ−Ｂ母合金を添加して共に溶解したり、溶湯中にＢＦ_３ガスを吹き込む等の方法により添加することができる。

また、複数の溶湯保持容器を連通状に接続して溶湯を順次下流側の溶湯保持容器に供給する場合は、最上流の溶湯保持容器にホウ素を添加して不溶性ホウ化物を除去するのが良い。また、最上流の溶湯保持容器をホウ素反応専用とし、一段目の溶湯保持容器で不溶性ホウ化物を除去した後、二段目以降の溶湯保持容器で偏析凝固による精製を行うようにしても良い。

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。

図１に参照される金属精製装置（1）において、横断面形状の異なる溶湯保持容器を用いてアルミニウムの精製試験を行った。

［各例における溶湯保持容器］
（実施例１）
内直径が３１０ｍｍの円形のグラファイト製るつぼの中に、４枚のグラファイト板を配置して横断面が正方形の溶湯保持空間を形成した。この溶湯保持空間は金属精製装置（1）における溶湯保持容器（10）に対応するものであり、本例の溶湯保持容器（10）の横断面内面形状は一辺（Ｓ１）が２２０ｍｍの正方形である（図２参照）。前記溶湯保持容器（10）の４つの入隅部（11）は先端部が交差する２つの平面で形成され、角張ったシャープな形状である。

（実施例２）
実施例１で形成した横断面正方形の溶湯保持空間の４つの入隅部の先端部に耐熱モルタルを用いて曲面を形成し、これを溶湯保持空間とした。この溶湯保持空間は金属精製装置（1）における溶湯保持容器（40）に対応するものであり、本例の溶湯保持容器（40）の横断面内面形状は一辺（Ｓ１）が２２０ｍｍの正方形であり、入隅部（12）の先端部は曲率半径（Ｒ）＝１０ｍｍの曲面である（図８参照）。

（実施例３）
入隅部（12）は曲率半径（Ｒ）＝２０ｍｍの曲面としたことを以外は実施例２と同じようにして溶湯保持容器（40）を形成した（図８参照）。

（実施例４）
横断面が正六角形のグラファイト製の溶湯保持容器（30）を用いた（図３参照）。この溶湯保持容器（30）の横断面における内面の一辺（Ｓ１）は１６０ｍｍであり、入隅部（31）は先端部が交差する２つの平面で形成され、角張ったシャープな形状である。

（実施例５）
横断面が正三角形のグラファイト製の溶湯保持容器（32）を用いた（図４参照）。この溶湯保持容器（32）の横断面における内面の一辺（Ｓ１）は４２０ｍｍであり、入隅部（33）は先端部が交差する２つの平面で形成され、角張ったシャープな形状である。

（比較例）
横断面が円形のグラファイト製の溶湯保持容器（50）を用いた（図９参照）。この溶湯保持容器（50）の横断面における内直径（Ｓ２）は３１０ｍｍである。

［アルミニウムの精製］
図１の金属精製装置（1）に、それぞれの溶湯保持容器（10）（40）（30）（32）（50）を組み込んでアルミニウムの精製試験を行った。形状の異なる溶湯保持容器を用いたことを除いて各例の精製条件は共通であり、詳細は以下のとおりである。

精製すべきアルミニウムには主な不純物としてＦｅ：５２０ｐｐｍ、Ｓｉ：２２０ｐｐｍが含まれている。前記アルミニウムはそれぞれの溶湯保持容器内で電気加熱により溶解して溶湯（Ｍ）とし、精製中は６６５℃に保持した。

冷却体（20）はグラファイト製であり、最大外径が１５０ｍｍの中空の逆円錐体である。前記冷却体（20）を溶湯（Ｍ）に浸漬する際には、予め表面温度が５５０℃となるように加熱した。また、前記溶湯（Ｍ）中に浸漬した冷却体（20）を４．７ｍ／秒の周速度で回転させ、かつ冷媒として圧縮エアを１１００リットル／分の流量で供給した。

精製処理時間、即ち溶湯（Ｍ）中で前記冷却体（10）を回転させる時間は５分とした。

５分の精製を行った後、溶湯（Ｍ）から冷却体（20）を引き上げ、冷却体（20）の周面に付着している精製されたアルミニウムを掻き落として回収し、不純物であるＦｅ濃度およびＳｉ濃度を調べた。さらに、ＦｅおよびＳｉの精製効率を下記式により計算した。回収した精製アルミニウムの重量、精製アルミニウム中のＦｅ濃度およびＳｉ濃度、精製効率を表１に示す。
Ｆｅの精製効率＝精製アルミニウム中のＦｅ濃度／溶湯中のＦｅ濃度（＝５２０ｐｐｍ）
Ｓｉの精製効率＝精製アルミニウム中のＳｉ濃度／溶湯中のＳｉ濃度（＝２２０ｐｐｍ）

また、実施例１〜４について、精製中の入隅部およびその近傍における流速を目視観察したところ、実施例３（正方形、Ｒ＝２０ｍｍ）が最も速く、次いで実施例２（正方形、Ｒ＝１０ｍｍ）が速く、その次は実施例３（正六角形、Ｒ＝０ｍｍ）、最も遅いのは実施例１（正方形、Ｒ＝０ｍｍ）であった。なお、最も遅い実施例１においても、溶湯（Ｍ）の流れが完全に停止することはなく、極めて遅いながらも流れていた。表１に流速の速い順を１（最も速い）から４（最も遅い）の番号で示す。

表１に記載したとおり、従来の断面円形の溶湯保持容器に代えて入隅部を有する断面角形の溶湯保持容器を用いることで精製効率が高める得ることを確認することができた。また、入隅部を円弧状に形成することで入隅部における溶湯の滞留を防ぎ得ることも確認することができた。

本発明によれば、金属を効率良く精製して高純度の金属が得られるので、電解コンデンサの電極材のような高純度金属の製造に利用できる。

1…金属精製装置
10、30、32、34、35、37、40、50…溶湯保持容器
11、12、31、33、36、38…入隅部
20…冷却体
21…回転軸
Ｍ…溶湯（溶融金属）
θ…入隅角度
Ｒ…曲率半径

Claims (11)

1. 精製すべき溶融金属を収容し、横断面において少なくとも１つの入隅部を有する形状の溶湯保持容器と、
   前記溶湯保持容器内の溶融金属中に浸漬されて、前記溶湯保持容器に対して相対的に回転する冷却体とを備えることを特徴とする金属精製装置。
2. 前記入隅部の入隅角度が１２０°以下である請求項１に記載の金属精製装置。
3. 前記溶湯保持容器の横断面形状が三角形または四角形である請求項１または２に記載の金属精製装置。
4. 前記入隅部の先端部が交差する２つの面で形成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属精製装置
5. 前記入隅部の先端部が曲面で形成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属精製装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の金属精製装置を用い、
   溶湯保持容器に収容した精製すべき溶融金属中に冷却体を浸漬し、この冷却体を前記溶湯保持容器に対して相対的に回転させながら冷却体表面に高純度金属を晶出させることを特徴とする金属精製方法。
7. 前記溶融金属がアルミニウムである請求項６に記載の金属精製方法。
8. 請求項６または７に記載の方法で精製された精製金属。
9. 請求項８に記載の精製金属から製造された鋳造品。
10. 請求項９に記載の鋳造品が圧延されてなる金属製品。
11. 請求項１０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。
    

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