JP2021014606A

JP2021014606A - 高純度金属の製造方法及び製造装置

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Publication number: JP2021014606A
Application number: JP2019128717A
Authority: JP
Inventors: 雄人富田; Yuto Tomita; 勝起吉田; Katsuoki Yoshida
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 2019-07-10
Filing date: 2019-07-10
Publication date: 2021-02-12
Anticipated expiration: 2039-07-10
Also published as: JP7386635B2

Abstract

【課題】偏析精製法の問題点を解決しつつ、精製効率をさらに高めた高純度金属の製造方法及び製造装置を提供する。【解決手段】精製すべき金属を溶融させた溶融金属２をるつぼ１に収容し、溶融金属中に冷却体３を浸漬し、この冷却体３またはるつぼ１のいずれか一方を回転させながら冷却体３の表面に高純度金属５を晶出させる高純度金属の製造方法において、るつぼ１は内表面に凹凸形状１００を有していることを特徴とする。【選択図】図１

Description

高純度金属の製造方法及び製造装置に関し，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、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するものである。

不純元素濃度の高い金属から高純度金属を製造する方法のうち、凝固時の偏析現象を利用する精製方法（偏析法）は、他の製造方法に対するコスト優位性から広く工業的に利用されている。偏析法では、まず、対象金属を溶融させてから部分的に凝固させることで、対象金属と共晶を形成する不純元素を溶融金属中に排出させる。続いて、この凝固部を溶融金属から取り出すことによって、より高純度な部分と低純度な部分とに仕分け、もとの対象金属から高純度金属へと精製することができる。この高純度金属結晶をいかにより高純度で取り出すかが、製造プロセスとしての生命線となる。偏析法のような精製プロセスの純化性能を評価する際には、精製前後での不純元素濃度低減率、すなわち下記式の精製効率が用いられている。
精製効率＝精製後の不純元素濃度／精製前の不純元素濃度
品質向上の観点、そして製造コストの観点からも、高純度金属結晶の回収率を落とさず、かつこの精製効率を向上させることが非常に重要である。精製効率の向上は至上命題として長年取り組まれ、様々な技術改良が積み重ねられてきた。

例えば、偏析法による金属の精製方法のうち、金属に浸漬させた冷却体を高速回転させながら、徐冷することを特徴とする技術が代表的に挙げられる（特許文献１ほか）。この技術では、溶融金属に対して冷却体をより高速で相対回転させるほど、凝固界面近傍における濃度境界層が薄膜化され、高い精製効率が得られる。そのため、冷却体外表面における回転周速の範囲は1000〜10000mm/sと非常に高速とするのが通例であった（特許文献２）。

しかしながら、冷却体回転をさらに高速にすれば、成長した金属結晶が感じる遠心力が増大して、冷却体の外周面から剥離してしまうおそれがある。剥離が生じた場合の損失としては、一定の精製時間に対する凝固成長量（精製量）が少なくなる生産性の低下が挙げられる。金属結晶の剥離が発生すると、剥離部分に対する新たな金属結晶の晶出の際、より純度が悪化した溶融金属からの晶出が起こることになる。

その場合、相対回転周速が同じでも、濃度境界層厚さがより厚い状態から結晶成長することと等価とみなせるため、精製効率としては低下する。他にも、剥離した金属結晶が再溶融する際に溶融金属全体の温度低下を引き起こしてしまう。溶融金属の温度変動が生じると、金属結晶の成長速度の時間的または空間的な変動に繋がってしまい、最終的な結晶純度に重大な影響を及ぼす。そのため、特許文献２では、回転冷却体の周速が1600〜8000mm/sの範囲に限定されている。

以上の背景から、結晶剥離を回避しつつ精製効率を向上可能な技術の開発が長年に渡って試みられてきた。特に、冷却体回転をそのままに、追随する溶融金属の旋回流速を低減することで相対回転周速を向上させ、精製効率を向上させる技術については多く提案されてきた（特許文献３、特許文献４）。例えば、特許文献３では、るつぼ内表面に邪魔板を配置することで溶融金属の旋回を抑制する方法については、高い精製効率が得られている。ただし、邪魔板のメンテナンスを一定頻度で必要とする点など、設備化の容易さの観点からは改善の余地があった。特許文献４では、他にも、溶融金属の旋回流に対して、逆方向の回転を付与することで旋回流速を低減し、精製効率向上させる技術についても提案されている。特に、外部磁場による逆方向回転の付与は、非常に高い流速低減効果を有することが知られている。しかしながら、この場合、精製装置周辺の構造部材に金属材があると渦電流損失が避けられないため、レイアウト設計に一定の制約がある。様々な検討が試みられたものの、簡便な方法で設備化可能な精製方法は長らく提案されてこなかった。

特開昭５７−８２４３７号公報特公昭６１−０３３８５号公報特公昭６２−２３５４３３号公報特許第４９８８３１号公報

このように、従来の技術では、簡便な方法及び装置で精製効率の高い高純度金属を得ることにおいて、改善の余地があった。

本発明は、前述した偏析精製法の問題点を解決しつつ、精製効率をさらに高めた高純度金属の製造方法及び製造装置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、本発明は、精製すべき金属を溶融させた溶融金属中に冷却体を浸漬し、この冷却体またはるつぼの少なくとも一方を回転させながら冷却体の表面に高純度金属を晶出させる高純度金属の製造方法において、溶融金属との接触表面積を拡張するために内表面に凹凸形状を付与したるつぼを使用することで、冷却体の相対的な回転に追随して生じる溶融金属の旋回流速を低減することで、凝固界面近傍における相対回転周速を高め、精製効率を向上させるものである。ここでの凹凸とは、縦溝、全周に形成された環状溝、スパイラル状の溝、多数の点在する窪み（ディンプル）、およびこれらの組み合わせなどのことを指す。

即ち、本発明の高純度金属の製造方法及び本発明の高純度金属の製造装置は下記の構成を有する。
（１）精製すべき金属を溶融させた溶融金属をるつぼに収容し、溶融金属中に冷却体を浸漬し、この冷却体またはるつぼの少なくとも一方を回転させながら前記冷却体の表面に高純度金属を晶出させる高純度金属の製造方法において、前記るつぼは内表面に凹凸形状を有していることを特徴とする高純度金属の製造方法。
（２）前記冷却体と溶融金属の相対回転周速が1000〜10000mm/s の範囲である前項１に記載の高純度金属の製造方法。
（３）前記るつぼは、前記溶融金属との接触部の少なくとも一部に前記凹凸形状を有しており、前記るつぼの内表面の表面積は、凹凸形状を有しない場合の表面積の1.05倍を超える前項１または前項２に記載の高純度金属の製造方法。
（４）前記るつぼは、前記溶融金属との接触部の少なくとも一部に前記凹凸形状を有しており、前記るつぼの内表面の表面積は、凹凸形状を有しない場合の表面積の２倍以下である前項１ないし前項３のいずれか一項に記載の高純度金属の製造方法。
（５）前記凹凸形状部分における凹凸高さは、前記るつぼの肉厚の15 %以下である前項１ないし前項４のいずれか一項に記載の高純度金属の製造方法。
（６）前記凹凸形状は溝及び／または稜によって形成されている前項１ないし前項５のいずれか一項に記載の高純度金属の製造方法。
（７）前記溝は鉛直方向の溝である前項６に記載の高純度金属の製造方法。
（８）前記凹凸形状はディンプルによって形成されている前項１ないし前項５のいずれか一項に記載の高純度金属の製造方法。
（９）前記ディンプルは、半球、球冠、角柱、角錐、角錐台の１種または２種以上の形状である前項８に記載の高純度金属の製造方法。
（１０）前記金属はアルミニウムである前項１ないし前項９のいずれか一項に記載の高純度金属の製造方法
（１１）精製すべき金属を溶融させた溶融金属を収容するるつぼと、前記るつぼに収容された溶融金属中に浸漬される冷却体と、前記冷却体の表面に高純度金属を晶出させるために、前記冷却体または前記るつぼの少なくとも一方を回転させる回転駆動装置と、を備えた高純度金属の製造装置において、前記るつぼは内表面に凹凸形状を有していることを特徴とする高純度金属の製造装置。
（１２）前記回転駆動装置によって少なくとも一方が回転される前記冷却体と溶融金属の相対回転周速が1000〜10000 mm/sの範囲である前項１１に記載の高純度金属の製造装置。
（１３）前記るつぼは、前記溶融金属との接触部の少なくとも一部に前記凹凸形状を有しており、前記るつぼの内表面の表面積は、凹凸形状を有しない場合の表面積の1.05倍を超える前項１１または前項１２に記載の高純度金属の製造装置。
（１４）前記るつぼは、前記溶融金属との接触部の少なくとも一部に前記凹凸形状を有しており、前記るつぼの内表面の表面積は、凹凸形状が存在しない場合の表面積の２倍以下である前項１１ないし前項１３のいずれか一項に記載の高純度金属の製造装置。
（１５）前記凹凸形状部分における凹凸高さは、前記るつぼの肉厚の15 %以下である前項１１ないし前項１４のいずれか一項に記載の高純度金属の製造装置。
（１６）前記凹凸形状は溝及び／または稜によって形成されている前項１１ないし前項１５のいずれか一項に記載の高純度金属の製造装置。
（１７）前記溝は鉛直方向の溝である前項１６に記載の高純度金属の製造装置。
（１８）前記凹凸形状はディンプルによって形成されている前項１１ないし前項１５のいずれか一項に記載の高純度金属の製造装置。
（１９）前記ディンプルは、半球、球冠、角柱、角錐、角錐台の１種または２種以上の形状である前項１８に記載の高純度金属の製造装置。
（２０）前記金属はアルミニウムである前項１１ないし前項１９のいずれか一項に記載の高純度金属の製造装置。

前項（１）及び（１１）に記載の発明によれば、次のような効果が得られる。即ち、先行技術を用いて溶融金属の旋回流速を低減しようとする場合には、前述したように、邪魔板の設置や外部磁場印加のためのコイル設置など、大掛かりな付帯装置が必要であった。これに対し本発明では、るつぼは内表面に凹凸形状を有しているから、大掛かりな付帯装置を必要とすることなく簡易な構成で十分な旋回流速低減効果が得られ、精製効率向上を達成することができる。そのため、本発明は従来技術と比べて導入コストの面で非常に有利であり、さらに設置後の管理面でもメンテンスフリーにできる。

前項（２）及び（１２）に記載の発明によれば、溶融金属の旋回流速がより大きいほど、るつぼ内面の凹凸形状による流速低減効果が顕著に得られることから、冷却体と溶融金属の相対回転周速を、より高速である1000〜10000 mm/s の範囲に設定することで、確実な流速低減効果、またそれによる精製効率向上効果を得ることができる。

前項（３）及び（１３）に記載の発明によれば、るつぼは、溶融金属との接触部の少なくとも一部に凹凸形状を有しており、るつぼの内表面の表面積は、凹凸形状を有しない場合の表面積の1.05倍を超えるから、るつぼが自然に有する表面粗さの効果以上に表面積を拡大でき、溶融金属の旋回流速低減効果、またそれによる精製効率向上効果を確実に得ることができる。

前項（４）及び（１４）に記載の発明によれば、るつぼは、溶融金属との接触部の少なくとも一部に凹凸形状を有しており、るつぼの内表面の表面積は、凹凸形状を有しない場合の表面積の２倍以下であるから、凹凸形状の形成に要するコストを抑えつつ、高い溶融金属の旋回流速低減効果、またそれによる精製効率向上効果を得ることができる。

前項（５）及び（１５）に記載の発明によれば、凹凸形状部分における凹凸高さは、るつぼの肉厚の15 %以下であることで、るつぼもしくは凹凸部自身の耐久性を損なうことなく、凹凸形状の付与による表面積拡大効果、またそれによる精製効率向上効果を確実に得ることができる。

前項（６）及び（１６）に記載の発明によれば、凹凸形状は溝及び／または稜によって形成されているから、簡便な方法での凹凸形状の形成が可能となり、さらに、凹凸形状による溶融金属の旋回流速低減効果、またそれによる精製効率向上効果を確実に得ることができる。

前項（７）及び（１７）に記載の発明によれば、溝は鉛直方向の溝であるから、凹凸形状の形成に要するコストを抑制できるとともに、凹凸形状による溶融金属の旋回流速低減効果、またそれによる精製効率向上効果を確実に得ることができる。

前項（８）及び（１８）に記載の発明によれば、凹凸形状はディンプルによって形成されているから、表面積比が同じである溝または稜を有するるつぼに比べて、より高い溶融金属の旋回流速低減効果、またそれによる精製効率向上効果を得ることができる。

前項（９）及び（１９）に記載の発明によれば、ディンプルは、半球、球冠、角柱、角錐、角錐台の１種または２種以上の形状であるから、簡便な方法での凹凸形状の形成が可能となり、より高い表面積比のるつぼを容易に得ることができる。

前項（１０）及び（２０）に記載の発明によれば、金属がアルミニウムであり、一般にアルミニウム中に多く含まれる不純元素のほとんどがアルミニウムと共晶を形成するために（例えば鉄やケイ素、銅）、高い精製効率を容易に実現することができる。

この発明の一実施形態に係る高純度金属の製造装置の縦断面図である。（Ａ）〜（Ｃ）は溝の一例を示す断面図である。縦溝を形成したるつぼの横断面図である。（Ａ）〜（Ｃ）は稜の一例を示す断面図である。（Ａ）〜（Ｄ）はディンプルの一例を示す断面図である。内表面にディンプルを形成したるつぼの横断面図である。（Ａ）〜（Ｄ）は実施例１〜４のるつぼの内表面に形成した溝またはディンプルを説明するための図である。

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。

図１はこの発明の一実施形態に係る高純度金属の製造装置の縦断面図である。この製造装置はるつぼ１を有し、このるつぼ１の中空内部に溶融金属２が収容保持されている。るつぼ１は上面が開口し底面が断面円弧状に形成され、るつぼ１の中空部内には、垂直状の冷却体３がその先端部を溶融金属２に浸漬された状態で配置されている。この冷却体３は、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、図１に示すように、るつぼ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、るつぼ１の側方近傍には精製金属掻き落とし装置が設置され、るつぼ１の溶融金属２から引き上げられ移動してきた冷却体３に晶出した金属を、精製金属掻き落とし装置により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、るつぼ１内の溶融金属２は、一定の温度となるようるつぼ１の外側から加熱されるようになっている。

冷却体３の上端部には、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。しかも、冷却体３は図示しない移動装置により、上下左右に移動できるようにもなっている。

さらに、冷却体３の内部には冷媒循環経路が形成され、精製中は図１に矢印Ｘで示すように、冷却体３の中心部を下降してきた冷媒が底部で径方向外方に流れたのち、冷却体３の表面内部を上昇して循環することで、冷却体３を回転しながら冷却するように構成されている。

この実施形態では、るつぼ１はその下部内側面の特に溶融金属２との接触部分に、凹凸形状１００を有している。金属の精製時に溶融金属に浸漬した冷却体３を回転することで、溶融金属２には冷却体３の回転方向への旋回流が生じるが、この凹凸形状１００は、溶融金属２の旋回流に対する摩擦抵抗を増強することで旋回流を抑制し、その旋回流速に対する冷却体３の相対回転周速を向上させる役割を果たす。

凹凸形状１００はるつぼ１の内面における凹部及び／又は凸部の形成により実現する。凹凸形状１００を付与する位置としては、溶融金属２との接触部の少なくとも一部とするのが良い。るつぼ１の内底面でも構わないものの、より効率的に摩擦抵抗を増やす観点からは内側面のほうが望ましい。内側面と内底面のどちらにも形成しても良い。凹凸形状１００の付与の方法としては、機械加工の他にも、レーザ加工やブラスト加工が挙げられる。他にも、るつぼ１の製造の最終工程ではなく鋳造工程や冷間等方加圧成型（CIP）といった予備成形工程において、るつぼ自身が軟質であるうちに凹凸形状を付与しておく方法などが挙げられる。

るつぼ１の内面での溶融金属２の流れ場に対する摩擦抵抗は、溶融金属２の旋回流速が高いほど強くなる。つまり、冷却体３の回転数を十分に高速にしなければ、るつぼ１の内面の凹凸形状１００による旋回流速低減効果が十分に得られない恐れがある。そのため、本実施形態における冷却体３の溶融金属２に対する回転周速は1000mm/s以上であることが望ましい。一方で、冷却体３の回転周速が高速になりすぎると冷却体３からの結晶剥離リスクが高まってしまう。そのため、冷却体３の溶融金属２に対する回転周速は10000mm/sを超えないようにすることが望ましい。

また、一般に、るつぼ１が有する表面粗さに起因して、るつぼ１の内面の表面積は完全平面に比べて１〜２％ほどわずかに大きい。そのため、この範囲に対して、凹凸形状１００の付与後のるつぼ１の内面の表面積が1.05倍を超えるるつぼを使用することで、るつぼ１の内面への凹凸形状１００の付与による流速低減効果を確実に得ることができる。

るつぼ１の内面と溶融金属２の接触面積が大きいほど、溶融金属流れ場に対する摩擦抵抗を強めることが可能となり、精製効率向上効果は高くなる。そのため、るつぼ内面の凹凸形状１００としては、るつぼ１の内面が有する元々の表面粗さに対して凹凸高さが十分高い必要がある。さらに、より高い精製効率向上性能を得るためには、凹部及び／又は凸部を高密度に多数配置することが好ましい。しかしながら、高密度に凹凸加工を行う場合、高い寸法精度での加工が求められるために、凹凸形状１００の付与に要するコストが非常に高くなってしまう。そのため、表面積拡大比の上限としては2 倍が望ましい。

このとき、付与する凹凸形状部分の凹凸高さつまり凹部と凸部の差H に注意する必要がある。特に凹部の形成により凹凸形状１００とした場合は、その分るつぼ１自身の肉厚は減少するため、るつぼ１の耐久性が低下してしまう。一方で、凸部の形成により凹凸形状１００とした場合は、るつぼ１の内表面に対する突起部分が、冷却体３の表面に成長した金属結晶と干渉することによる破損劣化のリスクが避けられない。そのため、凹凸高さＨはるつぼ１の肉厚の15 %以下とすることが望ましい。

他の制約としては、形成する凹部又は凸部自身のアスペクト比Ｈ／Ｄを考慮することが望ましい。Ｄは凹部又は凸部が後述するように溝の場合は溝または稜の場合は、溝又は稜の幅、ディンプルの場合は穴径である。アスペクト比が大きすぎると、凸部の場合は強度不足が問題となることがある。凹部の場合は、溶融金属の流れ場が凹凸形状の内部まで十分に侵入しないことで、流速低減性能の低下が問題となることがある。一方で、アスペクト比が小さすぎると、凹部又は凸部凸を配置する際に高密度にできず、表面積拡大が実施しにくくなってしまうことがある。以上の理由から、凹部又は凸部自身のアスペクト比としては0.5〜1.5の範囲とすることが望ましい。

凹凸形状１００を付与するための凹部の例としては、溝やディンプル等が挙げられる。凸部の例としては稜が挙げられる。溝の場合、その断面形状は何でも構わないが、工業的に得やすいものとしては例えば図２に示すように、断面半円形の溝１０１（図２Ａ）、断面三角形の溝１０２（図２Ｂ）、断面方形の溝１０３（図２Ｃ）、その他五角形以上の断面多角形の溝が挙げられる。溝を付与する方向は縦（上下方向）でも横（水平方向）でも構わないし、その配置は環状、スパイラル状、格子状など何でもよい。図１の例では、るつぼ１の内側面に、断面方形の環状溝を上下に複数段形成した場合を示している。また、図３のように、断面方形の縦溝１０４を周方向に間隔を置いて複数個形成して凹凸形状１００としても良い。

稜の場合も、その断面形状は何でも構わないが、工業的に得やすいものとしては例えば図４に示すように、断面半円形の稜１０５（図４Ａ）、断面三角形の稜１０６（図４Ｂ）、断面方形の稜１０７（図４Ｃ）、その他五角形以上の断面多角形の稜が挙げられる。稜を付与する方向も縦（上下方向）でも横（水平方向）でも構わないし、その配置は環状、スパイラル状、格子状など何でもよい。

一方、ディンプルの場合、その形状は例えば図５に示すように、半球ディンプル１０８（図５Ａ）、球冠ディンプル１０９（図５Ｂ）、角錐ディンプル１１０（図５Ｃ）、角錐台ディンプル１１１（図５Ｄ）、角柱ディンプル等何でもよい。図６に、多数の半球ディンプル１０８を環状に及び上下方向に形成して凹凸形状１００としたるつぼ１を例示する。

また、ディンプル１０８〜１１１により凹凸形状１００を付与する場合は、溶融金属２の流れ場内に微小な渦運動を誘起することで、るつぼ１の内面の表面積拡大による流速低減効果に加えて、理論的には、渦粘性増加による流速低減効果も同時に得られる。そのため、後述する実施例に示すように、ディンプル付与による精製効率向上性能のほうが、同じ表面積拡大率の溝（または稜）を付与した場合に比べて高くなる。付与する凹部や凸部としては他にも、溝（または稜）とディンプルの組み合わせであっても構わない。しかし、組み合わせの場合は、それぞれの凹部と凸部を別々の工程で付与する必要があるために経済的には不利であり、コスト高となってしまう。そのため、基本的には、るつぼ１の1 基に対して単一形状の凹部又は凸部を付与することで、凹凸形状１００を備えさせても良い。

次に、図１に示した高純度金属の製造装置を使用して、高純度金属を製造する方法について説明する。

図１に示すように、冷却体３をるつぼ１内の溶融金属２に浸漬するとともに、冷却体３をその内部に冷媒を供給しつつ回転させ、冷却体１の周面に精製金属５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、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晶不純物の不純物濃化層が出来るが、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。

また、冷却体３のるつぼ１に対する回転によって、溶融金属２には冷却体３の回転方向と同じ方向への旋回流が生じるが、るつぼ１の内面には溶融金属２との接触部の少なくとも一部に、凹凸形状１００を有しているから、溶融金属２には凹凸形状１００の凹凸効果による摩擦力が作用して旋回流が抑止され、冷却体３に対する流速低減効果が発揮される。つまり、冷却体３の溶融金属２に対する周速が増大し、不純物の除去を効率的に行うことができ、精製効率向上効果を確実に得ることができる。

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精製金属５が得られる。

なお、この実施形態では、冷却体３を回転させるものとしたが、るつぼ１を回転させても良いし、冷却体３とるつぼ１を共に回転させても良く、要は冷却体３がるつぼ１に対して相対的に回転していればよい。

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２と接触するために冷却体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。

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。

精製される金属は、共晶不純物を含むアルミニウム、ケイ素、マグネシウム、鉛、亜鉛等の金属を挙げうる。特にアルミニウムを精製する際、一般にアルミニウム中に多く含まれる不純元素のほとんどがアルミニウムと共晶を形成するために（例えば鉄やケイ素、銅）、高い精製効率を容易に実現することができる。

この冷却体３の周面に晶出した精製金属５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は再度るつぼ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。

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。

アルミニウム（Al）を精製原料として本実施形態を適用した例を示す。

使用するるつぼ１はグラファイト製とし、その直径が300mm、高さが600mm、肉厚が55mmのものとした。このるつぼ１の内側面に対して、実施例１では、図７（Ａ）に示すように幅Ｄ：10mm、凹凸高さ（深さ）Ｈ：5mmの断面半円形の環状溝１０１を上下方向に複数個付与して凹凸形状１００を形成した。実施例2では、図７（Ｂ）に示すように幅Ｄ：16mm、凹凸高さ（深さ）Ｈ：8mmの断面半円形の環状溝１０１を上下方向に複数個付与して凹凸形状１００を形成した。実施例３では、図７（Ｃ）に示すように直径Ｄ：10mm、凹凸高さ（深さ）Ｈ：5mmの球冠ディンプル１０９を周方向および上下方向に付与して凹凸形状１００を形成した。実施例４では、図７（Ｄ）に示すように直径Ｄ：16mm、凹凸高さ（深さ）Ｈ：8mmの球冠ディンプル１０９を周方向および上下方向に付与して凹凸形状１００を形成した。

さらに比較のため、比較例１として凹凸形状を有しないるつぼを用意し、合計５種類のるつぼを用意した。ここで、実施例１及び実施例２の環状溝１０１は旋削加工を、実施例３及び実施例４の球冠ディンプル１０９はＹＡＧレーザ加工を、それぞれ凹凸形状を有しないるつぼに対して行ったものである。実施例１〜実施例４のるつぼの内表面積の、凹凸形状を有しないるつぼの内表面積に対する比率、及び凹凸高さ（Ｈ）のるつぼ肉厚（Ｔ）に対する比（Ｈ／Ｔ）は、それぞれ表１に示す通りであった。

使用するAl原料はFe: 500wt.ppm およびSi:400wt.ppm となるように成分調整を行い、それぞれ準備した。このAl原料について、溶解後の液面高さが250mmとなるように溶解量を調整しながら、上述の実施例１〜４、比較例１の各るつぼに入れて加熱溶解した。得られた溶融Alを660〜670℃の範囲で加熱保持し、それぞれ精製に使用した。

高純度Al結晶の精製は、特公昭６１−０３３８５号公報に記載された手法に準拠して行った。すなわち、各るつぼ中の溶融Al（溶湯）に対して、グラファイト製の中空回転冷却体（直径150mm）を回転させながら浸漬させ、液面に対する浸漬深さが200mmとなる位置で保持した。浸漬と同時に、冷媒として圧縮エアーを冷却体内部へ供給し、冷却体表面でAl 結晶を成長させた。このときの圧縮エアー温度は10℃、冷媒供給時間は7 min、冷却体回転数は600 rpm（冷却体表面における回転周速：約4700mm/s）とし、冷却体半径方向の結晶成長速度が2.5〜3.0 mm/minとなるよう冷媒供給条件（圧力、流量）を調整した。成長させたAl 結晶については、冷媒供給が終了すると同時に溶融金属中から引き上げられ、それぞれ発光分光分析法により化学組成の分析を行った。

原料Al および成長させたAl 結晶の化学組成、さらにこれらの値を用いて算出した精製効率について表２中に示す。なお、精製効率の算出方法は背景技術の欄で記載した通り、精製前の溶融Al濃度に対する精製後のAl結晶濃度の比による。

表２の結果から理解されるように、Fe、Siいずれの元素についても、実施例４、実施例３、実施例２、実施例１、比較例１の順に化学組成が最も低い、すなわち精製効率が高い結果であった。これにより、内面に凹凸形状１００を有するるつぼ１を用いることで、精製効率を向上できることを確認し得た。

１るつぼ
２溶融金属
３冷却体
４回転駆動及び移動装置
５晶出金属
１００凹凸形状
１０１〜１０４溝
１０５〜１０７稜
１０８〜１１１ディンプル

Claims

精製すべき金属を溶融させた溶融金属をるつぼに収容し、溶融金属中に冷却体を浸漬し、この冷却体またはるつぼの少なくとも一方を回転させながら前記冷却体の表面に高純度金属を晶出させる高純度金属の製造方法において、
前記るつぼは内表面に凹凸形状を有していることを特徴とする高純度金属の製造方法。
前記冷却体と溶融金属の相対回転周速が1000〜10000mm/s の範囲である請求項１に記載の高純度金属の製造方法。
前記るつぼは、前記溶融金属との接触部の少なくとも一部に前記凹凸形状を有しており、
前記るつぼの内表面の表面積は、凹凸形状を有しない場合の表面積の1.05倍を超える請求項１または請求項２に記載の高純度金属の製造方法。
前記るつぼは、前記溶融金属との接触部の少なくとも一部に前記凹凸形状を有しており、
前記るつぼの内表面の表面積は、凹凸形状を有しない場合の表面積の２倍以下である請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の高純度金属の製造方法。
前記凹凸形状部分における凹凸高さは、前記るつぼの肉厚の15 %以下である請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の高純度金属の製造方法。
前記凹凸形状は溝及び／または稜によって形成されている請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の高純度金属の製造方法。
前記溝は鉛直方向の溝である請求項６に記載の高純度金属の製造方法。
前記凹凸形状はディンプルによって形成されている請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の高純度金属の製造方法。
前記ディンプルは、半球、球冠、角柱、角錐、角錐台の１種または２種以上の形状である請求項８に記載の高純度金属の製造方法。
前記金属はアルミニウムである請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の高純度金属の製造方法
精製すべき金属を溶融させた溶融金属を収容するるつぼと、
前記るつぼに収容された溶融金属中に浸漬される冷却体と、
前記冷却体の表面に高純度金属を晶出させるために、前記冷却体または前記るつぼの少なくとも一方を回転させる回転駆動装置と、
を備えた高純度金属の製造装置において、
前記るつぼは内表面に凹凸形状を有していることを特徴とする高純度金属の製造装置。
前記回転駆動装置によって少なくとも一方が回転される前記冷却体と溶融金属の相対回転周速が1000〜10000 mm/sの範囲である請求項１１に記載の高純度金属の製造装置。
前記るつぼは、前記溶融金属との接触部の少なくとも一部に前記凹凸形状を有しており、
前記るつぼの内表面の表面積は、凹凸形状を有しない場合の表面積の1.05倍を超える請求項１１または請求項１２に記載の高純度金属の製造装置。
前記るつぼは、前記溶融金属との接触部の少なくとも一部に前記凹凸形状を有しており、
前記るつぼの内表面の表面積は、凹凸形状が存在しない場合の表面積の２倍以下である請求項１１ないし請求項１３のいずれか一項に記載の高純度金属の製造装置。
前記凹凸形状部分における凹凸高さは、前記るつぼの肉厚の15 %以下である請求項１１ないし請求項１４のいずれか一項に記載の高純度金属の製造装置。
前記凹凸形状は溝及び／または稜によって形成されている請求項１１ないし請求項１５のいずれか一項に記載の高純度金属の製造装置。
前記溝は鉛直方向の溝である請求項１６に記載の高純度金属の製造装置。
前記凹凸形状はディンプルによって形成されている請求項１１ないし請求項１５のいずれか一項に記載の高純度金属の製造装置。
前記ディンプルは、半球、球冠、角柱、角錐、角錐台の１種または２種以上の形状である請求項１８に記載の高純度金属の製造装置。
前記金属はアルミニウムである請求項１１ないし請求項１９のいずれか一項に記載の高純度金属の製造装置。