JP2021155762A - Method for recovering valuable metal, and magnesia refractory material - Google Patents

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Abstract

To provide a method for inexpensively recovering valuable metal by using a long-life refractory material, and a long-life refractory material that is used when recovering valuable metal.SOLUTION: A method for recovering valuable metal including the following processes: a process of preparing a charging material including at least valuable metal and lithium (Li); and a process of applying oxidation treatment and reducing/melting treatment to the charging material to obtain a reduced object including molten alloy and slag, in which an object to be treated is heated in a heating furnace when performing the reducing/melting treatment, and the heating furnace has a magnesia refractory material containing a boron component.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は有価金属を回収する方法及びマグネシア耐火物に関する。 The present invention relates to a method for recovering valuable metals and a magnesia refractory.

近年、軽量で大出力の電池としてリチウムイオン電池(以下、「LiB」と称する場合がある)が普及している。よく知られるリチウムイオン電池は、外装缶内に負極材と正極材とセパレータと電解液とを封入した構造を有している。ここで外装缶は、鉄(Fe)やアルミニウム(Al)等の金属からなる。負極材は、負極集電体(銅箔等)に固着した負極活物質(黒鉛等)からなる。正極材は、正極集電体(アルミニウム箔等)に固着した正極活物質(ニッケル酸リチウム、コバルト酸リチウム等)からなる。セパレータはポリプロピレンの多孔質樹脂フィルム等からなる。電解液は六フッ化リン酸リチウム(LiPF)等の電解質を含む。 In recent years, a lithium ion battery (hereinafter, may be referred to as "LiB") has become widespread as a lightweight and high output battery. A well-known lithium-ion battery has a structure in which a negative electrode material, a positive electrode material, a separator, and an electrolytic solution are sealed in an outer can. Here, the outer can is made of a metal such as iron (Fe) or aluminum (Al). The negative electrode material is made of a negative electrode active material (graphite or the like) fixed to a negative electrode current collector (copper foil or the like). The positive electrode material is made of a positive electrode active material (lithium nickel oxide, lithium cobalt oxide, etc.) fixed to a positive electrode current collector (aluminum foil, etc.). The separator is made of a polypropylene porous resin film or the like. The electrolytic solution contains an electrolyte such as lithium hexafluorophosphate (LiPF 6).

リチウムイオン電池の主要な用途の一つに、ハイブリッド自動車や電気自動車がある。そのため自動車のライフサイクルにあわせて、搭載されるリチウムイオン電池が将来的に大量に廃棄される見込みである。また製造中に不良品として廃棄されるリチウムイオン電池がある。このような使用済み電池や製造中に生じた不良品の電池(以下、「廃リチウムイオン電池」又は「廃電池」)を資源として再利用することが求められている。 One of the main applications of lithium-ion batteries is hybrid vehicles and electric vehicles. Therefore, it is expected that a large amount of lithium-ion batteries to be installed will be discarded in the future according to the life cycle of the automobile. There are also lithium-ion batteries that are discarded as defective products during manufacturing. It is required to reuse such used batteries and defective batteries generated during manufacturing (hereinafter, "waste lithium ion batteries" or "waste batteries") as resources.

再利用の手段として、廃リチウムイオン電池を高温炉で全量熔解する乾式製錬プロセスが提案されている。乾式製錬プロセスは、破砕した廃リチウムイオン電池を熔融処理し、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)及び銅(Cu)に代表される回収対象である有価金属と、鉄(Fe)やアルミニウム(Al)に代表される付加価値の低い金属とを、それらの間の酸素親和力の差を利用して分離回収する手法である。この手法では、付加価値の低い金属はこれを極力酸化してスラグとする一方で、有価金属はその酸化を極力抑制して合金として回収する。 As a means of reuse, a pyrometallurgical process has been proposed in which the entire amount of waste lithium-ion batteries is melted in a high-temperature furnace. In the pyrometallurgy process, crushed waste lithium-ion batteries are melted, and valuable metals to be recovered, such as cobalt (Co), nickel (Ni) and copper (Cu), and iron (Fe) and aluminum (Fe) and aluminum ( This is a method for separating and recovering low-value-added metals such as Al) by utilizing the difference in oxygen affinity between them. In this method, low-value-added metals are oxidized as much as possible to form slag, while valuable metals are recovered as alloys by suppressing the oxidation as much as possible.

乾式製錬プロセスによる有価金属の回収では、耐食性の高いマグネシア坩堝などの耐火物を用いて溶融処理が行われている。例えば、特許文献1には廃リチウムイオン電池から有価金属を回収する方法に関して、還元熔融工程において、得られた酸化焙焼物に黒鉛粉(還元剤)を添加して混合し、マグネシア製坩堝に酸化物系フラックスと共に装入して、抵抗加熱により加熱して還元溶融処理を行い、有価金属を合金化した旨が記載されている(特許文献1の[0057])。 In the recovery of valuable metals by the pyrometallurgical process, a refractory material such as a magnesia crucible with high corrosion resistance is used for melting treatment. For example, Patent Document 1 describes a method for recovering a valuable metal from a waste lithium ion battery by adding graphite powder (reducing agent) to the obtained oxidized roasted product in a reduction melting step, mixing the mixture, and oxidizing the crucible made of magnesia. It is described that a valuable metal is alloyed by charging with a physical flux and heating by resistance heating to perform a reduction melting treatment (Patent Document 1 [0057]).

また廃リチウムイオン電池からの有価金属回収を目的とするものではないが、炭素質成分とマグネシア等のセラミックスの積層構造からなる坩堝が提案されている。例えば、特許文献2には、マグネシア等を主に含む耐火物からなる内側層と、カーボン等の導電性材料からなる外側層と、を備える誘導加熱炉用坩堝が開示されている(特許文献2の請求項1、2及び[0021])。また特許文献3には、先端から、熔融金属をガス圧力により噴出させるカーボン坩堝であって、セラミックにより被膜されて成ることを特徴とするカーボン坩堝が開示されている(特許文献3の請求項1)。さらに特許文献4には、グラファイト等の不反応性材料からなる内坩堝と、マグネシア等の絶縁性及び断熱性材料からなる外坩堝とから形成したことを特徴とする高活性金属のアーク溶解用坩堝が開示されている。 Further, although the purpose is not to recover valuable metals from waste lithium ion batteries, a crucible having a laminated structure of a carbonaceous component and ceramics such as magnesia has been proposed. For example, Patent Document 2 discloses a crucible for an induction heating furnace including an inner layer made of a refractory material mainly containing magnesia and the like and an outer layer made of a conductive material such as carbon (Patent Document 2). 1, 2 and [0021]). Further, Patent Document 3 discloses a carbon crucible in which a molten metal is ejected from a tip by gas pressure and is characterized by being coated with ceramic (claim 1 of Patent Document 3). ). Further, Patent Document 4 describes a crucible for arc melting of a highly active metal, which is characterized by being formed from an inner crucible made of a non-reactive material such as graphite and an outer crucible made of an insulating and heat insulating material such as magnesia. Is disclosed.

国際公開第2019/135321号公報International Publication No. 2019/135321 特開2015−55462号公報JP-A-2015-55462 特開平3−13254号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 3-1354 特開昭64−67590号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 64-67590

このように乾式製錬プロセスで廃リチウムイオン電池から有価金属を回収する際には、耐食性の高いマグネシア坩堝などの坩堝を用いて溶融処理が行われている。また有価金属回収を目的とするものではないが、炭素質成分とマグネシア等のセラミックスの積層構造からなる坩堝が提案されている。 In this way, when recovering valuable metals from waste lithium-ion batteries in the pyrometallurgical process, melting treatment is performed using a crucible such as a magnesia crucible with high corrosion resistance. Further, although it is not intended to recover valuable metals, a crucible having a laminated structure of a carbonaceous component and ceramics such as magnesia has been proposed.

しかしながら本発明者らが調べたところ、乾式製錬プロセスで有価金属を回収する際に、特許文献1に開示されるようなマグネシア坩堝を用いて熔融処理を行うと、坩堝の寿命が短い問題のあることが分かった。そのため熔解(熔融)工程を繰り返すと、坩堝から熔解炉内に熔体(熔融物)が漏洩することがあった。より具体的には、廃リチウムイオン電池から得た合金熔体を坩堝内に保持して熔融処理を行うと、スラグとメタルに分離して、リチウム(Li)がスラグに分配される。リチウム含有スラグ熔体は腐食性が非常に高く、スラグ液面のわずかな幅を中心に、1バッチの処理であっても坩堝が破損する直前にまで腐食されてしまう。また試験条件のわずかなブレにより、試験途中で坩堝が破損し、熔体が熔解炉内に漏洩する場合もある。そのため熔融工程のバッチ毎に新たな坩堝に取り換える必要があり、操業効率面でも資材コスト面でも大きな不具合が生じていた。 However, as a result of investigation by the present inventors, when recovering valuable metals in a pyrometallurgical process, if a melting process is performed using a magnesia crucible as disclosed in Patent Document 1, there is a problem that the life of the crucible is short. It turned out that there was. Therefore, when the melting (melting) process is repeated, the melt (melt) may leak from the crucible into the melting furnace. More specifically, when the alloy melt obtained from the waste lithium ion battery is held in the crucible and melted, it is separated into slag and metal, and lithium (Li) is distributed to the slag. The lithium-containing slag melt is extremely corrosive, and even a single batch of treatment will corrode the crucible just before it breaks, centering on the slight width of the slag liquid level. In addition, the crucible may be damaged during the test due to slight fluctuations in the test conditions, and the melt may leak into the melting furnace. Therefore, it is necessary to replace each batch of the melting process with a new crucible, which causes major problems in terms of operation efficiency and material cost.

また特許文献2〜4で提案される炭素質成分とセラミックスの積層構造からなる坩堝は、乾式製錬プロセスで有価金属を回収する際に用いられるものではない。実際、特許文献2の坩堝は、鋳鉄、鋳鋼、特殊鋼、銅合金などの高融点金属や、アルミニウム、亜鉛などの低融点金属の熔解を目的としたものであり、リチウム含有スラグ熔体に対する腐食性改善に着目したものではない(特許文献2の[0016])。したがってこれらの坩堝が有価金属回収に用いることができるか否かは不明である。 Further, the crucible having a laminated structure of a carbonaceous component and ceramics proposed in Patent Documents 2 to 4 is not used when recovering a valuable metal in a pyrometallurgical process. In fact, the crucible of Patent Document 2 is intended for melting high melting point metals such as cast iron, cast steel, special steel, and copper alloys, and low melting point metals such as aluminum and zinc, and is corrosive to lithium-containing slag melts. It does not focus on improving sex (Patent Document 2 [0016]). Therefore, it is unclear whether these crucibles can be used for valuable metal recovery.

本発明者らは、このような実情に鑑みて鋭意検討を行い、様々な耐食性材料で構成される耐火物を用いて試験を行った。その結果、ホウ素成分を含有するマグネシア耐火物は、リチウム(Li)を含有するスラグ熔体に対する耐食性に優れており、この耐火物を用いることで、有価金属を安価に回収することができるとの知見を得た。 The present inventors have conducted diligent studies in view of such circumstances, and conducted tests using refractories composed of various corrosion-resistant materials. As a result, the magnesia refractory containing a boron component has excellent corrosion resistance to a slag melt containing lithium (Li), and by using this refractory, valuable metals can be recovered at low cost. I got the knowledge.

本発明は、このような知見に基づき完成されたものであり、寿命の長い耐火物を用いることで有価金属を安価に回収することができる方法、及び有価金属回収時に使用される寿命の長い耐火物の提供を課題とする。 The present invention has been completed based on such knowledge, and is a method capable of recovering valuable metals at low cost by using a refractory having a long life, and a refractory having a long life used at the time of recovering valuable metals. The issue is the provision of goods.

本発明は、下記(1)〜(7)の態様を包含する。なお本明細書において「〜」なる表現は、その両端の数値を含む。すなわち「X〜Y」は「X以上Y以下」と同義である。 The present invention includes the following aspects (1) to (7). In the present specification, the expression "-" includes the numerical values at both ends thereof. That is, "X to Y" is synonymous with "X or more and Y or less".

(1)有価金属を回収する方法であって、以下の工程;
少なくとも有価金属及びリチウム(Li)を含む装入物を準備する工程と、
前記装入物に酸化処理及び還元熔融処理を施して、熔融合金とスラグとを含む還元物を得る工程と、を含み、
前記還元溶融処理の際に被処理物を加熱炉中で加熱処理し、前記加熱炉がホウ素成分を含有するマグネシア耐火物を含む、方法。
(1) A method for recovering valuable metals, which is the following step;
The process of preparing a charge containing at least valuable metal and lithium (Li), and
Including a step of subjecting the charged material to an oxidation treatment and a reduction melting treatment to obtain a reduced product containing a fusion metal and slag.
A method in which an object to be treated is heat-treated in a heating furnace during the reduction melting treatment, and the heating furnace contains a magnesia refractory containing a boron component.

(2)前記マグネシア耐火物が、炉壁材、炉床材及び/又は坩堝である、上記(1)の方法。 (2) The method of (1) above, wherein the magnesia refractory is a furnace wall material, a hearth material and / or a crucible.

(3)前記マグネシア耐火物が炭素質成分をさらに含有する、上記(1)又は(2)の方法。 (3) The method according to (1) or (2) above, wherein the magnesia refractory further contains a carbonaceous component.

(4)前記マグネシア耐火物が、炭素質成分及びホウ素成分を合計で9.0〜15.0質量%の量で含む、上記(3)の方法。 (4) The method according to (3) above, wherein the magnesia refractory contains a carbonaceous component and a boron component in a total amount of 9.0 to 15.0% by mass.

(5)前記マグネシア耐火物が、炭素質成分及びホウ素成分を、ホウ素成分/(炭素質成分+ホウ素成分)の比が0.5〜0.9となるように含む、上記(3)又は(4)の方法。 (5) The magnesia refractory contains a carbonaceous component and a boron component so that the ratio of the boron component / (carbonaceous component + boron component) is 0.5 to 0.9. Method of 4).

(6)前記装入物が廃リチウムイオン電池を含む、上記(1)〜(5)のいずれかの方法。 (6) The method according to any one of (1) to (5) above, wherein the charge includes a waste lithium ion battery.

(7)有価金属の回収方法に使用されるマグネシア耐火物であって、
前記マグネシア耐火物が、少なくとも有価金属及びリチウム(Li)を含む装入物に還元熔融処理を施す際に用いられる加熱炉に含まれ、
前記マグネシア耐火物がホウ素成分を含有する、マグネシア耐火物。
(7) A magnesia refractory used in the method of recovering valuable metals.
The magnesia refractory is contained in a heating furnace used for reducing and melting a charge containing at least valuable metal and lithium (Li).
A magnesia refractory in which the magnesia refractory contains a boron component.

本発明によれば、寿命の長い耐火物を用いることで有価金属を安価に回収することができる方法、及び有価金属回収時に使用される寿命の長い耐火物が提供される。 According to the present invention, there is provided a method capable of recovering a valuable metal at low cost by using a refractory having a long life, and a refractory having a long life used at the time of recovering the valuable metal.

有価金属の回収方法の一例を示す。An example of a method for recovering valuable metals is shown.

本発明の具体的な実施形態(以下、「本実施形態」という)について説明する。なお本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において種々の変更が可能である。 A specific embodiment of the present invention (hereinafter, referred to as “the present embodiment”) will be described. The present invention is not limited to the following embodiments, and various modifications can be made without changing the gist of the present invention.

1.有価金属の回収方法
本実施形態の有価金属を回収する方法は、以下の工程;少なくとも有価金属及びリチウム(Li)を含む装入物を準備する工程(準備工程)と、この装入物に酸化処理及び還元熔融処理を施して、熔融合金とスラグとを含む還元物を得る工程(酸化還元熔融工程)と、を含む。また還元溶融処理の際に被処理物を加熱炉中で加熱処理し、この加熱炉がホウ素成分を含有するマグネシア耐火物を含む。
1. 1. Method of recovering valuable metal The method of recovering the valuable metal of the present embodiment is as follows: a step of preparing a charge containing at least valuable metal and lithium (Li) (preparation step), and an oxidation of the charge. The process includes a step of obtaining a reduced product containing a fusion metal and slag (oxidation-reduction melting step) by performing a treatment and a reduction melting treatment. Further, during the reduction melting treatment, the object to be treated is heat-treated in a heating furnace, and this heating furnace contains a magnesia refractory containing a boron component.

本実施形態の方法は、少なくとも有価金属及びリチウム(Li)を含む装入物から有価金属を回収する方法である。ここで有価金属は回収対象となるものであり、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)及びこれらの組み合わせからなる群から選ばれる少なくとも一種の金属又は合金である。また本実施形態は主として乾式製錬プロセスによる回収方法である。しかしながら、乾式製錬プロセスと湿式製錬プロセスとから構成されていてもよい。各工程の詳細について以下に説明する。 The method of the present embodiment is a method of recovering valuable metal from a charge containing at least valuable metal and lithium (Li). Here, the valuable metal is to be recovered, and is at least one kind of metal or alloy selected from the group consisting of copper (Cu), nickel (Ni), cobalt (Co) and combinations thereof. Further, the present embodiment is mainly a recovery method by a pyrometallurgical process. However, it may consist of a pyrometallurgical process and a hydrometallurgical process. Details of each step will be described below.

<準備工程>
準備工程では、装入物を準備して熔融原料を得る。装入物は、有価金属を回収する処理対象となるものであり、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)及びこれらの組み合わせからなる群から選ばれる少なくとも一種の有価金属とリチウム(Li)とを含有する。装入物はこれらの成分(Cu、Ni、Co、Li)を金属の形態で含んでもよく、あるいは酸化物等の化合物の形態で含んでもよい。また装入物はこれらの成分(Cu、Ni、Co、Li)以外の他の無機成分や有機成分を含んでもよい。
<Preparation process>
In the preparatory step, a charge is prepared to obtain a molten raw material. The charged material is to be processed for recovering valuable metals, and is at least one kind of valuable metal selected from the group consisting of copper (Cu), nickel (Ni), cobalt (Co) and a combination thereof, and lithium ( Li) and. The charge may contain these components (Cu, Ni, Co, Li) in the form of a metal or a compound such as an oxide. Further, the charged material may contain other inorganic components and organic components other than these components (Cu, Ni, Co, Li).

装入物は、その対象が特に限定されず、廃リチウムイオン電池、誘電材料(コンデンサ)、磁性材料が例示される。また後続する酸化還元熔融工程での処理に適したものであれば、その形態は限定されない。準備工程で装入物に粉砕処理等の処理を施して、適した形態にしてもよい。さらに準備工程で装入物に熱処理や分別処理等の処理を施して、水分や有機物等の不要成分を除去してもよい。 The target of the charged material is not particularly limited, and examples thereof include waste lithium ion batteries, dielectric materials (capacitors), and magnetic materials. Further, the form is not limited as long as it is suitable for the treatment in the subsequent redox melting step. In the preparatory step, the charged material may be subjected to a treatment such as crushing to obtain a suitable form. Further, in the preparatory step, the charged material may be subjected to a treatment such as a heat treatment or a sorting treatment to remove unnecessary components such as water and organic substances.

<酸化還元熔融工程>
酸化還元熔融工程では、準備した装入物に酸化処理及び還元熔融処理を施して還元物を得る。この還元物は熔融合金(メタル)とスラグとを分離して含む。熔融合金は有価金属を含有する。そのため有価金属を含む成分(熔融合金)とその他の成分とを、還元物中で分離することが可能である。これは付加価値の低い金属(Al等)は酸素親和力が高いのに対し、有価金属は酸素親和力が低いからである。例えばアルミニウム(Al)、リチウム(Li)、炭素(C)、マンガン(Mn)、リン(P)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)及び銅(Cu)は、一般的にAl>Li>C>Mn>P>Fe>Co>Ni>Cuの順に酸化されていく。つまりアルミニウム(Al)が最も酸化され易く、銅(Cu)が最も酸化されにくい。そのため付加価値の低い金属(Al等)は容易に酸化されてスラグになり、有価金属(Cu、Ni、Co)は還元されて熔融金属(合金)になる。このようにして付加価値の低い金属と有価金属とを、スラグと熔融合金とに分離することができる。
<Redox melting process>
In the redox melting step, the prepared charge is subjected to an oxidation treatment and a reduction melting treatment to obtain a reduced product. This reduced product contains the fused metal and the slag separately. The fused gold contains a valuable metal. Therefore, it is possible to separate the component containing a valuable metal (fused gold) and other components in the reduced product. This is because metals with low added value (Al, etc.) have high oxygen affinity, whereas valuable metals have low oxygen affinity. For example, aluminum (Al), lithium (Li), carbon (C), manganese (Mn), phosphorus (P), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni) and copper (Cu) are generally used. It is oxidized in the order of Al>Li>C>Mn>P>Fe>Co>Ni> Cu. That is, aluminum (Al) is most easily oxidized, and copper (Cu) is least easily oxidized. Therefore, low-value-added metals (Al, etc.) are easily oxidized to slag, and valuable metals (Cu, Ni, Co) are reduced to molten metals (alloys). In this way, the metal having low added value and the valuable metal can be separated into the slag and the fused metal.

酸化還元熔融工程の際、酸化処理と還元熔融処理は、同時に行ってもよく、あるいは別々に行ってもよい。同時に行う方法として、還元熔融処理で得られた熔融物に酸化剤を吹き込む手法が挙げられる。具体的には、熔融物に金属製チューブ(ランス)を挿入して、バブリングによって酸化剤を吹き込めばよい。この場合、空気、純酸素、酸素富化気体等の酸素を含む気体を酸化剤に用いることができる。しかしながら酸化還元熔融工程が酸化焙焼工程と還元熔融工程とを別々に含むことが好ましい。そのような手法として、酸化処理の際に、準備した熔融原料を酸化焙焼して酸化焙焼物とし、還元熔融処理の際に、得られた酸化焙焼物を還元熔融して還元物とする手法が挙げられる。酸化焙焼工程と還元熔融工程の詳細を以下に説明する。 In the redox melting step, the oxidation treatment and the reduction melting treatment may be performed at the same time or separately. As a method to be performed at the same time, there is a method of injecting an oxidizing agent into the melt obtained by the reduction melting treatment. Specifically, a metal tube (lance) may be inserted into the melt, and an oxidizing agent may be blown by bubbling. In this case, a gas containing oxygen such as air, pure oxygen, and an oxygen-enriched gas can be used as the oxidizing agent. However, it is preferable that the redox melting step includes the oxidation roasting step and the reduction melting step separately. As such a method, a method in which the prepared molten material is oxidatively roasted to obtain an oxidative roasted product during the oxidation treatment, and the obtained oxidative roasted product is reduced and melted to be a reduced product during the reduction melting treatment. Can be mentioned. The details of the oxidative roasting step and the reduction melting step will be described below.

<酸化焙焼工程>
酸化焙焼工程は、装入物を酸化焙焼(酸化処理)して酸化焙焼物とする工程である。酸化焙焼工程を設けることで、装入物が炭素を含む場合であってもこの炭素を酸化除去し、その結果、後続する還元熔融工程での有価金属の合金一体化を促進させることができる。すなわち還元熔融工程で有価金属は還元されて局所的な熔融微粒子になる。炭素は熔融微粒子(有価金属)が凝集する際に物理的な障害となる。そのため酸化焙焼工程を設けないと、熔融微粒子の凝集一体化及びそれによるメタル(熔融合金)とスラグの分離性を炭素が妨げ、有価金属回収率が低下してしまう場合がある。これに対して、予め酸化焙焼工程で炭素を除去しておくことで、還元熔融工程での熔融微粒子(有価金属)の凝集一体化が進行し、有価金属の回収率をより一層に高めることが可能になる。
<Oxidation roasting process>
The oxidative roasting step is a step of oxidatively roasting (oxidizing treatment) the charged material to obtain an oxidative roasted product. By providing the oxidative roasting step, even if the charged material contains carbon, the carbon can be oxidized and removed, and as a result, the alloy integration of the valuable metal in the subsequent reduction melting step can be promoted. .. That is, in the reduction melting step, the valuable metal is reduced to local molten fine particles. Carbon becomes a physical obstacle when molten fine particles (valuable metals) agglomerate. Therefore, if the oxidative roasting step is not provided, carbon hinders the agglutination and integration of the molten fine particles and the resulting separability of the metal (fused metal) and the slag, which may reduce the valuable metal recovery rate. On the other hand, by removing carbon in the oxidative roasting process in advance, the coagulation and integration of the molten fine particles (valuable metal) in the reduction melting process progresses, and the recovery rate of the valuable metal is further increased. Becomes possible.

その上、酸化焙焼工程を設けることで、酸化のばらつきを抑えることが可能となる。酸化焙焼工程では、熔融原料(装入物等)に含まれる付加価値の低い金属(Al等)を酸化することが可能な酸化度で処理(酸化焙焼)を行うのが望ましい。一方で、酸化焙焼の処理温度、時間及び/又は雰囲気を調整することで、酸化度は容易に制御される。そのため酸化焙焼工程によって酸化度をより厳密に調整することができ、酸化ばらつきを抑制することが可能になる。 Moreover, by providing the oxidation roasting step, it is possible to suppress the variation in oxidation. In the oxidative roasting step, it is desirable to perform treatment (oxidative roasting) at an oxidation degree capable of oxidizing a metal (Al or the like) having a low added value contained in a molten material (charged material or the like). On the other hand, the degree of oxidation can be easily controlled by adjusting the processing temperature, time and / or atmosphere of oxidative roasting. Therefore, the degree of oxidation can be adjusted more strictly by the oxidation roasting step, and the variation in oxidation can be suppressed.

酸化度の調整は次のようにして行う。先述したように、アルミニウム(Al)、リチウム(Li)、炭素(C)、マンガン(Mn)、リン(P)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)及び銅(Cu)は、一般的にAl>Li>C>Mn>P>Fe>Co>Ni>Cuの順に酸化されていく。酸化焙焼工程では、アルミニウム(Al)の全量が酸化されるまで酸化を進行させる。鉄(Fe)の一部が酸化されるまで酸化を促進させてもよいが、コバルト(Co)が酸化されてスラグとして回収されることがない程度に酸化度を留める。 The degree of oxidation is adjusted as follows. As mentioned above, aluminum (Al), lithium (Li), carbon (C), manganese (Mn), phosphorus (P), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni) and copper (Cu) are Generally, it is oxidized in the order of Al> Li> C> Mn> P> Fe> Co> Ni> Cu. In the oxidative roasting step, the oxidation proceeds until the entire amount of aluminum (Al) is oxidized. Oxidation may be promoted until a part of iron (Fe) is oxidized, but the degree of oxidation is maintained to such an extent that cobalt (Co) is not oxidized and recovered as slag.

酸化焙焼工程で酸化度を調整するにあたり、適量の酸化剤を導入することが好ましい。特に装入物が廃リチウムイオン電池を含む場合には、酸化剤の導入が好ましい。リチウムイオン電池は、外装材としてアルミニウムや鉄等の金属を含んでいる。また正極材や負極材としてアルミニウム箔や炭素材を含んでいる。さらに集合電池の場合には外部パッケージとしてプラスチックが用いられている。これらはいずれも還元剤として作用する材料である。酸化剤を導入することで、酸化焙焼工程での酸化度を適切な範囲内に調整できる。 In adjusting the degree of oxidation in the oxidation roasting step, it is preferable to introduce an appropriate amount of an oxidizing agent. In particular, when the charged material contains a waste lithium ion battery, it is preferable to introduce an oxidizing agent. Lithium-ion batteries contain metals such as aluminum and iron as exterior materials. It also contains aluminum foil and carbon material as the positive electrode material and the negative electrode material. Furthermore, in the case of collective batteries, plastic is used as an external package. All of these are materials that act as reducing agents. By introducing an oxidizing agent, the degree of oxidation in the oxidative roasting process can be adjusted within an appropriate range.

酸化剤は、炭素や付加価値の低い金属(Al等)を酸化できるものである限り、特に限定されない。しかしながら、取り扱いが容易な、空気、純酸素、酸素富化気体等の酸素を含む気体が好ましい。酸化剤の導入量は、酸化処理の対象となる各物質の酸化に必要な量(化学当量)の1.2倍程度(例えば1.15〜1.25倍)が目安になる。 The oxidizing agent is not particularly limited as long as it can oxidize carbon or a metal having low added value (Al or the like). However, oxygen-containing gases such as air, pure oxygen, and oxygen-enriched gas, which are easy to handle, are preferable. As a guide, the amount of the oxidizing agent introduced is about 1.2 times (for example, 1.15 to 1.25 times) the amount (chemical equivalent) required for oxidation of each substance to be oxidized.

酸化焙焼(酸化処理)の加熱温度は、700℃以上1100℃以下が好ましく、800℃以上1000℃以下がより好ましい。700℃以上で、炭素の酸化効率をより一層に高めることができ、酸化時間を短縮することができる。また、1100℃以下で、熱エネルギーコストを抑制することができ、酸化焙焼の効率を高めることができる。 The heating temperature for oxidative roasting (oxidation treatment) is preferably 700 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower, and more preferably 800 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower. At 700 ° C. or higher, the carbon oxidation efficiency can be further increased and the oxidation time can be shortened. Further, at 1100 ° C. or lower, the heat energy cost can be suppressed and the efficiency of oxidative roasting can be improved.

酸化焙焼(酸化処理)は、公知の焙焼炉を用いて行うことができる。また後続する還元熔融工程で使用する熔融炉とは異なる炉(予備炉)を用い、その予備炉内で行うことが好ましい。焙焼炉として、装入物を焙焼しながら酸化剤(酸素等)を供給してその内部で酸化処理を行うことが可能な炉である限り、あらゆる形式の炉を用いることができる。一例して、従来公知のロータリーキルン、トンネルキルン(ハースファーネス)が挙げられる。 Oxidation roasting (oxidation treatment) can be performed using a known roasting furnace. Further, it is preferable to use a furnace (preliminary furnace) different from the melting furnace used in the subsequent reduction melting step and perform the process in the preliminary furnace. As the roasting furnace, any type of furnace can be used as long as it is a furnace capable of supplying an oxidizing agent (oxygen or the like) while roasting the charged material and performing an oxidation treatment inside the furnace. As an example, a conventionally known rotary kiln and tunnel kiln (Haas furnace) can be mentioned.

<還元熔融工程>
還元熔融工程は、得られた酸化焙焼物を加熱して還元熔融し、還元物とする工程である。この工程の目的は、酸化焙焼工程で酸化した付加価値の低い金属(Al等)を酸化物のままに維持する一方で、酸化した有価金属(Cu、Ni、Co)を還元及び熔融し一体化した合金として回収することである。なお還元処理後に得られる材料を「還元物」といい、熔融物として得られる合金を「熔融合金」という。
<Reduction melting process>
The reduction melting step is a step of heating the obtained oxidized roasted product to reduce and melt it to obtain a reduced product. The purpose of this step is to maintain the low value-added metals (Al, etc.) oxidized in the oxidation roasting step as oxides, while reducing and melting the oxidized valuable metals (Cu, Ni, Co). It is to recover as a converted alloy. The material obtained after the reduction treatment is called a "reduced product", and the alloy obtained as a melt is called a "fused gold".

還元熔融処理の際に、加熱炉中で被処理物(酸化焙焼物)を加熱処理する。加熱炉は、公知の熔融炉であってよい。酸化焙焼工程で使用する焙焼炉と異なる炉が好ましいが、同じ炉であってもよい。加熱炉(溶融炉)として、還元溶融処理を行うことが可能な炉である限り、あらゆる形式の炉を用いることができる。一例して、従来公知の誘導加熱式電気炉、アーク加熱式電気炉、ジュール加熱式電気炉が挙げられる。 During the reduction melting treatment, the object to be treated (oxidized roasted product) is heat-treated in a heating furnace. The heating furnace may be a known melting furnace. A furnace different from the roasting furnace used in the oxidative roasting step is preferable, but the same furnace may be used. As the heating furnace (melting furnace), any type of furnace can be used as long as it is a furnace capable of performing reduction melting treatment. Examples thereof include conventionally known induction heating electric furnaces, arc heating electric furnaces, and Joule heating electric furnaces.

還元熔融処理の際に使用される加熱炉はマグネシア耐火物を含み、このマグネシア耐火物は炭素質成分を含有する。先述したように、従来のマグネシア坩堝を用いて熔融処理を行うと、1バッチの処理であっても坩堝が腐食される。また坩堝が破損して熔体(熔融物)が熔解炉内に漏洩する場合があり、熔融工程のバッチ毎に新たな坩堝に取り換える必要がある。これに対して、ホウ素成分を含有するマグネシア坩堝はリチウム含有スラグ熔体に対する耐食性に優れている。したがって溶解炉内に熔体が漏洩する問題の発生を抑制することができ、寿命が長い。例えば、従来の坩堝はバッチ1回ごとに取り換える必要があるのに対し、ホウ素成分を含有する坩堝は最大で80回まで寿命を延ばすことができる。 The heating furnace used in the reduction melting treatment contains a magnesia refractory, and this magnesia refractory contains a carbonaceous component. As described above, when the melting treatment is performed using the conventional magnesia crucible, the crucible is corroded even in one batch of treatment. In addition, the crucible may be damaged and the melt (melt) may leak into the melting furnace, and it is necessary to replace the crucible with a new crucible for each batch of the melting process. On the other hand, the magnesia crucible containing a boron component has excellent corrosion resistance to a lithium-containing slag melt. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of the problem that the melt leaks into the melting furnace, and the life is long. For example, a conventional crucible needs to be replaced for each batch, whereas a crucible containing a boron component can extend its life up to 80 times.

本実施形態のマグネシア耐火物はホウ素成分を含有する。具体的には、マグネシア粒と、このマグネシア粒を被覆するように粒界に分散しているホウ素成分とから構成される。マグネシア粒は、マグネシア(MgO)から構成される結晶粒である。その平均粒子径(D50)は、特に限定されるものではないが、例えば70〜130μmである。また耐火物は、耐食性が維持される限り、マグネシア及びホウ素成分以外の添加成分や不純物を含んでもよい。例えば、後述するようにマグネシア耐火物が炭素質成分を含んでもよい。しかしながらマグネシア、ホウ素成分及び炭素質成分以外の成分の割合は少ないほど好ましく、例えば10質量%以下であってよく、5質量%以下であってよく、1質量%以下であってもよい。マグネシア耐火物が、マグネシア耐火物と、ホウ素成分と、存在する場合には炭素質成分とを含み、残部が不可避不純物から構成されていてもよい。 The magnesia refractory of the present embodiment contains a boron component. Specifically, it is composed of magnesia grains and a boron component dispersed at the grain boundaries so as to cover the magnesia grains. Magnesia grains are crystal grains composed of magnesia (MgO). The average particle size (D 50 ) is not particularly limited, but is, for example, 70 to 130 μm. Further, the refractory may contain additives and impurities other than the magnesia and boron components as long as the corrosion resistance is maintained. For example, the magnesia refractory may contain a carbonaceous component as described below. However, the smaller the proportion of the components other than the magnesia, the boron component and the carbonaceous component, the more preferable, for example, it may be 10% by mass or less, 5% by mass or less, or 1% by mass or less. The magnesia refractory may contain a magnesia refractory, a boron component and, if present, a carbonaceous component, the balance of which may be composed of unavoidable impurities.

ホウ素成分は、主としてホウ素(B)から構成され、典型的にはホウ素(B)又は酸化ホウ素(B)である。ホウ素成分は結晶質及び非晶質のいずれであってもよい。またホウ素以外の他の成分を含んでもよい。例えばホウ素以外に、結晶粒から拡散したマグネシウム(Mg)や酸素(O)を含んでもよい。ホウ素成分量は、例えば1.0〜15.0質量%であってよく、9.0〜15.0質量%であってよい。なおホウ素成分量は、ホウ素(B)換算での値である。すなわちホウ素成分が酸化ホウ素である場合には、酸化ホウ素に含まれるホウ素単独の含有量である。 The boron component is mainly composed of boron (B) and is typically boron (B) or boron oxide (B 2 O 3 ). The boron component may be crystalline or amorphous. It may also contain components other than boron. For example, in addition to boron, magnesium (Mg) and oxygen (O) diffused from crystal grains may be contained. The amount of the boron component may be, for example, 1.0 to 15.0% by mass, and may be 9.0 to 15.0% by mass. The amount of the boron component is a value in terms of boron (B). That is, when the boron component is boron oxide, it is the content of boron alone contained in boron oxide.

マグネシア耐火物は、好ましくはマグネシアとホウ素成分を含む焼結体からなる。このような焼結体は、例えば、マグネシア粉末とホウ素粉末又は酸化ホウ素粉末とを混合、成形し、不活性雰囲気などの雰囲気中で焼結して作製することができる。また緻密な焼結体を得るために、焼結助剤などの添加剤を加えてもよい。 The magnesia refractory preferably consists of a sintered body containing magnesia and a boron component. Such a sintered body can be produced, for example, by mixing and molding magnesia powder and boron powder or boron oxide powder, and sintering in an atmosphere such as an inert atmosphere. Further, in order to obtain a dense sintered body, an additive such as a sintering aid may be added.

マグネシア耐火物は、炉壁材、炉床材及び/又は坩堝であることが好ましく、坩堝であることが特に好ましい。ここで炉壁材や炉床材は、加熱炉の内壁や床に用いられる部材であり、典型的にはレンガ(築炉用耐火レンガ)である。また坩堝は、加熱炉内に配置された状態で使用され、その内部に被処理物を収容する部材である。上述したように、ホウ素成分を含有するマグネシア坩堝はリチウム含有スラグ熔体に対する耐食性に優れている。したがって本実施形態のマグネシア耐火物を坩堝に適用すると、熔解炉(加熱炉)内に熔体が漏洩する問題の発生を抑制することができる。また本実施形態のマグネシア耐火物を炉壁材や炉床材に適用すると、たとえ熔解炉内にリチウム含有スラグ熔体が漏洩したとしても、熔体漏洩のさらなる進行を抑制することが可能である。またこの炉壁材や炉床材は、リチウム含有スラグのみならず、リチウム蒸気に対する耐食性に優れている。そのため有価金属回収を繰り返しても、リチウム蒸気による損傷が少ない。 The magnesia refractory is preferably a furnace wall material, a hearth material and / or a crucible, and particularly preferably a crucible. Here, the furnace wall material and the hearth material are members used for the inner wall and the floor of the heating furnace, and are typically bricks (fireproof bricks for furnace construction). The crucible is a member that is used in a state of being arranged in a heating furnace and that houses an object to be processed inside the crucible. As described above, the magnesium crucible containing a boron component has excellent corrosion resistance to a lithium-containing slag melt. Therefore, when the magnesia refractory of the present embodiment is applied to the crucible, it is possible to suppress the occurrence of the problem that the melt leaks into the melting furnace (heating furnace). Further, when the magnesia refractory of the present embodiment is applied to the furnace wall material and the hearth material, even if the lithium-containing slag melt leaks into the melting furnace, it is possible to suppress the further progress of the melt leakage. .. Further, the furnace wall material and the hearth material are excellent in corrosion resistance not only to lithium-containing slag but also to lithium vapor. Therefore, even if the valuable metal recovery is repeated, there is little damage due to lithium vapor.

マグネシア坩堝は、炭素質成分をさらに含有することが好ましい。ホウ素成分とともに炭素質成分を含有するマグネシア耐火物はリチウム含有スラグ熔体に対する耐食性に特に優れている。そのため溶解炉内に熔体が漏洩する問題の発生をより顕著に抑制することができ、寿命がさらに長い。ホウ素成分に加えて炭素質成分を含むマグネシア坩堝は、マグネシア粒と、このマグネシア粒を被覆するように粒界に分散しているホウ素成分及び炭素質成分とから構成される。炭素質成分量は、例えば1.0〜15.0質量%であってよい。 The magnesia crucible preferably further contains a carbonaceous component. A magnesia refractory containing a carbonaceous component as well as a boron component is particularly excellent in corrosion resistance to a lithium-containing slag melt. Therefore, the occurrence of the problem that the melt leaks into the melting furnace can be suppressed more remarkably, and the life is further extended. A magnesia crucible containing a carbonaceous component in addition to a boron component is composed of magnesia grains and a boron component and a carbonaceous component dispersed at grain boundaries so as to cover the magnesia grains. The amount of carbonaceous component may be, for example, 1.0 to 15.0% by mass.

炭素質成分は、主として炭素(C)から構成され、典型的には炭素(C)である。炭素質成分を構成する炭素は結晶質及び非晶質のいずれであってもよい。炭素として、例えば黒鉛(グラファイト)、無定形炭素、フラーレン、カーボンナノチューブを挙げることができる。また無定形炭素として、ファーネスブラック、チャネルブラック、アセチレンブラック、サーマルブラックなどのカーボンブラックを挙げることができる。また炭素微粒の平均粒子径は、特に限定されるものではないが、例えば2〜8μmである。 The carbonaceous component is mainly composed of carbon (C) and is typically carbon (C). The carbon constituting the carbonaceous component may be either crystalline or amorphous. Examples of carbon include graphite, amorphous carbon, fullerenes, and carbon nanotubes. Further, as the amorphous carbon, carbon black such as furnace black, channel black, acetylene black, and thermal black can be mentioned. The average particle size of the carbon fine particles is not particularly limited, but is, for example, 2 to 8 μm.

マグネシア耐火物は、炭素質成分及びホウ素成分を合計で9.0〜15.0質量%の量で含むことが好ましい。マグネシアをベースとする耐火物において、炭素質成分とホウ素成分の合計含有量を徐々に増加させると損耗量が減少する。例えば耐火物が坩堝である場合には、炭素質成分とホウ素成分の合計量が9.0質量%以上で、マグネシア単独の坩堝に比べて寿命が6倍以上に延び、また13.0質量%以上で寿命が12倍以上に延びる。しかしながら合計量が19.0質量%で損耗量が底を打ち(最も低くなり)、それ以上に含有量を増やしても、効果の増加が見られない。したがって炭素質成分及びホウ素成分の合計量が上述の範囲内で耐食性がより向上して、耐火物の寿命をさらに延ばすことが可能になる。 The magnesia refractory preferably contains a carbonaceous component and a boron component in a total amount of 9.0 to 15.0% by mass. In a refractory based on magnesia, the amount of wear decreases as the total content of the carbonaceous component and the boron component is gradually increased. For example, when the refractory is a crucible, the total amount of carbonaceous component and boron component is 9.0% by mass or more, and the life is 6 times or more longer than that of a crucible with magnesia alone, and 13.0% by mass. With the above, the life is extended by 12 times or more. However, when the total amount is 19.0% by mass, the amount of wear bottoms out (the lowest), and even if the content is increased further, the effect does not increase. Therefore, when the total amount of the carbonaceous component and the boron component is within the above range, the corrosion resistance is further improved, and the life of the refractory can be further extended.

前記マグネシア耐火物は、炭素質成分及びホウ素成分を、ホウ素成分/(炭素質成分+ホウ素成分)の比が0.5〜0.9となるように含むことが好ましい。炭素質成分とホウ素成分の合計含有量が同じであれば、ホウ素成分の割合が上述の範囲で、損耗量がさらに低下する。 The magnesia refractory preferably contains a carbonaceous component and a boron component so that the ratio of the boron component / (carbonaceous component + boron component) is 0.5 to 0.9. If the total content of the carbonaceous component and the boron component is the same, the amount of wear is further reduced when the proportion of the boron component is in the above range.

還元熔融処理の際に還元剤を導入するのが好ましい。還元剤として炭素及び/又は一酸化炭素を用いることが好ましい。炭素は、回収対象である有価金属(Cu、Ni、Co)を容易に還元する能力がある。例えば1モルの炭素で2モルの有価金属酸化物(銅酸化物、ニッケル酸化物等)を還元することができる。また炭素や一酸化炭素を用いる還元手法は、金属還元剤を用いる手法(例えば、アルミニウムを用いたテルミット反応法)に比べて安全性が極めて高い。炭素として人工黒鉛及び/又は天然黒鉛を使用することができ、また不純物コンタミネーションの恐れが無ければ、石炭やコークスを使用することができる。 It is preferable to introduce a reducing agent during the reduction melting treatment. It is preferable to use carbon and / or carbon monoxide as the reducing agent. Carbon has the ability to easily reduce valuable metals (Cu, Ni, Co) to be recovered. For example, 1 mol of carbon can reduce 2 mol of valuable metal oxides (copper oxide, nickel oxide, etc.). Further, the reduction method using carbon or carbon monoxide is extremely safer than the method using a metal reducing agent (for example, the thermite reaction method using aluminum). Artificial graphite and / or natural graphite can be used as carbon, and coal or coke can be used if there is no risk of impurity contamination.

還元熔融処理の加熱温度は、特に限定されるものではない。しかしながら加熱温度は1300℃以上1450℃以下が好ましく、1350℃以上1400℃以下がより好ましい。1450℃超の温度では、熱エネルギーが無駄に消費されるとともに、生産性が低下する恐れがある。一方で、1300℃未満の温度では、スラグと熔融合金の分離性が悪化し回収率が低下する問題がある。還元熔融処理は公知の手法で行えばよい。例えば酸化焙焼物を坩堝に装入し、抵抗加熱等により加熱する手法が挙げられる。また、還元熔融処理の際に粉塵や排ガス等の有害物質が発生することがあるが、公知の排ガス処理等の処理を施すことで、有害物質を無害化することができる。 The heating temperature of the reduction melting treatment is not particularly limited. However, the heating temperature is preferably 1300 ° C. or higher and 1450 ° C. or lower, and more preferably 1350 ° C. or higher and 1400 ° C. or lower. At temperatures above 1450 ° C, heat energy is wasted and productivity may decline. On the other hand, if the temperature is less than 1300 ° C., there is a problem that the separability of the slag and the fused metal deteriorates and the recovery rate decreases. The reduction melting treatment may be carried out by a known method. For example, a method of charging an oxidized roasted product into a crucible and heating it by resistance heating or the like can be mentioned. In addition, harmful substances such as dust and exhaust gas may be generated during the reduction melting treatment, but the harmful substances can be detoxified by performing a treatment such as a known exhaust gas treatment.

酸化焙焼工程を設けた場合には、還元熔融工程で酸化処理を行う必要はない。しかしながら、酸化焙焼工程での酸化が不足している場合や、酸化度のさらなる調整を目的とする場合には、還元熔融工程で追加の酸化処理を行ってもよい。追加の酸化処理を行うことで、より厳密な酸化度の調整が可能になる。 When the oxidation roasting step is provided, it is not necessary to perform the oxidation treatment in the reduction melting step. However, if the oxidation in the oxidation roasting step is insufficient, or if the purpose is to further adjust the degree of oxidation, an additional oxidation treatment may be performed in the reduction melting step. By performing an additional oxidation treatment, it is possible to adjust the degree of oxidation more precisely.

<スラグ分離工程>
必要に応じてスラグ分離工程を設けてもよい。スラグ分離工程では、酸化還元熔融工程で得られた還元物からスラグを分離して、熔融合金を回収する。スラグと熔融合金は比重が異なる。熔融合金に比べて比重が小さいスラグは熔融合金の上部に集まるので、比重分離により分離回収することができる。
<Slag separation process>
A slag separation step may be provided if necessary. In the slag separation step, the slag is separated from the reduced product obtained in the redox melting step, and the fused gold is recovered. Slag and fused gold have different specific densities. Since the slag, which has a smaller specific gravity than the fused metal, collects on the upper part of the fused metal, it can be separated and recovered by the specific gravity separation.

スラグ分離工程後に、得られた合金を硫化する硫化工程や、得られた硫化物と合金の混在物を粉砕する粉砕工程を設けてもよい。さらに、このような乾式製錬プロセスを経て得られた有価金属合金に対して湿式製錬プロセスを行ってもよい。湿式製錬プロセスにより不純物成分を除去し、さらに有価金属(Cu、Ni、Co)を分離精製して、それぞれを回収することができる。湿式製錬プロセスにおける処理としては、中和処理や溶媒抽出処理等の公知の手法が挙げられる。 After the slag separation step, a sulfurization step of sulfurizing the obtained alloy or a pulverization step of pulverizing a mixture of the obtained sulfide and the alloy may be provided. Further, a hydrometallurgical process may be performed on the valuable metal alloy obtained through such a pyrometallurgical process. Impurity components can be removed by a hydrometallurgy process, and valuable metals (Cu, Ni, Co) can be separated and purified to recover each of them. Examples of the treatment in the hydrometallurgy process include known methods such as neutralization treatment and solvent extraction treatment.

本実施形態の有価金属の回収方法によれば、リチウム含有スラグ熔体に対する耐食性に優れ、寿命の長いホウ素成分含有マグネシア耐火物を用いることで、操業効率面及び資材コスト面での不具合を解消し、有価金属を安価に回収することが可能になる。 According to the method for recovering valuable metals of the present embodiment, problems in operation efficiency and material cost are solved by using a boron-containing magnesia refractory having excellent corrosion resistance to the lithium-containing slag melt and having a long life. , It becomes possible to recover valuable metals at low cost.

このような回収方法は、本発明者らの知る限り、従来は知られていない。例えば、特許文献1では、廃リチウムイオン電池から有価金属を回収する方法に関して、マグネシア製坩堝を用いて還元熔融処理を行っているが、当該坩堝がホウ素成分を含有することを教示する具体的記載は無く、ましてや、それにより耐食性及び寿命が改善されることについては教示も示唆もない。また特許文献2〜4で提案される坩堝は、炭素質成分とセラミックスの積層構造から構成されており、本実施形態の坩堝とは構造が異なる。また特許文献2〜4の坩堝は、乾式製錬プロセスで有価金属を回収する際に用いられるものではなく、ましてやリチウム含有スラグ熔体に対する腐食性改善を目的としたものではない。 As far as the present inventors know, such a recovery method has not been known conventionally. For example, in Patent Document 1, regarding a method of recovering a valuable metal from a waste lithium ion battery, a reduction melting treatment is performed using a crucible manufactured by Magnesia, and a specific description teaching that the crucible contains a boron component is described. There is no teaching or suggestion that it will improve corrosion resistance and longevity. Further, the crucible proposed in Patent Documents 2 to 4 is composed of a laminated structure of a carbonaceous component and ceramics, and has a structure different from that of the crucible of the present embodiment. Further, the crucibles of Patent Documents 2 to 4 are not used when recovering valuable metals in a pyrometallurgical process, much less for the purpose of improving the corrosiveness of a lithium-containing slag melt.

2.廃リチウムイオン電池からの回収
本実施形態の装入物は有価金属及びリチウム(Li)を含有する限り、限定されない。しかしながら装入物は廃リチウムイオン電池を含むことが好ましい。廃リチウムイオン電池は、有価金属(Cu、Ni、Co)及びリチウム(Li)を含むとともに、付加価値の低い金属(Al、Fe)や炭素成分を含んでいる。そのため、廃リチウムイオン電池を装入物として用いることで、有価金属を効率的に分離回収することができる。なお廃リチウムイオン電池とは、使用済みのリチウムイオン電池のみならず、電池を構成する正極材等の製造工程で生じた不良品、製造工程内部の残留物、発生屑等のリチウムイオン電池の製造工程内における廃材を含む概念である。そのため、廃リチウムイオン電池をリチウムイオン電池廃材と言うこともできる。
2. Recovery from Waste Lithium Ion Battery The charge of this embodiment is not limited as long as it contains a valuable metal and lithium (Li). However, the charge preferably contains a waste lithium ion battery. The waste lithium ion battery contains valuable metals (Cu, Ni, Co) and lithium (Li), and also contains low value-added metals (Al, Fe) and carbon components. Therefore, by using the waste lithium ion battery as a charge, the valuable metal can be efficiently separated and recovered. The waste lithium-ion battery is not only a used lithium-ion battery, but also a lithium-ion battery such as defective products generated in the manufacturing process of the positive electrode material constituting the battery, residues inside the manufacturing process, and generated waste. It is a concept that includes waste materials in the process. Therefore, the waste lithium ion battery can also be called a lithium ion battery waste material.

廃リチウムイオン電池から有価金属を回収する方法を、図1を用いて説明する。図1は回収方法の一例を示す工程図である。図1に示されるように、この方法は、廃リチウムイオン電池の電解液及び外装缶を除去する廃電池前処理工程(S1)と、廃電池の内容物を粉砕して粉砕物とする第1粉砕工程(S2)と、粉砕物を酸化焙焼する酸化焙焼工程(S3)と、酸化焙焼物を還元及び熔融して合金化する還元熔融工程(S4)とを有する。また図示されていないが、還元熔融工程(S4)の後に、得られた合金を硫化する硫化工程や、得られた硫化物と合金との混在物を粉砕する第2粉砕工程を設けてもよい。各工程の詳細を以下に説明する。 A method of recovering valuable metals from a waste lithium ion battery will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a process diagram showing an example of a recovery method. As shown in FIG. 1, this method includes a waste battery pretreatment step (S1) for removing the electrolytic solution and the outer can of the waste lithium ion battery, and a first method of crushing the contents of the waste battery into a crushed product. It has a crushing step (S2), an oxidative roasting step (S3) in which the crushed product is oxidatively roasted, and a reduction melting step (S4) in which the oxidative roasted product is reduced and melted to form an alloy. Further, although not shown, a sulfurization step of sulfurizing the obtained alloy and a second grinding step of grinding the mixture of the obtained sulfide and the alloy may be provided after the reduction melting step (S4). .. Details of each step will be described below.

<廃電池前処理工程>
廃電池前処理工程(S1)は、廃リチウムイオン電池の爆発防止及び無害化並びに外装缶の除去を目的に行われる。リチウムイオン電池は密閉系であるため、内部に電解液などを有している。そのためそのままの状態で粉砕処理を行うと、爆発の恐れがあり危険である。何らかの手法で放電処理や電解液除去処理を施すことが好ましい。また外装缶は金属であるアルミニウム(Al)や鉄(Fe)から構成されることが多く、こうした金属製の外装缶はそのまま回収することが比較的に容易である。廃電池前処理工程(S1)で電解液及び外装缶を除去することで、安全性を高めるとともに、有価金属(Cu、Ni、Co)の回収率を高めることができる。
<Waste battery pretreatment process>
The waste battery pretreatment step (S1) is performed for the purpose of preventing the waste lithium ion battery from exploding, detoxifying it, and removing the outer can. Since the lithium ion battery is a closed system, it has an electrolytic solution and the like inside. Therefore, if the crushing process is performed as it is, there is a risk of explosion, which is dangerous. It is preferable to perform a discharge treatment or an electrolytic solution removal treatment by some method. Further, the outer can is often composed of metal aluminum (Al) or iron (Fe), and it is relatively easy to recover the metal outer can as it is. By removing the electrolytic solution and the outer can in the waste battery pretreatment step (S1), it is possible to improve the safety and the recovery rate of valuable metals (Cu, Ni, Co).

廃電池前処理の具体的な方法は特に限定されるものではない。例えば針状の刃先で廃電池を物理的に開孔し、電解液を除去する手法が挙げられる。また廃電池を加熱して、電解液を燃焼して無害化する手法が挙げられる。 The specific method of waste battery pretreatment is not particularly limited. For example, a method of physically opening a waste battery with a needle-shaped cutting edge to remove an electrolytic solution can be mentioned. Another method is to heat the waste battery and burn the electrolytic solution to make it harmless.

廃電池前処理工程(S1)で、外装缶に含まれるアルミニウム(Al)や鉄(Fe)を回収する場合には、除去した外装缶を粉砕した後に、粉砕物を篩振とう機を用いて篩分けしてもよい。アルミニウム(Al)は軽度の粉砕で容易に粉状になるため、これを効率的に回収することができる。また磁力選別によって、外装缶に含まれる鉄(Fe)を回収してもよい。 When recovering aluminum (Al) and iron (Fe) contained in the outer can in the waste battery pretreatment step (S1), the removed outer can is crushed and then the crushed material is sieved using a sieve. It may be sieved. Since aluminum (Al) is easily powdered by light pulverization, it can be efficiently recovered. Further, iron (Fe) contained in the outer can may be recovered by magnetic force sorting.

<第1粉砕工程>
第1粉砕工程(S2)では廃リチウムイオン電池の内容物を粉砕して粉砕物を得る。この工程は乾式製錬プロセスでの反応効率を高めることを目的にしている。反応効率を高めることで、有価金属(Cu、Ni、Co)の回収率を高めることができる。具体的な粉砕方法は特に限定されるものではない。カッターミキサー等の従来公知の粉砕機を用いて粉砕することができる。なお廃電池前処理工程と第1粉砕工程は、これらを併せて先述する準備工程に相当する。
<First crushing process>
In the first pulverization step (S2), the contents of the waste lithium ion battery are pulverized to obtain a pulverized product. This process aims to increase the reaction efficiency in the pyrometallurgical process. By increasing the reaction efficiency, the recovery rate of valuable metals (Cu, Ni, Co) can be increased. The specific pulverization method is not particularly limited. It can be crushed using a conventionally known crusher such as a cutter mixer. The waste battery pretreatment step and the first crushing step together correspond to the preparatory steps described above.

<酸化焙焼工程>
酸化焙焼工程(S3)では、第1粉砕工程(S2)で得られた粉砕物を酸化焙焼して酸化焙焼物を得る。この工程の詳細は先述したとおりである。
<Oxidation roasting process>
In the oxidative roasting step (S3), the pulverized product obtained in the first pulverization step (S2) is oxidatively roasted to obtain an oxidative roasted product. The details of this process are as described above.

<還元熔融工程>
還元熔融工程(S4)では、酸化焙焼工程(S3)で得られた酸化焙焼物を還元して還元物を得る。この工程の詳細は先述したとおりである。
<Reduction melting process>
In the reduction melting step (S4), the oxidative roasted product obtained in the oxidative roasting step (S3) is reduced to obtain a reduced product. The details of this process are as described above.

<スラグ分離工程>
スラグ分離工程では、還元熔融工程(S4)で得られた還元物からスラグを分離して、熔融合金を回収する。この工程の詳細は先述したとおりである。
<Slag separation process>
In the slag separation step, the slag is separated from the reduced product obtained in the reduction melting step (S4), and the molten metal is recovered. The details of this process are as described above.

スラグ分離工程後に硫化工程や粉砕工程を設けてもよい。さらに得られた有価金属合金に対して湿式製錬プロセスをおこなってもよい。硫化工程、粉砕工程及び湿式製錬プロセスの詳細は先述したとおりである。 A sulfurization step or a pulverization step may be provided after the slag separation step. Further, a wet smelting process may be performed on the obtained valuable metal alloy. The details of the sulfurization step, the pulverization step and the hydrometallurgy process are as described above.

3.マグネシア耐火物
本実施形態のマグネシア耐火物は、有価金属の回収方法に使用される。このマグネシア耐火物は、少なくとも有価金属及びリチウム(Li)を含む装入物に還元熔融処理を施す際に用いられる加熱炉に含まれる。またこのマグネシア耐火物はホウ素成分を含有する。有価金属の回収方法及びマグネシア耐火物の詳細は上述したとおりである。
3. 3. Magnesia refractory The magnesia refractory of this embodiment is used as a method for recovering valuable metals. This magnesia refractory is contained in a heating furnace used when reducing and melting a charge containing at least valuable metal and lithium (Li). In addition, this magnesia refractory contains a boron component. The details of the method for recovering valuable metals and the magnesia refractory are as described above.

本発明を、以下の実施例及び比較例を用いて更に詳細に説明する。しかしながら本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail with reference to the following examples and comparative examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

(1)マグネシア坩堝の作成
実施例1
実施例1では、炭素を8.0質量%の量で含み、ホウ素を1.0質量%の量で含むマグネシア坩堝を作製した。具体的には、上記組成の坩堝が得られるようにマグネシア粉末と炭素粉末(黒鉛微粉末)と酸化ホウ素粉末を充分に混合し、粉末混合物をラバープレス法で成形した。得られた成形体を1800℃以上の高温で焼成して、焼結体からなるマグネシア坩堝を作製した。得られた坩堝は、厚み40mm、高さ230mmの上面開放中空円筒形状を有していた。
(1) Creation of Magnesia Crucible Example 1
In Example 1, a magnesia crucible containing carbon in an amount of 8.0% by mass and boron in an amount of 1.0% by mass was prepared. Specifically, magnesia powder, carbon powder (graphite fine powder) and boron oxide powder were sufficiently mixed so that a crucible having the above composition could be obtained, and the powder mixture was formed by a rubber press method. The obtained molded product was fired at a high temperature of 1800 ° C. or higher to prepare a magnesia crucible made of a sintered body. The obtained crucible had a hollow cylindrical shape with an open top surface having a thickness of 40 mm and a height of 230 mm.

実施例2
実施例2では炭素量を4.5質量%及びホウ素量を4.5質量%に変えた。それ以外は実施例1と同様にして坩堝を作製した。
Example 2
In Example 2, the amount of carbon was changed to 4.5% by mass and the amount of boron was changed to 4.5% by mass. A crucible was prepared in the same manner as in Example 1 except for the above.

実施例3
実施例3では炭素量を1.0質量%及びホウ素量を8.0質量%に変えた。それ以外は実施例1と同様にして坩堝を作製した。
Example 3
In Example 3, the amount of carbon was changed to 1.0% by mass and the amount of boron was changed to 8.0% by mass. A crucible was prepared in the same manner as in Example 1 except for the above.

実施例4
実施例4では炭素を加えず(炭素量0質量%)、ホウ素量を9.0質量%に変えた。それ以外は実施例1と同様にして坩堝を作製した。
Example 4
In Example 4, carbon was not added (carbon content was 0% by mass), and the amount of boron was changed to 9.0% by mass. A crucible was prepared in the same manner as in Example 1 except for the above.

実施例5
実施例5では炭素量を11.5質量%及びホウ素量を1.5質量%に変えた。それ以外は実施例1と同様にして坩堝を作製した。
Example 5
In Example 5, the amount of carbon was changed to 11.5% by mass and the amount of boron was changed to 1.5% by mass. A crucible was prepared in the same manner as in Example 1 except for the above.

実施例6
実施例6では炭素量を7.0質量%及びホウ素量を6.0質量%に変えた。それ以外は実施例1と同様にして坩堝を作製した。
Example 6
In Example 6, the amount of carbon was changed to 7.0% by mass and the amount of boron was changed to 6.0% by mass. A crucible was prepared in the same manner as in Example 1 except for the above.

実施例7
実施例7では炭素量を1.0質量%及びホウ素量を12.0質量%に変えた。それ以外は実施例1と同様にして坩堝を作製した。
Example 7
In Example 7, the amount of carbon was changed to 1.0% by mass and the amount of boron was changed to 12.0% by mass. A crucible was prepared in the same manner as in Example 1 except for the above.

実施例8
実施例8では炭素を加えず(炭素量0質量%)、ホウ素量を13.0質量%に変えた。それ以外は実施例1と同様にして坩堝を作製した。
Example 8
In Example 8, carbon was not added (carbon content was 0% by mass), and the amount of boron was changed to 13.0% by mass. A crucible was prepared in the same manner as in Example 1 except for the above.

実施例9
実施例9では炭素量を13.0質量%及びホウ素量を2.0質量%に変えた。それ以外は実施例1と同様にして坩堝を作製した。
Example 9
In Example 9, the amount of carbon was changed to 13.0% by mass and the amount of boron was changed to 2.0% by mass. A crucible was prepared in the same manner as in Example 1 except for the above.

実施例10
実施例10では炭素量を7.5質量%及びホウ素量を7.5質量%に変えた。それ以外は実施例1と同様にして坩堝を作製した。
Example 10
In Example 10, the amount of carbon was changed to 7.5% by mass and the amount of boron was changed to 7.5% by mass. A crucible was prepared in the same manner as in Example 1 except for the above.

実施例11
実施例11は炭素量を2.0質量%及びホウ素量を13.0質量%に変えた。それ以外は実施例1と同様にして坩堝を作製した。
Example 11
In Example 11, the amount of carbon was changed to 2.0% by mass and the amount of boron was changed to 13.0% by mass. A crucible was prepared in the same manner as in Example 1 except for the above.

実施例12
実施例12では炭素を加えず(炭素量0質量%)、ホウ素量を15.0質量%に変えた。それ以外は実施例1と同様にして坩堝を作製した。
Example 12
In Example 12, carbon was not added (carbon content was 0% by mass), and the amount of boron was changed to 15.0% by mass. A crucible was prepared in the same manner as in Example 1 except for the above.

比較例1
比較例1では炭素量を9.0質量%に変えて、ホウ素を加えなかった(ホウ素量0質量%)。それ以外は実施例1と同様にして坩堝を作製した。
Comparative Example 1
In Comparative Example 1, the carbon content was changed to 9.0% by mass, and boron was not added (boron content 0% by mass). A crucible was prepared in the same manner as in Example 1 except for the above.

比較例2
比較例2では炭素量を13.0質量%に変えて、ホウ素を加えなかった(ホウ素量0質量%)。それ以外は実施例1と同様にして坩堝を作製した。
Comparative Example 2
In Comparative Example 2, the carbon content was changed to 13.0% by mass, and boron was not added (boron content 0% by mass). A crucible was prepared in the same manner as in Example 1 except for the above.

比較例3
比較例3では炭素量を15.0質量%に変えて、ホウ素を加えなかった(ホウ素量0質量%)。それ以外は実施例1と同様にして坩堝を作製した。
Comparative Example 3
In Comparative Example 3, the carbon content was changed to 15.0% by mass, and boron was not added (boron content 0% by mass). A crucible was prepared in the same manner as in Example 1 except for the above.

比較例4
比較例4では炭素及びホウ素のいずれも加えなかった(炭素量0質量%、ホウ素量0質量%)。それ以外は実施例1と同様にして坩堝を作製した。
(2)評価
Comparative Example 4
In Comparative Example 4, neither carbon nor boron was added (carbon content: 0% by mass, boron amount: 0% by mass). A crucible was prepared in the same manner as in Example 1 except for the above.
(2) Evaluation

実施例1〜6及び比較例1〜4で得られた坩堝につき、各種特性の評価を以下に示すとおりに行った。 The crucibles obtained in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 4 were evaluated for various characteristics as shown below.

<スラグレベル損耗量>
坩堝のスラグレベル(SL)損耗量を調べた。具体的には、下記に示す量のLiB原料及びスラグを各実施例及び比較例で作製した坩堝に装入し、窒素雰囲気中、下記に示す加熱炉及び加熱温度で8時間保持する試験を行った。
<Amount of slag level wear>
The amount of slag level (SL) wear on the crucible was examined. Specifically, a test was conducted in which the amounts of LiB raw material and slag shown below were charged into the crucible prepared in each Example and Comparative Example, and kept in a nitrogen atmosphere in the heating furnace and heating temperature shown below for 8 hours. rice field.

‐誘導加熱炉:直径205mm、深さ230mm
‐スラグレベル(SL):150mm
‐試験温度:1600℃
‐試験時間:8時間
‐LiB原料メタル:10kg
‐スラグ:800g
‐雰囲気:窒素
-Induction heating furnace: diameter 205 mm, depth 230 mm
-Slug level (SL): 150mm
-Test temperature: 1600 ° C
-Test time: 8 hours-LiB raw metal: 10 kg
-Slag: 800g
-Atmosphere: Nitrogen

<組織観察>
スラグレベル損耗量の評価を行った後の坩堝断面を、エネルギー分散型X線分光器を搭載した走査電子顕微鏡(SEM−EDX)で観察して微細組織を調べた。また付属のエネルギー分散型X線分光器(EDX)を用いて断面の元素分析を行った。観察時の倍率は100倍にした。
<Tissue observation>
After evaluating the amount of slag level wear, the crucible cross section was observed with a scanning electron microscope (SEM-EDX) equipped with an energy dispersive X-ray spectrometer to examine the microstructure. In addition, elemental analysis of the cross section was performed using the attached energy dispersive X-ray spectrometer (EDX). The magnification at the time of observation was 100 times.

(3)結果
<スラグレベル損耗量>
実施例1〜12及び比較例1〜4で得られた坩堝のスラグレベル(SL)損耗量を表1−1〜表1−4に示す。ホウ素成分を含まない比較例1〜4の坩堝は、スラグレベル(SL)損耗量が最小でも4.1mmと大きかった。特に炭素成分及びホウ素成分のいずれも含まない比較例4の坩堝は損耗量が40.0mm以上と非常に大きく、また試験中に破損した。これに対してホウ素成分を含む実施例1〜12の坩堝は損耗量が最大でも30mmと小さかった。特にホウ素成分とともに炭素質成分を含み、ホウ素成分/(炭素質成分+ホウ素成分)の比が0.5〜0.9である実施例2、3、6、7、10及び11の坩堝は、損耗量が1.0mm以下と非常に小さかった。
(3) Result <Slag level wear amount>
The amount of slag level (SL) wear of the crucibles obtained in Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 4 is shown in Tables 1-1 to 1-4. The crucibles of Comparative Examples 1 to 4 containing no boron component had a large slag level (SL) wear amount of 4.1 mm at the minimum. In particular, the crucible of Comparative Example 4 containing neither a carbon component nor a boron component had a very large wear amount of 40.0 mm or more, and was damaged during the test. On the other hand, the crucibles of Examples 1 to 12 containing a boron component had a small wear amount of 30 mm at the maximum. In particular, the crucibles of Examples 2, 3, 6, 7, 10 and 11 contain a carbonaceous component together with a boron component and have a boron component / (carbonous component + boron component) ratio of 0.5 to 0.9. The amount of wear was as small as 1.0 mm or less.

Figure 2021155762
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<組織観察>
実施例9につき、スラグレベル損耗量評価後の坩堝の断面SEM写真及び元素分析像より、比較的粗大なマグネシア(MgO)粒と、粒界に存在する微細なホウ素(B)と炭素(C)とが存在することが分かった。スラグが侵入する前にマグネシア粒の粒界にホウ素成分及び炭素質成分が拡散し、マグネシア粒が炭素とホウ素でコーティングされた状態になり、これにより構造破壊を起こすことなく寿命が延長したと考えられる。またそのため従来の坩堝に比べて寿命が最大で50倍程度に長くなったと本発明者らは推察している。

<Tissue observation>
In Example 9, from the cross-sectional SEM photograph of the crucible after the evaluation of the amount of slag level wear and the elemental analysis image, relatively coarse magnesia (MgO) grains and fine boron (B) and carbon (C) existing at the grain boundaries were found. And turned out to exist. It is thought that the boron component and carbonaceous component diffused to the grain boundaries of the magnesia grains before the slag invaded, and the magnesia grains were coated with carbon and boron, which extended the life without causing structural failure. Be done. Therefore, the present inventors presume that the life span is up to about 50 times longer than that of the conventional crucible.

Claims (7)

有価金属を回収する方法であって、以下の工程;
少なくとも有価金属及びリチウム(Li)を含む装入物を準備する工程と、
前記装入物に酸化処理及び還元熔融処理を施して、熔融合金とスラグとを含む還元物を得る工程と、を含み、
前記還元溶融処理の際に被処理物を加熱炉中で加熱処理し、前記加熱炉がホウ素成分を含有するマグネシア耐火物を含む、方法。
A method for recovering valuable metals, which is the following process;
The process of preparing a charge containing at least valuable metal and lithium (Li), and
Including a step of subjecting the charged material to an oxidation treatment and a reduction melting treatment to obtain a reduced product containing a fusion metal and slag.
A method in which an object to be treated is heat-treated in a heating furnace during the reduction melting treatment, and the heating furnace contains a magnesia refractory containing a boron component.
前記マグネシア耐火物が、炉壁材、炉床材及び/又は坩堝である、請求項1に記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the magnesia refractory is a furnace wall material, a hearth material and / or a crucible. 前記マグネシア耐火物が炭素質成分をさらに含有する、請求項1又は2に記載の方法。 The method according to claim 1 or 2, wherein the magnesia refractory further contains a carbonaceous component. 前記マグネシア耐火物が、炭素質成分及びホウ素成分を合計で9.0〜15.0質量%の量で含む、請求項3に記載の方法。 The method according to claim 3, wherein the magnesia refractory contains a carbonaceous component and a boron component in a total amount of 9.0 to 15.0% by mass. 前記マグネシア耐火物が、炭素質成分及びホウ素成分を、ホウ素成分/(炭素質成分+ホウ素成分)の比が0.5〜0.9となるように含む、請求項3又は4に記載の方法。 The method according to claim 3 or 4, wherein the magnesia refractory contains a carbonaceous component and a boron component so that the ratio of the boron component / (carbonic component + boron component) is 0.5 to 0.9. .. 前記装入物が廃リチウムイオン電池を含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the charge includes a waste lithium ion battery. 有価金属の回収方法に使用されるマグネシア耐火物であって、
前記マグネシア耐火物が、少なくとも有価金属及びリチウム(Li)を含む装入物に還元熔融処理を施す際に用いられる加熱炉に含まれ、
前記マグネシア耐火物がホウ素成分を含有する、マグネシア耐火物。


A magnesia refractory used in the method of recovering valuable metals.
The magnesia refractory is contained in a heating furnace used for reducing and melting a charge containing at least valuable metal and lithium (Li).
A magnesia refractory in which the magnesia refractory contains a boron component.


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