JP2023028122A - Manufacturing method of valuable metal - Google Patents

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Abstract

To provide a method capable of performing efficient treatment while suppressing damage to a furnace for performing melting treatment to raw materials, in a method of manufacturing a valuable metal from a raw material containing waste lithium ion secondary batteries.SOLUTION: The present invention relates to a method for manufacturing valuable metals from raw materials containing waste lithium ion batteries, including a reduction-melting process of charging the raw materials into a melting furnace, and applying reduction-melting treatment to the raw materials to obtain a reduction material including alloys containing valuable metals and a slag, and a slag separation process of separating the slag from the reduction material to recover the alloy. In the reduction-melting process, an electric furnace having an electrode inside is used as the melting furnace to apply the reduction-melting treatment. In the slag separation process, the alloy is discharged from a tap hole provided in the electric furnace, and the slag is discharged by tilting an electric furnace body through a gutter provided at a furnace body upper edge of the electric furnace.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、廃リチウムイオン電池を含む原料から有価金属を製造する方法に関する。 The present invention relates to a method for producing valuable metals from raw materials including waste lithium ion batteries.

近年、軽量で大出力の二次電池としてリチウムイオン電池が普及している。よく知られてい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。 In recent years, lithium-ion batteries have become popular as lightweight, high-output secondary batteries. 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 enclosed in an outer can.

例えば、外装缶は、アルミニウム(Al)や鉄(Fe)等の金属からなる。負極材は、負極集電体(銅箔等)に固着させた負極活物質(黒鉛等)からなる。正極材は、正極集電体(アルミニウム箔等)に固着させた正極活物質(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。 For example, the outer can is made of metal such as aluminum (Al) or iron (Fe). The negative electrode material is composed of a negative electrode active material (graphite, etc.) adhered to a negative electrode current collector (copper foil, etc.). The positive electrode material is composed of a positive electrode active material (lithium nickelate, lithium cobaltate, etc.) adhered to a positive electrode current collector (aluminum foil, etc.). The separator is made of a polypropylene porous resin film or the like. Electrolyte solutions include electrolytes 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、搭載された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となっている。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」と称する。)を資源として再利用することが求められている。 One of the major uses of lithium-ion batteries is hybrid and electric vehicles. Therefore, it is expected that a large amount of lithium-ion batteries installed in automobiles will be discarded in the future in accordance with the life cycle of automobiles. Also, there are lithium ion batteries that are discarded as defective during manufacturing. It is desired to reuse such used batteries and defective batteries produced during manufacturing (hereinafter referred to as "waste lithium ion batteries") as resources.

再利用の手法として、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については極力酸化してスラグとする一方で、有価金属についてはその酸化を極力抑制して合金として回収する。 As a recycling method, a pyrometallurgical refining process has been proposed in which the entire amount of waste lithium-ion batteries is melted in a high-temperature furnace. In the pyrometallurgical process, crushed waste lithium-ion batteries are melted, and valuable metals to be recovered, represented by cobalt (Co), nickel (Ni), and copper (Cu), iron (Fe) and aluminum This is a method of separating and recovering a low value-added metal represented by (Al) by utilizing the difference in oxygen affinity between them. In this method, metals with low added value are oxidized as much as possible to form slag, while the oxidation of valuable metals is suppressed as much as possible and recovered as alloys.

特許文献1には、このような乾式製錬プロセスを用いた技術が開示されている。具体的には、アルミニウム及び炭素を含むリチウムイオンバッテリーからコバルトを回収する方法であって、酸素を注入する手段を備えた浴炉を準備する工程と、スラグ形成剤としてのCaO及びリチウムイオンバッテリーを含む原料を準備する工程と、酸素を注入するとともに原料を炉へ供給し、これによって少なくとも一部のコバルトが還元され、そして金属相中に集められる工程と、湯出しによって金属相中からスラグを分離する工程を含む方法が開示されている(特許文献1の請求項1)。 Patent Document 1 discloses a technique using such a pyrometallurgical process. Specifically, a method for recovering cobalt from a lithium ion battery containing aluminum and carbon comprising the steps of providing a bath furnace equipped with means for injecting oxygen and adding CaO as a slag forming agent and the lithium ion battery. providing a feedstock containing oxygen and feeding the feedstock to a furnace whereby at least some of the cobalt is reduced and collected in the metal phase; and tapping to remove slag from the metal phase. A method including a separating step is disclosed (Claim 1 of Patent Document 1).

特許5818798号公報Japanese Patent No. 5818798

廃リチウムイオン電池には、様々な成分が含まれており、そのうち幾つかの成分は融点が高い。そのため、廃リチウムイオン電池を熔融するには、高温、例えば1500℃以上の温度で処理する必要がある。 Waste lithium-ion batteries contain various components, some of which have high melting points. Therefore, in order to melt a waste lithium ion battery, it is necessary to treat it at a high temperature, for example, a temperature of 1500° C. or higher.

また、有価金属を効率的に回収するにあたっては、熔融処理時の酸化還元度のコントロールが重要となる。例えば、廃リチウムイオン電池は、炭素(C)、アルミニウム(Al)、フッ素(F)、及びリン(P)等の不純物を多量に含む。このうち炭素(C)は、還元剤として作用するため、これが過剰に残留すると、他の不純物の酸化除去を妨げてしまう。また、過剰に残留した炭素は、合金(メタル)とスラグの分離を妨げる。さらに、リン(P)は、比較的還元されやすい元素である。このため、酸化還元度を厳密にコントロールしないと、有価金属の回収率が低下する。すなわち、還元度が過度に高いと、リンが酸化除去されずに有価金属と共にメタル中に混入してしまう。一方で、還元度が過度に低いと、有価金属まで酸化されてしまい、これを合金(メタル)として回収することができなくなる。 Also, in order to efficiently recover valuable metals, it is important to control the degree of redox during the melting process. For example, waste lithium-ion batteries contain large amounts of impurities such as carbon (C), aluminum (Al), fluorine (F), and phosphorus (P). Of these, carbon (C) acts as a reducing agent, so if it remains in excess, it will hinder the removal of other impurities by oxidation. Also, excessive residual carbon interferes with the separation of alloy (metal) and slag. Furthermore, phosphorus (P) is an element that is relatively easily reduced. Therefore, unless the degree of redox is strictly controlled, the recovery rate of valuable metals is lowered. That is, if the degree of reduction is excessively high, phosphorus will not be removed by oxidation and will be mixed into the metal together with the valuable metal. On the other hand, if the degree of reduction is excessively low, even valuable metals are oxidized and cannot be recovered as alloys (metals).

このような事情から、従来の廃リチウムイオン電池の熔融処理では、高温に維持でき且つ酸化還元度のコントロールが容易な誘導炉(誘導加熱炉)、特に間接加熱式の誘導炉が用いられてきた。誘導炉は、電磁誘導を利用した加熱炉であり、コイルとこのコイルの内部に設けられた坩堝とから構成されている。誘導炉では、コイルに交流電流を流すと交流磁場が生じ、この交流磁場によって坩堝又はその内部に収容された処理物中に誘導電流が生じる。そして、その誘導電流のジュール熱によって、坩堝又は処理物が加熱される。 Under these circumstances, conventional melting processes for waste lithium-ion batteries have used induction furnaces (induction heating furnaces), in particular, indirect heating induction furnaces, which can be maintained at high temperatures and can easily control the degree of oxidation-reduction. . An induction furnace is a heating furnace that utilizes electromagnetic induction, and is composed of a coil and a crucible provided inside the coil. In an induction furnace, passing an alternating current through a coil produces an alternating magnetic field that induces currents in the crucible or in the workpieces contained therein. The crucible or the workpiece is heated by the Joule heat of the induced current.

廃リチウムイオン電池を熔融処理する場合には、黒鉛坩堝の内部に酸化物系坩堝を設置した二重坩堝を用い、酸化物系坩堝の中に廃リチウムイオン電池を装入する。コイルに電流を流すと黒鉛坩堝が誘導加熱され、発生した熱が酸化物系坩堝を介して廃リチウムイオン電池へと伝わっていく。誘導炉では、誘導加熱を利用した外部加熱方式を利用しているため、坩堝内部に黒鉛電極を設ける必要がない。このことから、炭素の混入を極力抑えることができる。また、比較的密閉された雰囲気下で加熱を行うことができるため、雰囲気ガス成分や圧力を調整することで、酸化還元度をコントロールすることができる。 When a waste lithium ion battery is melted, a double crucible in which an oxide crucible is placed inside a graphite crucible is used, and the waste lithium ion battery is charged into the oxide crucible. When an electric current is applied to the coil, the graphite crucible is induction-heated, and the generated heat is transmitted to the waste lithium-ion battery via the oxide-based crucible. Since the induction furnace utilizes an external heating system using induction heating, it is not necessary to provide a graphite electrode inside the crucible. From this, it is possible to suppress the contamination of carbon as much as possible. In addition, since heating can be performed in a relatively closed atmosphere, the degree of redox can be controlled by adjusting the atmospheric gas components and pressure.

しかしながら、誘導炉を用いた熔融処理には問題があった。すなわち、廃リチウムイオン電池等の有価金属を含有する装入物を熔融するには、これを高温、例えば1500℃以上の温度に維持して処理する必要がある。ところが、誘導炉では、外熱方式を利用しているため、伝熱ロスが生じる。例えば、装入物を熔融温度(例えば1500℃以上)に維持するためには、装入物を収容する耐火物(酸化物系坩堝)の温度を、熔融温度以上、具体的には1600℃以上にまで上げ、その温度で保持しなければならない。このような高温では、耐火物へのスラグの浸食が激しくなり、耐火物の熔損を抑制することが困難となる。また、そのために耐火物(坩堝)の寿命も短くなっていた。 However, there are problems with the melting process using an induction furnace. That is, in order to melt a charged material containing valuable metals such as waste lithium-ion batteries, it is necessary to maintain the charged material at a high temperature, for example, 1500° C. or higher. However, since the induction furnace uses an external heating method, heat transfer loss occurs. For example, in order to maintain the charge at the melting temperature (for example, 1500° C. or higher), the temperature of the refractory (oxide crucible) containing the charge is set at the melting temperature or higher, specifically 1600° C. or higher. and maintained at that temperature. At such a high temperature, the slag erodes the refractory more intensely, making it difficult to suppress the melting damage of the refractory. In addition, the service life of the refractory (crucible) is also shortened.

このような問題点に対して、本発明者らが検討した結果、内部に電極を備えたサブマージドアーク炉(以下、単に「電気炉」ともよぶ)を熔融炉として用い、アーク自体の発熱及びジュール熱によって廃リチウムイオン電池等の原料を熔融することで、誘導炉を用いた場合に比べて耐火物の熔損を著しく抑制できることが分かった。また、電極として黒鉛電極を用いたとしても、電極からの流入量を考慮した上で酸化還元度をコントロールすることで、コバルト等の有価金属を高い回収率で得られると同時に、リンやマンガン等の不純物を効率的に除去できることを確認した。 As a result of investigations by the present inventors regarding such problems, a submerged arc furnace (hereinafter also simply referred to as an "electric furnace") provided with electrodes inside is used as a melting furnace, and the heat generated by the arc itself and It was found that by melting raw materials such as waste lithium-ion batteries with Joule heat, the melting damage of refractories can be significantly suppressed compared to the case of using an induction furnace. In addition, even if a graphite electrode is used as the electrode, by controlling the degree of oxidation-reduction in consideration of the amount of inflow from the electrode, valuable metals such as cobalt can be obtained at a high recovery rate, and at the same time phosphorus, manganese, etc. It was confirmed that the impurities of

ところが、電気炉を使用して廃リチウムイオン電池等の熔融処理を行うことで生成したスラグを、その電気炉内から一般的なスラグホールによるタッピングにより排出するとき、特にスラグ中にはリチウムが含まれるようになるために、スラグホールが傷みやすいという問題がある。スラグホールに損傷が生じると、スラグホール煉瓦の交換を行う必要があり費用を要するとともに、その交換のためには相応の作業時間を要して稼働率を著しく低下させるという問題がある。 However, when slag generated by melting waste lithium-ion batteries in an electric furnace is discharged from the electric furnace by tapping with a general slag hole, lithium is especially contained in the slag. There is a problem that the slag hole is easily damaged because the slag hole becomes damaged. If the slag hole is damaged, it is necessary to replace the slag hole bricks, which is costly and requires a considerable amount of work time for the replacement, resulting in a significant decrease in the operating rate.

本発明は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、廃リチウムイオン電池を含む原料から有価金属を製造する方法において、原料に対する熔融処理を行うための炉の損傷を抑制し、効率的な処理を行うことを可能にする方法を提供することを目的とする。 The present invention has been proposed in view of such circumstances. It is an object of the present invention to provide a method that enables the processing of

本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、原料を還元熔融するに際して内部に電極を備えた電気炉を用いて処理するとともに、その還元熔融処理により得られた合金(メタル)の排出を電気炉に設けられているタップホール(メタルホール)から行い、スラグの排出を炉体上縁部に設けられた樋から電気炉本体を傾転させて行うことで、上述した課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of extensive studies, the present inventors have found that when reducing and melting the raw material, an electric furnace equipped with an electrode inside is used, and the alloy (metal) obtained by the reduction melting process is discharged electrically. It was found that the above-mentioned problems can be solved by discharging the slag from the tap hole (metal hole) provided in the furnace and tilting the electric furnace main body from the gutter provided at the upper edge of the furnace body. , have completed the present invention.

(1)本発明の第1の発明は、廃リチウムイオン電池を含む原料から有価金属を製造するための方法であって、前記原料を熔融炉に装入し、該原料に対して還元熔融処理を施して有価金属を含有する合金とスラグとを含む還元物を得る還元熔融工程と、前記還元物からスラグを分離して合金を回収するスラグ分離工程と、を有し、前記還元熔融工程では、前記熔融炉として内部に電極を備えた電気炉を用いて還元熔融処理を施し、前記スラグ分離工程では、前記電気炉に設けられているタップホールから前記合金を排出し、前記電気炉の炉体上縁部に設けられた樋から、該電気炉本体を傾転することで前記スラグを排出する、有価金属の製造方法である。 (1) The first invention of the present invention is a method for producing valuable metals from raw materials including waste lithium ion batteries, wherein the raw materials are charged into a melting furnace and the raw materials are subjected to reduction melting treatment. and a slag separation step of separating the slag from the reduced product to recover the alloy, wherein the reducing melting step includes , reducing melting treatment is performed using an electric furnace having an electrode inside as the melting furnace, and in the slag separation step, the alloy is discharged from a tap hole provided in the electric furnace, and the furnace of the electric furnace This is a method for producing valuable metals, in which the slag is discharged by tilting the electric furnace body from a gutter provided on the upper edge of the body.

(2)本発明の第2の発明は、第1の発明において、前記電気炉は、サブマージドアーク炉である、有価金属の製造方法である。 (2) A second aspect of the present invention is the method for producing a valuable metal according to the first aspect, wherein the electric furnace is a submerged arc furnace.

(3)本発明の第3の発明は、第1又は第2の発明において、前記還元熔融工程では、スラグ温度が1500℃以上となるように処理する、有価金属の製造方法である。 (3) A third aspect of the present invention is the method for producing a valuable metal according to the first or second aspect, wherein the slag temperature is set to 1500° C. or higher in the reduction melting step.

(4)本発明の第4の発明は、第1乃至第3のいずれかの発明において、前記電気炉への前記原料の装入は、バッチ方式により行う、有価金属の製造方法である。 (4) A fourth invention of the present invention is the method for producing valuable metals according to any one of the first to third inventions, wherein the charging of the raw material into the electric furnace is performed by a batch system.

(5)本発明の第5の発明は、第1乃至第4のいずれかの発明において、前記電気炉は、その炉壁が炭素を含む耐火物により構成されている、有価金属の製造方法である。 (5) A fifth aspect of the present invention is the method for producing a valuable metal according to any one of the first to fourth aspects, wherein the furnace wall of the electric furnace is made of a refractory containing carbon. be.

本発明によれば、廃リチウムイオン電池を含む原料から有価金属を製造する方法において、原料に対する熔融処理を行うための炉の損傷を抑制し、効率的な処理を行うことを可能にする方法を提供することができる。 According to the present invention, in a method for producing valuable metals from raw materials including waste lithium-ion batteries, a method is provided in which damage to the furnace for melting the raw materials is suppressed and the processing can be performed efficiently. can provide.

サブマージドアーク炉の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of a submerged arc furnace. 廃リチウムイオン電池から有価金属を製造する方法の流れの一例を示す工程図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is process drawing which shows an example of the flow of the method of manufacturing a valuable metal from a waste lithium ion battery.

以下、本発明の具体的な実施形態(以下、「本実施の形態」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。 Specific embodiments of the present invention (hereinafter referred to as "present embodiments") will be described below. In addition, the present invention is not limited to the following embodiments, and various modifications are possible without changing the gist of the present invention.

≪1.有価金属の製造方法≫
本実施の形態に係る有価金属を製造する方法は、少なくとも廃リチウムイオン電池を含む原料から、その廃リチウムイオン電池に含有される有価金属(Cu、Ni、Co)を分離回収する方法である。したがって、この方法は、有価金属の回収方法とも言い換えることができる。本実施の形態に係る方法は、主として乾式製錬プロセスによる方法であるが、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。
≪1. Methods for producing valuable metals≫
The method of producing valuable metals according to the present embodiment is a method of separating and recovering valuable metals (Cu, Ni, Co) contained in waste lithium-ion batteries from raw materials including at least waste lithium-ion batteries. Therefore, this method can also be called a method for recovering valuable metals. The method according to the present embodiment is mainly a method by a pyrometallurgical process, but may be composed of a pyrometallurgical process and a hydrometallurgical process.

本実施の形態に係る方法は、以下の工程;廃リチウムイオン電池を含む原料を準備する工程(準備工程)と、準備した原料を還元加熱熔融して合金とスラグとを含む還元物を得る工程(還元熔融工程)と、得られたスラグを分離して有価金属を含む合金を回収する工程(スラグ分離工程)と、を有する。ここで、還元加熱工程では、原料を加熱熔融する際に、内部に電極を備えた電気炉を用い、その電気炉内に原料を装入する。電気炉内では、電極の先端がスラグに浸漬した状態でその電極に通電され、アーク放電による加熱及びジュール熱によって原料が加熱熔融される。 The method according to the present embodiment includes the following steps: a step of preparing raw materials including waste lithium ion batteries (preparing step); and a step of reducing, heating and melting the prepared raw materials to obtain a reduced product containing an alloy and slag. (Reduction melting step) and a step of separating the obtained slag to recover an alloy containing valuable metals (slag separation step). Here, in the reduction heating step, when heating and melting the raw material, an electric furnace having an electrode inside is used, and the raw material is charged into the electric furnace. In the electric furnace, the electrode is energized with the tip of the electrode immersed in the slag, and the raw material is heated and melted by heating due to arc discharge and Joule heat.

上述したように、本実施の形態に係る方法は、少なくとも廃リチウムイオン電池を含む原料から有価金属を製造する方法であり、有価金属は回収対象となるものであって、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。 As described above, the method according to the present embodiment is a method for producing valuable metals from raw materials including at least waste lithium-ion batteries, and the valuable metals are recoverable objects such as copper (Cu), nickel (Ni), cobalt (Co), and at least one metal or alloy selected from the group consisting of combinations thereof.

[準備工程]
準備工程では、原料を準備する。原料は、少なくとも廃リチウムイオン電池を含み、有価金属を回収する処理対象である。有価金属としては、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を含有する。原料は、これらの成分(Cu、Ni、Co)を金属又は合金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、原料としては、廃リチウムイオン電池に含まれるこれらの成分(Cu、Ni、Co)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 preparation step, raw materials are prepared. The raw material includes at least waste lithium ion batteries, and is a processing target for recovering valuable metals. Valuable metals include at least one selected from the group consisting of copper (Cu), nickel (Ni), cobalt (Co), and combinations thereof. The raw material may contain these components (Cu, Ni, Co) in the form of metals or alloys, or in the form of compounds such as oxides. In addition to these components (Cu, Ni, Co) contained in the waste lithium ion battery, the raw material may contain other inorganic components and organic components.

また、原料は、少なくとも廃リチウムイオン電池を含む限り、その他のものが含まれていてもよい。例えば、原料として、廃リチウムイオン電池の他に、誘電材料又は磁性材料を含む電子部品、電子機器等を含むものであってもよい。また、原料としては、後続する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。さらに、当該準備工程において、原料に粉砕処理等の処理を施して適した形態にしてもよく、また、原料に熱処理や分別処理等を施して、水分や有機物等の不要成分を除去してもよい。 The raw material may also contain other materials as long as it contains at least waste lithium ion batteries. For example, in addition to waste lithium ion batteries, raw materials may include electronic components, electronic devices, etc. containing dielectric materials or magnetic materials. Moreover, the form of the raw material is not limited as long as it is suitable for treatment in the subsequent steps. Furthermore, in the preparation process, the raw material may be subjected to a treatment such as pulverization to make it into a suitable form, or the raw material may be subjected to heat treatment, separation treatment, or the like to remove unnecessary components such as moisture and organic matter. good.

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。 "Waste lithium-ion batteries" refers not only to used lithium-ion batteries, but also to defective products such as positive electrode materials that make up the battery during the manufacturing process, residues inside the manufacturing process, and lithium-ion waste such as generated scraps. This is a concept that includes waste materials in the battery manufacturing process. Therefore, waste lithium ion batteries can also be called lithium ion battery waste materials.

[還元熔融工程]
還元熔融工程では、準備工程にて準備した、廃リチウムイオン電池を含む原料を熔融炉内に装入し、加熱して還元熔融処理を施して熔体にした後に、その熔体を合金(メタル)とスラグとに分離する。
[Reduction melting process]
In the reduction melting process, raw materials including waste lithium ion batteries prepared in the preparation process are charged into the melting furnace, heated and subjected to reduction melting treatment to form a melt, and then the melt is made into an alloy (metal ) and slag.

熔体は、合金とスラグとを熔融した状態で含んでいる。合金とスラグとは、比重が異なることから、合金と、その合金の上方に位置するスラグとが分離した状態で熔体に含まれる。また、合金は主として有価金属を含んで構成され、スラグは不純物元素をはじめとするその他の成分を含んで構成される。そのため、有価金属とその他の成分のそれぞれを、合金及びスラグとして分離することが可能となる。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。 The melt contains the alloy and slag in a molten state. Since the alloy and the slag have different specific gravities, the alloy and the slag positioned above the alloy are contained in the melt in a separated state. Also, the alloy mainly contains valuable metals, and the slag contains other components including impurity elements. Therefore, it becomes possible to separate the valuable metals and the other components respectively as the alloy and the slag. This is because metals with low added value (such as Al) have high affinity for oxygen, whereas valuable metals have low affinity for oxygen.

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)は還元されて合金になる。このようにして、有価金属と付加価値の低い金属とを、合金とスラグとの形態でそれぞれ分離することができる。 For example, aluminum (Al), lithium (Li), carbon (C), manganese (Mn), phosphorus (P), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), and copper (Cu) are commonly Generally, they are 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 most difficult to oxidize. Therefore, metals with low added value (such as Al) are easily oxidized into slag, and valuable metals (Cu, Ni, Co) are reduced into alloys. In this way, valuable metals and low value-added metals can be separated in the form of alloys and slag, respectively.

ここで、処理対象の原料に含まれる廃リチウムイオン電池は、例えば電池の正極材に由来するリチウム(Li)を含んでいる。リチウムは、上述のように、廃リチウムイオン電池を構成する元素の中でも、比較的酸化され易い性質を有する。そのため、原料に対する還元熔融処理によって、リチウムは容易に酸化されてスラグに含まれるようになる。 Here, the waste lithium ion battery contained in the raw material to be processed contains lithium (Li) derived from, for example, the positive electrode material of the battery. Lithium, as described above, has the property of being relatively easily oxidized among the elements constituting the waste lithium-ion battery. Therefore, lithium is easily oxidized and included in the slag by the reduction melting treatment of the raw material.

さて、本実施の形態に係る方法において、内部に電極を備えた電気炉により還元熔融処理が施される。還元熔融処理では、廃リチウムイオン電池を含む原料が電気炉内に装入されたのち、電極に通電してアーク放電による加熱及び/又はジュール熱によって原料を熔融する。このように、内部に電極を備えた電気炉を用い、炉内電極で加熱する内部加熱方式を採用することで、炉壁を構成する耐火物の熔損を防ぐことができる。 Now, in the method according to the present embodiment, reduction melting treatment is performed in an electric furnace having electrodes inside. In the reduction melting process, raw materials including waste lithium ion batteries are charged into an electric furnace, and then the electrodes are energized to melt the raw materials by heating by arc discharge and/or Joule heat. In this way, by using an electric furnace having electrodes inside and adopting an internal heating method in which heating is performed by the electrodes in the furnace, it is possible to prevent the refractory material forming the furnace wall from being damaged by melting.

すなわち、内部加熱方式では、電極近傍に位置する熔体(熔融した原料)が最も高温になる。そのため、電気炉の炉壁は、熔体よりも低温に維持される。これに対して、例えば誘導炉を用いた従来の手法は、誘導炉を構成する坩堝からの伝熱によって原料を加熱する外部加熱方式を利用している。外部加熱方式では、熔体よりも坩堝を高温に維持する必要があり、そのため坩堝耐火物の熔損が大きいという問題がある。 That is, in the internal heating method, the temperature of the melt (melted raw material) located in the vicinity of the electrode becomes the highest. Therefore, the furnace wall of the electric furnace is maintained at a lower temperature than the melt. On the other hand, the conventional method using an induction furnace, for example, utilizes an external heating method in which raw materials are heated by heat transfer from a crucible that constitutes the induction furnace. In the external heating method, it is necessary to maintain the crucible at a higher temperature than the molten material, so there is a problem that the melting damage of the crucible refractory is large.

還元熔融処理において用い、内部に電極を備えた電気炉としては、サブマージドアーク炉を用いることが特に好ましい。サブマージドアーク炉は、アーク炉の一種である。アーク炉は、アーク自体の発熱を利用した炉であり、超高温と高エネルギー密度を利用して局所加熱や急速加熱を達成することができる。アーク炉のうち直接アーク炉では、被加熱物の上方に間隙を設けて電極が設置されており、その間隙にアークを発生させて被加熱物を加熱する。また、間接アーク炉では、複数の電極間にアークを発生させ、主として放射熱により被加熱物を加熱する。これに対して、サブマージドアーク炉は、複数の電極が被加熱物中に埋没(サブマージ)しており、アーク放電による加熱と共にジュール熱(電気抵抗熱)を利用する。具体的には、サブマージドアーク炉では、電極先端と被加熱物との間にアーク放電が発生し、そのアークにより被加熱物(原料)が加熱される。またそれと同時に、被加熱物を介して電極~電極間(電極~被加熱物~電極間)に電流が流れ、ジュール熱によっても被加熱物(スラグ)が発熱する。 It is particularly preferable to use a submerged arc furnace as the electric furnace which is used in the reduction melting treatment and has electrodes therein. A submerged arc furnace is a type of arc furnace. An arc furnace is a furnace that utilizes the heat generated by the arc itself, and can achieve localized heating and rapid heating using ultra-high temperatures and high energy densities. Among arc furnaces, in a direct arc furnace, an electrode is installed above an object to be heated with a gap therebetween, and an arc is generated in the gap to heat the object to be heated. In an indirect arc furnace, an arc is generated between a plurality of electrodes to heat an object to be heated mainly by radiant heat. On the other hand, in a submerged arc furnace, a plurality of electrodes are buried (submerged) in an object to be heated, and Joule heat (electric resistance heat) is used together with heating by arc discharge. Specifically, in a submerged arc furnace, an arc discharge is generated between an electrode tip and an object to be heated, and the object (raw material) is heated by the arc. At the same time, a current flows between the electrodes (between the electrodes, the object to be heated, and the electrodes) through the object to be heated, and the object to be heated (slag) is also heated by Joule heat.

図1は、サブマージドアーク炉の断面模式図を示す図である。サブマージドアーク炉1は、耐火物からなる炉壁及び炉床11と電極12と投原管(原料投入管)13とから構成されている。サブマージドアーク炉1では、投原管13から原料2が投入され、投入された原料2の表面に電極12の先端を浸漬させ、この電極12に通電する。すると、アーク加熱及びジュール熱により原料2が熔融して、スラグ(スラグ層)3と合金(合金層)4とに分離する。このように、電極12先端がスラグ3に浸漬した状態を維持することで、スラグ3への連続的な加熱が可能になり、スラグ3下部に位置する合金4は、スラグ3からの伝熱により加熱される。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a submerged arc furnace. A submerged arc furnace 1 is composed of a furnace wall and hearth 11 made of refractory material, an electrode 12 and a throwing tube (raw material charging tube) 13 . In the submerged arc furnace 1, the raw material 2 is charged from the projection tube 13, the tip of the electrode 12 is immersed in the surface of the charged raw material 2, and the electrode 12 is energized. Then, the raw material 2 is melted by arc heating and Joule heat, and separated into a slag (slag layer) 3 and an alloy (alloy layer) 4 . In this way, by maintaining the state in which the tip of the electrode 12 is immersed in the slag 3, the slag 3 can be continuously heated, and the alloy 4 located below the slag 3 is heated by heat transfer from the slag 3. heated.

このように、サブマージドアーク炉には、少ない投入電力で効率的に加熱できるという特徴がある。直接アーク炉や間接アーク炉では、被加熱物の上方でアーク放電が発生するため、発生した熱量のうち多くが雰囲気中に放出されてしまい、エネルギー損失が大きく不経済である。また、アークによる衝撃で被加熱物から粉塵が発生し易く、粉塵処理手段等を設ける必要がある。さらに、電極が炉壁に近接している場合には、炉壁耐火物が熱損傷を受けやすく、耐火物の耐久性に悪影響を及ぼす場合がある。これに対して、サブマージドアーク炉では、電極が被加熱物に覆われる状態となるため、熱量の雰囲気中への放出が少ない。また、粉塵の発生及び耐火物への熱損傷が少ないため、粉塵処理や耐火物交換のコストを下げることができる。これらの理由から、有価金属の回収を高効率且つ低コストで行うことが可能になる。 Thus, the submerged arc furnace has the feature of being able to efficiently heat with a small input power. In direct arc furnaces and indirect arc furnaces, since arc discharge occurs above the object to be heated, most of the generated heat is released into the atmosphere, resulting in large energy loss and uneconomical. In addition, dust is likely to be generated from the object to be heated due to the impact of the arc, so it is necessary to provide a dust disposal means or the like. Furthermore, when the electrodes are close to the furnace wall, the furnace wall refractory is susceptible to thermal damage, which may adversely affect the durability of the refractory. On the other hand, in the submerged arc furnace, the electrodes are covered with the object to be heated, so less heat is released into the atmosphere. In addition, since dust generation and thermal damage to the refractory are reduced, the cost of dust disposal and refractory replacement can be reduced. For these reasons, it becomes possible to recover valuable metals with high efficiency and low cost.

特に、廃リチウムイオン電池を含む原料を処理対象とする場合、スラグ発生量は、合金発生量に対して体積比で約3倍も多くなる。合金を熔融状態に維持する上では、スラグを介した合金への伝熱を確保することが重要である。また、廃リチウムイオン電池に含まれるリチウム成分は、上述したようにスラグとなるため、高温で耐火物を浸食する作用が大きく、この浸食を抑えることも重要となる。この点、直接アーク加熱炉や間接アーク加熱炉では、スラグ表面のみがアーク放電により局所的に加熱されるため、合金の全てを熔解するためには、投入電力を大きくする必要がある。これに対して、サブマージドアーク炉では、アーク放電のみならずジュール熱をも利用するため、スラグを介した合金への熱伝導が効果的に行われ、少ない投入電力でも効率的な加熱が可能となる。また、サブマージドアーク炉では、電極先端がスラグに埋没しているため、熱分布が比較的均一でありヒートスポットができにくいため、上述した高温で耐火物を浸食する作用が大きいリチウムがスラグに含まれていても、耐火物熔損を抑えることが可能である。 In particular, when processing raw materials including waste lithium ion batteries, the amount of slag generated is about three times as large as the amount of alloy generated in volume ratio. Ensuring heat transfer to the alloy through the slag is important in maintaining the alloy in a molten state. In addition, since the lithium component contained in the waste lithium-ion battery becomes slag as described above, it has a strong effect of eroding the refractory at high temperatures, and it is important to suppress this erosion. In this regard, in direct arc heating furnaces and indirect arc heating furnaces, only the slag surface is locally heated by arc discharge, and therefore, it is necessary to increase the input power in order to melt the entire alloy. In contrast, the submerged arc furnace uses not only arc discharge but also Joule heat, so heat is effectively conducted to the alloy through the slag, enabling efficient heating even with a small amount of input power. becomes. In addition, in the submerged arc furnace, since the electrode tip is buried in the slag, the heat distribution is relatively uniform and heat spots are less likely to occur. Even if it is contained, it is possible to suppress refractory melting damage.

そしてまた、本実施の形態に係る方法では、還元熔融処理により得られた熔融状態にある合金とスラグとを排出して回収するに際して、電気炉内からのメタルの排出はタップホールから行い、電気炉内からのスラグの排出は炉体上縁部に設けられた樋から炉体を傾転することで行うことを特徴としている。 Further, in the method according to the present embodiment, when the molten alloy and slag obtained by the reduction melting treatment are discharged and recovered, the metal is discharged from the electric furnace through the tap hole, and the metal is discharged from the electric furnace. The slag is discharged from the furnace by tilting the furnace body through a gutter provided at the upper edge of the furnace body.

上述したように、廃リチウムイオン電池を含む原料を熔融するに際しては、高い温度での操業が必要である。また、原料にはリチウムが含まれ、リチウムはほぼ100%の割合でスラグに分配される。このように、操業温度が高い(例えばスラグ温度が1500℃以上となるように操業)、さらには、スラグにリチウムが含まれ塩基度の高いスラグが生成することから、スラグによって炉壁を構成する耐火物の熔損が非常に大きくなる。そこで、本実施の形態に係る方法では、還元熔融処理により生成したスラグの電気炉からの排出を、従来のようなスラグホールからのタッピングにより行うことに替え、炉体上縁部に設けられた樋を介し、電気炉(炉体)を傾転させることによって行う。なお、図1の構成図において、炉体上縁部11aに設けた樋を符号「14」で示す。 As described above, when melting raw materials including waste lithium ion batteries, it is necessary to operate at a high temperature. Also, the raw material contains lithium, which is distributed to the slag at a rate of almost 100%. In this way, the operating temperature is high (for example, the operation is performed so that the slag temperature is 1500 ° C. or higher), and the slag contains lithium and produces slag with a high basicity. Melting damage of the refractory becomes very large. Therefore, in the method according to the present embodiment, instead of discharging the slag generated by the reduction melting process from the electric furnace by tapping from the slag hole as in the conventional method, a This is done by tilting the electric furnace (furnace body) through the gutter. In addition, in the configuration diagram of FIG. 1, the gutter provided on the upper edge portion 11a of the furnace body is denoted by reference numeral "14".

これにより、スラグ排出に際して耐火物の熔損をより効果的に抑制することができる。また、その耐火物の損耗に対して、樋14の定期的なメンテナンス等の小修理によって容易に対応することができ、操業効率の低下を有効に抑えることができる。なお、樋14のメンテナンスとしては、例えば、損耗が生じた箇所に補修用不定形耐火物を使用しての補修を行う等の容易なメンテナンスが挙げられる。また、このようなスラグ排出は、スラグを排出するための樋を形成する煉瓦に冷却構造を持たない場合には、特に好ましい。 As a result, it is possible to more effectively suppress the melting damage of the refractory when the slag is discharged. In addition, the wear and tear of the refractory can be easily dealt with by performing minor repairs such as regular maintenance of the gutter 14, thereby effectively suppressing deterioration in operating efficiency. As for the maintenance of the gutter 14, for example, easy maintenance such as repairing a portion where wear has occurred using a monolithic refractory material for repair can be mentioned. Also, such slag discharge is particularly preferred if the bricks forming the gutter for slag discharge do not have a cooling structure.

スラグの排出は、炉体上縁部11aに設けられた樋14を介して炉体1Aを傾転することで行うことから、電気炉1への原料の装入はバッチ方式で行うことが好ましい。すなわち、図1に示すように、スラグ3層上面に原料2の装入した後、原料を熔融し、熔融した原料からこの中に含まれるメタル4がスラグ3層の下に位置するメタル4層に沈降し、メタル4が沈降した後のスラグ3を排出する、というサイクルで操業することが好ましい。 Since the slag is discharged by tilting the furnace body 1A through the gutter 14 provided on the upper edge portion 11a of the furnace body, it is preferable to charge the raw material into the electric furnace 1 in a batch manner. . That is, as shown in FIG. 1, after the raw material 2 is charged on the upper surface of the slag 3 layer, the raw material is melted, and the metal 4 contained in the melted raw material is transferred to the metal 4 layer located below the slag 3 layer. It is preferable to operate in a cycle in which the slag 3 is discharged after the metal 4 has settled.

一方、合金(メタル)の排出は、電気炉に設けられているメタルホール(タップホール)15からのタッピングにより行う。スラグより下層に分離されるメタルの排出にあたり、スラグと同様に炉体を傾転させて排出した場合、電気炉内ではスラグが無くなる状態となるためにその後通電できなくなり、再度立ち上げることが必要となる。これに対して、メタルの排出はタップホール(メタルホール15)から行い、上述したようにスラグの排出は炉体上縁部に設けられた樋から炉体を傾転させて行うことで、スラグの一部を炉内に残留させることができ、これにより黒鉛電極による通電が可能となって継続して操業することができる。 On the other hand, the alloy (metal) is discharged by tapping from a metal hole (tap hole) 15 provided in the electric furnace. When discharging the metal separated from the slag to the lower layer, if the furnace body is tilted and discharged in the same way as the slag, the electric furnace will run out of slag and the electric furnace will not be able to supply power after that, and it will be necessary to restart the furnace. becomes. On the other hand, the metal is discharged from the tap hole (metal hole 15), and the slag is discharged from the gutter provided at the upper edge of the furnace body by tilting the furnace body as described above. can be left in the furnace, which enables energization by the graphite electrodes and enables continuous operation.

また、メタルの排出をメタルホール15を介して行うことで、その排出時にスラグが混入することを抑制することもできる。 Also, by discharging the metal through the metal hole 15, it is possible to prevent slag from being mixed in during the discharge.

なお、メタルホール15の設置位置については、特に限定されないが、例えば、電気炉の側壁であって、還元熔融処理により得られる熔融物が比重分離してメタル層が形成される高さ位置に相当する位置に備えるようにすることができる。 The installation position of the metal hole 15 is not particularly limited, but for example, it corresponds to the side wall of the electric furnace and the height position where the molten material obtained by the reduction melting process is separated by specific gravity and the metal layer is formed. It can be prepared in a position to do so.

還元熔融処理においては、生成するスラグの上にさらに追加の原料を投入して追加原料からなるカバーリング層を設けること(オープンチョークフィード)が好ましい。これにより、原料の加熱熔融が効率的に行われる。すなわち、原料を加熱熔融するときには高温ガスが発生するが、原料からなるカバーリング層をスラグ上面に形成させ設けることで、高温ガスと原料との間で熱交換が起こるようになり、発生した熱を原料の熔融に有効に利用することができる。 In the reduction melting process, it is preferable to provide a covering layer made of the additional raw material by charging additional raw material onto the generated slag (open chalk feed). As a result, the raw materials are efficiently heated and melted. That is, high-temperature gas is generated when the raw material is heated and melted, but by forming a covering layer made of the raw material on the upper surface of the slag, heat exchange occurs between the high-temperature gas and the raw material, and the generated heat can be effectively used for melting the raw material.

また、還元熔融処理においては、生成する合金の融点に応じて電極の浸漬深さを調整することが好ましい。合金の融点がスラグの融点に非常に近似する場合、あるいは合金の融点がスラグの融点より高い場合には、合金が熔融状態を維持しにくくなる。例えばこのような場合には、電極をスラグ内部の深くまで浸漬させるようにする。これにより、電極先端で発生するジュール熱が合金に伝わりやすくなるため、合金が熔融状態を維持し易くなる。一方で、合金の融点がスラグの融点よりも低い場合には、電極の浸漬深さを浅くしても、合金が十分に熔融状態を維持することができる。 Moreover, in the reduction melting treatment, it is preferable to adjust the immersion depth of the electrode according to the melting point of the alloy to be produced. When the melting point of the alloy is very close to the melting point of the slag, or when the melting point of the alloy is higher than the melting point of the slag, it becomes difficult for the alloy to remain molten. For example, in such a case, the electrodes are immersed deep inside the slag. As a result, the Joule heat generated at the tip of the electrode is easily transmitted to the alloy, so that the alloy can be easily maintained in a molten state. On the other hand, when the melting point of the alloy is lower than the melting point of the slag, the alloy can be sufficiently maintained in a molten state even if the electrode is immersed in a shallow depth.

電気炉の電極としては、黒鉛電極を用いることができる。本発明者らが調べたところ、黒鉛電極を用いた内部加熱であっても、被加熱物(原料)に取り込まれる炭素量はそれほど多くはなく、酸化還元度をコントロールする上で問題にはならない。また、被加熱物に取り込まれる炭素量を予め調べておくことで、電極から取り込まれる炭素を還元剤として用いることできる。これにより、炭素等の還元剤を添加して還元度を調整する場合に、還元剤の使用量を少なくすることができる。 A graphite electrode can be used as the electrode of the electric furnace. According to the inventors' investigation, even with internal heating using graphite electrodes, the amount of carbon taken into the object to be heated (raw material) is not so large, and there is no problem in controlling the degree of oxidation reduction. . Further, by investigating in advance the amount of carbon taken into the object to be heated, the carbon taken in from the electrode can be used as a reducing agent. As a result, when a reducing agent such as carbon is added to adjust the degree of reduction, the amount of the reducing agent used can be reduced.

また、必要に応じて、電極の上下位置を調整するための電極制御装置、すなわち加える電流値が一定となるように電極位置を制御する装置を設けてもよい。これにより、電気炉の動作中に原料(又はそれが熔融した熔体)の表面位置が上下に変動しても、電極先端と被加熱物表面との間隔を一定の距離に、あるいは電極先端が被加熱物表面から一定の距離浸漬した状態を保つことができ、安定した加熱が可能になる。 Further, if necessary, an electrode control device for adjusting the vertical position of the electrode, that is, a device for controlling the electrode position so that the applied current value is constant may be provided. As a result, even if the surface position of the raw material (or the molten body in which it is melted) fluctuates up and down during the operation of the electric furnace, the distance between the electrode tip and the surface of the object to be heated can be maintained at a constant distance, or the electrode tip can be The state of being immersed at a certain distance from the surface of the object to be heated can be maintained, and stable heating becomes possible.

還元熔融処理においては、原料に還元剤を導入(添加)してもよい。還元剤としては、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。そのため、適量の炭素を導入することで、酸化還元度を厳密に調整することができる。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。炭素としては、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もできる。 In the reduction melting treatment, a reducing agent may be introduced (added) to the raw material. Carbon and/or carbon monoxide is preferably used 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.). Therefore, by introducing an appropriate amount of carbon, the degree of redox can be strictly adjusted. In addition, the reduction method using carbon or carbon monoxide is extremely safe compared to 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 the carbon, and coal or coke can also be used if there is no risk of impurity contamination.

また、還元熔融処理においては、原料にフラックスを導入(添加)してもよい。フラックスを添加することで、熔融処理温度を低温化することができ、またリン(P)の除去をより一層進めることができる。フラックスとしては、不純物元素を取り込んで融点の低い塩基性酸化物を形成する元素を含むものであることが好ましい。リンは、酸化すると酸性酸化物になるため、還元熔融処理により生成するスラグが塩基性になるほど、スラグにリンを取り込ませて除去し易くなる。その中でも、安価で常温において安定なカルシウム化合物を含むものがより好ましい。カルシウム化合物としては、例えば酸化カルシウム(CaO)や炭酸カルシウム(CaCO)を挙げることができる。 In addition, in the reduction melting treatment, flux may be introduced (added) to the raw material. By adding flux, the melting temperature can be lowered and the removal of phosphorus (P) can be further promoted. The flux preferably contains an element that takes in impurity elements to form a basic oxide with a low melting point. Phosphorus becomes an acidic oxide when oxidized. Therefore, the more basic the slag produced by the reduction melting treatment, the easier it is to incorporate phosphorus into the slag and remove it. Among them, those containing calcium compounds that are inexpensive and stable at room temperature are more preferable. Examples of calcium compounds include calcium oxide (CaO) and calcium carbonate (CaCO 3 ).

還元熔融処理における加熱温度は、特に限定されないが、スラグ温度(スラグ加熱温度)が1500℃以上となるように設定することが好ましい。このような加熱温度とすることで、熔融した原料(熔体)からスラグとメタルとを効率良く分離することができる。 The heating temperature in the reduction melting treatment is not particularly limited, but it is preferable to set the slag temperature (slag heating temperature) to 1500° C. or higher. By setting the heating temperature as such, the slag and the metal can be efficiently separated from the molten raw material (melt).

なお、還元熔融処理を行う電気炉に関して、炉内側の熔体と接する耐火物の材質は炭素を0%超20%以下の割合で含有するMgO-C耐火物であることが好ましい。好ましくはこのようなMgO-C耐火物を使用することで、高温での操業に耐え得るとともに、熱伝導率が高いため、外壁を冷却することによってスラグの接している電気炉内面の耐火物表面にスラグコーチングを容易に作ることができ、炉壁を効果的に保護できる。 Regarding the electric furnace that performs reduction melting treatment, the material of the refractory in contact with the melt inside the furnace is preferably MgO—C refractory containing carbon at a ratio of more than 0% and 20% or less. Preferably, by using such a MgO-C refractory, it can withstand operation at high temperatures and has high thermal conductivity. Slag coating can be easily made on the wall, and the furnace wall can be effectively protected.

[予備加熱工程(酸化焙焼工程)]
本実施の形態に係る方法では、必要に応じて、還元熔融処理(熔融工程での処理)に先立って、原料を予備加熱(酸化焙焼)して予備加熱物(酸化焙焼物)を得る工程(予備加熱工程)を設けることができる。
[Preheating step (oxidizing roasting step)]
In the method according to the present embodiment, if necessary, a step of preheating (oxidizing roasting) the raw material to obtain a preheated product (oxidizing roasting product) prior to the reduction melting treatment (treatment in the melting step). (Preheating step) can be provided.

予備加熱工程では、熔融工程に供される原料を予備加熱することによってその原料に含まれる炭素量を減少させる。このような予備加熱工程を設けることで、熔融工程に供される原料が炭素を過剰に含む場合であっても、その炭素を有効に酸化除去することができ、後続する熔融工程での加熱熔融の処理において有価金属の合金一体化を促進させることができる。 In the preheating step, by preheating the raw material to be supplied to the melting step, the amount of carbon contained in the raw material is reduced. By providing such a preheating step, even if the raw material to be subjected to the melting step contains excessive carbon, the carbon can be effectively oxidized and removed, and the heating and melting in the subsequent melting step can be performed. can promote alloy integration of valuable metals in the processing of

より具体的には、熔融工程における加熱熔融の処理では、有価金属は還元されて局所的な熔融微粒子になるが、このとき、原料中の炭素が、熔融微粒子(有価金属)が凝集する際の物理的な障害になることがある。熔融微粒子の凝集一体化が妨げられると、生成する合金とスラグの分離を妨げ、有価金属の回収率の低下をもたらすことがある。これに対して、加熱熔融の処理に先立ち予備加熱工程にて原料を予備加熱して炭素を除去しておくことで、熔融微粒子の凝集一体化を効率的に進行させ、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。また、リンは比較的還元されやすい不純物元素であるため、原料中に炭素が過剰に存在すると、リンが還元されて有価金属と共に合金に取り込まれるおそれがある。その点においても、予備加熱によって原料中の過剰な炭素を予め除去しておくことで、合金へのリンの混入を防ぐことができる。 More specifically, in the heating and melting process in the melting process, the valuable metal is reduced and becomes locally molten fine particles. It can be a physical obstacle. If the agglomeration and integration of molten fine particles is hindered, the separation of the produced alloy and slag may be hindered, resulting in a decrease in the recovery rate of valuable metals. On the other hand, by preheating the raw material in the preheating process to remove the carbon prior to the heat melting process, the aggregation and integration of the molten fine particles can be efficiently advanced, and the recovery rate of the valuable metal can be improved. It is possible to raise it further. In addition, since phosphorus is an impurity element that is relatively easily reduced, if carbon is excessively present in the raw material, phosphorus may be reduced and incorporated into the alloy together with the valuable metal. In this respect as well, by removing excess carbon in the raw material in advance by preheating, it is possible to prevent phosphorus from being mixed into the alloy.

なお、予備加熱の処理を行って得られる予備加熱物(酸化焙焼物)の炭素量としては1質量%未満となるようにすることが好ましい。 The carbon content of the preheated product (oxidized roasted product) obtained by the preheating treatment is preferably less than 1% by mass.

また、予備加熱工程を設けることで、酸化のばらつきを抑えることもできる。予備加熱工程での予備加熱の処理は、熔融工程に供される原料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)を行うことが望ましい。一方で、予備加熱の処理温度、時間及び/又は雰囲気を調整することで、酸化度を容易に制御することができる。そのため、予備加熱の処理において、酸化度をより厳密に調整することができ、酸化のばらつきを抑制することができる。 In addition, by providing a preheating step, variations in oxidation can be suppressed. The preheating treatment in the preheating step can be performed at an oxidation degree (oxidative roasting) that can oxidize low-value-added metals (such as Al) contained in the raw material to be subjected to the melting step. desirable. On the other hand, the degree of oxidation can be easily controlled by adjusting the treatment temperature, time and/or atmosphere of preheating. Therefore, in the preheating process, the degree of oxidation can be adjusted more strictly, and variations in oxidation can be suppressed.

なお、酸化度の調整は、次のようにして行う。上述したように、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。予備加熱工程では、原料中にアルミニウム(Al)が含まれる場合には、その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へ分配されることがない程度に酸化度を留めることが好ましい。 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 in the order of Al>Li>C>Mn>P>Fe>Co>Ni>Cu. In the preheating step, if aluminum (Al) is contained in the raw material, oxidation is allowed to progress until all of the Al is oxidized. Oxidation may be accelerated until some of the iron (Fe) is oxidized, but it is preferable to limit the degree of oxidation to such an extent that cobalt (Co) is not oxidized and distributed to the slag.

予備加熱の処理は、酸化剤の存在下で行うことが好ましい。これにより、不純物元素である炭素(C)の酸化除去を効率的に行うことができる。また、その酸化剤としては、特に限定されないが、取り扱いが容易であるという点で、酸素含有ガス(空気、純酸素、酸素富化ガス等)が好ましい。また、酸化剤の導入量としては、例えば、酸化処理の対象となる各物質の酸化に必要な化学当量の1.2倍程度が好ましい。 The preheating treatment is preferably performed in the presence of an oxidizing agent. As a result, carbon (C), which is an impurity element, can be efficiently removed by oxidation. The oxidizing agent is not particularly limited, but an oxygen-containing gas (air, pure oxygen, oxygen-enriched gas, etc.) is preferable because it is easy to handle. Moreover, the amount of the oxidizing agent to be introduced is preferably, for example, about 1.2 times the chemical equivalent required for oxidizing each substance to be oxidized.

予備加熱の加熱温度は、700℃以上1100℃以下が好ましい。700℃以上であれば、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℃以下とすることで、熱エネルギーコストを抑制することができ、予備加熱の効率を高めることができる。また、予備加熱温度は、800℃以上であってもよく、900℃以下であってもよい。 The heating temperature for preheating is preferably 700° C. or higher and 1100° C. or lower. If the temperature is 700° C. or higher, the oxidation efficiency of carbon can be further increased, and the oxidation time can be shortened. Further, by setting the temperature to 1100° C. or less, the thermal energy cost can be suppressed and the efficiency of preheating can be improved. Also, the preheating temperature may be 800° C. or higher or 900° C. or lower.

予備加熱の処理は、公知の焙焼炉を用いて行うことができる。また、後続する熔融工程での処理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。予備加熱炉として、処理対象の原料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。 The preheating treatment can be performed using a known roasting furnace. Moreover, it is preferable to use a furnace (preliminary furnace) different from the melting furnace used in the subsequent melting process, and to carry out the treatment in the preliminarily furnace. As the preheating furnace, any type of furnace can be used as long as it is a furnace capable of performing an oxidation treatment inside by supplying an oxidizing agent (such as oxygen) while roasting the raw material to be treated. Examples include conventionally known rotary kilns and tunnel kilns (Haas furnaces).

[スラグ分離工程]
スラグ分離工程では、熔融工程での加熱熔融により得られた熔融物からスラグを分離して、有価金属を含む合金を回収する。熔融物において、合金とスラグとはその比重が異なる。そのため、合金に比べ比重の小さいスラグは合金の上部に集まり、比重分離によって容易にスラグを分離回収することができる。
[Slag separation process]
In the slag separation step, slag is separated from the melt obtained by heating and melting in the melting step to recover an alloy containing valuable metals. In the melt, the alloy and slag have different specific gravities. Therefore, the slag having a lower specific gravity than the alloy gathers in the upper part of the alloy, and the slag can be easily separated and recovered by specific gravity separation.

本実施の形態に係る方法では、スラグ分離工程において、上述したように、電気炉に設けられているタップホールから合金を排出し、電気炉の炉体上縁部に設けられた樋から、その電気炉本体を傾転することでスラグを排出する。このようにすることで、スラグ排出に際して炉壁を構成する耐火物の熔損を効果的に抑制することができる。また、その耐火物の損耗に対して、樋の定期的なメンテナンス等の小修理によって容易に対応することができ、操業効率の低下を有効に抑えることができる。 In the method according to the present embodiment, in the slag separation step, as described above, the alloy is discharged from the tap hole provided in the electric furnace, and the alloy is discharged from the gutter provided at the upper edge of the furnace body of the electric furnace. Slag is discharged by tilting the electric furnace body. By doing so, it is possible to effectively suppress the melting damage of the refractory material forming the furnace wall when the slag is discharged. In addition, the wear and tear of the refractory can be easily dealt with by performing minor repairs such as periodic maintenance of the gutter, effectively suppressing a decline in operating efficiency.

なお、スラグ分離工程にてスラグを分離した後に、得られた合金を硫化する硫化工程や、得られた硫化物あるいは合金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の合金に湿式製錬プロセスを施してもよい。湿式製錬プロセスにより、不純物成分をさらに除去して有価金属(例えばCu、Ni、Co)を分離精製し、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 is separated in the slag separation step, a sulfurization step of sulfurizing the obtained alloy or a pulverization step of pulverizing the obtained sulfide or alloy may be provided. Further, alloys of valuable metals obtained through such pyrometallurgical processes may be subjected to hydrometallurgical processes. By the hydrometallurgical process, impurity components can be further removed, valuable metals (eg, Cu, Ni, Co) can be separated and refined, and each of them can be recovered. Examples of treatments in the hydrometallurgical process include known techniques such as neutralization treatment and solvent extraction treatment.

≪2.廃リチウムイオン電池からの有価金属の製造方法≫
図2は、廃リチウムイオン電池から有価金属を製造する方法の流れの一例を示す工程図である。図2に示すように、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して廃電池内容物を得る工程(廃電池前処理工程S1)と、廃電池内容物を粉砕して粉砕物とする工程(粉砕工程S2)と、粉砕物を予備加熱して予備加熱物にする工程(予備加熱工程S3)と、予備加熱物を熔融して熔融物にする工程(還元熔融工程S4)と、熔融物からスラグを分離して合金を回収する工程(スラグ分離工程S5)を有する。
≪2. Method for producing valuable metals from waste lithium-ion batteries>>
FIG. 2 is a process chart showing an example of the flow of a method for producing valuable metals from waste lithium ion batteries. As shown in FIG. 2, this method includes a step of removing the electrolytic solution and outer can of the waste lithium ion battery to obtain the waste battery contents (waste battery pretreatment step S1), and pulverizing the waste battery contents. A step of forming a pulverized product (pulverizing step S2), a step of preheating the pulverized product to obtain a preheated product (preheating step S3), and a step of melting the preheated product to obtain a melt (reduction melting step S4 ) and a step of separating slag from the melt to recover the alloy (slag separation step S5).

また、図示していないが、スラグ分離工程S5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あるいは合金を粉砕する粉砕工程を設けてもよい。 Moreover, although not shown, a sulfurization step of sulfurizing the obtained alloy and a pulverizing step of pulverizing the obtained sulfide or alloy may be provided after the slag separation step S5.

[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、内部に電解液等を有している。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。このように、廃電池前処理工程S1において電解液を除去することで、安全性を高めた処理を行うことができる。
[Waste battery pretreatment process]
The waste battery pretreatment step S1 is performed for the purpose of preventing the waste lithium ion battery from exploding and rendering it harmless. Since the lithium ion battery is a closed system, it contains an electrolytic solution and the like inside. Therefore, if the pulverization treatment is performed as it is, there is a risk of explosion, which is dangerous. It is preferable to perform discharge treatment or electrolytic solution removal treatment by some method. In this manner, by removing the electrolytic solution in the waste battery pretreatment step S1, it is possible to perform treatment with improved safety.

廃電池前処理の具体的な方法は、特に限定されない。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。 A specific method for the waste battery pretreatment is not particularly limited. For example, there is a method of physically piercing the waste battery with a needle-like cutting edge and removing the electrolyte. Another method is to heat the waste battery and burn the electrolytic solution to render it harmless.

[粉砕工程]
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。粉砕工程S2での処理は、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。
[Pulverization process]
In the pulverization step S2, the content of the waste lithium ion battery is pulverized to obtain a pulverized material. The purpose of the pulverization step S2 is 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. A specific pulverization method is not particularly limited. It can be pulverized using a conventionally known pulverizer such as a cutter mixer.

外装缶を構成する金属であるアルミニウム(Al)や鉄(Fe)を、渦電流を利用したアルミニウム選別機、磁力選別機等により容易に物理選別することができる。また、振とう篩機等により、篩い上として箔状の負極集電体(銅箔等)、あるいは正極集電体(アルミニウム箔等)(以下、「箔状物」ともよぶ)を、篩い下として粉状の負極活物質(黒鉛等)、あるいは正極活物質(ニッケル酸リチウム、コバルト酸リチウム等)(以下、「粉状物」ともいう)を得ることができる。 Aluminum (Al) and iron (Fe), which are metals constituting the outer can, can be easily physically sorted by an aluminum sorter using an eddy current, a magnetic sorter, or the like. In addition, using a shaking sieve machine or the like, a foil-shaped negative electrode current collector (copper foil, etc.) or a positive electrode current collector (aluminum foil, etc.) (hereinafter also referred to as "foil material") is sieved as a sieve. As a powdery negative electrode active material (graphite, etc.) or a positive electrode active material (lithium nickelate, lithium cobaltate, etc.) (hereinafter also referred to as “powder”) can be obtained.

なお、廃電池前処理工程と粉砕工程は、これらを併せて先述する準備工程に相当する。 The waste battery pretreatment process and the crushing process together correspond to the preparatory process described above.

[予備加熱工程]
予備加熱工程(酸化焙焼工程)S3では、少なくとも粉砕工程S2で得られた粉状物を予備加熱(酸化焙焼)して予備加熱物(酸化焙焼物)を得る。この工程の詳細は上述したとおりであり、予備加熱工程にて予備加熱を行うことで、還元熔融工程S4に供される原料が炭素を過剰に含む場合であっても、その炭素を有効に酸化除去することができ、加熱熔融の処理において有価金属の合金一体化を促進させることができる。
[Preheating step]
In the preheating step (oxidizing roasting step) S3, at least the powdery material obtained in the pulverizing step S2 is preheated (oxidizing roasting) to obtain a preheated product (oxidizing roasting product). The details of this step are as described above, and by preheating in the preheating step, even if the raw material to be subjected to the reduction melting step S4 contains excessive carbon, the carbon can be effectively oxidized. It can be removed and can promote the alloying integration of valuable metals in the process of heat melting.

[還元熔融工程]
還元熔融工程S4では、予備加熱工程S3で得られた予備加熱物を加熱熔融して合金とスラグとから構成される熔融物を得る。この工程の詳細は上述したとおりである。
[Reduction melting process]
In the reduction melting step S4, the preheated material obtained in the preheating step S3 is heated and melted to obtain a molten material composed of the alloy and slag. The details of this step are as described above.

特に、本実施の形態に係る方法では、内部に電極を備えた電気炉により還元熔融処理を施す。還元熔融処理では、予備加熱物を電気炉内に装入したのち、電極に通電してアーク放電による加熱及び/又はジュール熱によってその予備加熱物(装入物)を熔融する。このように、内部に電極を備えた電気炉を用い、炉内電極で加熱する内部加熱方式を採用することで、炉壁を構成する耐火物の熔損を防ぐことができる。特に、内部に電極を備えた電気炉としては、サブマージドアーク炉を用いることが好ましい。 In particular, in the method according to the present embodiment, reduction melting is performed using an electric furnace having electrodes inside. In the reduction melting treatment, a preheated material is charged into an electric furnace, and then the electrode is energized to melt the preheated material (charged material) by heating by arc discharge and/or Joule heat. In this way, by using an electric furnace having electrodes inside and adopting an internal heating method in which heating is performed by the electrodes in the furnace, it is possible to prevent the refractory material forming the furnace wall from being damaged by melting. In particular, it is preferable to use a submerged arc furnace as an electric furnace having electrodes inside.

[スラグ分離工程]
スラグ分離工程S5では、還元熔融工程S4で得られた熔融物において、スラグを分離して合金を回収する。この工程の詳細は上述したとおりである。
[Slag separation process]
In the slag separation step S5, slag is separated from the melt obtained in the reduction melting step S4 to recover the alloy. The details of this step are as described above.

特に、本実施の形態に係る方法では、還元熔融処理により得られた熔融状態にある合金とスラグとを排出して回収するに際して、電気炉内からのメタルの排出はタップホールから行い、電気炉内からのスラグの排出は炉体上縁部に設けられた樋から炉体を傾転することで行うことを特徴としている。これにより、スラグ排出に際して炉壁を構成する耐火物の熔損を効果的に抑制することができる。また、その耐火物の損耗に対して、樋の定期的なメンテナンス等の小修理によって容易に対応することができ、操業効率の低下を有効に抑えることができる。 In particular, in the method according to the present embodiment, when the molten alloy and slag obtained by the reduction melting treatment are discharged and recovered, the metal is discharged from the electric furnace through the tap hole, and the metal is discharged from the electric furnace. The slag is discharged from the inside by tilting the furnace body through a gutter provided at the upper edge of the furnace body. As a result, it is possible to effectively suppress the melting damage of the refractory material forming the furnace wall when discharging the slag. In addition, the wear and tear of the refractory can be easily dealt with by performing minor repairs such as periodic maintenance of the gutter, effectively suppressing a decline in operating efficiency.

なお、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、得られた有価金属からなる合金に対して湿式製錬プロセスを行ってもよい。 In addition, you may provide a sulfuration process and a grinding|pulverization process after a slag separation process. Further, a hydrometallurgical process may be performed on the obtained alloy of valuable metals.

以下、本発明の実施例を示してより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be described in more detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to the following examples.

(1)有価金属の製造
≪実施例1≫
廃リチウムイオン電池を原料として用い、以下の工程を順次実行して有価金属を製造した。原料の加熱熔融は、内部に電極を備えた電気炉(サブマージドアーク炉)を用いて行った。
(1) Production of valuable metal <<Example 1>>
Using a waste lithium ion battery as a raw material, the following steps were sequentially performed to produce a valuable metal. The raw material was heated and melted using an electric furnace (submerged arc furnace) equipped with electrodes inside.

[廃電池前処理工程、粉砕工程(準備工程)]
原料の廃リチウムイオン電池を無害化した後に、破砕機を用いてサイズが5mm以下になるまで粗破砕し、外装缶を構成するアルミニウム(Al)と鉄(Fe)を、アルミニウム選別機、磁力選別機を使用して分別し、その後、振とう篩機を使用して篩い上である箔状物と、篩い下である粉状物を得た。
[Waste battery pretreatment process, pulverization process (preparation process)]
After detoxifying the raw material waste lithium ion battery, it is roughly crushed using a crusher to a size of 5 mm or less, and the aluminum (Al) and iron (Fe) that make up the outer can are separated by an aluminum sorter and a magnetic force sorter. After that, a shaking sieve machine was used to obtain a foil-like substance above the sieve and a powdery substance below the sieve.

[予備加熱工程]
得られた粉状物を800℃で予備加熱(酸化焙焼)してカーボンを除去し、予備加熱物(酸化焙焼物)を得た。なお、予備加熱物のカーボン含有量は1質量%未満であった。
[Preheating step]
The resulting powdery material was preheated at 800° C. (oxidizing roasting) to remove carbon, thereby obtaining a preheated material (oxidizing roasting material). The carbon content of the preheated product was less than 1% by mass.

[還元熔融工程]
得られた予備加熱物と箔状物との合計50kgに対し、還元剤としてカーボン粉1.14kgを添加し、さらにフラックスとして炭酸カルシウム(CaCO)7.52kgを添加した。還元剤の添加量は、予備加熱物中の銅(Cu)、ニッケル(Ni)、及びコバルト(Co)を還元するのに適切な量になるように調整した。また、フラックスの添加量は、酸化カルシウムとアルミナとが共晶化してスラグの融点を下げる量になるように調整した。
[Reduction melting process]
1.14 kg of carbon powder was added as a reducing agent, and 7.52 kg of calcium carbonate (CaCO 3 ) was added as a flux to a total of 50 kg of the obtained preheated material and foil-like material. The amount of the reducing agent added was adjusted so as to be an appropriate amount for reducing copper (Cu), nickel (Ni), and cobalt (Co) in the preheated material. The amount of flux added was adjusted so that the calcium oxide and alumina eutecticized to lower the melting point of the slag.

次いで、予備加熱物と、還元剤と、フラックスとの混合物を原料として、図1に示されるような電気炉(サブマージドアーク炉)に装入し、スラグ温度1550℃、メタル温度1400℃となる条件で加熱熔融した。これにより、スラグと合金とを得た。 Next, the mixture of the preheated material, the reducing agent, and the flux is charged into an electric furnace (submerged arc furnace) as shown in FIG. It was heated and melted under the conditions. A slag and an alloy were thus obtained.

ここで、電気炉は、その炉内の側壁(炉壁)が断熱煉瓦で構築されており、その内径が800mmであった。また、電気炉は、その内部に3本の黒鉛電極を備えており、定格出力199kVA、最大電圧228Vであった。さらに、黒鉛電極の先端が熔融した合金に接触しないように電極を配置して処理を行った。またさらに、電気炉の側壁にはメタルをタッピングにより排出するためのタップホールが設けられており、炉体上縁部にはスラグを排出するための樋が設けられていた。 Here, the electric furnace had a side wall (furnace wall) in the furnace made of heat-insulating bricks and had an inner diameter of 800 mm. The electric furnace had three graphite electrodes inside, and had a rated output of 199 kVA and a maximum voltage of 228V. Furthermore, the treatment was performed by arranging the electrodes so that the tips of the graphite electrodes did not come into contact with the molten alloy. Furthermore, tap holes for discharging metal by tapping are provided in the side wall of the electric furnace, and a gutter for discharging slag is provided at the upper edge of the furnace body.

[スラグ分離工程]
還元熔融処理ののち、生成したスラグを分離して合金を回収した。このとき、電気炉からのメタルの排出はタップホールから行い、スラグの排出は炉体上縁部に設けられた樋から炉体を傾転することで行った。
[Slag separation process]
After the reduction melting treatment, the produced slag was separated and the alloy was recovered. At this time, the metal was discharged from the electric furnace through a tap hole, and the slag was discharged by tilting the furnace body through a gutter provided at the upper edge of the furnace body.

≪比較例1≫
予備加熱物と、還元剤と、フラックスとの混合物を原料として、この原料に対する加熱熔融処理を、実施例1で用いた電気炉とは異なる電気炉を使用して行った。具体的には、炉の側壁に、メタルを排出するためのメタルホールと、スラグを排出するためのスラグホールとが設けられている電気炉を用い、メタル、スラグのそれぞれの電気炉からの排出を、各タップホールを介したタッピングにより行った。なお、それ以外は実施例と同様にして有価金属を製造した。
<<Comparative Example 1>>
A mixture of a preheated material, a reducing agent, and a flux was used as a raw material, and an electric furnace different from the electric furnace used in Example 1 was used to heat and melt this raw material. Specifically, an electric furnace having a metal hole for discharging metal and a slag hole for discharging slag on the side wall of the furnace is used, and metal and slag are discharged from the electric furnace. was performed by tapping through each tap hole. Valuable metals were produced in the same manner as in Examples except for the above.

(2)評価
実施例1、比較例1での処理について、各種特性の評価を以下に示すとおりに行った。
(2) Evaluation Various properties of the treatments in Example 1 and Comparative Example 1 were evaluated as follows.

[成分分析]
予備加熱物、及び冷却後の合金とスラグを粉砕し、それぞれについて蛍光X線により成分分析を行った。また、各元素の含有量から、合金及びスラグのそれぞれへの分配率を算出した。
[Component analysis]
The preheated material and the alloy and slag after cooling were pulverized, and component analysis was performed on each of them by fluorescent X-rays. Also, from the content of each element, the distribution ratio to each of the alloy and slag was calculated.

[耐火物熔損量]
還元熔融工程での処理(還元熔融処理)で用いた電気炉の炉壁を構成する耐火物の熔損量を目視にて評価した。
[Amount of refractory melt]
The amount of melt loss of the refractory material constituting the furnace wall of the electric furnace used in the reduction melting process (reduction melting process) was visually evaluated.

(3)結果
下記表1に、実施例1、比較例1で得られた予備加熱物の組成を示す。予備加熱物は、主として、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、アルミニウム(Al)、リチウム(Li)、鉄(Fe)、及びマンガン(Mn)を含み、それ以外に微量のリン(P)とケイ素(Si)を含んでいた。なお、表1に示す組成は、「質量%」での値である。
(3) Results Table 1 below shows the compositions of the preheated materials obtained in Example 1 and Comparative Example 1. The preheated material mainly contains copper (Cu), nickel (Ni), cobalt (Co), aluminum (Al), lithium (Li), iron (Fe), and manganese (Mn), and a small amount of It contained phosphorus (P) and silicon (Si). The composition shown in Table 1 is a value in "% by mass".

Figure 2023028122000002
Figure 2023028122000002

また、下記表2に、各元素の合金とスラグへの分配率を示す。表2に示されるように、有価金属である銅(Cu)、ニッケル(Ni)、及びコバルト(Co)は、高い分配率で合金(メタル)へ分配されていた。これに対して、マンガン(Mn)、リン(P)、アルミニウム(Al)、リチウム(Li)、ケイ素(Si)、及びカルシウム(Ca)は、その大部分がスラグへと分配されていた。このことより、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、及びコバルト(Co)の回収率はいずれも高く、またマンガン(Mn)及びリン(P)等の除去したい成分は、合金からほぼ除去できることが確認された。 Table 2 below shows the distribution ratio of each element to the alloy and slag. As shown in Table 2, the valuable metals copper (Cu), nickel (Ni), and cobalt (Co) were partitioned into the alloy (metal) at high partition ratios. In contrast, manganese (Mn), phosphorus (P), aluminum (Al), lithium (Li), silicon (Si), and calcium (Ca) were mostly partitioned into the slag. From this, the recovery rate of copper (Cu), nickel (Ni), and cobalt (Co) is all high, and the components to be removed such as manganese (Mn) and phosphorus (P) can be almost removed from the alloy. confirmed.

Figure 2023028122000003
Figure 2023028122000003

また、下記表3に、実施例1、比較例1のそれぞれについての、合金中リン(P)の含有量、コバルト(Co)の合金への分配率、及び耐火物の熔損量を示す。表3に示されるように、実施例1で用いられた電気炉と比較例1で用いられた電気炉のいずれであっても、コバルト(Co)回収率は95%超と高く、また合金中のリン(P)品位は0.001質量%未満となり、良好な結果が得られた。 Table 3 below shows the content of phosphorus (P) in the alloy, the distribution ratio of cobalt (Co) to the alloy, and the amount of refractory melt loss for each of Example 1 and Comparative Example 1. As shown in Table 3, in both the electric furnace used in Example 1 and the electric furnace used in Comparative Example 1, the cobalt (Co) recovery rate was as high as over 95%, and Phosphorus (P) grade was less than 0.001% by mass, and good results were obtained.

一方で、耐火物の熔損に関して、比較例1で用いた電気炉では、スラグホール煉瓦のホール内側の熔損が、延べ50kg×6回の処理で4mmであった。これに対し、実施例1で用いた電気炉では、電気炉の炉体上縁部に設けられた樋のマグネシアの熔損は、延べ50kg×6回の処理で1mmと僅かであることが分かった。この損耗の程度については、比較例1では延べ50kg×30回の処理でスラグホール煉瓦の積み替えが必要となる損耗であり、それに対して実施例1では上縁部に設けられた樋の定期的な小補修で済む程度の損耗であった。 On the other hand, with respect to the melting damage of the refractory, in the electric furnace used in Comparative Example 1, the melting damage inside the hole of the slag hole bricks was 4 mm after processing 50 kg in total 6 times. On the other hand, in the electric furnace used in Example 1, the melting damage of the magnesia in the gutter provided at the upper edge of the furnace body of the electric furnace was as small as 1 mm after processing 50 kg in total 6 times. rice field. Regarding the extent of this wear and tear, in Comparative Example 1, the slag hole bricks need to be reloaded after a total of 50 kg x 30 treatments. The damage was such that only minor repairs were necessary.

このように、実施例1の方法によれば、還元熔融処理を行うための電気炉の損耗を効果的に抑制しながら、効果的に有価金属を製造することができることが分かった。 As described above, according to the method of Example 1, it was found that valuable metals can be produced effectively while effectively suppressing the wear and tear of the electric furnace for performing the reduction melting treatment.

Figure 2023028122000004
Figure 2023028122000004

1 電気炉(サブマージドアーク炉)
1A 炉体
11 炉壁及び炉床
11a 炉体上縁部
12 電極
13 投原管(原料投入管)
14 樋
15 メタルホール
2 原料
3 スラグ
4 メタル(合金)
1 electric furnace (submerged arc furnace)
1A Furnace body 11 Furnace wall and hearth 11a Furnace body upper edge 12 Electrode 13 Throw tube (raw material input tube)
14 gutter 15 metal hole 2 raw material 3 slag 4 metal (alloy)

Claims (5)

廃リチウムイオン電池を含む原料から有価金属を製造するための方法であって、
前記原料を熔融炉に装入し、該原料に対して還元熔融処理を施して有価金属を含有する合金とスラグとを含む還元物を得る還元熔融工程と、
前記還元物からスラグを分離して合金を回収するスラグ分離工程と、を有し、
前記還元熔融工程では、前記熔融炉として内部に電極を備えた電気炉を用いて還元熔融処理を施し、
前記スラグ分離工程では、前記電気炉に設けられているタップホールから前記合金を排出し、前記電気炉の炉体上縁部に設けられた樋から、該電気炉本体を傾転することで前記スラグを排出する、
有価金属の製造方法。
A method for producing valuable metals from raw materials including waste lithium ion batteries, comprising:
a reduction melting step of charging the raw material into a melting furnace and subjecting the raw material to a reduction melting treatment to obtain a reduced product containing an alloy containing a valuable metal and slag;
a slag separation step of separating slag from the reduced product and recovering the alloy;
In the reduction melting step, an electric furnace having an electrode inside is used as the melting furnace to perform reduction melting treatment,
In the slag separation step, the alloy is discharged from a tap hole provided in the electric furnace, and the electric furnace body is tilted from a gutter provided at the upper edge of the furnace body of the electric furnace. discharge slag,
A method for producing valuable metals.
前記電気炉は、サブマージドアーク炉である、
請求項1に記載の有価金属の製造方法。
The electric furnace is a submerged arc furnace,
The method for producing a valuable metal according to claim 1.
前記還元熔融工程では、スラグ温度が1500℃以上となるように処理する、
請求項1又は2に記載の有価金属の製造方法。
In the reduction melting step, the slag temperature is treated to be 1500 ° C. or higher.
3. The method for producing a valuable metal according to claim 1 or 2.
前記電気炉への前記原料の装入は、バッチ方式により行う、
請求項1乃至3のいずれかに記載の有価金属の製造方法。
The charging of the raw material into the electric furnace is performed by a batch method,
4. The method for producing a valuable metal according to any one of claims 1 to 3.
前記電気炉は、その炉壁が炭素を含む耐火物により構成されている、
請求項1乃至4のいずれかに記載の有価金属の製造方法。
The electric furnace has a furnace wall made of a refractory containing carbon,
5. The method for producing a valuable metal according to any one of claims 1 to 4.
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