JP5867348B2

JP5867348B2 - 希土類金属回収装置及び希土類金属回収方法

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Publication number: JP5867348B2
Application number: JP2012198447A
Authority: JP
Inventors: 友彦赤堀; 雄宮本; 岡本　正英; 正英岡本; 佐伯　智則; 智則佐伯
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2012-09-10
Filing date: 2012-09-10
Publication date: 2016-02-24
Anticipated expiration: 2032-09-10
Also published as: JP2014051723A

Description

本発明は、希土類金属回収装置及び希土類金属回収方法に関する。

希土類元素は、蓄電池や発光ダイオード、磁石などのエレクトロニクス製品の性能向上に必要不可欠な材料である。希土類元素の代表的用途である希土類磁石（例えば、ＲＥ−Ｆｅ−Ｂ系磁石。ここでＲＥ(rare earth element)はＮｄ、Ｐｒ、Ｄｙ等の希土類金属）は、希土類元素の持つ強力な磁気異方性を生かして残留磁束密度と保磁力がとても強い強力な磁石であり、通常のＯＡ機器、ＭＲＩ装置、自動車部品をはじめ、化学プラントにおけるガスの磁場処理装置等、極めて広範囲な用途に応用されている。

現在、使用済み製品に搭載されている希土類磁石は通常鉄屑として廃棄されている。しかし、廃棄される希土類磁石には、近年安定調達が懸念されている希土類元素が高濃度含有されているため、希土類磁石からの希土類元素リサイクル技術の確立が求められている。

本技術分野の背景技術として、非特許文献１がある。この公報には、「マグネシウム(Ｍｇ)の溶融物は、希土類磁石の主に希土類金属を溶解させ、Ｆｅ−Ｂ合金を溶解させない性質を有する。この性質を用いてＭｇを融点以上の温度に加熱してＭｇを液体(溶融金属)とし、希土類磁石にこの溶融金属を接触させることにより、磁石から主に希土類金属を溶融金属側へ抽出する方法が溶融金属抽出法である。希土類金属を含む溶融金属はタンタル(Ｔａ)製のるつぼに集め、Ｍｇを蒸発させることで希土類金属を得る。」と記載されている。また、特開２００３−１８５３４６号公報（特許文献１）がある。この公報には、「希土類金属、Ｆｅ、Ｂなどの成分金属をるつぼの中に投入して、加熱して溶融した後、急速に凝固して希土類磁石合金を製造する工程などに使用されるるつぼに関して、希土類合金を溶融しても、るつぼの耐火物が溶けて浸食される溶損が少なく寿命が長く、合金の歩留まりを向上できる希土類合金溶解用のるつぼとして、るつぼ本体を構成する耐火物の少なくとも希土類合金と接触する部分に希土類金属酸化物を含む層を形成し、耐火物層は気孔を有し、アルミナ、マグネシア、ジルコニアの少なくとも１種を含むるつぼを提供する。」と記載されている。

特開２００３−１８５３４６号公報

ＭａｔｅｒｉａｌｓＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，２００３，Ｖｏｌ．４４，Ｎｏ．４，ＰＰ．７９８−８０１

前記非特許文献１には、溶融金属抽出法で得た希土類金属を含む溶融金属(Ｍｇ)はＴａ製のるつぼに回収し、これを加熱してＭｇを蒸発させて希土類金属を得ると記載されている。しかし、Ｔａ製のるつぼを希土類金属の回収容器として用いると、Ｔａと希土類金属が金属結合を形成して希土類金属がるつぼに固着する現象が発生し、るつぼから希土類金属を回収するのに固着による損失が発生する。

また、前記特許文献１には、希土類合金を溶融しても歩留まりを向上できるようにアルミナ、マグネシア、ジルコニアの少なくとも１種を含む耐火物層を形成し、その表面に希土類酸化物を含む層を形成する方法が記載されている。しかし、特許文献１に記載のるつぼは磁石鋳造用のるつぼであり、１５００℃まで温度を上昇させるために耐火物層が必要になり、るつぼの構造が単純ではない。

そこで、本発明は、溶融金属抽出法によって得られる希土類金属を、容器への固着を抑え、かつ、不純物を混入させることなく容器から回収することが可能となる装置及び方法を提供する。

上記課題を解決するために本発明では、希土類磁石から希土類金属合金を回収する希土類金属回収装置を、室内を真空引き、またはアルゴンガス雰囲気に変更可能な密閉型装置筺体と、前記装置筺体内に設置され、溶融されたＭｇ−希土類金属合金を収容する希土類金属回収容器と、前記希土類金属回収容器内に設置され、希土類金属抽出後の希土類磁石残成分をＭｇ−希土類金属合金から分離する分離手段と、前記装置筺体内を加熱する加熱手段とを有し、前記希土類金属回収容器は、その素材または内壁表面がボロンナイトライドで構成されることを特徴とする希土類金属回収装置とした。

また、上記課題を解決するために本発明では、希土類磁石から希土類金属合金を回収する希土類金属回収方法において、希土類金属回収容器内で、希土類金属を有する希土類磁石から，溶融した液体のマグネシウムに前記希土類金属を抽出させる抽出工程と，前記希土類金属が抽出された磁石と，前記希土類金属を溶解させた液体のマグネシウムとを分離する分離工程と，前記希土類金属回収容器内の前記分離された希土類金属を含む液体のマグネシウムから，前記マグネシウムを気化させるマグネシウム気化工程と、前記マグネシウム気化工程後に、前記希土類金属回収容器内に残された前記希土類金属を回収する希土類金属回収工程とを有し、前記希土類金属回収容器は、その素材または内壁表面がボロンナイトライドで構成されるようにした。

本発明によれば、溶融金属抽出法によって得られる希土類金属を、容器への固着を抑えて容器から回収することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

希土類金属回収装置の構成図の例である。希土類金属回収方法を説明するフローチャートの例である。希土類金属回収方法のマグネシウム気化工程を説明する模式図である。希土類金属回収方法の希土類金属回収工程を説明する模式図である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

本実施例では、使用済み製品などから収集された希土類磁石などをリサイクル原料として希土類金属合金を抽出するための回収容器から、容易に希土類金属を回収可能とする希土類金属回収装置及び希土類金属回収方法の例を説明する。
図１は、本実施例の希土類金属回収装置の構成図の例である。

希土類金属回収装置１００は、装置筺体１０１、ヒーター１０２、バルブ１０３、フィルター１０４、真空ポンプ１０５、リサイクル原料を投入する鉄鋼製の網カゴの上下移動機構１０６を少なくとも有する。

装置筺体１０１は、室内を真空ポンプ１０５により真空引きすることにより大気を排除して、バルブ１０３を切替えることによりアルゴンガス導入配管１０８よりアルゴンガスを室内に供給してアルゴンガス雰囲気で希土類金属抽出処理を行なうように密閉型筐体となっている。アルゴンガスは排気口１０７より廃棄されるが、その先には図示していないが、アルゴンガス回収装置が接続される。また、排気口１０７の先には図示していないが、マグネシウム(Ｍｇ)の回収装置が接続される。

装置筺体１０１内には、希土類金属回収容器１０が設置され、またその中に鉄鋼製のカゴ４０が設置される。
本実施例では、前記希土類金属回収容器１０には、その素材が、または内壁表面がボロンナイトライド、もしくはマグネシア、もしくはアルミナの少なくとも１種で構成された容器を用いる。

ヒーター１０２は、装置筺体１０１内を加熱する役割を持つ。バルブ１０３は、装置筺体１０１の内部を、真空ポンプ１０５やアルゴンガス導入配管１０８と接続・切替え・開閉する役割を持ち、バルブの開き具合によって装置筺体１０１の内部は真空ポンプ１０５やアルゴンガス導入配管１０８と接続される。フィルター１０４は、装置筺体１０１内部の物質が真空ポンプ１０５内に混入しないようトラップする役割を持つ。真空ポンプ１０５は、装置筺体１０１の内部の空気、ガスを排出し真空状態を形成する役割を持つ。

図２は、本発明の希土類金属回収装置を使用して実施される希土類金属回収の処理を説明するフローチャートの例である。
ステップＳ１では、使用済み製品などから収集された希土類磁石、およびマグネシウム(Mg)(固体)をリサイクル原料として、前記装置筺体１０１内に設置された前記希土類金属回収容器１０の前記鉄鋼製のカゴ４０内へ投入される。

ステップＳ２では、バルブ１０３を解放して、真空ポンプ１０５で装置筺体１０１内を真空引きした後、バルブ１０３を切替えてアルゴンガスを装置筺体１０１内へ継続して供給する。ヒーター１０２により装置筺体１０１内を加熱して、650℃以上、および1000℃以下の第１の設定温度になるように制御する。マグネシウム(固体)の融点が650℃であることから、第１の設定温度ではマグネシウムは液体となり、希土類磁石２０がマグネシウム(Ｍｇ)(液体)３０に浸漬された図１の状態となる。
第１の設定温度を650℃以上とするのは、マグネシウムの融点が650℃であるからであり、1000℃以下とするのは、抽出工程での希土類磁石からのFeの溶出を極力抑制するためである。

第１の設定温度に維持されて、アルゴンガス雰囲気中で、希土類磁石に含まれる希土類金属成分がＭｇ(液体)３０に溶け出して、抽出され、Ｍｇ−希土類金属合金３２が生成される。この抽出工程の所要時間は、カゴ４０内へ投入された希土類磁石の表面積の大小に依存して変わり、例えば希土類磁石を細かく分割して投入すると表面積が大きくなり、抽出工程時間は短くなる。例えば、希土類金属抽出時間は６時間を設定している。

ステップＳ３では、希土類磁石より希土類金属が十分に抽出された後、鉄鋼製カゴ４０を上下移動機構１０６により引き上げて、希土類磁石の残成分(鉄およびホウ素を主成分とする合金)２１をＭｇ−希土類金属合金３２から分離する。

ステップＳ４では、バルブ１０３を切替えてアルゴンガスの供給を止めて、真空ポンプ１０５で装置筺体１０１内を真空引きする。および、装置筺体１０１内を第２の設定温度になるように、ヒーター１０２によって一定時間、加熱状態にする。
ヒーターの設定温度は、Ｍｇの融点よりわずかに高い温度、例えば、６６０℃として加熱する。Ｍｇの融点よりわずかに高い温度に設定するのは、Ｍｇのみを液化させ、蒸発を促すためである。希土類金属の融点、例えばＮｄの融点の１０２４℃まで上げてしまうと、Ｎｄも蒸発し回収ができなくなる可能性があるため、設定温度は希土類金属の融点より低い温度に設定するのが良い。

本実施例が対象とする希土類金属の回収処理では、加熱温度を希土類金属の融点には達しない温度に制御することが重要であり、加熱温度は高くても１０００℃程度なので、特許文献１の実施例のように希土類金属の原料全てを溶融させて合金を形成する用途とは異なり、希土類金属回収容器に多孔質の耐火物層を設けなくても、十分に熱膨張に耐えられる。そのため、本実施例の希土類金属回収容器の素材は、希土類磁石製造工程で希土類磁石合金を溶解するための「るつぼ」には、加熱による熱膨張によって「るつぼ」の耐火物が割れることを防ぐため、通常気孔率20％程度の気孔を設けているが、本実施例の希土類金属回収容器の素材には気孔を設けずに容器を作成する。または容器の内壁表面の層には気孔を設けない。これにより、溶融したＭｇ−希土類金属合金が気孔を通じて容器の素材中へ浸透して、容器の寿命を短くしたり、希土類金属が気孔中の酸素と反応して酸化物となり、その分だけ歩留まりを低下させることを防ぐ効果がある。

前記第２の設定温度まで装置筺体１０１の内部の温度が上昇したら、バルブ１０３を調整して真空ポンプ１０５と装置筺体１０１を接続し、真空ポンプ１０５により装置筺体１０１の内部を真空状態にして加熱状態で一定時間保持する。この時、図３に示すように、希土類金属回収容器１０内に残されたＭｇ−希土類金属合金３２のうち、Ｍｇは気化して、Ｍｇ(気体)３０となって装置筺体１０１の上部に移動し、Ｍｇ(気体)３１は排出口１０７より図示していないＭｇ回収装置へ移動している状態を示している。Ｍｇ(気体)３１は、図示していないＭｇ回収装置で冷却されることにより凝縮または固化されてＭｇ(固体)として回収される。
Ｍｇ−希土類金属合金中より、Ｍｇ量が減少し続けると、Ｍｇ−希土類金属合金３２は固化するが、Ｍｇは昇華により気化される。最終的に、希土類金属合金３３が希土類金属回収容器１０内に残留する。

なお、Ｍｇ(気体)３１は真空ポンプ１０５の方にも移動する可能性があるが、フィルター１０４によって真空ポンプ１０５への移動を防ぐことができる。
また、保持する温度については、一定時間経過後に変更するなどの措置をとってもよいが、設定温度は希土類金属の融点より低い温度とする。

ステップＳ５では、希土類金属回収容器１０内のＭｇを蒸発させた後、ヒーター１０２による加熱を止め、バルブ１０３を調整してアルゴンガス配管１０８と装置筺体１０１を接続し、Ａｒガスを装置筺体１０１の内部に導入しながら装置筺体１０１内の温度が常温である25℃程度になるまで冷却する。

装置筺体１０１内の温度が常温である２５℃程度となったら希土類金属回収容器１０から希土類金属合金３３を取り出す。取り出しに用いる器具は薬さじ等を用いてよく、特に限定しない。

上記各ステップを実施することで、希土類金属合金３３を回収することが可能となる。本実施例で示したステップに従い、希土類磁石、およびマグネシウム(Ｍｇ)(固体)をボロンナイトライド、マグネシア、アルミナ製の３種の希土類金属回収容器１０に入れ、ステップＳ４において、第２の設定温度を７００℃、その保持時間を７時間として希土類金属回収処理を行ったところ、Ｔａ製のるつぼを用いて回収処理を行った場合、るつぼ内に残留した希土類金属合金３３のうち、るつぼ外に取り出せたのは２３．５％であったが、ボロンナイトライド製るつぼで７５．８％、マグネシア製るつぼで４４．８％、アルミナ製るつぼで５７．８％となり上記の希土類金属回収容器１０の３種とも、より多くの希土類金属合金３３を回収することができた。

本発明の希土類金属回収装置１００を用いて回収した希土類金属合金３３は、希土類磁石の原料とすることができ、当該希土類金属合金にＦｅ、Ｂ、希土類金属などの磁石を構成する元素を加えて磁石の製造工程に投入することで、新たに希土類磁石を製造することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１０希土類金属回収容器
２０希土類磁石
２１鉄およびホウ素を主成分とする合金
３０Ｍｇ(液体)
３１Ｍｇ(気体)
３２Ｍｇ−希土類金属合金
３３希土類金属合金
４０鉄鋼製の網カゴ
１００希土類金属回収装置
１０１装置筺体
１０２ヒーター
１０３バルブ
１０４フィルター
１０５真空ポンプ
１０６網カゴの上下移動機構
１０７排出口
１０８アルゴンガス供給口

Claims

希土類磁石から希土類金属合金を回収する希土類金属回収装置であって、
室内を真空引き、またはアルゴンガス雰囲気に変更可能な密閉型装置筺体と、
前記装置筺体内に設置され、溶融されたＭｇ−希土類金属合金を収容する希土類金属回収容器と、前記希土類金属回収容器内に設置され、希土類金属抽出後の希土類磁石残成分をＭｇ−希土類金属合金から分離する分離手段と、
前記装置筺体内を加熱する加熱手段と、
を有し、
前記希土類金属回収容器は、その素材または内壁表面がボロンナイトライドで構成されることを特徴とする希土類金属回収装置。
希土類磁石から希土類金属合金を回収する希土類金属回収装置であって、
室内を真空引き、またはアルゴンガス雰囲気に変更可能な密閉型装置筺体と、
前記装置筺体内に設置され、溶融されたＭｇ−希土類金属合金を収容する希土類金属回収容器と、
前記希土類金属回収容器内に設置され、希土類金属抽出後の希土類磁石残成分をＭｇ−希土類金属合金から分離する分離手段と、
前記装置筺体内を加熱する加熱手段と、
を有し、
前記希土類金属回収容器は、その素材または内壁表面が気孔を有さないマグネシアまたはアルミナの少なくとも１種で構成されることを特徴とする希土類金属回収装置。
希土類金属回収容器内で、希土類金属を有する希土類磁石から、溶融した液体のマグネシウムに前記希土類金属を抽出させる抽出工程と、
前記希土類金属が抽出された磁石と、前記希土類金属を溶解させた液体のマグネシウムとを分離する分離工程と、
前記希土類金属回収容器内の前記分離された希土類金属を含む液体のマグネシウムから、前記マグネシウムを気化させるマグネシウム気化工程と、
前記マグネシウム気化工程後に、前記希土類金属回収容器内に残された前記希土類金属を回収する希土類金属回収工程と、
を有し、
前記希土類金属回収容器は、その素材または内壁表面がボロンナイトライドで構成されることを特徴とする希土類金属回収方法。
希土類金属回収容器内で、希土類金属を有する希土類磁石から、溶融した液体のマグネシウムに前記希土類金属を抽出させる抽出工程と、
前記希土類金属が抽出された磁石と、前記希土類金属を溶解させた液体のマグネシウムとを分離する分離工程と、
前記希土類金属回収容器内の前記分離された希土類金属を含む液体のマグネシウムから、前記マグネシウムを気化させるマグネシウム気化工程と、
前記マグネシウム気化工程後に、前記希土類金属回収容器内に残された前記希土類金属を回収する希土類金属回収工程と、
を有し、
前記希土類金属回収容器は、その素材または内壁表面が気孔を有さないマグネシウムまたはアルミナの少なくとも１種で構成されることを特徴とする希土類金属回収方法。
前記マグネシウム気化工程において、前記希土類金属回収容器に収容されたＭｇ−希土類金属合金の加熱設定温度を７００℃、その保持時間を７時間としたことを特徴とする請求項３、または請求項４に記載の希土類金属回収方法。