JP6017179B2 - Method for recovering metal from metal oxide waste and apparatus for carrying out the method - Google Patents
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Description
本発明は、金属酸化物系廃棄物からの金属の回収方法、特にマンガン酸化物系廃棄物からのマンガン系合金の回収方法と、その方法の実施に適した溶融還元装置に関するものである。 The present invention relates to a method for recovering a metal from a metal oxide waste, in particular, a method for recovering a manganese alloy from a manganese oxide waste, and a smelting reduction apparatus suitable for carrying out the method.
リチウムイオン二次電池は、軽量で高電気容量であることから、各種携帯機器用二次電池として利用されているが、その正極活物質はコバルト酸リチウムが主流であった。
最近では、コバルト酸リチウムに比肩し得る特性を有するマンガン酸リチウムを正極材に使用したリチウムイオン二次電池が開発されている。特にマンガン系正極材はリチウムが充電の際に正極から抜けても基本構造が残るスピネル構造になっているため、安定性が高く、耐久性や安全性に優れている。また、マンガンはコバルトに比べて地金価格が安いことから、今後飛躍的な市場拡大が見込まれている自動車向けリチウムイオン電池の立ち上がり時には、マンガン系正極材が主力になると予想されている。
Lithium ion secondary batteries are lightweight and have high electric capacity, and thus are used as secondary batteries for various portable devices. However, lithium cobalt oxide is the mainstream as the positive electrode active material.
Recently, lithium ion secondary batteries using lithium manganate having characteristics comparable to lithium cobaltate as a positive electrode material have been developed. In particular, the manganese-based positive electrode material has a spinel structure in which the basic structure remains even when lithium is removed from the positive electrode during charging, and thus has high stability and is excellent in durability and safety. In addition, since manganese is cheaper than cobalt, manganese-based positive electrode materials are expected to become the mainstay when lithium-ion batteries for automobiles are expected to expand dramatically in the future.
ところで、マンガン自体は、従来からマンガン電池やアルカリマンガン乾電池の正極材料として使用されていたが、上記したように地金価格が安く工業的規模での回収・再利用は採算が取れないために行われておらず、ほとんど埋め立てにより廃棄処分されていた。
しかしながら、上記のように今後、自動車用に利用されるようになれば、使用済み製品、製品屑(仕損品)、電池の製造工程で発生する製造工程屑及び電池製造設備の洗浄時に発生するスラッジ等の形態で大量のマンガン酸化物系廃棄物が出ることになり、埋め立て場所も限界に来つつあることから、従来と同じように廃棄処分することは最早許されない。
By the way, manganese itself has traditionally been used as a positive electrode material for manganese batteries and alkaline manganese dry batteries. However, as mentioned above, the price of bullion is low and it cannot be recovered and reused on an industrial scale. It wasn't clear and was almost disposed of by landfill.
However, as described above, if it is used for automobiles in the future, it will be generated at the time of cleaning used products, product scraps (scraps), manufacturing process scraps generated in the battery manufacturing process, and battery manufacturing equipment. Since a large amount of manganese oxide waste is produced in the form of sludge and the landfill site is approaching its limit, it is no longer allowed to dispose of it in the same way as before.
而して、リチウムイオン二次電池関係からの金属の回収方法は従来から幾つも提案されているが、殆どが地金価格の高いコバルトやニッケルが回収対象になっている。また、特許文献1ではコバルト等だけでなくマンガンも回収対象の一つになっているが、この特許文献1を含めて従来の回収方法としては、いずれも酸溶解により溶媒抽出させる湿式製錬法が提案されているが、湿式製錬法は、装置規模が大きくその分がコストに上乗せされることから、コスト面から地金価格の安いマンガンの回収には、適していないと言える。
Thus, a number of methods for recovering metals from lithium ion secondary batteries have been proposed, but most of them are cobalt and nickel, which are expensive in metal price. Further, in
地金価格の安いマンガンと言えども、資源の有効活用の点から廃棄は極力避けるべきであり、湿式製錬では純金属として回収しているが、必ずしも純金属である必要はなく、例えば、マンガンベースの含ニッケル合金ならば、ステンレス鋼製造用の添加合金として利用可能である。
それ結え、本発明は、新規且つコストパフォーマンスの高い有用な回収方法と、その方法を実施するのに適した装置を提供することを、その目的とする。
Even if the price of manganese is low, disposal should be avoided as much as possible from the viewpoint of effective utilization of resources. Although it is recovered as pure metal in hydrometallurgy, it is not necessarily pure metal. The base nickel-containing alloy can be used as an additive alloy for producing stainless steel.
Nevertheless, an object of the present invention is to provide a new and cost-effective useful recovery method and an apparatus suitable for carrying out the method.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、請求項1の発明は、金属酸化物系廃棄物から溶融還元により金属を合金乃至金属として回収する、金属酸化物系廃棄物からの金属回収方法において、炉本体を傾動させ、炉本体を水平姿勢にした時に回転させながら酸素バーナーからの火炎により廃棄物を溶解し、その後前記炉本体を直立姿勢にした時に還元材を装入すると共に底側から不活性ガスを噴出させて廃棄物の還元を促進させることを特徴とする金属回収方法である。
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and the invention of
請求項2の発明は、請求項1に記載した金属酸化物系廃棄物からの金属回収方法において、リチウムイオン二次電池の正極箔屑を破砕し粒度でふるい分けして粒度の小さい方と大きい方とに予め分離しておき、粒度の小さい方を、金属酸化物系廃棄物として、溶融還元処理に供し、粒度の大きい方を、電極母材であるアルミニウムが優位な還元材として、前記溶融還元処理中に装入して、マンガンベースの含ニッケル合金として回収することを特徴とする金属回収方法である。
The invention according to
請求項3の発明は、請求項1または2に記載した金属酸化物系廃棄物からの金属回収方法を実施する溶融還元装置であって、筒状の炉本体と、傾動により炉本体の姿勢を変更する炉本体姿勢変更手段と、前記炉本体の水平姿勢時にその軸芯周りに回転させる回転手段と、前記水平姿勢時にその軸方向一端側開口部に進退可能に対向する酸素バーナーと、前記炉本体の直立姿勢時に底部をなす軸方向他端側に不活性ガスを吹き込むバブリング手段とを備え、前記水平姿勢時には酸素バーナーが作動すると共に前記炉本体が回転して溶融を促し、前記直立姿勢時には還元材の装入と前記バブリング手段の動作により還元を促すことを特徴とする溶融還元装置である。
The invention of
請求項4の発明は、請求項3に記載した溶融還元装置において、炉本体姿勢変更手段は、炉本体を両側からそれぞれ回動自在に支持する一対の回動支持手段によって構成されており、各回動支持手段は、前記炉本体を回動自在に持ち上げ支持する持上げ支点部と、ベースと、前記ベースに下端側が回動自在に支持され、上端側が前記炉本体の外面に回動自在に固定され、軸方向に間隔をおいて前記持上げ支点部の両側に配置された流体圧シリンダーとで構成され、前記一対の流体圧シリンダーのリンク動作により前記炉本体が回動することを特徴とする溶融還元装置である。 According to a fourth aspect of the present invention, in the smelting reduction apparatus according to the third aspect, the furnace body posture changing means is constituted by a pair of rotation support means for rotatably supporting the furnace body from both sides. The dynamic support means includes a lifting fulcrum portion that lifts and supports the furnace body, a base, and a lower end that is pivotally supported by the base, and an upper end that is pivotally fixed to the outer surface of the furnace body. And a fluid pressure cylinder disposed on both sides of the lifting fulcrum at an interval in the axial direction, and the furnace body is rotated by a link operation of the pair of fluid pressure cylinders. Device.
請求項5の発明は、請求項3または4に記載した溶融還元装置において、バブリング手段は不活性ガスと空気とを切換えて択一的にガスを供給する構成になっており、炉本体の水平姿勢と直立姿勢との間で所定の傾動角度になったときに、供給ガスを切換えることを特徴とする溶融還元装置である。 According to a fifth aspect of the present invention, in the smelting reduction apparatus according to the third or fourth aspect, the bubbling means is configured to selectively supply the gas by switching between the inert gas and the air, The smelting reduction apparatus is characterized in that the supply gas is switched when a predetermined tilt angle is obtained between the posture and the upright posture.
本発明の回収方法によれば、金属酸化物系廃棄物、特にリチウムイオン二次電池由来の廃棄物から、コストパフォーマンスの高い方式でマンガン系合金を回収できる。 According to the recovery method of the present invention, manganese-based alloys can be recovered from metal oxide wastes, particularly wastes derived from lithium ion secondary batteries, in a cost-effective manner.
回収対象のマンガン酸化物系廃棄物で、代表的なものは、リチウムイオン二次電池の正極箔屑である。
正極箔は、粉末状の正極活物質に導電材のカーボンとバインダー(例えばポリフッ化ビニリデン(PVDF))を加え、N−メチル−2−ピロリドンを溶剤としてスラリーを作製し、作製したスラリーをアルミニウム箔に塗布したものである。正極活物質は、マンガン酸化物系の場合にはスピネル型構造のLiMn2O4やジグザグ層状構造のLiMnO2が用いられており、さらに層状岩塩型構造のLiCoO2、LiCo1−XNiXO2、LiNiO2等が加えられているものもある。
A typical example of the manganese oxide-based waste to be collected is positive electrode foil waste of a lithium ion secondary battery.
The positive electrode foil is prepared by adding a conductive material carbon and a binder (for example, polyvinylidene fluoride (PVDF)) to a powdered positive electrode active material and preparing a slurry using N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent. It was applied to. In the case of manganese oxide, the positive electrode active material is LiMn 2 O 4 having a spinel structure or LiMnO 2 having a zigzag layer structure, and LiCoO 2 or LiCo 1-X Ni X O having a layered rock salt structure. 2 , LiNiO 2 etc. are added.
正極箔はニッケルが有意的な量で含まれている場合が多いので、これを合金源として利用すれば、溶融する際には合金化して液相点が下がり、比較的低温下で回収作業を進められる。また、マンガンベースの含ニッケル合金として回収されるので、ステンレス鋼への添加材として有効活用できる。さらに、正極箔には電極としてアルミニウムが含まれている場合があるので、これを還元材のアルミニウム源として利用できる。 Since the positive foil often contains a significant amount of nickel, if this is used as an alloy source, it will be alloyed when melted to lower the liquidus point and be recovered at a relatively low temperature. It is advanced. Moreover, since it is recovered as a manganese-based nickel-containing alloy, it can be effectively used as an additive to stainless steel. Furthermore, since the positive electrode foil may contain aluminum as an electrode, it can be used as an aluminum source for the reducing material.
正極箔屑は、図1に示した金属回収設備1を利用して、マンガンベースの含ニッケル合金として効率良く回収できる。
金属回収設備1は、溶融還元装置3と回収部89を中心として、更に、破砕部97、貯留部99、及び搬送コンベヤ101を備えており、正極箔屑を破砕部97で二段階に分けて破砕し、ふるい分けした上で粒度の大きい方を電極母材であるアルミニウムが優位な還元材と、還元対象の金属酸化物とに分離して貯留部99で貯留し、搬送コンベヤ101に載せて搬送して溶融還元装置3に供給して処理に供し、マンガンベースの含ニッケル合金とスラグとに相分離した後に、回収部89にてマンガンベースの含ニッケル合金を回収するようになっている。
The positive electrode foil scraps can be efficiently recovered as a manganese-based nickel-containing alloy using the
The
以下、溶融還元装置3の各部の構成と動作について説明する。
図2で符号5は溶融還元装置3の炉本体を示す。この炉本体5は筒状をしており、軸方向両端側の内面がテーパ状になっている。この図では炉本体5が水平姿勢になっており、炉本体5を直立姿勢にしたときには、図3に示すように、軸方向一端側が上側にきて、他端側が下側に来る。上側に来る一端側は開口部7になっており、下側に来る他端側は炉底部9が設けられて有底状になっている。この炉底部9の軸芯方向中心部には6本のプラグ11が埋め込まれている。炉底部9の外側にはガスホース差込み部13が取り付けられており、このガスホース差込み部13の差込み孔15が上記したプラグ11と連通している。このガスホース差込み部13はスイベルジョイント構造になっており、炉本体5側の軸芯周りの回転に影響されないようになっている。
炉本体5の外周面には、距離をあけて一対の環状のガイドレール17が取り付けられている。
Hereinafter, the configuration and operation of each part of the
In FIG. 2,
A pair of
次に、炉本体5の回転機構を説明する。
図4〜図7に示すように、炉本体5はフレーム体19内に収められている。
図4、図5で符号21はベース側フレームを示し、このベース側フレーム21上にヘリカルベベルギアモーター23が設置されている。このヘリカルベベルギアモーター23の出力軸25の両端側にはカップリング27、27を介して回転軸29、29がそれぞれ締結されている。各回転軸29には駆動ローラ31が連結されている。各回転軸29はベース側フレーム21上に設置された一対の自動調芯ころ軸受33、33に回転自在に支持されており、駆動ローラ31は自動調芯ころ軸受33、33の間に位置している。駆動ローラ31側の回転軸29はベース側フレーム21の一端側寄りに延びている。
Next, the rotation mechanism of the
As shown in FIGS. 4 to 7, the
4 and 5,
ベース側フレーム21の他端寄りにも一対の自動調芯ころ軸受33、33が二組設置されている。各一対の自動調芯ころ軸受33、33には回転軸35が回転自在に挿通され支持されており、この回転軸35には従動ローラ37が回転自在に支持されている。この二つの回転軸35、35は一直線状に並んで配されている。また、駆動ローラ31側の回転軸29、29と従動ローラ37側の回転軸35、35は所定の間隔をあけて平行に配されている。
上記配置により、駆動ローラ31と従動ローラ37は、図4で示す方向から見て時計乃至反時計回りに回転できるようになっている。
Two pairs of self-aligning
With the above arrangement, the driving
符号39はガイドローラを示し、このガイドローラ39はベース側フレーム21上に間隔をあけて二つ設置されており、共に駆動ローラ31と従動ローラ37の間に配されている。各ガイドローラ39の軸は円錐ころ軸受41に支持されてベース側フレーム21から垂直に立ち上がっており、各ガイドローラ39は、図5で示す方向から見て時計乃至反時計回りに回転できるようになっている。
図4、6で符号43はトップ側フレームを示し、このトップ側フレーム43にも、上記したベース側フレーム21側の一対のガイドローラ39、39に対向して一対のガイドローラ39、39が設置されている。
また、符号45は調整ローラを示し、この調整ローラ45はトップ側フレーム43の四隅にそれぞれ回転可能に支持されている。各調整ローラ45は、図4で示す方向から見て時計乃至反時計回りに回転できるようになっている。
4 and 6,
図7で符号47はサイド側フレームを示し、このサイド側フレーム47にも同様に一対のガイドローラ39、39が設置され、その反対側のサイド側フレーム47にも対向して同様に一対のガイドローラ39、39が設置されている。
In FIG. 7,
炉本体5は、ベース側フレーム21側の一対の駆動ローラ31、31と一対の従動ローラ37、37上に、図4から見て軸方向一端側の開口部7が正面を向くように水平姿勢で載せられて支持されており、また、ベース側フレーム21、トップ側フレーム43、両サイド側フレーム47にそれぞれ設置された一対のガイドローラ39、39が、炉本体5の外面にある環状のガイドレール17、17に内方側から当たって炉本体5の位置ずれが規制されている。さらに、炉本体5が熱膨張した場合には、トップ側フレーム43の調整ローラ45に当たって位置ずれが規制される。このように、炉本体5はフレーム体19内で三次元方向から安定的に支持されている。この状態で、ヘリカルベベルギアモーター23から回転力を、出力軸25、カップリング27、及び回転軸29を介して受けて、回転手段としての駆動ローラ31、31が回転し、それに追従して従動ローラ37、37が回転することで、炉本体5がその軸芯周りに回転する。
The
次に、炉本体5の回動機構を説明する。
炉本体5の胴部を挟んでその両側には、図4に示すように、一対の脚部49、49が配置されており、各脚部49の上端側に自動調芯ころ軸受51が設置されている。
炉本体5の外面の中間部には軸方向に直交して一対の支持軸53、53が一直線を為すようにそれぞれ連結されており、各支持軸53は上記した自動調芯ころ軸受51に回転自在に支持されている。従って、支持軸53と自動調芯ころ軸受51とで炉本体5の持上げ支点部が構成されている。
Next, the rotation mechanism of the
As shown in FIG. 4, a pair of
A pair of
図4で符号55は油圧シリンダーを示し、可動部57を上側にして立った状態で配置されている。図7に示すように、脚部49の足元側に延出したベース59には取付部61が設置されており、この取付部61に油圧シリンダー55の下端部が回動自在に軸支されている。また、上端部は炉本体5の外面に対して回動自在に軸支されている。上記した構成で、炉本体5の胴部の両側で一対の油圧シリンダー55、55がそれぞれ一方の支持軸53を挟んで対向状態で配されている。
In FIG. 4,
従って、図8に示すように、炉本体5の胴部の両側に一対の油圧シリンダー55、55と炉本体5とを要素とするリンク機構がそれぞれ構成されている。
一対の油圧シリンダー55のうち、一方を上昇傾動シリンダー55Lとして上昇傾動のときの原動シリンダーとし、他方を下降傾動シリンダー55Rとして下方傾動のときの原動シリンダーとしている。炉本体5の胴部を挟んで、上昇傾動シリンダー55Lどうし、下降傾動シリンダー55Rどうしが対向している。
上昇傾動シリンダー55Lと下降傾動シリンダー55Rは択一的に原動しており、原動しない側のシリンダーは追従する。従って、いずれか一方の油圧シリンダー55の原動により、上昇傾動シリンダー55Lと下降傾動シリンダー55Rは共に回動しながら伸縮し、すなわちリンク動作して炉本体5が支持軸53を支点として回動する。
Therefore, as shown in FIG. 8, a link mechanism including a pair of
Of the pair of
The ascending
炉本体5の胴部の両側のリンク機構のリンク動作により、図8に示すように、炉本体5がフレーム体19ごと回動して姿勢が変更される。
図8(1)は、溶解時・待機時で、炉本体5が水平姿勢になっている。このときは、下降傾動シリンダー55Rに油圧が供給されて矢印に示すように伸長している。
図8(2)は、材料受入への姿勢変更時で、炉本体5が開口部7を上側にすべく後傾している。このときは、上昇傾動シリンダー55Lに油圧が供給されて矢印に示すように伸長している。
図8(3)は、材料受入・還元時で、炉本体5が直立姿勢になっている。このときは、上昇傾動シリンダー55Lに油圧が供給されて矢印に示すように伸長している。
図8(4)は、出湯への姿勢変更時で、炉本体5が開口部7を下側にすべく前傾している。このときは、下降傾動シリンダー55Rに油圧が供給されて矢印に示すように伸長している。
図8(5)は、出湯時で、炉本体5が開口部7を下側にして大きく前傾している。このときは、下降傾動シリンダー55Rに油圧が供給されて矢印に示すように伸長している。
As shown in FIG. 8, the
FIG. 8 (1) shows the
FIG. 8 (2) shows the change of the posture to accept the material, and the
FIG. 8 (3) shows the
FIG. 8 (4) shows that the
FIG. 8 (5) shows the time when the hot water is discharged, and the
図9は、ガスの供給手段を示し、このガス供給手段のガスホース63が、上記した炉本体5の炉底部9の外側に取り付けられたガスホース差込み部13に差し込まれている。このガスホース63には、不活性ガスとしてのアルゴンガスの供給経路65と空気の供給経路67とが途中で合流して1本になっている。アルゴンガスの供給経路65と空気の供給経路67にはそれぞれ電磁弁69、69が介挿されており、これらの択一的な開閉動作により炉底部9側から炉本体5内にアルゴンガスまたは空気が択一的に供給されるようになっている。アルゴンガスは還元の促進用に高圧で供給されるものであり、流量調整弁71で流量を調整する。
上記したガス供給手段とそれに接続された炉底部9を貫通するプラグ11によってバブリング手段が構成されている。
FIG. 9 shows a gas supply means, and a
Bubbling means is constituted by the gas supply means and the
次に、炉本体5の姿勢と供給ガスの切換えの制御機構を示す。
この溶融還元装置3では、図10に示すように、ドッグプレート73A〜73Fが、炉本体5の一方側から突出した支持軸53に連結され、さらに、別のドッグプレート75も支持軸53に連結されて、支持軸53と共に回転するようになっている。そして、ドッグプレート73A〜73Fに対応してリミットスイッチ77A〜77Fが、ドッグプレート75に対応して二つのリミットスイッチ79L、79Rがそれぞれ脚部49の上端側に取り付けられている。
Next, a control mechanism for switching the attitude of the
In this
図10に示すように、ドッグプレート73A〜73Fは、凸部74が検知幅範囲を持たないもの(73A、73C、73D、73E)と検知幅範囲を有するもの(73B、73F)とに分かれており、炉本体5の後傾端(=直立姿勢)、後傾戻り水平(=水平姿勢)、前傾戻り水平(=水平姿勢)、前傾端(=前倒れ姿勢)では、前者のタイプのドッグプレートになっており、供給ガスの切換え(=+アルゴン高圧ガスと空気との切換え)と、シリンダーの動作切換え(=上昇傾動シリンダー55Lと下降傾動シリンダー55Rとの動作切換え)は、後者のタイプのドッグプレートになっている。
As shown in FIG. 10, the
リミットスイッチ77A、77C、77D、77Eが押圧されてONになると、油圧シリンダー55、55への油圧の供給が停止しその油圧で維持されるので、そのときの姿勢で炉本体5が支持される。
後傾端のリミットスイッチ77AのONにより、炉本体5が図8(3)に示す直立姿勢に維持され、後傾戻り水平のリミットスイッチ77CのONと、前傾戻り水平のリミットスイッチ77DのONにより、炉本体5が図8(1)に示す水平姿勢に維持され、前傾端のリミットスイッチ77EのONにより、前傾姿勢に維持される。
戻り水平が後傾戻り水平(=水平姿勢)と前傾戻り水平(=水平姿勢)に分かれているのは、リミットスイッチ77の実際の幅を考慮したためである。
また、図11に示すように、ドッグプレート75の凸部76に押圧されて、リミットスイッチ79RがONになると、それ以上の後傾が規制され、リミットスイッチ79LがONになると、それ以上の前傾が規制される。この機構は炉本体5の異常による無理な傾きを阻止する非常用のものである。
上記の構成により、炉本体5が主要な位置で確実に停止するよう、位置制御されている。
When the limit switches 77A, 77C, 77D, 77E are pressed and turned on, the supply of hydraulic pressure to the
By turning on the limit switch 77A at the rearward tilt end, the
The reason why the return horizontal is divided into the backward tilt horizontal (= horizontal posture) and the forward tilt return horizontal (= horizontal posture) is because the actual width of the
Further, as shown in FIG. 11, when the
With the above configuration, the position of the
また、リミットスイッチ77FのON/OFFにより、動作するシリンダーが上昇傾動シリンダー55Lと下降傾動シリンダー55Rとの間で切換えられ、ONにより上昇傾動シリンダー55Lが作動可能状態となり、OFFにより下降傾動シリンダー55Rが作動可能状態となる。
これにより、油圧シリンダー55の択一的作動が担保されている。
Further, when the limit switch 77F is turned ON / OFF, the cylinder to be operated is switched between the ascending
Thereby, the alternative operation | movement of the
次に、リミットスイッチ77BのON/OFFにより、供給ガスが切換えられ、ONによりアルゴンガスの供給経路65上の電磁弁69が開いて、高圧のアルゴンガスが、流量調整弁71で調整された上でガスホース63を介して炉本体5内に吹き込み、OFFにより空気の供給経路67上の電磁弁69が開いて、空気が炉本体5内に吹き込むようになっている。
このように供給ガスは、炉本体5が所定の傾動角度になった時に切換わる。なお、OFFからONへの切換え時には炉本体5の回動が一旦停止するようになっている。
Next, the supply gas is switched by turning ON / OFF the limit switch 77B, and the
Thus, the supply gas is switched when the
溶融還元装置3には、図2に示すように、バーナー部81が設けられている。このバーナー部81のフード83は炉本体5が水平姿勢になった時に、その開口部7に連結して連通するようになっている。フード83の上端側は開口してガス排出口になっている。ノズル部85はこのフード83内に入り込んで、その先端の噴出口は炉本体5の炉底部9側を向いている。
このバーナー部81は、移動台車87に搭載されており、この台車87の移動により、炉本体5に対して進退できるようになっている。
As shown in FIG. 2, the
The
上記した構成の金属回収設備1を使用するときには、予熱したり前回作業で溶融金属を少量残して炉本体5をある程度温めておく。そして、炉本体5を、図8(3)に示すように直立姿勢にして、先ず金属酸化物系の廃棄物と生石灰(CaO)を装入し、次に、炉本体5を図8(1)に示すように水平姿勢にして、図2に示すように回転している水平姿勢時の炉本体5に開口部7側から燃焼火炎を吹き込んでその燃焼熱と炉本体5の伝熱とにより溶融を促す。生石灰は、塩基度(CaO+MgO/SiO2+Al2O3)調整用のフラックスであるが、この段階での装入により廃棄物の融点が下がり溶解が促進される。
なお、溶融作業中は、炉本体5内には空気が噴出されて炉底部9のプラグ11の閉塞が阻止されている。
When the
During the melting operation, air is jetted into the
溶融状態(M)となった後は、図8(3)に示す姿勢に炉本体5を戻して、図3に示すように、アルミニウムが優位な還元材を装入しながら、バブリング手段を働かせてその炉底部9側からアルゴンガスを噴出させて気泡(B)を作ることで湯が撹拌されて還元が促進される。
After the molten state (M) is reached, the
図12に示すように還元終了後には、密度差により、炉本体5の上層に溶融スラグがきて、溶融合金がその下側にくるので、移動台車95を動かして、出湯を二段階に分けて回収部89の取鍋91で先ず溶融スラグを回収し、次に取鍋93で溶融合金を回収する。
As shown in FIG. 12, after the reduction is completed, molten slag comes to the upper layer of the
この溶融還元装置3を使用すれば、上記したように、溶融と還元を共に同じ炉内で実施できるので、作業効率が良い。
溶融段階で装入する廃棄物からアルミニウム分を予め除いておくことで、酸素バーナーを使用して効率良く加熱でき、マンガン酸化物の還元により生成されたアルミナ(Al2O3)やシリカ(SiO2)が酸化カルシウムと結合して形成された溶融スラグは融点が低く流動性が良いので、分離回収し易い。そのため、メタル分とスラグ分とを効率良く分離できる。
しかもそのアルミニウム分は還元材として使用できるので、廃棄物全部を活用できる。また、必要に応じて、太陽電池由来のSi屑を還元材として併用することでその廃棄物も有効活用できる。
If this
By removing the aluminum content from the waste material charged in the melting stage in advance, it can be heated efficiently using an oxygen burner, and alumina (Al 2 O 3 ) or silica (SiO 2 ) produced by reduction of manganese oxide. 2 ) Molten slag formed by combining with calcium oxide has a low melting point and good fluidity, so that it is easy to separate and recover. Therefore, the metal part and the slag part can be separated efficiently.
And since the aluminum part can be used as a reducing material, all the waste can be utilized. Moreover, the waste can also be effectively utilized by using together the Si scrap derived from a solar cell as a reducing material as needed.
また、マンガンは比較的還元されにくい元素であるが、バブリング下では酸素と化合する相方のアルミニウムやシリコンとの接触機会が増大するので、一旦溶融状態になればスムーズにマンガン酸化物が還元される。(なお、廃棄物中にニッケルやコバルトが含まれている場合には、ニッケル及びコバルトはマンガンより還元されやすい元素であり、マンガンに優先して還元される。) Manganese is an element that is relatively difficult to reduce. However, since bubbling increases the chance of contact with aluminum and silicon that combine with oxygen, manganese oxide is reduced smoothly once it is in a molten state. . (In addition, when nickel and cobalt are contained in the waste, nickel and cobalt are elements that are more easily reduced than manganese, and are reduced in preference to manganese.)
廃棄物からマンガンまたはマンガン系合金を回収する際には、廃棄物が炉内に装入できる程度の大きさであれば、焙焼や粉砕などの予備工程は特に必要無い。
廃棄物がリチウムイオン二次電池の正極材料の場合には、バインダー、例えばポリフッ化ビニリデン(PVDF)が含まれ、洗浄廃液スラッジには、N−メチル−2−ピロリドンなどの有機溶剤が含まれているが、これらは炉内で昇温させると、廃棄物の溶融に先だって分解や燃焼により除去されるので、回収される金属相に混入することは無い。
なお、廃棄物がリチウムイオン二次電池由来の場合には、マンガン等はリチウムと共に複合酸化物を形成しているが、炉内が昇温されるにつれてマンガン酸化物、リチウム酸化物等に分解され、マンガン酸化物はアルミニウムまたはシリコンにより還元され、溶融金属に分配されるが、リチウム酸化物はその物性から溶融スラグ中に取り込まれる。
When recovering manganese or a manganese-based alloy from waste, preliminary steps such as roasting and pulverization are not particularly required as long as the waste can be charged into the furnace.
When the waste is a positive electrode material of a lithium ion secondary battery, a binder such as polyvinylidene fluoride (PVDF) is included, and the cleaning waste liquid sludge contains an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone. However, when they are heated in the furnace, they are removed by decomposition and combustion prior to melting of the waste, so that they are not mixed into the recovered metal phase.
In addition, when the waste is derived from a lithium ion secondary battery, manganese and the like form a composite oxide together with lithium, but are decomposed into manganese oxide and lithium oxide as the furnace is heated. Manganese oxide is reduced by aluminum or silicon and distributed to molten metal, while lithium oxide is incorporated into molten slag due to its physical properties.
なお、正極活物質は、使用済みのリチウムイオン二次電池や製品屑(仕損品)、正極材料の製造工程屑だけでなく、電池製造設備の集塵灰としても出るし、また、正極活物質を箔に塗布する塗布設備を洗浄する過程では洗浄廃液としても出るが、いずれも、本発明での処理対象物になる。
また、マンガン酸化物はマンガン電池やアルカリマンガン乾電池の正極材料としても用いられている。更に、マンガンはメッキ皮膜にも多用されているので、メッキスラッジにも含まれていることから、これらの廃棄物も本発明での処理対象物になる。
このように、廃棄物の由来は問わず、本発明の方法によれば種々のマンガン酸化物系廃棄物からマンガンをマンガン系合金として回収できる。
但し、正極箔屑と異なり、上記のものは通常アルミニウムのような還元材となり得るものは含まれていないので、還元材は別に用意する必要がある。
The positive electrode active material is generated not only as used lithium ion secondary batteries, product scraps (deteriorated products), cathode material manufacturing process scraps, but also as dust collection ash for battery manufacturing facilities. In the process of cleaning the coating equipment for applying the substance to the foil, it also comes out as a cleaning waste liquid, but both become objects to be treated in the present invention.
Manganese oxide is also used as a positive electrode material for manganese batteries and alkaline manganese dry batteries. Furthermore, since manganese is also frequently used in the plating film, it is also contained in the plating sludge. Therefore, these wastes are also objects to be treated in the present invention.
Thus, regardless of the origin of the waste, according to the method of the present invention, manganese can be recovered as a manganese-based alloy from various manganese oxide-based wastes.
However, unlike the positive electrode foil scraps, the above-mentioned materials usually do not include a material that can be a reducing material such as aluminum. Therefore, it is necessary to prepare the reducing material separately.
リチウムイオン二次電池の正極箔屑について処理を行った。
先ず、破砕部97で、一軸高速シュレッダーにより40mm以下に一次破砕し、これをハンマー衝撃式の破砕装置にかけて二次破砕し、0.5mm upと0.5mm underとにふるい分けした。表1に示すように、ハンマー回転数を最適化することにより、0.5mm upと5mm underで、電極母材であるアルミニウム分と酸化物とを分離することに成功した。
The positive electrode foil scraps of the lithium ion secondary battery were processed.
First, in the crushing part 97, primary crushing was performed to 40 mm or less by a uniaxial high-speed shredder, this was secondarily crushed by using a hammer impact crushing apparatus, and sieved to 0.5 mm up and 0.5 mm under. As shown in Table 1, by optimizing the number of rotations of the hammer, the aluminum component and the oxide as the electrode base material were successfully separated at 0.5 mm up and 5 mm under.
上記で評価が「O」の二次破砕品を以下の条件で造粒しブリケット化して、取扱い易いものとした。 The secondary crushed product having an evaluation of “O” was granulated and briquetted under the following conditions to facilitate handling.
ブリケット状の電池屑(0.5mm under)500kgと生石灰300kgを予め昇温した炉本体5内へ装入し、電池屑の溶解を開始し、排ガスが900℃になった時点で炉内を監視し始め、1450℃に到達した時点で、還元モードに移行し、造粒したブリケット状のアルミニウムを40kgずつ分割しながら添加し、8分経過したところで、出湯した。
Charge 500 kg of briquette-shaped battery waste (0.5 mm under) and 300 kg of quicklime into the
回収した金属とスラグの成分を分析したところ、以下の通りであった。
メタル化率=回収メタル量/(回収メタル量+スラグ中ロスメタル量)×100=90.8%
Mn分配率=回収メタル中Mn含有量/(回収メタル中Mn含有量+スラグ中Mn量)×100=87.5%
また、回収メタルの成分を(n=8)分析したところ、以下の通りであった。
Mn=65.85質量%、Ni=20.50質量%、Co=5.24質量%
これは想定通りであった。
Analysis of the recovered metal and slag components revealed the following.
Metalization rate = recovered metal amount / (recovered metal amount + loss metal amount in slag) × 100 = 90.8%
Mn distribution ratio = Mn content in recovered metal / (Mn content in recovered metal + Mn content in slag) × 100 = 87.5%
Moreover, it was as follows when the component of the collection | recovery metal was analyzed (n = 8).
Mn = 65.85 mass%, Ni = 20.50 mass%, Co = 5.24 mass%
This was as expected.
上記したように、本発明によれば、リチウムイオン二次電池屑から、ステンレス鋼製造用の添加合金として利用可能な、マンガンベース含ニッケル合金の製造に成功した。 As described above, according to the present invention, a manganese-based nickel-containing alloy that can be used as an additive alloy for producing stainless steel was successfully produced from lithium ion secondary battery waste.
本発明の溶融還元装置を利用すれば、マンガン酸化物系廃棄物、特にリチウムイオン二次電池の正極材由来の廃棄物をコストパフオーマンスの高い方式で再資源化できる。 If the smelting reduction apparatus of this invention is utilized, the manganese oxide waste, especially the waste derived from the positive electrode material of a lithium ion secondary battery can be recycled by a system with high cost performance.
1‥‥金属回収設備 3‥‥溶融還元装置
5‥‥炉本体 7‥‥(炉本体の)開口部
9‥‥炉底部 11‥‥プラグ
13‥‥ガスホース差込み部 15‥‥差込み孔
17‥‥ガイドレール 19‥‥フレーム体
21‥‥ベース側フレーム 23‥‥ヘリカルべベルギアモーター
25‥‥出力軸 27‥‥カップリング
29‥‥回転軸 31‥‥駆動ローラ
33‥‥自動調芯ころ軸受 35‥‥回転軸
37‥‥従動ローラ 39‥‥ガイドローラ
41‥‥円錐ころ軸受 43‥‥トップ側フレーム
45‥‥調整ローラ 47‥‥サイド側フレーム
49‥‥脚部 51‥‥自動調芯ころ軸受
53‥‥支持軸 55‥‥油圧シリンダー
57‥‥可動部 59‥‥ベース
61‥‥取付部 63‥‥ガスホース
65‥‥アルゴンガス供給経路 67‥空気供給経路
69‥‥電磁弁 71‥‥流量調整弁
73(A〜F)‥‥ドッグプレート 75‥‥ドッグプレート
77(A〜F)‥‥リミットスイッチ 79‥‥リミットスイッチ
81‥‥バーナー部 83‥‥フード
85‥‥ノズル部 87‥‥移動台車
89‥‥回収部 91、93‥‥取鍋
95‥‥移動台車 97‥‥破砕部
99‥‥貯留部 101‥‥搬送コンベヤ
DESCRIPTION OF
Claims (5)
炉本体を傾動させ、炉本体を水平姿勢にした時に回転させながら酸素バーナーからの火炎により廃棄物を溶解し、その後前記炉本体を直立姿勢にした時に還元材を装入すると共に底側から不活性ガスを噴出させて廃棄物の還元を促進させることを特徴とする金属回収方法。 In a method for recovering a metal from a metal oxide waste, the metal is recovered from the metal oxide waste by melting reduction as an alloy or metal.
The furnace body is tilted and the waste is dissolved by the flame from the oxygen burner while rotating when the furnace body is in a horizontal position. After that, when the furnace body is placed in an upright position, a reducing material is charged and not discharged from the bottom side. A metal recovery method characterized by expelling active gas to promote reduction of waste.
リチウムイオン二次電池の正極箔屑を破砕し粒度でふるい分けして粒度の小さい方と大きい方とに予め分離しておき、
粒度の小さい方を、金属酸化物系廃棄物として、溶融還元処理に供し、
粒度の大きい方を、電極母材であるアルミニウムが優位な還元材として、前記溶融還元処理中に装入して、マンガンベースの含ニッケル合金として回収することを特徴とする金属回収方法。 In the metal recovery method from the metal oxide waste according to claim 1,
Lithium ion secondary battery positive electrode foil scraps are crushed and sieved by particle size and separated in advance into smaller and larger particles,
The one with the smaller particle size is subjected to smelting reduction treatment as metal oxide waste,
A metal recovery method , wherein the larger particle size is charged as a reducing material predominantly of aluminum as an electrode base material during the smelting reduction treatment and recovered as a manganese-based nickel-containing alloy.
筒状の炉本体と、傾動により炉本体の姿勢を変更する炉本体姿勢変更手段と、前記炉本体の水平姿勢時にその軸芯周りに回転させる回転手段と、前記水平姿勢時にその軸方向一端側開口部に進退可能に対向する酸素バーナーと、前記炉本体の直立姿勢時に底部をなす軸方向他端側に不活性ガスを吹き込むバブリング手段とを備え、
前記水平姿勢時には酸素バーナーが作動すると共に前記炉本体が回転して溶融を促し、前記直立姿勢時には還元材の装入と前記バブリング手段の動作により還元を促すことを特徴とする溶融還元装置。 A smelting reduction apparatus for performing the metal recovery method from the metal oxide waste according to claim 1 or 2,
A cylindrical furnace body, the furnace body attitude changing means for changing the position of the furnace body by tilting, rotating means for rotating on the axis around at horizontal position of the furnace body, the one axial end at the horizontal position An oxygen burner opposed to the side opening so as to be able to advance and retreat, and bubbling means for blowing an inert gas to the other axial end that forms the bottom when the furnace body is in an upright posture,
An oxygen burner operates in the horizontal posture and the furnace body rotates to promote melting, and in the upright posture, reduction is promoted by charging a reducing material and operating the bubbling means.
炉本体姿勢変更手段は、炉本体を両側からそれぞれ回動自在に支持する一対の回動支持手段によって構成されており、
各回動支持手段は、前記炉本体を回動自在に持ち上げ支持する持上げ支点部と、ベースと、前記ベースに下端側が回動自在に支持され、上端側が前記炉本体の外面に回動自在に固定され、軸方向に間隔をおいて前記持上げ支点部の両側に配置された流体圧シリンダーとで構成され、前記一対の流体圧シリンダーのリンク動作により前記炉本体が回動することを特徴とする溶融還元装置。 In the smelting reduction apparatus according to claim 3,
The furnace body posture changing means is composed of a pair of rotation support means for rotatably supporting the furnace body from both sides,
Each rotation support means includes a lifting fulcrum portion that lifts and supports the furnace body, a base, and a lower end that is pivotally supported by the base, and an upper end that is pivotally fixed to the outer surface of the furnace body. And a fluid pressure cylinder disposed on both sides of the lifting fulcrum at an interval in the axial direction, and the furnace body is rotated by a link operation of the pair of fluid pressure cylinders. Reduction device.
バブリング手段は不活性ガスと空気とを切換えて択一的にガスを供給する構成になっており、炉本体の水平姿勢と直立姿勢との間で所定の傾動角度になったときに、供給ガスを切換えることを特徴とする溶融還元装置。 In the smelting reduction apparatus according to claim 3 or 4,
The bubbling means is configured to selectively supply gas by switching between inert gas and air, and when the tilt angle reaches a predetermined angle between the horizontal posture and the upright posture of the furnace body, the supply gas is supplied. A smelting reduction apparatus characterized by switching between.
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