JP6118579B2

JP6118579B2 - 金属精製方法および金属精製装置

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Inventors: 勝起吉田; 萩原　靖久; 靖久萩原
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Description

本発明は、偏析凝固法の原理を利用した金属の精製方法およびその関連技術に関する。

従来、高純度金属の精製方法として、精製用溶湯保持容器に入れられた共晶不純物を含む溶融金属中に冷却体を浸漬し、冷却体内に冷却流体を供給しながら冷却体を回転させることで、その周囲に、溶融金属よりも高純度の精製金属を晶出させる、という方法が知られている（例えば特許文献１）。

前記特許文献１で述べられている方法は、精製すべき金属を溶解して金属溶湯とした後、この溶湯を常にその凝固温度を超えた温度に加熱保持しておいた上で、その溶湯に冷却体を浸漬させ、その際、冷却体の表面温度が溶湯の凝固温度以下になるように保持し、さらに、冷却体外周面と溶湯との相対速度を大きくすることによって冷却体外周面に溶湯より高純度の金属塊を晶出させ付着させる、というものである。

この方法は、液相線と固相線の間の領域の温度に金属溶湯を保持すると、より高純度の固相と不純物の多い液相とに分離する、という偏析の原理を利用している。

冷却体の表面には最初に不純物が少ない固相が生成され、その固相と溶湯との間の凝固界面に不純物の多い液相が排出され、いわゆる不純物濃化層が形成される。冷却体外周面に付着、成長する金属塊は、凝固界面の進行速度を不純物濃化層の外側への拡散速度よりも遅くすることで不純物を外側に拡散させることによって、および／または、不純物濃化層を液相の流速によって分散させて層の厚さを薄くすることによって、より不純物の少ないものとして得られている。

近年、用途によってはさらに高純度の金属が必要とされている。

例えば、アルミニウムの場合、電解アルミニウムコンデンサの電極箔に使われている原料のアルミニウムは、純度９９．９％という高い純度が求められている。さらに近年、高圧用の電解アルミニウムコンデンサの需要が高まっており、それに必要なアルミニウム箔として、純度９９．９９％というさらに高純度のものが必要とされる。

従来の精製方法によってさらに高純度な金属塊を得るためには、精製を複数回行えばよい。具体的には、一度精製したものを集めて再溶解し、その再溶解された溶湯に対して精製を行い、それを繰り返せばその繰り返した回数分だけ高純度金属塊を得ることができる。ただし、この方法は、工程が非常に多くなり、その間に製造ラインから不純物が混入する可能性が多くなってしまう。また、何度も再溶解することで必要なコスト、必要なエネルギーが増大し、生産効率が低くなってしまう。

したがって、精製回数を増やすよりも、精製工程自体の中で、さらに精製効率を向上させる方が望ましい。

従来の方法では、冷却体が溶湯中に浸漬して回転している際、周囲の溶湯は止まっておらず、冷却体の回転する方向と同じ方向に回転している。冷却体の回転速度よりも遅い周速度で回っているものの、溶湯自体が冷却体と同じ方向に回っているということは、溶湯と冷却体との速度差が小さくなるので、相対速度は冷却体の回転速度より小さくなってしまう。

精製効率を向上させるには、実際にはあまり大きくなっていない相対速度を如何に大きくするかが重要となってくる。

冷却体と溶湯との相対速度をさらに大きくする手段として、以下のような方法が挙げられる。
（Ａ）冷却体の周速度を大きくすることによって、溶湯との相対速度を大きくする。
（Ｂ）溶湯の流速を遅くするために、特許文献２に記載されているように坩堝内周面に邪魔板を設置する。

また、本出願人は、溶湯中に複数個の冷却体を浸漬し、これらを互いに押し付けながら逆方向に回転させる精製方法を発明した。この方法によれば、冷却体表面に付着する樹枝状の初晶アルミニウムの隙間に存在する不純物元素が排出されるので、冷却体の回転のみによる場合よりも精製効率が向上させることができる（特許文献３）。

さらに、本出願人は、冷却体の浸漬位置を坩堝内周面に接近させて溶湯の流動幅が拡大する箇所を形成し、溶湯流れの向きを変えることによって冷却体と溶湯との相対速度を大きくする方法を発明した（特許文献４）。

特公昭６１−３３８５号公報（冷却体の周速）特開昭６１−１７０５２７号公報（バッフルプレート）特開昭５６−１２７７３５号公報（２個の冷却体を押し付ける）特開２００８−１６３４２０号公報（冷却体をるつぼ中心から偏位）

しかしながら、前記（Ａ）の冷却体の周速度を大きくすることによって、溶湯との相対速度を大きくする方法では、やはり溶湯が冷却体につられて同じ方向に回転してしまう点が解消されず、相対速度を上げることが難しいという問題がある。設備の面でも、冷却体を回転させる装置は、回転速度をさらに大きくせねばならないことから従来の装置よりも大掛かりなものとなってしまい、現実的でない。また、冷却体の周速度が速くなると、溶湯の周速度も速くなり、それによって液面の高低差が大きくなると共に、液面変動も激しくなることで、溶湯飛散が頻発するので、安全面でも問題がある。さらに、冷却体外周面に生じる遠心力が大きくなり、冷却体外周面に付着した金属塊が外れやすくなるため、得られる金属塊が少なくなってしまい、生産効率の面でも好ましくない。

また、前記（Ｂ）の坩堝内周面に邪魔板を設置する方法では、邪魔板により溶湯全体の流速を抑制、または、乱流を生じさせる効果があるものの、その効果の範囲を大きくしようとすると邪魔板の長さを大きくする必要があるが、邪魔板の長さを大きくすると、冷却体外周面に付着、成長した金属塊が邪魔板に接触し、邪魔板が破損してしまう危険がある。また、坩堝内周面に邪魔板がある坩堝を得るためには、坩堝内周面に邪魔板を別部品として接着する、あるいは、最初から邪魔板が存在するような坩堝を製作する方法などがあるが、いずれも製作、メンテナンスの面で手間がかかってしまう。

特許文献３の複数個の冷却体を互いに押し付けながら回転させる方法は、アルミニウムの晶出とともに実質的な回転半径が大きくなるので、精製処理中に冷却体間の距離が大きくなるように冷却体を移動させる必要がある。このため、装置制御が複雑になる。また、晶出したアルミニウムを押し付けて不純物元素を排出させるという方法では精製効率の向上効果に限界がある。また、この方法では、溶湯の流速を遅くする効果は得られないので、冷却体と溶湯との相対速度の低下による問題は解消されない。

特許文献４の冷却体の浸漬位置を変更する方法は、設備の追加やメンテナンスの手間を必要としない。しかし、精製効率の向上効果には限界がある。

本発明は、上述した背景技術に鑑み、設備や設備制御を複雑化させることなく、精製効率のさらなる向上を実現しうる金属精製方法およびその関連技術の提供を目的とする。

即ち、本発明は下記［１］〜［１３］に記載の構成を有する。

［１］溶湯保持容器に収容した精製すべき溶融金属中に、複数個の冷却体を間隔を置いて浸漬し、
前記複数個の冷却体を回転させながら冷却体表面に高純度金属を晶出させることを特徴とする金属精製方法。

［２］前記複数個の冷却体を同一方向に回転させる前項１に記載の金属精製方法。

［３］前記複数個の冷却体のうちの少なくとも１個の冷却体を他の冷却体とは逆方向に回転させる前項１に記載の金属精製方法。

［４］前記溶湯保持容器を少なくとも１個の冷却体の回転方向とは逆方向に回転させる前項１〜３のうちのいずれか１項に記載の金属精製方法。

［５］前記溶融金属がアルミニウムである前項１〜４のうちのいずれか１項に記載の金属精製方法。

［６］精製すべき溶融金属を収容する溶湯保持容器と、
前記溶湯保持容器内の溶融金属中に間隔を置いて浸漬され、回転する複数個の冷却体とを備えることを特徴とする金属精製装置。

［７］前記複数個の冷却体が同一方向に回転する前項６に記載の金属精製装置。

［８］前記複数個の冷却体のうちの少なくとも１個の冷却体が他の冷却体とは逆方向に回転する前項６に記載の金属精製装置。

［９］前記溶湯保持容器が少なくとも１個の冷却体の回転方向とは逆方向に回転可能となされている前項６〜８のうちのいずれか１項に記載の金属精製装置。

［１０］前項１〜５のいずれか１項に記載の方法で精製された精製金属。

［１１］前項１０に記載の精製金属から製造された鋳造品。

［１２］前項１１に記載の鋳造品が圧延されてなる金属製品。

［１３］前項１２に記載の金属製品が電極材として用いられている電解コンデンサ。

［１］および［３］に記載の発明によれば、複数個の冷却体の回転によって生じる溶湯の旋回流が互いに干渉し、滑らかな旋回流動が妨げられて溶湯流が抑止されるので、冷却体と溶湯との相対速度が大きくなる。その結果、凝固界面近傍に生じる不純物濃化層の分散が促進されて金属の精製効率が向上し、高純度の金属を得ることができる。

また、上記効果は冷却体の数を増やすことによって得られるので、邪魔板のような形状や機能の異なる追加部材を必要としない。このため、従来の金属精製装置を大幅に設計変更することなく実施することができる。また、複数個の冷却体は間隔を置いて回転させるので、金属の晶出に伴って冷却体を移動させる必要もなく、装置制御が複雑化することもない。

［２］に記載の発明によれば、複数個の冷却体を同一方向に回転させることによって旋回流の方向が対向し、正面あるいはほぼ正面から衝突するので溶湯流の抑止効果が大きく、精製効率が向上する。

［４］に記載の発明によれば、冷却体の回転によって生じる旋回流が溶湯保持容器の回転によって生じる旋回流からも干渉されるので溶湯流の抑止効果が大きくなる。

［５］に記載の発明によれば、純度の高いアルミニウムを精製することができる。

［６］および［８］に記載の発明によれば、複数個の冷却体の回転によって生じる溶湯の旋回流が互いに干渉し、滑らかな旋回流動が妨げられて溶湯流が抑止されるので、冷却体と溶湯との相対速度が大きくなる。その結果、凝固界面近傍に生じる不純物濃化層の分散が促進されて金属の精製効率が向上し、高純度の金属を得ることができる。

［７］に記載の発明によれば、複数個の冷却体を同一方向に回転させることによって旋回流の方向が対向し、正面あるいはほぼ正面から衝突するので溶湯流の抑止効果が大きく、精製効率が向上する。

［９］に記載の発明によれば、冷却体の回転によって生じる旋回流が溶湯保持容器の回転によって生じる旋回流からも干渉されるので溶湯流の抑止効果が大きくなる。

［１０］に記載の発明によれば、純度の高い精製金属となしうる。

［１１］に記載の発明によれば、純度の高い鋳造品となしうる。

［１２］に記載の発明によれば、純度の高い圧延金属製品となしうる。

［１３］に記載の発明によれば、純度の高い圧延金属からなる電極材が用いられた電解コンデンサとなしうる。

本発明の第１実施形態および第２実施形態にかかる金属精製装置の概略構成図である。図１Ａの１Ｂ−１Ｂ線断面図であり、第１実施形態の金属精製方法を説明するための図である。図１Ａの１Ｂ−１Ｂ線断面図であり、第２実施形態の金属精製方法を説明するための図である。本発明の第３実施形態にかかる金属精製装置の概略構成図である。図３Ａの３Ｂ−３Ｂ線断面図であり、第３実施形態の金属精製方法を説明するための図である。図１Ａの１Ｂ−１Ｂ線断面図であり、第４実施形態の金属精製方法を説明するための図である。比較例にかかる金属精製装置の概略構成図である。図５Ａの５Ｂ−５Ｂ線断面図であり、比較例の金属精製方法を説明するための図である。

本発明の金属精製方法は、複数個の冷却体を回転させてこれらの冷却体の周りに発生する溶湯の旋回流を互いに干渉させることによって溶湯流を抑止し、冷却体と溶湯との相対速度を大きくする方法である。従って、複数個の冷却体は、互いに接触することなく間隔を置いて溶湯中に浸漬し、各冷却体の周りに旋回流が発生するように配置する。図１Ａ〜図３Ｂは下記の３つの金属精製方法を実施するための金属精製装置の概略構成と、金属精製方法を説明するための図である。

［１］第１実施形態
（金属精製装置の構成）
図１Ａおよび図１Ｂに示す金属精製装置（1）は、溶融金属（Ｍ）（以下、「溶湯」と称する）を収容する溶湯保持容器（10）と、３個の冷却体（20a）（20b）（20c）と、精製金属掻き落とし装置（図示省略）とを備えている。

前記溶湯保持容器（10）は断面円形の有底筒状である。前記溶湯保持容器（10）は加熱炉内に配置されて外側から加熱され、溶湯（Ｍ）が一定の温度となるように制御されている。また、前記溶湯保持器（10）は、モーター等の回転駆動装置に接続されたターンテーブル（図示省略）上に設置されており、静止状態で使用する他、時計回り（右回転）または半時計回り（左回転）のいずれの方向にも回転させた状態で使用することができる。

前記溶湯保持容器（10）の形状は円形に限定されない。他の形状として、長円形、多角形、楕円形等を例示できる。

前記溶湯保持容器（10）の材質も限定されないが、内面は溶湯（Ｍ）に接触し外面からは加熱されるので、高温で溶融せず極端な強度低下が生じない耐熱性を有していることが必要である。具体的には、グラファイト、セラミックス、これらの複合材等を推奨できる。

３個の冷却体（20a）（20b）（20c）は同型であり、上端側が径大の円錐台形状に形成され、それぞれの回転軸（21a）（21b）（21c）の下端に設置されている。前記回転軸（21a）（21b）（21c）はそれぞれにモーター等の回転駆動装置および移動装置が連結され、前記冷却体（20a）（20b）（20c）に回転力を付与するとともに、上下左右に自在に移動できるものとなされている。また、３本の回転軸（21a）（21b）（21c）の回転方向は独立して設定することができ、これにより、３個の冷却体（20a）（20b）（20c）は時計回り、反時計回りのどちらの方向にも独立して回転させることができる。

図１Ａおよび図１Ｂは、３個の冷却体（20a）（20b）（20c）を円（Ｃ）上の均等位置において溶湯（Ｍ）に浸漬した状態を示している。本発明において複数個の冷却体の浸漬位置は図示例に限定されるものではない。溶湯保持容器の断面形状、冷却体の数および寸法等に応じて任意に設定することができる。また、隣り合う冷却体の距離が均等であることにも限定されない。

前記回転軸（21a）（21b）（21c）は管状になっており、また、冷却体（20）の内部にも空間が形成されている。前記回転軸（21a）（21b）（21c）の内部には冷媒供給管（22）および冷媒排出管（23）が挿通され、冷媒供給管（22）から冷媒が供給されるものとなされている。供給された冷媒は、冷媒供給管（22）を通って冷却体（20a）（20b）（20c）の内部空間に噴出し、その後、回転軸（21a）（21b）（21c）の内部の冷媒排出管（23）を通って排出されるようになっており、冷却体（20a）（20b）（20c）をその内側から冷やすことができるものとなされている。

前記冷却体（20a）（20b）（20c）の形状および寸法は限定されることはなく、円柱状その他の形状であっても良い。また、一つの溶湯保持容器に浸漬する複数個の冷却体が同一形状、同一寸法であることに限定されず、形状や寸法の異なる冷却体が混在しても良い。

前記冷却体（20a）（20b）（20c）の材質は、高温の溶湯（Ｍ）と接触するので耐熱性が高く熱伝導率の高いものが望ましく、グラファイト、セラミックス、これらの複合材等を推奨できる。また、溶湯温度で溶融せず、極端な強度低下が生じないものであれば金属製の冷却体も使用できる。また、前記冷却体（20a）（20b）（20c）の冷媒は気体あるいは液体のいずれでも使用でき、気体冷媒としては窒素ガス、二酸化炭素ガス、アルゴンガス、圧縮エアを使用できる。これらの気体冷媒のうち、コスト面で圧縮エアを推奨できる。

前記溶湯（Ｍ）の温度は、凝固温度を超えていればよいが、冷却体（20a）（20b）（20c）が溶湯（Ｍ）に浸漬している間は、溶湯中に固相が存在しなくなる温度よりも低い方がより望ましい。

また、図示が省略されている精製金属掻き落とし装置は溶湯保持容器（10）の側方近傍に設置され、溶湯（Ｍ）から引き上げられて移動してきた冷却体（20a）（20b）（20c）の表面に晶出した精製金属を掻き落として回収する。

以上の構成により、前記金属精製装置（1）は、３個の冷却体（20a）（20b）（20c）の回転方向と、溶湯保持容器（10）の静止、時計回りの回転、反時計回りの回転の３通りの状態とを任意に組み合わせて稼働することができる。

（金属精製方法）
図１Ｂに示すように、前記回転軸（21a）（21b）（21c）を移動させて前記冷却体（20a）（20b）（20c）を静止させた溶湯保持容器（10）内の所定位置において溶湯（Ｍ）に浸漬し、冷媒を供給しながら矢印Ａの方向に回転させ、回転する冷却体（20a）（20b）（20c）の周面に精製金属をゆっくり晶出させる。本実施形態では３個の冷却体（20a）（20b）（20c）を同一方向に回転させている。この晶出過程で共晶不純物は液相中に排出されて凝固界面近傍に共晶不純物が濃化された不純物濃化層が形成されるが、冷却体（20a）（20b）（20c）と溶湯（Ｍ）の相対速度によって不純物濃化層中の不純物が液相全体に分散される。

前記冷却体（20a）（20b）（20c）の回転により、各冷却体（20a）（20b）（20c）を中心とし矢印Ｂで示される溶湯（Ｍ）の旋回流が生じる。これら３つの旋回流Ｂは流れの方向が対向し、互いに正面あるいはほぼ正面から衝突することで流れを抑止し合う。その結果、冷却体（20a）（20b）（20c）と溶湯（Ｍ）との相対速度が大きくなって上述した不純物濃化層中の不純物の分散が促進され、不純物の除去が効率良く行われて精製効率が向上し、冷却体（20a）（20b）（20c）の周面に高純度の金属を晶出させることができる。

なお、晶出金属の純度に大きな影響を及ぼさない限り、冷却体（20a）（20b）（20c）の底面にも金属が晶出してもかまわない。また、前記冷却体（20a）（20b）（20c）は回転させながら溶湯（Ｍ）に浸漬しても良い。

前記冷却体（20a）（20b）（20c）を溶湯（Ｍ）中で所定時間回転させて冷却体（20a）（20b）（20c）の周面に精製金属を晶出させた後、溶湯（Ｍ）から冷却体（20a）（20b）（20c）を引き上げて溶湯保持容器（10）側方の精製金属掻き落とし装置まで移動させる。精製金属掻き落とし装置によって冷却体（20a）（20b）（20c）から精製金属を掻き落として回収する。精製金属の回収方法は限定されず、掻き落としの他、再加熱によって冷却体から回収することもできる。

精製金属を回収した冷却体（20a）（20b）（20c）は、要すれば、再び溶湯保持容器（10）に移動させて溶湯（Ｍ）中に浸漬して回転させて精製を行い、精製と回収を繰り返す。

［２］第２実施形態
（金属精製方法）
第１実施形態と同じ金属精製装置（10）を用い、図２に示すように、３個の冷却体（20a）（20b）（20c）の回転に溶湯保持容器（10）の回転を加えた金属精製方法である。

３個の冷却体（20a）（20b）（20c）を矢印Ａで示す時計回りに回転させるとともに、溶湯保持容器（10）を矢印Ｃで示すように反時計回りに回転させる。これらの回転により、３個の冷却体（20a）（20b）（20c）の周りにそれぞれ旋回流Ｂが発生するとともに、溶湯保持容器（10）の壁面に沿った旋回流Ｄが発生する。前記冷却体（20a）（20b）（20c）による３つの旋回流Ｂはこの溶湯保持容器（10）による旋回流Ｄとも衝突し、旋回流Ｄからも干渉されて溶湯流が抑止される。このように、溶湯保持容器（10）を冷却体（20a）（20b）（20c）の回転方向とは逆方向に回転させると、冷却体（20a）（20b）（20c）の回転によって発生する旋回流Ｂは互いの衝突に加えて、溶湯保持容器（10）によって発生する旋回流Ｄとも衝突するので、溶湯流の抑止効果が大きくなる。その結果、冷却体（20a）（20b）（20c）と溶湯（Ｍ）との相対速度がさらに大きくなって精製効率が向上する。

なお、溶湯保持容器（10）は、回転させた状態で冷却体（20a）（20b）（20c）を浸漬しても良いし、冷却体（20a）（20b）（20c）を浸漬した後に回転を開始しても良い。

前記冷却体（20a）（20b）（20c）の周面に精製金属を晶出させた後の処理は第１実施形態と同じである。

［３］第３実施形態
（金属精製装置の構成）
図３Ａおよび図３Ｂに示す金属精製装置（2）は、溶湯（Ｍ）を収容する溶湯保持容器（11）と、４個の冷却体（20a）（20b）（20c）（20d）と、精製金属掻き落とし装置（図示省略）とを備えている。

前記溶湯保持容器（11）は断面長円形の有底筒状である。また、４個の冷却体（20a）（20b）（20c）（20d）およびこれらに付随する回転軸（21a）（21b）（21c）（21d）、冷媒供給管（22）および冷媒排出管（23）は第１および第２実施形態の冷却体と同型である。その他の装置構成は第１および第２実施形態の金属精製装置（1）と共通である。

（金属精製方法）
前記金属精製装置（2）において前記溶湯保持容器（11）は静止している。４個の冷却体（20a）（20b）（20c）（20d）は、溶湯保持容器（11）の長手方向に沿って等間隔に配置されて溶湯（Ｍ）に浸漬され、矢印Ａで示すように同一方向に回転させる。前記冷却体（20a）（20b）（20c）（20d）の回転により、溶湯（Ｍ）には各冷却体（20a）（20b）（20c）（20d）を中心とし矢印Ｂで示される溶湯（Ｍ）の旋回流が生じる。隣り合う旋回流Ｂは流れの方向が対向するので、互いに衝突することで流れを抑止し合い、その結果、冷却体（20a）（20b）（20c）（20d）と溶湯（Ｍ）との相対速度が大きくなり、精製効率が向上する。

前記冷却体（20a）（20b）（20c）（20d）の周面に精製金属を晶出させた後の処理は第１実施形態と同じである。

［第４実施形態］
（金属精製方法）
第１実施形態と同じ金属精製装置（10）を用い、図４に示すように、複数個の冷却体（20a）（20b）（20c）のうちの少なくとも１個の冷却体（20c）を他の冷却体とは逆方向に回転させる金属精製方法である。

３個の冷却体（20a）（20b）（20c）は、２個の冷却体（20a）（20b）を矢印Ａで示す時計回りに回転させ、１個の冷却体（20c）を矢印Ｅで示す反時計回りに回転させる。これらの回転により、２個の冷却体（20a）（20b）の周りにそれぞれ旋回流Ｂが発生するとともに、１個の冷却体（20c）の周りには逆方向の旋回流Ｆが発生する。２つの旋回流Ｂは流れの方向が対向し、互いに正面あるいはほぼ正面から衝突することで流れを抑止し合う。また、旋回流Ｂと旋回流Ｆとは互いに側方から衝突し干渉し合うことで流れを抑止し合う。その結果、冷却体（20a）（20b）（20c）と溶湯（Ｍ）との相対速度がさらに大きくなって精製効率が向上する。

以上のように、１つの溶湯保持容器内で複数個の冷却体を回転させることで隣り合う冷却体による旋回流が干渉し合い、溶湯流の抑止効果を得て冷却体と溶湯との相対速度を大きくすることができる。前記効果は複数個の冷却体を用いる限り得ることができるので、本発明は個々の冷却体の回転方向を限定しない。上記第１〜第３実施形態の金属精製方法はいずれも複数個の冷却体を同一方向に回転させた例であるが、本発明は複数個の冷却体を同一方向に回転させることに限定するものではなく、第４実施形態のように、複数個の冷却体のうちの少なくとも１個の冷却体を他の冷却体と逆方向に回転させる場合も本発明に含まれる。

複数個の冷却体を同一方向に回転させた場合は、隣り合う旋回流の方向が対向し、正面あるいはほぼ正面から衝突するので溶湯流の抑止効果が大きく、精製効率が向上する。一方、少なくとも１個の冷却体を逆方向に回転させた場合は、複数個の冷却体のうち少なくとも２個一組の隣り合う冷却体が逆回転することになる。逆回転の旋回流は側方からの衝突になるので溶湯流の抑止効果は正面衝突の場合よりも小さくなるが、旋回流の干渉による溶湯流の抑止効果は得られる。

また、複数個の冷却体の異方向の回転に溶湯保持容器の回転を加える場合、溶湯保持容器の回転方向が時計回り、反時計まわりのどちらであっても本発明に含まれる。即ち、前記溶湯保持容器を少なくとも１個の冷却体の回転方向とは逆方向に回転させるという条件を満たしているからである。

本発明の金属精製方法においては、複数個の冷却体を接触させることなく間隔を置いて溶湯に浸漬する。この時、図１Ｂに示すように、隣り合う冷却体の外周面間の間隔（ｄ）は２０〜８００ｍｍの範囲が好ましい。前記間隔（ｄ）が２０ｍｍ未満では外周面に晶出する金属塊が成長して晶出金属塊同士が接触するおそれがある。また、冷却体と溶湯との相対速度を大きくするためには、冷却体の表面近くで旋回流を干渉させて溶湯流を抑止することが好ましいので、前記間隔（ｄ）は大きくなりすぎないことが好ましく、８００ｍｍを超えないことが好ましい。特に好ましい間隔（ｄ）は３０〜７００ｍｍである。

本発明は複数個の冷却体の回転によって生じる溶湯の旋回流を互いに干渉させて滑らかな旋回流動を妨げることによって冷却体と溶湯との相対速度を大きくしている。かかる効果は邪魔板等の新たな部品の追加ではなく冷却体の数の増加によって得られるので、邪魔板のような形状や機能の異なる追加部材を必要としない。このため、従来の金属精製装置を大幅に設計変更することなく実施することができる。また、複数個の冷却体は間隔を置いて回転させるので、金属の晶出に伴って精製処理中に冷却体を移動させる必要もなく、装置制御が複雑化することもない。

［金属精製装置の他の構成］
本発明の金属精製装置において、溶湯保持容器と複数個の冷却体は単独組であっても良いし、複数組を並べて配置し、隣接する溶湯保持容器を上端部において連結樋により連通状に接続しても良い。

単独組の場合は、精製を繰り返すと溶湯保持容器内の溶湯の不純物濃度が増すので、精製した金属の純度が低下するおそれがある。このため、溶湯中の不純物濃度が一定値に達したら溶湯を入れ替えることが好ましい。

複数組の場合は、複数個の溶湯保持容器が連通しているので、一端の溶湯保持装置に溶湯を注ぎ込めば隣接する溶湯保持容器に順次流出していき、高濃度の不純物を含む溶湯が１つの溶湯保持容器に滞留することはない。このような装置構成では溶湯保持容器毎にバッチ操作で溶湯の入れ替えを行う必要がないので、作業効率が向上する。また、最下流の溶湯保持容器から流出した溶湯は不純物濃度が高くなっているので、排出等により処理する。また、上流側の溶湯保持容器内で浮滓が生成したとしても、浮滓を除去してから溶湯を下流側の溶湯保持容器に供給するようにすれば、浮滓が下流側の溶湯保持容器に持ち越されることもない。

［精製する金属］
本発明によって精製する金属は、共晶不純物を含むアルミニウム、ケイ素、マグネシウム、鉛、亜鉛等を挙げうる。

アルミニウムの精製において、精製すべきアルミニウムにアルミニウムと包晶を形成する不純物元素、例えばＴｉ、Ｚｒ、Ｖ等の包晶元素が含まれている場合は、溶湯保持容器に収容される溶湯にホウ素を添加して攪拌した上で本発明の精製方法を適用することが好ましい。ホウ素添加および攪拌を行うことで、ホウ素が溶湯中に含まれている包晶不純物と反応して、ＴｉＢ_２、ＶＢ_２、ＺｒＢ_２等の不溶性ホウ化物が生成される。生成された不溶性ホウ化物は冷却体の回転により生じる遠心力によって冷却体から遠ざけられるので、冷却体の周面に晶出するアルミニウムに含まれることはない。また、余剰のホウ素は共晶不純物として除去されるので、これも冷却体の周面に晶出するアルミニウムに含まれることはない。

なお、ホウ素は、例えば、精製すべきアルミニウムにＡｌ−Ｂ母合金を添加して共に溶解したり、溶湯中にＢＦ_３ガスを吹き込む等の方法により添加することができる。

また、複数の溶湯保持容器を連通状に接続して溶湯を順次下流側の溶湯保持容器に供給する場合は、最上流の溶湯保持容器にホウ素を添加して不溶性ホウ化物を除去するのが良い。また、最上流の溶湯保持容器をホウ素反応専用とし、一段目の溶湯保持容器で不溶性ホウ化物を除去した後、二段目以降の溶湯保持容器で偏析凝固による精製を行うようにしても良い。

上記により精製された金属は高純度であるから、各種の加工や用途に用いることで優れた特性や機能を発揮させることができる。一例を挙げると、精製金属を鋳造に用いて鋳造品を製作しても良いし、この鋳造品を圧延して各種の金属板や金属箔として用いても良い。また、この金属箔を例えばアルミニウム電解コンデンサの電極材として用いてもよい。

図１Ａ〜図２、図４に参照される金属精製装置（1）用いてアルミニウムの精製を行い、図５Ａおよび図５Ｂに示す従来の金属精製装置（50）を用いた精製と比較した。

各例において、精製試験に用いた精製すべきアルミニウムには主な不純物としてＦｅ：５２０ｐｐｍ、Ｓｉ：２２０ｐｐｍが含まれている。前記アルミニウムはそれぞれの溶湯保持容器内で電気加熱により溶解して溶湯（Ｍ）とし、精製中は６６５℃に保持した。また、冷却体を溶湯（Ｍ）に浸漬する際には、予め表面温度が５５０℃となるように加熱し、精製中は４．７ｍ／秒の周速度で回転させ、かつ冷媒として圧縮エアを１１００リットル／分の流量で供給した。前記冷却体の回転の周速度は冷却体の外径および回転方向にかかわらず同一である。精製時間は５分とした。

（実施例１）
図１Ａおよび図１Ｂに示す金属精製装置（1）を用いた。

溶湯保持容器（10）は内直径が３１０ｍｍの円形のグラファイト製るつぼであり、静止状態で精製試験を行った。３個の冷却体（20a）（20b）（20c）はグラファイト製であり、最大外径が７０ｍｍの中空の逆円錐体である。これらの冷却体（20a）（20b）（20c）を直径１５０ｍｍの円（Ｃ）上の均等位置（ＰＣＤ＝１５０ｍｍ）に浸漬し、矢印Ａで示すように時計回りの同一方向に回転させて精製した。前記冷却体（20a）（20b）（20c）の最大外径部分における間隔（ｄ）は５９．９ｍｍである。

（実施例２）
図２に示すように、実施例１に溶湯保持容器（10）の回転を加えたことを以外は実施例１と同じ条件で精製した。

前記溶湯保持容器（10）の回転方向は矢印Ｃで示すように反時計回りであり、溶湯保持容器の内面の周速が０．８１ｍ／秒でとなるように回転させた。

（実施例３）
図１Ａおよび図４に示す金属精製装置（1）を用いた。
図４に示すように、３個の冷却体（20a）（20b）（20c）のうちの１個の冷却体（20c）を逆回転させたこと以外は実施例１と同じ条件で精製した。

（比較例）
図５Ａおよび図５Ｂに示す金属精製装置（50）を用いた。この金属精製装置（50）は、実施例１の金属精製装置（1）とは冷却体（20e）の寸法、数、浸漬位置のみが異なる。

冷却体（20e）の数は１個であり、最大外径が１５０ｍｍの中空の逆円錐体のグラファイト製であり、回転軸（21e）、冷媒供給管（22）および冷媒排出管（23）が付随している。

前記溶湯保持容器（10）は静止状態であり、前記冷却体（20e）を溶湯保持容器（10）の中心に浸漬して、矢印Ａで示すように時計回りに回転させた。

各例において、５分の精製を行った後、溶湯（Ｍ）から冷却体を引き上げ、冷却体（20a）（20b）（20c）（20e）の周面に付着している精製されたアルミニウムを掻き落として回収し、不純物であるＦｅ濃度およびＳｉ濃度を調べた。さらに、ＦｅおよびＳｉの精製効率を下記式により計算した。回収した精製アルミニウムの重量、精製アルミニウム中のＦｅ濃度およびＳｉ濃度、精製効率を表１に示す。
Ｆｅの精製効率＝精製アルミニウム中のＦｅ濃度／溶湯中のＦｅ濃度（＝５２０ｐｐｍ）
Ｓｉの精製効率＝精製アルミニウム中のＳｉ濃度／溶湯中のＳｉ濃度（＝２２０ｐｐｍ）

表１に記載したとおり、複数個の冷却体を用いることで精製効率を高める得ることを確認することができた。

本発明によれば、金属を効率良く精製して高純度の金属が得られるので、電解コンデンサの電極材のような高純度金属の製造に利用できる。

1、2、50…金属精製装置
10、11…溶湯保持容器
20a、20b、20c、20d、20e…冷却体
21a、21b、21c、21d、21e…回転軸
Ｍ…溶湯（溶融金属）
ｄ…冷却体間の間隔
Ａ、Ｅ…冷却体の回転方向
Ｂ、Ｆ…冷却体の回転による溶湯の旋回流
Ｃ…溶湯保持容器の回転方向
Ｄ…溶湯保持容器の回転による溶湯の旋回流

Claims

溶湯保持容器に収容した精製すべき溶融金属中に、複数個の冷却体を間隔を置いて浸漬し、
前記複数個の冷却体を回転させながら冷却体表面に高純度金属を晶出させ、かつ前記間隔を晶出金属が接触しない間隔とすることを特徴とする金属精製方法。
前記複数個の冷却体を同一方向に回転させる請求項１に記載の金属精製方法。
前記複数個の冷却体のうちの少なくとも１個の冷却体を他の冷却体とは逆方向に回転させる請求項１に記載の金属精製方法。
前記溶湯保持容器を少なくとも１個の冷却体の回転方向とは逆方向に回転させる請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の金属精製方法。
前記溶融金属がアルミニウムである請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の金属精製方法。
精製すべき溶融金属を収容する溶湯保持容器と、
前記溶湯保持容器内の溶融金属中に晶出金属が接触しない間隔を置いて浸漬され、回転する複数個の冷却体とを備えることを特徴とする金属精製装置。
前記複数個の冷却体が同一方向に回転する請求項６に記載の金属精製装置。
前記複数個の冷却体のうちの少なくとも１個の冷却体が他の冷却体とは逆方向に回転する請求項６に記載の金属精製装置。
前記溶湯保持容器が少なくとも１個の冷却体の回転方向とは逆方向に回転可能となされている請求項６〜８のうちのいずれか１項に記載の金属精製装置。