JP7373361B2 - 電解製錬炉及び電解製錬方法 - Google Patents

電解製錬炉及び電解製錬方法 Download PDF

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Description

本発明は、電解製錬炉及び電解製錬方法に関する。
例えば鉄鉱石を精錬するための技術として、これまで高炉や転炉による熱処理が広く用いられている。この方法では、金属材料となる鉄鉱石と、還元材としてのコークスとを炉内で燃焼させる。炉内ではコークス中に含まれる炭素が鉄から酸素を奪って熱と一酸化炭素、二酸化炭素を生じる。この反応熱によって鉄鉱石が溶融し、銑鉄が生成される。その後、銑鉄から酸素及び不純物を除去することで純鉄が得られる。
ここで、上記の方法は、コークスを含む大量の炭素を必要とすることから、一酸化炭素や二酸化炭素の発生量が大きくなる。近年の大気汚染対策の厳格化に伴って、これら炭素を含むガスの発生量が抑えられた製錬技術が求められている。このような技術の一例として、下記特許文献１に記載された電解製錬法が挙げられる。
電解製錬法では、平面状の炉底を有する炉の内部で、炉底電極と上部電極との間に溶融した鉄鉱石を介在させた状態で電圧を印加する。これにより、上部電極側には、スラグ成分を含む溶融電解質が析出し、炉底電極側に溶融鉄（純鉄）が析出する。上部電極としては、一例として鉄やクロム、バナジウム、タンタルを含む金属材料が用いられる。
米国特許第８７６４９６２号明細書
しかし、特許文献１に示す電解製錬法では、金属を適切に製錬するために改善の余地がある。
本発明は、上述した課題を解決するものであり、金属を適切に製錬することが可能な電解製錬炉及び電解製錬方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る電解製錬炉は、炉本体と、前記炉本体内の底部に設けられる炉底電極と、前記炉本体内の前記炉底電極の上方に設けられる上部電極と、を備え、前記上部電極は、スピネル型構造の導電性の化合物を含む。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る電解製錬炉は、炉本体と、前記炉本体内の底部に設けられる炉底電極と、前記炉本体内の前記炉底電極の上方に設けられる上部電極と、前記炉底電極と前記上部電極との間に電圧を印加する電源部と、前記電源部が印加する前記電圧を制御する電圧制御部と、を備え、前記電圧制御部は、製錬する対象物の種類に基づき、前記電圧の値を設定する。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る電解製錬炉は、内部に電解液が貯留される炉本体と、前記炉本体内の底部に設けられる炉底電極と、前記炉本体内の前記炉底電極の上方に設けられる上部電極と、製錬された対象物を加熱して溶融させる加熱部と、前記上部電極を移動させる移動機構と、を備え、前記移動機構は、製錬された対象物を前記加熱部により加熱する際に、前記上部電極を、前記電解液内に浸漬されない位置に配置する。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る電解製錬方法は、前記電解製錬炉を用いて電解製錬を実行する。
本発明によれば、金属を適切に製錬することができる。
図１は、第１実施形態に係る電解製錬炉の模式図である。 図２は、第１実施形態の制御部の模式的なブロック図である。 図３は、温度毎の還元電位の例を示すグラフである。 図４は、金属を還元する際の、印加電圧毎の流れる電流値の一例を示すグラフである。 図５は、第３実施形態に係る電解製錬炉の模式図である。 図６は、第３実施形態に係る上部電極の模式図である。 図７は、第３実施形態に係る第２電極の模式的な断面図である。 図８は、製錬時における上部電極の位置を示す模式図である。 図９は、第３実施形態における電解液の加熱を説明する模式図である。 図１０は、第３実施形態における電解液の加熱を説明する模式図である。 図１１は、対象物の加熱時における上部電極の位置を示す模式図である。 図１２は、第３実施形態における対象物の加熱を説明する模式図である。 図１３は、第３実施形態における対象物の製錬と溶融とのプロセスを説明するフローチャートである。 図１４は、第３実施形態の加熱部の他の例を示す模式図である。
以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。
（第１実施形態）
（電解製錬炉の構成）
図１は、第１実施形態に係る電解製錬炉の模式図である。第１実施形態に係る電解製錬炉１００は、原料Ａを溶融して、溶融した原料Ａを電解処理することで、対象物Ｂを製錬（製造）する装置である。原料Ａ及び対象物Ｂについては後述する。図１に示すように、電解製錬炉１００は、炉本体１０と、炉底電極１２と、上部電極１４と、コレクタ１６と、ハウジング１８と、投入部２０と、電源部２２と、加熱部２４と、制御部２６とを備える。以下、鉛直方向をＺ方向とする。そして、Ｚ方向に沿った方向のうちの一方の方向、ここでは鉛直方向上方に向かう方向を、Ｚ１方向とする。また、Ｚ方向に沿った方向のうちの他方の方向、ここでは鉛直方向下方に向かう方向を、Ｚ２方向とする。
炉本体１０は、壁部１０Ａ及び底部１０Ｂを備える容器である。底部１０Ｂは、炉本体１０のＺ２方向側の底面を形成する部分であり、水平面内に広がるように形成される。壁部１０Ａは、底部１０Ｂの外周からＺ１方向側に突出するように形成される壁である。炉本体１０内には、すなわち壁部１０Ａ及び底部１０Ｂに囲われる空間には、電解液Ｅが貯留されている。電解液Ｅは、電気伝導性を有する溶液であれば任意の組成であってよいが、例えば、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＣａＯなどの酸化物を含む溶液であってよい。また、詳しくは後述するが、製錬時においては、電解液Ｅには原料Ａが溶解されるため、電解液Ｅには、溶解した原料Ａの成分が含まれる。
炉底電極１２は、炉本体１０内のＺ２方向側、より詳しくは底部１０Ｂに設けられている。炉底電極１２は、電解製錬炉１００における陰極である。炉底電極１２は、一例としてタングステンを主成分とする金属材料で一体に形成された板状をなしている。本実施形態においては、炉底電極１２は、一体に形成された板状をなしているが、その形状は任意であってよい。
上部電極１４は、炉本体１０内のＺ１方向側、より詳しくは炉本体１０内において炉底電極１２のＺ１方向側に設けられている。すなわち、炉底電極１２と上部電極１４とは、炉本体１０内において対向するように設けられている。上部電極１４は、電解製錬炉１００における陽極である。上部電極１４は、スピネル型構造の導電性の化合物を含む部材で構成されている。より詳しくは、本実施形態においては、上部電極１４は、スピネル型構造の導電性の化合物として、Ｆｅ３Ｏ４（マグネタイト）を含む。上部電極１４は、スピネル型構造の導電性の化合物が、ここではＦｅ３Ｏ４の含有量が、上部電極１４の全体に対して、９０重量％以上１００重量％以下であることが好ましい。このように、本実施形態においては、上部電極１４は、スピネル型構造の導電性の化合物として、Ｆｅ３Ｏ４を含むが、それに限られず、例えばＭｇ、Ａｌを含んでいてもよい。なお、本実施形態においては、上部電極１４は、一体に形成された板状をなしているが、その形状は任意であってよく、例えば後述の第３実施形態で示すように複数の円柱状の部材で構成されていてもよい。
コレクタ１６は、炉本体１０の底部１０Ｂ内であって、炉底電極１２のＺ２方向側に設けられている。コレクタ１６は、導電性の材料で形成され、炉底電極１２に電気的に接続されている。なお、図１の例では、２つのコレクタ１６が設けられている例を示しているが、コレクタ１６の数は２つに限定されない。ハウジング１８は、炉本体１０、炉底電極１２、上部電極１４、及びコレクタ１６を覆う。
投入部２０は、炉本体１０に原料Ａを投入する機構である。投入部２０は、例えば開口部が炉本体１０のＺ１方向側に設けられており、開口部から炉本体１０内に、原料Ａを投入する。本実施形態では、投入部２０は、制御部２６の制御によって、炉本体１０内に原料Ａを投入する。
電源部２２は、電力を供給可能な電源である。電源部２２は、上部電極１４及びコレクタ１６に電気的に接続されている。電源部２２は、コレクタ１６を介して、炉底電極１２に電気的に接続されているといえる。電源部２２は、上部電極１４にプラス側の電圧を印加し、コレクタ１６に、言い換えればコレクタ１６を介して炉底電極１２に、マイナス側の電圧を印加する。すなわち、電源部２２は、上部電極１４と炉底電極１２との間に電圧を印加することで、上部電極１４と炉底電極１２との間に電位差を発生させる。本実施形態では、電源部２２は、制御部２６の制御によって、上部電極１４と炉底電極１２との間に電圧を印加する。
加熱部２４は、炉本体１０内を加熱する加熱機構である。加熱部２４は、炉本体１０内の電解液Ｅを加熱する。図１の例では、加熱部２４は、炉本体１０の壁部１０Ａに設けられているが、加熱部２４の設けられる位置は任意であり、例えば後述の第３実施形態に示すように、上部電極１４に設けられていてもよい。また、加熱部２４による加熱方法も任意であり、例えば電熱やプラズマなどで加熱するものであってよい。本実施形態では、加熱部２４は、制御部２６の制御によって、炉本体１０内の電解液Ｅを加熱する。
図２は、第１実施形態の制御部の模式的なブロック図である。制御部２６は、電解製錬炉１００の各部を制御する制御装置である。制御部２６は、演算装置、すなわちＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を含む。制御部２６は、図示しない記憶部（メモリ）からプログラム（ソフトウェア）を読み出して実行することで、後述する処理を実行する。図２に示すように、なお、制御部２６は、１つのＣＰＵによってこれらの機能を実行してもよいし、複数のＣＰＵを備えて、それらの複数のＣＰＵで、これらの機能を実行してもよい。また、各機能の少なくとも一部を、ハードウェア回路で実現してもよい。
制御部２６の演算装置は、投入制御部３０、加熱制御部３２及び電圧制御部３４を含む。投入制御部３０は、投入部２０を制御する。投入制御部３０は、投入部２０によって、炉本体１０内に、原料Ａを投入させる。加熱制御部３２は、加熱部２４を制御する。加熱制御部３２は、加熱部２４によって、炉本体１０内の電解液Ｅを加熱させる。電圧制御部３４は、電源部２２を制御する。電圧制御部３４は、電源部２２によって、上部電極１４と炉底電極１２との間に、電圧を印加する。ただし、投入部２０、電源部２２、加熱部２４の制御は、このように制御部２６によって行われることに限られず、例えば作業者によって手作業で行われてもよい。
（電解製錬炉による製錬）
次に、以上のような構成の電解製錬炉１００を用いて対象物Ｂを製錬する方法について説明する。第１実施形態に係る電解製錬炉１００は、対象物Ｂとして、ＦｅＶ合金又はＦｅＮｂ合金を製錬する。言い換えれば、電解製錬炉１００は、対象物Ｂとして、ＦｅＶ合金及びＦｅＮｂ合金の少なくとも１つを製錬可能である。ただし、電解製錬炉１００が製錬する対象物Ｂは、以上に挙げたものに限られず任意の金属であってよい。例えば、電解製錬炉１００は、Ｖ（バナジウム）、Ｎｂ（ニオブ）、ＦｅＶ合金、及びＦｅＮｂ合金の少なくとも１つを製錬してよい。なお、ＦｅＶ合金とは、鉄とバナジウムとを含む合金であり、ＦｅＮｂ合金とは、鉄とニオブとを含む合金である。また、電解製錬炉１００は、第１金属及び第２金属を含む合金を製錬することが好ましいともいえる。第１金属は任意の金属であるが、例えばＦｅなどであり、第２金属は、第１金属と異なるものであれば任意の金属であってよいが、例えばＶやＮｂなどである。また、電解製錬炉１００が製錬する対象物Ｂは、上部電極１４のスピネル型構造の導電性の化合物に含まれる金属を含んだものであることが好ましいともいえる。すなわち例えば、上部電極１４がＦｅ３Ｏ４である場合は、対象物Ｂは、鉄を含んだ金属であることが好ましい。上部電極１４に含まれる金属を含んだ対象物Ｂを製錬することで、上部電極１４が消耗して電解液Ｅに溶解した場合にも、対象物Ｂへの異材料の混入を抑制できる。
電解製錬炉１００は、対象物ＢとしてＦｅＶ合金を製錬する場合には、合金全体（対象物Ｂ全体）に対するＶの含有量の比率が、３０重量％以上１００重量％以下となるように、対象物Ｂを製錬することが好ましい。対象物Ｂとして製錬されるＦｅＶ合金は、不可避的不純物を除き、Ｆｅ及びＶ以外の成分を含まないことが好ましい。また、第１実施形態に係る電解製錬炉１００は、対象物ＢとしてＦｅＮｂ合金を製錬する場合には、合金全体（対象物Ｂ全体）に対するＮｂの含有量の比率が、３０重量％以上、１００重量％以下となるように、対象物Ｂを製錬することが好ましい。対象物Ｂとして製錬されるＦｅＮｂ合金は、不可避的不純物を除き、Ｆｅ及びＮｂ以外の成分を含まないことが好ましい。
電解製錬炉１００を用いて対象物Ｂを製錬する場合、投入制御部３０の制御により、投入部２０から炉本体１０内に、原料Ａを投入する。これにより、炉本体１０内の電解液Ｅに、原料Ａが添加される。原料Ａは、対象物Ｂに含まれる金属元素の酸化物である。例えば、対象物ＢとしてＦｅＶ合金を製錬する場合には、原料Ａとして、酸化鉄を含む原料Ａ１と、酸化バナジウムを含む原料Ａ２とを投入する。原料Ａ１に含まれる酸化鉄は、例えばＦｅ２Ｏ３やＦｅ３Ｏ４である。また、酸化鉄を含む原料Ａ１は、例えば鉄鉱石であるが、酸化鉄を含む材料であれば、鉄スクラップなど任意のものであってよい。また、原料Ａ２に含まれる酸化バナジウムは、例えばＶ２Ｏ５やＶＯであるが、Ｖ２Ｏ５であることが好ましい。対象物ＢとしてＦｅＮｂ合金を製錬する場合には、原料Ａとして、酸化鉄を含む原料Ａ１と、酸化ニオブを含む原料Ａ３とを投入する。ここでの原料Ａ３に含まれる酸化ニオブは、Ｎｂ２Ｏ５、ＮｂＯ２，Ｎｂ２Ｏ、ＮｂＯなどであるが、Ｎｂ２Ｏ５であることが好ましい。
第１実施形態に係る電解製錬炉１００を用いて対象物Ｂを製錬する場合、加熱制御部３２の制御により、加熱部２４によって、炉本体１０内の電解液Ｅを加熱する。加熱部２４は、電解液Ｅを、予め定めた設定温度に加熱する。設定温度は、電解液Ｅに投入される原料Ａの融点に基づき、言い換えれば製錬する対象物Ｂの種類に基づき設定される。例えば、対象物ＢとしてＦｅＶ合金を製錬する場合には、すなわち原料Ａ１、Ａ２が添加される場合には、加熱部２４は、電解液Ｅを、１２００℃以上１６００℃以下に加熱することが好ましく、１４００℃以上１６００℃以下に加熱することがより好ましい。設定温度を１２００℃以上とすることで酸化バナジウムを適切に溶解させ、１６００℃以下にすることで、上部電極１４の溶解を適切に抑制できる。また、設定温度を１４００℃以上とすることで、酸化バナジウムをより適切に溶解させることができる。また例えば、対象物ＢとしてＦｅＮｂ合金を製錬する場合には、すなわち原料Ａ１、Ａ３が添加される場合には、加熱部２４は、電解液Ｅを、１２００℃以上１６００℃以下に加熱することが好ましく、１４００℃以上１６００℃以下に加熱することがより好ましい。設定温度を１２００℃以上とすることで酸化ニオブを適切に溶解させ、１６００℃以下にすることで、上部電極１４の溶解を適切に抑制できる。
本実施形態では、電解液Ｅに原料Ａが投入された後に、電解液Ｅを加熱する。すなわち、加熱部２４は、原料Ａが添加された電解液Ｅを加熱するといえ、電解液Ｅに添加された原料Ａを加熱するともいえる。これにより、原料Ａは、加熱されて、電解液Ｅ中に溶解する。ただし、原料Ａが投入される前に電解液Ｅを設定温度に加熱してから（すなわち原料Ａが添加されない電解液Ｅを加熱してから）、電解液Ｅに原料Ａを添加してよい。この場合でも、設定温度に加熱された電解液Ｅに原料Ａを添加するため、原料Ａが伝熱により加熱されて、電解液Ｅ中に溶解される。
以上のように原料Ａを電解液Ｅに溶解させたら、電圧制御部３４の制御により、電源部２２によって、上部電極１４にプラス側の電圧を印加し、コレクタ１６を介して炉底電極１２に、マイナス側の電圧を印加する。これにより、上部電極１４と炉底電極１２との間に電位差が発生して、電解液Ｅ内で電解反応（還元反応）が進行する。電解液Ｅ内での電解反応（還元反応）により、電解液Ｅに溶解した原料Ａに含まれていた金属が、対象物Ｂとして析出し、自重によって炉底電極１２側（Ｚ２方向側）に沈殿する。すなわち、原料Ａ１、Ａ２が溶解していた場合は、原料Ａ１に含まれていたＦｅと原料Ａ２に含まれていたＶとが、ＦｅＶ合金として析出する。また、原料Ａ１、Ａ３が溶解していた場合は、原料Ａ１に含まれていたＦｅと原料Ａ３に含まれていたＮｂとが、ＦｅＮｂ合金として析出する。なお、析出した対象物Ｂの沈殿量が増えることで、炉底電極１２に加えて、対象物Ｂ自体も陰極として機能するようになる。なお、上部電極１４側では、酸素が発生する。
第１実施形態に係る電解製錬炉１００では、以上のようにして、対象物Ｂを製錬する。
以上説明したように、本実施形態に係る電解製錬炉１００は、炉本体１０と、炉本体１０内の底部１０Ｂに設けられる炉底電極１２と、炉本体１０内の炉底電極１２の上方（Ｚ１方向側）に設けられる上部電極１４とを備える。上部電極１４は、スピネル型構造の導電性の化合物を含む。ここで、電解製錬炉１００は、炉底電極１２と上部電極１４との間に電圧を印加して、対象物Ｂを製錬する。このような電解製錬炉１００においては、対象物Ｂの原料Ａや電解液Ｅに、上部電極１４を腐食する成分が含有される場合があるため、上部電極１４の表面が腐食するおそれがある。上部電極１４が腐食すると、対象物Ｂを適切に製錬できなくなる。それに対し、本実施形態に係る電解製錬炉１００は、スピネル型構造の導電性の化合物を含んだ上部電極１４を用いることで、上部電極１４を、使用する
電圧の印加）に従って消耗する消耗電極とすることが可能となる。上部電極１４を消耗電極とすることで、表面の腐食を抑えることが可能となり、対象物Ｂを適切に製錬することができる。また、本実施形態に係る電解製錬炉１００は、電解製錬で対象物Ｂを製錬するため、二酸化炭素の発生を抑えることが可能となる。
また、上部電極１４は、Ｆｅ３Ｏ４を含むことが好ましい。上部電極１４をＦｅ３Ｏ４とすることで、上部電極１４が消耗電極として働き、通常の電極を用いた場合の問題点（腐食による皮膜生成、絶縁化等の電極の機能を喪失など）を回避することができ、対象物Ｂを適切に製錬することができる。特に、ＦｅＶ合金やＦｅＮｂ合金を対象物Ｂとして製錬する場合には、上部電極１４の金属成分であるＦｅが対象物Ｂに含まれることになるため、上部電極１４が電解液Ｅに溶解しても、対象物Ｂに異物が混ざることを抑制できるため、対象物Ｂを高純度で製錬できる。さらに言えば、ＦｅＶ合金を製錬する場合には、Ｖが腐食成分として作用する。それに対し、本実施形態に係る電解製錬炉１００は、Ｆｅ３Ｏ４を含んだ上部電極１４を用いることで、上部電極１４の腐食による機能喪失を抑制して、ＦｅＶ合金を適切に製錬できる。このように、本実施形態に係る電解製錬炉１００を用いると、特にＦｅＶ合金を適切に製錬できる。
また、上部電極１４は、Ｆｅ３Ｏ４の含有量が、９０重量％以上１００重量％以下であることが好ましい。Ｆｅ３Ｏ４の含有量をこの範囲とすることで、対象物Ｂを適切に製錬することができる。
本実施形態に係る電解製錬炉１００は、Ｖ、Ｎｂ、ＦｅＶ合金、及びＦｅＮｂ合金の少なくとも１つを製錬することが好ましい。また、本実施形態に係る電解製錬炉１００は、ＦｅＶ合金、及びＦｅＮｂ合金の少なくとも１つを製錬することが好ましい。本実施形態に係る電解製錬炉１００は、これらの金属を適切に製錬できる。
本実施形態に係る電解製錬方法は、電解製錬炉１００を用いて電解製錬を実行する。そのため、本実施形態に係る電解製錬方法によると、対象物Ｂを適切に製錬することができる。
なお、電解製錬炉１００で対象物Ｂを製錬して、電解製錬炉１００から対象物Ｂを抜き出した後に、対象物Ｂの組成を調整してもよい。この場合、電解製錬炉１００から抜き出した対象物Ｂを加熱して溶融させて、Ｆｅ、Ｖ、Ｎｂなど、組成調整に必要な金属を添加する。これにより、添加した金属を対象物Ｂに含有させて、対象物Ｂの組成を所望の組成に調整することができる。例えば、電解製錬炉１００において、Ｆｅに対するＮｂの含有比率が３０重量％以上１００重量％以下のＦｅＮｂ合金を製錬した後、ＦｅＮｂ合金を溶融させて、Ｆｅを添加することで、Ｆｅに対するＮｂの含有比率が３０重量％以上１００重量％以下のＦｅＮｂ合金を製造することができる。
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態においては、製錬する対象物Ｂの種類に基づき、上部電極１４と炉底電極１２との間に印加する電圧の値を設定する点で、第１実施形態とは異なる。第２実施形態において第１実施形態と構成が共通する箇所は、説明を省略する。
電解製錬炉１００は、上部電極１４と炉底電極１２との間に電圧を印加することで、対象物Ｂを製錬する。第２実施形態においては、電圧制御部３４が、製錬する対象物Ｂの種類に基づき電圧値を設定して、設定した電圧値で上部電極１４と炉底電極１２との間に電圧を印加することで、対象物Ｂを適切に製錬できる。以下、具体的に説明する。
図３は、温度毎の還元電位の例を示すグラフである。図３の横軸は温度であり、縦軸は還元電位である。図３の線分Ｌ０ａは、上部電極１４の電位を示しており、線分Ｌ０ｂは、電解液Ｅの還元が始まる電位を示している。上部電極１４の電位を電位Ｖ０ａとし、電解液Ｅの還元電位を電位Ｖ０ｂとすると、電位Ｖ０ａと電位Ｖ０ｂとの差分が、印加可能な電位差（電圧値）、すなわち電解可能な範囲を示している。また、線分Ｌ１は、Ｆｅの還元電位を示しており、線分Ｌ２は、Ｖの還元電位を示しており、線分Ｌ３は、Ｎｂの還元電位を示している。以下、Ｆｅの還元電位を電位Ｖ１とし、Ｎｂの還元電位を電位Ｖ２とし、Ｖの還元電位を電位Ｖ３とすると、それぞれの還元電位は、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の順で値が小さくなる。そのため、還元に必要な電位差（電圧）は、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｖの順で大きくなる。なお、図３における各電位は、一例である。
電圧制御部３４は、ＦｅＶ合金を製錬する際には、上部電極１４と炉底電極１２との間に印加する電圧値を、電位Ｖ０ａと電位Ｖ３との差分値以上、電位Ｖ０ａと電位Ｖ０ｂとの差分値以下に設定する。電圧値を電位Ｖ０ａと電位Ｖ３との差分値以上に設定して電圧を印加することで、ＦｅとＶとを適切に還元して、ＦｅＶ合金を適切に製錬できる。また、電圧値を電位Ｖ０ａと電位Ｖ０ｂとの差分値以下に設定することで、電解可能な範囲で適切に電解を実行できる。また、電圧制御部３４は、ＦｅＮｂ合金を製錬する際には、上部電極１４と炉底電極１２との間に印加する電圧値を、電位Ｖ０ａと電位Ｖ２との差分値以上、電位Ｖ０ａと電位Ｖ０ｂとの差分値以下に設定する。電圧値を電位Ｖ０ａと電位Ｖ２との差分値以上に設定して電圧を印加することで、ＦｅとＮｂとを適切に還元して、ＦｅＮｂ合金を適切に製錬できる。このように、電圧制御部３４は、合金である対象物Ｂに含まれる第１金属及び第２金属が還元される還元電位に基づき、電圧の値を設定するといえる。電圧制御部３４は、上部電極１４と炉底電極１２との間に、第１金属及び第２金属の還元電位よりも高い電位差が生じるように、上部電極１４と炉底電極１２との間に印加する電圧値を設定するともいえる。なお、純金属を製錬する場合は、その純金属の還元電位に基づき、電圧の値を設定すればよい。例えばＶを製錬する場合は、上部電極１４と炉底電極１２との間に印加する電圧値を、電位Ｖ０ａと電位Ｖ３との差分値以上にすれば、Ｖを適切に還元して製錬可能となる。
また、第２実施形態においては、電圧制御部３４は、対象物Ｂにおける第１金属（例えばＦｅ）と第２金属（例えばＶ）との含有比率が所望の値になるように、上部電極１４と炉底電極１２との間に印加する電圧値を設定してよい。例えば、電圧制御部３４は、上部電極１４と炉底電極１２との間に印加される電圧値と対象物Ｂの製錬速度との関係を予め取得しておき、その関係に基づき、対象物Ｂにおける第１金属と第２金属との含有比率が所望の値となるように、電圧値を設定してもよい。また、電圧制御部３４は、上部電極１４と炉底電極１２との間に印加される電圧値と上部電極１４の消耗速度（溶融速度）との関係を予め取得しておき、その関係に基づき、対象物Ｂにおける第１金属と第２金属との含有比率が所望の値となるように、電圧値を設定してもよい。電圧値と対象物Ｂの製錬速度との関係や、電圧値と上部電極１４の消耗速度との関係は、例えば実験による測定値に基づき導出される。このように、対象物Ｂの製錬速度や上部電極１４の消耗速度に基づき電圧値を設定することで、製錬速度や消耗速度によって対象物Ｂの組成が変化する場合にも、対象物Ｂの組成を適切に保つことが可能となる。
図４は、金属を還元する際の、印加電圧毎の流れる電流値の一例を示すグラフである。第２実施形態においては、電圧制御部３４は、単位時間当たりの金属の還元量に基づき、対象物Ｂにおける第１金属（例えばＦｅ）と第２金属（例えばＶ）との含有比率が所望の値となるように、上部電極１４と炉底電極１２との間に印加する電圧値を設定してもよい。図４の横軸は、陽極と陰極との間に印加される電圧値であり、縦軸は、その際に流れる電流値である。ここでの電流値とは、単位時間当たりの還元量、すなわち単位時間当たりの金属の析出量であるともいえる。図４の線分Ｌ４は、Ｆｅを還元する際の電圧値と電流値との関係の例を示しており、線分Ｌ５は、Ｖを還元する際の電圧値と電流値との関係の例を示している。図４に示すように、電圧値が比較的低い範囲においては、同じ電圧値を印加した場合でも、流れる電流値、すなわち析出量は、金属毎に異なる。一方、電圧値を高くすると、図４の例では電圧値がＶｂ以上になると、同じ電圧値を印加した場合に流れる電流値、すなわち析出量は、金属毎に同じとなる。ここで、電圧値をＶｂより低いＶａに設定した場合のＦｅの還元量（電流値）をＩ４とし、Ｖの還元量（電流値）をＩ５とする。この場合例えば、電圧値Ｖａを印加してＦｅＶ合金を製錬すると、ＦｅＶ合金におけるＦｅの含有量に対するＶの含有量の比率は、Ｉ５／Ｉ４となる。一方、電圧値をＶｂ以上にすると、ＦｅＶ合金におけるＦｅの含有量に対するＶの含有量の比率は、１、すなわち１：１となる。
単位時間当たりの金属の還元量に基づく電圧値の設定方法をより具体的に説明する。ここで、対象物Ｂにおける第１金属と第２金属との含有比率の所望値を、所望比率とする。電圧制御部３４は、図４に示したような、第１金属と第２金属とについての、電流値（単位時間当たりの金属の還元量）と電圧値との関係を取得する。そして、電圧制御部３４は、単位時間当たりの第１金属の析出量と単位時間当たりの第２金属の析出量との比率が所望比率になる電圧値を取得し、その電圧値を、上部電極１４と炉底電極１２との間に印加する電圧値として設定してよい。このように電圧値を設定することで、所望比率の対象物Ｂを製錬できる。
また例えば、電圧制御部３４は、原料Ａの炉本体１０への投入量に基づき、電圧値を設定してもよい。電圧制御部３４は、投入部２０から炉本体１０に投入される原料Ａ１（ここでは酸化鉄）の量と、投入部２０から炉本体１０に投入される原料Ａ２（ここでは酸化バナジウム）の量との比率である、投入比率を取得する。電圧制御部３４は、その投入比率に基づき、対象物Ｂにおける第１金属と第２金属との含有比率が所望比率となるように、電圧値を設定する。対象物Ｂにおける第１金属と第２金属との含有比率は、投入比率にも応じて変化する。そのため、電圧制御部３４は、投入比率に基づいて電圧値を設定することで、所望比率の対象物Ｂを適切に製錬できる。以上の説明では、電圧制御部３４によって電圧値を調整していたが、電圧値を予め定めた値に固定しておき、投入比率を調整してもよい。すなわち、投入制御部３０が、電圧制御部３４が設定した電圧値に基づき、対象物Ｂにおける第１金属と第２金属との含有比率が所望比率となるように、第１金属を含む第１原料と第２金属を含む第２原料との投入比率を設定してもよい。そして、投入制御部３０は、設定した投入比率で、投入部２０から炉本体１０内に第１原料及び第２原料を投入する。例えば、電圧値が図４に示すＶｂに設定されている場合、第１金属の析出量と単位時間当たりの第２金属の析出量との比率が等しくなるが、対象物Ｂにおける第２金属の含有率を多くした場合には、第２金属を含む第２原料の投入量を多くする。このように、電圧値に基づき投入比率を調整することによっても、所望比率の対象物Ｂを適切に製錬できる。
なお、第２実施形態においては、電解製錬炉１００の構成は第１実施形態と共通するが、電解製錬炉１００の構成が第１実施形態と異なってもよい。例えば、第２実施形態においては、上部電極１４は、スピネル型構造の導電性の化合物を含む部材であることに限られず、例えば鉄やクロム、バナジウム、タンタルを含む金属材料など、任意の部材であってもよい。
以上説明したように、第２実施形態に係る電解製錬炉１００は、炉本体１０と、炉本体１０内の底部１０Ｂに設けられる炉底電極１２と、炉本体１０内の炉底電極１２の上方に設けられる上部電極１４と、炉底電極１２と上部電極１４との間に電圧を印加する電源部２２と、電源部２２が印加する電圧を制御する電圧制御部３４と、を備える。電圧制御部３４は、製錬する対象物Ｂの種類に基づき、電圧値を設定する。第２実施形態に係る電解製錬炉１００においては、対象物の種類に基づき電圧値を設定して、設定した電圧値で上部電極１４と炉底電極１２との間に電圧を印加することで、対象物Ｂを適切に製錬することができる。特に、第１金属と第２金属とを含む合金を対象物Ｂとして製錬する場合において、対象物の種類に基づき電圧値を設定することで、対象物Ｂに含まれる第１金属と第２金属との含有比率、すなわち組成を、適切に調整することができる。
また、電解製錬炉１００は、第１金属及び第２金属を含む合金を製錬するものであり、電圧制御部３４は、第１金属及び第２金属が還元される還元電位に基づき、電圧値を設定する。第２実施形態に係る電解製錬炉１００においては、第１金属及び第２金属の還元電位に基づき印加する電圧値を設定することで、合金を適切に製錬できる。
また、電圧制御部３４は、第１金属を含む第１原料と第２金属を含む第２原料との、電解製錬炉１００への投入比率に基づき、合金（対象物Ｂ）における第１金属と第２金属との含有比率が所望の値となるように、電圧値を設定する。第２実施形態に係る電解製錬炉１００においては、投入比率に基づき電圧値を設定することで、所望比率の対象物Ｂを適切に製錬できる。
また、電解製錬炉１００は、第１金属を含む第１原料と第２金属を含む第２原料とを電解製錬炉１００に投入する投入制御部３０をさらに備える。投入制御部３０は、電圧制御部３４が設定した電圧値に基づき、合金（対象物Ｂ）における第１金属と第２金属との含有比率が所望の値となるように、電解製錬炉１００への第１原料と第２原料との投入比率を設定する。第２実施形態に係る電解製錬炉１００においては、電圧値に基づき投入比率を設定することで、所望比率の対象物Ｂを適切に製錬できる。
（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。第３実施形態においては、製錬した対象物Ｂを加熱して溶融する、図５に示す加熱部６２を備える点で、第１実施形態とは異なる。第３実施形態において第１実施形態と構成が共通する箇所は、説明を省略する。
（電解製錬炉の構成）
図５は、第３実施形態に係る電解製錬炉の模式図である。図５に示すように、第３実施形態に係る電解製錬炉１００ａは、炉本体１０と、炉底電極１２と、上部電極１４ａと、コレクタ１６と、ハウジング１８と、投入部２０と、電源部２２と、制御部２６と、排出路４０と、弁４２と、貯留部４４と、撹拌部４６と、移動機構４８と、電源部５０とを備える。上部電極１４ａには、製錬された対象物Ｂを加熱して溶融させる加熱部６２が設けられている。
図６は、第３実施形態に係る上部電極の模式図である。図６は、上部電極１４ａをＺ方向に見た図である。上部電極１４ａは、複数の電極１４ａ１を備える。電極１４ａ１は、電解製錬炉１００ａの陽極である。図６に示すように、電極１４ａ１は、水平方向に等間隔をあけて格子状に配列されている。電極１４ａ１は、円柱状であるが、形状は円柱状に限られず任意であってよい。
上部電極１４ａは、電極１４ａ１として、第１電極１４ａ１ａと第２電極１４ａ１ｂとを含む。第１電極１４ａ１ａは、後述の加熱部６２が設けられない電極１４ａ１であり、第２電極１４ａ１ｂは、後述の加熱部６２が設けられる電極１４ａ１である。図６の例では、第２電極１４ａ１ｂは、水平方向に互いに間隔をあけて、すなわち第１電極１４ａ１ａを隔てて隣り合うように配置されている構成について示している。ただし、第１電極１４ａ１ａと第２電極１４ａ１ｂとの配列や数はこれに限定されず、設計や仕様に応じて適宜変更することが可能である。また、上部電極１４ａは、第１電極１４ａ１ａを含まず第２電極１４ａ１ｂのみを含んでもよい。
図７は、第３実施形態に係る第２電極の模式的な断面図である。図７に示すように、第２電極１４ａ１ｂは、陽極部６０と加熱部６２とを含む。陽極部６０は、電解製錬炉１００ａの陽極を構成する部分である。陽極部６０は、第１実施形態の上部電極１４ａと同じ部材で構成されている。ただし、陽極部６０は、第１実施形態の上部電極１４ａと同じ部材で構成されることに限られず、例えば、鉄やクロム、バナジウム、タンタルを含む金属材料など、任意の部材であってもよい。陽極部６０は、筒状であり、Ｚ方向に貫通する貫通孔６０Ａが形成されている。
加熱部６２は、陽極部６０の貫通孔６０Ａ内に設けられている。加熱部６２は、トーチ本体６４と、プラズマトーチ電極６６とを備える。トーチ本体６４は、貫通孔６０Ａの内周面に配置された筒状の部材である。トーチ本体６４は、大径部６４ａと、小径部６４ｂと、接続部６４ｃとを含む。大径部６４ａは、トーチ本体６４のＺ１方向側の部分であり、小径部６４ｂは、トーチ本体６４のＺ２方向側の部分である。接続部６４ｃは、大径部６４ａと小径部６４ｂとの間の部分であり、大径部６４ａと小径部６４ｂとを接続する部分といえる。大径部６４ａの内径は、小径部６４ｂの内径よりも大きい。また、接続部６４ｃの内径は、Ｚ２方向に向かうに従って次第に縮小している。
プラズマトーチ電極６６は、トーチ本体６４内に配置される電極である。より詳しくは、プラズマトーチ電極６６は、大径部６４ａの内周側に配置されている。プラズマトーチ電極６６は、外径が大径部６４ａの内径寸法よりも小さい、棒状の電極である。プラズマトーチ電極６６の外周面と大径部６４ａの内周面との間には、流路Ｆとしての隙間が形成されている。流路Ｆには、外部から供給された作動ガスがＺ１方向側からＺ２方向側に向かって流通する。作動ガスは、Ａｒ、Ｎ２などの不活性ガスであるが、例えば水素などの可燃性のガスなど、任意のガスであってよい。そして、流路Ｆに作動ガスが流れている状態で、トーチ本体６４とプラズマトーチ電極６６との間に、電源部５０によって電圧が印加される。流路Ｆを流れる作動ガスは、電源部５０からの電圧によりトーチ本体６４とプラズマトーチ電極６６との間が通電されることで、電離して、高温のプラズマジェットＪが形成される。このプラズマジェットＪは、加熱部６２のＺ２方向側の端部から炉底電極１２側に向かって噴出する。
第２電極１４ａ１ｂは、以上のような構成となっている。なお、第１電極１４ａ１ａは、後述の陽極部６０を含んで加熱部６２を含まない構成となっている。
図５に戻り、排出路４０は、炉本体１０の底部１０Ｂに形成されて、加熱部６２によって溶融された対象物Ｂが排出される流路である。排出路４０は、第１排出路４０Ａと第２排出路４０Ｂとを含む。第１排出路４０Ａは、Ｚ１方向側の端部が炉本体１０内に連通して、炉本体１０の底部１０ＢをＺ方向に延在する流路である。第２排出路４０Ｂは、Ｚ１方向側の端部が第１排出路４０Ａに接続されて、Ｚ２方向に向けて延在する流路である。第２排出路４０Ｂは、Ｚ２方向側の端部が、貯留部４４に接続される。貯留部４４は、炉本体１０から排出された対象物Ｂが貯留される槽である。なお、排出路４０の形状は図５に示すものに限られない。
弁４２は、排出路４０、より詳しくは第２排出路４０Ｂに設けられた弁である。弁４２は、閉弁時において、第２排出路４０Ｂを閉塞することで、溶融された対象物Ｂが、炉本体１０から第１排出路４０Ａ及び第２排出路４０Ｂを経て貯留部４４へ排出されることを、遮断する。弁４２は、開弁時において、第２排出路４０Ｂの閉塞を解除することで、溶融された対象物Ｂを、炉本体１０から第１排出路４０Ａ及び第２排出路４０Ｂを経て貯留部４４へ排出させる。弁４２は、制御部２６によって、開閉が制御される。
撹拌部４６は、排出路４０、より詳しくは第２排出路４０Ｂに設けられる。撹拌部４６は、排出路４０から排出される溶融された対象物Ｂを撹拌する。具体的には、撹拌部４６は、ガスを第２排出路４０Ｂ内に供給（噴出）することで、第２排出路４０Ｂ内の溶融された対象物Ｂにガスを供給する。撹拌部４６は、溶融された対象物Ｂにガスを供給することで、第２排出路４０Ｂ内の溶融された対象物Ｂを撹拌する。撹拌部４６は、制御部２６の制御によって、ガスを供給する。なお、撹拌部４６が排出するガスは、例えばＮ２やＡｒ等の不活性ガスである。また、撹拌部４６が排出するガスは、Ａｒ以外の希ガスであってもよい。また、撹拌部４６は、第２排出路４０Ｂに設けられることに限られず、例えば第１排出路４０Ａや貯留部４４に設けられてもよい。また、電解製錬炉１００ａは、撹拌部４６からのガスと同様のガスを、炉本体１０内の電解液Ｅに供給するガス供給部を設けてもよい。
移動機構４８は、上部電極１４ａを移動する機構である。移動機構４８は、上部電極１４ａをＺ方向に移動させる。移動機構４８は、制御部２６の制御によって、上部電極１４ａを移動する。
（電解製錬炉による製錬）
次に、第３実施形態における電解製錬炉１００ａによる製錬について説明する。図８は、製錬時における上部電極の位置を示す模式図である。図８に示すように、対象物Ｂを製錬する際には、移動機構４８は、制御部２６の制御によって、上部電極１４ａを第１位置に位置させる。第１位置は、上部電極１４ａの少なくとも一部分が、炉本体１０内の電解液Ｅ内に浸漬される位置であり、上部電極１４ａのＺ２方向側の端部が炉本体１０内の電解液Ｅの液面よりもＺ２方向側となる位置である。図８の例では、第１位置においては、上部電極１４ａのＺ２方向側の端部のみが電解液Ｅ内に浸漬されているが、それに限られず、例えば上部電極１４ａの全体が電解液Ｅ内に浸漬されてもよい。
また、対象物Ｂを製錬する際には、第１実施形態と同様に、制御部２６の制御によって、投入部２０から炉本体１０内に、原料Ａを投入する。そして、第３実施形態においては、制御部２６の制御により、上部電極１４ａを第１位置に配置した状態で、加熱部６２によって、炉本体１０内の電解液Ｅを加熱する。加熱部６２は、上部電極１４ａ（第２電極１４ａ１ｂ）に設けられているため、対象物Ｂを製錬する際には、電解液Ｅ内に浸漬されている。すなわち、加熱部６２は、電解液Ｅ内に浸漬された状態で、電解液Ｅを設定温度に加熱する。ただし、対象物Ｂの製錬時における上部電極１４ａの位置は、第１位置に限られず、任意であってよい。例えば、移動機構４８は、対象物Ｂの製錬時において、上部電極１４ａを、後述の対象物Ｂを加熱する際の第２位置に配置してもよいし、また、対象物Ｂを加熱する際と同じ第２位置に限られず、上部電極１４ａが電解液Ｅ内に浸漬されない任意の位置に配置してもよい。
図９及び図１０は、第３実施形態における電解液の加熱を説明する模式図である。第３実施形態においては、図９に示すように、加熱部６２は、最初に、電解液Ｅ内に投入された原料Ａが溶融していない状態で、電解液Ｅを加熱する。具体的には、図９に示すように、制御部２６は、電源部５０によって、トーチ本体６４とプラズマトーチ電極６６との間に電圧を印加する。この電圧により、加熱部６２は、プラズマジェットＪを形成して、形成したプラズマジェットＪを、電解液Ｅ内に供給する。電解液Ｅ内に供給されたプラズマジェットＪは、電解液Ｅ及び原料Ａを加熱して、原料Ａを溶解させる。
原料Ａが溶解し始めた状態で、加熱部６２の動作を変化させる。具体的には、図１０に示すように、電源部５０によって、プラズマトーチ電極６６と炉底電極１２との間に通電して、プラズマトーチ電極６６と炉底電極１２との間に電圧を印加する。この電圧により、加熱部６２は、加熱部６２と炉底電極１２との間にプラズマジェットＪを形成する。プラズマジェットＪは、溶解し始めていた原料Ａを全体的に溶解させる。
以上のようにして原料Ａが溶解したら、第１実施形態と同様の方法で、上部電極１４と炉底電極１２との間に電圧を印加して、対象物Ｂを製錬する。
ここで、対象物Ｂを製錬している最中、すなわち電解の最中においては、電解時のジュール熱により、電解液Ｅ内は、設定温度近傍の高温に保たれている。そのため、製錬される対象物Ｂは、溶融された液状の状態を保つことができる場合があり、電解を行いながら対象物Ｂを連続的に抜き出すことが可能となる。しかし、電解時の温度よりも融点が高温な対象物Ｂを製錬する場合には、対象物Ｂが固体として析出することになり、対象物Ｂの抜出が難しくなるおそれがある。それに対し、第３実施形態においては、対象物Ｂを製錬した後に、加熱部６２によって、電解時の温度よりも高温に、言い換えれば製錬時の設定温度よりも高温に、対象物Ｂを加熱することで、対象物Ｂを溶融させて、対象物Ｂを炉本体１０から抜き出す。以下、対象物Ｂを加熱する処理について説明する。
図１１は、対象物の加熱時における上部電極の位置を示す模式図である。図１１に示すように、製錬された対象物Ｂを加熱する際には、移動機構４８は、制御部２６の制御によって、上部電極１４ａを第２位置に位置させる。第２位置は、上部電極１４ａが炉本体１０内の電解液Ｅ内に浸漬されない位置であり、上部電極１４ａのＺ２方向側の端部が炉本体１０内の電解液Ｅの液面よりもＺ１方向側となる位置である。第２位置は、第１位置よりもＺ１方向側の位置ともいえる。すなわち、移動機構４８は、対象物Ｂの製錬を停止したら、上部電極１４ａをＺ１方向側に動かすことで、上部電極１４ａを第１位置から第２位置に移動させる。
図１２は、第３実施形態における対象物の加熱を説明する模式図である。図１２に示すように、加熱部６２は、制御部２６の制御により、上部電極１４ａを第２位置に配置した状態で、炉本体１０内の対象物Ｂを加熱する。加熱部６２は、上部電極１４ａに設けられているため、加熱部６２自身も電解液Ｅ内に浸漬されない位置から、炉本体１０内の対象物Ｂを加熱する。加熱部６２は、対象物Ｂを、設定温度（製錬時の加熱温度）よりも高い温度に、より具体的には、対象物Ｂの融点以上の温度に、加熱する。具体的には、対象物ＢがＦｅＶ合金である場合は、加熱部６２は、対象物Ｂを、１２００℃以上１６００℃以下に加熱することが好ましい。また、対象物ＢがＦｅＮｂ合金である場合は、加熱部６２は、対象物Ｂを、１２００℃以上１６００℃以下に加熱することが好ましい。
具体的には、図１２に示すように、電源部５０によって、プラズマトーチ電極６６と炉底電極１２との間に通電して、プラズマトーチ電極６６と炉底電極１２との間に電圧を印加する。この電圧により、加熱部６２は、加熱部６２と炉底電極１２との間にプラズマジェットＪを形成する。プラズマジェットＪは、電解液Ｅ内に照射されて、電解液Ｅ中において炉底電極１２上に形成された対象物Ｂを加熱して、溶融させる。ここで、対象物Ｂの加熱時においては、上部電極１４ａは、電解液Ｅに浸漬されていない。そのため、上部電極１４ａは、加熱されず、溶融が抑制される。
また、制御部２６は、対象物Ｂを加熱している際に、弁４２を開き、撹拌部４６によりガスを供給させる。これにより、加熱して溶融した対象物Ｂは、撹拌部４６からのガスにより撹拌されつつ、炉本体１０から、第１排出路４０Ａ及び第２排出路４０Ｂを経て貯留部４４へ排出される。対象物Ｂの排出が完了したら、制御部２６は、弁４２を閉じ、撹拌部４６からのガスの供給を停止させる。
以上説明した対象物Ｂの製錬と溶融とのプロセスフローを、フローチャートを用いて説明する。図１３は、第３実施形態における対象物の製錬と溶融とのプロセスを説明するフローチャートである。図１３に示すように、対象物Ｂの製錬を行う際には、最初に、投入部２０から炉本体１０内に、原料Ａを投入する（ステップＳ１０）。そして、移動機構４８によって、上部電極１４ａを第１位置に配置した状態で、加熱部６２により、炉本体１０内の電解液Ｅを設定温度に加熱する（ステップＳ１２）。電解液Ｅの加熱により、電解液Ｅに投入された原料Ａを溶解する。なお、第３実施形態においても、加熱部６２により電解液Ｅを加熱した後に、原料Ａを投入してもよい。電解液Ｅを加熱して原料Ａを溶解させたら、電源部２２により上部電極１４と炉底電極１２との間に電圧を印加して（ステップＳ１４）、対象物Ｂを製錬する。そして、対象物Ｂの製錬を停止させるかを判断し（ステップＳ１６）、製錬を停止させない場合（ステップＳ１６；Ｎｏ）、ステップＳ１４に戻って製錬を続ける。なお、製錬を停止させるかの判断は、任意に行ってよいが、例えば、上部電極１４と炉底電極１２との間に電圧を印加させている際に電解液Ｅに流れる電流値（上部電極１４と炉底電極１２と電源部２２との回路に流れる電流値）を検出しておき、その電流値に基づき、製錬を停止させるかを判断してよい。例えば、電流値が所定値以上である場合は、原料Ａに含まれていた金属のイオンが電解液Ｅ中に十分残っているとして、製錬を続けると判断してもよい。そして、電流値が所定値未満となった場合には、原料Ａに含まれていた金属のイオンの量が少なくなっているとして、製錬を停止すると判断してよい。なお、上述のように、対象物Ｂの製錬を行う際の上部電極１４ａの位置は、第１位置に限られず、任意の位置であってよい。
製錬を停止させる場合（ステップＳ１６；Ｙｅｓ）、対象物Ｂの溶融処理に移行して、移動機構４８によって、上部電極１４ａを第１位置から第２位置に移動させる（ステップＳ１８）。より詳しくは、製錬を停止させる場合、電源部２２による電圧の印加を停止させて、上部電極１４ａを第１位置から第２位置に移動させる。そして、上部電極１４ａを第２位置に配置した状態で、加熱部６２により、炉本体１０内の対象物Ｂを加熱して溶融させる（ステップＳ２０）。そして、例えば弁４２を開くことで、溶融した対象物Ｂを、炉本体１０から外部に排出する（ステップＳ２２）。
以上説明したように、第３実施形態に係る電解製錬炉１００ａは、内部に電解液Ｅが貯留される炉本体１０と、炉本体１０内の底部１０Ｂに設けられる炉底電極１２と、炉本体１０内の炉底電極１２のＺ１方向側（上方）に設けられる上部電極１４ａと、上部電極１４に設けられて製錬された対象物Ｂを加熱して溶融させる加熱部６２と、上部電極１４ａを移動させる移動機構４８と、を備える。移動機構４８は、製錬された対象物Ｂを加熱部６２により加熱する際に、上部電極１４ａを、電解液Ｅ内に浸漬されない第２位置に配置する。第３実施形態に係る電解製錬炉１００ａによると、製錬された対象物Ｂを加熱部６２により加熱することで、製錬された対象物Ｂが固体として析出した場合にも、対象物Ｂを溶融させて、炉本体１０の外部に適切に排出させることが可能となる。また、対象物Ｂを溶融させるためには、製錬時よりも高温で対象物Ｂを加熱する必要がある。しかし、対象物Ｂを加熱するための熱が上部電極１４ａに伝わった場合、上部電極１４ａが溶融してしまうおそれがある。それに対し、第３実施形態に係る電解製錬炉１００ａは、対象物Ｂを加熱する際には上部電極１４ａを電解液Ｅに浸漬させない位置に移動させるため、対象物Ｂを加熱するための熱が上部電極１４ａに伝わることを抑制して、上部電極１４ａの溶融を抑制できる。そのため、第３実施形態に係る電解製錬炉１００ａによると、対象物Ｂを適切に製錬できる。また、第３実施形態に係る電解製錬炉１００ａによると、対象物Ｂを溶融させるため、対象物Ｂを均一化したり、ポーラス化した対象物のポーラスを除去して、酸素の混入を抑制したりすることができる。
また、加熱部６２は、上部電極１４ａに設けられる。第３実施形態に係る電解製錬炉１００ａによると、加熱部６２を上部電極１４ａに設けることで、対象物Ｂの製錬と溶融とを適切に実施できる。ただし、加熱部６２は、上部電極１４ａに設けられることに限られず、上部電極１４ａと別体であってもよい。この場合の加熱部６２の位置は任意であり、例えば第１実施形態の加熱部２４と同様の位置であってもよいし、上部電極１４ａに隣接した位置であってもよい。加熱部６２を上部電極１４ａと別体にした場合であっても、対象物Ｂを加熱する際には上部電極１４ａを電解液Ｅに浸漬させない位置に移動させるため、上部電極１４ａの溶融を抑制できる。
加熱部６２は、上部電極１４ａに形成された貫通孔６０Ａの内周側に設けられる筒状のトーチ本体６４と、トーチ本体６４の内周側に設けられるプラズマトーチ電極６６と、を有する。第３実施形態に係る電解製錬炉１００ａによると、加熱部６２をプラズマ方式とすることで、対象物Ｂを適切に加熱できる。ただし、加熱部６２は、対象物Ｂを加熱できるものであれば、加熱方式や構造は任意である。図１４は、第３実施形態の加熱部の他の例を示す模式図である。例えば図１４に示すように、加熱部６２は、ガス供給部５０ａと点火部６６ａとを備えた構成であってもよい。ガス供給部５０ａは、水素を含むガスなどの可燃性のガスＧを点火部６６ａに供給する。点火部６６ａは、陽極部６０の内周側に設けられる。点火部６６ａは、ガス供給部５０ａから供給されるガスＧを点火する。これにより、加熱部６２は、火炎を発生させて、火炎により、対象物Ｂを加熱してよい。また、この火炎により、対象物Ｂの製錬時に、電解液Ｅを加熱してもよい。
また、第３実施形態に係る電解製錬炉１００ａは、炉本体１０の底部１０Ｂに形成されて、加熱部６２によって溶融された対象物Ｂが排出される排出路４０と、排出路４０から排出される溶融された対象物Ｂを撹拌する撹拌部４６と、をさらに備える。この電解製錬炉１００ａによると、溶融された対象物Ｂを撹拌することにより、対象物Ｂを均質化することができる。
また、撹拌部４６は、溶融された対象物Ｂに不活性ガスを供給する。この電解製錬炉１００ａによると、溶融された対象物Ｂを不活性ガスで撹拌することで、対象物Ｂの変質を抑制しつつ、均質化することができる。
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態の内容により実施形態が限定されるものではない。また、前述した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、前述した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、実施形態同士を組み合わせてもよい。さらに、前述した実施形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。
１０ 炉本体
１０Ａ 壁部
１０Ｂ 底部
１２ 炉底電極
１４、１４ａ 上部電極
１６ コレクタ
１８ ハウジング
２０ 投入部
２２ 電源部
２４、６２ 加熱部
２６ 制御部
４８ 移動機構
１００ 電解製錬炉
Ａ 原料
Ｂ 対象物
Ｅ 電解液

Claims (16)

  1. 炉本体と、
    前記炉本体内の底部に設けられる炉底電極と、
    前記炉本体内の前記炉底電極の上方に設けられる上部電極と、
    前記炉本体に原料を投入する投入部と、
    を備え、
    前記上部電極は、Ｆｅ ３ Ｏ ４ を含み、
    Ｖ、Ｎｂ、ＦｅＶ合金、及びＦｅＮｂ合金の少なくとも１つを製錬する、電解製錬炉。
  2. 前記上部電極は、Ｆｅ３Ｏ４の含有量が、９０重量％以上１００重量％以下である、請求項１に記載の電解製錬炉。
  3. 前記炉底電極と前記上部電極との間に電圧を印加する電源部と、前記電源部が印加する前記電圧を制御する電圧制御部と、をさらに備え、
    前記電圧制御部は、製錬する対象物に含まれる金属の還元電位に基づき、前記電圧の値を設定する、請求項１又は請求項２に記載の電解製錬炉。
  4. 炉本体と、
    前記炉本体内の底部に設けられる炉底電極と、
    前記炉本体内の前記炉底電極の上方に設けられる上部電極と、
    前記炉本体に原料を投入する投入部と、
    前記炉底電極と前記上部電極との間に電圧を印加する電源部と、
    前記電源部が印加する前記電圧を制御する電圧制御部と、を備え、
    前記電圧制御部は、製錬する対象物に含まれる金属の還元電位に基づき、前記電圧の値を設定し、
    Ｖ、Ｎｂ、ＦｅＶ合金、及びＦｅＮｂ合金の少なくとも１つを製錬する、電解製錬炉。
  5. 前記電解製錬炉は、第１金属及び第２金属を含む合金を製錬するものであり、
    前記電圧制御部は、前記第１金属及び前記第２金属が還元される還元電位に基づき、前記電圧の値を設定する、請求項４に記載の電解製錬炉。
  6. 前記電圧制御部は、前記第１金属を含む第１原料と第２金属を含む第２原料との、前記電解製錬炉への投入比率に基づき、前記合金における前記第１金属と前記第２金属との含有比率が所望の値となるように、前記電圧の値を設定する、請求項５に記載の電解製錬炉。
  7. 前記第１金属を含む第１原料と前記第２金属を含む第２原料とを前記電解製錬炉に投入する投入制御部をさらに備え、
    前記投入制御部は、前記電圧制御部が設定した前記電圧の値に基づき、前記合金における前記第１金属と前記第２金属との含有比率が所望の値となるように、前記電解製錬炉への前記第１原料と前記第２原料との投入比率を設定する、請求項５に記載の電解製錬炉。
  8. 製錬された対象物を加熱して溶融させる加熱部と、
    前記上部電極を移動させる移動機構と、をさらに備え、
    前記炉本体内には電解液が貯留され、
    前記移動機構は、製錬された対象物を前記加熱部により加熱する際に、前記上部電極を、前記電解液内に浸漬されない位置に配置する、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電解製錬炉。
  9. 内部に電解液が貯留される炉本体と、
    前記炉本体内の底部に設けられる炉底電極と、
    前記炉本体内の前記炉底電極の上方に設けられる上部電極と、
    前記炉本体に原料を投入する投入部と、
    製錬された対象物を加熱して溶融させる加熱部と、
    前記上部電極を移動させる移動機構と、を備え、
    前記移動機構は、製錬された対象物を前記加熱部により加熱する際に、前記上部電極を、前記電解液内に浸漬されない位置に配置する、電解製錬炉。
  10. 前記加熱部は、前記上部電極に設けられる、請求項９に記載の電解製錬炉。
  11. 前記加熱部は、前記上部電極に形成された貫通孔の内周側に設けられる筒状のトーチ本体と、前記トーチ本体の内周側に設けられるプラズマトーチ電極と、を有する、請求項１０に記載の電解製錬炉。
  12. 前記炉本体の底部に形成されて、前記加熱部によって溶融された前記対象物が排出される排出路と、前記排出路から排出される溶融された前記対象物を撹拌する撹拌部と、をさらに備える、請求項９から請求項１１のいずれか１項に記載の電解製錬炉。
  13. 前記撹拌部は、前記溶融された前記対象物に不活性ガスを供給する、請求項１２に記載の電解製錬炉。
  14. Ｖ、Ｎｂ、ＦｅＶ合金、及びＦｅＮｂ合金の少なくとも１つを製錬する、請求項９から請求項１３のいずれか１項に記載の電解製錬炉。
  15. ＦｅＶ合金、及びＦｅＮｂ合金の少なくとも１つを製錬する、請求項１から請求項８及び請求項１４のいずれか１項に記載の電解製錬炉。
  16. 請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載の電解製錬炉を用いて電解製錬を実行する、電解製錬方法。
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