JP2022168831A - 金属精製方法および金属精製装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スクラップ等を原料としたＡｌ基溶湯からＺｎを効率的に除去または回収できる方法を提供する。【解決手段】本発明は、アルミニウム基溶湯（ｍ）の湯面上の第１領域（ｓ１）でアルミニウム基溶湯を加熱する局部加熱工程と、第１領域と異なる湯面上の第２領域（ｓ２）を第１領域よりも低圧にする局部低圧工程とを備える金属精製方法である。これにより第２領域から特定元素が蒸発して、アルミニウム基溶湯が精製される。特定元素は、例えば、Ａｌよりも飽和蒸気圧が大きいＺｎ、ＭｇまたはＰｂの一種以上である。本発明は、アルミニウム基溶湯から特定元素を除去する精製方法のみならず、アルミニウム基溶湯から資源となる特定元素を回収する方法としても有効である。【選択図】図１

Description

本発明は、特定元素を蒸発させてアルミニウム基溶湯を精製する方法等に関する。

環境意識等の高揚に伴い、軽量なアルミニウム系部材が様々な分野で用いられている。新規に製錬（さらには精錬）されたアルミニウムを用いるよりも、スクラップを再利用すれば、大幅な省エネルギ化や環境負荷低減を図りつつ、アルミニウム系部材の利用を促進できる。

もっとも、スクラップを溶解した原料溶湯（「Ａｌ基溶湯」ともいう。）中には、Ａｌ以外の様々な元素が混在し得る。Ａｌ基溶湯を所望組成の溶湯に調製するためには、不要または過剰な元素の除去または低減が必要となる。このような精製方法の一つに、真空蒸留法（減圧蒸留法、真空脱ガス法、真空処理法）がある。Ａｌ基溶湯の真空蒸留法は、Ａｌよりも蒸気圧が高い元素（例えばＺｎ、Ｍｇ、Ｐｂ、Ｈ等）を、Ａｌ基溶湯から優先的に蒸発させて分離（脱離）する方法である。なお、真空蒸留法は、通常、沸点未満のＡｌ基溶湯に対してなされる。これに関連する記載が下記の文献にある。

特開平６－１４５８３２ 特開平７－４１８７９ 特開平９－３１６５５８ 特開平１１－２５６２５１ 特開２００１－２９４９４９ 特開２００２－３３９０２４ ＷＯ２０１１／９６１７０

大滝，五月女，森，工藤，田中：古河電工時報，104 (1999)，25

特許文献１～６および非特許文献１はいずれも、均一的に全体を加熱した原料溶湯（Ａｌ基溶湯）から、不純物であるＺｎ等を真空雰囲気中へ蒸発させて除去することを提案している。例えば、特許文献１では、Ａｌ基溶湯上の一部に設けた真空雰囲気の処理室へ蒸発させた汚染物を吸引して回収している。特許文献１は、その処理室の下方側にあるＡｌ基溶湯中へ、不活性ガスを吹き込むこと（つまりバブリング）を前提にしている。なお、その処理室の上方に設けられているヒータは、Ａｌ基溶湯を湯面側から積極的に加熱するものではない。

特許文献７では、真空雰囲気の炉内にあるアルミニウム溶湯の湯面付近をアーク放電により加熱して、Ｚｎ等の不純物を蒸発除去している。特許文献７の精製方法では、蒸発した不純物が炉内の内壁に付着したり溶湯へ回帰するため、不純物の効率的な除去や回収は困難である。

本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、従来とは異なる手法により、特定元素を効率的に抽出してアルミニウム基溶湯を精製する方法等を提供することを目的とする。

本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究した結果、アルミニウム基溶湯の湯面付近（第１領域）を局部加熱すると共に、その加熱域とは別な湯面付近に設けた真空域（第２領域）から特定元素を選択的に蒸発させることに成功した。この成果を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。

《金属精製方法》
（１）本発明は、アルミニウム基溶湯の湯面上の第１領域で該アルミニウム基溶湯を加熱する局部加熱工程と、該第１領域と異なる該湯面上の第２領域を該第１領域よりも低圧にする局部低圧工程とを備え、該第２領域から特定元素を蒸発させて該アルミニウム基溶湯を精製する金属精製方法である。

（２）本発明の金属精製方法（単に「精製方法」ともいう。）によれば、アルミニウム基溶湯（「Ａｌ基溶湯」または単に「溶湯」ともいう。）に含まれる特定元素を、特定域から効率的に蒸発（抽出）させて、除去や回収（留出）することができる。この理由は次のように考えられる。

特定元素の蒸発量（除去効率、回収効率）は、湯面（蒸発界面）付近の溶湯温度と、その上空雰囲気の圧力（真空度）による影響が大きい。すなわち、溶湯温度および真空度が高いほど、特定元素の蒸発は促進され、その蒸発量も大きくなり得る。

本発明の局部加熱工程では、先ず、特定元素を蒸発させる第２領域とは異なる第１領域を局所的に加熱している。局部加熱により、大量のエネルギ消費、過大な昇温時間、加熱炉（坩堝）等の炉体の消耗（低寿命化）等を回避しつつ、Ａｌ基溶湯の湯面付近を効率的に高温化して特定元素を蒸発させることが可能となる。また、局部加熱なら、装置の選択自由度や配置自由度を大きくでき、加熱する湯面上の位置や範囲も調整し易い。例えば、特定元素を蒸発させる第２領域と加熱する第１領域とを、近接（さらには隣接）させたり、逆に、Ａｌ基溶湯内の対流等を考慮して適切な距離だけ離間させたりできる。

局部低圧工程では、特定元素を蒸発させる第２領域を局所的に低圧にしている。このため、大型な排気装置の設置や維持費用等を削減しつつ、Ａｌ基溶湯の湯面上空を選択的に高真空にして、特定元素を効率的に蒸発させることができる。

局部加熱工程と局部低圧工程の相乗的な作用により、Ａｌ基溶湯に含まれる特定元素を効率的に蒸発させ得る。これにより、特定元素の少なくとも一部が除去されたＡｌ基溶湯の精製、またはＡｌ基溶湯（原料）から有効資源である特定元素の回収が可能となる。なお、回収される特定元素は、その状態（気体（蒸気）、液体、固体）を問わない。

ちなみに、本発明により特定元素を蒸発させる際、Ａｌ基溶湯の機械的な撹拌等は必須ではない。湯面付近（第１領域）の局部加熱により、少なくともＡｌ基溶湯の上層部分で対流が生じ、第１領域に連なる第２領域でも、溶湯温度（単に「湯温」ともいう。）の上昇と特定元素の補給が継続的になされ得る。つまり、積極的な撹拌等を行わなくても、第１領域と第２領域の間で、過度に偏在した温度分布や濃度分布は生じ難い。

なお、第１領域と第２領域は溶湯の連通が可能であればよい。つまり、第１領域で加熱された高温な溶湯が第２領域へ流入し、第２領域の湯面から特定元素が蒸発し易い状況であれば、第１領域と第２領域は、近接（さらには隣接）して配置されても、離れて配置されてもよい。

また、本発明でいう特定元素の「蒸発」は、気体状態の特定元素が溶湯表面（湯面）から離脱することを意味する。特定元素の気化自体は、湯面で生じても、溶湯内部で生じてもよい。つまり、特定元素が溶湯内で沸騰して湯面から離脱する場合も、本発明でいう「蒸発」に含めて考えることができる。

《金属精製装置》
本発明は金属精製装置としても把握される。例えば、本発明は、アルミニウム基溶湯の湯面上の第１領域で該アルミニウム基溶湯を加熱する局部加熱手段と、該第１領域と異なる該湯面上の第２領域を該第１領域よりも低圧にする局部低圧手段とを備え、該第２領域から特定元素を蒸発させて該アルミニウム基溶湯を精製できる金属精製装置でもよい。また、本発明の金属精製装置は、第２領域から蒸発した特定元素を回収する回収手段を備えてもよい。さらに、本発明の金属精製装置は、第１領域側の圧力（Ｐ１）と第２領域側の圧力（Ｐ２）との差圧（ΔＰ＝Ｐ１－Ｐ２）を所定範囲内にする差圧管理手段を備えてもよい。

《再生方法（装置）／回収方法（装置）》
（１）本発明は、例えば、スクラップ原料から、特定元素（例えばＺｎやＭｇ等）を除去した再生Ａｌ合金を得る方法（再生方法）として把握されてもよい。特定元素を除去した再生Ａｌ合金は、凝固物（インゴット等）として利用されても、溶湯（半溶融状態を含む）のまま利用されてもよい。また、Ａｌ系スクラップの再生は、カスケードリサイクルに留まらず、展伸材等へのアップグレードリサイクルでもよい。

（２）本発明は、さらに、Ａｌ基溶湯の精製や再生とは独立して、原料（例えばスクラップ）を溶解して得たＡｌ基溶湯（原料）から特定元素を回収する方法または装置（特定元素の回収方法または回収装置）として把握されてもよい。

《その他》
（１）本明細書でいう「工程」と「手段」は相互に読み替えることができる。例えば、「～工程」を読み替えた「～手段」は「物」（金属精製装置等）の構成要素となり、「～手段」を読み替えた「～工程」は「方法」（金属精製方法等）の構成要素となり得る。

なお、本明細書でいう各「工程」の時間的な先後関係（経時的要素）等は問わない。例えば、局部加熱工程と局部低圧工程は、併行して連続的になされてもよいし、各工程が交互になされてもよいし、各工程が離散的になされてもよい。

（２）本明細書でいう第１領域および第２領域は、Ａｌ基溶湯の湯面上における便宜的な区画である。第１領域には、その湯面の下部（溶湯上層部）を含めてもよい。第２領域には、その湯面の上部（溶湯上空）を含めてもよい。局部加熱される溶湯の範囲（上層域）は、例えば、溶湯の深さの１／３程度でもよい。

第１領域側の圧力（Ｐ１）や第２領域側の圧力（Ｐ２）は、例えば、湯面上空にある処理室（槽）や管路（配管）等に設けたゲージ・センサ等の計器により測定される。液相と気相の境界面である湯面近傍の圧力を安定して測定することは容易ではないため、安定した圧力測定が可能な位置に計器が設けられるとよい。定常運転時なら、測定値の平均値を各領域の圧力としてもよい。特に断らない限り、「圧力」は、特定空間の雰囲気の全圧（単に「気圧」ともいう。）を意味する。また特に断らない限り、「圧力」は絶対圧である。大きい圧力（基準圧）から小さい圧力を差し引いた差分を適宜「真空度」ともいう。

（３）本明細書でいうアルミニウム基溶湯は、固液共存状態（半溶融状態）を含む。アルミニウム基溶湯は、Ａｌが主成分（溶湯全体に対してＡｌ含有量が５０原子％超、７０原子％以上さらには８５原子％以上）であれば、具体的な組成を問わない。原料溶湯（精製前のＡｌ基溶湯）中の特定元素濃度は問わないが、通常、その溶湯全体に対して１０質量％以下さらには５質量％以下程度である。本明細書でいう濃度や組成は、特に断らない限り、対象物（溶湯等）の全体に対する質量割合（質量％または単に「％」）で示す。

（４）特に断らない限り、本明細書でいう「ｘ～ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「ａ～ｂ」のような範囲を新設し得る。

金属精製装置の構成例を示す模式図である。 試料１と試料Ｃ１に係る精製処理後の回収フィルタを示す写真である。 処理槽内における圧力と放電電圧の関係を例示したグラフである。 Ａｌ基溶湯に含まれるＺｎの蒸気圧と溶湯温度の関係を例示したグラフである。 差圧管理を行う金属精製装置の構成例を示す模式図である。 差圧と溶湯ヘッドの関係を例示したグラフである。 差圧管理の工程図（一例）である。 差圧管理に係る圧力変化を例示したグラフである。

上述した本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一つまたは二つ以上の構成要素を付加し得る。本明細書で説明する内容は、金属精製の方法のみならず装置にも該当し得る。方法に関する構成要素は、物（装置、（再生）Ａｌ合金（溶湯）等）に関する構成要素ともなり得る。

《局部加熱》
局部加熱は、高エネルギ密度の熱源を用いてなされるとよい。これにより第１領域の湯面付近を急速加熱して、第１領域に連なる第２領域の溶湯を効率的に高温化できる。

（１）熱源
熱源（装置）の種類、出力等は、溶湯を収容する湯槽（加熱炉、坩堝、流路等）や第１領域の形態等に応じて選択、調整されるとよい。熱源として、例えば、高エネルギビーム照射（レーザー照射、電子ビーム照射等）、放電（アーク放電等）などがある。いずれの熱源を用いても、加熱装置の簡素化、小型化、省エネルギ化または湯槽への負荷低減等を図り得る。

高エネルギビーム照射によれば、加熱位置（第１領域）の調整を自在にまたは高精度に行える。放電によれば、高温なプラズマ供給により湯面付近を急速に加熱できる。放電は、湯面上に、一対の電極を配置してなされてもよいし、一方の電極を湯面上（第１領域の上空）に配置し、他方の電極（対極）をＡｌ基溶湯（第１領域の湯面）としてもよい。後者の場合、Ａｌ基溶湯（他方の電極）と、その湯面上方に配置した電極（一方の電極）との間で放電がなされ、第１領域の溶湯が効率的に急速加熱される。例えば、溶接等で利用されるアーク放電を用いれば、設備負担を低減しつつ、第１領域付近の溶湯を急速加熱して、第２領域を迅速に高温化できる。

（２）エネルギ密度
アルミニウム基溶湯の湯面へ付与される単位面積あたりのエネルギ量（エネルギ密度）は、１０^２Ｗ／ｃｍ^２以上、１０^３Ｗ／ｃｍ^２以上さらには１０^４Ｗ／ｃｍ^２以上であるとよい。装置の過大化やアーク直下での湯面付近における突沸等を回避するため、敢えていえば、そのエネルギ密度は１０^５Ｗ／ｃｍ^２以下としてもよい。

（３）アーク放電
アーク放電による加熱（アーク加熱）は、電極間に発生する高温なアーク柱による。アーク柱の温度は、その部位により異なるが、少なくとも火炎等（＜３０００℃）よりも高温であり、例えば、４０００℃以上さらには５０００℃以上にも達する（参考文献：田中,溶接学会誌，77 （2008）,50）。アーク柱による湯面付近の加熱は、直接アーク加熱でも間接アーク加熱でもよい。アーク加熱は、主に放射（輻射）や粒子（電子、プラズマイオン等）の運動エネルギ伝達等によると考えられる。本明細書でいうアーク加熱には、アーク放電をノズルや気流等で拘束して、指向性や加熱温度を高めたアークプラズマ加熱が含まれる。また、アーク放電の電源は、直流でも交流でもよい。

アーク放電は、大気圧～準大気圧付近の雰囲気下（約１０^５～１０^４Ｐａ）でなされてもよいし、減圧した（低）真空雰囲気下（約１０^４～１０^２Ｐａ）でなされてもよい。真空雰囲気下でアーク放電すると、その安定化が図れ、溶湯への入熱量も安定的に大きくできる。

一例として、後述する図１に示した金属精製装置Ｄを用いて、保持槽１内でアーク放電（定電流：１００Ａ）させて得られた圧力（処理室ｖ内の雰囲気圧力）と放電電圧の関係を図３に示した。図３から、所定の真空雰囲気下でアーク放電を行うと、放電電圧が安定して大きくなり、所望の入熱量を溶湯ｍへ加えられることがわかった。

この結果を踏まえると、アーク放電により第１領域を加熱する場合なら、その圧力（Ｐ１）を、例えば、５００～２０００Ｐａ、６５０～１７５０Ｐａさらには８００～１５００Ｐａとするとよい。

また、第１領域側の真空度を大きくする（つまりＰ１を小さくする）ことにより、高温に加熱したＡｌ基溶湯の酸化を抑制できる。但し、その真空度が過大になると、第１領域側からの蒸発量も増加し、蒸発物が周囲（炉壁や槽壁等）に堆積してメンテナンス性が低下し得る。

《局部低圧》
局部低圧は、第２領域を周囲（少なくとも第１領域）よりも低圧にする。これにより第２領域の湯面付近から特定元素を優先的に蒸発させたり、特定元素の回収性を向上させたりできる。

第２領域側の圧力（Ｐ２）は、適宜調整され得るが、例えば、０．１～１０００Ｐａ、１～１００Ｐａさらには５～５０Ｐａである。第２領域の湯面上の真空度を大きく（Ｐ２を小さく）するほど、その湯面上における特定元素の分圧を小さくでき、特定元素の蒸発量や回収量を増加させ得る。

もっとも、第１領域側の圧力（Ｐ１）に対して第２領域側の圧力（Ｐ２）が過小、すなわち、両者の差圧（ΔＰ＝Ｐ１－Ｐ２）が過大になると、第２領域上の溶湯柱（槽体内の溶湯柱）も高くなって、設備全体の大型化や損傷等を招く。そこで差圧（ΔＰ）は、例えば、１００～５０００Ｐａ、２００～１０００Ｐａさらには３００～８００Ｐａ程度であるとよい。第１領域側の圧力（Ｐ１）は、局部加熱源にもよるが、例えば、１００～１００００Ｐａ、２００～５０００Ｐａ、４００～２５００Ｐａとすればよい。

第２領域の低圧化は、例えば、第２領域の湯面とその上空を囲う筒状または管状の槽体（さらにはチャンバ）と、槽体内を排気する排気手段（真空ポンプ等）によりなされる。

Ａｌ基溶湯の精製や特定元素の回収を安定して行うために、第１領域の湯面に対する第２領域の湯面の高低差（「溶湯柱高さ」または「溶湯ヘッド」という。）、または第１領域側に対する第２領域側の圧力差（ΔＰ＝Ｐ１－Ｐ２）が、所定範囲内に管理（維持）されるとよい。その具体的な手法は種々考えられる。ここでは、差圧を管理（調整、制御等）して溶湯柱高さを所定範囲内とする場合を例示して説明する（差圧管理工程、差圧管理手段）。

差圧管理は、Ｐ１の減少および／またはＰ２の増加によりなされる。例えば、所定の時機に、第２領域側をそれよりも高圧側（第１領域側、大気雰囲気等）へ連通させれば、差圧管理を簡便に行える。差圧管理は、連続的または継続的になされてもよいし、差圧や溶湯柱高さ等が所定範囲を逸脱したときだけなされてもよい。差圧自体の把握（測定、検出等）は、必ずしも差圧管理に必要ではない。例えば、差圧を駆動源として差圧が所定範囲外となったときに作動する圧力弁（切替弁／差圧管理手段）を、第１領域側と第２領域側の圧力回路間に介在させるだけでもよい。

勿論、差圧を把握しつつ、差圧管理がなされてもよい。例えば、差圧を直接的または間接的に把握できる差圧計（圧力計、真空計、連成計等を含む）と、第２領域（湯面上方）と高圧域を連通または遮断できる制御弁と、差圧計から把握される圧力（信号）に基づいて制御弁を作動させるコントローラーとを備える差圧管理手段を用いて、精細な差圧管理を行ってもよい。なお、差圧は、直接測定されたΔＰでも、測定されたＰ１とＰ２の差分でも、Ｐ１とＰ２の一方から推定した値でもよい。例えば、Ｐ１とＰ２の一方が安定している場合なら、その他方の圧力が差圧として代用されてもよい。

《特定元素》
蒸気圧（後述する飽和蒸気分圧）がＡｌよりも高い特定元素が、第２領域の湯面から、その上方にある真空雰囲気（単に「上空」ともいう。）へ蒸発して分留される。

（１）蒸気圧
飽和蒸気圧（平衡蒸気圧）は温度に依存しており、温度が高くなるほど大きくなる。純金属単体（液相）の飽和蒸気圧（Ｐ_０）は、温度（Ｔ）の関数として下式（１）により示される（出典：長船：津山高専紀要 13（1975）63）。
ｌｏｇＰ_０＝ａＴ^-１＋ｂｌｏｇＴ＋ｃＴ＋Ｄ （１）
ここで、ｌｏｇ：常用対数、Ｔ：絶対温度（Ｋ）、ａ、ｂ、ｃおよびＤ：定数である。

また、複数の構成元素からなる温度Ｔにおける溶湯全体の飽和蒸気圧（Ｐｔ）は、各構成元素の飽和蒸気圧の分圧（Ｐ_ｉ：飽和蒸気分圧という。）の総和として、下式（２）により示される（出典：長船：津山高専紀要 13（1975）63）。
Ｐｔ ＝ΣＰ_ｉ＝Σ（α_ｉＰ_ｉ０） （２）
ここで、α_ｉ：溶湯中における構成元素の活量、Ｐ_ｉ０：構成元素単体（液相）の飽和蒸気圧である。活量（α_ｉ）は、溶湯中における構成元素の濃度と溶湯温度に依存している。

溶湯に含まれる構成元素の飽和蒸気分圧（Ｐ_ｉ）が、上空における構成元素の分圧よりも大きいとき、その構成元素は溶湯の湯面から上空へ蒸発（放出、散逸）し得る。Ａｌ基溶湯の場合、理論上、Ａｌを含む各構成元素は、それぞれの飽和蒸気分圧と湯面上の分圧とに応じて溶湯上へ蒸発し得る。

但し、Ａｌの飽和蒸気圧は、Ａｌ基溶湯に含まれる他の元素の飽和蒸気圧よりも、無視できるほどに小さい。これは、活量を考慮した飽和蒸気分圧として考えても同様である。例えば、７００℃における飽和蒸気圧は、Ａｌ：２×１０^-５Ｐａ、Ｚｎ：８．４×１０^３Ｐａ、Ｍｇ：７．５×１０^２Ｐａ、Ｐｂ：６．７×１０^-１Ｐａである。従って、活量（濃度）を考慮しても、Ａｌに対して、他の元素の蒸気圧（飽和蒸気分圧）は１０^３～１０^７倍程度も大きい。つまり、Ａｌ基溶湯中において、Ａｌと特定元素との間には大きな蒸気圧差がある。このため、第１領域および第２領域において、Ａｌは実質的に蒸発せず、それよりも蒸気圧が大きい特定元素が主に蒸発する。なお、本明細書では、特に断らない限り、上述した飽和蒸気分圧を、単に「蒸気圧」という。

（２）特定元素
Ａｌに対する蒸気圧（飽和蒸気分圧）差が大きい特定元素は、例えば、Ｚｎ、ＭｇまたはＰｂの一種以上である。その代表例は、蒸気圧が特に大きいＺｎである。

一例として、Ａｌ合金溶湯中に含まれるＺｎの蒸気曲線（蒸気圧と溶湯温度の関係）を、上述した式（１）、（２）に基づいて算出した結果を図４に示した。式（２）中の活量（α_ｉ）は、熱力学計算ソフトウェア（ＡＢ社製Thermo-Calc）を用いて、Ｚｎ濃度と温度から計算して求めた。Ｚｎ濃度（質量％）は、図４に示すように、０．２％、０．５％、０．７％または１．２％のいずれかとした。図４からわかるように、溶湯温度の増加と共にＺｎの蒸気圧も増加した。また、溶湯温度が同じでも、Ｚｎの濃度が高いほど、その蒸気圧も大きくなった。

このような特定元素は、溶湯温度の上昇により蒸気圧が大きくなり、さらに溶湯上空の圧力を小さくすることで、溶湯から蒸発し易くなり、除去効率または回収効率が高められる（参考文献：大滝，五月女，森，工藤，田中：古河電工時報，104 (1999)，25）。

《精製》
Ａｌ基溶湯から特定元素を蒸発させる精製は、バッチ処理（一括処理）されても、連続処理（継続処理）されてもよい。バッチ処理によれば、処理室（例えば第２領域側の空間）内の圧力、湯面付近の温度、処理時間等に係る設定自由度を大きくできる。連続処理によれば、大量のＡｌ基溶湯を効率的に処理でき、他の不純物除去処理や後続の鋳造工程等とも円滑に連携させ得る。

《回収》
特定元素は捕捉・回収されて、資源として再利用されてもよい。そこで本発明は、第２領域から蒸発した特定元素を回収する回収工程（手段）を備えてもよい。

特定元素は、例えば、その蒸気をフィルタや冷却器（冷却蛇管等）で凝集・固化させて回収される。特定元素の一部は第２領域以外（第１領域等）からも蒸発し得るが、特定元素の大部分は低圧（さらには高真空）な第２領域で蒸発する。このため、第２領域から生じる特定元素の蒸気を凝集・固化すれば、特定元素の効率的な回収が可能となる。なお、特定元素の回収は、固体状態に限らず、気体（蒸気）状態、液体状態、固液共存状態で回収されてもよい。

《局部加熱手段》
局部加熱源の好例であるアーク放電について以下説明する。

（１）電極
一方の電極には、例えば、Ａｌ基溶湯の湯面に対向する先端部を有するトーチ電極を用いるとよい。トーチ電極とＡｌ基溶湯の間の通電（電圧の印加）により、トーチ電極の先端部とＡｌ基溶湯の湯面間にアーク放電が生じ得る。

Ａｌ基溶湯への通電は、例えば、金属等の導電体からなる湯槽を介したり、Ａｌ基溶湯に少なくとも一部が浸漬される対極を介してなされる。溶湯に浸漬される対極は、例えば、トーチ電極と同様に、Ａｌ基溶湯の上方側に配設されるとよい。これにより、Ａｌ基溶湯の上方に局部加熱に必要な構成・機能が集約され、装置のコンパクト化やメンテナンス性向上、Ａｌ基溶湯（湯槽）の供給・入替えの作業性向上等が図られる。

トーチ電極は、その外周面が絶縁体で囲われているとよい。これにより自由放電が抑止され、トーチ電極の先端部とＡｌ基溶湯の湯面（局部）間で生じるアーク放電を安定化できる。なお、自由放電は、トーチ電極（外周面を含む）と、対極表面、湯槽壁面、Ａｌ基溶湯の湯面等との間で生じ得る放電である。絶縁体がトーチ電極の外周面を囲う範囲は、自由放電を抑制できる範囲であればよい。通常、絶縁体はトーチ電極の先端部付近まであると好ましい。

絶縁体は、トーチ電極を内挿（嵌入）する筒状・管状でもよいし、トーチ電極の外表面を覆う膜状でもよい。絶縁体がＡｌ基溶湯の湯面へ供給されるガスの流路の少なくとも一部を構成すると、トーチ側のコンパクト化や簡素化が可能となる。

アーク放電は熱陰極アークでも冷陰極アークでもよい。いずれにしても、トーチ電極は陰極（負極、カソード）であるとよい。このとき、湯槽や処理室の壁面とＡｌ基溶湯（対極）とは略同電位であるとよい。高温下に曝される電極（トーチ電極、対極）は、炭素（黒鉛）、タングステン（Ｗ）などの高沸点材からなるとよい。電極の形態は問わないが、通常、（円）柱状または（丸）棒状である。

（２）気流
アーク放電は、アルミニウム基溶湯の湯面上（特に第１領域）へ気流を付与しつつなされるとよい。気流は、例えば、ノズル等から噴出させたＡｒ、Ｈｅ、Ｎ_２等の不活性ガス単体やそれらの混合ガス等からなるガス流、トーチ電極側から噴出されるガス流またはプラズマ流である。気流の付与は、継続的でも断続的でもよい。

［第１実施例］
Ｚｎを含むＡｌ基溶湯に対して局部加熱工程と局部低圧工程を行い、真空蒸留法によるＺｎの分留と回収を行った。このような具体例に基づいて本発明をより詳しく説明する。

《装置》
金属精製装置Ｄ（単に「装置Ｄ」という。）の概要を図１に模式的に示した。説明の便宜上、図中に示した矢印方向を、上下方向または左右方向という。この点は、後述の図５についても同様である。

装置Ｄは、Ａｌ基溶湯ｍ（単に「溶湯ｍ」という。）を加熱保持する保持槽１と、溶湯ｍの湯面ｓ１付近（第１領域）を加熱する局部加熱部４と、溶湯ｍの湯面ｓ２付近（第２領域）を高真空にする局部低圧部５とを備える。

保持槽１（加熱炉）は、筐体１１と、溶湯ｍを収容する坩堝１２（湯槽）と、坩堝１２内で原料金属（アルミニウム系スクラップ等）の溶解や溶湯ｍの温度調整を行えるヒータ１３と、筐体１１の上方を閉塞して保持槽１内に密閉された処理室ｖ（上方空間）を形成する蓋体１５とを備える。坩堝１２はアルミナ製とし、ヒータ１３は電気抵抗式とした。

処理室ｖは、排気部３１により減圧される。排気部３１は、油回転式の真空ポンプ３１１（第１排気手段）と、処理室ｖ内の圧力（真空度）を調整する調整弁３１２と、処理室ｖから吸い込まれる蒸気や微粒子等をトラップする排気フィルタ３１３と、処理室ｖに連通する排気管３１４を備える。なお、調整弁３１２は圧力ゲージ１０の計測値（Ｐ１）に基づいて作動する。

局部加熱部４（局部加熱手段）は、アーク放電ａを生じさせる電源４０、トーチ４１および対極４２を備える。トーチ４１は、電極４１１（トーチ電極）と、電極４１１を囲繞するガス管４１２を備える。ガス管４１２には、上流側にあるガス源（ボンベ等）から不活性ガス（Ａｒ）が供給される。ガス管４１２は、セラミックス等の絶縁材からなる。

電源４０には、ＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接用電源を用いた。電極４１１も対極４２も丸棒状電極とし、対極４２の先端部は溶湯ｍの上部に浸漬した。電源４０により、電極４１１と対極４２の間で通電がなされると、湯面ｓ１とその近傍上空にある電極４１１の先端部（先端面近傍）との間にアーク放電ａが生じる。アーク放電ａにより、ガス管４１２から供給されるガスの少なくとも一部が連続的にプラズマ化し、アーク柱やプラズマ流が安定して生成される。

ガス管４１２の下流側から放出された不活性ガスの一部は、アーク放電ａの外周囲と湯面ｓ１に沿ったガス気流ｇとなる。ガス気流ｇにより、湯面ｓ１が安定して加熱される。なお、ガス気流ｇにより、湯面ｓ１上で生じた蒸気は、溶湯ｍの湯面に沿って拡散し、排気部３１へ誘導される。その蒸気の一部は、温度の低下と共に液体または固体となって排気管３１４やフィルター３１３に堆積する。

局部低圧部５（局部低圧手段）は、一端側が湯面ｓ２付近（第２領域）に浸漬された筒体５１と、筒体５１に内挿される回収フィルタ５２と、筒体５１の他端側を気密に保持するチャンバ５３とを備える。チャンバ５３は排気部３２により減圧される。排気部３２は、油回転式の真空ポンプ３２１（第２排気手段）と、チャンバ５３内の圧力（真空度）を調整する調整弁３２２と、回収フィルタ５２を通過してチャンバ５３に到達した蒸気や微粒子等をトラップする排気フィルタ３２３と、チャンバ５３に連通する排気管３２４を備える。なお、筒体５１は、セラミックス等の耐熱絶縁材からなる。また、調整弁３２２は圧力ゲージ５０の計測値（Ｐ２）に基づいて作動する。本実施例では、排気部３１と排気部３２を併せて、単に「排気部３」という。

ちなみに、処理室ｖの圧力（Ｐ１）とチャンバ５３の圧力（Ｐ２）は、通常、Ｐ２＜Ｐ１＜Ｐ０（大気圧）とされる。このため、湯面ｓ１と湯面ｓ２の間には、それらの圧力差（ΔＰ＝Ｐ１－Ｐ２）と溶湯ｍの密度（ρ）とに応じた高低差（溶湯ヘッド：ｈ）が生じる。

《精製》
上述した装置Ｄを用いて、表１に示すように、Ｚｎ（特定元素）を含むＡｌ基溶湯（原料溶湯）の精製（特定元素の除去・回収）を種々行った。具体的には次の通りである。

（１）Ａｌ基溶湯
精製前のＡｌ基溶湯（原料溶湯）として、Ａｌ－１．２％Ｚｎとなる溶湯を坩堝１２内で調製した。Ｚｎ濃度は、溶湯または合金の全体に対するＺｎの質量割合である。溶湯となる金属原料には、市販の純Ａｌと純Ｚｎを用いた。各試料で用いたＡｌ基溶湯量は、いずれも６０００ｇとした。

溶湯温度は、湯面ｓ１から約２５ｍｍの深さ位置で測定した。局部加熱前の溶湯温度はいずれも７５０℃とした。

（２）減圧
真空ポンプ３１１、３２１を作動させて、密閉状態の処理室ｖとチャンバ５３を排気して減圧した。処理室ｖ内の圧力（Ｐ１：絶対圧）とチャンバ５３内の圧力（Ｐ２：絶対圧）は表１に示すようにした。表１に示した処理時間は、Ｐ１、Ｐ２が表１に示す圧力に到達した後の経過時間（局部加熱するときは放電時間）である。なお、チャンバ５３の減圧が本発明でいう局部低圧工程に相当する。

なお、筒体５１には、セラミックス（チタン酸アルミニウム）からなるパイプ（内径：６０ｍｍ）を用いた。筒体５１の下端部は、湯面ｓ１から溶湯ｍ中へ約１０ｍｍ浸漬させた。

ちなみに、排気部３による減圧により、湯面ｓ１と湯面ｓ２の間にできる高低差（ｈ）は、試料１も試料２も約３ｃｍであった。

（３）アーク放電（局部加熱工程）
試料１、２では、電源４０に通電して、処理開始時からアーク放電ａにより湯面ｓ１を加熱した。アーク放電ａは、電極４１１を負極（カソード）、対極４２を正極（アノード）とする直流アークとした。なお、電極４１１にはφ３．２ｍｍのタングステン棒、対極４２にはφ６ｍｍの黒鉛棒を用いた。

対極４２の下端部は、湯面ｓ１から約５０ｍｍの深さ位置まで浸漬した。アーク放電ａに伴う放電電流とガス気流ｇを形成するＡｒガス流量とは表１に示した通りとした。なお、その放電時間は表１に示した処理時間とした。

試料Ｃ１では、電源４０による通電も湯面ｓ１へのガス供給も行わず、溶湯温度を７５０℃のままにしてチャンバ５３の減圧のみを行った。

《評価・測定》
（１）特定元素の回収
試料１と試料Ｃ１について、精製後の回収フィルタ５２の様子を図２に示した。図２から明らかなように、湯面ｓ１付近で局部加熱した試料１の回収フィルタ５２には、下部に堆積物が確認された。一方、局部加熱しなかった試料Ｃ１の回収フィルタ５２には、そのような堆積物が認められなかった。

このように、湯面ｓ２側（第２領域）を高真空にしつつ、湯面ｓ１側（第１領域）を加熱することにより、短時間内で、溶湯ｍからＺｎ（特定元素）を蒸発されて回収できることがわかった。

（２）特定元素の除去
試料２について、局部加熱（アーク放電）の終了後、保持槽１（処理室ｖ）内の真空度を維持したまま、溶湯ｍを６００秒間冷却（炉冷）した。その後、処理室ｖ内を大気開放して、冷却した溶湯ｍを取り出した。その溶湯ｍの一部をステンレス製分析型へ注入し、大気中で自然冷却して凝固させた。こうして得られたＡｌ合金の化学成分（Ｚｎ濃度）を蛍光Ｘ線分光法により測定した。そのＺｎ濃度は０．６５質量％であった。従って、上述した精製により、溶湯ｍのＺｎ濃度が、初期の１．２質量％から０．６５質量％まで低減することがわかった。

試料２の回収フィルタ５２の下部にも、試料１の場合と同様に、Ｚｎの堆積物が確認された。その回収フィルタ５２の質量増加分は、上述したＺｎ濃度の変化から算出される溶湯ｍにおけるＺｎ減少分の約８０％であった。つまり、湯面ｓ２側の筒体５１内に設けた回収フィルタ５２により、溶湯ｍ全体から蒸発したＺｎの約８０％が回収されること（つまりＺｎ回収率が８０％となること）がわかった。

以上から、本発明のように、Ａｌ基溶湯の第１領域を加熱すると共に、第１領域に連なる別な第２領域を高真空とすることで、Ａｌ基溶湯から特定元素を短時間で効率的に分留または回収できることがわかった。

［第２実施例］
上述した金属精製（特定元素の分留・回収）に伴う差圧管理について、具体例を示しつつ本発明を以下に詳しく説明する。

《装置》
本実施例で用いた金属精製装置Ｄ１（単に「装置Ｄ１」という。）の概要を図５に模式的に示した。図１に示した装置Ｄと同様な部材や機器等については、同符号を付してそれらの詳細な説明を省略した。

装置Ｄ１は、装置Ｄに対して、差圧管理部３３とリークバルブ３４が付加されている。差圧管理部３３（差圧管理手段）は、差圧ゲージ３３０と制御弁３３１を備える。差圧ゲージ３３０と制御弁３３１は共に、調整弁３１２と排気フィルタ３１３の間にある配管３１５と調整弁３２２と排気フィルタ３２３の間にある配管３２５との間に介装されている。リークバルブ３４は配管３１５に設けられている。リークバルブ３４を開くと、配管３１５内が大気解放される。

制御弁３３１は、差圧ゲージ３３０により検出される差圧に基づいて開閉動する。具体的にいうと、その検出される差圧が所定の閾値以下のとき、制御弁３３１は配管３１５と配管３２５の連通を遮断して、処理室ｖとチャンバ５３の間に所望の差圧（ΔＰ＝Ｐ１－Ｐ２）を生じさせ得る。一方、その検出される差圧が所定の閾値超になると、制御弁３３１は配管３１５と配管３２５を連通させて、処理室ｖとチャンバ５３を実質的に等圧（Ｐ１≒Ｐ２、ΔＰ≒０）にし、湯面ｓ１と湯面ｓ２を実質的に同じ高さ（溶湯ヘッド：ｈ≒０）にする。

《差圧管理》
（１）溶湯ヘッド
処理室ｖとチャンバ５３の差圧（ΔＰ＝Ｐ１－Ｐ２）と、湯面ｓ１と湯面ｓ２の間に生じる高低差（溶湯ヘッド）との関係を計算により求めた。溶湯ｍを既述したＡｌ基溶湯（Ａｌ－１．２％Ｚｎ）としたときの一例を図６に示した。

（２）工程
図７に差圧管理の工程例を示した。具体的にいうと、先ず、真空ポンプ３１１、３２１を作動させて、処理室ｖとチャンバ５３を減圧する（時刻ｔ０／ステップＳ０）。次に、処理室ｖとチャンバ５３が所定の真空度に到達してから、調整弁３１２、３２２により、チャンバ５３の圧力（Ｐ２）を処理室ｖの圧力（Ｐ１）よりも低下させる（時刻ｔ１／ステップＳ１）。両者の差圧（ΔＰ）が所定範囲内（所定の閾値以下）になった後、リークバルブ３４を僅かに開く。こうして処理室ｖの圧力（Ｐ１）が急増する意図的な外乱を生じさせた（時刻ｔ２／ステップＳ２）。差圧ゲージ３３０により差圧（ΔＰ）が所定の閾値を越える異常が検出され、制御弁３３１が開く。その結果、配管３１５と配管３２５が連通して、処理室ｖとチャンバ５３が等圧化される（時刻ｔ３／ステップＳ３）。

（３）実験
装置Ｄ１を用いて、上述した工程に沿って実験した結果を図８に示した。ここで、時刻ｔ１以降における処理室ｖとチャンバ５３の目標圧力はそれぞれ、Ｐ１＝８００Ｐａ、Ｐ２＜５０Ｐａ、ΔＰの閾値：９００Ｐａとした。

図８からわかるように、減圧開始（ｔ０）から１８０秒後（時刻ｔ１）にＰ１＝Ｐ２＝１０００Ｐａとなった。それからＰ１≒８００Ｐａ、Ｐ２＜１５Ｐａで推移し、減圧開始から５００秒後（時刻ｔ２）に上述した外乱を与えた。それとほぼ同時に、Ｐ１およびΔＰが急増した。ΔＰ＞９００Ｐａ（閾値）となったところで制御弁３３１が開いたため、ΔＰは急減した。リークバルブ３４の解放によるＰ１の急増から、差圧ゲージ３３０と制御弁３３１の作動によるΔＰの急減までに要した時間は極僅かであった。

装置Ｄ１を停止し、処理室ｖおよびチャンバ５３を大気圧に復圧した。その後、取り出した回収フィルタ５２を観察した。上述した外乱の付与後に差圧管理（Ｐ１とＰ２の等圧化またはΔＰ低減）を行った場合、回収フィルタ５２に溶湯付着等は観られなかった。一方、その外乱の付与後に差圧管理を行わなかった場合、回収フィルタ５２に溶湯が付着していた。

以上から、差圧管理の導入により、異常時でも装置の損傷等が回避され、特定元素の分留や回収を安定して行えることがわかった。

Ｄ 金属精製装置
３ 排気部
４ 局部加熱部
５ 局部低圧部
３３ 差圧管理部
ｍ Ａｌ基溶湯
ｓ１ 湯面（第１領域）
ｓ２ 湯面（第２領域）
ａ アーク放電
ｇ ガス気流

Claims (13)

1. アルミニウム基溶湯の湯面上の第１領域で該アルミニウム基溶湯を加熱する局部加熱工程と、
   該第１領域と異なる該湯面上の第２領域を該第１領域よりも低圧にする局部低圧工程とを備え、
   該第２領域から特定元素を蒸発させて該アルミニウム基溶湯を精製する金属精製方法。
2. 前記局部加熱工程と前記局部低圧工程は、併行してなされる請求項１に記載の金属精製方法。
3. さらに、前記第２領域から蒸発した前記特定元素を回収する回収工程を備える請求項１または２に記載の金属精製方法。
4. 前記第２領域側の圧力（Ｐ２）を０．１～１０００Ｐａとする請求項１～３のいずれかに記載の金属精製方法。
5. 前記第１領域側の圧力（Ｐ１）を１００～１００００Ｐａとする請求項１～４のいずれかに記載の金属精製方法。
6. 前記第１領域側の圧力（Ｐ１）と前記第２領域側の圧力（Ｐ２）との差圧（ΔＰ＝Ｐ１－Ｐ２）を１００～５０００Ｐａとする請求項１～５のいずれかに記載の金属精製方法。
7. さらに、前記第１領域側の圧力（Ｐ１）と前記第２領域側の圧力（Ｐ２）との差圧（ΔＰ＝Ｐ１－Ｐ２）を所定範囲内にする差圧管理工程を備える請求項１～６のいずれかに記載の金属精製方法。
8. 局部加熱工程は、アーク放電によりなされる請求項１～７のいずれかに記載の金属精製方法。
9. 前記特定元素は、Ｚｎ、ＭｇまたはＰｂの一種以上である請求項１～８のいずれかに記載の金属精製方法。
10. アルミニウム基溶湯の湯面上の第１領域で該アルミニウム基溶湯を加熱する局部加熱手段と、
    該第１領域と異なる該湯面上の第２領域を該第１領域よりも低圧にする局部低圧手段とを備え、
    該第２領域から特定元素を蒸発させて該アルミニウム基溶湯を精製できる金属精製装置。
11. さらに、前記第２領域から蒸発した前記特定元素を回収する回収手段を備える請求項１０に記載の金属精製装置。
12. さらに、前記第１領域側の圧力（Ｐ１）と前記第２領域側の圧力（Ｐ２）との差圧（ΔＰ＝Ｐ１－Ｐ２）を所定範囲内にする差圧管理手段を備える請求項１０または１１に記載の金属精製装置。
13. 前記差圧管理手段は、前記第２領域側の圧力（Ｐ２）を増加させ得る切替弁または制御弁である請求項１２に記載の金属精製装置。

Images