(57)【要約】【課題】精製処理の中断がなく効率良く低コストで金属の高純度化が可能な金属精製装置及び金属精製方法を提供する。【解決手段】金属精製装置１は、金属の溶融物Ｍを保持する溶融金属保持容器２と、溶融金属保持容器２に保持された溶融物Ｍに浸漬され表面において溶融物Ｍを冷却し凝固させる冷却体３と、冷却体３の少なくとも一部分を溶融物Ｍに浸漬させた後に冷却体３を溶融物Ｍ中から引き上げる冷却体搬送手段（搬送レール６及び冷却体駆動装置８Ａ，８Ｂからなる）と、冷却体３に冷却されて凝固し、引き上げられた冷却体３の表面に付着した金属の凝固物Ｓを回収する回収手段９と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属の溶融物を保持する溶融金属保持容器と、前記溶融金属保持容器に保持された前記溶融物に浸漬され表面において前記溶融物を冷却し凝固させる冷却体と、前記冷却体の少なくとも一部分を前記溶融物に浸漬させた後に前記冷却体を前記溶融物中から引き上げる冷却体搬送手段と、前記冷却体に冷却されて凝固し、引き上げられた前記冷却体の表面に付着した前記金属の凝固物を回収する回収手段と、を備えることを特徴とする金属精製装置。
【請求項２】
前記冷却体が前記溶融物に浸漬されている時間は、前記冷却体の表面に前記金属の凝固物が付着し、且つ、付着した前記金属の凝固物の全てが再度溶融しない時間に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の金属精製装置。
【請求項３】
前記冷却体搬送手段は、前記冷却体の少なくとも一部分を前記溶融物に浸漬して前記溶融物中を移動させた後に前記溶融物中から引き上げるようになっていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の金属精製装置。
【請求項４】
前記冷却体を複数備え、前記冷却体搬送手段が複数の前記冷却体を連続的に搬送するようになっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の金属精製装置。
【請求項５】
前記溶融物中から引き上げられた前記冷却体に付着している前記金属の凝固物を急冷する急冷手段を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の金属精製装置。
【請求項６】
前記溶融物中から引き上げられた前記冷却体に付着している前記金属の凝固物を前記冷却体から物理的に剥離する剥離手段を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の金属精製装置。
【請求項７】
金属の溶融物に、前記溶融物を冷却し凝固させる冷却体の少なくとも一部分を浸漬した後に、前記冷却体を前記溶融物中から引き上げ、前記冷却体に冷却されて凝固し前記冷却体の表面に付着した前記金属の凝固物を回収することを特徴とする金属精製方法。
【請求項８】
前記冷却体が前記溶融物に浸漬されている時間は、前記冷却体の表面に前記金属の凝固物が付着し、且つ、付着した前記金属の凝固物の全てが再度溶融しない時間であることを特徴とする請求項７に記載の金属精製方法。
【請求項９】
前記冷却体の少なくとも一部分を前記溶融物に浸漬して前記溶融物中を移動させた後に前記溶融物中から引き上げることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の金属精製方法。
【請求項１０】
前記冷却体を複数用い、これら複数の冷却体の浸漬及び引き上げを連続的に行うことを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項に記載の金属精製方法。
【請求項１１】
前記溶融物中から引き上げられた前記冷却体に付着している前記金属の凝固物を急冷する急冷工程を備えることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一項に記載の金属精製方法。
【請求項１２】
前記溶融物中から引き上げられた前記冷却体に付着している前記金属の凝固物を前記冷却体から物理的に剥離する剥離工程を備えることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか一項に記載の金属精製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高純度の金属を製造する金属精製装置及び金属精製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属は、一般に、含有する不純物（例えば金属シリコンの場合であれば、Ａｌ，Ｆｅ等の不純物）が少ないほど、種々の材料特性において有利である。特に、太陽電池等に使用される金属シリコンは、通常は９９．９９９９％（６Ｎ）以上の高純度が必要とされ、金属シリコン中に含有される不純物元素の濃度は、ｐｐｍオーダー以下まで低減する必要がある。
【０００３】
従来、市販の金属シリコン（純度９９．５％程度）から上記した程度の高純度金属シリコンを製造する方法として、Ｆｅ，Ｔｉ，Ａｌ等の金属不純物元素を、固液分配係数が小さいことを利用した一方向凝固精製により除去する技術が提案されている。すなわち、金属の溶融物に濃度Ｃ0 の不純物元素が固溶しており、その固液分配係数（偏析係数）ｋが１より小さい場合では、図５に示すように金属の溶融物を冷却していき、凝固温度（図５の状態図での液相線）に達すると、凝固した金属中の不純物濃度はｋＣ0 となるので、高純度の金属が晶出する。よって、この凝固した金属を分離回収することにより、高純度の金属を得ることができる。
【０００４】
例えば、特許文献１〜４等には、図６に示すように、シリコン，アルミニウム等の溶融物中に中空回転冷却体を浸漬し、中空回転冷却体の内部に冷却流体を送りながら中空回転冷却体を回転させることにより、中空回転冷却体の外周面に高純度のシリコン，アルミニウム等を晶出させる技術が記載されている。
【特許文献１】特開昭６３−４５１１２号公報
【特許文献２】特開平９−４８６０７号公報
【特許文献３】特開平９−４８６０８号公報
【特許文献４】特開平９−１８８５１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、これらの技術において使用される中空回転冷却体は、いずれもその内部に冷却手段を有するものであるから、設備コストが嵩むことやメンテナンスが煩雑となることが避けられない。また、中空回転冷却体を金属の溶融物に浸漬する際には、精製装置内を真空状態とするか、Ａｒや窒素等の不活性ガスでパージする必要があるが、特許文献１〜４の技術では、凝固した金属を回収する際に精製処理作業を一旦中断して精製装置内を開放せざるを得ない。その反面、１回の精製処理で回収できる凝固金属の量が限られるため、生産効率が低いという問題もあった。
【０００６】
一方、１回の精製処理で凝固金属を多量に回収しようとすると、図６に示されるように、精製処理の後半では中空回転冷却体の周辺において金属の溶融物中の不純物が濃縮される。中空回転冷却体を回転させて撹拌したとしても、その効果には限界があり、凝固金属中の不純物濃度も高くなっていくため、高純度化の効率が低くなり、場合によっては、多数回の精製処理を行うことが必要となり、やはり生産効率の低さは避けられない問題であった。
そこで、本発明は、上記のような従来技術が有する問題点を解決し、精製処理の中断がなく効率良く低コストで金属の高純度化が可能な金属精製装置及び金属精製方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る金属精製装置は、金属の溶融物を保持する溶融金属保持容器と、前記溶融金属保持容器に保持された前記溶融物に浸漬され表面において前記溶融物を冷却し凝固させる冷却体と、前記冷却体の少なくとも一部分を前記溶融物に浸漬させた後に前記冷却体を前記溶融物中から引き上げる冷却体搬送手段と、前記冷却体に冷却されて凝固し、引き上げられた前記冷却体の表面に付着した前記金属の凝固物を回収する回収手段と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
このような金属精製装置においては、前記冷却体が前記溶融物に浸漬されている時間は、前記冷却体の表面に前記金属の凝固物が付着し、且つ、付着した前記金属の凝固物の全てが再度溶融しない時間に設定されていることが好ましい。また、前記冷却体搬送手段は、前記冷却体の少なくとも一部分を前記溶融物に浸漬して前記溶融物中を移動させた後に前記溶融物中から引き上げるようになっているこが好ましい。さらに、前記冷却体を複数備え、前記冷却体搬送手段が複数の前記冷却体を連続的に搬送するようになっていることが好ましい。
【０００９】
さらに、上記のような金属精製装置は、前記溶融物中から引き上げられた前記冷却体に付着している前記金属の凝固物を急冷する急冷手段を備えていることが好ましい。さらに、上記のような金属精製装置は、前記溶融物中から引き上げられた前記冷却体に付着している前記金属の凝固物を前記冷却体から物理的に剥離する剥離手段を備えていることが好ましい。
また、本発明に係る金属精製方法は、金属の溶融物に、前記溶融物を冷却し凝固させる冷却体の少なくとも一部分を浸漬した後に、前記冷却体を前記溶融物中から引き上げ、前記冷却体に冷却されて凝固し前記冷却体の表面に付着した前記金属の凝固物を回収することを特徴とする。
【００１０】
このような金属精製方法においては、前記冷却体が前記溶融物に浸漬されている時間は、前記冷却体の表面に前記金属の凝固物が付着し、且つ、付着した前記金属の凝固物の全てが再度溶融しない時間であることが好ましい。また、前記冷却体の少なくとも一部分を前記溶融物に浸漬して前記溶融物中を移動させた後に前記溶融物中から引き上げることが好ましい。さらに、前記冷却体を複数用い、これら複数の冷却体の浸漬及び引き上げを連続的に行うことが好ましい。
さらに、上記のような金属精製方法は、前記溶融物中から引き上げられた前記冷却体に付着している前記金属の凝固物を急冷する急冷工程を備えることが好ましい。さらに、上記のような金属精製方法は、前記溶融物中から引き上げられた前記冷却体に付着している前記金属の凝固物を前記冷却体から物理的に剥離する剥離工程を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の金属精製装置及び金属精製方法は、精製処理の中断がなく効率良く低コストで金属の高純度化が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明に係る金属精製装置及び金属精製方法の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１，２は、本発明の第一実施形態の金属精製装置１の構造を説明する図であり、図１は、冷却体３の搬送経路に沿う平面で破断した断面図（金属精製装置１の正面側から見た図）であり、図２は、前記平面に直行する平面で破断した断面図（金属精製装置１の側面側から見た図）である。
【００１３】
第一実施形態の金属精製装置１は、金属の溶融物Ｍを保持する溶融金属保持容器２を内蔵するとともに、溶融金属保持容器２に保持された溶融物Ｍに浸漬され表面において溶融物Ｍを冷却し凝固させる冷却体３を備えている。この金属精製装置１の内部は、溶融物Ｍの表面の酸化を防止して精製効率を上げるために、Ａｒガス、窒素ガス、又はそれらの混合ガス等の不活性ガスによってパージすることが好ましい。なお、冷却体３の形状は特に限定されるものではなく、例えば、図１のような棒状でもよいし、板状でもよい。
【００１４】
溶融金属保持容器２は、保持している溶融物Ｍを溶融状態に保ち且つその温度を安定させるため、加熱装置４を備えている。この加熱装置４の加熱方式は特に限定されるものではなく、例えば、高周波による誘導加熱方式や、電気抵抗による加熱方式等があげられる。なお、金属精製装置１は、凝固精製の処理中に溶融金属保持容器２に金属原料を供給する原料供給装置５を備えていてもよい。第一実施形態においては、後述するように、凝固し精製された金属を連続的に回収可能であるため、精製処理中に原料供給装置５により原料を供給し、金属の溶融物Ｍの液面を所定のレベルに保つことにより、さらに長時間の連続的な精製処理が可能となる。金属原料については、図２に示すように固体状のものを供給してもよいが、溶融した液体状のものを供給してもよい。
【００１５】
また、金属精製装置１は、冷却体３を搬送する冷却体搬送手段を備えている。すなわち、金属精製装置１には２ヶ所の開口部７Ａ，７Ｂが形成されており、両開口部７Ａ，７Ｂの間を結ぶ搬送レール６が設置されている。個々の冷却体３は、その頂部３ａに形成された突起部が搬送レール６の２本のガイド６ａ，６ａの間に挟持されることにより、足部３ｂを下方に向けて搬送レール６に吊り下げられつつ搬送レール６に沿って搬送されるようになっているので、搬送レール６上に複数の冷却体３を並べて、開口部７Ａの外側に設置された冷却体駆動装置８Ａにより冷却体３を駆動すると、搬送方向の前方にある冷却体３が順次押し出されて、一方の開口部７Ａ（入側）から冷却体３が金属精製装置１内に次々に搬入される。
【００１６】
金属精製装置１内に外部から搬入された複数の冷却体３は、金属精製装置１内に設置された冷却体駆動装置８Ｂによっても駆動され、搬送レール６に沿って金属精製装置１内を連続的に搬送され、他方の開口部７Ｂ（出側）から搬出される。搬送レール６は、図１から分かるように略くの字状に湾曲しているので、金属精製装置１内を搬送される冷却体３は、その少なくとも一部分が溶融物Ｍに所定の時間浸漬された後に溶融物Ｍ中から引き上げられるようになっている。
【００１７】
溶融物Ｍに冷却体３が浸漬された際には、冷却体３によりその周囲の溶融物Ｍが冷却されて凝固するので、引き上げられた冷却体３の表面には金属の凝固物Ｓが付着（晶出）している。この金属の凝固物Ｓは、前述した通り偏析凝固により精製されているので、不純物濃度の低い高純度の金属である。冷却体３が溶融物Ｍに浸漬されている時間は、溶融物Ｍが冷却され冷却体３の表面に金属の凝固物Ｓが付着するのに必要な時間で、且つ、この付着した金属の凝固物Ｓの全てが再度溶融してしまわない時間であることが好ましい。通常は、１〜６０秒程度である。
【００１８】
なお、冷却体３の素材は特に限定されるものではないが、例えば、溶融物Ｍを積極的に凝固する観点からすれば、Ｃｕ（例えば純度９５％以上のＣｕ）やＡｌ（例えば純度９５％以上のＡｌ）等の熱伝導性の高い金属を用いることが好ましい。また、トラブル等により冷却体３の搬送が停止した場合などに、冷却体３が溶損して溶融物Ｍを汚染することを防止する観点からは、そのような影響の少ない炭素材やアルミナ材を用いることが好ましい。
【００１９】
また、冷却体３を溶融物Ｍに浸漬する際には、溶融物Ｍに浸漬された冷却体３が溶融物Ｍ中を移動し、その後に溶融物Ｍ中から引き上げるように、冷却体３を搬送することが好ましい。特許文献１〜４の技術のように冷却体が固定されている場合は、その場で回転させたとしても撹拌の効率を高めにくいが、冷却体３が溶融物Ｍの中を移動するようにすると溶融物Ｍは大きく撹拌されるので、溶融物Ｍ中の不純物濃度が均一となり、不純物濃度が局所的に高い部分が少なくなる。さらに、冷却体３自体が移動することにより、冷却体３の表面付近に不純物濃度の高い層が形成されることがないので、金属の凝固物Ｓの純度をより高めることができる。
【００２０】
溶融物Ｍ中から引き上げられた冷却体３は、搬送レール６上を移動して、金属精製装置１のもう一方の開口部７Ｂから搬出される。そして、搬送レール６の開口部７Ｂ側の端部は開放されているので、該端部から金属精製装置１の外部へ冷却体３が落下し、回収手段９により回収される。
なお、冷却体３が溶融物Ｍから引き上げられた後から回収手段９に回収されるまでのいずれかの位置、もしくは回収手段９において、冷却体３に付着している金属の凝固物Ｓを急冷する急冷手段を設けることが好ましい。凝固物Ｓを急冷すると、凝固物Ｓの冷却体３からの剥離性が高められる。急冷手段としては、例えば、図１に示すような冷却水への浸漬や、ガスジェット等の噴射などがあげられる。
【００２１】
また、回収した冷却体３の表面に付着した凝固物Ｓを冷却体３から物理的に剥離する剥離手段を設けることが好ましい。凝固物Ｓを剥離する方法は、外部からの力による物理的な方法に限定されるものではなく、前述の急冷に用いたガスジェット等の風圧を制御して凝固物Ｓの剥離まで一度に行うようにしてもよいし、冷却体３の搬送経路に干渉物を設置して、冷却体３を干渉物に衝突させるような機械的な接触により凝固物Ｓを剥離してもよい。
【００２２】
このようにして回収した冷却体３から金属の凝固物Ｓを剥離し、それを収集することにより、高純度の金属を製造することができる。精製可能な金属の種類は特に限定されるものではないが、例えば、シリコン，アルミニウム等が好適である。例えばシリコンの場合であれば、純度９９．５％程度の市販の金属シリコンを原料として、９９．９９９９％（６Ｎ）以上の高純度金属シリコンを製造することができる。このような高純度金属シリコンは、太陽電池などに好適である。
また、本発明によれば、冷却体を搬送し連続的に精製処理を行うことにより精製処理の中断がないので、前述した従来の固定式の冷却体を用いた精製装置と比べて、高い効率で且つ低コストで高純度の金属を製造することができる。
【００２３】
このような第一実施形態の金属精製装置１においては、冷却体搬送手段が搬送レール６等で構成されていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、冷却体搬送手段が別の構成であってもよい。例として、図３に第二実施形態の金属精製装置１を示し、図４に第三実施形態の金属精製装置１を示す。図３の（ａ）は、第二実施形態の金属精製装置１の正面図（回転ドラム１０の回転軸方向から見た図）であり、図３の（ｂ）は、第二実施形態の金属精製装置１の側面図（回転ドラム１０の回転軸に直交する方向から見た図）である。なお、図３，４においては、図１，２と同一又は相当する部分には、図１，２と同一の符号を付してある。
【００２４】
図３に示す第二実施形態の金属精製装置１においては、複数の冷却体３が回転ドラム１０の外周面に放射状に突出するように係合されており、回転ドラム１０が回転すると、冷却体３が回転ドラム１０の下方に移動して金属の溶融物Ｍに浸漬された後、溶融物Ｍ中から引き上げられるようになっている。これにより、冷却体３の表面に金属の凝固物Ｓが付着する。
【００２５】
第二実施形態の金属精製装置１においては、金属の凝固物Ｓの急冷手段と剥離手段とを兼ねる冷却ノズル１１が備えられており、冷却体３が溶融物Ｍ中から引き上げられた後、冷却体３が回転ドラム１０の上方に移動したところに、冷却ノズル１１からの冷却ガスが吹き付けられるようになっている。すなわち、冷却ノズル１１からの冷却ガスの吹き付けを受けて、金属の凝固物Ｓが急冷されるとともに、その吹き付けの圧力によって冷却体３から金属の凝固物Ｓが剥離する。
【００２６】
図３の金属精製装置１においては冷却体３は板状になっており、剥離した金属の凝固物Ｓは、回転ドラム１０上において、隣り合う冷却体３と両側のサイドプレート１２とに囲まれた空間に保持される。そして、さらに回転ドラム１０が回転すると、金属の凝固物Ｓは冷却体３の板面を滑り落ちて回収手段９上に落下し回収される。このようにして冷却体３から金属の凝固物Ｓを剥離し回収することにより、高純度の金属を製造することができる。
【００２７】
次に、図４に示す第三実施形態の金属精製装置１においては、図３の金属精製装置１における回転ドラム１０に換えて、無端の搬送ベルト１３を用いている。搬送ベルト１３は２本の駆動ロール１４に支持され、その上半分は２本の駆動ロール１４の間で水平に保たれるとともに、下半分は２本の駆動ロール１４により懸垂される。そして、搬送ベルト１３の外周面に係合された複数の冷却体３は搬送ベルト１３に搬送され、懸垂された下半分の搬送ベルト１３の最下端近傍に達したとき、溶融金属保持容器２に保持された金属の溶融物Ｍに浸漬される。さらに搬送されることによって冷却体３は溶融物Ｍ中から引き上げられ、冷却体３の表面に金属の凝固物Ｓが付着する。
【００２８】
引き上げられた冷却体３が搬送ベルト１３の上半分の位置に搬送されると、搬送ベルト１３の上方に金属の凝固物Ｓの急冷手段として設置された冷却ノズル９から冷却ガスの吹き付けを受けて、金属の凝固物Ｓが急冷される。搬送ベルト１３の上方には金属の凝固物Ｓの剥離手段として干渉フィン１５が設けられており、冷却体３が干渉フィン１５と衝突・擦過することにより、金属の凝固物Ｓが物理的な作用を受けて、冷却体３の表面から金属の凝固物Ｓが剥離する。
【００２９】
搬送ベルト１３は、剥離した金属の凝固物Ｓを保持するのに十分な幅広のベルトとなっているため、保持された金属の凝固物Ｓは搬送ベルト１３によって搬送され、搬送ベルト１３の外周面が下向きになる位置の下方に設置された回収手段９内に落下する。このようにして冷却体３から金属の凝固物Ｓを剥離し回収することにより、高純度の金属を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第一実施形態の金属精製装置の構造を説明する図であり、冷却体の搬送経路に沿う平面で破断した断面図である。
【図２】本発明の第一実施形態の金属精製装置の構造を説明する図であり、図１の破断面に直行する平面で破断した断面図である。
【図３】本発明の第二実施形態の金属精製装置の構造を説明する正面図及び側面図である。
【図４】本発明の第三実施形態の金属精製装置の構造を説明する正面図である。
【図５】金属状態図の端部の一例を示す図である。
【図６】従来の金属精製装置の構造を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１      金属精製装置
２      溶融金属保持容器
３      冷却体
４      加熱装置
５      原料供給装置
６      搬送レール
７Ａ    開口部（入側）
７Ｂ    開口部（出側）
８Ａ，８Ｂ      冷却体駆動装置
９      回収手段
１０      回転ドラム
１１      冷却ノズル
１２      サイドプレート
１３      搬送ベルト
１４      駆動ロール
１５      干渉フィン
Ｍ      溶融物
Ｓ      凝固金物
【図１】
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【図２】
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【図３】
2010024490.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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