【手続補正書】
【提出日】平成16年9月1日(2004.9.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】      明細書
【発明の名称】  金属の精製装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】  溶融金属保持るつぼと、垂直状中空回転軸と、中空回転軸の下端に、内部空間が中空回転軸の内部空間と連通するように固定状に設けられた中空回転冷却体と、中空回転冷却体内に冷却流体を供給する手段とを備えており、るつぼ内に入れられた溶融金属中に、中空回転軸の部分が液面に来るように中空回転冷却体を浸漬し、中空回転軸および中空回転冷却体を回転させるとともに、冷却流体供給手段により中空回転冷却体の内部に冷却流体を供給しながら、中空回転冷却体の外周面に、溶融金属よりも純度の高い金属を晶出させる金属の精製装置であって、
中空回転軸における溶融金属の液面近傍に来る部分の内側に、ヒータが配置されている金属の精製装置。
【請求項２】  中空回転軸の下端部が下拡がりテーパ状となされるとともに、中空回転軸の下拡がりテーパ状部よりも上方の部分が液面に来るように中空回転冷却体を溶融金属中に浸漬するようになされており、下拡がりテーパ状部の下端部の内側に、ヒータが配置されている請求項１記載の金属の精製装置。
【請求項３】  中空回転軸が、下端がるつぼの上端よりも上方に位置する筒状の上部構成部材と、上部構成部材の下端に継手装置により連結された筒状の下部構成部材とよりなり、下構成部材の下部に下拡がりテーパ状部が形成され、下部構成部材における上端寄りの部分の内側および下拡がりテーパ状部の下端部の内側に、それぞれヒータが配置されている請求項２記載の金属の精製装置。
【請求項４】  上部構成部材および継手装置がそれぞれステンレス鋼で形成され、下部構成部材が黒鉛で形成されている請求項３記載の金属の精製装置。
【請求項５】  請求項１または２記載の装置を用いた金属の精製方法であって、中空回転軸におけるヒータが配置されている部分が溶融金属の液面に来るように、中空回転冷却体を溶融金属中に浸漬し、ヒータを発熱させつつ、冷却流体供給手段により中空回転冷却体の内部に冷却流体を供給しながら、中空回転冷却体の外周面に、溶融金属よりも純度の高い金属を晶出させる金属の精製方法。
【請求項６】  請求項３または４記載の装置を用いた金属の精製方法であって、中空回転軸の下部構成部材の上端部におけるヒータが配置されている部分が溶融金属の液面に来るように、中空回転冷却体を溶融金属中に浸漬し、両ヒータを発熱させつつ、冷却流体供給手段により中空回転冷却体の内部に冷却流体を供給しながら、中空回転冷却体の外周面に、溶融金属よりも純度の高い金属を晶出させる金属の精製方法。
【請求項７】  精製すべき金属がアルミニウムである請求項５または６記載の金属の精製方法。
【請求項８】  請求項５〜７のうちのいずれかに記載の方法により精製されたアルミニウム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、偏析凝固の原理を利用し、共晶不純物を含むアルミニウム、ケイ素等の金属を精製してより高純度の金属を製造する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
従来、たとえばアルミニウムの精製装置として、溶融アルミニウム保持るつぼと、垂直状中空回転軸と、中空回転軸の下端に、内部空間が中空回転軸の内部空間と連通するように固定状に設けられた中空回転冷却体と、中空回転冷却体内に冷却流体を供給する手段とを備えており、中空回転冷却体を、その上部がるつぼ内に入れられた溶融アルミニウムの液面に来るように溶融アルミニウム中に浸漬し、中空回転軸および中空回転冷却体を回転させるとともに、冷却流体供給手段により中空回転冷却体の内部に冷却流体を供給しながら、中空回転冷却体の外周面に、溶融アルミニウムよりも純度の高いアルミニウムを晶出させるものが知られている（特開平９−４８６０７号公報参照）。
【０００３】
しかしながら、従来の装置では、中空回転冷却体を、その上部が溶融アルミニウムの液面に来るように溶融アルミニウム中に浸漬し、中空回転軸および中空回転冷却体を回転させるようになっているので、液面との接触部分の径が大きくなり、回転時の抵抗が大きくなって中空回転冷却体に振れが発生したり、溶融アルミニウムが飛散したりして、生産トラブルの原因となるという問題があった。また、中空回転冷却体の振れや溶融アルミニウムの飛散を防止するには、中空回転冷却体の周速を遅くしなければならず、生産効率が低下するとともに、得られる精製アルミニウムの純度を高くすることができないという問題があった。
【０００４】
そこで、上記問題を解決するために、図２および図３に示すような装置が考えられている。図２および図３において、アルミニウムの精製装置は、溶融アルミニウム保持るつぼ(10)と、垂直中空回転軸(11)と、垂直中空回転軸(11)の下端に固定されかつ内部空間が中空回転軸(11)の内部空間と連通した有底筒状の中空回転冷却体(12)と、中空回転冷却体(12)内に配置された筒状の冷却流体吹出部材(13)と、冷却流体吹出部材(13)内に冷却流体を供給する冷却流体供給手段とを備えている。
【０００５】
るつぼ(10)は、溶融アルミニウムと反応しないでこれを汚染することのないような材料、たとえば黒鉛で形成されている。るつぼ(10)は、ヒータ(14)を有する溶解炉（図示略）内に配置されている。
【０００６】
中空回転軸(11)は、下端がるつぼ(10)の上端よりも上方に位置する筒状の上部構成部材(15)と、上部構成部材(15)の下端に適当な継手装置(16)により連結された筒状の下部構成部材(17)とよりなる。上部構成部材(15)および継手装置(16)は、それぞれたとえばステンレス鋼のような金属で形成され、下部構成部材(17)は溶融アルミニウムと反応しないでこれを汚染することのないような材料、たとえば黒鉛で形成されている。また、下部構成部材(17)が黒鉛で形成されていると、強度が大きくなって高速回転が可能になる。図示は省略したが、中空回転軸(11)は、溶解炉の上方に設けられている上下動自在の保持手段により垂直軸線の周りに回転自在に支持されており、適当な回転駆動手段により回転させられるようになっている。
【０００７】
下部構成部材(17)の下部に下拡がりテーパ状部(18)が形成され、テーパ状部(18)よりも下方の部分におねじ部(19)が形成されている。
【０００８】
中空回転冷却体(12)は、有底でかつ下方に向かって若干狭くなったテーパ筒状である。中空回転冷却体(12)は、熱伝導性に優れ、かつ溶融アルミニウムと反応しないでこれを汚染することのないような材料、たとえば黒鉛で形成されている。中空回転冷却体(12)の内周面の上端部にめねじ部(20)が形成されており、このめねじ部(20)に、中空回転軸(11)の下部構成部材(17)のおねじ部(19)がねじ嵌められることによって、中空回転冷却体(12)が中空回転軸(11)に固定されている。なお、中空回転冷却体(12)の上端部の外径は、下部構成部材(17)のテーパ状部(18)の大端径と等しくなっている。
【０００９】
冷却流体吹出部材(13)は、中空回転軸(11)の下部構成部材(17)内に配置され、かつ上端が下部構成部材(17)よりも上方に突出するとともに下端が中空回転冷却体(12)内の下部に位置する垂直状冷却流体供給管(21)の下端部に一体に形成されている。すなわち、冷却流体供給管(21)の下端部に外向きフランジ(21a)を介して円筒状冷却流体吹出部材(13)が形成されている。冷却流体吹出部材(13)の周壁には、その周方向に間隔をおいて上下方向に伸びる複数のスリット状冷却流体吹出口(22)が形成されている。また、冷却流体吹出部材(13)の下端に、外向きフランジ(21a)の幅よりも大きい内向きフランジ(21b)が一体に形成され、内向きフランジ(21b)の内周縁に上方に伸びる冷却流体排出管(23)が一体に形成されている。
【００１０】
冷却流体排出管(23)の上端は中空回転軸(11)の上端よりも上方に突出している。冷却流体供給管(21)の上端は中空回転軸(11)の上部構成部材(15)内の下部に位置しており、上部構成部材(15)の内周面と冷却流体排出管(23)の外周面との間に形成された冷却流体供給用通路（図示略）と連通している。図示は省略したが、中空回転軸(11)の上部構成部材(15)の上端部および冷却流体排出管(23)の上端部は１つのロータリジョイントに接続されており、冷却流体は、冷却流体供給源からロータリジョイントを経て上部構成部材(15)内の冷却流体供給用通路内に流入し、この通路を通って冷却流体供給管(21)内に入り、この管(21)内を通って冷却流体吹出部材(13)内に入り、冷却流体吹出口(22)から中空回転冷却他の周壁内周面に向かって吹出される。
【００１１】
上述した装置でアルミニウムの精製を行う場合は、予め、るつぼ(10)内に、精製すべきアルミニウムの塊を入れておき、ヒータ(14)によりアルミニウム塊を加熱し溶融させて溶融アルミニウム(S)とし、これを凝固温度（６６０℃）を越えた所定の温度に加熱保持しておく。溶融アルミニウム(S)は、別途精製すべきアルミニウムの塊を溶解してからるつぼ(10)内に入れてもよい。
【００１２】
ついで、中空回転軸(11)の下部構成部材(17)における中空回転軸(11)の下拡がりテーパ状部(18)よりも上方の部分が液面に来るように、中空回転冷却体(12)を溶融アルミニウム(S)中に浸漬する。その後、冷却流体を、ロータリジョイント、冷却流体供給用通路および冷却流体供給管(21)を経て冷却流体吹出部材(13)内に送り込み、冷却流体吹出部材(13)の冷却流体吹出口(22)から中空回転冷却体(12)の周壁内周面に向かって冷却流体を吹出しながら、回転駆動手段により中空回転軸(11)を介して中空回転冷却体(12)を回転させ、偏析凝固の原理により中空回転冷却体(12)の周壁外周面に溶融アルミニウム(S)よりも高純度の精製アルミニウム(A)を晶出させる。中空回転冷却体(12)の周壁内周面に向かって吹出されてその外周面を冷却し、るつぼ(10)内に入れられて所定の温度に加熱保持されている溶融アルミニウム(S)の有する熱により加熱された冷却流体は、冷却流体排出管(23)の下端開口からその内部に入り、冷却流体排出管(23)内を上方に流れ、ロータリジョイントを経て排出される。
【００１３】
しかしながら、この装置では次のような問題が生じることが判明した。すなわち、るつぼ(10)内の溶融アルミニウム(S)の液面からの熱放射により、液面近傍の溶融アルミニウム(S)の温度は他の部分よりも低くなっているので、中空回転軸(11)の外周面における溶融アルミニウム(S)の液面近傍に存在する部分にはアルミニウムがが晶出しやすくなっており、図２に示すように、この部分には短時間で多くのアルミニウム(Ax)が晶出する。この部分に多くのアルミニウム(Ax)が晶出すると、回転時の抵抗が大きくなって中空回転軸(11)に振れが発生し、これに起因して中空回転冷却体(12)にも振れが発生したり、溶融アルミニウム(S)が飛散したりして、生産トラブルの原因となる。また、中空回転軸(11)の振れに起因する中空回転冷却体(12)の振れや溶融アルミニウム(S)の飛散を防止するには、中空回転軸(11)、すなわち中空回転冷却体(12)の周速を遅くしなければならず、中空回転冷却体(12)の外周面に充分な量の高純度金属が晶出する前に中空回転冷却体(12)を効果的に回転させることができなくなり、その結果１回の精製作業における精製アルミニウムの回収量が少なくなって作業の能率が悪くなるとともに、精製効率も低下して得られる精製アルミニウムの純度を高くすることができない。
【００１４】
しかも、中空回転軸(11)の下端部の下拡がりテーパ状部(18)の外周面にも、中空回転冷却体(12)の外周面に晶出した精製アルミニウム(A)と連なるようにアルミニウム(Ay)が晶出する。ところで、このような装置においては、中空回転冷却体(12)の外周面に形成された精製アルミニウム(A)の中空回転冷却体(12)からの回収は、一般に、中空回転冷却体(12)を上昇させてるつぼ(10)から出した後、掻き落とし装置により精製金属塊を中空回転冷却体(12)から掻き落とすことにより行われているが、上述したように、下拡がりテーパ状部(18)の外周面にもアルミニウム(Ay)が晶出していると、掻き落としを行うことができず、精製アルミニウム(A)の回収作業が極めて困難になる。
【００１５】
この発明の目的は、上記問題を解決し、中空回転軸の外周面における溶融金属の液面近傍に存在する部分および下拡がりテーパ状部の外周面への金属の晶出を防止しうる金属の精製装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段と発明の効果】
請求項１の発明による金属の精製装置は、溶融金属保持るつぼと、垂直状中空回転軸と、中空回転軸の下端に、内部空間が中空回転軸の内部空間と連通するように固定状に設けられた中空回転冷却体と、中空回転冷却体内に冷却流体を供給する手段とを備えており、るつぼ内に入れられた溶融金属中に、中空回転軸の部分が液面に来るように中空回転冷却体を浸漬し、中空回転軸および中空回転冷却体を回転させるとともに、冷却流体供給手段により中空回転冷却体の内部に冷却流体を供給しながら、中空回転冷却体の外周面に、溶融金属よりも純度の高い金属を晶出させる金属の精製装置であって、中空回転軸における溶融金属の液面近傍に来る部分の内側に、ヒータが配置されているものである。
【００１７】
請求項１の発明の金属の精製装置によれば、中空回転軸における溶融金属の液面近傍に来る部分の内側に、ヒータが配置されているので、るつぼ内に入れられた溶融金属中に、中空回転軸の部分が液面に来るように中空回転冷却体を浸漬し、中空回転軸および中空回転冷却体を回転させるさいにヒータを発熱させると、中空回転軸における溶融金属の液面近傍部分の外周面が加熱され、その結果この部分の外周面への金属の晶出が阻止される。したがって、中空回転軸の振れの発生に起因する中空回転冷却体の振れの発生、および溶融金属の飛散が防止され、生産トラブルの発生を防止できる。また、中空回転冷却体の振れや溶融金属の飛散を防止することができるので、中空回転軸の回転数を大きくして中空回転冷却体の周速を速くすることができ、その結果１回の精製作業における高純度金属の回収量が多くなって作業の能率が良くなるとともに、精製効率を向上させて得られる精製金属の純度を高くすることができる。
【００１８】
請求項２の発明による金属の精製装置は、請求項１の発明において、中空回転軸の下端部が下拡がりテーパ状となされるとともに、中空回転軸の下拡がりテーパ状部よりも上方の部分が液面に来るように中空回転冷却体を溶融金属中に浸漬するようになされており、下拡がりテーパ状部の下端部の内側に、ヒータが配置されていることがある。この場合、るつぼ内に入れられた溶融金属中に、中空回転軸の下拡がりテーパ状部よりも上方の部分が液面に来るように中空回転冷却体を浸漬し、中空回転軸および中空回転冷却体を回転させるさいにヒータを発熱させると、中空回転軸の下拡がりテーパ状部の下端部が加熱されて、その外周面への金属の晶出が阻止される。したがって、中空回転冷却体の外周面に晶出した精製金属を掻き落とし装置によって掻き落とすことができ、その結果精製金属の回収作業が簡単になる。
【００１９】
請求項３の発明による金属の精製装置は、請求項２の発明において、中空回転軸が、下端がるつぼの上端よりも上方に位置する筒状の上部構成部材と、上部構成部材の下端に継手装置により連結された筒状の下部構成部材とよりなり、下構成部材の下部に下拡がりテーパ状部が形成され、下部構成部材における上端寄りの部分の内側および下拡がりテーパ状部の下端部の内側に、それぞれヒータが配置されているものである。
請求項４の発明による金属の精製装置は、請求項３の発明において、上部構成部材および継手装置がそれぞれステンレス鋼で形成され、下部構成部材が黒鉛で形成されているものである。
請求項５の発明による金属の精製方法は、請求項１または２記載の装置を用いた金属の精製方法であって、中空回転軸におけるヒータが配置されている部分が溶融金属の液面に来るように、中空回転冷却体を溶融金属中に浸漬し、ヒータを発熱させつつ、冷却流体供給手段により中空回転冷却体の内部に冷却流体を供給しながら、中空回転冷却体の外周面に、溶融金属よりも純度の高い金属を晶出させるものである。
請求項６の発明による金属の精製方法は、請求項３または４記載の装置を用いた金属の精製方法であって、中空回転軸の下部構成部材の上端部におけるヒータが配置されている部分が溶融金属の液面に来るように、中空回転冷却体を溶融金属中に浸漬し、両ヒータを発熱させつつ、冷却流体供給手段により中空回転冷却体の内部に冷却流体を供給しながら、中空回転冷却体の外周面に、溶融金属よりも純度の高い金属を晶出させるものである。
請求項７の発明による金属の精製方法は、請求項５または６の発明において、精製すべき金属がアルミニウムであるものである。
請求項８の発明によるアルミニウムは、請求項５〜７のうちのいずれかに記載の方法により精製されたものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００２１】
図１はこの発明によるアルミニウムの精製装置の要部を示す。なお、以下の説明において、図１における図２および図３に示すものと同一物および同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００２２】
図１において、この発明によるアルミニウムの精製装置は、垂直中空回転軸(11)の下部構成部材(17)における上端寄りの部分の内側および下拡がりテーパ状部(18)の下端部の内側に、それぞれヒータ(1)(2)が全周にわたって配置されたものである。
【００２３】
このような精製装置を用いてアルミニウムの精製を行う場合、中空回転軸(11)の下部構成部材(17)の上端部におけるヒータ(1)が配置されている部分が溶融アルミニウム(S)の液面に来るように、中空回転冷却体(12)を溶融アルミニウム(S)中に浸漬する。ついで、両ヒータ(1)(2)に通電して発熱させつつ、図２および図３に示す装置の場合と同様な操作を行う。すると、下部部構成部材(17)内の上側のヒータ(1)の働きにより、下部構成部材(17)の外周面における液面近傍部分へのアルミニウムの晶出が阻止されるので、中空回転軸(11)および中空回転冷却体(12)に振れが発生したり、溶融アルミニウム(S)が飛散したりするのを防止することが可能になり、生産トラブルの発生を防止できる。また、中空回転軸(11)および中空回転冷却体(12)の振れや溶融アルミニウム(S)の飛散を防止することができるので、中空回転軸(11)および中空回転冷却体(12)の周速を速くすることができ、その結果中空回転冷却体(12)の回転により、凝固界面から液相中に排出された不純物を凝固界面から遠ざけて液相全体に分散させながら凝固を進めることができる。したがって、平衡偏析係数に近い値の偏析係数で支配されて凝固が進行し、中空回転冷却体(12)の周壁外周面に、短時間に、図２および図３に示す装置の場合よりも高純度のアルミニウム(A1)が晶出する。しかも、１回の精製作業における高純度アルミニウムの回収量が多くなって作業の能率が良くなる。
【００２４】
さらに、下部構成部材(17)内のテーパ状部(18)の内側のヒータ(2)の働きにより、下部構成部材(17)のテーパ状部(18)の外周面の下端部へのアルミニウムの晶出が阻止されるので、中空回転冷却体(12)の外周面に晶出した精製アルミニウム(A1)を掻き落とし装置によって掻き落とすことができ、その結果精製アルミニウムの回収作業が簡単になる。
【００２５】
上記においては、主にアルミニウムの精製の場合について説明したが、この発明による装置は、その他の共晶不純物を含む金属、たとえばケイ素の精製にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
この発明による金属の精製装置の要部を拡大して示す垂直断面図である。
【図２】
従来の金属の精製装置を示す垂直断面図である。
【図３】
図２の要部を拡大して示す垂直断面図である。
【符号の説明】
(1)：ヒータ
(2)：ヒータ
(10)：溶融金属保持るつぼ
(11)：中空回転軸
(12)：中空回転冷却体
(18)：下拡がりテーパ状部
(S)：溶融アルミニウム