住友金属鉱山共同研究ユニットにおける産学連携
打.

は じめ

越雅仁に

近年，資源ナショナリズムの高まり，鉱山の奥地化，環境問題など非鉄金属製錬産業を取り巻く環境は厳しさを増し，国際情勢は急激に変化しています．また，鉱石の品位低下や忌避不純物の増加など製錬に直接関わる課題も年々拡大しています．このような状況下で，海外メジャーと対峙し国際競争力を維持していくためには，資源開発や製錬事業における技術革新および優秀な技術者の育成が必要です．
一方で，資源開発や製錬を専門とする学部・講座・教授の数は減少を続け， 1993 年に比較して約 1 / 3 にまで減少してしまいました．このままでは，非鉄金属製錬技術者の枯渇が現実のものとなる恐れが出てきました．加えて企業間取引( BtoB )を主とする業態のため，一般への知名度が低く，就図1

共同研究部門と各機関との連携．(オンラインカラー)

職業界として積極的に選択する学生が少ないことも，優秀な人材確保の障害となっています．
このような状況を大きく転換させるため，東北大学多元物メンバー

福山博之教授(研究統括・兼任)

質科学研究所と住友金属鉱山株式会社は，一年をかけて構想村松淳司教授(兼任)を練り，国内非鉄金属製錬業の持続的発展のための共同研究

柴田浩幸教授(兼任)部門を2018年 4 月に開設することと致しました(図）．

打越雅仁准教授
井手上敦客員教授【目的】
.

日本の非鉄金属製錬業界全体の利益に資する共同研究テ

主な活動ーマの推進

次世代の非鉄金属製錬業界を担う人材育成



非鉄金属製錬業の社会への啓発活動

当部門は，次代を担う人材育成と業界全体の利益に資する共同研究を目的としています．
多元物質科学研究所内の金属資源プロセス研究センター，【共同研究部門概要】

東北大学大学院環境科学研究科，同工学研究科との密接な連部 門 名
設置期間

非鉄金属製錬環境科学研究部門

携をはかり，さらに他大学，他企業，各機関など，多くの方(住友金属鉱山共同研究ユニット)々のご協力をいただいて，目的を達成すべく，下記の活動を2018年 4 月～2023年 3 月(5 年間)展開しています．

東北大学多元物質科学研究所准教授(〒9808577 仙台市青葉区片平 211)
IndustryAcademia Cooperation by Sumitomo Metal Mining Collaborative Research Unit; Masahito Uchikoshi(Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials, Tohoku University, Sendai)
Keywords: collaborative research, nonferrous metallurgy, copper smelting, electrorefining, recovery of precious metals
2020年 4 月21日受理[doi:10.2320/materia.59.466]

特集【人材育成・非鉄金属製錬業の啓発活動】


非鉄金属製錬セミナー(工場見学)

特別講義「非鉄金属製錬環境科学特論」【共同研究テーマ】
各種スクラップなどの二次原料，工程内廃棄物を含めた多様な製錬原料に含有する有価金属の効率的分離回収に関する研究

非鉄金属製錬操業の先進化に関する研究

非鉄金属製錬中間物および廃棄物の有効利用と再資源化
図2に関する研究

忌避金属の用途開発に関する研究

第 2 回非鉄金属製錬セミナー(別子銅山記念館前)．(オンラインカラー)

本稿では，当研究部門でのこれまでの啓発活動と研究活動について紹介します．
リアル株式会社， JOGMEC ， JX 金属株式会社， DOWA メ

.


啓 発

活動

タルマイン株式会社から技術者をお招きしてご講演をしていただきました．

特別講義「非鉄金属製錬環境科学特論」

2019 年度は住友金属鉱山株式会社東予工場と三菱マテリ

非鉄金属製錬業に興味を持ってもらうために，工学研究科

アル株式会社直島製錬所を訪問し，技術者の講演，製錬所のマテリアル・開発系と環境科学研究科の協力のもと，大学院工場見学をさせていただきました(図)．

生を対象に，集中講義「非鉄金属製錬環境科学特論」( 1 単

参加した学生からは，次の感想が寄せられています．

位)を開講しております．



講義で学んだことが，大規模に行われているのを見学し

人事，現場，研究所などの様々な方と接する機会があ

2 社を見学して，銅製錬工程，会社の雰囲気など，企業て，スケールの大きさを実感した．

2019 年度の講義内容および担当講師は，表に示す通りです．製造現場に近い立場の企業の技術者を講師としてお招り，会社の雰囲気も良く分かった．

きし，広く実操業に関してご講義頂きます．講師陣には非鉄金属製錬を専門とする教授にも加わっていただき，熱力学，電気化学などを復習しながら，現場でどのように使うのか，についての講義を展開します．

それぞれの違いを感じた．


銅製錬を目的とはしているけれど，その過程で発生する一般的な講義に比較して，講義室で学んだ熱力学や電気化有害物質をどう処理するか，このような技術も必要なの学と，実操業における製錬工程の結びつきがイメージしやすいのが，具体例を多く盛り込んだ特別講義の特徴です．


だと感じた．


自分の後輩にも是非勧めたいセミナーであった．
学生参加者数は， 2018年度が 16名， 2019年度が 19名でし非鉄金属製錬セミナー(工場見学)た． 2018 年度参加学生のうち，非鉄金属製錬業界への就職

非鉄金属製錬各社のご協力をいただき，大学院生を対象に者数は 1 / 4 にのぼり，鉄鋼製錬業界へは 1 名が就職しまし

工場見学を主とする非鉄金属製錬セミナーを，部門発足以た．その他の業界への就職者にも非鉄金属製錬業に触れる機

来，毎年(計 2 回)開催しております．

会を作ることができて，大変良かったと考えております．

2018 年度は独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機

.

構 JOGMEC の金属資源技術研究所を訪問見学し，三菱マテ

表1

非鉄金属製錬環境科学特論講義内容．
講師

12345

非鉄金属製錬概論
選鉱とヒープリーチング
乾式製錬
湿式製錬
製錬事業実例
非鉄製錬プロセスを利用した金属リサイクルについて
浮遊選鉱基礎理論
熱力学基礎

小俣孝久
岡本秀征¶高橋純一¶
浅野 聡¶
佐野浩行†

78章‡

村松淳司
福山博之

東北大学，¶ 住友金属鉱山株式会社，† パンパシフィック・カッパー株式会社，‡ 三菱マテリアル株式会社

ま て り あ 第59巻 第 9 号(2020)
Materia Japan

活動共同研究ついて示します．現在の国内の銅製錬工程は，自溶炉による講 義 内 容

金田

究

図に銅製錬工程の概略と共同研究テーマ(下線で表示)に時限

6

研

マット熔錬，転炉を用いた造鍰，造銅により得られる粗銅から S，O を除去する酸化還元精製を行う精製炉を経て陽極銅を鋳造し，電解精製により金属性不純物を除去して，電解銅を得る工程からなっています．熔錬工程では，独自の三菱連続製銅法も実用化されています(1)．
共同研究部門では，各工程における課題，近年懸念が高まっている忌避金属の有効活用について解決を図るため，以下に示す研究テーマを設定し，共同研究を推進しております．



図3

銅製錬工程概略と共同研究テーマ(下線で表示)．(オンラインカラー)

図5
図4

マットの気泡への付着．(オンラインカラー)

自溶炉シャフト内で想定される反応系の例．(オンラインカラー)

次の研究テーマは懸垂マットの低減を目標に取り組んでいま【熔錬工程シャフト内反応機構】
自溶炉シャフト内の燃焼・衝突機構解析担当埜上洋教授

夏井俊悟助教す．


非接触法によるマット融体，スラグ融体の熱物性測定
担当福山博之教授

大塚誠准教授安達正芳助教1949年の Outokumpu 社による自溶炉の操業開始以来，導マット熔錬では，発生する SO2 ガスなどの気泡によるマ入した各製錬会社において，多くの改善がなされてきましット粒子の沈降阻害やスラグ中への持ち上げなども懸垂マッた．さらなる改善のためには，自溶炉シャフト内で起きていトの生成要因の一つです．マットの気泡への付着に関する研る反応を明確に理解することが必須です．

究がなされています(2)．

精鉱燃焼は，幅広い温度，酸素分圧下で，衝突などの機械的過程を含む不均一反応であり，シャフト内に急峻な温度勾

q＝gslag－gmatte－gmatte/slag(1)

D＝gslag－gmatte＋gmatte/slag(2)配と濃度勾配，反応物質の循環流を生じる非常に複雑な状態

q を拡張係数， D を浮遊係数とします． gmatte と gslag はそれを引き起こします．この状態を確実に記述するためには，高ぞれマット，スラグの表面張力， gmatte/slag はマット/スラグ度な燃焼モデル解析が必要です．図に想定される反応系の間の界面張力です． q ＞ 0 の時，スラグ中マットは気泡に膜例を示しますが，図示した例以外にも諸説あり，精鉱燃焼機として付着， D＞0 の時，マット粒子は気泡に付着して浮遊構の解明は不十分です．

します(図)．式( 1 )，( 2 )の定義から， gslag ， gmatte/slag がそこで，ガス気流中での精鉱燃焼試験による観察とシミュレーションを組み合わせた反応解析を行い，自溶炉の反応制御・機器設計の高度化につなげる基礎的知見を得ることを目小さく， gmatte が大きいほど，マットが気泡に吸着しづらいことが分かります．
熔融マット，スラグを改質して気泡による懸垂マットの低的として研究を進めます．

減を図るためには，より確かな表面張力，界面張力が必要で【熔錬工程懸垂マットの低減】

す．従来の静滴法は試料を基板に載せた状態で測定するた熔錬工程ではセトラー† 内において，溶融マット粒子がスめ，測定結果は基板の影響を受けます．近年開発された超高ラグに浮遊する懸垂マットによる銅ロスの課題があります．

温熱物性計測システム(PROSPECT)(3)(電磁浮遊)およびガ† セトラー銅自溶炉において，精鉱がシャフト内で燃焼して生成するスラグ融体とマット融体を比重差により分離する槽(図 3参照）．

スジェット浮遊により試料を浮遊させた状態で測定を行うため，試料と容器が非接触の状態を実現でき，より確かな表面張力の測定が期待されます．

特集鉄ケイ酸塩スラグの物性改善担当柴田浩幸教授

助永壮平准教授

2Fe3O4(s)＋S(in matte)＝6FeO(in slag)＋SO2(3)川西咲子助教図に示す高温界面その場観察法を用いて，Fe3O4 とマット

銅製錬における Fayalite 系スラグ† の粘性を耐火物寿命を界面での反応を観察し，反応を明らかにします．結果から，損なわない範囲で低く制御することで，懸垂マットの沈降を銅ロス低減の指針を提案します．

促し，機械的銅ロスの低減を図ります．銅鉱石にはフラック【未回収有価金属回収】

スとして使用できる CaO や MgO が脈石成分†† として含ま

れています．脈石成分を活用することで，効率の良いプロセ

未回収有価金属の効率的回収担当加納純也教授

石原真吾助教久志本築助教

銅製錬の原料には，銅鉱石の他，主に電化製品のスクラッスの実現を目指します(図)．
MgO をフラックス†††として使用するとスラグ粘性が低下プからなる二次原料も使用されています．電化製品の便利なするとの報告(4)がありますが，実操業では逆に粘性の上昇が機能実現のために，多くの有価金属が使われており，二次原観測されています．粘性に影響を与える要因として，スラグ料に含まれます．このような有価金属の一部は，自溶炉のス中の Fe イオンの酸化還元状態を仮定し，酸化還元状態が粘ラグ/煙灰，転炉のスラグ/煙灰などに分配するため，これら性や見掛けの液相線温度に及ぼす影響を明らかにすることをの副産物も有用な有価金属回収資源です．銅鉱石由来で，未目的に研究を行っています．

だ回収が不十分な有価金属もあります．

Fe イオンの酸化還元状態の測定には， X 線吸収分光やメ副産物のうち未回収有価金属が含まれる転炉煙灰に着目しスバウアー吸収分光などの最新分析法を活用することで，よて，効率的回収法の研究開発を行っています．選択的溶出実り確実な状態測定を行い，粘性との関係を明らかにします．

現のために粉砕による煙灰改質を施し，その後種々の溶媒にマグネタイトによる懸垂マット沈降阻害の改善よる抽出試験を重ね，回収・再利用のためのプロセスを開発担当柴田浩幸教授

します(図)．



川西咲子助教助永壮平准教授

自溶炉シャフト内で，酸素ポテンシャルが高い局所的領域

で生成すると考えられている Fe3O4 は，スラグ/マット界面銅電解液からの貴金属回収担当村松淳司教授

蟹江澄志教授

打越雅仁准教授に留まります．この Fe3O4 により懸垂マットの沈降が阻害

図に示すように，銅電解精製は銅の純度を上げると同時され，銅ロスの要因の一つとなっています．Fe3O4 の生成をに貴金属をアノードスライム†として，電解液の浄液により抑えることも重要ですが，Fe3O4 とマット界面での反応を明有価金属を回収する工程です．しかしながら，回収されるべらかにすることも重要な課題です．Fe3O4 とマット界面ではき一部の Ag が電気銅に含まれて出荷されています．銅生産

次の反応が予想されていますが，はっきりしたことは分かっ量(5)および2019年度の Ag の平均価格から推算すると，国内ていません．

では年間 4 億円相当の，世界では70億円相当の Ag が電気銅中に含まれて出荷されており，大きな経済的損失です．
電着前の Ag を含む電解液から Ag を回収するために適切な官能基を有するイオン液体を開発します．また，同じ機能を持つイオン交換樹脂による Ag 回収の効果についても研究しています．有効なイオン液体，イオン交換樹脂の開発により，液液抽出，固液抽出の 2 つのアプローチを可能にします．

図6

脈石成分を活用するスラグ粘性制御． (オンラインカラー)

図7

高温界面その場観察法の概略．(オンラインカラー)
図8† Fayalite 系スラグ主に Fe, Si, O(Fe2SiO4)からなるスラグ．
†† 脈石成分鉱床，鉱石中で製錬対象ではない成分．
††† フラックス乾式製錬において，融解や反応を促進するための添加剤．

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効率的溶出分離のための粉砕による煙灰改質．
(オンラインカラー)† アノードスライム銅電解製錬で，アノード溶解しない銅よりも貴な金属が電解槽底部に沈殿したもの．

表2

学会活動資源・素材 2018 (福岡)における企画
講演「非鉄金属製錬における産学連携の推進」．
講演題目

12345

図9

銅電解精製における Ag の電気銅への混入．(オン6ラインカラー)

講

非鉄製錬分野における産学連
携の過去，現在，未来
これからの産学連携のあり方と課題
東京大学との産学連携 1 期目の成果と 2 期目の展望
教育をベースとした産学連携の実践と社会人向け WEB 講
座の紹介
共同研究部門設立の背景と期
待共同研究部門発足と今年度の予定

表3

結城典夫(JX 金属株式会社)
宇田哲也(京都大学)

今村正樹(住友金属鉱山株式会社)
打越雅仁(東北大学)

学会活動資源・素材 2019 (京都)における企画
講演「非鉄金属製錬業における課題と解決に向けた取り組み」．
講

1 懸垂銅精鉱小塊の燃焼試験

As を含む機能性材料 Cu3AsO4 の可能性． (オンラインカラー)【忌避金属の有効利用】

2 鉄ケイ酸塩スラグの還元過程における表面張力変化

3 Cu2S 融体の非接触熱物性測定

忌避金属の有効利用に向けた機能性材料開発担当小俣孝久教授

鈴木一誓助教銅鉱石から Cu を製錬する際，多くの副産物も抽出されます．副産物の中には，Au や Ag のような有価金属もあれば，As ， Cd ， Hg などの環境負荷物質もあります．近年，銅鉱石中に含まれる Cu 品位は減少し，忌避金属である As の品位は増加を続けています．そこで， As を必要とする機能性材料を開発し，As の処理に関する問題の解決を目的に研究を行っています．
図に示した Cu3AsO4 は，類似化合物からの見積もりや第一原理計算の試算から，バンドギャップエネルギーが 1～者

中村 崇(福岡県リサイクル総合研究事業化センター)
岡部 徹(東京大学)

講演題目

図10

演

4 粉砕による銅製錬工程からの有価金属回収
5 陰イオン交換法による銅電解液からの銀の回収
6 アミノ基修飾機能性イオン液体を用いた貴金属元素の高効率かつ高選択的抽出/逆抽出
7 副産物の有効利用に向けた機能材料開発Enargite 型 Cu3As(S, O)4の太陽電池材料としてのポテンシ
ャル

演

者

洋1，西村伊織1，

埜上夏井俊悟1
助永壮平1，川西咲子1，打越雅仁1，石原真吾1，夏井俊悟1，大野光一郎2，
齊藤敬高2，中島邦彦2，
柴田浩幸1
安達正芳1，後藤宏基1，
大塚 誠1，高橋純一3，福山博之1
石原真吾1，打越雅仁1，加納純也1
打越雅仁1，渡邉寛人3，
浅野 聡3
蟹江澄志1，半澤直諭1，村松淳司1
鈴木一誓1，小俣孝久1，
大橋直樹4，渡邉寛人3，浅野 聡3

1 東北大学，2 九州大学，3 住友金属鉱山株式会社，4 物質・材料研究機構

1.5 eV と推測され，実用化されている Si や GaAs と同等のエネルギー効率を持つと期待されています．光吸収も強いと考えられ，太陽電池材料としての可能性を有しています．


学会活動

.

運営

産学連携の推進を図るために，また，上述した研究の成果共同研究部門として年間に計画しているイベントは次のよを発信するために，資源・素材学会を中心に学会での発表を積極的に行っております．これまでに表，に示す企画講うになります．

演を実施しました．また，掲載しておりませんが，資源・素

特別講義「非鉄金属製錬環境科学特論」

材学会 2019 年度春季大会でも，金属資源プロセス研究セン

非鉄金属製錬セミナー(工場見学)

ターと連携して，企画講演「希少金属元素の抽出と利用の最

資源・素材学会企画講演(春秋)前線」を企画しました．

企画検討会(秋)成果報告会(春)

今後も同様の企画により，研究成果の発信を行う方針です．

特別講義と非鉄金属製錬セミナーは，大学院生向けの啓発活

特集

動です．各非鉄金属製錬企業に講師の派遣，工場見学についてご協力を頂き，できるだけ多くの企業に触れてもらう機会貢献すべく，活動を展開していきます．
今後とも，ご指導，ご鞭撻のほど，宜しくお願い致します．

を学生に提供すべく活動しています．資源・素材学会の春の企画講演では，連携している金属資源プロセス研究センターでの成果を中心に，秋の企画講演では，共同研究の成果を中心に据える企画を検討しております．企画検討会では，業界団体，国内非鉄金属製錬企業をお招きして，共同研究テーマ※

共同研究部門では，ホームページを開設しております．研究部門の計画，活動について随時更新しておりますので，是非ご覧下さい．

http://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/nonferrous/の設定や，非鉄金属製錬業の啓発活動などについて，ご意見文を伺い，共同研究部門の方針に反映させます．

.

ま とめ共同研究部門の発足以来 2 年が経過し，本稿で紹介させて頂いた活動を展開してまいりました．関係する業界団体，非鉄金属製錬企業，他大学のお力添え無くしては，このような活動はなし得ませんでした．この場を借りて謝意を表しま( 1 ) 阿座上竹四，粟倉泰弘金属化学入門シリーズ 3 金属製錬工学，日本金属学会，(1999)，45, 151.
( 2 ) R. Minto and W. G. Davenport: Trans. Inst. Min. Metall. C,
81C(1972), C36C42.
( 3 ) http://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/fukuyama/prospect2/( 4 ) M. Kucharski, N. Stubina and J. Toguri: Can. Metall. Q., 28(1989), 7
11.
( 5 ) 鉱物資源マテリアルフロー2018．

す．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

特別講義「非鉄金属製錬環境科学特論」と非鉄金属製錬セミナー(工場見学)は，大学院生が就職先として非鉄金属製錬企業を検討する良いきっかけになっています．
共同研究では，これまでの成果により特許を 2 件出願しており，今後も国内非鉄金属製錬業に資する成果を発信するために，研究を積極的に展開，推進します．
活動をより充実したものとするために，今後も関係者の皆様との連携を絶やさず，国内非鉄金属製錬業の持続的発展に

ま て り あ 第59巻 第 9 号(2020)
Materia Japan

献

打越雅仁

2006年 東北大学大学院工学研究科博士後期課程修了
略歴
1997年10月ファインマテリアル株式会社研究員
2013年 4 月ハンガリーミシュコルツ大学客員研究員
2018年 4 月現職
専門分野金属生産工学，高純度材料学◎世界最高レベルの高純度鉄，高純度コバルト精製方法を開発，保持．湿式分離の基礎的知見である水溶液中金属錯体状態の解析，実用湿式工程の改善に従事．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

