平成28年度(第42回)
資源循環技術・システム表彰 レアメタルリサイクル賞
申請テーマ
使⽤済産業⽤モーターからの⾼性能レアアース磁⽯リサイクル技術開発

株式会社 東芝
平成28年10⽉14⽇© 2016 Toshiba Corporation

背景
【ニーズ】
●近年、家電、自動車をはじめとする様々な用途で高機能・高効率を実現するため、高性能レアアース磁石（代表元素:ネオジム（Ｎｄ）、ジスプロシウム（Ｄｙ））を内蔵したモーターを利用している。しかし、Ｎｄ、Ｄｙは海外からの輸入に依存しているため、価格変動のリスクはこれからも続く。 → リスク回避●磁石リサイクル市場としては、家電、自動車、産業用モーターがあるが、産業用モーターについては、何処も実施していない。 → 産業用モーター市場の開拓【市場規模の予定環境】●産業用モーターは、流通ルートの把握が容易で廃棄品の回収を適切に行える。
●産業用モーターの磁石発生量は家電、自動車と同等で業界全体で年間５０８トン(2015年)
産業用モータ廃磁石 年間発生量の割合（推定値）＠２０１５
鉄道用, 0.6%

分野毎の年間磁石発生量の割合（推定値）

家電(エアコン、洗濯機）@2018, 35%***自動車@2019, 22%

産業用モー
ター＠2015,43%

業務用エアコン, 23.6%

５０８トン/年

産業小中型
モータ,39.4%

大型巻上機
大型モータ,36.4%*：2009年に生産されたＨＶおよびＥＶが10年後に全て廃棄され、磁石量が１ｋｇ-磁石／台と仮定© 2016 Toshiba Corporation2

⽬的・⽬標【目的】
実施例のない産業用モーターリサイクルにおいて、代表的な産業用モーターを用いているエレベータ用モーターを対象とし、工程数，二次廃棄物を大幅削減可能な磁石リサイクルシステムを構築して、バージン材料を原料とした磁石と同等の性能を有するリサイクル磁石を製造する。これにより、産業用モーターリサイクルのモデル事業構築に資する。

【目標】
バージン材料から試作した磁石と同等の性能(>90%)*を持つリサイクル磁石の実現*残留磁束密度(Br)、最大エネルギー密度(BHmax)を比較評価© 2016 Toshiba Corporation3課題【高性能磁石取出し】●産業用モーター分解技術の確立。
●部品毎の分解に要する力（引抜力、押出力など）の把握。
●最適な減磁（または脱磁）方法の選定。
●対象となるエレベーター用モーターが重いため取扱いに注意が必要。専用の分解治具の開発。

【磁石リサイクル】●Nd/Dy電解回収技術の確立。
●溶融塩抽出工程の確立●溶融塩電解工程の確立© 2016 Toshiba Corporation4

成果： 分解＆Nd磁⽯取出プロセス
ブラケット

巻上機

Nd磁⽯
ロータ

軸受

シャフト

ブレーキ

巻上機外観図軸受

巻上機分解プロセス

軸受

軸受分解

ステータ

ロータ

ロータ抜き

ステータ

鉄⼼シャフト

エレベーター

巻上機断⾯図

シーブ
ステータ

鉄⼼分解

Nd磁⽯取出し© 2016 Toshiba Corporation5

成果： レアアース回収プロセス
溶融塩抽出

溶融塩電解MClx

抽出反応（⾦属Ndをイオン化溶解）
xNd(in magnet) + 3MClx= xNd3+ + 3xCl- + 3M
(M=Fe, Mg等)

⽤いる抽出剤の種類によりNd磁⽯からレアアースのみを溶解可能

抽出率 85％〜100％

析出反応(Ndイオンを⾦属として回収)
Nd3+ + 3e= Nd (Fe-Nd合⾦として)陰極に鉄を⽤いることでレアアース鉄液体合⾦となり取り出しが容易

電流効率 57％〜81％© 2016 Toshiba Corporation6

成果： 要素開発（脱磁⼯程）
目的（熱脱磁）① 鉄心から磁石を取り出しやすくする。
② 機器への張り付き防止（作業性劣化の防止）。
③ 不純物の吸着を防止する。
脱磁後の残留磁束密度は、磁力による鉄粉等の付着が生じない5 mT以下（交番減衰脱磁法と同等）とした。
NGOK

加熱炉

加熱温度：430℃

加熱時間：10分© 2016 Toshiba Corporation7

成果： 要素開発（分解⼯程１）
ブレーキ

シーブ

シーブ抜き治具

エレベーター⽤巻上機
軸受

軸受取外し

シーブ取外し引抜装置(油圧シリンダ)

シーブ側ブレケット取外し
ステータ

ロータ

ロータ取外しロータ

巻上機分解後© 2016 Toshiba Corporation

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成果： 要素開発（分解⼯程２）

ロータ装着前油圧シリンダ
鉄⼼鉄⼼シャフト
シャフト

鉄⼼分離装置鉄⼼

ロータを鉄⼼とシャフトに分解

鉄⼼とシャフトに分解© 2016 Toshiba Corporation

9成果： 要素開発（表⾯処理１）◆ブラスト試験 ブラスト処理対象に微細な砥粒を吹付けて表面を研磨する処理【⽬的】
加熱処理後の磁⽯は表⾯に酸化被膜を形成するとともに、磁⽯内部にもわずかに酸素を含む。
要因になるため、下記の酸素含有率を満たすブラスト処理条件を決定する。
【⽬標値】

比率[-]

混⼊した酸素は再⽣磁⽯の性能に対して阻害

加熱後磁石

酸素

深さ[μm]

酸素含有率 5000ppm以下・・・⼀般的な市販レアアース磁⽯の酸素含有量【⽅法】
ブラスト処理後の磁⽯に関して酸素含有量分析を実施
⽬標値を満たすブラスト条件を求める。
© 2016 Toshiba Corporation

10成果： 要素開発（表⾯処理２）
フィッシュボーン、C&E Matrixよりパラメータ抽出 → 各パラメータの主効果を確認
抽出パラメータの試験条件①時間: 30～150s（工程許容時間より、1ブラスト処理当たり150s以下が制約条件）②粒径: 20~100μm（標準品最少粒径20μm）③吹付圧: 0.2～0.4MPa（ブラスト装置の設定可能範囲）

設定
可能

設定
可能

30s

150s
設定可能

0.2MPa主効果より、どのパラメータも効果が見られる。

20μm

100μm

【望しい条件】
時間→ 最大化
粒径→ 最少化
吹付圧 → 最大化

0.4MPa

時間：150秒、粒径：20μm、吹付圧：0.4MPaの条件において、表面酸素含有量4500ppmを確認© 2016 Toshiba Corporation11

成果： 要素開発（表⾯処理３）

加熱処理後の鉄⼼とNd磁⽯

サンドブラスト装置
ブラスト処理前

ブラスト処理後

表⾯処理前後の使⽤済みNd磁⽯© 2016 Toshiba Corporation12

成果： 要素開発（溶融塩抽出⼯程）
抽出材の選定抽出材として、FeCl2とMgCl2を選択。両者とも抽出材として使⽤できることを確認。
本研究では、Dyにおける抽出性が⾼いFeCl2を選定した。
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成果： 要素開発（溶融塩抽出⼯程）
レアアース抽出試験

溶融塩：CaCl2
抽出材：FeCl2
温度：850℃
雰囲気：Ar

抽出率（％）

FeCl2

電気炉

レアアース抽出試験

抽出剤モル量/磁⽯中レアアースモル量

レアアースに対して3倍モル以上の抽出剤を添加することで、磁⽯からNdとDyだけを選択的に99.9％以上溶解できることを確認した。
© 2016 Toshiba Corporation14

RECl3濃度 (mol%)

陽極(C)
陽極(C)

陰極(Fe)
陰極(Fe)

溶融塩：CaCl2 – RECl3• 溶融塩: CaCl– REClx(RE2 =Nd, Dy)• 温度
温度: 850ºC：850℃• 電流密度：1〜3
電流密度: 1-3AAcm
cm-2-2：Ar• 雰囲気
雰囲気:Ar
溶融塩
溶融塩DyCl3濃度 (mol%)

成果： 要素開発（溶融塩電解⼯程）

時間 (min)

電解時の溶融塩中のレアアース濃度の経時変化

液体合金(RE-Fe)
液体合⾦(RE-Fe)

レアアース電解回収試験

回収したレアアース合⾦

抽出後の溶融塩を⽤いて、レアアース合⾦を回収できることを確認した。
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成果： スルー試験（Nd磁⽯取出し）分解装置
プレス機⽤油圧ポンプ

鉄⼼分離プレス機
ロータ受け台 300kN⽤

クレーン
ブレーキ

500kN⽤

多⽬的油圧プレス機
シーブ

分解時間 25分

分解⼯程
ステータ

ロータ

鉄⼼エレベーター⽤巻上機シャフト© 2016 Toshiba Corporation16

成果： スルー試験（Nd磁⽯取出し）加熱装置

サンドブラスト装置

加熱炉

サンドブラスト装置

加熱処理後の鉄⼼とNd磁⽯

加熱温度：430℃

加熱時間：10分

ブラスト処理前

ブラスト処理後

表⾯処理前後の使⽤済みNd磁⽯
処理時間:150秒 粒径:20μm 吹付圧⼒0.4MPa© 2016 Toshiba Corporation17

成果： スルー試験（Nd合⾦精製）
溶融塩電解装置© 2016 Toshiba Corporation

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成果： スルー試験（Nd合⾦精製）
溶融塩抽出

溶融塩抽出中抽出フランジ
るつぼ残渣

溶融塩:CaCl2=27.7Kg、NdCl3=2kg、DyCl3=0.5kg、PrCl3=0.5kg
溶融塩温度:850℃ 抽出剤:FeCl2=1.5kg Nd磁⽯:4.96kg

溶融塩電解陰極(純鉄)

陽極(⿊鉛)

溶融塩電解装置
電解電流:200〜300A

回収したレアアース鉄合⾦© 2016 Toshiba Corporation19

成果： Nd磁⽯試作
Nd-Fe-B 磁⽯の試作プロセス

溶解粗粉砕

ストリップキャスト：
厚さ 0.3mm
昭和電工

水素粉砕～１００μｍ

焼結

時効

１０００～１２００℃
真空度 10-5〜10-4Pa
焼結温度 1050℃（2時間）～６００℃
時効温度 500℃（3時間）

微粉砕ｼﾞｪｯﾄﾐﾙ ～数μｍ
粒径 6μm酸素濃度 1ppm以下

磁場成形※ 微粉砕から焼結まで
は非酸化プロセス

加工
着磁特性評価© 2016 Toshiba Corporation20

成果： スルー試験（Nd磁⽯性能評価）
焼結温度：1050℃
対バージン材
BHmax 対バージン比[kJ/m^3] 材比 Br
BHmax
225.2
268.8
110%
119%

焼結温度
[℃]

時効温度
[℃]

Br
[T]

bHc
[kA/m]

iHc[kA/m]

バージン材
リサイクル材

1050
1050

420
420

1.09
1.20

835887

1448
1503

バージン材
リサイクル材

1050
1050

460
460

1.19
1.16

866861

1369
1653

261.5
251.8

98%

96%

バージン材*
リサイクル材

1050
1050

500
500

1.15
1.22732
861

1153
1006

240
285.7

106%

119%

*: 15kgバッチ の結果、その他は5kgバッチの結果

残留磁束密度(Br)、最⼤エネルギー密度(BHmax)の⽐較評価
Br：リサイクル材はバージン材使⽤磁⽯の98〜110％
BHmax：リサイクル材はバージン材使⽤磁⽯の96〜119％
⽬標値の90％以上を達成

市販品と同等レベル磁⽯性能を実現※ 焼結および時効プロセスのそれぞれにおける保持時間、時効後の急冷速度などの因⼦の詳細設定により、さらなる向上が⾒込める。
© 2016 Toshiba Corporation21

事業化の⽅向①産業用モーターリサイクルは手付かず
家電や電気自動車モーターからのリサイクルは既に行われているが、産業用モーターは実施例がない②リサイクルシステム構築が容易
エレベーター用モーターは流通ルートが把握しやすく廃棄品の適切な回収が可能。
また、使用期間も決まっているためリサイク
ル量の把握も容易

エレベータ用モーターの場合④エレベータ製造
エレベーターオーナ

東芝エレベータ

エレベーター

東芝
磁石

廃棄エレベーター

取り纏め
③磁石製造
東芝マテリアル
／東北大学①分解・磁石取出②Nd,Dy分離回収
合金

東芝環境ソリューション

③家電に匹敵するネオジム磁石回収量
東芝が提案する産業用モーターのリサイクルフロー
1事業所あたりの年間ネオジ
ム磁石回収量(2020年)

エレベータ用モーター

エアコン
コンプレッサ7t以上
使用期間が決まっており、殆ど変動無し

4t
エアコン回収台数で変動
未だNd使用率は低い

東芝グループ内で回収-分解-磁石合金作製磁石再生を一貫して実施する
クローズドサイクルを実現→産業用モーターのリサイクルモデル事業を構築© 2016 Toshiba Corporation22

事業化の⽅向国内で生産されたNd磁石の37.5%が産業用モーター用途(2005年度)であるが、ほとんど手付かず

本提案でエレベーター用モーターのリサイクルモデルを示すことで、他の産業用モーターのリサイクルを加速し、Nd,Dyを安定確保（海外依存のリスク回避）
図. 日本国内におけるネオジム磁石の用途
白山, 岡部, 溶融塩および高温化学, Vol. 52, No. 2 (2009)より

本プロセスと従来プロセスの比較

本プロセス

従来プロセス

工程数

315

必要試薬量

15～10

廃棄物量

16

従来リサイクルシステムは技術的には可能であるが、工程数、二次廃棄物量の削減に課題

工程数、二次廃棄物量を削減可能な経済性、環境調和性の高いリサイクルシステムを実現© 2016 Toshiba Corporation23

今後の課題・事業化に向けたリスク【今後の課題】●使用済みレアアース磁石の回収ルートの構築
他社製の産業用モーターの確保が困難①産業用エレベーター用モーターは国内全体で35t/yの廃棄が見込めるがその回収ルートの構築に課題がある。
②同様に大型モーター、業務用エアコンはさらに廃棄量が多いと見込めるがその回収ルートの構築に課題がある。
【事業化に向けたリスク】●使用済みレアアース磁石量の確保
上記課題による事業化リスク（成長性）●レアアース原料の値下がりによるコストメリットの低下
中国産レアアース原料が高騰前に戻ったことによる再生レアアース原料の採算悪化①再生レアアース原料を磁石メーカーへの取引する場合のリスク●磁石製造に向けたリスク
レアアースの試作に成功したが、製造設備がなく、設備導入のリスク、または、同業他社へ委託する場合のリスク© 2016 Toshiba Corporation24

謝辞
本成果の一部は、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)
助成事業「使用済みモーターからの高性能レアアース磁石リサイクル技術開発」(平成25年度～平成26年度)によるものです。

© 2016 Toshiba Corporation25