JP7638717B2

JP7638717B2 - 不純物除去方法及び鋳塊の製造方法

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Publication number: JP7638717B2
Application number: JP2021016506A
Authority: JP
Inventors: 康平小森; 勝弘山口
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Filing date: 2021-02-04
Publication date: 2025-03-04
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Description

本発明は、不純物除去方法及び鋳塊の製造方法に関する。

近年、炭酸ガス排出抑制の社会的要求から、自動車等の軽量化が世界中で進められており、今後アルミニウムの需要は増加すると見込まれる。そのため、将来的には需要増に併せてアルミニウムスクラップの排出量が増加すると予想される。一般に、アルミニウムはリサイクル性に優れた金属材料とされている。アルミ缶を始めとするアルミニウム展伸材からなる多くのアルミニウム製品は、廃却後再溶融されて新しい製品へリサイクルされる。しかしながら、廃却後のアルミニウム製品には不純物が付着しており、リサイクルを繰り返すことで不純物元素の濃度が次第に増加する。そのため、廃却後のアルミニウム製品は、より成分規格の緩い製品へカスケードリサイクルされることが一般的である。

アルミニウムへの不純物の混入を抑制する技術として、シュレッディング後の分別技術の高度化が図られている。しかし、付着物の完全除去は困難であることから、最終的にはアルミニウム又はアルミニウム合金溶湯からの不純物除去技術が必要となる。

アルミニウム又はアルミニウム合金溶湯から不純物を除去する技術については多く報告されており、特に除去困難なＦｅを除去する技術として、不純物となるＭｎを敢えて添加してＡｌ－Ｆｅ－Ｍｎ系金属間化合物を晶出させた後に、遠心分離、吸引等により上記金属間化合物を除去する技術が提案されている（特開平８－３５０２１号公報、特開平７－７０６６６号公報参照）。

また、アルミニウム又はアルミニウム合金溶湯における不純物濃度を低減する技術として、アルミ地金を製造する工程で三層式電解精製法や偏析法を用いる技術が開示されている（まてりあ、Ｖｏｌ．３３（１９９４）、Ｎｏ．１参照）。

さらに、不純物を含むアルミニウム又はアルミニウム合金溶湯中にＭｇ又はＭｇ合金を添加したうえで、この溶湯を金属間化合物のみが晶出する温度まで冷却し、溶湯中に不純物を含む金属間化合物を晶出させてこの金属間化合物を溶湯から分離する方法も提案されている（特開２０１９－１８３２６５号公報参照）。

特開平８－３５０２１号公報特開平７－７０６６６号公報特開２０１９－１８３２６５号公報

近藤ら、まてりあ、１９９４、Ｖｏｌ．３３、Ｎｏ．１、６２－６８

しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載された技術では、添加したＭｎが不純物として増加するおそれがある。また、非特許文献１に記載された技術は、原理的にＦｅを除去することは可能であるが、不純物元素を多く含むスクラップを精錬する方法としては歩留まりが低くなるおそれがある。また、三層式電解精製法は電力コストの高い地域では採算性が悪く、偏析法は原料の不純物濃度が高いほど収率が低下するおそれがある。このように、上記従来技術は、市中から回収した不純物を多く含むアルミニウムスクラップをリサイクルする方法としては十分ではない。

なお、特許文献３に記載された技術によると、アルミニウムの展伸材から展伸材への水平リサイクルを一定程度実現可能である。但し、本発明者等が鋭意検討したところ、特許文献３に記載されている技術については、不純物の除去効率等についてさらなる改善の余地があることが分かった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、アルミニウム又はアルミニウム合金中に混入し、除去が困難とされている不純物を効率よく除去できる不純物除去方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、不純物を含むアルミニウム又はアルミニウム合金溶湯に、ＪＩＳ－Ａ５０００系のアルミニウム合金等で必須元素であるＭｇを混合したうえで、固相アルミニウムと不純物を含む金属間化合物とを上記溶湯中で又は上記溶湯から分離することによって不純物を効率的に除去できることを見出し、本発明を完成させた。

本発明の一態様に係る不純物除去方法は、アルミニウム又はアルミニウム合金と不純物とを含む溶湯に、Ｍｇ又はＭｇ合金を混合する工程と、上記混合工程後の溶湯の温度を固液共存温度域内に保持する工程と、上記保持工程で生成された固相アルミニウムと上記不純物を含む金属間化合物とを上記固液共存温度域において上記溶湯中で又は上記溶湯から分離する工程とを備え、上記分離工程で、上記溶湯を攪拌又は圧搾する。

本発明の一態様に係る不純物除去方法は、アルミニウム又はアルミニウム合金中に混入し、除去が困難な不純物を効率よく溶湯から除去することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る不純物除去方法を示すフロー図である。図２は、図１の不純物除去方法の分離工程における攪拌手順の一例を示す模式的断面図である。図３は、図１の不純物除去方法の分離工程における圧搾手順の一例を示す模式的断面図である。図４は、本発明の一実施形態に係る鋳塊の製造方法を示すフロー図である。

［本発明の実施形態の説明］
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。

当該不純物除去方法は、上記分離工程で、上記溶湯を固液共存温度域内で攪拌又は圧搾することによって、固相アルミニウムと不純物を含む金属間化合物とを上記溶湯中で又は上記溶湯から効率的に分離することができる。従って、当該不純物除去方法によると、アルミニウム又はアルミニウム合金中に混入し、除去が困難な不純物を効率よく除去することができる。

上記混合工程後の上記溶湯におけるＭｇの含有量としては、５質量％以上が好ましい。このように、上記混合工程後の上記溶湯におけるＭｇの含有量が上記下限以上であることによって、上記溶湯中に上記金属間化合物を容易かつ効率的に生成することができる。

上記分離工程で、上記固相アルミニウム及び上記金属間化合物を上記溶湯中に偏在させるとよい。このように、上記分離工程で、上記固相アルミニウム及び上記金属間化合物を上記溶湯中に偏在させることによって、上記不純物を容易に除去することができる。

上記固相アルミニウムがα－アルミニウムデンドライトを含んでおり、上記分離工程で、上記α－アルミニウムデンドライトを破壊するとよい。このように、上記固相アルミニウムがα－アルミニウムデンドライトを含んでおり、上記分離工程で、上記α－アルミニウムデンドライトを破壊することによって、上記金属間化合物を上記溶湯中で容易に分離することができる。

本発明の他の一実施形態に係る鋳塊の製造方法は、アルミニウム又はアルミニウム合金と不純物とを含む溶湯に、Ｍｇ又はＭｇ合金を混合する工程と、上記混合工程後の溶湯の温度を固液共存温度域内に保持する工程と、上記保持工程で生成された固相アルミニウムと上記不純物を含む金属間化合物とを上記固液共存温度域において上記溶湯中で又は上記溶湯から分離する工程と、上記分離工程後に、上記溶湯を凝固させる工程とを備え、上記分離工程で、上記溶湯を攪拌又は圧搾する。

当該鋳塊の製造方法は、上記分離工程で固相アルミニウムと不純物を含む金属間化合物とを上記溶湯中で効率的に分離することで、得られる鋳塊から不純物を容易に除去することができる。また、当該鋳塊の製造方法は、上記分離工程で固相アルミニウムと不純物を含む金属間化合物とを上記溶湯中から効率的に分離することで、不純物の含有量が低減された鋳塊を製造することができる。

なお、本発明において、「固液共存温度」とは、液相線温度未満で、かつ固相線温度以上の温度を意味する。つまり、本発明において、「固液共存温度」とは、固相アルミニウム（α－アルミニウム）と液相アルミニウムとが共存している温度である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳説する。

［不純物除去方法］
当該不純物除去方法は、アルミニウム又はアルミニウム合金に混入し、除去が困難な不純物を、ＪＩＳ－Ａ５０００系の必須元素であるＭｇ（マグネシウム）を用いて除去することができる。当該不純物除去方法は、アルミニウムのリサイクル過程で除去が困難な金属元素等の不純物を除去することができる。当該不純物除去方法は、ＪＩＳ－Ａ５０００系のアルミニウム合金等で必須元素であるＭｇを溶湯中に含有させることで不純物の金属間化合物化を促し、生成された金属間化合物を分離することにより、不純物の除去を行うことができる。当該不純物除去方法は、上記金属間化合物を生成させるために、さらなる不純物を添加することを要しない。また、当該不純物除去方法は、後述する分離工程Ｓ３を備えるので、Ｍｇの添加量を比較的低く抑えることができる。

当該不純物除去方法は、図１に示すように、アルミニウム又はアルミニウム合金と不純物とを含む溶湯に、Ｍｇ又はＭｇ合金を混合する工程（混合工程Ｓ１）と、混合工程Ｓ１後の溶湯の温度を固液共存温度域内に保持する工程（保持工程Ｓ２）と、保持工程Ｓ２で生成された固相アルミニウムと不純物を含む金属間化合物とを上記固液共存温度域において上記溶湯中で又は上記溶湯から分離する工程（分離工程Ｓ３）とを備える。当該不純物除去方法は、分離工程Ｓ３で、上記溶湯を攪拌又は圧搾する。

〔不純物〕
上記不純物としては、（１）Ｆｅ（鉄）、及び（２）Ｍｎ（マンガン）、Ｃｏ（コバルト）、Ｔｉ（チタン）、Ｖ（バナジウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｃｒ（クロム）のいずれか一方又は両方が挙げられる。上記不純物としては、上記（１）及び上記（２）に含まれる１種又は２種以上の任意の元素を含んでいてよい。上記不純物としてＦｅを含む場合、分離工程Ｓ３で分離される上記金属間化合物はアルミニウム及びＦｅを含有する。上記不純物としてＭｎ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｃｒ又はこれらの組み合わせを含む場合、分離工程Ｓ３で分離される上記金属間化合物はアルミニウムと、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｃｒ又はこれらの組み合わせとを含有すると考えられる。

〔Ｆｅ〕
Ｆｅは、アルミニウム又はアルミニウム合金を含む溶湯中の不純物元素として最も混入しやすく、かつ除去が困難な元素である。Ｆｅは、締結部品、シュレッダー機等から容易に混入する。一方、アルミニウムは酸化しやすい元素であり、鉄鋼業における転炉のような酸化精錬ができないため、Ｆｅの除去は困難とされている。当該不純物除去方法は、アルミニウム及びＭｇを含む溶湯（Ａｌ－Ｍｇ系溶湯）からＦｅを効率よく除去することができるので、アルミニウムの展伸材から展伸材への水平リサイクルを容易に実現できる。

〔Ｍｎ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｃｒ又はこれらの組み合わせ〕
Ｍｎ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ及びＣｒは、アルミニウム合金の添加元素や、結晶粒微細化材、地金等に含まれる元素として混入する。また、Ｃｏは、電池に含まれる元素であり、スクラップから混入され得る。当該不純物除去方法によると、上記不純物としてＭｎ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｃｒ又はこれらの組み合わせが含まれる場合、保持工程Ｓ２によって、アルミニウムと、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｃｒ又はこれらの組み合わせとを含有する金属間化合物を容易に生成することができると考えられる。さらに、当該不純物除去方法によると、分離工程Ｓ３で、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｃｒ又はこれらの組み合わせを含む不純物をＡｌ－Ｍｇ系溶湯から効率よく除去することができると考えられる。

（混合工程）
混合工程Ｓ１では、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金と上記不純物とを含む溶湯にＭｇ又はＭｇ合金を添加する。より詳しくは、混合工程Ｓ１では、アルミニウムスクラップを溶解した溶湯にＭｇ又はＭｇ合金を添加する。

Ｍｇは、ＪＩＳ－Ａ５０００系のアルミニウム合金等における必須元素である。アルミニウム又はアルミニウム合金を含む溶湯がＭｇを適度に含有することで、Ａｌ－Ｍｇ系溶湯中での上記不純物を含む金属間化合物の生成が促進される。当該不純物除去方法によると、従来行われていたような、金属間化合物を生成させるために敢えて不要な不純物を混入することを要しない。すなわち、混合工程Ｓ１では、上記溶湯にＭｇ又はＭｇ合金以外の成分は混合しなくてよい。また、Ｍｇは不純物ではないため、当該不純物除去方法では、Ｍｇを除去するための工程を必要としない。そのため、当該不純物除去方法では、例えば上記不純物が除去された後の溶湯を必要に応じて希釈してアルミニウムリサイクルに供することができる。なお、上記不純物が除去された後の溶湯の希釈手順（希釈工程）については後述する。混合工程Ｓ１で混合するＭｇ合金としては、例えばＪＩＳ－ＭＣ５、ＪＩＳ－ＭＤＣ２Ａ等が挙げられる。

混合工程Ｓ１でＭｇ又はＭｇ合金を混合する効果としては、例えば以下の（ａ）～（ｃ）が挙げられる。
（ａ）液相線温度が下がることで上記溶湯を低温で保持でき、金属間化合物の生成が促進される。
（ｂ）Ｍｇが不純物元素の活量を増加させることで、金属間化合物の生成が促進される。
（ｃ）Ｍｇが直接不純物元素と反応して金属間化合物を生成する。

例えば上記不純物としてＦｅを含む場合、Ｆｅの除去は上記（ａ）及び（ｂ）の効果によって促進されると推測される。Ｆｅ以外の不純物については、上記（ａ）から（ｃ）のいずれかの効果又は（ａ）から（ｃ）の効果の組み合わせによって、金属間化合物の生成を促進させ、この金属間化合物を上記溶湯から効率的に除去することができると推測される。

混合工程Ｓ１後の上記溶湯におけるＭｇの含有量の下限としては、５質量％が好ましく、８質量％がより好ましく、１０質量％がさらに好ましい。Ｍｇの含有量が上記下限に満たないと、液相線温度を十分に下げることができないおそれがある。一方、混合工程Ｓ１後の上記溶湯におけるＭｇの含有量の上限としては、特に限定されないが、後述の希釈工程における希釈量が増え、アルミニウムのリサイクルに要するコストが増加することを抑える観点から、例えば３０質量％が好ましく、２０質量％がより好ましく、１５質量％がさらに好ましい。

（保持工程）
保持工程Ｓ２では、混合工程Ｓ１後の溶湯を固液共存状態で保持する。当該不純物除去方法は、保持工程Ｓ２で、上記溶湯を固液共存状態で保持することで、後述の分離工程Ｓ３で上記不純物を含む金属間化合物を十分に分離することができる。当該不純物除去方法は、上記溶湯を固液共存状態で保持すればよいので、上記溶湯中におけるＭｇの含有量を比較的小さくすることができ、上記不純物が除去された後の溶湯を希釈する際のアルミニウム地金（工業用純アルミニウム、Ｍｇ濃度の低いアルミスクラップ等）の添加量を低減することができる。

保持工程Ｓ２では、混合工程Ｓ１後の溶湯の温度を固液共存温度域内で保持することで、この溶湯中に含まれる不純物を金属間化合物として生成させる。一方で、混合工程Ｓ１後の溶湯の温度を固液共存温度域内で保持すると、上記金属間化合物と共に固相アルミニウムが生成する。この固相アルミニウムの初晶はデンドライト形態を呈する。上記固相アルミニウムの凝固は、α－アルミニウムデンドライトの生成として進行する。このα－アルミニウムデンドライトは高純度である。このα－アルミニウムデンドライトは粒状に成長する。すなわち、上記固相アルミニウムは、α－アルミニウムデンドライト及びα－アルミニウムデンドライトが成長した粒状体を含んでいる。上記固相アルミニウムに占めるα－アルミニウムデンドライト及び上記粒状体の合計含有割合は非常に大きい。上記金属間化合物は、固液界面近傍で生成し、α－アルミニウムデンドライト間の隙間（α－アルミニウムデンドライトの樹間）に捕捉される。また、上記金属間化合物は、α－アルミニウムデンドライトが成長する過程で上記粒状体の内部に取り込まれる。

保持工程Ｓ２では、混合工程Ｓ１後の溶湯を、液相線温度未満でかつ固相線温度以上の温度域に冷却する。上記溶湯におけるＭｇの含有量［質量％］をＣとした場合、保持工程Ｓ２における上記溶湯の保持温度Ｔ［℃］の下限としては、例えばＣ≦１９の場合であれば、Ｔ≧－１０．８Ｃ＋６６０とすることができ、Ｃ＞１９の場合であれば、Ｔ≧４５０とすることができる。一方、保持工程Ｓ２における上記溶湯の保持温度Ｔ［℃］の上限としては、Ｔ＜－５．９Ｃ＋６６０（但し、Ｃ≦３５の場合）とすることができる。

保持工程Ｓ２では、混合工程Ｓ１後の溶湯を、液相率が６０％以上となる固液共存温度域に保持することが好ましい。具体的には、保持工程Ｓ２における上記溶湯の保持温度Ｔ［℃］としては、Ｔ≧－７．３Ｃ＋６６０（但し、Ｃ≦３５の場合）が好ましい。上記液相率が上記下限に満たないと、固相率が大きくなり過ぎて分離工程Ｓ３において上記溶湯を攪拌又は圧搾し難くなるおそれがある。

（分離工程）
分離工程Ｓ３では、上記金属間化合物を上記固相アルミニウムと共に（上記固相アルミニウムとまとめて）、上記溶湯中で又は上記溶湯から分離する。

分離工程Ｓ３では、保持工程Ｓ２で固液共存温度域に保持されている溶湯を攪拌又は圧搾する。分離工程Ｓ３では、上記溶湯が固液共存温度域に保持された後にこの溶湯を攪拌又は圧搾してもよく、上記溶湯が固液共存温度に到達する前からこの溶湯の攪拌又は圧搾操作を開始してもよい。

分離工程Ｓ３では、保持工程Ｓ２で生成された上記固相アルミニウム及び上記不純物を含む金属間化合物を上記溶湯中に偏在させることが好ましい。当該不純物除去方法は、例えば炉内に貯留されている上記溶湯を攪拌又は圧搾することで、上記固相アルミニウム及び上記金属間化合物を上記溶湯中に偏在させることができる。この構成によると、上記不純物を容易に除去することができる。

分離工程Ｓ３では、上記固相アルミニウムに含まれるα－アルミニウムデンドライトを破壊することが好ましい。上述のように、上記不純物を含む金属間化合物は、固液共存温度域においてα－アルミニウムデンドライト間の隙間に捕捉されている。そのため、分離工程Ｓ３で、α－アルミニウムデンドライトを破壊することで、上記金属間化合物をα－アルミニウムデンドライト間から解放することができる。通常この金属間化合物は、アルミニウム溶湯（液相アルミニウム）よりも比重が大きいため、α－アルミニウムデンドライトを破壊することで、上記金属間化合物を上記溶湯の底部側に容易に分離することができる。

また、分離工程Ｓ３では、α－アルミニウムデンドライトと共に、上記固相アルミニウムに含まれる上述の粒状体を破壊することが好ましい。上述のように、上記金属間化合物は、α－アルミニウムデンドライトが成長する過程で上記粒状体の内部に取り込まれる。そのため、分離工程Ｓ３で、上記粒状体を破壊することで、上記粒状体の内部に取り込まれた上記金属間化合物を上記粒状体から容易かつ確実に解放することができる。

以下、分離工程Ｓ３で上記溶湯を攪拌する手順と圧搾する手順とのそれぞれについて説明する。なお、分離工程Ｓ３では、上記攪拌及び上記圧搾のいずれか一方のみを行えばよいが、上記攪拌と上記圧搾との両方を行うことを排除するものではない。

〔攪拌手順〕
分離工程Ｓ３で上記溶湯を攪拌する場合、例えば図２に示すように、固液共存温度域で炉Ｙ内に保持された溶湯Ｘを撹拌機１０によって攪拌する。攪拌手段としては、α－アルミニウムデンドライトＤを破壊できる程度の攪拌力が得られる限り特に限定されるものではなく、例えば棒や攪拌翼を用いた機械的攪拌、スターラを用いた電磁攪拌、不活性ガスを吹き込むことによる攪拌等が挙げられる（図２では、攪拌翼を用いた機械的攪拌を図示している）。

分離工程Ｓ３で溶湯Ｘを攪拌することで、α－アルミニウムデンドライトＤや上述の粒状体を破壊し、α－アルミニウムデンドライトＤの隙間に捕捉され、又は上記粒状体の内部に取り込まれている不純物を含む金属間化合物Ｉを解放することができる。金属間化合物Ｉとしては、例えば上記不純物がＦｅである場合にはＡｌ_３Ｆｅ、上記不純物がＭｎである場合にはＡｌ_６Ｍｎ、上記不純物がＣｏである場合にはＡｌ_３Ｃｏ、上記不純物がＴｉである場合にはＡｌ_３Ｔｉ、上記不純物がＶである場合にはＡｌ_３Ｖ、上記不純物がＺｒである場合にはＡｌ_３Ｚｒ、上記不純物がＣｒである場合にはＡｌ_７Ｃｒが挙げられる。これらの金属間化合物は、液相アルミニウムよりも比重が大きいため、攪拌後に溶湯Ｘを静置することで、α－アルミニウムデンドライトＤや上記粒状体と共に溶湯Ｘの底部に沈降する。これにより、金属間化合物Ｉをα－アルミニウムデンドライトＤ及び上記粒状体と共に溶湯Ｘの底部に偏在させることができる。なお、上記攪拌後の静置は、溶湯Ｘの温度を固液共存温度域内に保持した状態で行うことが好ましい。また、上記攪拌後の静置は、溶湯Ｘの温度を固液共存温度域内で、かつ上記攪拌時の温度以下に保持するように行うことがより好ましい。

〔圧搾手順〕
分離工程Ｓ３で上記溶湯を圧搾する場合、例えば図３に示すように、固液共存温度域で炉Ｙ内に保持された溶湯Ｘを液面側から圧搾板２０で押圧する。圧搾板２０としては、例えば板厚方向に溶湯Ｘを通過可能な複数の孔（不図示）を有するものを用いることができる。

分離工程Ｓ３で溶湯Ｘを圧搾することで、α－アルミニウムデンドライトＤや上述の粒状体を破壊し、α－アルミニウムデンドライトＤの隙間に捕捉され、又は上記粒状体の内部に取り込まれている不純物を含む金属間化合物Ｉを解放しつつ、金属間化合物Ｉをα－アルミニウムデンドライトＤや上記粒状体と共に溶湯Ｘの底部に偏在させることができる。その結果、金属間化合物Ｉをα－アルミニウムデンドライトＤ及び上記粒状体と共に炉Ｙの底部側で押し固めることができる。

なお、分離工程Ｓ３で溶湯を圧搾する方法としては、図３に記載した以外の方法を用いることも可能である。例えば分離工程Ｓ３では、上記溶湯を液面側から圧搾することで、上記金属間化合物及びα－アルミニウムデンドライトを炉内に残しつつ、液相アルミニウムを炉外に排出する構成を採用することも可能である。

（希釈工程）
分離工程Ｓ３によって不純物が分離され、さらにこの不純物が除去された後の溶湯は、希釈してアルミニウムのリサイクルに供することができる。より詳しくは、分離工程Ｓ３で不純物を分離した後に回収された液相アルミニウムは、希釈することでアルミニウムのリサイクルに供することができる。上述の混合工程Ｓ１、保持工程Ｓ２及び分離工程Ｓ３に、希釈工程を加えたアルミニウムのリサイクル方法は、本発明の一実施形態である。上記希釈工程では、分離工程Ｓ３を経て上記不純物が除去された溶湯を、工業用純アルミニウム又はＭｇ濃度の低いアルミスクラップ（例えばＪＩＳ－Ａ１０００系）と混合して、ＪＩＳで規定されるＡ５０００系（Ａｌ－Ｍｇ系合金）のＭｇ基準濃度まで希釈する。

上記希釈工程では、混合工程Ｓ１で添加されたＭｇを含有する溶湯のＭｇ濃度をＪＩＳ－Ａ５０００系の基準濃度以下に希釈する。Ｍｇは不純物ではないため、溶湯から除去することを要しない。当該アルミニウムのリサイクル方法は、上記希釈工程によってＭｇの濃度を低くすることで、希釈後の溶湯をアルミニウム製品に用いることができる。また、上記希釈工程では、比較的高濃度のＭｇを含有する溶湯を真空下で保持することで蒸気圧の大きいＭｇを蒸発させ、溶湯におけるＭｇの濃度を低くすることも可能である。さらに、上記希釈工程では、溶湯に塩素を吹き込む方法や、フラックスを用いることでＭｇを除去することも可能である。

なお、分離工程Ｓ３後における溶湯は、上記希釈工程を経ずに再利用に供することも可能である。例えば上記溶湯は、不純物の除去後に凝固させ、再生地金として活用してもよく、金属間化合物Ｉを偏在させた状態で凝固させ、不純物の濃度が高い部分を選択的に切り落として再生地金として活用してもよい。また、上記再生地金を活用する過程で必要に応じて溶湯を希釈してもよい。さらに、分離工程Ｓ３後における溶湯は、吸引等で分離回収することや、鋳型等で固めることでＭｇ中間合金として使用することも可能である。

加えて、分離工程Ｓ３後に得られた鋳塊等から不純物濃度の高い部分を分離した後に、この不純物濃度の高い部分に対して、再度当該不純物除去方法を実施してもよい。この構成によると、この不純物濃度の高い部分を当該不純物除去方法によって精錬することができる。この際、当該不純物除去方法を行うに当たっては、新たにアルミニウムスクラップ等を追加してもよい。これらの構成によっても、歩留まりを向上することができる。

＜利点＞
当該不純物除去方法は、分離工程Ｓ３で溶湯Ｘを固液共存温度域内において攪拌又は圧搾することによって、α－アルミニウムデンドライトＤ等の固相アルミニウムと金属間化合物Ｉとを溶湯Ｘ中で又は溶湯Ｘから効率的に分離することができる。より詳しく説明すると、固液共存温度域内において、溶湯Ｘには固相アルミニウム（α－アルミニウム）、液相アルミニウム及び金属間化合物Ｉが略均一に分散している。この状態において、金属間化合物Ｉは、α－アルミニウムデンドライト間の隙間に捕捉され、又は上述の粒状体の内部に取り込まれており、除去が困難である。これに対し、当該不純物除去方法は、分離工程Ｓ３でα－アルミニウムデンドライトＤ及び上記粒状体を破壊することで、金属間化合物Ｉをα－アルミニウムデンドライトＤ及び上記粒状体と共に溶湯Ｘ中で又は溶湯Ｘから効率的に分離することができる。従って、当該不純物除去方法によると、アルミニウム又はアルミニウム合金中に混入し、除去が困難な不純物を効率よく除去することができる。

当該不純物除去方法は、ＪＩＳ－Ａ５０００系のアルミニウム合金等で必須の元素であるＭｇを溶湯Ｘに含有させて上記不純物の金属間化合物化を促し、生成された金属間化合物Ｉを分離することにより、上記不純物を除去する。当該不純物除去方法は、従来行われていたような、金属間化合物Ｉを生成させるために敢えて不要な不純物を混入する必要がなく、かつ歩留まりも向上できる。

当該不純物除去方法によると、アルミニウムのリサイクル過程で除去が困難とされている金属元素を効率よく除去することができるので、アルミニウム展伸材からアルミニウム展伸材への水平リサイクルを実現することができる。

当該不純物除去方法は、混合工程Ｓ１で、アルミニウム又はアルミニウム合金と不純物とを含む溶湯に、Ｍｇ又はＭｇ合金を混合するものである。一方で、混合工程Ｓ１では、アルミニウム又はアルミニウム合金と不純物とを含む溶湯に、ＪＩＳ－Ａ２０００系合金の必須元素であるＣｕ又はＪＩＳ－Ａ７０００系合金の必須元素であるＺｎを混合することでも、上記と同様にして分離工程Ｓ３で固相アルミニウムと不純物を含む金属間化合物とを上記溶湯中で又は上記溶湯から分離できると考えられる。また、混合工程Ｓ１では、Ｍｇ又はＭｇ合金、Ｃｕ又はＣｕ合金、若しくはＺｎ又はＺｎ合金を単独で混合してもよく、任意の組み合わせで混合してもよいと考えられる。

［鋳塊の製造方法］
次に、当該不純物除去方法を用いた鋳塊の製造方法について説明する。当該鋳塊の製造方法は、図４に示すように、アルミニウム又はアルミニウム合金と不純物とを含む溶湯に、Ｍｇ又はＭｇ合金を混合する工程（混合工程Ｓ１）と、混合工程Ｓ１後の溶湯の温度を固液共存温度域内に保持する工程（保持工程Ｓ２）と、保持工程Ｓ２で生成された固相アルミニウムと上記不純物を含む金属間化合物とを上記固液共存温度域において上記溶湯中で又は上記溶湯から分離する工程（分離工程Ｓ３）と、分離工程Ｓ３後に、上記溶湯を凝固させる工程（凝固工程Ｓ４）とを備える。当該鋳塊の製造方法は、分離工程Ｓ３で、上記溶湯を攪拌又は圧搾する。当該鋳塊の製造方法における混合工程Ｓ１、保持工程Ｓ２及び分離工程Ｓ３は、図１の不純物除去方法における混合工程Ｓ１、保持工程Ｓ２及び分離工程Ｓ３と同様の手順で行うことができる。そのため、混合工程Ｓ１、保持工程Ｓ２及び分離工程Ｓ３についての説明は省略する。

（凝固工程）
凝固工程Ｓ４は、分離工程Ｓ３を経て不純物が除去された後の溶湯を凝固させてもよく、分離工程Ｓ３によって不純物が偏在している溶湯を凝固させてもよい。また、凝固工程Ｓ４では、分離工程Ｓ３後に希釈された溶湯を凝固させてもよい。凝固工程Ｓ４で、希釈された溶湯を凝固させる場合、当該鋳塊の製造方法は、分離工程Ｓ３と凝固工程Ｓ４との間に上述の希釈工程を備えていてもよい。

＜利点＞
当該鋳塊の製造方法は、分離工程Ｓ３で上記固相アルミニウムと上記不純物を含む金属間化合物とを上記溶湯中で効率的に分離することで、得られる鋳塊から不純物を容易に除去することができる。また、当該鋳塊の製造方法は、分離工程Ｓ３で上記固相アルミニウムと上記不純物を含む金属間化合物とを上記溶湯中から効率的に分離することで、不純物の含有量が低減された鋳塊を製造することができる。

［その他の実施形態］
上記実施形態は、本発明の構成を限定するものではない。従って、上記実施形態は、本明細書の記載及び技術常識に基づいて上記実施形態各部の構成要素の省略、置換又は追加が可能であり、それらは全て本発明の範囲に属するものと解釈されるべきである。

上記実施形態では、上記分離工程で、α－アルミニウムデンドライトと不純物を含む金属間化合物とを上記溶湯中で又は上記溶湯から分離する構成について説明した。但し、上記分離工程では、固相アルミニウムと上記金属間化合物とを分離する限り、上記固相アルミニウムがα－アルミニウムデンドライトを含むことを要しない。また、上記固相アルミニウムがα－アルミニウムデンドライトを含む場合でも、上記分離工程ではα－アルミニウムデンドライトを破壊しなくてもよい。

以下、実施例に基づき本発明を詳述するが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるものではない。

［実施例］
［Ｎｏ．１］
不純物を含むアルミニウム合金と純Ｍｇとを黒鉛坩堝に溶解し、不純物としてＦｅを含み、その他の元素としてＳｉを含む溶湯を調製した（混合工程）。この溶湯における各種元素の含有量を表１に示す。その後、この溶湯を６４１℃まで炉冷し、この溶湯に窒化ケイ素製の攪拌棒を挿入して溶湯の攪拌を開始した。この攪拌を行いつつ、溶湯を６０２℃以下まで炉冷した後、固液共存温度域内に保持した（保持工程）。この溶湯を固液共存温度域内に保持した状態で、上記攪拌を継続し、上記溶湯が５９１℃に達した時点で攪拌棒を引き抜き、上記溶湯を５９０℃の固液共存温度で１５分間静置した（分離工程）。この分離工程によって、α－アルミニウムデンドライトとＦｅを含む金属間化合物とが、上記溶湯の底部側に分離された。この分離工程後に、炉の電源を切って上記溶湯を凝固させることで鋳塊を得た。この鋳塊の上部から一部を採取し、ＩＣＰ発光分光分析法にてＦｅの濃度を分析した。この分析結果を表１に示す。

［Ｎｏ．２］
不純物を含むアルミニウム合金と純Ｍｇとを黒鉛坩堝に溶解し、不純物としてＦｅを含み、その他の元素としてＳｉを含む溶湯を調製した（混合工程）。この溶湯における各種元素の含有量を表１に示す。その後、この溶湯を固液共存温度である５９４℃まで炉冷し（保持工程）、坩堝を炉から出したうえ、鉄製の治具を用いて上記溶湯を液面側から速やかに圧搾した（分離工程）。この分離工程によって、α－アルミニウムデンドライトとＦｅを含む金属間化合物とが、上記溶湯の底部側に分離された。この分離工程後に、上記溶湯を空冷凝固させることで鋳塊を得た。なお、上記分離工程で用いた治具は、上記溶湯に挿入された状態で鋳包んだ。この鋳塊の治具の上部側の一部を採取し、ＩＣＰ発光分光分析法にてＦｅの濃度を分析した。この分析結果を表１に示す。

［Ｎｏ．３］
不純物を含むアルミニウム合金と純Ｍｇとを黒鉛坩堝に溶解し、不純物としてＭｎを含み、その他の元素としてＳｉ、Ｃｕ及びＺｎを含む溶湯を調製した（混合工程）。この溶湯における各種元素の含有量を表１に示す。その後、この溶湯を固液共存温度である５９３℃まで炉冷し（保持工程）、坩堝を炉から出したうえ、鉄製の治具を用いて上記溶湯を液面側から速やかに圧搾した（分離工程）。この分離工程によって、α－アルミニウムデンドライトとＭｎを含む金属間化合物とが、上記溶湯の底部側に分離された。この分離工程後に、上記溶湯を空冷凝固させることで鋳塊を得た。なお、上記分離工程で用いた治具は、上記溶湯に挿入された状態で鋳包んだ。この鋳塊の治具の上部側の一部を採取し、ＩＣＰ発光分光分析法にてＭｎの濃度を分析した。この分析結果を表１に示す。

［比較例］
［Ｎｏ．４］
不純物を含むアルミニウム合金と純Ｍｇとを黒鉛坩堝に溶解し、不純物としてＦｅを含み、その他の元素としてＳｉを含む溶湯を調製した（混合工程）。この溶湯における各種元素の含有量を表１に示す。その後、この溶湯を固液共存温度である６００℃まで空冷したうえで１５分間静置した。その後、炉の電源を切って上記溶湯を凝固させることで鋳塊を得た。この鋳塊の上部から一部を採取し、ＩＣＰ発光分光分析法にてＦｅの濃度を分析した。この分析結果を表１に示す。

［Ｎｏ．５］
不純物を含むアルミニウム合金と純Ｍｇとを黒鉛坩堝に溶解し、不純物としてＦｅを含み、その他の元素としてＳｉを含む溶湯を調製した（混合工程）。この溶湯における各種元素の含有量を表１に示す。その後、この溶湯を固液共存温度よりも高い６５１℃まで炉冷し、この温度を保持しつつ上記溶湯に窒化ケイ素製の攪拌棒を挿入して溶湯を攪拌した。この攪拌後、上記溶湯を６５１℃で１５分間保持した。その後、炉の電源を切って上記溶湯を凝固させることで鋳塊を得た。この鋳塊の上部から一部を採取し、ＩＣＰ発光分光分析法にてＦｅの濃度を分析した。この分析結果を表１に示す。

表１に示すように、Ｎｏ．１からＮｏ．３は、上記保持工程で溶湯の温度を固液共存温度域内に保持しつつ、上記分離工程で上記溶湯を攪拌又は圧搾していることで、不純物を十分に除去することができている。これに対し、Ｎｏ．４は、上記分離工程で上記溶湯を攪拌又は圧搾していないため、不純物の除去率が不十分となっている。また、Ｎｏ．５は、上記溶湯を攪拌する際に、この溶湯を固液共存温度域で保持していないので、不純物の除去率が不十分となっている。

［Ｎｏ．６］
Ａｌ－Ｘ二元系平衡状態図（但し、Ｘ＝Ｍｎ）から、７００℃での液相アルミニウム中におけるＸの溶解度［質量％］を読み取った。次に、計算ソフト「ＦａｃｔＳａｇｅ８．０」を用い、Ａｌ－１０質量％Ｍｇ－１質量％Ｘについて、固液共存温度である５９０℃での平衡状態における液相アルミニウム中のＸの濃度［質量％］を計算した。この結果を表２に示す。

［Ｎｏ．７］
Ｘ＝Ｃｏとした以外はＮｏ．６と同様にして、Ａｌ－Ｘ二元系平衡状態図から７００℃での液相アルミニウム中におけるＸの溶解度［質量％］を読み取り、さらにＡｌ－１０質量％Ｍｇ－１質量％Ｘについて、固液共存温度である５９０℃での平衡状態における液相アルミニウム中のＸの濃度［質量％］を計算した。この結果を表２に示す。

［Ｎｏ．８］
Ｘ＝Ｔｉとした以外はＮｏ．６と同様にして、Ａｌ－Ｘ二元系平衡状態図から７００℃での液相アルミニウム中におけるＸの溶解度［質量％］を読み取り、さらにＡｌ－１０質量％Ｍｇ－１質量％Ｘについて、固液共存温度である５９０℃での平衡状態における液相アルミニウム中のＸの濃度［質量％］を計算した。この結果を表２に示す。

［Ｎｏ．９］
Ｘ＝Ｖとした以外はＮｏ．６と同様にして、Ａｌ－Ｘ二元系平衡状態図から７００℃での液相アルミニウム中におけるＸの溶解度［質量％］を読み取り、さらにＡｌ－１０質量％Ｍｇ－１質量％Ｘについて、固液共存温度である５９０℃での平衡状態における液相アルミニウム中のＸの濃度［質量％］を計算した。この結果を表２に示す。

［Ｎｏ．１０］
Ｘ＝Ｚｒとした以外はＮｏ．６と同様にして、Ａｌ－Ｘ二元系平衡状態図から７００℃での液相アルミニウム中におけるＸの溶解度［質量％］を読み取り、さらにＡｌ－１０質量％Ｍｇ－１質量％Ｘについて、固液共存温度である５９０℃での平衡状態における液相アルミニウム中のＸの濃度［質量％］を計算した。この結果を表２に示す。

［Ｎｏ．１１］
Ｘ＝Ｃｒとした以外はＮｏ．６と同様にして、Ａｌ－Ｘ二元系平衡状態図から７００℃での液相アルミニウム中におけるＸの溶解度［質量％］を読み取り、さらにＡｌ－１０質量％Ｍｇ－１質量％Ｘについて、固液共存温度である５９０℃での平衡状態における液相アルミニウム中のＸの濃度［質量％］を計算した。この結果を表２に示す。

表２に示すように、Ｘが、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｃｒのいずれかである場合でも、５９０℃での液相アルミニウム中におけるＸの濃度は、７００℃での液相アルミニウム中におけるＸの溶解度よりも十分に小さくなっており、具体的には１質量％よりも十分に小さくなっている。このことから、当該不純物除去方法によると、Ｘ（不純物）が、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｃｒのいずれかである場合でも、不純物を効率よく除去可能であると考えられる。

以上説明したように、本発明の一態様に係る不純物除去方法は、アルミニウムのリサイクル過程で除去が困難な金属元素等を効率よく除去することができるので、アルミニウムの展伸材から展伸材への水平リサイクルの実現に適している。

１０撹拌機
２０圧搾板
Ｄ α－アルミニウムデンドライト
Ｉ金属間化合物
Ｘ溶湯
Ｙ炉

Claims

アルミニウム又はアルミニウム合金と不純物とを含む溶湯に、Ｍｇ又はＭｇ合金を混合する工程と、
上記混合工程後の溶湯の温度を固液共存温度域内に保持する工程と、
上記保持工程で生成された固相アルミニウムと上記不純物を含む金属間化合物とを上記固液共存温度域において上記溶湯中で偏在させ、又は上記溶湯から除去する分離工程と
を備え、
上記分離工程で、上記溶湯を攪拌及び静置し、又は上記溶湯を圧搾する不純物除去方法。
上記混合工程後の上記溶湯におけるＭｇの含有量が５質量％以上である請求項１に記載の不純物除去方法。
上記固相アルミニウムがα－アルミニウムデンドライトを含んでおり、
上記分離工程で、上記α－アルミニウムデンドライトを破壊する請求項１又は請求項２に記載の不純物除去方法。
アルミニウム又はアルミニウム合金と不純物とを含む溶湯に、Ｍｇ又はＭｇ合金を混合する工程と、
上記混合工程後の溶湯の温度を固液共存温度域内に保持する工程と、
上記保持工程で生成された固相アルミニウムと上記不純物を含む金属間化合物とを上記固液共存温度域において上記溶湯中で偏在させ、又は上記溶湯から除去する分離工程と、
上記分離工程後に、上記溶湯を凝固させる工程と
を備え、
上記分離工程で、上記溶湯を攪拌及び静置し、又は上記溶湯を圧搾する鋳塊の製造方法。