スクリューコンベア型精製装置及びそれを使用した精製方法
【課題】部分結晶化（fractional crystallization）又は再結晶化の原理により、不純物を含有する純粋物（混合物）から不純物のみを除去して純粋物のみを得ることができるスクリューコンベア型精製装置及びそれを使用した精製方法を提供する。
【解決手段】スクリューコンベア型精製装置は、中空状の断面を有して長手方向に延びるように形成され、内部の混合物を移動させるスクリューコンベア２００と、混合物の溶解及び凝固作業が繰り返されるようにスクリューコンベアの内部温度を制御して、混合物を純粋物と不純物とに分離して移動させる反応調節部とを含む。
【解決手段】スクリューコンベア型精製装置は、中空状の断面を有して長手方向に延びるように形成され、内部の混合物を移動させるスクリューコンベア２００と、混合物の溶解及び凝固作業が繰り返されるようにスクリューコンベアの内部温度を制御して、混合物を純粋物と不純物とに分離して移動させる反応調節部とを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はスクリューコンベア型精製装置及びそれを使用した精製方法に関し、より詳細には、部分結晶化（fractional crystallization）又は再結晶化の原理により、不純物を含有する純粋物（以下、「混合物」という）から不純物のみを除去して純粋物のみを得るスクリューコンベア型精製装置及びそれを使用した精製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
混合物である錫合金に含有された不純物である鉛を除去する従来の方法として、（１）非特許文献１の２３２ページに記載された塩素化法と、（２）同文献の２３９ページに記載された真空蒸発法と、（３）特許文献１に開示された結晶溶析法とがある。
【０００３】
しかし、上記（１）の塩素化法は、高価なＳｎＣｌ２−２Ｈ２Ｏ又は危険な塩素（Ｃｌ２）ガスを使用するため作業が危険であり、処理コストが非常に高い。また、ドロス（ＳｎＣｌ２−ＰｂＣｌ２）の処理が非常に複雑であるだけでなく公害を誘発し、ＳｎＣｌ２−２Ｈ２Ｏの製造やドロス（ＳｎＣｌ２−ＰｂＣｌ２）の処理は毒物劇物を取り扱うため作業が危険であり、毒物劇物の取扱許可と公害防止施設を必要とするという問題があった。特に、ドロス中の錫（Ｓｎ）と鉛（Ｐｂ）との金属含有量比は、９３．４６％（Ｓｎ）：６．５４％（Ｐｂ）であるため、鉛（Ｐｂ）の除去率が低いなどの問題があった。
【０００４】
また、上記（２）の真空蒸発法は、１日に１６トン処理する真空蒸発設備を用いて、作業温度１，２５０℃、真空度０．０１ｍｍＨｇの状態で鉛などの不純物を蒸留する方法であり、高価な高周波誘導炉と高真空施設とを必要とするだけでなく、処理金属１トン当たりの電力消費が６００ＫｗＨ／ｔｏｎであり、電力消費量が大きいという問題があった。
【０００５】
また、上記（３）の特許文献１（中国特許公開公報第８５ １ ０７５３６ Ａ号）に開示された発明は、内槽と外槽とからなり、上部が開放されたＵ字状鋼製の槽と、前記Ｕ字状鋼製の槽の内部に回転可能に設置され、３つの螺旋片がそれぞれ８６．５°の角度で溶接されて３方向に突設された回転軸と、前記Ｕ字状鋼製の槽の下部に設置された加熱用電熱器とから構成される。
【０００６】
しかし、これは上部が開放されたＵ字状鋼製の槽と螺旋片が突設された回転軸とから構成されており、正確な温度調節のための温度制御装置及び冷却装置を備えておらず、溶融と凝固（結晶化）を繰り返す再結晶化工程を行うことができないため、鉛（Ｐｂ）の除去率が低いという問題があった。
【特許文献１】中国特許公開公報第８５ １ ０７３５６ Ａ号
【非特許文献１】Extractive metallurgy of tin second edition(1982)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、このような従来技術の問題を解決するためになされたもので、混合物から不純物を除去して純度の高い純粋物を得ることができるスクリューコンベア型精製装置及びそれを使用した精製方法を提供することを目的とする。
【０００８】
本発明の他の目的は、錫金属又は錫合金中の鉛（Ｐｂ）をＡ（ＡＳＴＭ Ｂ ３３９−７２ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｉｇ ｔｉｎ）規格である０．０５％以下に除去できるスクリューコンベア型精製装置及びそれを使用した精製方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このような目的を達成するために、本発明は、中空状の断面を有して長手方向に延びるように形成され、内部の混合物を両方向に移動させるスクリューコンベアと、混合物の溶解及び凝固作業が繰り返されるようにスクリューコンベアの内部温度を制御して、混合物を純粋物と不純物とに分離して移動させる反応調節部と、を含むスクリューコンベア型精製装置を提供する。
【００１０】
本明細書では、純粋物である錫金属、錫合金や錫共晶合金を「純粋な錫合金」といい、不純物である鉛が濃縮されているＳｎ−Ｐｂ共晶状態の金属を「不純物錫合金」という。
【００１１】
すなわち、純粋な錫合金の融点（Ｓｎ：２３１．９℃、Ｓｎ−Ａｇ：２２１℃、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ：２１６℃）と鉛が濃縮されている不純物錫合金の融点（Ｓｎ−Ｐｂ：１８３℃）との差を利用して、純粋な錫合金（Ｓｎ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）を繰り返して結晶化させることにより純度を高める精製装置を提供する。
【００１２】
ここで、錫合金は、Ｓｎ−Ｐｂ系、Ｓｎ−Ａｇ系、及びＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系を含む。
【００１３】
以下、本発明の精製装置を利用して錫合金を精製する工程について説明する。
【００１４】
（１）純粋な錫金属（Ｓｎ１００％）と錫共晶合金は単一温度の融点を有する。すなわち、純粋な錫金属の融点は２３１．９℃であり、Ｓｎ−Ｐｂ共晶合金の融点は１８３℃であり、その成分比はＳｎが６１．９％、Ｐｂが３８．１％である。しかし、Ｓｎ−Ｐｂ合金の融点は単一温度ではなく、Ｓｎ／Ｐｂ合金の比率によって１８３〜２３１．９℃の温度範囲を有する。
【００１５】
（２）通常、粗錫（crude tin metal）中の鉛（Ｐｂ）含有量は０．５％未満である。従って、粗錫中の不純物である鉛（Ｐｂ）含有量を減少させる（除去する）ために、融点が１８３℃であるＳｎ−Ｐｂ共晶合金（Ｓｎ６１．９％、Ｐｂ３８．１％）を形成して粗錫中の鉛（Ｐｂ）を除去すると、鉛（Ｐｂ）を僅かしか含有しておらず、融点が２３１．９℃である錫金属は部分的に凝固して部分結晶化する。このような過程を繰り返す再結晶化工程により、精製された錫金属を安価で公害防止施設を必要とせずに鉛（Ｐｂ）を除去できる。すなわち、不純物である鉛（Ｐｂ）はＳｎ−Ｐｂ共晶（融点：１８３℃）状態で分離される。
【００１６】
（３）不純物である鉛（Ｐｂ）はＳｎ−Ｐｂ共晶合金に含まれて除去される。理論的な鉛（Ｐｂ）の最大含有量は３８．１％であるが、実際の作業では約３２〜３４％まで濃縮が可能である。
【００１７】
（４）部分結晶化法での錫及び錫合金中の不純物である鉛（Ｐｂ）の除去において最も重要な点は、再結晶化工程を繰り返して純度を高めるために温度制御を正確に行う点である。例えば、粗錫金属の場合は、１８３〜２３１．９℃の温度範囲内で、任意の温度区間（例えば、２３０〜２３１．９℃の温度範囲）を正確に制御しなければならない。
【００１８】
同様の方法で、本発明によるスクリューコンベア型精製装置を利用して、次の原理によりＳｎ−Ａｇ合金の鉛（Ｐｂ）を除去できる。
【００１９】
（ａ）純粋な錫共晶合金は単一温度の融点を有する。すなわち、純粋なＳｎ−Ａｇ共晶合金（Ｓｎ９６．５％、Ａｇ３．５％）の融点は２２１℃であり、Ｓｎ−Ｐｂ共晶合金の融点は１８３℃であり、その成分比はＳｎが６１．９％、Ｐｂが３８．１％である。しかし、Ｓｎ−Ｐｂ合金の融点は単一温度ではなく、Ｓｎ／Ｐｂ合金の比率によって１８３〜２３１．９℃の温度範囲を有する。
【００２０】
（ｂ）通常、Ｓｎ−Ａｇ合金（Ｓｎ９６．５％、Ａｇ３．５％）中の鉛（Ｐｂ）含有量は１％未満である。前述したように、Ｓｎ−Ａｇ合金系中の不純物である鉛（Ｐｂ）を利用して、融点が１８３℃であるＳｎ−Ｐｂ共晶合金（Ｓｎ６１．９％、Ｐｂ３８．１％）を形成すると、融点が２２１℃であるＳｎ−Ａｇ共晶合金（Ｓｎ９６．５％、Ａｇ３．５％）は部分的に凝固して部分結晶化する。再結晶化工程を経ることによって精製されたＳｎ−Ａｇ共晶合金（Ｓｎ９６．５％、Ａｇ３．５％）が生産されるため、安価で公害防止施設を必要とせずに鉛（Ｐｂ）を除去できる。すなわち、不純物である鉛（Ｐｂ）はＳｎ−Ｐｂ共晶（融点：１８３℃）状態で分離される。
【００２１】
（ｃ）不純物である鉛（Ｐｂ）はＳｎ−Ｐｂ共晶合金成分の３８．１％であるが、通常の作業では鉛（Ｐｂ）を約３２〜３４％まで濃縮可能である。
【００２２】
（ｄ）上記（４）で述べたとおり、本発明の精製装置を利用した部分結晶化法での錫及び錫合金中の不純物である鉛（Ｐｂ）の除去において最も重要な点は、１８３〜２２１℃の温度範囲内で温度を正確に制御できるという点である。
【００２３】
このような理論に基づいて、含有される鉛（Ｐｂ）を共晶化させて除去できる錫合金は、Ｓｎ−Ｐｂ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系などである。その組成と精製作業条件を下記の表１に示し、より詳細な作業条件を下記の表２〜表５に示す。
【００２４】
すなわち、前述した理論と方法を用いて、錫及び錫合金だけでなく、下記の表５と実施例６に示すように、鉛−アンチモン合金（Ｐｂ−Ｓｂ合金）中のアンチモン（Ｓｂ）金属を除去することもできる。
【００２５】
【表１】
【００２６】
粗錫中のＰｂ除去作業の要約表
【表２】
【００２７】
Ｓｎ−Ａｇ合金中のＰｂ除去作業の要約表
【００２８】
【表３】
【００２９】
Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金中のＰｂ除去作業の要約表
【００３０】
【表４】
【００３１】
Ｐｂ−Ｓｂ合金中のＰｂ除去作業の要約表
【００３２】
【表５】
【００３３】
本発明の別の実施態様によれば、ケトル（kettle）で粗錫又は錫合金を溶解して約２５０℃に維持する段階と、加熱ヒータでスクリューコンベアを２５０〜２８０℃に予熱する段階と、予熱されたスクリューコンベアの装入部を介して、ケトル内の溶解された粗錫又は錫合金をスクリューコンベアに注入する段階と、スクリューコンベアの作業温度を設定制御し、スクリューコンベアの螺旋状スクリューを徐々に回転させながら水噴射部から水を噴射して、スクリューコンベア内部の金属を部分凝固させ、凝固した金属をスクリューコンベアの上部に移送する段階とを含むことを特徴とする錫合金の精製方法が提供される。
【発明の効果】
【００３４】
本発明は、混合物から不純物を除去して純度の高い純粋物を得ることができ、特に、鉛（Ｐｂ）を含有する粗錫金属を、鉛（Ｐｂ）含有量がＡＳＴＭ Ｇｒａｄｅ Ａ（ＡＳＴＭ Ｂ ３３９−７２ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｉｇ ｔｉｎ）規格である０．０５％以下になるように精製できるだけでなく、錫合金である廃鉛フリーハンダ（Pb free solder）中の鉛（Ｐｂ）を除去して廃資源をリサイクルできるという効果がある。
【００３５】
一方、電子業界では、Ｓｎ−Ｐｂ系ハンダを接合材料として使用してきた。しかし、鉛（Ｐｂ）が環境汚染物質であるため規制対象となっているため、環境に優しい製品である鉛フリーハンダを開発又は輸入して使用している。従って、本発明は、このような環境に優しい製品である鉛フリーハンダの材料を効果的に生産でき、公害を減らして輸入を代替するという効果がある。
【００３６】
また、現在の廃電気電子機器指令（Waste Electrical and Electronic Equipment[ＷＥＥＥ]）及び電気電子機器に含まれる特定有害物質の使用制限に関する指令（Restriction on Hazardous Substances[ＲｏＨＳ]）によれば、鉛フリーハンダの場合、鉛（Ｐｂ）含有量は１０００ＰＰＭ（０．１％）以下に規制されている。しかし、ハンダ作業を長時間継続すると、鉛フリーハンダ中の鉛（Ｐｂ）と銅（Ｃｕ）の濃度が増加して作業が続けられないため、そのハンダを交換しなければならないが、ハンダの交換中に廃ハンダが発生する。このような廃ハンダから、本発明による精製装置により、不純物である鉛（Ｐｂ）を除去することにより、廃資源（ハンダ）をリサイクルできるだけでなく、廃ハンダが銀を含有する場合は、そのハンダのリサイクルによりコストが節減されるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
本明細書では、特に錫又は錫合金の混合物から不純物である鉛（Ｐｂ）を除去する精製工程を中心に、本発明の一実施形態によるスクリューコンベア型精製装置及びそれを使用した精製方法について添付図面を参照して説明する。
【００３８】
図１〜図４に示すように、本発明によるスクリューコンベア型精製装置は、スクリューコンベア２００と反応調節部とを含む。
【００３９】
スクリューコンベア２００はベース１００に対して傾斜して設置される。ベース１００はトラス状の枠であり得る。
【００４０】
スクリューコンベア２００は、図２及び図３に示すように、半円状の断面を有する上半部中空円筒体２０４と、上半部中空円筒体２０４の結合部２０２に対向して結合され、半円状の断面を有する下半部中空円筒体２０５とから構成される中空円筒体を含む。また、上半部中空円筒体２０４と下半部中空円筒体２０５との間には円筒断熱材２０１が挿入され、中空円筒体２０４、２０５の内部には螺旋状スクリュー２１０が駆動部により回転可能に設置される。ここで、円筒断熱材２０１は、スクリューコンベア２００内の錫金属の溶解熱の損失を防止する。
【００４１】
螺旋状スクリュー２１０は、中空円筒体２０４、２０５の内部に挿入され、駆動部、例えば、駆動モータ５００に減速器６００のスプロケット６１０及びチェーン６１１を介して連結される。螺旋状スクリュー２１０は、駆動モータ５００の駆動により回転し、その外周上に螺旋状に形成されたブレード２１１により凝固した結晶状の金属を上方に押し上げて移動させる。ここで、溶融状態の不純物金属を不純物排出口２４０に流すために、中空円筒体２０４、２０５とブレード２１１との間には所定の間隙が形成されている。
【００４２】
ここで、上半部中空円筒体２０４には、別途のケトル２５０から精製する粗金属を注入する装入部２２０が連通して形成され、下半部中空円筒体２０５の底面には、鉛（Ｐｂ）が濃縮されたＳｎ−Ｐｂ合金の共晶状態で溶解された金属を排出する不純物排出口２４０が形成される。また、下半部中空円筒体２０５の不純物排出口２４０の対応する上部には、精製された錫を排出する純粋物排出口２３０（製品排出口）が連通して形成される。つまり、純粋物排出口２３０が不純物排出口２４０より、ベース１００が置かれる床から高い位置に配置される。ここで、粗錫（Ｓｎ）を精製する際、鉛（Ｐｂ）が濃縮された不純物金属の流れを調節できるように、不純物排出口２４０にはバルブ２４１が取り付けられる。
【００４３】
反応調節部は、図５及び図６に示すように、スクリューコンベア２００を加熱する加熱部３４０と、スクリューコンベア２００を冷却する冷却部４４０と、加熱部３４０及び冷却部４４０の作動を制御する温度制御部とを含む。ここで、温度制御部は、加熱部３４０を制御するための加熱制御部３００と、冷却部４４０を制御するための冷却制御部４００とを含む。
【００４４】
加熱部３４０は、スクリューコンベア２００の下半部中空円筒体２０５に装着される加熱ヒータであり得る。加熱ヒータ３４０は、図４に示すように、スクリューコンベア２００の下半部中空円筒体２０５に密着した形態で複数（好ましくは、１８〜２１個）装着され、銅鋳物で形成された本体に電源端子３４２が接続されており、電源を供給することによって加熱される。また、加熱ヒータ３４０の底面には、半円状の断面を有するヒータ断熱部３４１が装着されており、加熱ヒータ３４０の熱損失を防止して、下半部中空円筒体２０５の温度を一定に維持する。
【００４５】
また、加熱の程度を正確に制御するために、加熱ヒータ３４０には加熱温度センサ又は熱電対３３１が取り付けられており、加熱制御部３００の温度調節器３３０により加熱ヒータ３４０が適切な温度範囲を維持できるように制御される。
【００４６】
図２及び図５に示すように、複数（１８〜２１個）の加熱ヒータ３４０及びそのうち任意の２つの加熱ヒータに挿入された熱電対３３１と加熱制御部３００との間には、電圧調節器３２０、温度調節器３３０、及び計器板３１０がそれぞれ電気的に接続される。これにより、電圧調節器３２０は、複数の加熱ヒータ３４０に印加される電圧のレベルを調節し、温度調節器３３０は、熱電対３３１を利用して加熱ヒータ３４０の温度を調節する。また、計器板３１０は、電圧調節器３２０の出力電圧、電流、及び動作Ｋｗを視覚的に表示して総体的な作業管理を可能にする。
【００４７】
図１及び図６に示すように、冷却部４４０は、スクリューコンベア２００の上半部中空円筒体２０４に所定距離をおいて設置されて水を噴射し、スクリューコンベア２００に沿って所定区間を往復移動可能に形成された水噴射部であり得る。
【００４８】
水噴射部４４０は、１つの水噴射器４４１に２つのソレノイドバルブ４３０が結合したものが噴射台４５０上に３組固定設置されたもので、スクリューコンベア２００の装入部２２０前後の上部にそれぞれ設置される。水噴射部４４０は、スクリューコンベア２００の長手方向に所定距離４５１（約３５ｃｍ）往復移動しながら水を噴射できるように、スクリューコンベア２００の上部に所定距離をおいて設置される。
【００４９】
また、ソレノイドバルブ４３０は、ゴムホース４３３を介して、作業場の上部に設置された水道管４３２と別途の空気圧縮機から圧縮空気が供給される圧縮空気パイプ４３１とにそれぞれ連結されている。
【００５０】
また、水噴射器４４１、ソレノイドバルブ４３０、及びマグネットスイッチ４２０は、冷却制御部４００に形成された温度調節器４１０〜４１５（熱電対４６０と同じ数）の出力側にそれぞれ接続され、温度調節器４１０〜４１５の入力側には、スクリューコンベア２００内の錫金属の温度を測定する６つの冷却温度センサ又は熱電対４６０がそれぞれ接続される。これら熱電対４６０は、スクリューコンベア２００内部の錫金属の温度を計測するために、円筒断熱材２０１の長手方向に沿って挟まれている。
【００５１】
これら熱電対４６０の温度情報が冷却制御部４００に伝送されて、水噴射部４４０の水噴射量が自動的に調節され、スクリューコンベア２００内部の温度を精製作業制御範囲に正確に維持する。
【００５２】
従って、作業者が冷却制御部４００の各温度調節器４１０〜４１５に水噴射制御温度範囲を設定して入力すると、各温度調節器４１０〜４１５により、ソレノイドバルブ４３０が開閉されて、水噴射部４４０の水噴射が自動的に作動する。これにより、スクリューコンベア２００内の粗錫（Ｓｎ）の溶融温度が制御されて、前述したように再結晶化と不純物除去作業が行われる。
【００５３】
本発明の精製方法
以下、このように構成された本発明によるスクリューコンベア型精製装置を使用して、粗錫（Ｓｎ）金属を精製する方法を説明する。
【００５４】
図７に示すように、別途のケトル２５０で粗錫金属を溶解して２５０℃に維持する。
【００５５】
その後、スクリューコンベア２００の加熱ヒータ３４０によりスクリューコンベア２００を２５０〜２８０℃に予熱する。そして、ケトル２５０の溶融金属をステンレス容器などで汲み、装入部２２０に注入してスクリューコンベア２００に満たした後、金属の溶融状態を確認する。
【００５６】
冷却制御部４００（図６）の各温度調節器４１０〜４１５の温度は、操業初期に２３２℃に設定する。スクリューコンベア２００に連結された駆動モータ５００を稼動して螺旋状スクリュー２１０を徐々に回転させながら、水噴射部４４０を稼動して水を噴射する（冷却させる）。また、冷却制御部４００の各温度調節器４１０〜４１５に作業温度を設定する。
【００５７】
例えば、錫金属の場合、最上端の温度調節器４１０は２３２℃、最下端の温度調節器４１５は１８５℃を基準にして各温度勾配を定め、徐々に１℃ずつ下げて上記表２の実操業の温度制御範囲を維持して作業を続ける。ここで、制御温度の基準は実験により得られた下記数式１により計算できる。
【００５８】
Ｔｘ℃＝８１．５（ｌｏｇｘ−１）＋１５０．４ （１）
【００５９】
ここで、合金中の錫含有量は６１．９〜１００％の範囲内で適用される。
【００６０】
上記数式１でｘは錫含有量％であり、錫が１００％、９０％、６１．９％の場合、次のように計算される。
【００６１】
Ｔ１００℃＝８１．５（ｌｏｇ１００−１）＋１５０．４＝２３１．９℃であり、
Ｔ９０℃＝８１．５（ｌｏｇ９０−１）＋１５０．４＝８１．５（１．９５４２４−１）＋１５０．４＝２１７．１３℃であり、
Ｔ６１．９℃＝８１．５（ｌｏｇ６１．９−１）＋１５０．４＝８１．５０.７９１６９＋１５０．４＝１８３℃である。
【００６２】
このように、作業に必要な温度調節範囲を上記数式１を用いて計算できる。
【００６３】
次に、水噴射部４４０により水を噴射してスクリューコンベア２００内部の金属を部分凝固（部分結晶化）させる。螺旋状スクリュー２１０を徐々に回転させると、凝固した金属（結晶）はスクリューコンベア２００の上部に少しずつ移送される。
【００６４】
加熱制御部３００の設定又は操作により加熱ヒータ３４０を稼動して、図９のＳｎ−Ｐｂ合金状態図に示す液相線に沿って凝固した金属（結晶）を溶解する。
【００６５】
さらに、スクリューコンベア２００の上半部中空円筒体２０４の表面に水噴射部４４０により水を噴射して金属を凝固（再結晶化）させる。この過程で、冷却時に凝固した金属が純粋な金属又は合金の場合は共晶合金が形成される。
【００６６】
このように、金属の凝固と溶解作業を無数に繰り返す再結晶化過程を経て精製作業が行われる。
【００６７】
正常な作業において、精製された製品（product）は、スクリューコンベア２００の上部の純粋物排出口２３０から排出され、不純物が濃縮した金属は、スクリューコンベア２００の下部の不純物排出口２４０のバルブ２４１を調節することにより、製品の約１／８〜１／１５ずつ排出される。不純物金属の排出量は、各実施例に示すように、作業時に物質収支（material balance）で計算される。
【００６８】
不純物金属量の計算値を以下の各実施例と図８の不純物除去工程図に示す。
【００６９】
不純物金属中のＰｂ含有量が１０％前後の場合は、図８の不純物除去工程図に示すように循環させて繰り返し処理することにより製品の回収率を高める。
【００７０】
作業を終了する際は、水噴射部４４０と螺旋状スクリュー２１０の稼動を中止して加熱ヒータ３４０のみを稼動して、スクリューコンベア２００内に残っている金属を完全に溶解させた後、不純物排出口２４０のバルブ２４１を開いて金属をレードル２６０に受け取り、加熱ヒータ３４０をオフにして作業を終了する。
【００７１】
精製作業は、原料装入と製品生産を連続的に行う、いわゆる連続作業工程である。また、図１、図３、図６、図７及び図８に示すように、作業中、スクリューコンベア断熱材２０１に挟まれた全６つの熱電対４６０が、図６の冷却制御部４００の温度調節器４１０〜４１５により、処理特性に応じて予め設定された上記表２〜表５の数値のように自動的に温度を調節する。
【００７２】
本発明者は粗錫中の鉛（Ｐｂ）を除去するために、前述した本発明によるスクリューコンベア型精製装置及びそれを使用した精製方法で、数百トンを処理した結果、精製装置の１日処理能力は約５トンであり、電力消費は処理金属１トン当たり平均９１．６ＫＷＨである。以下、その実操業の一部を実施例に示す。
【００７３】
実施例１
本発明によるスクリューコンベア型精製装置を使用して、前述した精製方法で、粗錫金属（Ｓｎ）中の不純物である鉛（Ｐｂ）含有量を、ＡＳＴＭ Ｇｒａｄｅ Ａ規格である０．０５％以下に除去するための作業条件（上記表２）中の実操業の制御温度範囲を２３０〜２３２℃に変更して精製作業を行った。結果は次のとおりである。
【００７４】
装入物（feed）は粗錫金属であり、鉛（Ｐｂ）含有量が０．０５５％である粗錫金属を精製装置の装入部２２０に２５０℃の溶融状態で注入し、前述の精製作業条件で精製作業を行った。ここで、上記表２の実操業の制御温度範囲を１８５〜２３２℃から２３０〜２３２℃に変更した理由は、精製しようとする粗錫金属の鉛（Ｐｂ）含有量が低すぎて、制御温度範囲を１８５〜２３２℃にして精製作業をする場合、スクリューコンベア２００内部の半溶融状態の金属が凝固して精製作業が不可能だからである。
【００７５】
これにより、精製装置の純粋物排出口２３０から排出された精製された錫金属（Ｓｎ）中の鉛（Ｐｂ）含有量は０．０１７％とＡＳＴＭ Ｇｒａｄｅ Ａ規格である０．０５％より低い。また、精製装置の不純物排出口２４０から排出された不純物合金（Ｓｎ−Ｐｂ合金）中の鉛（Ｐｂ）含有量は１．１９％であった。不純物合金は図８の不純物除去工程図に示すように循環処理される。
【００７６】
これを表に示すと次のとおりである。
【００７７】
【表６】
【００７８】
実施例２
実施例２の精製作業による結果を表に示すと次のとおりである。
【００７９】
【表７】
【００８０】
実施例３
実施例３の精製作業による結果を表に示すと次のとおりである。
【００８１】
【表８】
【００８２】
実施例４
実施例４の精製作業による結果を表に示すと次のとおりである。
【００８３】
【表９】
【００８４】
実施例５
実施例５の精製作業による結果を表に示すと次のとおりである。
【００８５】
【表１０】
【００８６】
実施例６
実施例６の操業は硬鉛（Ｐｂ−Ｓｂ合金）中のアンチモン（Ｓｂ）を除去する作業である。
【００８７】
【表１１】
【００８８】
以上、本発明の好ましい実施形態を例に挙げて説明したが、本発明の範囲はこのような特定の実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内で適切に変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の一実施態様によるスクリューコンベア型精製装置の構成を示す図である。
【図２】図１のII−II線断面図である。
【図３】図１のスクリューコンベアの分解斜視図である。
【図４】図１の加熱ヒータの斜視図である。
【図５】図１の加熱ヒータを制御する制御部の構成を示す概略図である。
【図６】図１の水噴射部の電気的結線を示す拡大断面図である。
【図７】錫合金の不純物精製方法を説明するための図である。
【図８】図１に示す装置を利用した不純物除去工程を示す工程図である。
【図９】Ｓｎ−Ｐｂ合金の状態図である。
【図１０】Ｓｎ−Ａｇ合金の状態図である。
【図１１】Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金の状態図である。
【図１２】Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金の状態図である。
【図１３】Ｐｂ−Ｓｂ合金の状態図である。
【符号の説明】
【００９０】
１００ ベース
２００ スクリューコンベア
３００ 加熱制御部
４００ 冷却制御部
５００ 駆動モータ
６００ 減速器
【技術分野】
【０００１】
本発明はスクリューコンベア型精製装置及びそれを使用した精製方法に関し、より詳細には、部分結晶化（fractional crystallization）又は再結晶化の原理により、不純物を含有する純粋物（以下、「混合物」という）から不純物のみを除去して純粋物のみを得るスクリューコンベア型精製装置及びそれを使用した精製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
混合物である錫合金に含有された不純物である鉛を除去する従来の方法として、（１）非特許文献１の２３２ページに記載された塩素化法と、（２）同文献の２３９ページに記載された真空蒸発法と、（３）特許文献１に開示された結晶溶析法とがある。
【０００３】
しかし、上記（１）の塩素化法は、高価なＳｎＣｌ２−２Ｈ２Ｏ又は危険な塩素（Ｃｌ２）ガスを使用するため作業が危険であり、処理コストが非常に高い。また、ドロス（ＳｎＣｌ２−ＰｂＣｌ２）の処理が非常に複雑であるだけでなく公害を誘発し、ＳｎＣｌ２−２Ｈ２Ｏの製造やドロス（ＳｎＣｌ２−ＰｂＣｌ２）の処理は毒物劇物を取り扱うため作業が危険であり、毒物劇物の取扱許可と公害防止施設を必要とするという問題があった。特に、ドロス中の錫（Ｓｎ）と鉛（Ｐｂ）との金属含有量比は、９３．４６％（Ｓｎ）：６．５４％（Ｐｂ）であるため、鉛（Ｐｂ）の除去率が低いなどの問題があった。
【０００４】
また、上記（２）の真空蒸発法は、１日に１６トン処理する真空蒸発設備を用いて、作業温度１，２５０℃、真空度０．０１ｍｍＨｇの状態で鉛などの不純物を蒸留する方法であり、高価な高周波誘導炉と高真空施設とを必要とするだけでなく、処理金属１トン当たりの電力消費が６００ＫｗＨ／ｔｏｎであり、電力消費量が大きいという問題があった。
【０００５】
また、上記（３）の特許文献１（中国特許公開公報第８５ １ ０７５３６ Ａ号）に開示された発明は、内槽と外槽とからなり、上部が開放されたＵ字状鋼製の槽と、前記Ｕ字状鋼製の槽の内部に回転可能に設置され、３つの螺旋片がそれぞれ８６．５°の角度で溶接されて３方向に突設された回転軸と、前記Ｕ字状鋼製の槽の下部に設置された加熱用電熱器とから構成される。
【０００６】
しかし、これは上部が開放されたＵ字状鋼製の槽と螺旋片が突設された回転軸とから構成されており、正確な温度調節のための温度制御装置及び冷却装置を備えておらず、溶融と凝固（結晶化）を繰り返す再結晶化工程を行うことができないため、鉛（Ｐｂ）の除去率が低いという問題があった。
【特許文献１】中国特許公開公報第８５ １ ０７３５６ Ａ号
【非特許文献１】Extractive metallurgy of tin second edition(1982)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、このような従来技術の問題を解決するためになされたもので、混合物から不純物を除去して純度の高い純粋物を得ることができるスクリューコンベア型精製装置及びそれを使用した精製方法を提供することを目的とする。
【０００８】
本発明の他の目的は、錫金属又は錫合金中の鉛（Ｐｂ）をＡ（ＡＳＴＭ Ｂ ３３９−７２ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｉｇ ｔｉｎ）規格である０．０５％以下に除去できるスクリューコンベア型精製装置及びそれを使用した精製方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このような目的を達成するために、本発明は、中空状の断面を有して長手方向に延びるように形成され、内部の混合物を両方向に移動させるスクリューコンベアと、混合物の溶解及び凝固作業が繰り返されるようにスクリューコンベアの内部温度を制御して、混合物を純粋物と不純物とに分離して移動させる反応調節部と、を含むスクリューコンベア型精製装置を提供する。
【００１０】
本明細書では、純粋物である錫金属、錫合金や錫共晶合金を「純粋な錫合金」といい、不純物である鉛が濃縮されているＳｎ−Ｐｂ共晶状態の金属を「不純物錫合金」という。
【００１１】
すなわち、純粋な錫合金の融点（Ｓｎ：２３１．９℃、Ｓｎ−Ａｇ：２２１℃、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ：２１６℃）と鉛が濃縮されている不純物錫合金の融点（Ｓｎ−Ｐｂ：１８３℃）との差を利用して、純粋な錫合金（Ｓｎ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）を繰り返して結晶化させることにより純度を高める精製装置を提供する。
【００１２】
ここで、錫合金は、Ｓｎ−Ｐｂ系、Ｓｎ−Ａｇ系、及びＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系を含む。
【００１３】
以下、本発明の精製装置を利用して錫合金を精製する工程について説明する。
【００１４】
（１）純粋な錫金属（Ｓｎ１００％）と錫共晶合金は単一温度の融点を有する。すなわち、純粋な錫金属の融点は２３１．９℃であり、Ｓｎ−Ｐｂ共晶合金の融点は１８３℃であり、その成分比はＳｎが６１．９％、Ｐｂが３８．１％である。しかし、Ｓｎ−Ｐｂ合金の融点は単一温度ではなく、Ｓｎ／Ｐｂ合金の比率によって１８３〜２３１．９℃の温度範囲を有する。
【００１５】
（２）通常、粗錫（crude tin metal）中の鉛（Ｐｂ）含有量は０．５％未満である。従って、粗錫中の不純物である鉛（Ｐｂ）含有量を減少させる（除去する）ために、融点が１８３℃であるＳｎ−Ｐｂ共晶合金（Ｓｎ６１．９％、Ｐｂ３８．１％）を形成して粗錫中の鉛（Ｐｂ）を除去すると、鉛（Ｐｂ）を僅かしか含有しておらず、融点が２３１．９℃である錫金属は部分的に凝固して部分結晶化する。このような過程を繰り返す再結晶化工程により、精製された錫金属を安価で公害防止施設を必要とせずに鉛（Ｐｂ）を除去できる。すなわち、不純物である鉛（Ｐｂ）はＳｎ−Ｐｂ共晶（融点：１８３℃）状態で分離される。
【００１６】
（３）不純物である鉛（Ｐｂ）はＳｎ−Ｐｂ共晶合金に含まれて除去される。理論的な鉛（Ｐｂ）の最大含有量は３８．１％であるが、実際の作業では約３２〜３４％まで濃縮が可能である。
【００１７】
（４）部分結晶化法での錫及び錫合金中の不純物である鉛（Ｐｂ）の除去において最も重要な点は、再結晶化工程を繰り返して純度を高めるために温度制御を正確に行う点である。例えば、粗錫金属の場合は、１８３〜２３１．９℃の温度範囲内で、任意の温度区間（例えば、２３０〜２３１．９℃の温度範囲）を正確に制御しなければならない。
【００１８】
同様の方法で、本発明によるスクリューコンベア型精製装置を利用して、次の原理によりＳｎ−Ａｇ合金の鉛（Ｐｂ）を除去できる。
【００１９】
（ａ）純粋な錫共晶合金は単一温度の融点を有する。すなわち、純粋なＳｎ−Ａｇ共晶合金（Ｓｎ９６．５％、Ａｇ３．５％）の融点は２２１℃であり、Ｓｎ−Ｐｂ共晶合金の融点は１８３℃であり、その成分比はＳｎが６１．９％、Ｐｂが３８．１％である。しかし、Ｓｎ−Ｐｂ合金の融点は単一温度ではなく、Ｓｎ／Ｐｂ合金の比率によって１８３〜２３１．９℃の温度範囲を有する。
【００２０】
（ｂ）通常、Ｓｎ−Ａｇ合金（Ｓｎ９６．５％、Ａｇ３．５％）中の鉛（Ｐｂ）含有量は１％未満である。前述したように、Ｓｎ−Ａｇ合金系中の不純物である鉛（Ｐｂ）を利用して、融点が１８３℃であるＳｎ−Ｐｂ共晶合金（Ｓｎ６１．９％、Ｐｂ３８．１％）を形成すると、融点が２２１℃であるＳｎ−Ａｇ共晶合金（Ｓｎ９６．５％、Ａｇ３．５％）は部分的に凝固して部分結晶化する。再結晶化工程を経ることによって精製されたＳｎ−Ａｇ共晶合金（Ｓｎ９６．５％、Ａｇ３．５％）が生産されるため、安価で公害防止施設を必要とせずに鉛（Ｐｂ）を除去できる。すなわち、不純物である鉛（Ｐｂ）はＳｎ−Ｐｂ共晶（融点：１８３℃）状態で分離される。
【００２１】
（ｃ）不純物である鉛（Ｐｂ）はＳｎ−Ｐｂ共晶合金成分の３８．１％であるが、通常の作業では鉛（Ｐｂ）を約３２〜３４％まで濃縮可能である。
【００２２】
（ｄ）上記（４）で述べたとおり、本発明の精製装置を利用した部分結晶化法での錫及び錫合金中の不純物である鉛（Ｐｂ）の除去において最も重要な点は、１８３〜２２１℃の温度範囲内で温度を正確に制御できるという点である。
【００２３】
このような理論に基づいて、含有される鉛（Ｐｂ）を共晶化させて除去できる錫合金は、Ｓｎ−Ｐｂ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系などである。その組成と精製作業条件を下記の表１に示し、より詳細な作業条件を下記の表２〜表５に示す。
【００２４】
すなわち、前述した理論と方法を用いて、錫及び錫合金だけでなく、下記の表５と実施例６に示すように、鉛−アンチモン合金（Ｐｂ−Ｓｂ合金）中のアンチモン（Ｓｂ）金属を除去することもできる。
【００２５】
【表１】
【００２６】
粗錫中のＰｂ除去作業の要約表
【表２】
【００２７】
Ｓｎ−Ａｇ合金中のＰｂ除去作業の要約表
【００２８】
【表３】
【００２９】
Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金中のＰｂ除去作業の要約表
【００３０】
【表４】
【００３１】
Ｐｂ−Ｓｂ合金中のＰｂ除去作業の要約表
【００３２】
【表５】
【００３３】
本発明の別の実施態様によれば、ケトル（kettle）で粗錫又は錫合金を溶解して約２５０℃に維持する段階と、加熱ヒータでスクリューコンベアを２５０〜２８０℃に予熱する段階と、予熱されたスクリューコンベアの装入部を介して、ケトル内の溶解された粗錫又は錫合金をスクリューコンベアに注入する段階と、スクリューコンベアの作業温度を設定制御し、スクリューコンベアの螺旋状スクリューを徐々に回転させながら水噴射部から水を噴射して、スクリューコンベア内部の金属を部分凝固させ、凝固した金属をスクリューコンベアの上部に移送する段階とを含むことを特徴とする錫合金の精製方法が提供される。
【発明の効果】
【００３４】
本発明は、混合物から不純物を除去して純度の高い純粋物を得ることができ、特に、鉛（Ｐｂ）を含有する粗錫金属を、鉛（Ｐｂ）含有量がＡＳＴＭ Ｇｒａｄｅ Ａ（ＡＳＴＭ Ｂ ３３９−７２ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｉｇ ｔｉｎ）規格である０．０５％以下になるように精製できるだけでなく、錫合金である廃鉛フリーハンダ（Pb free solder）中の鉛（Ｐｂ）を除去して廃資源をリサイクルできるという効果がある。
【００３５】
一方、電子業界では、Ｓｎ−Ｐｂ系ハンダを接合材料として使用してきた。しかし、鉛（Ｐｂ）が環境汚染物質であるため規制対象となっているため、環境に優しい製品である鉛フリーハンダを開発又は輸入して使用している。従って、本発明は、このような環境に優しい製品である鉛フリーハンダの材料を効果的に生産でき、公害を減らして輸入を代替するという効果がある。
【００３６】
また、現在の廃電気電子機器指令（Waste Electrical and Electronic Equipment[ＷＥＥＥ]）及び電気電子機器に含まれる特定有害物質の使用制限に関する指令（Restriction on Hazardous Substances[ＲｏＨＳ]）によれば、鉛フリーハンダの場合、鉛（Ｐｂ）含有量は１０００ＰＰＭ（０．１％）以下に規制されている。しかし、ハンダ作業を長時間継続すると、鉛フリーハンダ中の鉛（Ｐｂ）と銅（Ｃｕ）の濃度が増加して作業が続けられないため、そのハンダを交換しなければならないが、ハンダの交換中に廃ハンダが発生する。このような廃ハンダから、本発明による精製装置により、不純物である鉛（Ｐｂ）を除去することにより、廃資源（ハンダ）をリサイクルできるだけでなく、廃ハンダが銀を含有する場合は、そのハンダのリサイクルによりコストが節減されるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
本明細書では、特に錫又は錫合金の混合物から不純物である鉛（Ｐｂ）を除去する精製工程を中心に、本発明の一実施形態によるスクリューコンベア型精製装置及びそれを使用した精製方法について添付図面を参照して説明する。
【００３８】
図１〜図４に示すように、本発明によるスクリューコンベア型精製装置は、スクリューコンベア２００と反応調節部とを含む。
【００３９】
スクリューコンベア２００はベース１００に対して傾斜して設置される。ベース１００はトラス状の枠であり得る。
【００４０】
スクリューコンベア２００は、図２及び図３に示すように、半円状の断面を有する上半部中空円筒体２０４と、上半部中空円筒体２０４の結合部２０２に対向して結合され、半円状の断面を有する下半部中空円筒体２０５とから構成される中空円筒体を含む。また、上半部中空円筒体２０４と下半部中空円筒体２０５との間には円筒断熱材２０１が挿入され、中空円筒体２０４、２０５の内部には螺旋状スクリュー２１０が駆動部により回転可能に設置される。ここで、円筒断熱材２０１は、スクリューコンベア２００内の錫金属の溶解熱の損失を防止する。
【００４１】
螺旋状スクリュー２１０は、中空円筒体２０４、２０５の内部に挿入され、駆動部、例えば、駆動モータ５００に減速器６００のスプロケット６１０及びチェーン６１１を介して連結される。螺旋状スクリュー２１０は、駆動モータ５００の駆動により回転し、その外周上に螺旋状に形成されたブレード２１１により凝固した結晶状の金属を上方に押し上げて移動させる。ここで、溶融状態の不純物金属を不純物排出口２４０に流すために、中空円筒体２０４、２０５とブレード２１１との間には所定の間隙が形成されている。
【００４２】
ここで、上半部中空円筒体２０４には、別途のケトル２５０から精製する粗金属を注入する装入部２２０が連通して形成され、下半部中空円筒体２０５の底面には、鉛（Ｐｂ）が濃縮されたＳｎ−Ｐｂ合金の共晶状態で溶解された金属を排出する不純物排出口２４０が形成される。また、下半部中空円筒体２０５の不純物排出口２４０の対応する上部には、精製された錫を排出する純粋物排出口２３０（製品排出口）が連通して形成される。つまり、純粋物排出口２３０が不純物排出口２４０より、ベース１００が置かれる床から高い位置に配置される。ここで、粗錫（Ｓｎ）を精製する際、鉛（Ｐｂ）が濃縮された不純物金属の流れを調節できるように、不純物排出口２４０にはバルブ２４１が取り付けられる。
【００４３】
反応調節部は、図５及び図６に示すように、スクリューコンベア２００を加熱する加熱部３４０と、スクリューコンベア２００を冷却する冷却部４４０と、加熱部３４０及び冷却部４４０の作動を制御する温度制御部とを含む。ここで、温度制御部は、加熱部３４０を制御するための加熱制御部３００と、冷却部４４０を制御するための冷却制御部４００とを含む。
【００４４】
加熱部３４０は、スクリューコンベア２００の下半部中空円筒体２０５に装着される加熱ヒータであり得る。加熱ヒータ３４０は、図４に示すように、スクリューコンベア２００の下半部中空円筒体２０５に密着した形態で複数（好ましくは、１８〜２１個）装着され、銅鋳物で形成された本体に電源端子３４２が接続されており、電源を供給することによって加熱される。また、加熱ヒータ３４０の底面には、半円状の断面を有するヒータ断熱部３４１が装着されており、加熱ヒータ３４０の熱損失を防止して、下半部中空円筒体２０５の温度を一定に維持する。
【００４５】
また、加熱の程度を正確に制御するために、加熱ヒータ３４０には加熱温度センサ又は熱電対３３１が取り付けられており、加熱制御部３００の温度調節器３３０により加熱ヒータ３４０が適切な温度範囲を維持できるように制御される。
【００４６】
図２及び図５に示すように、複数（１８〜２１個）の加熱ヒータ３４０及びそのうち任意の２つの加熱ヒータに挿入された熱電対３３１と加熱制御部３００との間には、電圧調節器３２０、温度調節器３３０、及び計器板３１０がそれぞれ電気的に接続される。これにより、電圧調節器３２０は、複数の加熱ヒータ３４０に印加される電圧のレベルを調節し、温度調節器３３０は、熱電対３３１を利用して加熱ヒータ３４０の温度を調節する。また、計器板３１０は、電圧調節器３２０の出力電圧、電流、及び動作Ｋｗを視覚的に表示して総体的な作業管理を可能にする。
【００４７】
図１及び図６に示すように、冷却部４４０は、スクリューコンベア２００の上半部中空円筒体２０４に所定距離をおいて設置されて水を噴射し、スクリューコンベア２００に沿って所定区間を往復移動可能に形成された水噴射部であり得る。
【００４８】
水噴射部４４０は、１つの水噴射器４４１に２つのソレノイドバルブ４３０が結合したものが噴射台４５０上に３組固定設置されたもので、スクリューコンベア２００の装入部２２０前後の上部にそれぞれ設置される。水噴射部４４０は、スクリューコンベア２００の長手方向に所定距離４５１（約３５ｃｍ）往復移動しながら水を噴射できるように、スクリューコンベア２００の上部に所定距離をおいて設置される。
【００４９】
また、ソレノイドバルブ４３０は、ゴムホース４３３を介して、作業場の上部に設置された水道管４３２と別途の空気圧縮機から圧縮空気が供給される圧縮空気パイプ４３１とにそれぞれ連結されている。
【００５０】
また、水噴射器４４１、ソレノイドバルブ４３０、及びマグネットスイッチ４２０は、冷却制御部４００に形成された温度調節器４１０〜４１５（熱電対４６０と同じ数）の出力側にそれぞれ接続され、温度調節器４１０〜４１５の入力側には、スクリューコンベア２００内の錫金属の温度を測定する６つの冷却温度センサ又は熱電対４６０がそれぞれ接続される。これら熱電対４６０は、スクリューコンベア２００内部の錫金属の温度を計測するために、円筒断熱材２０１の長手方向に沿って挟まれている。
【００５１】
これら熱電対４６０の温度情報が冷却制御部４００に伝送されて、水噴射部４４０の水噴射量が自動的に調節され、スクリューコンベア２００内部の温度を精製作業制御範囲に正確に維持する。
【００５２】
従って、作業者が冷却制御部４００の各温度調節器４１０〜４１５に水噴射制御温度範囲を設定して入力すると、各温度調節器４１０〜４１５により、ソレノイドバルブ４３０が開閉されて、水噴射部４４０の水噴射が自動的に作動する。これにより、スクリューコンベア２００内の粗錫（Ｓｎ）の溶融温度が制御されて、前述したように再結晶化と不純物除去作業が行われる。
【００５３】
本発明の精製方法
以下、このように構成された本発明によるスクリューコンベア型精製装置を使用して、粗錫（Ｓｎ）金属を精製する方法を説明する。
【００５４】
図７に示すように、別途のケトル２５０で粗錫金属を溶解して２５０℃に維持する。
【００５５】
その後、スクリューコンベア２００の加熱ヒータ３４０によりスクリューコンベア２００を２５０〜２８０℃に予熱する。そして、ケトル２５０の溶融金属をステンレス容器などで汲み、装入部２２０に注入してスクリューコンベア２００に満たした後、金属の溶融状態を確認する。
【００５６】
冷却制御部４００（図６）の各温度調節器４１０〜４１５の温度は、操業初期に２３２℃に設定する。スクリューコンベア２００に連結された駆動モータ５００を稼動して螺旋状スクリュー２１０を徐々に回転させながら、水噴射部４４０を稼動して水を噴射する（冷却させる）。また、冷却制御部４００の各温度調節器４１０〜４１５に作業温度を設定する。
【００５７】
例えば、錫金属の場合、最上端の温度調節器４１０は２３２℃、最下端の温度調節器４１５は１８５℃を基準にして各温度勾配を定め、徐々に１℃ずつ下げて上記表２の実操業の温度制御範囲を維持して作業を続ける。ここで、制御温度の基準は実験により得られた下記数式１により計算できる。
【００５８】
Ｔｘ℃＝８１．５（ｌｏｇｘ−１）＋１５０．４ （１）
【００５９】
ここで、合金中の錫含有量は６１．９〜１００％の範囲内で適用される。
【００６０】
上記数式１でｘは錫含有量％であり、錫が１００％、９０％、６１．９％の場合、次のように計算される。
【００６１】
Ｔ１００℃＝８１．５（ｌｏｇ１００−１）＋１５０．４＝２３１．９℃であり、
Ｔ９０℃＝８１．５（ｌｏｇ９０−１）＋１５０．４＝８１．５（１．９５４２４−１）＋１５０．４＝２１７．１３℃であり、
Ｔ６１．９℃＝８１．５（ｌｏｇ６１．９−１）＋１５０．４＝８１．５０.７９１６９＋１５０．４＝１８３℃である。
【００６２】
このように、作業に必要な温度調節範囲を上記数式１を用いて計算できる。
【００６３】
次に、水噴射部４４０により水を噴射してスクリューコンベア２００内部の金属を部分凝固（部分結晶化）させる。螺旋状スクリュー２１０を徐々に回転させると、凝固した金属（結晶）はスクリューコンベア２００の上部に少しずつ移送される。
【００６４】
加熱制御部３００の設定又は操作により加熱ヒータ３４０を稼動して、図９のＳｎ−Ｐｂ合金状態図に示す液相線に沿って凝固した金属（結晶）を溶解する。
【００６５】
さらに、スクリューコンベア２００の上半部中空円筒体２０４の表面に水噴射部４４０により水を噴射して金属を凝固（再結晶化）させる。この過程で、冷却時に凝固した金属が純粋な金属又は合金の場合は共晶合金が形成される。
【００６６】
このように、金属の凝固と溶解作業を無数に繰り返す再結晶化過程を経て精製作業が行われる。
【００６７】
正常な作業において、精製された製品（product）は、スクリューコンベア２００の上部の純粋物排出口２３０から排出され、不純物が濃縮した金属は、スクリューコンベア２００の下部の不純物排出口２４０のバルブ２４１を調節することにより、製品の約１／８〜１／１５ずつ排出される。不純物金属の排出量は、各実施例に示すように、作業時に物質収支（material balance）で計算される。
【００６８】
不純物金属量の計算値を以下の各実施例と図８の不純物除去工程図に示す。
【００６９】
不純物金属中のＰｂ含有量が１０％前後の場合は、図８の不純物除去工程図に示すように循環させて繰り返し処理することにより製品の回収率を高める。
【００７０】
作業を終了する際は、水噴射部４４０と螺旋状スクリュー２１０の稼動を中止して加熱ヒータ３４０のみを稼動して、スクリューコンベア２００内に残っている金属を完全に溶解させた後、不純物排出口２４０のバルブ２４１を開いて金属をレードル２６０に受け取り、加熱ヒータ３４０をオフにして作業を終了する。
【００７１】
精製作業は、原料装入と製品生産を連続的に行う、いわゆる連続作業工程である。また、図１、図３、図６、図７及び図８に示すように、作業中、スクリューコンベア断熱材２０１に挟まれた全６つの熱電対４６０が、図６の冷却制御部４００の温度調節器４１０〜４１５により、処理特性に応じて予め設定された上記表２〜表５の数値のように自動的に温度を調節する。
【００７２】
本発明者は粗錫中の鉛（Ｐｂ）を除去するために、前述した本発明によるスクリューコンベア型精製装置及びそれを使用した精製方法で、数百トンを処理した結果、精製装置の１日処理能力は約５トンであり、電力消費は処理金属１トン当たり平均９１．６ＫＷＨである。以下、その実操業の一部を実施例に示す。
【００７３】
実施例１
本発明によるスクリューコンベア型精製装置を使用して、前述した精製方法で、粗錫金属（Ｓｎ）中の不純物である鉛（Ｐｂ）含有量を、ＡＳＴＭ Ｇｒａｄｅ Ａ規格である０．０５％以下に除去するための作業条件（上記表２）中の実操業の制御温度範囲を２３０〜２３２℃に変更して精製作業を行った。結果は次のとおりである。
【００７４】
装入物（feed）は粗錫金属であり、鉛（Ｐｂ）含有量が０．０５５％である粗錫金属を精製装置の装入部２２０に２５０℃の溶融状態で注入し、前述の精製作業条件で精製作業を行った。ここで、上記表２の実操業の制御温度範囲を１８５〜２３２℃から２３０〜２３２℃に変更した理由は、精製しようとする粗錫金属の鉛（Ｐｂ）含有量が低すぎて、制御温度範囲を１８５〜２３２℃にして精製作業をする場合、スクリューコンベア２００内部の半溶融状態の金属が凝固して精製作業が不可能だからである。
【００７５】
これにより、精製装置の純粋物排出口２３０から排出された精製された錫金属（Ｓｎ）中の鉛（Ｐｂ）含有量は０．０１７％とＡＳＴＭ Ｇｒａｄｅ Ａ規格である０．０５％より低い。また、精製装置の不純物排出口２４０から排出された不純物合金（Ｓｎ−Ｐｂ合金）中の鉛（Ｐｂ）含有量は１．１９％であった。不純物合金は図８の不純物除去工程図に示すように循環処理される。
【００７６】
これを表に示すと次のとおりである。
【００７７】
【表６】
【００７８】
実施例２
実施例２の精製作業による結果を表に示すと次のとおりである。
【００７９】
【表７】
【００８０】
実施例３
実施例３の精製作業による結果を表に示すと次のとおりである。
【００８１】
【表８】
【００８２】
実施例４
実施例４の精製作業による結果を表に示すと次のとおりである。
【００８３】
【表９】
【００８４】
実施例５
実施例５の精製作業による結果を表に示すと次のとおりである。
【００８５】
【表１０】
【００８６】
実施例６
実施例６の操業は硬鉛（Ｐｂ−Ｓｂ合金）中のアンチモン（Ｓｂ）を除去する作業である。
【００８７】
【表１１】
【００８８】
以上、本発明の好ましい実施形態を例に挙げて説明したが、本発明の範囲はこのような特定の実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内で適切に変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の一実施態様によるスクリューコンベア型精製装置の構成を示す図である。
【図２】図１のII−II線断面図である。
【図３】図１のスクリューコンベアの分解斜視図である。
【図４】図１の加熱ヒータの斜視図である。
【図５】図１の加熱ヒータを制御する制御部の構成を示す概略図である。
【図６】図１の水噴射部の電気的結線を示す拡大断面図である。
【図７】錫合金の不純物精製方法を説明するための図である。
【図８】図１に示す装置を利用した不純物除去工程を示す工程図である。
【図９】Ｓｎ−Ｐｂ合金の状態図である。
【図１０】Ｓｎ−Ａｇ合金の状態図である。
【図１１】Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金の状態図である。
【図１２】Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金の状態図である。
【図１３】Ｐｂ−Ｓｂ合金の状態図である。
【符号の説明】
【００９０】
１００ ベース
２００ スクリューコンベア
３００ 加熱制御部
４００ 冷却制御部
５００ 駆動モータ
６００ 減速器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空状の断面を有して長手方向に延びるように形成され、内部の混合物を移動させるスクリューコンベアと、
前記混合物の溶解及び凝固作業を繰り返すように前記スクリューコンベアの内部温度を制御して、前記混合物を純粋物と不純物とに分離して移動させる反応調節部と、
を含むことを特徴とするスクリューコンベア型精製装置。
【請求項２】
前記混合物が、Ｓｎ−Ｐｂ系、Ｓｎ−Ａｇ系及びＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の錫合金を含むことを特徴とする、請求項１に記載のスクリューコンベア型精製装置。
【請求項３】
前記スクリューコンベアが、
内部に前記混合物が装入される中空円筒体と、
前記中空円筒体の内部に回転可能に装着される螺旋状スクリューと、
前記螺旋状スクリューに連結されて該螺旋状スクリューを回転させる駆動部と、
を含むことを特徴とする、請求項１に記載のスクリューコンベア型精製装置。
【請求項４】
前記中空円筒体が、
互いに結合される半円状の断面を有する上半部中空円筒体及び下半部中空円筒体と、
前記上半部中空円筒体と前記下半部中空円筒体との間に配置される円筒断熱材と、
を含むことを特徴とする、請求項３に記載のスクリューコンベア型精製装置。
【請求項５】
前記中空円筒体が、
精製しようとする前記混合物を装入する装入部と、
前記不純物が溶融して排出されるように形成された不純物排出口と、
前記純粋物が凝固して排出されるように形成された純粋物排出口と、
を含むことを特徴とする、請求項３に記載のスクリューコンベア型精製装置。
【請求項６】
ベースをさらに含み、
前記中空円筒体が、前記純粋物排出口が形成された側の端部が、前記不純物排出口が形成された側の端部より高く配置されるように、前記中空円筒体が前記ベースに対して傾斜して装着されることを特徴とする、請求項５に記載のスクリューコンベア型精製装置。
【請求項７】
前記駆動部が、
駆動モータと、
前記駆動モータに連結される減速器と、
前記減速器と前記螺旋状スクリューとを連結するスプロケット及びチェーンと、
を含むことを特徴とする、請求項３に記載のスクリューコンベア型精製装置。
【請求項８】
前記反応調節部が、
前記スクリューコンベアの一側に形成されて前記混合物を冷却する冷却部と、
前記スクリューコンベアの他側に形成されて前記混合物を加熱する加熱部と、
前記スクリューコンベアの内部温度を感知し、前記冷却部及び前記加熱部の作動を制御する温度制御部と、
を含むことを特徴とする、請求項１に記載のスクリューコンベア型精製装置。
【請求項９】
前記冷却部が、前記スクリューコンベアに離隔して配置されて水を噴射する水噴射部であり、前記加熱部が、前記スクリューコンベアに装着される加熱ヒータであることを特徴とする、請求項８に記載のスクリューコンベア型精製装置。
【請求項１０】
前記水噴射部が、前記スクリューコンベアの長手方向に所定距離往復移動可能に設置されることを特徴とする、請求項９に記載のスクリューコンベア型精製装置。
【請求項１１】
前記加熱ヒータを覆うように前記スクリューコンベアに装着され、前記加熱ヒータの熱損失を防止するヒータ断熱部をさらに含むことを特徴とする、請求項９に記載のスクリューコンベア型精製装置。
【請求項１２】
前記温度制御部が、
前記冷却部の作動を制御する冷却制御部と、
前記加熱部の作動を制御する加熱制御部と、
を含むことを特徴とする、請求項８に記載のスクリューコンベア型精製装置。
【請求項１３】
前記スクリューコンベアの内部に延びて前記冷却制御部に電気的に接続され、前記混合物の温度を計測するための冷却温度センサと、
前記加熱部に装着されて前記加熱制御部に電気的に接続され、前記加熱部の温度を計測するための加熱温度センサと、
をさらに含むことを特徴とする、請求項１２に記載のスクリューコンベア型精製装置。
【請求項１４】
ケトルで粗錫又は錫合金を溶解して約２５０℃に維持する段階と、
加熱ヒータでスクリューコンベアを２５０〜２８０℃に予熱する段階と、
前記予熱されたスクリューコンベアの装入部を介して、前記ケトル内の溶解された粗錫又は錫合金を前記スクリューコンベアに注入する段階と、
前記スクリューコンベアの作業温度を設定制御し、前記スクリューコンベアの螺旋状スクリューを徐々に回転させながら水噴射部から水を噴射して、前記スクリューコンベア内部の金属を部分凝固させ、前記凝固した金属を前記スクリューコンベアの上部に移送する段階と、
を含むことを特徴とする錫合金の精製方法。
【請求項１５】
銀（Ａｇ）を含有する錫合金Ｓｎ−Ａｇ系中の不純物である鉛（Ｐｂ）を利用して、融点が１８３℃であるＳｎ−Ｐｂ共晶系及び融点が２２１℃であるＳｎ−Ａｇ共晶系が形成されるように、操業制御温度を１８５〜２２１℃に設定して、再結晶化法で不純物である鉛（Ｐｂ）を除去することを特徴とする、請求項１４に記載の錫合金の精製方法。
【請求項１６】
銀（Ａｇ）を含有する錫合金Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系中の不純物である鉛（Ｐｂ）を利用して、融点が１８３℃であるＳｎ−Ｐｂ共晶系及び融点が２１６℃であるＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ共晶系が形成されるように、操業制御温度を１８５〜２１６℃に設定して、再結晶化法で不純物である鉛（Ｐｂ）を除去することを特徴とする、請求項１４に記載の錫合金の精製方法。
【請求項１７】
前記スクリューコンベア内の粗錫（Ｓｎ）を精製するときの任意の作業制御基準温度が、数式
Ｔｘ＝８１．５（ｌｏｇｘ−１）＋１５０．４
（式中、ｘは錫（Ｓｎ）含有量％を示し、錫含有量％が６１．９〜１００％である場合に適用され、Ｔｘは錫含有量％がｘである場合の作業制御基準温度（℃）である）により決定され、
前記作業制御基準温度に基づいて精製作業制御温度範囲を算出することを特徴とする、請求項１４に記載の錫合金の精製方法。
【請求項１】
中空状の断面を有して長手方向に延びるように形成され、内部の混合物を移動させるスクリューコンベアと、
前記混合物の溶解及び凝固作業を繰り返すように前記スクリューコンベアの内部温度を制御して、前記混合物を純粋物と不純物とに分離して移動させる反応調節部と、
を含むことを特徴とするスクリューコンベア型精製装置。
【請求項２】
前記混合物が、Ｓｎ−Ｐｂ系、Ｓｎ−Ａｇ系及びＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の錫合金を含むことを特徴とする、請求項１に記載のスクリューコンベア型精製装置。
【請求項３】
前記スクリューコンベアが、
内部に前記混合物が装入される中空円筒体と、
前記中空円筒体の内部に回転可能に装着される螺旋状スクリューと、
前記螺旋状スクリューに連結されて該螺旋状スクリューを回転させる駆動部と、
を含むことを特徴とする、請求項１に記載のスクリューコンベア型精製装置。
【請求項４】
前記中空円筒体が、
互いに結合される半円状の断面を有する上半部中空円筒体及び下半部中空円筒体と、
前記上半部中空円筒体と前記下半部中空円筒体との間に配置される円筒断熱材と、
を含むことを特徴とする、請求項３に記載のスクリューコンベア型精製装置。
【請求項５】
前記中空円筒体が、
精製しようとする前記混合物を装入する装入部と、
前記不純物が溶融して排出されるように形成された不純物排出口と、
前記純粋物が凝固して排出されるように形成された純粋物排出口と、
を含むことを特徴とする、請求項３に記載のスクリューコンベア型精製装置。
【請求項６】
ベースをさらに含み、
前記中空円筒体が、前記純粋物排出口が形成された側の端部が、前記不純物排出口が形成された側の端部より高く配置されるように、前記中空円筒体が前記ベースに対して傾斜して装着されることを特徴とする、請求項５に記載のスクリューコンベア型精製装置。
【請求項７】
前記駆動部が、
駆動モータと、
前記駆動モータに連結される減速器と、
前記減速器と前記螺旋状スクリューとを連結するスプロケット及びチェーンと、
を含むことを特徴とする、請求項３に記載のスクリューコンベア型精製装置。
【請求項８】
前記反応調節部が、
前記スクリューコンベアの一側に形成されて前記混合物を冷却する冷却部と、
前記スクリューコンベアの他側に形成されて前記混合物を加熱する加熱部と、
前記スクリューコンベアの内部温度を感知し、前記冷却部及び前記加熱部の作動を制御する温度制御部と、
を含むことを特徴とする、請求項１に記載のスクリューコンベア型精製装置。
【請求項９】
前記冷却部が、前記スクリューコンベアに離隔して配置されて水を噴射する水噴射部であり、前記加熱部が、前記スクリューコンベアに装着される加熱ヒータであることを特徴とする、請求項８に記載のスクリューコンベア型精製装置。
【請求項１０】
前記水噴射部が、前記スクリューコンベアの長手方向に所定距離往復移動可能に設置されることを特徴とする、請求項９に記載のスクリューコンベア型精製装置。
【請求項１１】
前記加熱ヒータを覆うように前記スクリューコンベアに装着され、前記加熱ヒータの熱損失を防止するヒータ断熱部をさらに含むことを特徴とする、請求項９に記載のスクリューコンベア型精製装置。
【請求項１２】
前記温度制御部が、
前記冷却部の作動を制御する冷却制御部と、
前記加熱部の作動を制御する加熱制御部と、
を含むことを特徴とする、請求項８に記載のスクリューコンベア型精製装置。
【請求項１３】
前記スクリューコンベアの内部に延びて前記冷却制御部に電気的に接続され、前記混合物の温度を計測するための冷却温度センサと、
前記加熱部に装着されて前記加熱制御部に電気的に接続され、前記加熱部の温度を計測するための加熱温度センサと、
をさらに含むことを特徴とする、請求項１２に記載のスクリューコンベア型精製装置。
【請求項１４】
ケトルで粗錫又は錫合金を溶解して約２５０℃に維持する段階と、
加熱ヒータでスクリューコンベアを２５０〜２８０℃に予熱する段階と、
前記予熱されたスクリューコンベアの装入部を介して、前記ケトル内の溶解された粗錫又は錫合金を前記スクリューコンベアに注入する段階と、
前記スクリューコンベアの作業温度を設定制御し、前記スクリューコンベアの螺旋状スクリューを徐々に回転させながら水噴射部から水を噴射して、前記スクリューコンベア内部の金属を部分凝固させ、前記凝固した金属を前記スクリューコンベアの上部に移送する段階と、
を含むことを特徴とする錫合金の精製方法。
【請求項１５】
銀（Ａｇ）を含有する錫合金Ｓｎ−Ａｇ系中の不純物である鉛（Ｐｂ）を利用して、融点が１８３℃であるＳｎ−Ｐｂ共晶系及び融点が２２１℃であるＳｎ−Ａｇ共晶系が形成されるように、操業制御温度を１８５〜２２１℃に設定して、再結晶化法で不純物である鉛（Ｐｂ）を除去することを特徴とする、請求項１４に記載の錫合金の精製方法。
【請求項１６】
銀（Ａｇ）を含有する錫合金Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系中の不純物である鉛（Ｐｂ）を利用して、融点が１８３℃であるＳｎ−Ｐｂ共晶系及び融点が２１６℃であるＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ共晶系が形成されるように、操業制御温度を１８５〜２１６℃に設定して、再結晶化法で不純物である鉛（Ｐｂ）を除去することを特徴とする、請求項１４に記載の錫合金の精製方法。
【請求項１７】
前記スクリューコンベア内の粗錫（Ｓｎ）を精製するときの任意の作業制御基準温度が、数式
Ｔｘ＝８１．５（ｌｏｇｘ−１）＋１５０．４
（式中、ｘは錫（Ｓｎ）含有量％を示し、錫含有量％が６１．９〜１００％である場合に適用され、Ｔｘは錫含有量％がｘである場合の作業制御基準温度（℃）である）により決定され、
前記作業制御基準温度に基づいて精製作業制御温度範囲を算出することを特徴とする、請求項１４に記載の錫合金の精製方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００７−１３２６５４（Ｐ２００７−１３２６５４Ａ）
【公開日】平成１９年５月３１日（２００７．５．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３０２２０４（Ｐ２００６−３０２２０４）
【出願日】平成１８年１１月８日（２００６．１１．８）
【出願人】（５０６３７４１００）
【氏名又は名称原語表記】ＬＥＥ Ｇｏｏｎ−Ｈｅｅ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年５月３１日（２００７．５．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月８日（２００６．１１．８）
【出願人】（５０６３７４１００）
【氏名又は名称原語表記】ＬＥＥ Ｇｏｏｎ−Ｈｅｅ
【Ｆターム（参考）】
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