鉄スクラップに共存する元素の分離・回収方法
【課題】鉄スクラップに共存する銅などの元素を効率的にかつ経済的に分離・回収する方法を提供する。
【解決手段】鉄スクラップを溶融させ、得られた鉄スクラップの溶融物と溶融Ａｇとを接触させることで、鉄スクラップの溶融物と溶融Ａｇとの間における分配平衡に基づいて、鉄スクラップに共存する元素を溶融Ａｇに移行させ、この溶融Ａｇに移行した元素を溶融Ａｇから酸化除去する。鉄スクラップの溶融物はＣを含有していることが好ましく、Ｃが飽和溶解していることがさらに好ましい。
【解決手段】鉄スクラップを溶融させ、得られた鉄スクラップの溶融物と溶融Ａｇとを接触させることで、鉄スクラップの溶融物と溶融Ａｇとの間における分配平衡に基づいて、鉄スクラップに共存する元素を溶融Ａｇに移行させ、この溶融Ａｇに移行した元素を溶融Ａｇから酸化除去する。鉄スクラップの溶融物はＣを含有していることが好ましく、Ｃが飽和溶解していることがさらに好ましい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は鉄スクラップにおいて鉄と共存する元素、特にトランプエレメントなどの金属元素の分離・回収方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
日本国内での鉄スクラップの蓄積は年々増加しており、２０２０年には約１８億トンに達し、年５，０００万トンの鉄スクラップが発生すると予想されている。市中鉄スクラップ中には、鉄からの除去が困難であり、また、鋼材の品質あるいは製造過程に悪影響を及ぼすトランプエレメントと称される微少な鉄以外の不純物成分（Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｓｎ，Ｚｎなど）が含まれるものが多く、我が国製鉄業が得意とする高級鋼材の原料としての使用が制約されている。
【０００３】
また、昨今、鉄資源以外にも有用稀少金属の高騰および枯渇の問題が現出しており、この観点から見た場合でも、鉄スクラップには上記の銅やクロムに加えて有用な金属（Ｗ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｖ，Ｎｂ等）が含まれており、鉄スクラップに含まれている微少な鉄以外の成分を効率的に分離させ、これを回収することが可能となれば、国内で発生する鉄スクラップを輸出せず、国内での活用を拡大することが可能となる。
【０００４】
鉄スクラップより銅を除去する方法としては、鉄−アルカリ金属およびアルカリ土類金属系の硫化物と炭素飽和鉄間の銅の分配を利用して、溶鉄から銅を除去する技術がある（非特許文献１）。
【０００５】
この方法では１００ｋｇ／ｔ−ｍｅｔａｌのフラックス原単位で６５〜７５％の脱銅率を達成できるが、脱銅効率は十分ではなく、さらに脱銅率を向上するためにはフラックスの量を増加させる必要があり、経済的観点から問題がある。
【０００６】
また、多量のアルカリ金属を含む硫化物フラックスを利用することからフラックスの処理も問題となる。
特許文献１には、塩素ガスを用いて鉄に対して銅を選択的に反応させ、これを気体として除去する方法が報告されているが、塩素ガスを用いるので反応容器を完全密閉型にする必要があるとともに、塩素と反応しない反応容器の材質が問題となる。
【０００７】
真空下での銅を選択的に蒸発させる蒸発精錬法も提案されているが、蒸発速度を高めるためには１８７３Ｋ以上の高温および少なくとも１００Ｐａの高真空が必要である。また、蒸発速度から試算した実用化に足る反応界面積は多大であり、実プロセスへの展開は困難である（非特許文献２）。
【０００８】
特許文献２には鉄スクラップ中の銅を一旦鉛合金へ移行した後、鉛合金中の銅をアルミニウムを含む金属融体へ移行させることにより銅を除去する技術が考案されている。
しかし、この従来技術では溶融鉄に対して鉄スクラップ中から鉛合金への銅の移行と鉛合金中からアルミニウムを含む金属融体への銅の移行を別々に実施する必要があり、連続的に進行させることができない。
【０００９】
また、鉄スクラップからの鉛合金への銅の移行において、鉄に対する鉛合金への銅の分配（銅の平衡分配比＝［質量％Ｃｕ］ｉｎ Ｐｂ ／ ［質量％Ｃｕ］ｉｎ Ｆｅ−Ｃ、ここで、［質量％Ｃｕ］ｉｎ Ｐｂは鉛中の銅濃度を、［質量％Ｃｕ］ｉｎ Ｆｅ−Ｃは鉄中の銅濃度を意味する。）は２：１程度と小さく、鉄中から銅を除去するためには多量の鉛合金が必要という問題がある。
【００１０】
以上のように、従来提案されてきた鉄スクラップからの銅の除去方法は、その効率や経済的観点から問題があり、実用化には至っていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平６−２４８３６４
【特許文献２】特開平１０−１１０２２４
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】王潮、長坂徹也、日野光、萬谷志郎：鉄と鋼、７７（１９９１）、６４４−６５１．
【非特許文献２】Ｈ．Ｏｎｏ−Ｎａｋａｚａｔｏ，Ｋ．Ｔａｇｕｃｈｉ，Ｙ．Ｓｅｉｋｅ ａｎｄ Ｔ．Ｕｓｕｉ： ＩＳＩＪ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，４３（２００３）,１６９１−１６９７．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、鉄スクラップに共存する銅などの元素を効率的にかつ経済的に分離・回収する方法を提案し、鉄スクラップの利用を拡大することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者らが検討した結果、鉄スクラップに共存する元素のうち、通常の酸化精錬では溶鉄から分離することが困難な元素であっても、鉄スクラップの溶融物に対する溶解度が特に低い溶融Ａｇを媒体として間接的に酸化除去することにより、上記課題を解決することが可能であるとの知見を得た。
【００１５】
Ｆｅよりも酸化しにくく従来の酸化製錬では溶鉄から分離することが困難な元素の例としてＣｕを用いて、この知見を具体的に説明する。鉄スクラップの溶融物に対する溶解度が特に低い溶融Ａｇを介し、鉄スクラップの溶融物と接していない溶融Ａｇ表面に酸素を吹き付けることで、Ｃｕを酸化除去して回収することが可能となる。
【００１６】
Ｆｅ相にＣｕが含有している場合には、ＦｅはＣｕに対して優先的に酸化されてしまう。このため、下記式（２）の反応を通常は進めることができない。
【００１７】
【数１】
【００１８】
そこで鉄スクラップの溶融物と溶解度をもたないＡｇを用いて、鉄スクラップの溶融物と溶融Ａｇ間のＣｕの分配（下記式（３））と溶融Ａｇ中のＣｕの酸化（下記式（４））を連続的に進めることにより、式（３）＋式（４）＝式（２）の反応、つまり、鉄スクラップの溶融物中のＣｕの酸化精錬を実現可能とする。
【００１９】
【数２】
【００２０】
上記の原理で分離しうる元素は、Ａｇよりも酸化しやすい元素であって、鉄スクラップの溶融物および溶融Ａｇに対して溶解しうる、すなわち鉄スクラップの溶融物と溶融Ａｇとの界面において分配される元素である。
【００２１】
また、鉄スクラップの溶融物がＣを含有していると、より効率的に上記の元素を回収することが可能となる。
以上の知見に基づき完成された本発明は次のとおりである。
【００２２】
（１）鉄スクラップに共存する元素の分離・回収方法であって、鉄スクラップを溶融させ、得られた鉄スクラップの溶融物と溶融Ａｇとを接触させることで前記鉄スクラップに共存する元素を溶融Ａｇに移行させ、この溶融Ａｇに移行した元素を溶融Ａｇから酸化除去することを特徴とする分離・回収方法。
【００２３】
ここで、鉄スクラップを溶融させ、得られた鉄スクラップの溶融物と溶融Ａｇとを接触させると、鉄スクラップの溶融物と溶融Ａｇとの間における分配平衡に基づいて、鉄スクラップの溶融物から溶融Ａｇへと、鉄スクラップにおいて鉄と共存する元素（以下、「共存元素」ともいう。）が移行する。
また、「酸化除去」とは、酸素を吹付けるなどの手段により溶融Ａｇの表面近傍の雰囲気を強酸化性雰囲気とすることにより、溶融Ａｇに含まれる元素のうちＡｇよりも酸化されやすい元素を酸化し、溶融Ａｇに不溶な酸化物として溶融Ａｇ相から除去することをいう。
【００２４】
（２）鉄スクラップの溶融および鉄スクラップの溶融物と溶融Ａｇとの接触を非酸化性雰囲気で行う上記（１）記載の分離・回収方法。
【００２５】
（３）鉄スクラップの溶融物がＣを含有し、その濃度Ｎｃ（単位：質量％）が下記式（１）を満たす上記（１）または（２）記載の分離・回収方法：
ＮＣ ≦ １０１２．７２８ ／ Ｔ ＋ ０．７２７１ × ｌｏｇ Ｔ − ３．０４９ （１）
ここで、Ｔは鉄スクラップの溶融物の温度であり、１４２６＜Ｔ＜１８７３Ｋを満たす。
【００２６】
（４）鉄スクラップを炭素源とともに溶融させることで、Ｃを含有する鉄スクラップの溶融物を得る上記（３）記載の分離・回収方法。
【００２７】
（５）鉄スクラップの溶融および鉄スクラップの溶融物と溶融Ａｇとの接触を黒鉛坩堝内で行い、鉄スクラップの溶融物にＣが飽和溶解している上記（４）記載の分離・回収方法。
【００２８】
（６）分離・回収される元素がトランプエレメントを含む上記（１）から（５）のいずれかに記載の分離・回収方法。
【００２９】
（７）分離・回収される元素がＷ，Ｍｏ，Ｃｏ，ＶおよびＮｂからなる群から選ばれる一種または二種以上である上記（１）から（６）のいずれかに記載の分離・回収方法。
【発明の効果】
【００３０】
本発明では、鉄スクラップに共存する元素を、鉄スクラップの溶融物と溶解度を持たない溶融Ａｇを媒体とすることで酸化除去可能する。このため、鉄スクラップからトランプエレメントや有用な希少元素を効率的に回収することが実現される。したがって、本発明に係る方法を採用することで鉄スクラップの利用拡大を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る共存元素の分離・回収方法を実施するための反応容器の一例の構造を概念的に示す図である。
【図２】本実施例において使用した共存元素の分離・回収装置を概念的に示す図である。
【図３】本実施例の試験終了後の固体Ａｇ相における回収領域側の表面の一部をＸ線回折（ＸＲＤ）測定した結果である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下に、本発明に係る鉄スクラップにおいて鉄と共存する元素（共存元素）の分離・回収方法について詳しく説明する。
１．分離・回収原理
本発明におけるＡｇを利用した鉄スクラップ中の共存元素の分離・回収方法は、鉄スクラップが溶融して得られる溶融物からなる溶融Ｆｅ相と溶融Ａｇ相とが２液相分離し、互いにほとんど溶解度をもたず溶け合わない性質、および媒体相である溶融Ａｇ相が貴金属であるため酸素と反応しにくい性質を利用する。
【００３３】
図１は、本発明に係る共存元素の分離・回収方法を実施するための反応容器の一例の構造を概念的に示す図である。
溶融Ａｇ相は溶融Ｆｅ相よりも比重が大きいため、本発明に係る方法を実施する反応容器として、図１に示されるように、溶融Ａｇ相が下層に存在し、一部溶融Ａｇ相に浸入するかたちで仕切りがあり、仕切りで区切られた一方の領域において溶融Ｆｅ相と溶融Ａｇ相とが接触し、他方の領域において溶融Ａｇの表面に酸素が供給されるような構造が考えられる。以下、上記の一方の領域を「分離領域」、上記の他方の領域を「回収領域」という。
【００３４】
ＦｅとＡｇとはお互いに溶解度をほとんどもたないため、分離領域において溶融Ｆｅ相と溶融Ａｇ相とが２液相分離する。このため、鉄スクラップ中の共存元素は２液相分離した溶融Ｆｅ相と溶融Ａｇ相とに分配される。
【００３５】
溶融Ａｇ相内に分配された共存元素は、仕切りを越えて回収領域へと拡散し、この領域の溶融Ａｇの表面近傍に到達する。回収領域の溶融Ａｇの表面には酸素が供給されているため、回収領域は強酸化性雰囲気となっている。このため、回収領域の溶融Ａｇの表面近傍に到達した共存元素は速やかに酸化される。ここで、媒体である溶融Ａｇは貴金属であるために酸化されにくい。したがって、共存元素は優先的に酸化され、酸化物となって溶融Ａｇ相から除去される。
【００３６】
こうして溶融Ａｇ相中の共存元素が酸化除去されると、溶融Ａｇ相の回収領域における共存元素の濃度が低下し、この影響により分離領域から回収領域へと共存元素の拡散が促進される。このため、分離領域における共存元素の濃度も低下する。すると、溶融Ｆｅ相と溶融Ａｇ相との間の共存元素の分配平衡に基づき、分離領域において溶融Ｆｅ相から溶融Ａｇ相へ共存元素が移動する。この共存元素の移動が生じている間も回収領域では共存元素の濃度低下が生じているため、分離領域において溶融Ａｇ相中へ移動した共存元素は拡散により回収領域へとさらに移動し、回収領域の強酸化性雰囲気で酸化除去される。
このような原理で、鉄スクラップの溶融物からなる溶融Ｆｅ相に含まれる共存元素が連続的に減少し、この共存元素は溶融Ａｇ相側において酸化物として回収される。
【００３７】
２．対象元素
以上の原理（以下、「本原理」という。）に基づき元素の分離・回収を行うため、本発明において分離・回収される元素は、媒体であるＡｇよりも酸化されやすい元素となる。これらの元素には、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｓｎ，Ｚｎなどのいわゆるトランプエレメントが含まれ、また、Ｗ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｖ，Ｎｂ等の有用な希少金属も含まれる。特に、鉄よりも酸化されにくい元素（Ｃｕなど）は、従来の酸化精錬では除去されないが、本原理に基づく本発明の方法では、効率的に分離・回収されることになる。つまり、鉄スクラップに含有される非鉄金属元素のうち、Ａｇよりも酸化されやすくＦｅよりも酸化されにくい元素を対象とする場合に、本発明の分離・回収方法による利益を最も享受できる。
【００３８】
もちろん、鉄よりも酸化されやすい、すなわち従来の酸化精錬によっても除去されうる金属（例えばＳｍなどのＲＥＭ）も本原理により回収領域において回収可能である。ただし、そのような元素を回収領域において効率的に回収されるようにするためには、分離領域において従来の酸化精錬が進行しないように、分離領域の雰囲気を非酸化性雰囲気とすることが好ましい。
【００３９】
なお、後述するように、Ｃ，Ｓｉ，ＢなどのＦｅに対して熱力学的親和力が働く元素は、鉄スクラップの溶融物から溶融Ａｇに移動しにくいため、本原理によって効率的に分離することは困難である。
【００４０】
３．分離領域の雰囲気
溶融Ｆｅ相と溶融Ａｇ相とが接触する分離領域における雰囲気は非酸化性雰囲気であることが好ましい。溶融Ｆｅ相と溶融Ａｇ相との間で元素の分配が行われることを利用して溶融Ｆｅ相から溶融Ａｇ相へと共存元素を移動させるため、本原理に基づく分離・回収方法の対象元素が溶融Ｆｅ相に溶解していることが求められる。したがって、分離領域の雰囲気、すなわち溶融Ｆｅ相と溶融Ａｇ相との界面近傍の雰囲気の酸素分圧が高いと、溶融Ｆｅ相に溶解する元素には酸化物となってしまうものもあり、そのように溶融Ｆｅ相内で酸化物になってしまうと、溶融Ｆｅ相と溶融Ａｇ相との界面を通じて溶融Ａｇ相に移動することが困難となり、回収領域においてその元素が回収されにくくなってしまう。
【００４１】
４．鉄スクラップの溶融物の組成
上記のように、鉄スクラップの溶融物が溶融Ｆｅ相である場合には、溶融Ａｇ相と２液相分離させることが実現されるが、次に説明するように、鉄スクラップの溶融物は溶融Ｆｅ−Ｃ相であることが好ましく、この溶融Ｆｅ−Ｃ相に含有されるＣは飽和溶解していることが特に好ましい。
【００４２】
炭素を含まないＦｅ−Ａｇ系で２液相に分離する場合には、共存元素の種類や濃度にも依存するが鉄の融点近傍の温度、すなわち１８００Ｋ程度は必要とされる。しかしながら、系全体の温度を高めると、溶融Ｆｅ相に対するＡｇの溶解度が増加する。このため本発明に係る分離・回収方法を実施したあとの鉄スクラップにおけるＡｇ濃度が、系全体の温度を高めない場合に比べて相対的に高くなりやすい。また、このことは、本発明の実施後における媒体であるＡｇが相対的に多く減少することを意味し、プロセスロスの増加を招く。
【００４３】
これに対し、鉄スクラップを溶融させるにあたり炭素源を存在させると、ＣはＦｅと熱力学的親和力が働くため、鉄スクラップの溶融物は溶融Ｆｅ相から溶融Ｆｅ−Ｃ相になる。このため、溶融物の融点は、共存元素の種類や濃度にも依存するが１５００K以下程度に低下し、相対的に低温での２液相分離が可能となる。このことがプロセス後の鉄スクラップの品質向上およびプロセスロスの低下をもたらすことは上記のとおりである。また、Ｃが含まれていることにより、鉄スクラップの溶融物中へのＡｇの溶解度がさらに減少する。このため、単に融点が低下したこと以上に、プロセス後の鉄スクラップの品質向上およびプロセスロスの低下がもたらされる。さらに、溶融Ｆｅ−Ｃ相中の共存元素の活量係数が大きくなるため、共存元素の溶融Ｆｅ−Ｃ相および溶融Ａｇ相間の分配において、溶融Ａｇ相へと分配される共存元素の濃度が高くなることが熱力学的に期待される、つまり、溶融Ｆｅ−Ｃ相中から融Ａｇ相中への共存元素の移動が促進される。そのうえ、Ｃが含まれていることで、鉄スクラップの溶融物におけるＦｅと酸素との反応が抑制される。
【００４４】
鉄スクラップの溶融物を溶融Ｆｅ−Ｃ相とした場合における上記式（２）から（４）に対応する反応は、次の式（２）’から（４）’に示されるとおりである。
【００４５】
【数３】
【００４６】
表１はＰＯ２＝１ａｔｍ制御下において溶融Ａｇ相と接触させた場合の溶融Ｆｅ−Ｃ相（Ｃ濃度は４．４質量％）中の共存元素濃度の低減限界値の計算結果を示している。
【００４７】
【表１】
【００４８】
表１は、Ｃｕ，Ｎｉなどのトランプエレメントの溶融Ｆｅ−Ｃ相中濃度を低減させることが可能であることを示している。また、Ｗ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ｖ，Ｎｂなどの金属元素は溶融Ｆｅ−Ｃ相中に残留する量は極めて少なくなる可能性があることも表１は示している。このように、本原理に基づくことにより、効率的に溶融Ｆｅ−Ｃ相中から共存元素を抽出し、分離・回収できることを、表１は示している。
【００４９】
溶融Ｆｅ−Ｃ相中のＣ濃度Ｎｃ（単位：質量％）は特に限定されないが、溶融Ｆｅ−Ｃ相の温度によって飽和溶解モル分率が決定されるため、下記式（１）に示される範囲となる。
ＮＣ ≦ １０１２．７２８ ／ Ｔ ＋ ０．７２７１ × ｌｏｇ Ｔ − ３．０４９ （１）
【００５０】
ここで、Ｔは鉄スクラップの溶融物の温度であり、１４２６Ｋ＜Ｔ＜１８７３Ｋを満たす。鉄スクラップ溶融物の温度Ｔが１４２６Ｋ以下の場合には、Ｆｅ−Ｃ相は液相として存在することが困難となるため、本原理に基づく分離・回収方法を実施することが実質的に不可能となる。鉄スクラップ溶融物の温度Ｔが１８７３Ｋ以上の場合には、本原理に基づく分離・回収方法を実施するために投入するエネルギーが過大となり、この方法を実施する利益が実質的になくなってしまう。
【００５１】
Ｃ濃度Ｎｃが高いほど溶融Ｆｅ−Ｃ相にＡｇは移動しにくくなり、共存元素は溶融Ａｇ相側に移動しやすくなるため、溶融Ｆｅ−Ｃ相においてＣは飽和していることが好ましい。また、Ｃ濃度Ｎｃが高いと、回収領域から溶融Ａｇ相に供給された酸素が拡散などの理由により分離領域に到達しても、溶融Ａｇ相と接触する溶融Ｆｅ−Ｃ相に含有されるＣによって速やかに系外に除去される。このため、分離領域を非酸化性雰囲気に維持することが安定的にかつ容易に実現される。炭素を含有させたことの利益が明確になるＣ濃度Ｎｃは、鉄スクラップ溶融物の組成などにより変化する。
【００５２】
鉄スクラップの溶融物へのＣの供給方法は特に限定されない。図１に示されるように、石炭などの炭素源を鉄スクラップと共存させた状態で溶融させてもよい。図２に示されるように、鉄スクラップを溶融させる坩堝を黒鉛坩堝とすれば、黒鉛坩堝から炭素が供給されるとともに、鉄スクラップの溶融物の近傍の雰囲気を非酸化性雰囲気とすることが容易に実現されるため、好ましい。
【００５３】
以上鉄スクラップの溶融物にＣを含有させることの利点について説明したが、Ｃと同様にＦｅと熱力学的親和力が働く元素、例えばＢやＳｉを鉄スクラップの溶融物に含有させた場合も、Ｃの場合と同様の効果が得られる。このことを別の観点から説明すれば、共存元素としてＢやＳｉが鉄スクラップに含まれている場合には、これらの元素を本原理によって分離・回収することは困難である。
【００５４】
５．媒体相の材料
本発明においては、鉄スクラップに含まれる共存元素の移動媒体相として溶融Ａｇ相を使用する。溶融Ａｇ相は鉄スクラップの溶融物と酸素を含む気相との間に介在する媒体相であって、それ自体は酸素と反応しない。このように溶融Ａｇ相を介在させることで、鉄スクラップの溶融物における溶鉄が直接酸化反応を起こすことが抑制される。また、媒体である溶融Ａｇ相を通じて鉄スクラップの溶融物から回収領域に移動してきたＣｕなどの共存元素は、回収領域の酸化性雰囲気において酸化し、溶融Ａｇ相に不溶なものとなって回収可能となる。このため、溶融Ａｇ相は継続的に使用することが可能である。
【００５５】
なお、Ａｇ以外の他の貴金属も原理的には媒体相として使用可能であるが、Ａｇ以外の貴金属（Ａｕ，Ｐｔなど）はきわめて高価であるから、いかに継続的に利用可能とはいえ、共存元素を移動させる媒体相の材料としてこれらを使用することは現実的でない。また、Ｃｕは回収対象元素となる場合が多いため、媒体相の材料として使用しないことが好ましい。
【００５６】
鉄スクラップに含まれる共存元素を分離領域において分配・分離する観点のみからはＰｂを使用することが可能であるが、回収領域における酸化精錬で媒体自らが揮発したり酸化されたりしてしまう。しかも、Ｐｂは環境負荷の大きな金属である。こうした理由により、Ｐｂを使用することはできない。
【００５７】
６．分離領域と回収領域とが一体化している場合について
以上の説明では、本原理の理解を促進するために分離領域と回収領域とを仕切りにより分けた場合について説明したが、この構成は本原理において必須ではない。
【００５８】
雰囲気全体を酸化性雰囲気として、鉄スクラップの溶融物と溶融Ａｇとを接触させてもよい。この場合には、ＦｅおよびＦｅよりも酸化されやすい元素は、鉄スクラップの溶融物の表面において酸化が進行することで鉄スクラップの溶融物から除去される。また、Ｆｅよりも酸化されにくくＡｇよりも酸化されやすい元素は、溶融Ａｇの表面において酸化が進行して、結果的に鉄スクラップの溶融物から除去されることになる。
【００５９】
このような構成において、鉄スクラップの溶融物がＣを含有し、溶融Ｆｅ−Ｃ相となっている場合には、Ｃを含有させない場合には鉄スクラップの溶融物の表面で酸化していた元素のうちその雰囲気においてＣよりも酸化されにくい元素は、鉄スクラップの溶融物から溶融Ａｇへと移動することが可能となり、その結果、溶融Ａｇの表面において酸化されることとなる。もちろん、本発明に係る分離・回収方法がより効率的に実施されることは上記のとおりであり、さらに、鉄スクラップの溶融物における溶鉄の酸化が含有Ｃにより抑制されるため、共存元素の含有量が低下したＦｅ−Ｃ相をより高収率で回収することが実現される。
【実施例】
【００６０】
以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により制限されるものではない。
Ｆｅに共存元素として含有させたＣｕを、Ａｇを媒体として酸化除去した実施例を示す。
【００６１】
図２に示されるように、切り欠きをいれたアルミナ管（外径１７ｍｍ，内径１２ｍｍ，高さ５５ｍｍ）をアルミナるつぼ（外径３０ｍｍ，内径２４ｍｍ，高さ５０ｍｍ）内に設置し、アルミナ管内にＣｕ濃度が１．８質量％になるように調製したＡｇおよびＣｕ計約３０ｇを入れ、Ａｒ（純度９９．９９％）をガス吹付け管から１００ｃｍ３／ｍｉｎ(標準状態換算)供給してなる雰囲気で１時間予備溶解し、アルミナるつぼ、アルミナ管内をＡｇ−Ｃｕ合金で満たして冷却した。
【００６２】
なお、媒体であるＡｇにあらかじめＣｕを含有させた理由は次のとおりである。
Ｃｕを含有する溶融Ｆｅ相にＡｇのみからなる溶融相を接触させると、次の２つの現象が発生する。
【００６３】
（１）分配により溶融Ｆｅ相中からＣｕが溶融Ａｇ相中に移動し、溶融Ｆｅ相中のＣｕ濃度が減少する（分配による分離）。
（２）溶融Ａｇ相に酸素を吹き付けると溶融Ｆｅ相中のＣｕ濃度がさらに減少する（酸化による回収）。
このように、分離・回収の両方の現象により、溶融Ｆｅ相中のＣｕ濃度が減少するため、両方の現象を独立に評価することができない。
【００６４】
これに対し、一方、Ｃｕを含有する溶融Ｆｅ相に、あらかじめ溶融Ｆｅ相と溶融Ａｇ相との分配で決定される濃度でＣｕを含有する溶融Ａｇ−Ｃｕ相を接触させると、上記の（１）で示される分離現象は生じない。このため、（２）で示される回収現象のみが生じ、本発明の原理をより明確に確認することが可能となる。
【００６５】
上記のようにアルミナるつぼ、アルミナ管内をＡｇ−Ｃｕ合金で満たした後、予備溶解しておいたＦｅ−４質量％Ｃｕ−Ｃ（飽和）合金４ｇをアルミナ管内のＡｇ−Ｃｕ合金上に配し、上記のＦｅ−Ｃｕ−Ｃ合金の周囲を黒鉛管、黒鉛蓋で覆った。
【００６６】
この黒鉛管、黒鉛蓋はＦｅ−Ｃｕ−Ｃ合金の周囲を還元雰囲気に保持するとともに、Fe中への炭素の供給の役割を果たす。
この状態で、温度を１５２３Ｋとし、Ａｒを１００ｃｍ３／ｍｉｎ(標準状態換算)でガス吹付け管から供給する雰囲気中で１時間保持した後、ガス吹付け管からの供給をＯ２（純度９９．５％）を１００ｃｍ３／ｍｉｎ(標準状態換算)に切り替えて、３あるいは７時間保持して空冷した。
【００６７】
室温まで空冷して得られた試料の固体Ｆｅ相中のＣｕ，ＡｇおよびＣ濃度、ならびに固体Ａｇ相中のＣｕ濃度の分析を行った。表２にその結果を示す。
【００６８】
【表２】
【００６９】
Ｆｅ中のＣｕは初期濃度から減少して熱力学平衡計算により得られるＣｕ濃度（０．２６質量％）に近い値となっており、本発明に係る分離・回収方法を用いればＦｅ相中からＣｕを熱力学平衡計算で予測される濃度まで選択的に酸化除去できることが確認された。
【００７０】
なお、試験終了後の固体Ａｇ相における回収領域側の表面の一部をＸ線回折（ＸＲＤ）で測定すると、図３に示されるようにＣｕ２Ｏのピークが観察され、Ｃｕが酸化除去されたことが確認された。
【技術分野】
【０００１】
本発明は鉄スクラップにおいて鉄と共存する元素、特にトランプエレメントなどの金属元素の分離・回収方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
日本国内での鉄スクラップの蓄積は年々増加しており、２０２０年には約１８億トンに達し、年５，０００万トンの鉄スクラップが発生すると予想されている。市中鉄スクラップ中には、鉄からの除去が困難であり、また、鋼材の品質あるいは製造過程に悪影響を及ぼすトランプエレメントと称される微少な鉄以外の不純物成分（Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｓｎ，Ｚｎなど）が含まれるものが多く、我が国製鉄業が得意とする高級鋼材の原料としての使用が制約されている。
【０００３】
また、昨今、鉄資源以外にも有用稀少金属の高騰および枯渇の問題が現出しており、この観点から見た場合でも、鉄スクラップには上記の銅やクロムに加えて有用な金属（Ｗ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｖ，Ｎｂ等）が含まれており、鉄スクラップに含まれている微少な鉄以外の成分を効率的に分離させ、これを回収することが可能となれば、国内で発生する鉄スクラップを輸出せず、国内での活用を拡大することが可能となる。
【０００４】
鉄スクラップより銅を除去する方法としては、鉄−アルカリ金属およびアルカリ土類金属系の硫化物と炭素飽和鉄間の銅の分配を利用して、溶鉄から銅を除去する技術がある（非特許文献１）。
【０００５】
この方法では１００ｋｇ／ｔ−ｍｅｔａｌのフラックス原単位で６５〜７５％の脱銅率を達成できるが、脱銅効率は十分ではなく、さらに脱銅率を向上するためにはフラックスの量を増加させる必要があり、経済的観点から問題がある。
【０００６】
また、多量のアルカリ金属を含む硫化物フラックスを利用することからフラックスの処理も問題となる。
特許文献１には、塩素ガスを用いて鉄に対して銅を選択的に反応させ、これを気体として除去する方法が報告されているが、塩素ガスを用いるので反応容器を完全密閉型にする必要があるとともに、塩素と反応しない反応容器の材質が問題となる。
【０００７】
真空下での銅を選択的に蒸発させる蒸発精錬法も提案されているが、蒸発速度を高めるためには１８７３Ｋ以上の高温および少なくとも１００Ｐａの高真空が必要である。また、蒸発速度から試算した実用化に足る反応界面積は多大であり、実プロセスへの展開は困難である（非特許文献２）。
【０００８】
特許文献２には鉄スクラップ中の銅を一旦鉛合金へ移行した後、鉛合金中の銅をアルミニウムを含む金属融体へ移行させることにより銅を除去する技術が考案されている。
しかし、この従来技術では溶融鉄に対して鉄スクラップ中から鉛合金への銅の移行と鉛合金中からアルミニウムを含む金属融体への銅の移行を別々に実施する必要があり、連続的に進行させることができない。
【０００９】
また、鉄スクラップからの鉛合金への銅の移行において、鉄に対する鉛合金への銅の分配（銅の平衡分配比＝［質量％Ｃｕ］ｉｎ Ｐｂ ／ ［質量％Ｃｕ］ｉｎ Ｆｅ−Ｃ、ここで、［質量％Ｃｕ］ｉｎ Ｐｂは鉛中の銅濃度を、［質量％Ｃｕ］ｉｎ Ｆｅ−Ｃは鉄中の銅濃度を意味する。）は２：１程度と小さく、鉄中から銅を除去するためには多量の鉛合金が必要という問題がある。
【００１０】
以上のように、従来提案されてきた鉄スクラップからの銅の除去方法は、その効率や経済的観点から問題があり、実用化には至っていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平６−２４８３６４
【特許文献２】特開平１０−１１０２２４
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】王潮、長坂徹也、日野光、萬谷志郎：鉄と鋼、７７（１９９１）、６４４−６５１．
【非特許文献２】Ｈ．Ｏｎｏ−Ｎａｋａｚａｔｏ，Ｋ．Ｔａｇｕｃｈｉ，Ｙ．Ｓｅｉｋｅ ａｎｄ Ｔ．Ｕｓｕｉ： ＩＳＩＪ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，４３（２００３）,１６９１−１６９７．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、鉄スクラップに共存する銅などの元素を効率的にかつ経済的に分離・回収する方法を提案し、鉄スクラップの利用を拡大することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者らが検討した結果、鉄スクラップに共存する元素のうち、通常の酸化精錬では溶鉄から分離することが困難な元素であっても、鉄スクラップの溶融物に対する溶解度が特に低い溶融Ａｇを媒体として間接的に酸化除去することにより、上記課題を解決することが可能であるとの知見を得た。
【００１５】
Ｆｅよりも酸化しにくく従来の酸化製錬では溶鉄から分離することが困難な元素の例としてＣｕを用いて、この知見を具体的に説明する。鉄スクラップの溶融物に対する溶解度が特に低い溶融Ａｇを介し、鉄スクラップの溶融物と接していない溶融Ａｇ表面に酸素を吹き付けることで、Ｃｕを酸化除去して回収することが可能となる。
【００１６】
Ｆｅ相にＣｕが含有している場合には、ＦｅはＣｕに対して優先的に酸化されてしまう。このため、下記式（２）の反応を通常は進めることができない。
【００１７】
【数１】
【００１８】
そこで鉄スクラップの溶融物と溶解度をもたないＡｇを用いて、鉄スクラップの溶融物と溶融Ａｇ間のＣｕの分配（下記式（３））と溶融Ａｇ中のＣｕの酸化（下記式（４））を連続的に進めることにより、式（３）＋式（４）＝式（２）の反応、つまり、鉄スクラップの溶融物中のＣｕの酸化精錬を実現可能とする。
【００１９】
【数２】
【００２０】
上記の原理で分離しうる元素は、Ａｇよりも酸化しやすい元素であって、鉄スクラップの溶融物および溶融Ａｇに対して溶解しうる、すなわち鉄スクラップの溶融物と溶融Ａｇとの界面において分配される元素である。
【００２１】
また、鉄スクラップの溶融物がＣを含有していると、より効率的に上記の元素を回収することが可能となる。
以上の知見に基づき完成された本発明は次のとおりである。
【００２２】
（１）鉄スクラップに共存する元素の分離・回収方法であって、鉄スクラップを溶融させ、得られた鉄スクラップの溶融物と溶融Ａｇとを接触させることで前記鉄スクラップに共存する元素を溶融Ａｇに移行させ、この溶融Ａｇに移行した元素を溶融Ａｇから酸化除去することを特徴とする分離・回収方法。
【００２３】
ここで、鉄スクラップを溶融させ、得られた鉄スクラップの溶融物と溶融Ａｇとを接触させると、鉄スクラップの溶融物と溶融Ａｇとの間における分配平衡に基づいて、鉄スクラップの溶融物から溶融Ａｇへと、鉄スクラップにおいて鉄と共存する元素（以下、「共存元素」ともいう。）が移行する。
また、「酸化除去」とは、酸素を吹付けるなどの手段により溶融Ａｇの表面近傍の雰囲気を強酸化性雰囲気とすることにより、溶融Ａｇに含まれる元素のうちＡｇよりも酸化されやすい元素を酸化し、溶融Ａｇに不溶な酸化物として溶融Ａｇ相から除去することをいう。
【００２４】
（２）鉄スクラップの溶融および鉄スクラップの溶融物と溶融Ａｇとの接触を非酸化性雰囲気で行う上記（１）記載の分離・回収方法。
【００２５】
（３）鉄スクラップの溶融物がＣを含有し、その濃度Ｎｃ（単位：質量％）が下記式（１）を満たす上記（１）または（２）記載の分離・回収方法：
ＮＣ ≦ １０１２．７２８ ／ Ｔ ＋ ０．７２７１ × ｌｏｇ Ｔ − ３．０４９ （１）
ここで、Ｔは鉄スクラップの溶融物の温度であり、１４２６＜Ｔ＜１８７３Ｋを満たす。
【００２６】
（４）鉄スクラップを炭素源とともに溶融させることで、Ｃを含有する鉄スクラップの溶融物を得る上記（３）記載の分離・回収方法。
【００２７】
（５）鉄スクラップの溶融および鉄スクラップの溶融物と溶融Ａｇとの接触を黒鉛坩堝内で行い、鉄スクラップの溶融物にＣが飽和溶解している上記（４）記載の分離・回収方法。
【００２８】
（６）分離・回収される元素がトランプエレメントを含む上記（１）から（５）のいずれかに記載の分離・回収方法。
【００２９】
（７）分離・回収される元素がＷ，Ｍｏ，Ｃｏ，ＶおよびＮｂからなる群から選ばれる一種または二種以上である上記（１）から（６）のいずれかに記載の分離・回収方法。
【発明の効果】
【００３０】
本発明では、鉄スクラップに共存する元素を、鉄スクラップの溶融物と溶解度を持たない溶融Ａｇを媒体とすることで酸化除去可能する。このため、鉄スクラップからトランプエレメントや有用な希少元素を効率的に回収することが実現される。したがって、本発明に係る方法を採用することで鉄スクラップの利用拡大を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る共存元素の分離・回収方法を実施するための反応容器の一例の構造を概念的に示す図である。
【図２】本実施例において使用した共存元素の分離・回収装置を概念的に示す図である。
【図３】本実施例の試験終了後の固体Ａｇ相における回収領域側の表面の一部をＸ線回折（ＸＲＤ）測定した結果である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下に、本発明に係る鉄スクラップにおいて鉄と共存する元素（共存元素）の分離・回収方法について詳しく説明する。
１．分離・回収原理
本発明におけるＡｇを利用した鉄スクラップ中の共存元素の分離・回収方法は、鉄スクラップが溶融して得られる溶融物からなる溶融Ｆｅ相と溶融Ａｇ相とが２液相分離し、互いにほとんど溶解度をもたず溶け合わない性質、および媒体相である溶融Ａｇ相が貴金属であるため酸素と反応しにくい性質を利用する。
【００３３】
図１は、本発明に係る共存元素の分離・回収方法を実施するための反応容器の一例の構造を概念的に示す図である。
溶融Ａｇ相は溶融Ｆｅ相よりも比重が大きいため、本発明に係る方法を実施する反応容器として、図１に示されるように、溶融Ａｇ相が下層に存在し、一部溶融Ａｇ相に浸入するかたちで仕切りがあり、仕切りで区切られた一方の領域において溶融Ｆｅ相と溶融Ａｇ相とが接触し、他方の領域において溶融Ａｇの表面に酸素が供給されるような構造が考えられる。以下、上記の一方の領域を「分離領域」、上記の他方の領域を「回収領域」という。
【００３４】
ＦｅとＡｇとはお互いに溶解度をほとんどもたないため、分離領域において溶融Ｆｅ相と溶融Ａｇ相とが２液相分離する。このため、鉄スクラップ中の共存元素は２液相分離した溶融Ｆｅ相と溶融Ａｇ相とに分配される。
【００３５】
溶融Ａｇ相内に分配された共存元素は、仕切りを越えて回収領域へと拡散し、この領域の溶融Ａｇの表面近傍に到達する。回収領域の溶融Ａｇの表面には酸素が供給されているため、回収領域は強酸化性雰囲気となっている。このため、回収領域の溶融Ａｇの表面近傍に到達した共存元素は速やかに酸化される。ここで、媒体である溶融Ａｇは貴金属であるために酸化されにくい。したがって、共存元素は優先的に酸化され、酸化物となって溶融Ａｇ相から除去される。
【００３６】
こうして溶融Ａｇ相中の共存元素が酸化除去されると、溶融Ａｇ相の回収領域における共存元素の濃度が低下し、この影響により分離領域から回収領域へと共存元素の拡散が促進される。このため、分離領域における共存元素の濃度も低下する。すると、溶融Ｆｅ相と溶融Ａｇ相との間の共存元素の分配平衡に基づき、分離領域において溶融Ｆｅ相から溶融Ａｇ相へ共存元素が移動する。この共存元素の移動が生じている間も回収領域では共存元素の濃度低下が生じているため、分離領域において溶融Ａｇ相中へ移動した共存元素は拡散により回収領域へとさらに移動し、回収領域の強酸化性雰囲気で酸化除去される。
このような原理で、鉄スクラップの溶融物からなる溶融Ｆｅ相に含まれる共存元素が連続的に減少し、この共存元素は溶融Ａｇ相側において酸化物として回収される。
【００３７】
２．対象元素
以上の原理（以下、「本原理」という。）に基づき元素の分離・回収を行うため、本発明において分離・回収される元素は、媒体であるＡｇよりも酸化されやすい元素となる。これらの元素には、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｓｎ，Ｚｎなどのいわゆるトランプエレメントが含まれ、また、Ｗ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｖ，Ｎｂ等の有用な希少金属も含まれる。特に、鉄よりも酸化されにくい元素（Ｃｕなど）は、従来の酸化精錬では除去されないが、本原理に基づく本発明の方法では、効率的に分離・回収されることになる。つまり、鉄スクラップに含有される非鉄金属元素のうち、Ａｇよりも酸化されやすくＦｅよりも酸化されにくい元素を対象とする場合に、本発明の分離・回収方法による利益を最も享受できる。
【００３８】
もちろん、鉄よりも酸化されやすい、すなわち従来の酸化精錬によっても除去されうる金属（例えばＳｍなどのＲＥＭ）も本原理により回収領域において回収可能である。ただし、そのような元素を回収領域において効率的に回収されるようにするためには、分離領域において従来の酸化精錬が進行しないように、分離領域の雰囲気を非酸化性雰囲気とすることが好ましい。
【００３９】
なお、後述するように、Ｃ，Ｓｉ，ＢなどのＦｅに対して熱力学的親和力が働く元素は、鉄スクラップの溶融物から溶融Ａｇに移動しにくいため、本原理によって効率的に分離することは困難である。
【００４０】
３．分離領域の雰囲気
溶融Ｆｅ相と溶融Ａｇ相とが接触する分離領域における雰囲気は非酸化性雰囲気であることが好ましい。溶融Ｆｅ相と溶融Ａｇ相との間で元素の分配が行われることを利用して溶融Ｆｅ相から溶融Ａｇ相へと共存元素を移動させるため、本原理に基づく分離・回収方法の対象元素が溶融Ｆｅ相に溶解していることが求められる。したがって、分離領域の雰囲気、すなわち溶融Ｆｅ相と溶融Ａｇ相との界面近傍の雰囲気の酸素分圧が高いと、溶融Ｆｅ相に溶解する元素には酸化物となってしまうものもあり、そのように溶融Ｆｅ相内で酸化物になってしまうと、溶融Ｆｅ相と溶融Ａｇ相との界面を通じて溶融Ａｇ相に移動することが困難となり、回収領域においてその元素が回収されにくくなってしまう。
【００４１】
４．鉄スクラップの溶融物の組成
上記のように、鉄スクラップの溶融物が溶融Ｆｅ相である場合には、溶融Ａｇ相と２液相分離させることが実現されるが、次に説明するように、鉄スクラップの溶融物は溶融Ｆｅ−Ｃ相であることが好ましく、この溶融Ｆｅ−Ｃ相に含有されるＣは飽和溶解していることが特に好ましい。
【００４２】
炭素を含まないＦｅ−Ａｇ系で２液相に分離する場合には、共存元素の種類や濃度にも依存するが鉄の融点近傍の温度、すなわち１８００Ｋ程度は必要とされる。しかしながら、系全体の温度を高めると、溶融Ｆｅ相に対するＡｇの溶解度が増加する。このため本発明に係る分離・回収方法を実施したあとの鉄スクラップにおけるＡｇ濃度が、系全体の温度を高めない場合に比べて相対的に高くなりやすい。また、このことは、本発明の実施後における媒体であるＡｇが相対的に多く減少することを意味し、プロセスロスの増加を招く。
【００４３】
これに対し、鉄スクラップを溶融させるにあたり炭素源を存在させると、ＣはＦｅと熱力学的親和力が働くため、鉄スクラップの溶融物は溶融Ｆｅ相から溶融Ｆｅ−Ｃ相になる。このため、溶融物の融点は、共存元素の種類や濃度にも依存するが１５００K以下程度に低下し、相対的に低温での２液相分離が可能となる。このことがプロセス後の鉄スクラップの品質向上およびプロセスロスの低下をもたらすことは上記のとおりである。また、Ｃが含まれていることにより、鉄スクラップの溶融物中へのＡｇの溶解度がさらに減少する。このため、単に融点が低下したこと以上に、プロセス後の鉄スクラップの品質向上およびプロセスロスの低下がもたらされる。さらに、溶融Ｆｅ−Ｃ相中の共存元素の活量係数が大きくなるため、共存元素の溶融Ｆｅ−Ｃ相および溶融Ａｇ相間の分配において、溶融Ａｇ相へと分配される共存元素の濃度が高くなることが熱力学的に期待される、つまり、溶融Ｆｅ−Ｃ相中から融Ａｇ相中への共存元素の移動が促進される。そのうえ、Ｃが含まれていることで、鉄スクラップの溶融物におけるＦｅと酸素との反応が抑制される。
【００４４】
鉄スクラップの溶融物を溶融Ｆｅ−Ｃ相とした場合における上記式（２）から（４）に対応する反応は、次の式（２）’から（４）’に示されるとおりである。
【００４５】
【数３】
【００４６】
表１はＰＯ２＝１ａｔｍ制御下において溶融Ａｇ相と接触させた場合の溶融Ｆｅ−Ｃ相（Ｃ濃度は４．４質量％）中の共存元素濃度の低減限界値の計算結果を示している。
【００４７】
【表１】
【００４８】
表１は、Ｃｕ，Ｎｉなどのトランプエレメントの溶融Ｆｅ−Ｃ相中濃度を低減させることが可能であることを示している。また、Ｗ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ｖ，Ｎｂなどの金属元素は溶融Ｆｅ−Ｃ相中に残留する量は極めて少なくなる可能性があることも表１は示している。このように、本原理に基づくことにより、効率的に溶融Ｆｅ−Ｃ相中から共存元素を抽出し、分離・回収できることを、表１は示している。
【００４９】
溶融Ｆｅ−Ｃ相中のＣ濃度Ｎｃ（単位：質量％）は特に限定されないが、溶融Ｆｅ−Ｃ相の温度によって飽和溶解モル分率が決定されるため、下記式（１）に示される範囲となる。
ＮＣ ≦ １０１２．７２８ ／ Ｔ ＋ ０．７２７１ × ｌｏｇ Ｔ − ３．０４９ （１）
【００５０】
ここで、Ｔは鉄スクラップの溶融物の温度であり、１４２６Ｋ＜Ｔ＜１８７３Ｋを満たす。鉄スクラップ溶融物の温度Ｔが１４２６Ｋ以下の場合には、Ｆｅ−Ｃ相は液相として存在することが困難となるため、本原理に基づく分離・回収方法を実施することが実質的に不可能となる。鉄スクラップ溶融物の温度Ｔが１８７３Ｋ以上の場合には、本原理に基づく分離・回収方法を実施するために投入するエネルギーが過大となり、この方法を実施する利益が実質的になくなってしまう。
【００５１】
Ｃ濃度Ｎｃが高いほど溶融Ｆｅ−Ｃ相にＡｇは移動しにくくなり、共存元素は溶融Ａｇ相側に移動しやすくなるため、溶融Ｆｅ−Ｃ相においてＣは飽和していることが好ましい。また、Ｃ濃度Ｎｃが高いと、回収領域から溶融Ａｇ相に供給された酸素が拡散などの理由により分離領域に到達しても、溶融Ａｇ相と接触する溶融Ｆｅ−Ｃ相に含有されるＣによって速やかに系外に除去される。このため、分離領域を非酸化性雰囲気に維持することが安定的にかつ容易に実現される。炭素を含有させたことの利益が明確になるＣ濃度Ｎｃは、鉄スクラップ溶融物の組成などにより変化する。
【００５２】
鉄スクラップの溶融物へのＣの供給方法は特に限定されない。図１に示されるように、石炭などの炭素源を鉄スクラップと共存させた状態で溶融させてもよい。図２に示されるように、鉄スクラップを溶融させる坩堝を黒鉛坩堝とすれば、黒鉛坩堝から炭素が供給されるとともに、鉄スクラップの溶融物の近傍の雰囲気を非酸化性雰囲気とすることが容易に実現されるため、好ましい。
【００５３】
以上鉄スクラップの溶融物にＣを含有させることの利点について説明したが、Ｃと同様にＦｅと熱力学的親和力が働く元素、例えばＢやＳｉを鉄スクラップの溶融物に含有させた場合も、Ｃの場合と同様の効果が得られる。このことを別の観点から説明すれば、共存元素としてＢやＳｉが鉄スクラップに含まれている場合には、これらの元素を本原理によって分離・回収することは困難である。
【００５４】
５．媒体相の材料
本発明においては、鉄スクラップに含まれる共存元素の移動媒体相として溶融Ａｇ相を使用する。溶融Ａｇ相は鉄スクラップの溶融物と酸素を含む気相との間に介在する媒体相であって、それ自体は酸素と反応しない。このように溶融Ａｇ相を介在させることで、鉄スクラップの溶融物における溶鉄が直接酸化反応を起こすことが抑制される。また、媒体である溶融Ａｇ相を通じて鉄スクラップの溶融物から回収領域に移動してきたＣｕなどの共存元素は、回収領域の酸化性雰囲気において酸化し、溶融Ａｇ相に不溶なものとなって回収可能となる。このため、溶融Ａｇ相は継続的に使用することが可能である。
【００５５】
なお、Ａｇ以外の他の貴金属も原理的には媒体相として使用可能であるが、Ａｇ以外の貴金属（Ａｕ，Ｐｔなど）はきわめて高価であるから、いかに継続的に利用可能とはいえ、共存元素を移動させる媒体相の材料としてこれらを使用することは現実的でない。また、Ｃｕは回収対象元素となる場合が多いため、媒体相の材料として使用しないことが好ましい。
【００５６】
鉄スクラップに含まれる共存元素を分離領域において分配・分離する観点のみからはＰｂを使用することが可能であるが、回収領域における酸化精錬で媒体自らが揮発したり酸化されたりしてしまう。しかも、Ｐｂは環境負荷の大きな金属である。こうした理由により、Ｐｂを使用することはできない。
【００５７】
６．分離領域と回収領域とが一体化している場合について
以上の説明では、本原理の理解を促進するために分離領域と回収領域とを仕切りにより分けた場合について説明したが、この構成は本原理において必須ではない。
【００５８】
雰囲気全体を酸化性雰囲気として、鉄スクラップの溶融物と溶融Ａｇとを接触させてもよい。この場合には、ＦｅおよびＦｅよりも酸化されやすい元素は、鉄スクラップの溶融物の表面において酸化が進行することで鉄スクラップの溶融物から除去される。また、Ｆｅよりも酸化されにくくＡｇよりも酸化されやすい元素は、溶融Ａｇの表面において酸化が進行して、結果的に鉄スクラップの溶融物から除去されることになる。
【００５９】
このような構成において、鉄スクラップの溶融物がＣを含有し、溶融Ｆｅ−Ｃ相となっている場合には、Ｃを含有させない場合には鉄スクラップの溶融物の表面で酸化していた元素のうちその雰囲気においてＣよりも酸化されにくい元素は、鉄スクラップの溶融物から溶融Ａｇへと移動することが可能となり、その結果、溶融Ａｇの表面において酸化されることとなる。もちろん、本発明に係る分離・回収方法がより効率的に実施されることは上記のとおりであり、さらに、鉄スクラップの溶融物における溶鉄の酸化が含有Ｃにより抑制されるため、共存元素の含有量が低下したＦｅ−Ｃ相をより高収率で回収することが実現される。
【実施例】
【００６０】
以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により制限されるものではない。
Ｆｅに共存元素として含有させたＣｕを、Ａｇを媒体として酸化除去した実施例を示す。
【００６１】
図２に示されるように、切り欠きをいれたアルミナ管（外径１７ｍｍ，内径１２ｍｍ，高さ５５ｍｍ）をアルミナるつぼ（外径３０ｍｍ，内径２４ｍｍ，高さ５０ｍｍ）内に設置し、アルミナ管内にＣｕ濃度が１．８質量％になるように調製したＡｇおよびＣｕ計約３０ｇを入れ、Ａｒ（純度９９．９９％）をガス吹付け管から１００ｃｍ３／ｍｉｎ(標準状態換算)供給してなる雰囲気で１時間予備溶解し、アルミナるつぼ、アルミナ管内をＡｇ−Ｃｕ合金で満たして冷却した。
【００６２】
なお、媒体であるＡｇにあらかじめＣｕを含有させた理由は次のとおりである。
Ｃｕを含有する溶融Ｆｅ相にＡｇのみからなる溶融相を接触させると、次の２つの現象が発生する。
【００６３】
（１）分配により溶融Ｆｅ相中からＣｕが溶融Ａｇ相中に移動し、溶融Ｆｅ相中のＣｕ濃度が減少する（分配による分離）。
（２）溶融Ａｇ相に酸素を吹き付けると溶融Ｆｅ相中のＣｕ濃度がさらに減少する（酸化による回収）。
このように、分離・回収の両方の現象により、溶融Ｆｅ相中のＣｕ濃度が減少するため、両方の現象を独立に評価することができない。
【００６４】
これに対し、一方、Ｃｕを含有する溶融Ｆｅ相に、あらかじめ溶融Ｆｅ相と溶融Ａｇ相との分配で決定される濃度でＣｕを含有する溶融Ａｇ−Ｃｕ相を接触させると、上記の（１）で示される分離現象は生じない。このため、（２）で示される回収現象のみが生じ、本発明の原理をより明確に確認することが可能となる。
【００６５】
上記のようにアルミナるつぼ、アルミナ管内をＡｇ−Ｃｕ合金で満たした後、予備溶解しておいたＦｅ−４質量％Ｃｕ−Ｃ（飽和）合金４ｇをアルミナ管内のＡｇ−Ｃｕ合金上に配し、上記のＦｅ−Ｃｕ−Ｃ合金の周囲を黒鉛管、黒鉛蓋で覆った。
【００６６】
この黒鉛管、黒鉛蓋はＦｅ−Ｃｕ−Ｃ合金の周囲を還元雰囲気に保持するとともに、Fe中への炭素の供給の役割を果たす。
この状態で、温度を１５２３Ｋとし、Ａｒを１００ｃｍ３／ｍｉｎ(標準状態換算)でガス吹付け管から供給する雰囲気中で１時間保持した後、ガス吹付け管からの供給をＯ２（純度９９．５％）を１００ｃｍ３／ｍｉｎ(標準状態換算)に切り替えて、３あるいは７時間保持して空冷した。
【００６７】
室温まで空冷して得られた試料の固体Ｆｅ相中のＣｕ，ＡｇおよびＣ濃度、ならびに固体Ａｇ相中のＣｕ濃度の分析を行った。表２にその結果を示す。
【００６８】
【表２】
【００６９】
Ｆｅ中のＣｕは初期濃度から減少して熱力学平衡計算により得られるＣｕ濃度（０．２６質量％）に近い値となっており、本発明に係る分離・回収方法を用いればＦｅ相中からＣｕを熱力学平衡計算で予測される濃度まで選択的に酸化除去できることが確認された。
【００７０】
なお、試験終了後の固体Ａｇ相における回収領域側の表面の一部をＸ線回折（ＸＲＤ）で測定すると、図３に示されるようにＣｕ２Ｏのピークが観察され、Ｃｕが酸化除去されたことが確認された。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄スクラップに共存する元素の分離・回収方法であって、
鉄スクラップを溶融させ、
得られた鉄スクラップの溶融物と溶融Ａｇとを接触させることで前記鉄スクラップに共存する元素を溶融Ａｇに移行させ、
この溶融Ａｇに移行した元素を溶融Ａｇから酸化除去すること
を特徴とする分離・回収方法。
【請求項２】
鉄スクラップの溶融および鉄スクラップの溶融物と溶融Ａｇとの接触を非酸化性雰囲気で行う請求項１記載の分離・回収方法。
【請求項３】
鉄スクラップの溶融物がＣを含有し、その濃度Ｎｃ（単位：質量％）が下記式（１）を満たす請求項１または２記載の分離・回収方法：
ＮＣ ≦ １０１２．７２８ ／ Ｔ ＋ ０．７２７１ × ｌｏｇ Ｔ − ３．０４９ （１）
ここで、Ｔは鉄スクラップの溶融物の温度であり、１４２６Ｋ＜Ｔ＜１８７３Ｋを満たす。
【請求項４】
鉄スクラップを炭素源とともに溶融させることで、前記Ｃを含有する鉄スクラップの溶融物を得る請求項３記載の分離・回収方法。
【請求項５】
鉄スクラップの溶融および鉄スクラップの溶融物と溶融Ａｇとの接触を黒鉛坩堝内で行い、鉄スクラップの溶融物にＣが飽和溶解している請求項４記載の分離・回収方法。
【請求項６】
分離・回収される元素がトランプエレメントを含む請求項１から５のいずれかに記載の分離・回収方法。
【請求項７】
分離・回収される元素がＷ，Ｍｏ，Ｃｏ，ＶおよびＮｂからなる群から選ばれる一種または二種以上を含む請求項１から６のいずれかに記載の分離・回収方法。
【請求項１】
鉄スクラップに共存する元素の分離・回収方法であって、
鉄スクラップを溶融させ、
得られた鉄スクラップの溶融物と溶融Ａｇとを接触させることで前記鉄スクラップに共存する元素を溶融Ａｇに移行させ、
この溶融Ａｇに移行した元素を溶融Ａｇから酸化除去すること
を特徴とする分離・回収方法。
【請求項２】
鉄スクラップの溶融および鉄スクラップの溶融物と溶融Ａｇとの接触を非酸化性雰囲気で行う請求項１記載の分離・回収方法。
【請求項３】
鉄スクラップの溶融物がＣを含有し、その濃度Ｎｃ（単位：質量％）が下記式（１）を満たす請求項１または２記載の分離・回収方法：
ＮＣ ≦ １０１２．７２８ ／ Ｔ ＋ ０．７２７１ × ｌｏｇ Ｔ − ３．０４９ （１）
ここで、Ｔは鉄スクラップの溶融物の温度であり、１４２６Ｋ＜Ｔ＜１８７３Ｋを満たす。
【請求項４】
鉄スクラップを炭素源とともに溶融させることで、前記Ｃを含有する鉄スクラップの溶融物を得る請求項３記載の分離・回収方法。
【請求項５】
鉄スクラップの溶融および鉄スクラップの溶融物と溶融Ａｇとの接触を黒鉛坩堝内で行い、鉄スクラップの溶融物にＣが飽和溶解している請求項４記載の分離・回収方法。
【請求項６】
分離・回収される元素がトランプエレメントを含む請求項１から５のいずれかに記載の分離・回収方法。
【請求項７】
分離・回収される元素がＷ，Ｍｏ，Ｃｏ，ＶおよびＮｂからなる群から選ばれる一種または二種以上を含む請求項１から６のいずれかに記載の分離・回収方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−６７４９（Ｐ２０１１−６７４９Ａ）
【公開日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１５２５１５（Ｐ２００９−１５２５１５）
【出願日】平成２１年６月２６日（２００９．６．２６）
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【出願人】（０００００２１１８）住友金属工業株式会社 (2,544)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月２６日（２００９．６．２６）
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【出願人】（０００００２１１８）住友金属工業株式会社 (2,544)
【Ｆターム（参考）】
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