JP3796819B2 - Detoxification treatment method of aluminum dross - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウムの精錬及び合金鋳造時の溶解工程において発生するアルミニウムドロスから、水と反応してアンモニアを発生し環境汚染の原因となる窒化アルミニウムを可及的にかつ効率良く除去することができるアルミニウムドロスの無害化処理法に関する。
【0002】
【従来の技術】
アルミニウムドロス(以下、単に「ドロス」と略称する)は、発生源によって組成が異なるが、金属アルミニウムを20〜80%の範囲で、酸化アルミニウムを10〜40%の範囲で、窒化アルミニウムを10〜30%の範囲で、その他のフラックス成分等を数%の範囲でそれぞれ含有している。そして、これらの成分のうち金属アルミニウムと酸化アルミニウムとは、金属アルミニウムは通常粒状の状態で、また、酸化アルミニウムは通常粉状の状態でそれぞれ存在し、アルミニウム新塊へのリサイクル資源としては勿論のこと、鉄鋼用の脱酸剤や昇温剤としてもその用途が徐々に増加しつつある。
【0003】
しかしながら、このドロスについては、これを種々の用途に利用する場合には粉砕、篩分、貯蔵等の単位操作が必要になるが、これらの工程中にドロス中に含有される窒化アルミニウムが常温で水と反応してアンモニアガスを発生するので作業環境が汚染され易く、また、炭化アルミニウムや微細な金属アルミニウムが含まれる場合には、アセチレンガスや水素ガスを発生することもあり、いずれにしてもドロスを種々の用途に利用する際にはその無害化処理が必要になる。
【0004】
そして、このドロス中の窒化アルミニウムの無害化に関しては、特開平7−51652号公報において、二酸化炭素及び水蒸気の存在下に700〜1000℃の温度でドロスを処理することにより、窒素成分を除去し、α−アルミナ化する方法が提案されている。しかしながら、この方法は、除去効率が高くかつ塩素成分の除害にも有効な方法であるが、少なくとも700℃以上の高温が必要であってエネルギー消費量が多く、しかも、高温のフラックス中に存在するハロゲンによりキルン内張材の腐蝕が著しくてそのメンテナンスが容易でないという問題がある。
【0005】
また、特開平4−173930号公報には、ドロスと水の混合スラリーを80℃以上で3時間保持することにより、窒化アルミニウムを分解し、その際に発生したアンモニアを中和処理する方法が提案されている。しかしながら、この方法においては、処理時間が過大であり、アンモニアの分解率も90%程度の水準に止まり、しかも、処理工程から排出される廃液量が多いために設備費と廃液処理コストが高くなるという問題がある。
【0006】
更に、特開平2−270920号公報には、ドロス粉をタール、ピッチ、アスファルト等の粘結材と混合して加圧成形することにより団粒化し、アンモニア発生源である窒化アルミニウムを包み込んで無害化することが提案されている。しかしながら、この方法には、何らかの原因で団粒が破砕するとその新生面に窒化アルミニウムが露出して水と反応し、アンモニアが発生することが懸念されると共に、窒化アルミニウムそのものの残留が許容されない用途、例えば電解還元によるアルミニウムの回収に際しては適用し難いという問題がある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
このため、上記の従来技術においては、エネルギーコスト、設備費、廃液量、ライニング材の劣化、不完全無害化等の点で依然として問題が残されており、これら全ての問題を解決した新しいドロスの無害化処理法を開発することが要請されている。
【0008】
従って、本発明の目的は、ドロス中の窒化アルミニウムを可及的に分解除去することができると共に、この処理によって得られたドロス処理物については、例えばセメント副原料として利用した際にはその製品の品質を向上させたり、コストを低減することができ、また、製鉄工程の添加物として用いた場合にはその工程の生産効率を向上させることができる等の好ましい特性を有するような、アルミニウムドロスの無害化処理法を提供することにある。
【0009】
また、本発明の他の目的は、上記のような優れた特性をもつドロス処理物を、低いエネルギーコスト、設備の小型化、高い生産性、廃液量の低減若しくは皆無、ライニング材の劣化の低減若しくは皆無等を達成しながら得ることができるアルミニウムドロスの無害化処理法を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基本的には、アルミニウムドロスと水とを摩砕攪拌下に共存させて前記アルミニウムドロス中の窒化アルミニウムを水と反応させるアルミニウムドロスの無害化処理法である。このドロス無害化処理法は、ドロスを強力に攪拌して微細に粉砕する摩砕攪拌条件の下でこのドロス中に含まれている窒化アルミニウムと水との接触効率を高め、これによってドロス中の窒化アルミニウムを可及的完全に分解除去する点にその特徴を有するものである。
【0011】
本発明方法で無害化処理されるアルミニウムドロスは、アルミニウムの精錬や合金鋳造等の際の溶解工程から回収されるものであって特に限定されるものではなく、また、その組成は合金の種類、ドロスの発生工程、ドロス採取後の処理方法に依存して大きく変動するが、好ましくはこのドロス中に含まれる金属アルミニウムを可及的に回収し、かつ、アンモニア発生源であるドロス中の窒化アルミニウムをできるだけ分解し易い状態にするのがよい。そして、そのためには、例えば、ドロスを粉砕した際に窒化アルミニウムは金属アルミニウムに比べて細かく粉砕され易いというドロス中の金属アルミニウムと窒化アルミニウムとの間の粉砕特性の差を利用し、予め粉砕後に分別して篩下から窒化アルミニウムに富んだドロスを得るのが好ましい。
【0012】
この金属アルミニウムと窒化アルミニウムの粉砕特性の差を利用する粉砕分別の方法は、具体的には、ボールミル、パルベライザー、リングロールミル、ミクロンミル等の通常の摩砕式粉砕機や剪断式粉砕機等の粉砕機を用いてドロスを100μm程度以下、好ましくは50μm程度以下にまで粉砕し、ドロスの粉砕物を例えば16〜150メッシュの目開きの篩を用いて分別し、篩上からは金属アルミニウムに富むフラクションを回収してリサイクル資源等の用途にその利用を図り、また、篩下から酸化アルミニウムや窒化アルミニウム等に富むドロスを回収し、このドロスを本発明の方法で無害化処理する。このドロスの粒子径を小さくすればするほど、反応率は向上するはずであるが、このドロスをサブミクロン単位にまで微細に粉砕することは粉砕コストが嵩んで好ましくない。
【0013】
ドロス粉状物の粒度が100μmを超えると、未反応の窒化アルミニウムの周りに反応生成物の水酸化アルミニウム層が厚く形成され、窒化アルミニウムに対して水の接触が阻害され、反応速度が遅くなる。これを防止するために摩砕攪拌の条件を強化すると攪拌動力が増大するほか、100μmを超える粒度のドロス粉状物中には金属アルミニウムが比較的多く含有されているので、これが水と反応して水素ガスを発生して反応系の危険度が増し、更に、有用なアルミニウム分の損失を増加させることになる。ドロス粉状物を好ましくは50μm以下の粒度として反応系に供給すると、反応完結に要する時間が短縮されるほか、摩砕攪拌における攪拌動力も軽減できて工業的に有利となる。
【0014】
本発明においては、アルミニウムドロス中の窒化アルミニウムを水と反応させて無害化処理するに際し、反応系においてドロスと水とを摩砕攪拌の条件下に共存させる点にその特徴がある。窒化アルミニウムは水と反応してその表面に水酸化アルミニウム層が形成されるが、時間の経過と共にその厚さが増加し、温度によってはその緻密度も増加し、このために、外部からの水や水蒸気が表面に形成された水酸化アルミニウム層によって内部の窒化アルミニウムと接触するのが妨げられて分解反応が不完全となる場合があるが、本発明の場合においては、反応系が摩砕攪拌の条件下で行われるので、窒化アルミニウムの表面に形成された水酸化アルミニウム層が破壊され、この窒化アルミニウムと水との接触が効率良く行われる。
【0015】
本発明において、反応系に共存させる水の状態については、それが液体状であってもまた気体状であってもよく、特に制限されるものではないが、本発明者らの実験によれば、水は気体状態よりも液体状態で窒化アルミニウムに接触している方が反応速度が速く、更には、窒化アルミニウムあるいはドロスの粒子の周りに付着水分程度の液体が付着し、その周辺に飽和状態かそれに近い水蒸気が共存している状態が反応速度の点で最適な条件であった。
【0016】
更に、この反応系に共存させる水の使用量については、特に限定されるものではないが、廃液処理の問題を考慮すると必要最小限であるのが望ましく、好ましくはドロス中の窒化アルミニウムとの反応当量に対して2.5〜4倍当量、より好ましくは3〜3.5当量の範囲内である。
【0017】
すなわち、反応に供するドロス100重量部に対して、下記反応式(1)で示されるドロス中の窒化アルミニウムと水との反応に必要な反応当量の水W1 重量部に、ドロス粒子の周りに付着する水分及び反応器内の雰囲気を飽和するのに必要な水蒸気分の水W2 =(1.5〜3)×W1 重量部を加えた合計量WT =W1+W2 =(2.5〜4)×W1 重量部の水を用いるのがよい。
AlN+3HO→Al(OH) +NH………(1)
W1 =100×(a/100)×(3×18)/41=1.32a〔但し、aはドロス中のAlN含有量(重量%)である。〕
【0018】
このように、ドロス100重量部に対して用いられる水の使用量はドロス中の窒化アルミニウムを分解するのに必要な理論量W1 重量部の2.5〜4倍当量が適正範囲であるが、この水の使用量が2.5×W1 重量部に満たない場合には、ドロス粒子表面に付着する液体状態の水膜が存在し難くなり、水蒸気と窒化アルミニウムが直接接触するようになり、反応速度が低下する。また、水の使用量が4×W1 重量部を超えると、自由水が過剰となり反応物が器壁やボールに付着して収量減少を招くばかりでなく、処理済みドロスの粘着性が増大して粉体としてのハンドリングが困難になる。また、反応容器が開放系になると、ドロスと水と発生ガスの混合した泡状物が未反応のまま開口部より噴出することもある。水の使用量を上記適正な範囲にすることにより、このような種々のトラブルを生ずることなく、高い分解率で、かつ、ドロス処理物をハンドリングし易い粉状物として得ることができる。
【0019】
また、窒化アルミニウムの水による分解反応は、常温でも進行するが、通常60〜200℃、反応速度の点で好ましくは反応温度が90〜200℃、より好ましくは100〜150℃の範囲であるのがよい。反応温度が60℃に満たないと反応速度が遅くなり反応装置が過大になる。また、反応温度が200℃を超えると反応容器の内圧が数10気圧となり、圧力容器としての条件が過酷になる。反応温度の増加と共に反応速度は高くなるが、水と水蒸気が共存し、かつ反応容器の内圧が過大にならない温度範囲として上記100〜150℃が工業的に好ましい。
【0020】
反応時間は反応温度、ドロスの粒度、摩砕攪拌の条件、水の使用量等により支配されるが15〜90分の範囲が好ましい。15分未満の場合は窒化アルミニウムと水との反応は完了せず、処理後にも吸水して緩徐な反応が継続される。90分を超えても分解率の上昇はほぼ飽和状態となり、生産性が低下する。
【0021】
本発明方法で用いる反応容器としては、反応系が摩砕攪拌条件にされるため、耐摩耗性材料による内張りが可能であり、また、反応系の材料を加熱しつつ攪拌できることが必要であり、(1)ドロスと水の混合物に強力な摩砕と攪拌作用を与え得ること、(2)200℃までの加熱が可能であること、(3)原料や生成物が反応未完結のまま系外に噴出、排出されないこと、(4)耐食性、耐摩耗性のこと、及び、(5)内圧に耐える構造強度をもつことの5つの条件を兼備することが必要である。
【0022】
具体的には、転動ボールミル、振動ミル、レトルト、ロータリーキルン、攪拌ミル等の攪拌媒体により反応系の材料に強い摩砕力を作用させつつ反応を行うことのできる形式の装置を用いることができるが、加熱機構を持つ密閉型転動ボールミルが特に好ましい。また、この反応容器は、上記反応温度における飽和水蒸気圧に相当する内圧に耐える構造、強度を持つことが望ましく、また、ドロス粉状物、水分の飛散を防止するためには密閉型構造であることが有効であるが、飛散物が転動ボールミルの外に出ないような捕捉機構を持つ反応容器であれば、多少の開口をもつ開放型構造であっても差し支えない。
【0023】
従って、回分式では生産性が十分でない時、連続式を適用することも可能であり、その際には、内容物のドロス粉状物、ドロス泡状物、生成ガス、水蒸気のミスト等が反応系から外部に飛散しないような捕捉機構を設け、処理物の品位、収率、環境対策上の観点から、捕捉したこれらを再び反応系に還流することが必要である。また、処理温度に対応する水の気・液平衡が成り立つよう、即ちドロス粉状物の周りには常に付着水が液体状態で存在し易いようにガスリークを抑制する必要がある。これは、開放が過度になると、反応容器内の圧力が下がり、付着水の蒸発が起こり、反応促進にとって好ましいドロスの周りの液状の水膜が消失し、反応速度が低下するからである。
【0024】
本発明によれば、アルミニウムドロスと水とを摩砕攪拌下に共存させてドロス中の窒化アルミニウムを水と反応させるので、窒化アルミニウムが水と接触してその表面に生成する水酸化アルミニウム層を破壊、もしくはこの水酸化アルミニウム層にひび割れを生ぜしめることができ、これによって反応系に共存する水が窒化アルミニウムに効率良く接触できることになり、ことさら反応系を700℃以上の高温にする必要がなく、通常60〜200℃、多くの場合100〜150℃の低温で実施できる。
【0025】
また、使用する水の量についても、ドロス粒子の周りに付着水分程度の保持させれば充分に反応を行うことができ、これによってドロスの器壁への付着や発塵を抑えることができると共に、反応終了後の反応混合物を粉体の状態でハンドリングすることが可能になって操作が極めて容易になるほか、廃液も無くすることができる。更に、攪拌効果と水の存在形態の相乗効果として反応速度が増加し、従来より短時間で窒化アルミニウムを効率良く分解して除去することができる。
【0026】
【発明の実施の形態】
反応容器として窒化珪素セラミックスを内張りしたSUS316製の転動ボールミルを用い、この転動ボールミル中に、粉砕分別して金属アルミニウムを回収した後の100μm以下、好ましくは50μm以下のドロス粉状物100重量部と、このドロス中の窒化アルミニウムを分解するのに必要な理論量W1 重量部の2.5〜4倍当量に相当する水とを均一な混合状態にして投入する。
【0027】
ここで、転動ボールミル内に投入されるドロス粉状物と水の混合物の転動ボールミル内容積に対する容積比、すなわち転動ボールミル中のドロス粉状物と水の混合物の保持量(ホールドアップ)は、大きいほど生産性が高いはずであるが、反応速度は、転動ボールミルとしての粉砕効率や攪拌効率が最適となる保持量のときに最大になるので、転動ボールミルが粉砕機として作動する際の適正範囲である内容積の15〜40%(容積比)の範囲の保持量が好ましい。ここで、転動ボールミル内に投入するドロス粉状物と水の混合物の容積比が15%より低いと生産性が低下するという問題が生じ、また、40%を超えると窒化アルミニウムの分解率が低下するという問題が生じる虞がある。
【0028】
また、この転動ボールミル内に投入する転動ボールは、好ましくは容積比で15〜50%の範囲であるのがよい。この転動ボールミル内に投入する転動ボールの容積比については、15%より低いと粉砕効率が低くて分解率が低下し、また、50%を超えると粉砕に寄与しない転動をする転動ボールの量が増えてかえって粉砕効率が低くなり分解率が低下する。
【0029】
攪拌媒体として用いられる転動ボールとしては、200℃までの水、水蒸気に対して安定な耐摩耗性の材質である必要があり、好ましくは玉石やアルミナ質のものが用いられる。
【0030】
また、転動ボールミルの回転速度は粉砕機として用いられる場合の適正値でよいが、臨界速度以下の可及的高速度を選択するのがよく、その回転数は粉砕機として常用される適正範囲である臨界回転数の65〜80%でよい。下限値を下回ると攪拌効果が低下して反応速度が減少する。また、上限値を上回ると、ドロスとボールとが器壁に圧着されてかえって攪拌効果が発現せず、反応速度が低下する。
【0031】
更に、反応温度については、ドロス粉状物の温度を直接測定することが難しいため、雰囲気温度として100〜200℃の範囲で行い、また、反応時間については15〜90分の範囲で行うのがよい。
【0032】
【実施例】
以下、実施例及び比較例に基づいて、本発明をより具体的に説明する。
【0033】
[実施例1]
ドロス10kgを気流式粉砕機に供して粉砕し、金属アルミニウム分と酸化アルミニウム、窒化アルミニウム等のドロス粉状物とを混合状態から分離させた後、1mm目の篩にかけて篩上のメタルに富む分を回収し、新塊製造のための溶解炉に戻すと共に、篩下のドロス粉砕物については更に44μmの篩にかけ、その篩下を供試料とした。
【0034】
反応容器としては、図1及び2に示すように、内部寸法φ164mm×164mmで、窒化珪素セラミックス内張2がされたSUS316製の反応容器円筒1と、窒化珪素セラミックス内張5がされたSUS316製の蓋4と、濾過体としての多孔質セラミックス板6(実施例7で使用)と、上記反応容器円筒1内に装入された直径φ20mmのアルミナボール7とからなり、外部電熱ヒータ3、熱電対保護管8、ローラー9、架台10及び熱電対13を備えた転動ボールミルを用いた。
【0035】
この転動ホールミル内には上記アルミナボール7を2000g、上記供試ドロス11を30g、及び、ドロス中の窒化アルミニウムとの反応当量の3倍に相当する水12を30gそれぞれ投入した後密閉し、電気加熱により120℃に加熱し、回転数65rpmで回転させて摩砕攪拌しながら60分間反応させた。
【0036】
反応終了後、冷却して無害化処理後のドロス中の窒化アルミニウム分を定量し、この無害化処理前の窒化アルミニウム分に対する分解率と得られたドロス処理物の付着水分とを求めた。結果は、窒化アルミニウムの分解率が93%であり、ドロス処理物の付着水分が12%であって、ドロス処理物にはアンモニア臭が全く感じられなかった。また、このドロス処理物は粉体としてハンドリングできる状態であり、また、ボールミルの壁面への付着は僅小であった。
【0037】
[実施例2]
反応温度を200℃とし、反応時間を40分とした以外は、上記実施例1と同様にしてドロスの無害化処理を行った。結果は、窒化アルミニウムの分解率が93%であり、ドロス処理物の付着水分が10%であって、このドロス処理物にはアンモニア臭が全く感じられなかった。また、このドロス処理物は粉体としてハンドリングできる状態であり、また、ボールミルの壁面への付着は僅小であった。
【0038】
[実施例3]
反応温度を90℃と、反応時間を90分として以外は、上記実施例1と同様にしてドロスの無害化処理を行った。結果は、窒化アルミニウムの分解率が80%であり、ドロス処理物の付着水分が16%であって、このドロス処理物にはアンモニア臭が全く感じられなかった。また、このドロス処理物は粉体としてハンドリングできる状態であり、ボールミルの壁面への付着は僅小であり、また、廃液の発生は皆無であった。
【0039】
[実施例4]
供試ドロスの粒度を105μm以下とした以外は、上記実施例1と同様にしてドロスの無害化処理を行った。結果は、窒化アルミニウムの分解率が81%であり、ドロス処理物の付着水分が13%であって、このドロス処理物にはアンモニア臭が全く感じられなかった。また、このドロス処理物は粉体としてハンドリングできる状態であり、ボールミルの壁面への付着はほとんどなく、また、廃液の発生は皆無であった。
【0040】
[実施例5]
ボールミルの出口側の蓋の一部に耐熱耐磨耗性の濾過体として多孔質セラミックス板を配置した以外は、上記実施例1と同様にしてドロスの無害化処理を行った。結果は、窒化アルミニウムの分解率が83%であり、ドロス処理物の付着水分が10%であって、このドロス処理物にはアンモニア臭が全く感じられなかった。また、このドロス処理物は粉体としてハンドリングできる状態であり、ボールミルの壁面への付着はほとんどなく、また、廃液の発生は皆無であり、更にドロスのミル外への飛散も少なかった。
【0041】
[実施例6]
反応温度を80℃とした以外は、上記実施例1と同様にしてドロスの無害化処理を行った。結果は、窒化アルミニウムの分解率が64%であり、ドロス処理物の付着水分が16%であって、このドロス処理物には若干アンモニア臭が感じられた。また、このドロス処理物は粉体としてハンドリングできる状態であり、ボールミルの壁面への付着はほとんどなく、また、廃液の発生は皆無であった。
【0042】
[比較例1]
供試ドロスを30g、及びドロス中の窒化アルミニウムとの反応当量の3倍に相当する水30gを竪型内筒容器に投入し、プロペラ型攪拌器を挿入して100rpmで攪拌しつつ120℃、60分反応を行わせた。蓋は完全密閉でなく、一部大気開放であった。結果は、窒化アルミニウムの分解率は、28%であり、ドロス処理物は付着粉が4%であり、アンモニア臭が残留した。
【0043】
[比較例2]
供試ドロスを30g、及びドロス中の窒化アルミニウムとの反応当量の12倍に相当する水120gをオートクレーブ内に装入し、200℃、60分、プロペラ攪拌250rpmで反応を行わせた。容器は密閉であった。結果は、窒化アルミニウムの分解率は80%であり、ドロス処理物のアンモニア臭は多少残留した。反応容器の内圧は17気圧と高圧であった。また、処理後の廃液量は100g以上と多量であった。
【0044】
[比較例3]
供試ドロス30gに対して、水の使用量をドロス中の窒化アルミニウムとの反応当量の4.5倍に相当する45gとした以外は、上記実施例1と同様にしてドロスの無害化処理を行った。結果は、窒化アルミニウムの分解率が90%であり、ドロス処理物の付着水分が16%であって、このドロス処理物にはアンモニア臭が全く感じられなかった。また、このドロス処理物は粉体としてハンドリングできる状態であり、ボールミルの壁面への付着は実施例1の場合より多少増加し、また、廃液の発生は皆無であった。
【0045】
[比較例4]
水の使用量をドロス中の窒化アルミニウムとの反応当量に対し5倍量とした以外は、上記実施例1と同様にしてドロスの無害化処理を行った。結果は、窒化アルミニウムの分解率が60%であり、ドロス処理物の付着水分が18%であって、このドロス処理物にはアンモニア臭が全く感じられなかった。また、このドロス処理物は粉体としてのハンドリング性に若干劣り、ボールミルの壁面への付着はほとんどなく、また、廃液の発生は皆無であった。
【0046】
[比較例5]
水の使用量をドロス中の窒化アルミニウムとの反応当量に対し5倍量とし、かつ、ボールミルの蓋にφ10mmの小孔をあけて開放型とした以外は、上記実施例1と同様にしてドロスの無害化処理を行った。結果は、窒化アルミニウムの分解率が52%であり、ドロス処理物の付着水分が12%であって、このドロス処理物にはアンモニア臭が全く感じられなかった。また、このドロス処理物は粉体としてのハンドリング性に若干劣り、ボールミルの壁面への付着はほとんどなく、また、廃液の発生は皆無であった。
【0047】
【発明の効果】
本発明によれば、従来700℃以上の高温下で若しくは80℃の水中で3時間以上という長時間をかけてドロス中の窒化アルミニウムの分解を行っていたドロスの無害化処理法に対して、60〜200℃程度の低温下で60分程度の短時間で、しかも、ほとんど廃液を発生することなくドロスを無害化処理することができる。
【0048】
また、本発明の無害化処理によって得られたドロス処理物は、電解還元時の障壁となる窒化アルミニウムが可及的に低減しているため、アルミニウム新地金として高価値のリサイクルが可能となるばかりでなく、鉄鋼用、セメント用の副原料又は工程添加物としても利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、本発明の実施例で用いた転動ボールミルの縦断面説明図である。
【図2】 図2は、図1の横断面説明図である。
【符号の説明】
1…反応容器円筒、2,5…窒化珪素セラミックス内張、3…外部電熱ヒータ、4…蓋、6…多孔質セラミックス板、7…アルミナボール、8…熱電対保護管、9…ローラー、10…架台、11…供試ドロス、12…水、13…熱電対。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is able to remove as much and as efficiently as possible aluminum nitride that reacts with water to generate ammonia and cause environmental pollution from aluminum dross generated in the melting process during aluminum refining and alloy casting. The present invention relates to a method for detoxifying aluminum dross.
[0002]
[Prior art]
Aluminum dross (hereinafter simply abbreviated as “dross”) has a different composition depending on the generation source, but metal aluminum ranges from 20 to 80%, aluminum oxide ranges from 10 to 40%, and aluminum nitride ranges from 10 to 10. In the range of 30%, other flux components are contained in the range of several percent. Of these components, metallic aluminum and aluminum oxide are usually in a granular state, and aluminum oxide is usually in a powdery state. In addition, its use is gradually increasing as a deoxidizer and a temperature raising agent for steel.
[0003]
However, when this dross is used for various purposes, unit operations such as pulverization, sieving, storage, etc. are required, but the aluminum nitride contained in the dross during these steps is at room temperature. As it reacts with water to generate ammonia gas, the working environment is easily polluted, and when aluminum carbide or fine metal aluminum is included, acetylene gas or hydrogen gas may be generated. When dross is used for various purposes, its detoxification treatment is required.
[0004]
Regarding the detoxification of aluminum nitride in the dross, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-51652, the nitrogen component is removed by treating the dross at a temperature of 700 to 1000 ° C. in the presence of carbon dioxide and water vapor. A method of α-aluminaization has been proposed. However, this method has high removal efficiency and is effective for removing chlorine components, but requires a high temperature of at least 700 ° C., consumes a lot of energy, and exists in a high-temperature flux. There is a problem that the maintenance of the kiln lining material is not easy because of the halogen to be remarkably corroded.
[0005]
Japanese Patent Laid-Open No. 4-173930 proposes a method of decomposing aluminum nitride and neutralizing ammonia generated at that time by holding a mixed slurry of dross and water at 80 ° C. or more for 3 hours. Has been. However, in this method, the treatment time is excessive, the ammonia decomposition rate is only about 90%, and the amount of waste liquid discharged from the treatment process is large, so that the equipment cost and waste liquid treatment cost become high. There is a problem.
[0006]
Further, JP-A-2-270920 discloses that dross powder is mixed with a caking additive such as tar, pitch, asphalt and the like, and is agglomerated by pressure molding, encapsulating aluminum nitride which is an ammonia generation source and harmless. It has been proposed to However, in this method, when aggregates are crushed for some reason, aluminum nitride is exposed on the new surface and reacts with water, and there is a concern that ammonia may be generated. For example, there is a problem that it is difficult to apply when recovering aluminum by electrolytic reduction.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
For this reason, in the above prior art, problems still remain in terms of energy cost, equipment cost, amount of waste liquid, lining material deterioration, incomplete harmlessness, etc., and new dross that solves all these problems There is a need to develop a detoxification process.
[0008]
Therefore, the object of the present invention is to decompose and remove aluminum nitride in the dross as much as possible, and the dross treated product obtained by this treatment is, for example, a product when used as a cement auxiliary material. Aluminum dross that has favorable characteristics such as improving the quality of the steel, reducing the cost, and improving the production efficiency of the process when used as an additive in the iron making process. It is to provide a detoxification treatment method.
[0009]
Another object of the present invention is to provide dross-treated products having excellent characteristics as described above with low energy costs, downsizing of equipment, high productivity, reduction of waste liquid amount, or none, and reduction of deterioration of lining materials. Or it is providing the detoxification processing method of the aluminum dross which can be obtained while achieving inequality.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is basically an aluminum dross detoxification treatment method in which aluminum dross and water are allowed to coexist with milling and stirring to react aluminum nitride in the aluminum dross with water. This dross detoxification treatment method increases the contact efficiency between aluminum nitride contained in this dross and water under grinding and stirring conditions in which the dross is vigorously stirred and finely pulverized. This is characterized in that aluminum nitride is decomposed and removed as completely as possible.
[0011]
The aluminum dross to be detoxified by the method of the present invention is not particularly limited and is recovered from the melting step during refining of aluminum or casting of an alloy, and the composition thereof is the kind of alloy, Although it varies greatly depending on the dross generation process and the treatment method after dross collection, preferably aluminum aluminum contained in the dross is recovered as much as possible, and aluminum nitride in the dross that is an ammonia generation source Should be in a state that is easy to disassemble as much as possible. And for that purpose, for example, when the dross is pulverized, aluminum nitride is easily pulverized more finely than metal aluminum. It is preferable to obtain dross rich in aluminum nitride from the sieve under separation.
[0012]
Specifically, the pulverization and separation method using the difference in the pulverization characteristics between the metal aluminum and the aluminum nitride is, specifically, an ordinary grinding pulverizer such as a ball mill, a pulverizer, a ring roll mill, or a micron mill, or a shear pulverizer. The dross is pulverized to about 100 μm or less, preferably about 50 μm or less using a pulverizer, and the pulverized material of the dross is separated using, for example, a sieve having a mesh size of 16 to 150 mesh. Fractions are collected and used for recycling resources and the like, and dross rich in aluminum oxide, aluminum nitride and the like is collected from under the sieve, and the dross is rendered harmless by the method of the present invention. The smaller the particle size of the dross, the better the reaction rate. However, it is not preferable to finely pulverize the dross to the submicron level because of the high pulverization cost.
[0013]
When the particle size of the dross powder exceeds 100 μm, a thick aluminum hydroxide layer of the reaction product is formed around the unreacted aluminum nitride, the water contact with the aluminum nitride is obstructed, and the reaction rate becomes slow. . In order to prevent this, if the grinding and stirring conditions are strengthened, the stirring power increases, and since dross powder having a particle size exceeding 100 μm contains a relatively large amount of metallic aluminum, it reacts with water. As a result, hydrogen gas is generated and the risk of the reaction system increases, and the loss of useful aluminum content increases. When the dross powder is supplied to the reaction system with a particle size of preferably 50 μm or less, the time required for completion of the reaction is shortened, and the stirring power in the grinding and stirring can be reduced, which is industrially advantageous.
[0014]
The present invention is characterized in that when the aluminum nitride in the aluminum dross is detoxified by reacting with water, the dross and water are allowed to coexist in the reaction system under the conditions of grinding and stirring. Aluminum nitride reacts with water to form an aluminum hydroxide layer on its surface, but its thickness increases with time, and its density increases with temperature. In some cases, the decomposition reaction may be incomplete due to the fact that the aluminum hydroxide layer formed on the surface prevents the aluminum hydroxide layer from contacting the inner aluminum nitride, resulting in an incomplete decomposition reaction. Therefore, the aluminum hydroxide layer formed on the surface of the aluminum nitride is destroyed, and the contact between the aluminum nitride and water is performed efficiently.
[0015]
In the present invention, the state of water coexisting in the reaction system may be liquid or gaseous, and is not particularly limited, but according to experiments by the present inventors. The reaction rate of water is higher when it is in contact with aluminum nitride in the liquid state than in the gaseous state, and moreover, a liquid of about the amount of adhering water adheres around the aluminum nitride or dross particles, and the surrounding state is saturated. The condition in which water vapor close to or near it was the optimum condition in terms of reaction rate.
[0016]
Further, the amount of water used in the reaction system is not particularly limited. However, it is desirable that the amount of water used is minimal in consideration of the problem of waste liquid treatment, and preferably the reaction with aluminum nitride in the dross. It is 2.5-4 times equivalent with respect to an equivalent, More preferably, it exists in the range of 3-3.5 equivalent.
[0017]
That is, with respect to 100 parts by weight of dross used for the reaction, adhering around the dross particles on the part of water W1 of the reaction equivalent necessary for the reaction between aluminum nitride and water in the dross represented by the following reaction formula (1) Water and water necessary for saturating the atmosphere in the reactor W2 = (1.5-3) × W1 Total amount added by weight part WT = W1 + W2 = (2.5-4) × W1 Part by weight of water should be used.
AlN + 3H 2 O → Al (OH) 3 + NH 3 (1)
W1 = 100 * (a / 100) * (3 * 18) /41=1.32a [where a is the AlN content (% by weight) in the dross. ]
[0018]
Thus, the amount of water used for 100 parts by weight of dross is 2.5 to 4 times the theoretical amount W1 parts by weight necessary for decomposing aluminum nitride in the dross. When the amount of water used is less than 2.5 × W1 parts by weight, it becomes difficult for a water film in a liquid state to adhere to the surface of the dross particles, and water vapor and aluminum nitride come into direct contact with each other. The speed is reduced. Also, if the amount of water used exceeds 4 x W1 parts by weight, free water becomes excessive and the reactants adhere to the vessel walls and balls, leading to a decrease in yield and increasing the stickiness of the treated dross. Handling as powder becomes difficult. In addition, when the reaction vessel is an open system, the foamed material in which dross, water, and generated gas are mixed may be ejected from the opening without being reacted. By making the usage-amount of water into the said appropriate range, it can obtain as a powdery substance which is easy to handle a dross processed material with a high decomposition rate, without producing such various troubles.
[0019]
Moreover, although the decomposition reaction of aluminum nitride with water proceeds even at room temperature, the reaction temperature is usually in the range of 60 to 200 ° C., preferably 90 to 200 ° C., more preferably 100 to 150 ° C. in terms of reaction rate. Is good. If the reaction temperature is less than 60 ° C., the reaction rate becomes slow and the reaction apparatus becomes excessive. On the other hand, when the reaction temperature exceeds 200 ° C., the internal pressure of the reaction vessel becomes several tens of atmospheres, and the conditions as a pressure vessel become severe. Although the reaction rate increases as the reaction temperature increases, the above temperature range of 100 to 150 ° C. is industrially preferable as a temperature range in which water and water vapor coexist and the internal pressure of the reaction vessel does not become excessive.
[0020]
The reaction time is governed by the reaction temperature, dross particle size, grinding and stirring conditions, the amount of water used, etc., but is preferably in the range of 15 to 90 minutes. When the reaction time is less than 15 minutes, the reaction between aluminum nitride and water is not completed, and water is absorbed after the treatment and the slow reaction is continued. Even if it exceeds 90 minutes, the increase in the decomposition rate is almost saturated and the productivity is lowered.
[0021]
As a reaction vessel used in the method of the present invention, since the reaction system is subjected to grinding and stirring conditions, it is possible to use a lining with an abrasion-resistant material, and it is necessary to be able to stir while heating the material of the reaction system, (1) A powerful grinding and stirring action can be given to the mixture of dross and water, (2) Heating up to 200 ° C is possible, (3) Raw materials and products remain unreacted outside the system It is necessary to combine the following five conditions: (4) corrosion resistance, wear resistance, and (5) structural strength that can withstand internal pressure.
[0022]
Specifically, it is possible to use an apparatus of a type capable of performing a reaction while applying a strong grinding force to the reaction system material with a stirring medium such as a rolling ball mill, a vibration mill, a retort, a rotary kiln, or a stirring mill. However, a closed rolling ball mill having a heating mechanism is particularly preferable. The reaction vessel preferably has a structure and strength that can withstand an internal pressure corresponding to the saturated water vapor pressure at the reaction temperature, and has a closed structure to prevent the scattering of dross powder and moisture. However, if the reaction vessel has a trapping mechanism that prevents scattered matter from coming out of the rolling ball mill, an open type structure having some openings may be used.
[0023]
Therefore, it is also possible to apply a continuous system when productivity is not sufficient in the batch system, in which case the contents of dross powder, dross foam, product gas, steam mist, etc. react. It is necessary to provide a capture mechanism that does not scatter from the system to the outside, and return the captured products to the reaction system again from the viewpoint of the quality, yield, and environmental measures. In addition, it is necessary to suppress gas leakage so that the vapor-liquid equilibrium corresponding to the treatment temperature is established, that is, the adhering water tends to always exist in the liquid state around the dross powder. This is because, when the opening is excessive, the pressure in the reaction vessel decreases, evaporation of the adhering water occurs, the liquid water film around the dross preferable for promoting the reaction disappears, and the reaction rate decreases.
[0024]
According to the present invention, aluminum dross and water are allowed to coexist under grinding and the aluminum nitride in the dross is reacted with water, so that the aluminum hydroxide layer formed on the surface of the aluminum nitride contacting with water is formed. The aluminum hydroxide layer can be broken or cracked, so that water coexisting in the reaction system can efficiently come into contact with aluminum nitride, and the reaction system does not need to be heated to 700 ° C. or higher. Usually, it can be carried out at a low temperature of 60 to 200 ° C, and in many cases 100 to 150 ° C.
[0025]
In addition, the amount of water used can be sufficiently reacted if the amount of water adhering around the dross particles is maintained, thereby preventing the dross from adhering to the wall and dusting. The reaction mixture after completion of the reaction can be handled in the form of powder and the operation becomes extremely easy, and the waste liquid can be eliminated. Furthermore, the reaction rate is increased as a synergistic effect of the stirring effect and the presence form of water, and aluminum nitride can be efficiently decomposed and removed in a shorter time than before.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
As a reaction vessel, a rolling ball mill made of SUS316 lined with silicon nitride ceramics was used. In this rolling ball mill, 100 parts by weight of dross powder of 100 μm or less, preferably 50 μm or less after pulverizing and separating and recovering metal aluminum And water corresponding to 2.5 to 4 times equivalent of the theoretical amount W1 part by weight required for decomposing aluminum nitride in the dross are added in a uniform mixed state.
[0027]
Here, the volume ratio of the mixture of dross powder and water charged into the rolling ball mill to the volume of the rolling ball mill, that is, the holding amount of the mixture of dross powder and water in the rolling ball mill (hold up) The higher the productivity, the higher the productivity, but the reaction rate becomes maximum when the pulverization efficiency and the stirring efficiency as the rolling ball mill are the optimum holding amount, so the rolling ball mill operates as a pulverizer. A holding amount in the range of 15 to 40% (volume ratio) of the internal volume, which is an appropriate range at the time, is preferable. Here, if the volume ratio of the mixture of dross powder and water introduced into the rolling ball mill is lower than 15%, there arises a problem that the productivity is lowered, and if it exceeds 40%, the decomposition rate of aluminum nitride is reduced. There is a possibility that a problem of reduction occurs.
[0028]
Further, the rolling balls thrown into the rolling ball mill are preferably in the range of 15 to 50% by volume ratio. If the volume ratio of the rolling balls to be put into the rolling ball mill is lower than 15%, the grinding efficiency is low and the decomposition rate is lowered, and if it exceeds 50%, the rolling does not contribute to the grinding. On the contrary, the amount of balls increases, so that the grinding efficiency is lowered and the decomposition rate is lowered.
[0029]
The rolling ball used as the stirring medium needs to be a wear-resistant material that is stable against water and water vapor up to 200 ° C., and preferably a cobblestone or alumina material.
[0030]
In addition, the rotational speed of the rolling ball mill may be an appropriate value when used as a pulverizer, but it is preferable to select as high a speed as possible below the critical speed, and the rotational speed is within an appropriate range commonly used as a pulverizer. The critical rotational speed may be 65 to 80%. Below the lower limit, the stirring effect is reduced and the reaction rate is reduced. On the other hand, when the upper limit is exceeded, the dross and the ball are pressure-bonded to the vessel wall, so that the stirring effect does not appear and the reaction rate decreases.
[0031]
Furthermore, since it is difficult to directly measure the temperature of the dross powder with respect to the reaction temperature, the atmosphere temperature is 100 to 200 ° C., and the reaction time is 15 to 90 minutes. Good.
[0032]
【Example】
Hereinafter, based on an Example and a comparative example, this invention is demonstrated more concretely.
[0033]
[Example 1]
10 kg of dross is crushed by using an air-flow type pulverizer, the metal aluminum content and dross powder such as aluminum oxide, aluminum nitride, etc. are separated from the mixed state, and then the 1 mm sieve is applied to the metal rich material on the sieve Was recovered and returned to a melting furnace for producing a new lump, and the dross pulverized product under the sieve was further passed through a 44 μm sieve, and the sieve was used as a sample.
[0034]
As shown in FIGS. 1 and 2, as shown in FIGS. 1 and 2, a reaction vessel cylinder 1 made of SUS316 having an internal dimension φ164 mm × 164 mm and having a silicon nitride ceramic lining 2 and a SUS316 made of silicon nitride ceramic lining 5 is used. 4, a porous ceramic plate 6 as a filter body (used in Example 7), and an alumina ball 7 having a diameter of 20 mm inserted in the reaction vessel cylinder 1. The external electric heater 3, the thermoelectric A rolling ball mill provided with a protective tube 8, a roller 9, a mount 10 and a thermocouple 13 was used.
[0035]
In this rolling hole mill, 2000 g of the alumina ball 7, 30 g of the test dross 11, and 30 g of water 12 corresponding to 3 times the reaction equivalent of aluminum nitride in the dross were respectively sealed and sealed. The mixture was heated to 120 ° C. by electric heating, rotated at 65 rpm, and reacted for 60 minutes while stirring and stirring.
[0036]
After completion of the reaction, the aluminum nitride content in the dross after cooling and detoxification treatment was quantified, and the decomposition rate with respect to the aluminum nitride content before the detoxification treatment and the adhering moisture of the obtained dross treated product were determined. As a result, the decomposition rate of aluminum nitride was 93%, the moisture content of the treated dross was 12%, and no ammonia odor was felt in the treated dross. In addition, the dross-treated product was in a state that can be handled as a powder, and adhesion to the wall surface of the ball mill was very small.
[0037]
[Example 2]
The dross detoxification treatment was performed in the same manner as in Example 1 except that the reaction temperature was 200 ° C. and the reaction time was 40 minutes. As a result, the decomposition rate of aluminum nitride was 93%, the moisture content of the treated dross was 10%, and no ammonia odor was felt in the treated dross. In addition, the dross-treated product was in a state that can be handled as a powder, and adhesion to the wall surface of the ball mill was very small.
[0038]
[Example 3]
The dross detoxification treatment was performed in the same manner as in Example 1 except that the reaction temperature was 90 ° C. and the reaction time was 90 minutes. As a result, the decomposition rate of aluminum nitride was 80%, the moisture content of the treated dross was 16%, and no ammonia odor was felt in the treated dross. In addition, the dross-treated product is in a state that can be handled as a powder, the adhesion to the wall surface of the ball mill is small, and no waste liquid is generated.
[0039]
[Example 4]
The dross detoxification treatment was performed in the same manner as in Example 1 except that the particle size of the test dross was 105 μm or less. As a result, the decomposition rate of aluminum nitride was 81%, the moisture content of the treated dross was 13%, and no ammonia odor was felt on the treated dross. In addition, the dross-treated product was in a state where it could be handled as a powder, there was almost no adhesion to the wall surface of the ball mill, and no waste liquid was generated.
[0040]
[Example 5]
The dross detoxification treatment was carried out in the same manner as in Example 1 except that a porous ceramic plate was disposed as a heat-resistant and wear-resistant filter on part of the lid on the outlet side of the ball mill. As a result, the decomposition rate of aluminum nitride was 83%, the moisture content of the treated dross was 10%, and no ammonia odor was felt on the treated dross. Further, the treated dross was in a state that can be handled as powder, there was almost no adhesion to the wall surface of the ball mill, no waste liquid was generated, and there was little scattering of the dross outside the mill.
[0041]
[Example 6]
The dross detoxification treatment was performed in the same manner as in Example 1 except that the reaction temperature was 80 ° C. As a result, the decomposition rate of aluminum nitride was 64%, the adhered moisture of the treated dross was 16%, and a slight ammonia odor was felt in the treated dross. In addition, the dross-treated product was in a state where it could be handled as a powder, there was almost no adhesion to the wall surface of the ball mill, and no waste liquid was generated.
[0042]
[Comparative Example 1]
30 g of the test dross and 30 g of water corresponding to three times the reaction equivalent to aluminum nitride in the dross were put into a vertical inner cylinder container, and a propeller type stirrer was inserted and stirred at 100 rpm, The reaction was allowed to proceed for 60 minutes. The lid was not completely sealed and was partially open to the atmosphere. As a result, the decomposition rate of aluminum nitride was 28%, the dross-treated product was 4% of adhered powder, and the ammonia odor remained.
[0043]
[Comparative Example 2]
30 g of the test dross and 120 g of water corresponding to 12 times the reaction equivalent of aluminum nitride in the dross were charged into the autoclave and reacted at 200 ° C. for 60 minutes with propeller stirring at 250 rpm. The container was sealed. As a result, the decomposition rate of aluminum nitride was 80%, and the ammonia odor of the dross treated product remained somewhat. The internal pressure of the reaction vessel was as high as 17 atm. Further, the amount of waste liquid after the treatment was as large as 100 g or more.
[0044]
[Comparative Example 3]
The dross detoxification treatment was performed in the same manner as in Example 1 except that the amount of water used was 45 g corresponding to 4.5 times the reaction equivalent to aluminum nitride in the dross with respect to 30 g of the test dross. went. As a result, the decomposition rate of aluminum nitride was 90%, the moisture content of the treated dross was 16%, and no ammonia odor was felt on the treated dross. The dross-treated product was in a state where it could be handled as a powder, and the adhesion to the wall surface of the ball mill was slightly increased as compared with Example 1, and there was no generation of waste liquid.
[0045]
[Comparative Example 4]
The dross detoxification treatment was performed in the same manner as in Example 1 except that the amount of water used was 5 times the reaction equivalent with aluminum nitride in the dross. As a result, the decomposition rate of aluminum nitride was 60%, the moisture content of the dross-treated product was 18%, and no ammonia odor was felt on this treated dross product. Further, this dross treated product was slightly inferior in handling property as a powder, hardly adhered to the wall surface of the ball mill, and there was no generation of waste liquid.
[0046]
[Comparative Example 5]
The dross is the same as in Example 1 except that the amount of water used is 5 times the reaction equivalent of aluminum nitride in the dross and that the ball mill lid is opened with a small hole of φ10 mm. Was detoxified. As a result, the decomposition rate of aluminum nitride was 52%, the moisture content of the treated dross was 12%, and no ammonia odor was felt on the treated dross. Further, this dross treated product was slightly inferior in handling property as a powder, hardly adhered to the wall surface of the ball mill, and there was no generation of waste liquid.
[0047]
【The invention's effect】
According to the present invention, compared with the dross detoxification treatment method in which the aluminum nitride in the dross has been decomposed over a long period of time of 3 hours or more at a high temperature of 700 ° C. or higher or in water at 80 ° C. The dross can be detoxified at a low temperature of about 60 to 200 ° C. in a short time of about 60 minutes and with almost no waste liquid.
[0048]
In addition, the dross-treated product obtained by the detoxification treatment of the present invention has a reduced aluminum nitride as a barrier during electrolytic reduction as much as possible, so that it is only possible to recycle high value as a new aluminum ingot. In addition, it can be used as a secondary material or process additive for steel and cement.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a rolling ball mill used in an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional explanatory view of FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Reaction container cylinder, 2, 5 ... Silicon nitride ceramic lining, 3 ... External electric heater, 4 ... Cover, 6 ... Porous ceramic board, 7 ... Alumina ball, 8 ... Thermocouple protective tube, 9 ... Roller, 10 ... frame, 11 ... test dross, 12 ... water, 13 ... thermocouple.

Claims (3)

アルミニウムドロスと水とを摩砕攪拌下に共存させて前記アルミニウムドロス中の窒化アルミニウムを水と反応させる反応系に、アルミニウムドロス中の窒化アルミニウムとの反応当量に対して3〜3.5倍当量となるように水を共存させると共に、液体状の水と気体状の水とを共存させたことを特徴とするアルミニウムドロスの無害化処理法。In a reaction system in which aluminum dross and water coexist with stirring under stirring to react aluminum nitride in the aluminum dross with water, 3 to 3.5 times equivalent to the reaction equivalent with aluminum nitride in aluminum dross A method of detoxifying aluminum dross, characterized by coexisting water so that liquid water and gaseous water coexist. 反応温度が90〜200℃の範囲である請求項1に記載のアルミニウムドロスの無害化処理法。  The method for detoxifying aluminum dross according to claim 1, wherein the reaction temperature is in the range of 90 to 200 ° C. 摩砕攪拌は、反応系内にその容積の15〜50%の割合で存在する耐蝕性及び耐摩耗性の多数のボールを転動させて行う請求項1又は2に記載のアルミニウムドロスの無害化処理法。  3. The aluminum dross detoxification according to claim 1 or 2, wherein the agitation is performed by rolling a number of corrosion-resistant and wear-resistant balls existing in a proportion of 15 to 50% of the volume in the reaction system. Processing method.
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