JP4532974B2

JP4532974B2 - 粉粒状酸化アルミニウムの処理方法

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Publication number: JP4532974B2
Application number: JP2004130042A
Authority: JP
Inventors: 早苗新谷
Original assignee: 有限会社ダルコ
Priority date: 2004-04-26
Filing date: 2004-04-26
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2024-04-26
Also published as: JP2005307327A

Description

本発明は、アルミニウム，アルミニウム合金の溶解精錬時に溶解滓として発生する酸化アルミニウムを処理して、アルミニウム合金としてアルミニウム成分を回収する、粉粒状酸化アルミニウムの処理方法に関するものである。

アルミニウム材料の製造工程中の溶解過程で不可避的に発生する酸化アルミニウムは、金属アルミニウム，アルミニウム酸化物，アルミニウム窒化物，合金添加元素の酸化物および処理中に添加されるハロゲン化合物などを主成分とする粉状あるいは粉粒塊状の物質であり、灰白色または灰黒色を呈する。この酸化アルミニウム（以下、粉粒状酸化アルミニウムという）はアルミニウムを取扱う産業にとっては貴重なリサイクル資源である。

現状における前記粉粒状酸化アルミニウムのリサイクル用途は、製鋼用副資材としての用途などにほぼ限定されており、金属アルミニウムを回収することは経済的，技術的に困難であると認識されている。

このような状況に鑑みてこの粉粒状酸化アルミニウムと二酸化けい素を主成分とする塊状／粉状のけい石と粒状の炭素還元剤との混合物を電気炉に入れ、溶融還元反応によりアルミニウム−シリコン合金を生成させる方法、ならびに上記混合物に酸化鉄を加えることにより還元反応を容易にしてＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ合金を製造する方法がある。また、還元炉内に粉粒状酸化アルミニウムと炭素成分材およびけい石を供給してアーク放電で溶解還元させてアルミニウム−シリコン合金を生成し、これに関連させてガス化した金属成分を冷却捕集することで回収処理する試みがある。

前記アルミニウム合金の代表的な化学成分は、下記表１で示される。

前記従来技術によって粉粒状酸化アルミニウムを溶解還元して製造したアルミニウム−シリコン合金（Ａｌ−Ｓｉ合金）には、上記表１にて示されるように、Ｆｅが少なくとも３％含有されている。このＡｌ−Ｓｉ合金とＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ合金の用途は、主に鉄鋼を精錬するための脱酸剤として使用される。したがって、鉄分（Ｆｅ）が含有されていても、鉄分は母材の溶解された鉄分に吸収されるのでまったく影響がない。しかし、Ａｌ−Ｓｉ合金とＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ合金の用途としては鉄分が３％以上含有されているので鉄鋼用の副資材にのみ限定されている。

また、鉄鋼製品のＳｉの含有量は、ＪＩＳ規格（日本工業規格）により、０．１５〜０．３５％で、品種ごとにそれぞれ上限と下限の規格があり、現在はフェロシリコン（ＪＩＳ規格２号品の場合７５〜８０％Ｓｉ）を添加して調整している。また、技術的には金属けい素（ＪＩＳ規格２号品の場合、９７％Ｓｉ以上）を添加してもよいが、高価につくので一般的に鉄鋼製品には安価なフェロシリコン（Ｆｅ１５％含有）が使用されている。

このようなことから、上記Ａｌ−Ｓｉ合金とＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ合金の用途は限定されるので、用途を拡大するためには鉄分を除去する必要がある。しかしながら、現状にあってはＡｌ_２Ｏ_３とその他雑物が主体を占める粉粒状酸化アルミニウム中から微量（全体量の１％程度）とも言うべき鉄分を除去することは容易ではない。

また、前記粉粒状酸化アルミニウムからアルミニウム合金を回収する手段では、還元炉内でアークを飛ばして溶解還元させるとともに、発生するガスの処理を行わせる一連の処理工程が付帯され、還元炉において溶解した溶湯を別途保持炉内に集めて、排ガス中に含まれる気化金属成分を冷却捕集したものをも前記保持炉内に回収して取り出し、製品とするようにされている。しかし、この方式による場合であっても得られるアルミニウム−シリコン合金では、やはり前述のように鉄分の処理ができないので、その用途について限定されることに変わりがない。

このように粉粒状酸化アルミニウムに鉄分が含有されるのは、アルミニウム、その合金を溶解精錬すると溶滓が発生し、溶湯の上部に浮上してくるものに含まれる。一般的には、金属アルミニウムに対して鉄は比重が大きいので沈降する筈であるが、仔細に調査したところ、鉄分は薄い皮状の形状になり、表面に酸化物の微粒子が付着した状態を呈している。そのために嵩比重が小さくなり、アルミニウムの溶湯上に浮上して酸化アルミニウムなどと一体化し、溶滓の中に含有されることになる。また、こうして混在する鉄分は、簡単に分離することが困難で、現状ではそのまま処理されている。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、精錬工程で回収される粉粒状酸化アルミニウムから合理的に鉄分を除去処理して高付加価値のあるアルミニウム合金を回収することができる粉粒状酸化アルミニウムの処理方法を提供することを目的とするものである。

前述された目的を達成するために、本発明による粉粒状酸化アルミニウムの処理方法は、
粉粒状酸化アルミニウムを５０メッシュ以下の粒状に精粒化して後、磁力選別手段によって鉄分を分離除去して０．１％以下の鉄含有量に処理し、前記磁力選別手段で選別できなかった酸化第二鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）を含んだ粉粒状酸化アルミニウムを、還元炉にて７００〜８００℃の還元ガス中で２５分以上保持して四三酸化鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）に変態させ、再び磁力選別手段により選別して鉄分を除去処理し、しかる後炭素成分材とけい石とを加えて還元炉内で溶解還元させ、鉄分が１．０％未満のアルミニウム合金を生成することを特徴とするものである（第１発明）。

前記第１発明において、還元炉内での溶解還元に添加される炭素成分材およびけい石は、いずれも粉砕して、磁力選別手段により鉄分を分離除去したものが用いられるのがよい（第２発明）。

また、前記第２発明において、粉砕された炭素成分材およびけい石の粉粒体と粉粒状酸化アルミニウムとは、粘結材を加え混練して団塊状に形成した後に還元炉に投入されるのがよい（第３発明）。

前記各発明において、前記精粒化された粉粒状酸化アルミニウム、粉砕された炭素成分材およびけい石から鉄分を選別する磁力選別手段は、ドラム回転式の磁力選別機であるのがよい（第４発明）。

第１発明によれば、粉粒状酸化アルミニウム中の鉄分で磁力選別できない物性のもの（Ｆｅ _２Ｏ _３）を、還元炉にて加熱して磁力を帯びる物性（Ｆｅ _３Ｏ _４）に変態させ、しかる後磁力選別するようにされているので、ほとんどの鉄分を分離除去することができ、鉄分（Ｆｅ）が１．０％未満のアルミニウム合金を得ることができる。この結果、アルミニウムの回収はもとより、得られるアルミニウム合金が鉄鋼用の脱酸剤としてのほかにアルミニウム製品の製造過程で多く使用されるシリコン添加剤として使用することができるという効果を奏する。しかも、粉粒状酸化アルミニウムから鉄分を除去するのに、磁力選別を行うことで、物理的に鉄分除去ができて操作が容易になり、化学反応的に処理するよりも消費エネルギーが少なくて処理操作も乾式で容易に行えるので、設備費も低減できるという効果が併せ得られる。

また、第２発明によれば、主体となる粉粒状酸化アルミニウムと同様に、炭素成分材およびけい石中の含有鉄分を除去することで、溶融還元されて得られるアルミニウム合金の純度を一層高めることができるという効果が得られる。

さらに、第３発明によれば、還元炉内で溶解還元するに当たり、炉内で流動する熱風によって投入する材料が飛散するのを防止でき、炉壁などに原料が溶着して溶解作業に支障を生じるのを解消できるとともに、取扱いを容易にするという効果を奏する。

第４発明によれば、精粒化した後の粉粒状酸化アルミニウムや炭素成分材あるいはけい石から鉄分を分離除去するのに、乾式で連続して処理することができ、その処理に際して被処理材を飛散させるようなことなく処理できるので、取扱いが容易であるという利点がある。

次に、本発明による粉粒状酸化アルミニウムの処理方法の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１には、本発明の一実施形態に係る粉粒状酸化アルミニウムの処理方法を表わすフローチャートが示されている。

本発明による粉粒状酸化アルミニウムの処理は、粉粒状酸化アルミニウムを粉砕処理して精粒化し、磁力選別手段で鉄分を分離除去した後、溶解還元することにより、鉄分を除かれたアルミニウム合金（アルミニウム−シリコン合金）としてアルミニウムの再生回収を行う方法であるが、粉粒状酸化アルミニウム中の鉄分は、必ずしも磁力選別で分離除去することができない場合がある。このような磁力選別のできない鉄分（主に酸化第二鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３））が存在することに鑑み、このような形態の鉄分の除去を図って、鉄分の含有量がきわめて少ないアルミニウム合金として回収できるようにする処理方法である。

本実施形態の処理方法を図１のフローチャートによって行程順に説明する。用意された粉粒状酸化アルミニウム１を、まず粉砕機に順次供給して粉砕処理して５０メッシュ以上、でき得れば１００メッシュ以上に微粉砕処理２する。こうして微粉砕された粉粒状酸化アルミニウムを磁力選別手段（乾式磁力選別装置）にかけて鉄分の磁力選別処理３を行い、鉄分を分離除去する。この磁力選別手段では、一挙に鉄分が除かれない場合、何回かに分けて繰り返すことでその鉄分の除去処理が効果的に行える。この磁力選別では概ね当初の含有鉄分の７０％が除かれることになる。このような磁力選別は乾式で行うことができるので、飛散する粉塵が外部に漏れ出さないように処置すると（たとえばダストコレクターによって粉塵捕集処理すれば）外部への飛散を防止できる。前記磁力選別手段としては、例えば回転ドラム式の磁力選別装置を用いるようにするのが連続処理できるので好ましく、分離除去される鉄分の処理ならびに鉄分を除かれた酸化アルミニウムの取扱いが容易である。粉粒状酸化アルミニウムは、このような磁力選別処理３で鉄分を除去することにより、含有鉄分を総量の０．１％もしくはそれ以下にすることができる。なお、前記磁力選別装置としては、回転式以外のものであっても差し支えない。

しかしながら、この粉粒状酸化アルミニウムには、鉄分として磁力を帯びるＦｅ，ＦｅＯ，Ｆｅ_３Ｏ_４以外に、Ｆｅ_２Ｏ_３（酸化第二鉄）が含まれていることが多い。この酸化第二鉄（赤鉄鉱といわれる）は磁性を帯びないために、磁力選別手段による分離除去されないで当初鉄分含有量のほぼ３０％が残留する。したがって、この酸化第二鉄を残すと溶解還元して得られるアルミニウム合金（アルミニウム−シリコン合金）の鉄含有量が多くなる。

そこで、前記磁力選別手段による鉄分の分離除去を行った粉粒状酸化アルミニウムを還元炉内にて、７００〜８００℃で炭素もしくは水素による還元雰囲気中で２５分以上保持させることにより、Ｆｅ_３Ｏ_４とＦｅＯに変態させる操作（残留鉄分の還元による変態操作１０）を行う。こうすることにより非磁性体であった残余鉄分に、磁力を帯びさせることができる。なお、主体となっている主に酸化アルミニウムはその変態点温度が約２１００℃であるので、前記還元操作においてなんらの影響も受けず、元のままで保たれている。

こうして磁力を帯びた鉄分を含有する粉粒状酸化アルミニウムは、これを再び磁力選別手段による二次磁力選別処理１１の操作を行い、磁力による鉄分を分離除去する。こうすることで、先の磁化して含有している鉄分の除去に加えて非磁性鉄分の変態による磁化で、二次磁力選別処理１１を繰り返すことにより、分離除去されてほとんど鉄分を含有しない酸化アルミニウム粉（以下、単に酸化アルミニウムという）の原料とすることができる。

こうして鉄分を除去された酸化アルミニウムは、還元炉に炭素成分材（例えば無煙石炭粉コークス粉など）と粉砕されたけい石とともに供給し、アーク熱により溶解還元処理７させる。この溶解還元処理７に先立って、前記炭素成分材およびけい石は、それぞれ前記酸化アルミニウムと同様に粉砕機によって５０メッシュ以上に粉砕処理５をする。次いで、炭素成分材並びにけい石は、それぞれ前記酸化アルミニウムの場合と同様に回転ドラム式の磁力選別装置（これに限定されず他の磁力選別装置であってもよい）によって磁力選別処理６を行い鉄分の除去処理を行う。

一般に、取扱われるけい石の粉末中にはおおよそ２．４％の磁性物（鉄分）が含有されており、また炭素成分材（無煙石炭粉コークス粉）にも２．４％程度の鉄分が含有されている。したがって、これら材料から含有鉄分の除去を行うことにより、還元溶解後の鉄分含有量をより低減することができる。

粉砕して磁力選別して鉄分の磁力選別処理６された各原料（酸化アルミニウム，炭素成分材，けい石）は、そのまま使用すると取扱い上、還元炉内に投入すると飛散するので、これらに粘結材（例えば、ベントナイト，アルミナセメント，生石灰などのいずれか）を添加して混練機によって混練し、その後団塊状に形成して取扱い容易な形状にする（団塊処理４）。この原料の団塊処理４には、例えば豆炭の成形機（ペレタイザー）のような装置を採用するのが好ましい。

こうして団塊にされた加工原料を還元炉に投入して溶融還元処理７を行う。この溶融還元処理７を行うために還元炉に原料を投入するのに、その原料は団塊状にされていると、運搬操作も容易で、しかも炉内に投入されて飛散することもなく、還元のための材料が被還元材である酸化アルミニウムとともに混練されているのでより有効に機能して溶解還元が促進される。この溶解還元処理７の操作により、溶解アルミニウム合金８が得られる。この溶解還元によって得られた溶解アルミニウム合金８は、還元炉から別途設置の保持炉に取出して溶湯状態を保持させ、所要量ずつ取出して所要寸法のインゴットに鋳造して製品化９（アルミニウム合金製品）する。こうして得られるアルミニウム合金製品（アルミニウム−シリコン合金）９は、前述のように原料中の鉄分を除去された状態で溶解還元されて得られるものであるので、鉄分をほとんど含有しないものである。

前記手順によって処理され得られたアルミニウム合金（アルミニウム−シリコン合金）は、分析の結果、Ｆｅ１．０％未満であった。したがって、このアルミニウム−シリコン合金の場合は、従来の鉄鋼用脱酸剤として使用されるもののほかに、一般のアルミニウム合金製品の製造に際して添加されるシリコン添加剤として使用できるものとなる。ちなみに、現在アルミニウム製品としてダイカスト用のＳｉ添加材料は、Ｆｅの上限が０．９％以下であるので、金属シリコン（Ｍ−Ｓｉ）が使用されている。また、アルミニウムの圧延品と鋳造品におけるＦｅの規格値が低いものには、Ｆｅ含有量が１．０％未満の金属シリコンが使用されており、これらはいずれも高価なものであるから、本発明による処理で得られるアルミニウム−シリコン合金がそのまま使用できることになる。

すなわち、アルミニウムの圧延品、鋳造品、ダイカスト製品の材料溶解時にＳｉが規格値以下になった場合、一般的に金属シリコンを溶湯内に添加して溶解しなければならず、図２に示されるＡｌ−Ｓｉ状態図から、金属シリコン（Ｍ−Ｓｉ）の溶融点は１４３０℃と高い。そのときのアルミニウムの溶湯温度が７００〜８００℃であるので、通常溶解時間に１時間を要している。しかし、例えばＡｌ５０％−Ｓｉ５０％の合金を添加した場合、この合金の溶融点は約１０５０℃と低いので、実溶解時間は３０分となり、半分の時間で済むことになって、時間短縮と省エネルギーに効果をもたらすことができる。

また、例えば鋳物用アルミニウム合金地金（ＡＣ４Ｃ）材を溶解する場合、規格では、Ｓｉが６．５〜７．５％，Ｆｅが０．４０％以下となっており、これによれば、Ｓｉの規格値下限６．５％までに収めるには金属シリコンを添加するが、金属シリコンのＦｅ含有量が１．５％あるので、Ｆｅの規格値上限を外れることがあり、このような場合、Ｆｅ１．０％未満の金属シリコンを使用しなければならない。このようなことから、前述の再生されたアルミニウム−シリコン合金を使用することで化学成分の調整が容易になる。なお、Ａｌ分は母材に溶け込んで問題がない。

したがって、本発明によれば、粉粒状酸化アルミニウムを原料としてアルミニウム合金の生成を有効に行うことができ、その生成によって得られるアルミニウム合金、なかでもアルミニウム−シリコン合金は、従来のような鉄鋼用の脱酸剤としての用途のみならずアルミニウムの加工産業でシリコン添加材料として使用することが可能になり、本来アルミニウムの再生を原点とした処理が、形を変えてアルミニウム加工に活用できることになり、より一層の経済的効果を高めることができるのである。

以上の説明において、還元炉に投入する原料としての酸化アルミニウムと還元材およびけい石についてはすべてを混練して団塊にするように記載しているが、必要に応じて、酸化アルミニウムとけい石や炭素成分材を別個に混練して団塊にしたものを使用することもできる。

本発明によるアルミニウム残灰の処理方法を表わすフローチャートＡｌ−Ｓｉ状態図

１粉粒状酸化アルミニウムの供給
２粉砕機による微粉砕処理
３磁力選別処理
４原料の団塊処理
５炭素成分材およびけい石の粉砕処理
６炭素成分材およびけい石の磁力選別処理
７溶解還元処理
１０残留鉄分の還元による変態
１１二次磁力選別

Claims

粉粒状酸化アルミニウムを５０メッシュ以下の粒状に精粒化して後、磁力選別手段によって鉄分を分離除去して０．１％以下の鉄含有量に処理し、前記磁力選別手段で選別できなかった酸化第二鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）を含んだ粉粒状酸化アルミニウムを、還元炉にて７００〜８００℃の還元ガス中で２５分以上保持して四三酸化鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）に変態させ、再び磁力選別手段により選別して鉄分を除去処理し、しかる後炭素成分材とけい石とを加えて還元炉内で溶解還元させ、鉄分が１．０％未満のアルミニウム合金を生成することを特徴とする粉粒状酸化アルミニウムの処理方法。
還元炉内での溶解還元に添加される炭素成分材およびけい石は、いずれも粉砕して、磁力選別手段により鉄分を分離除去したものが用いられる請求項１に記載の粉粒状酸化アルミニウムの処理方法。
粉砕された炭素成分材およびけい石の粉粒体と粉粒状酸化アルミニウムとは、粘結材を加え混練して団塊状に形成した後に還元炉に投入される請求項２に記載の粉粒状酸化アルミニウムの処理方法。
前記精粒化された粉粒状酸化アルミニウム、粉砕された炭素成分材およびけい石から鉄分を選別する磁力選別手段は、ドラム回転式の磁力選別機である請求項１〜３のいずれかに記載の粉粒状酸化アルミニウムの処理方法。