JP5250238B2 - アルミニウム・スクラップの精製方法及びその精製装置 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム・スクラップの精製方法及びその精製装置に係わり、詳しくは、アルミニウムのスクラップを反射炉で溶解し、その溶解物が含有する不要成分を除去する精製を行ってから、所定の大きさのインゴットに鋳造し、再度アルミニウム地金に再生するに際して、その再生を従来より効率良く、且つ安価に行う技術に関する。

アルミニウム地金を原鉱石のボーキサイトから精錬して製造するには、膨大なエネルギーが必要であるが、ひと度地金や製品になったアルミニウムは、その３０分の１のエネルギーで何回も再生できる。そのため、アルミニウム・スクラップは、資源の再利用において非常に重要な位置を占め、集荷から再生までの技術開発に日夜努力が払われている。

このアルミニウム・スクラップの再生技術の一つに、図２に示すように、浴深さに対して比較的平面積の広い反射炉１を用いるものがある。例えば、ハンドリングを容易にするため、破砕、粉砕等の事前処理が施されたアルミニウム・スクラップ２を、該反射炉１の投入口３から炉内へ装入し、重油バーナー等４の火炎５で輻射、伝熱して７００℃以上に加熱することで、溶解する。その溶解した溶融アルミニウム６（以下、溶湯６と称する）には、以前の用途に応じて種々の成分元素（前記用途の都合からＭｇ，Ｚｎが多い）が含まれており、それらを再生のために除去する必要がある。そこで、従来は、塩素ガスを炉内の溶湯６にランス（図示せず）を介して直接吹き込み、不純物成分を塩化物化してスラグ等に含ませて除去していた。しかしながら、この精製方法は、環境上の問題があるので、塩素ガスに代え、固体状のフラックス（図示せず）を使用するようになっている。該フラックスとして、例えばＣａＣｌ_２を用いると、次式でＭｇは塩化物となり、スラグとして除去できるからである。

ＣａＣｌ_２＋Ｍｇ＝ＭｇＣｌ_２＋Ｃａ （１）
また、精製の終了後には、炉底の出湯口７を開口して溶湯６を出湯し、一定速度で水平移動する軌道８上に横並びに隣接して並べた比較的小さな複数の鋳型９（一個当たりのサズが長さ７００ｍｍ×幅１００ｍｍ×深さ２０ｍｍ程度であり、以下、連続鋳造機１１ともいう）に、水車のように回転しながら、溶湯６を連続的に注入する分配器１０を介して鋳造し、冷却手段１１で凝固して地金１２にする。

ところが、この技術で、例えば５０トンのアルミニウム・スクラップ２を再生しようとすると、操業が溶解工程から鋳造工程まで一連の流れで行われるため、１回の操業（１バッチという）あたり、溶解工程及び精製工程に８時間、鋳造工程に４時間を要し、１２時間ピッチという長時間での処理となり、非常に作業効率（生産性）が低いという問題が生じている。

一方、前記溶湯６の精製には、従来より真空精錬を利用することも行われている。アルミニウム・スクラップの場合、除去される不純成分は蒸気圧の大きいＭｇ，Ｚｎとか水素ガスが主体だからである。例えば、溶解炉で溶解されたアルミニウム・スクラップの溶湯を、排気手段を備えた気密形の精錬炉へ移行し、減圧下で撹拌して、不純成分を蒸発、除去する技術が提案されている（特許文献１〜３参照）。また、この真空精錬をバッチ（間欠）式操業ではなく、連続操業として実施するための小型の装置及び操業方法も提案されている（特許文献４及び５参照）。

引用文献１〜３には、確かに５０００パスカル以下の減圧下で真空精錬を行うことや、蒸発させて凝固回収した不純成分の処理方法及び処理装置についての詳しい記載はある。しかしながら、真空精錬に要する処理時間や、得られた溶湯をどのように処理して地金にするのかについての記載が一切なく、アルミニウム・スクラップの再生処理効率の良否については全く判断できない。また、引用文献４〜５記載の技術は、比較的小規模の装置で連続操業を可能にするものではあるが、溶湯の回収室を別途設けるので、装置が複雑になって経済性に欠けるという問題がある。
特開平６−１４５８３１号公報 特開平６−１４５８３２号公報 特開平６−１４５８３３号公報 特開２００２−２９４９４９号公報 特開２００２−３３９０２４号公報

本発明は、かかる事情に鑑み、アルミニウム・スクラップを溶解し、その溶解物が含有する不要成分を除去する真空精製を行ってから、所定の大きさのインゴットに鋳造し、再度アルミニウム地金に再生するまでを、従来より効率良く、且つ安価に行うことの可能なアルミニウム・スクラップの精製方法及びその装置を提供することを目的にしている。

発明者は、上記目的を達成するため鋭意研究を重ね、その成果を本発明に具現化した。すなわち、本発明は、アルミニウム・スクラップを溶解炉で溶解し、その溶解物が含有する不純成分を除去する精製を行ってから出湯し、所定の大きさのインゴットに鋳造して再度アルミニウム地金に再生するに際して、前記アルミニウム・スクラップの溶解工程と精製工程とを分離し、精製工程と鋳造工程とを連結させることとし、前記溶解炉では、前記アルミニウム・スクラップの溶解だけを行って取鍋に出湯し、該取鍋を排気手段に連通した耐火物製蓋で覆い、取鍋内の雰囲気を所定圧力に減圧して所定時間保持し、溶湯から易揮発成分を除去した後、大気圧に再度復圧し、該溶湯を鋳型に連続的に注入することを特徴とするアルミニウム・スクラップの精製方法である。

この場合、前記取鍋内の雰囲気の所定圧力を０．１３〜１３．３パスカル、及び前記取鍋内の溶湯保持の所定時間を１０〜６０分としたり、あるいは前記溶解炉を反射炉としたり、さらに 前記取鍋の底部にポーラス・プラグ又は羽口を設置し、該ポーラス・プラグ又は羽口を介して不活性ガスを取鍋に保持した溶湯に吹き込み、該溶湯を撹拌するのが好ましい。

また、本発明は、アルミニウム・スクラップを投入し、加熱、溶解する溶解炉と、溶解された溶湯を受け入れ保持する取鍋と、該取鍋の上に載置され、それを覆う耐火物製蓋と、該取鍋内の雰囲気を減圧する排気手段と、取鍋内の溶湯が連続的に注入される連続鋳造機とを備えてなることを特徴とするアルミニウム・スクラップの精製装置である。

この場合、前記取鍋の底部に、前記溶湯を外部に抜き出す貫通孔と、該貫通孔の開放及び閉塞を自在に行えるスライディング・ゲートと、該スライヂィング・ゲートを通過した溶湯を、連続鋳造機へ導くスライディング・ノズルとを備え、該スライディング・ノズルは前記連続鋳造機に連結させるのが好ましい。また、前記スライディング・ゲートの開閉を、連続鋳造機の移動速度に対応させて自動的に行う制御手段を備えたり、あるいは前記耐火物製蓋が、取鍋内に保持した溶湯を加熱する加熱手段を備えているのが良い。さらに、 前記取鍋の底部に、取鍋に保持した溶湯に撹拌用の不活性ガスを吹き込むポーラス・プラグ又は羽口を備えるのが良い。

本発明によれば、アルミニウム・スクラップを再度アルミニウム地金に再生するに際して、アルミニウム・スクラップの溶解工程とその後の溶湯の精製工程及び鋳造工程とを分離して実施できるようになり、その結果、アルミニウム・スクラップの再生を従来より効率良く、且つ安価に行うことができるようになる。

以下、発明をなすに至った経緯をまじえ、本発明の最良の実施形態を説明する。
まず、発明者は、図２に示すように、アルミニウム・スクラップを溶解炉１（又は反射炉１）で溶解し、その溶解物が含有する不純成分を除去する精製を行ってから出湯し、所定の大きさのインゴット２０に鋳造して再度アルミニウム地金に再生する上記した従来の精製方法の問題点を見直し、処理効率を向上させるには、アルミニウム・スクラップの溶解工程と精製工程とを分離するのが良いと考えた。つまり、従来は１バッチの操業で溶解工程及び精製工程に８時間を要していたが、溶解工程と精製工程とを切り離し、お互いを独立させて別設備で実施するようにすれば、溶解工程は６時間以下で実施でき、精製工程以降を同時に並行できるからである。ただし、６時間以下での並行実施には、フラックスを用いて２時間かけて実施していた精製工程及び４時間もかかっていた鋳造工程も効率化する必要もあった。

そこで、具体的には、図１（ａ）に示すように、前記溶解炉１（又は反射炉１）では、前記アルミニウム・スクラップの溶解だけを行い、溶解物（以下、溶湯６という）のすべてを以前は溶湯６の搬送にだけ使用されていた耐火物（例えば、アルミナ系の耐火レンガ、あるいは不定形物）で内張りした取鍋１４に出湯し、以降の精製を該取鍋１４で行うことを検討した。そして、精製工程は、前記特許文献１〜５で示したように、従来より周知の真空精錬が採用できれば、設備的にも時間的にも都合が良いと考え、排気手段１６（ロータリー・ポンプ）に連通した耐火物製蓋（アルミナ系耐火物）１５で該取鍋１４を覆い、取鍋１４内の雰囲気を種々の圧力に減圧すると共に、その減圧下で種々の時間保持し、溶湯６から易揮発成分（Ｍｇ，Ｚｎ等の金属成分、水素ガス等）を除去する実験を行った（図１（ｂ）参照）。

その結果、溶湯６の温度が７３０℃以上ならば、１３．３パスカル以下の真空度（数値が小さいほど真空度は高くなる）で初期濃度の８０質量％以上の易揮発成分の除去が可能であることが判明した。その場合の処理時間は、全体でも６０分以内であり、従来の２時間に比べ大幅な短縮が達成できた。その際、取鍋１４の底部にポーラス・プラグ又は羽口１７を設け、アルゴン・ガスや窒素ガス等の不活性ガスを１〜５００リットル／分程度で吹き込み、溶湯６を撹拌すると一層効果があることもわかった。

また、鋳造工程の処理効率化を図るため、精製終了後の溶湯６を取鍋１４から連続鋳造機１１に直接注入する方法についても検討を行い、大気圧に再度復圧した後の溶湯６を従来のような溶湯６の上記分配器１０を介さずに、鋳型９に連続的且つ自動的に直接注入することにして、上記したアルミニウム・スクラップの精製方法に係る本発明を完成させたのである。上記の図１では、分配器１０を介して連続鋳造機へ鋳込む場合を示したが、スライディング・ノズル１９を配置してあるので、分配器１０を用いなくても良い。

なお、本発明では、前記取鍋１４内の雰囲気の所定圧力を０．１３〜１３．３パスカル、及び前記取鍋１４内の溶湯保持の所定時間を１０〜６０分とするのが好ましい。１３．３パスカル以上では、易揮発成分の除去が不十分であり、０．１３パスカル以下を超えるような真空度は取鍋１４という簡易的な真空装置では達成が困難だからである。

次に、上記した精製方法を具体的に実施する装置について説明する。それは、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、アルミニウム・スクラップを投入し、加熱、溶解する溶解炉１（又は反射炉１）と、溶解された溶湯６を受け入れ保持する取鍋１４と、該取鍋１４上に載置され、それを覆う耐火物製蓋１５と、該取鍋１４内の雰囲気を減圧する排気手段１６と、取鍋１４内の溶湯６が連続的に注入される連続鋳造機１１とで形成される。なお、排気手段１６は、図示していないが、取鍋１４内の空気やガスを吸引するロータリ・ポンプ、拡散ポンプ等と、配管、吸引ガス中の不純物成分を回収する集塵装置等で構成すれば良い。

上記溶解炉は、アルミニウム・スクラップを投入し、加熱、溶解できれば、如何なる公知の炉が利用できる。つまり、電気炉、平炉、反射炉等である。しかしながら、溶解の実績があり、操業上及び設備管理上で起きる問題の対処を周知しているので、アルミナ系耐火物で内張りした反射炉１の利用が良い。なお、本発明では、溶解作業と以降の精製・鋳造を行う作業とは、別々に分離して行うので、必ずしも同一建屋に設ける必要はない。溶湯６を取鍋１４で容易に移動できるからである。

本発明では、前記取鍋１４としては、アルミナ系耐火物で内張りされたもので良いが、前記した鋳造の効率化のため、その底部に、図１（ｂ）に示すように、前記溶湯６を外部に抜き出す貫通孔と、該貫通孔の開放及び閉塞を自在に行えるスライディング・ゲート１８と、該スライディング・ゲート１８を通過した溶湯６を、連続鋳造機１７へ導くスライディング・ノズル１９とを備えたものを利用する。取鍋１４のサイズは特に限定しないが、溶解炉の１チャージ分の溶湯を受け入れ可能なものが好ましい。ちなみに、１バッチの操業が５０トン程度の溶湯処理では、約２０ｍ^３の容量（例えば、内径２ｍφ×深さ３ｍ程度）である。ただし、溶解炉１の１チャージ分の溶湯量がこれより多い場合や、設備を小型化したい場合には、複数の取鍋１４を使用すれば良いので、もっと小さな取鍋１４を使用して十分である。本発明では、スライディング・ゲート１８やスライディング・ノズル１９の材質もアルミナ耐火物であることが好ましい。耐火物からの成分で溶湯の汚染が少ないからである。また、スライディング・ゲート１８は、図示していないが、開閉自在にする制御手段を備え、その開閉を、連続鋳造機１１の移動速度に対応させて自動的に行うのが良い。人手を介さずに操業できることが再生処理の効率化に有利だからである。その自動化のための制御手段は、いずれも特に図示しないが、鋳型９への注入状況を観察するカメラ等のセンサと、その信号でスライディング・ゲート１８の開閉手段（例えば、シリンダー等）部材を作動するスイッチ及び作動をコントロールするコンピュータとで達成できる。

また、上記した再生処理の効率化を図っても、溶湯６の精製作業は数時間を要するので、作業中に溶湯６の温度低下が起こる。そのため、本発明では、前記耐火物製蓋１５に、取鍋１４内に保持した溶湯６を加熱する加熱手段（図示せず）を備えることが好ましい。加熱手段としては、図示しないが、溶湯６に浸漬して通電加熱するための電極とか、溶湯６の上方から火炎等で加熱する重油、ガスを燃料としたバーナー類が利用できる。

さらに、連続鋳造機１１としては、一定速度で水平移動する軌道８上に横並びに隣接して並べた比較的小さな複数の鋳型９を配置した公知のもので十分であり、図１（ｂ）に示すように、スライディング・ノズル１９の下方にできるだけ近接して配設すれば良い。なお、連続鋳造機１１に多数配列する鋳型９の１個当たりの大きさは、製品であるインゴットの大きさに対応していれば良く、また連続鋳造機１７の移動速度は、３時間以内で鋳造が完了できる程度で良い。

各地より集荷した多種のアルミニウム・スクラップを、破砕、粉砕、裁断、結束等の前処理を施してから、再生処理を本発明に係るアルミニウム・スクラップの精製方法及び図１に示した装置を用いて行った。１回の操業での溶解炉（反射炉１）での処理量は４５トンであり、取鍋１４には容積が１６．７ｍ^３で、底には、溶湯６を撹拌する不活性ガス２２（この場合、アルゴン・ガス）を吹き込むポーラス・プラグ１７を備えたものを採用した。反射炉１での重油バーナ４の燃焼により、前記アルミニウム・スクラップを６時間かけて加熱、溶解後、炉底に出湯口７を開口し、前記取鍋１４に出湯した。出湯後の反射炉１は、直ちに出湯口７をボタで塞ぎ、予かじめ準備してある別のアルミニウム・スクラップを投入して次回操業としての溶解処理が始められた。

一方、取鍋１４に出湯され、温度が７００〜８００℃の溶融アルミニウム・スクラップは、該取鍋１４に前記耐火物製蓋１５を載置して密封され、底部より不活性ガス２２を流量：２リットル／分で吹き込み、撹拌が開始された。同時に、該耐火物製蓋１５に備えた配管を介して排気手段１６で取鍋１４内の雰囲気を１．３３パスカルに減圧した後、その状態を３０分間維持してから、排気手段１６の弁操作で取鍋１４内を大気圧に復圧した。そして、直ちに前記スライディング・ゲート１８の制御手段を作動させ、溶湯６の連続鋳造機１１への注入を行った。注入開始から完了までに要した時間は、図３に示すように、３時間であった。

表１に、再生処理前のアルミニウム・スクラップの成分と、再生処理後の鋳型内のインゴット（地金）２０の成分を比較して示す。表１より、本発明によれば、再生されたアルミニウム地金の成分は、図２で示した従来の精製方法で得られたものと遜色なく、十分に新しい用途に使用できることが確認できた。

また、この減圧精製方法による処理は、前記したように、アルミニウム・スクラップの溶解と同時に並行して行えるので、１バッチの操業に要する時間は６時間で良く、従来の１２時間に比べて半減することも明らかである。したがって、本発明によれば、同一サイズの反射炉１と小型で簡便な取鍋を主体とした減圧装置の利用で、再生できるアルミニウム・スクラップの量が従来より１日当たり４倍（単純計算）にでき、処理効率の格段の向上が期待できる。

本発明に係るアルミニウム・スクラップの精製方法及びその装置を説明する模式図であり、（ａ）は溶解炉を、（ｂ）は取鍋での真空精製及び鋳造の状況を示している。 従来の反射炉を利用したアルミニウム・スクラップの精製装置を説明する横断面図である。 本発明の効果の一例を示す図であり、（イ）は従来の操業における１バッチ当たりの処理時間であり、（ロ）は本発明の場合である。

符号の説明

１ 溶解炉（又は反射炉）
２ アルミニウム・スクラップ
３ 投入口
４ 重油バーナー等
５ 火炎
６ 溶融アルミニウム（溶湯）
７ 出湯口
８ 軌道
９ 鋳型
１０ 分配器
１１ 連続鋳造機
１２ 冷却装置
１３ 溶解炉
１４ 取鍋
１５ 耐火物製蓋
１６ 排気手段
１７ ポーラス・プラグ
１８ スライディング・ゲート
１９ スライディング・ノズル
２０ インゴット（地金）
２１ ドロス（スラグ）
２２ 不活性ガス

Claims (9)

1. アルミニウム・スクラップを溶解炉で溶解し、その溶解物が含有する不純成分を除去する精製を行ってから出湯し、所定の大きさのインゴットに鋳造して再度アルミニウム地金に再生するに際して、
   前記アルミニウム・スクラップの溶解工程と精製工程とを分離し、精製工程と鋳造工程とを連結させることとし、前記溶解炉では、前記アルミニウム・スクラップの溶解だけを行って取鍋に出湯し、該取鍋を排気手段に連通した耐火物製蓋で覆い、取鍋内の雰囲気を所定圧力に減圧して所定時間保持し、溶湯から易揮発成分を除去した後、大気圧に再度復圧し、該溶湯を鋳型に連続的に注入することを特徴とするアルミニウム・スクラップの精製方法。
2. 前記取鍋内の雰囲気の所定圧力を０．１３〜１３．３パスカル、及び前記取鍋内の溶湯保持の所定時間を１０〜６０分とすることを特徴とする請求項１記載のアルミニウム・スクラップの精製方法。
3. 前記溶解炉を反射炉とすることを特徴とする請求項１又は２記載のアルミニウム・スクラップの精製方法。
4. 前記取鍋の底部にポーラス・プラグ又は羽口を設置し、該ポーラス・プラグ又は羽口を介して不活性ガスを取鍋に保持した溶湯に吹き込み、該溶湯を撹拌することを特徴とする請求項１〜３記載のアルミニウム・スクラップの精製方法。
5. アルミニウム・スクラップを投入し、加熱、溶解する溶解炉と、溶解された溶湯を受け入れ保持する取鍋と、該取鍋の上に載置され、それを覆う耐火物製蓋と、該取鍋内の雰囲気を減圧する排気手段と、取鍋内の溶湯が連続的に注入される連続鋳造機とを備えてなることを特徴とするアルミニウム・スクラップの精製装置。
6. 前記取鍋の底部に、前記溶湯を外部に抜き出す貫通孔と、該貫通孔の開放及び閉塞を自在に行えるスライディング・ゲートと、該スライディング・ゲートを通過した溶湯を、連続鋳造機へ導くスライディング・ノズルとを備え、該スライディング・ノズルは前記連続鋳造機に連結させたことを特徴とする請求項５記載のアルミニウム・スクラップの精製装置。
7. 前記スライディング・ゲートの開閉を、連続鋳造機の移動速度に対応させて自動的に行う制御手段を備えたことを特徴とする請求項６記載のアルミニウム・スクラップの精製装置。
8. 前記耐火物製蓋が、取鍋内に保持した溶湯を加熱する加熱手段を備えたことを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載のアルミニウム・スクラップの精製装置。
9. 前記取鍋の底部に、取鍋に保持した溶湯に撹拌用の不活性ガスを吹き込むポーラス・プラグ又は羽口を備えたことを特徴とする請求項５〜８記載のアルミニウム・スクラップの精製装置。

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