JPH04318127A - 金属または合金のテルミット製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、テルミット反応によっ
て金属または合金を製造する方法に関し、特に混合原料
の炉内装入法の工夫によって、高品質のフェロニオブ、
金属クロムなどを効率よく製造する方法に関しての提案
である。

【０００２】

【従来の技術】テルミット法は、金属または合金の製造
方法として古くから知られており、金属酸化物または金
属酸化物からなる鉱石をアルミニウム、シリコンなどの
金属粉で還元する方法である。

【０００３】テルミット法によって製造できる金属また
は合金は数多くあるが、現在、工業的に実施されている
例は、フエロモリブデン、フエロバナジウム、フエロニ
オブ、フエロボロンなどのフエロアロイ類および金属ク
ロムなどである。

【０００４】これらの金属または合金をテルミット法に
よって製造する方法としては、まず金属酸化物または金
属酸化物を含む鉱石を粉砕し、これにアルミニウム粉な
どの還元剤と、必要により造滓剤や発熱剤や冷却剤を加
えて混合し、その混合原料を適当な反応炉に装入したの
ち着火してテルミット反応を行わせる方法が一般的であ
る。この反応は、前記混合原料の発熱反応によって進行
し、溶融金属または合金および溶融スラグが生成するが
、冷却、固化後、スラグを分離して、所要の金属または
合金を得る。

【０００５】かかるテルミット法による金属，　合金の
製造に当たっては、生成した溶融金属または合金および
溶融スラグの分離性を良くするために、テルミット反応
後の溶融物の温度を２０００℃ないしはそれ以上にする
ことが重要である。しかしながら、テルミット反応で生
ずる温度は、前記テルミット反応の反応熱のみに依存し
ており、また、金属の種類が違うとその反応熱が大きく
異なるため、製造する金属または合金の種類によっては
発熱量の過不足が生ずることとなる。

【０００６】例えば、発熱量が過剰な場合は、反応が激
しくなり、原料の飛散が多くなって収率の低下を招く。 しかも、反応炉のライニングの侵食が激しくなり、操業
に際しての安全上の問題もある。一方、発熱量が不足す
る場合には、反応が完全に進行しないために収率が低下
し、生成した金属または合金にスラグが混入して品質が
低下するなどの問題が生ずる。さらに、熱量が極端に不
足した場合には、原料が半溶融状態のまま反応が停止し
てしまうこともある。

【０００７】このことから、金属または合金のテルミッ
ト法による製造を工業的に行なうには、適正な発熱量を
維持することが必要不可欠であり、従来、そのために次
のような方法が採用されている。すなわち、■　　まず
、発熱量が過剰な場合には、原料である金属酸化物の一
部をそれま金属で置きかえることにより発熱量の減少を
図るとか、また、冷却剤、例えば、製造する金属または
合金のサイズ下品（これらは溶解のためにのみ熱量を消
費して発熱しない）を加えるなどの方法が用いられてい
る。

【０００８】■　　一方、熱量が不足する場合には、テ
ルミット反応とともに電気炉による加熱を併用したり、
また酸素供給源として、分解しやすい酸化物、すなわち
分解吸熱がほとんどない酸化物とアルミニウム粉などを
混合したものを発熱剤として加える方法などが用いられ
ている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述したところから判
るように、一般的なテルミット法は、１バッチ単位での
操業を行っている。すなわち、予め１バッチ分の原料を
秤量して混合し、その後これを一括して反応炉内に装入
して反応を行わせるもので、そのときの発熱量の計算は
、１バッチ分の平均的な発熱量で行われる。もちろん、
この場合の適正発熱量となる原料配合量は、詳細な計算
と予備実験とによって確認されている。

【００１０】しかしながら、この従来方法には次のよう
な問題点があった。すなわち、本発明者らが１バッチの
精錬反応について細かく観察したところによると、反応
の初期は非常にゆるやかに反応して常に熱量不足の状態
を示すが、その後は次第に反応が激しくなり、むしろ熱
量過剰の状態を示すようになる。このことによって、初
期には反応が停止してしまう場合があり、また反応の後
半には、原料の飛散が起こって収率を悪化させると同時
にライニングの侵食も生じやすくなることが判った。し
かも、この従来方法では反応状態のばらつきが大きく、
生成する金属または合金の品位にばらつきが生じやすい
という問題点があった。

【００１１】本発明の目的は、従来技術の、１バッチ単
位での操業コントロールしか実施していないことによる
上述した種々の問題を克服し、以下に説明するような改
善操業によるテルミット精錬を行うことにより、高品質
の金属等を高収率で得ることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】このような目的の実現に
向け鋭意研究した結果、本発明者らは、冷却剤や発熱剤
を加えて熱量の調整を行う方法に関し、さらにそれを精
錬の段階（時期）に応じて調整すると安定した反応を行
わせることができ、ひいては高品位の金属または合金を
高収率で得ることができることを知見し、以下に述べる
ようなテルミット精錬法に想到した。

【００１３】すなわち本発明は、主として金属酸化物粉
とアルミニウム粉の如き還元剤とからなる混合原料を、
反応炉内に装入してテルミット反応を起こさせることに
よって金属または合金を製造する方法において、前記混
合原料の１バッチの量を複数回分に分割し、それらの分
割混合原料はそれぞれの発熱量が異なるように調整する
と共に、反応炉内への装入に当たっては、発熱量の小さ
い分割混合原料から順次に層状に装入堆積させてテルミ
ット反応を行わせることを特徴とする金属または合金の
テルミット製造法であり、そして、前記混合原料の発熱
量の調整は、塩素酸ナトリウム，　塩素酸カリウム，　
過塩素酸ナトリウム，　過塩素酸カリウム，　硝酸ナト
リウム，　硝酸カリウム，　過酸化カルシウム，　過酸
化バリウム，　クロム酸塩のいずれか少なくとも一つと
アルミニウムの如き還元剤とを化学量論量で混合したも
のを用い、その配合量を変えることによって行うことを
特徴とする製造法であり、また、前記金属酸化物粉が酸
化クロム，　酸化鉄または酸化ニオブである製造法であ
る。

【００１４】

【作用】テルミット法によって金属または合金を製造す
る場合において、反応がどのように行われているかを観
察することは不可能であるが、実際の反応炉内の反応状
況を推察すると、次のような状況が考えられる。

【００１５】すなわち、反応炉内に原料を装入し、この
炉内堆積原料（金属酸化物粉とアルミニウム粉との混合
物）の上部に着火すると、テルミット発熱反応が起きる
。上記装入原料は、この発熱反応によって次第に溶解し
て溶湯を生成する。そして、この溶湯が隣接の原料を加
熱して反応発熱し、それが連鎖的に起こって終に反応が
終了する。この場合、反応の初期は生成している溶湯が
少なく、多量の混合原料を加熱しなければならないため
、常に熱量不足状態となる。すなわち、このテルミット
反応は、装入原料と溶湯の接触面で行われると考えられ
るが、上層から順次に下層へと進行する。従って、ある
程度反応が進行して、混合原料と溶湯の接触面が大きく
なり、しかもその溶湯が十分な保有熱をもったときから
は、逆にこの反応が激しく起こると考えられる。これを
防止するためには、反応の各時点における発熱量を調整
すれば良い。しかし、実際にはこの調整は、溶湯温度が
２０００℃程度と高温になるため大変にむずかしい。一
つの方法としては、反応炉中に少量の溶湯を生成させて
おき、それに見合う量の混合原料を逐次に装入する方法
などが考えられるが、溶湯の上面に原料を装入すること
になるため、原料の飛散が一層激しく起こり、収率の低
下をきたす。

【００１６】このことに鑑み本発明者らは、前記混合原
料を調製する際に、１バッチ分を数回分の装入ロット（
分割混合原料）に分割して調整し、各分割混合原料はそ
れぞれ異なる発熱量をもつものとなるようにし、しかも
各分割混合原料の炉内への装入は、発熱の少ないものか
ら順次に層状に装入し、反応炉内に堆積させることとし
た。このような発熱量調整を行った複数の装入原料を採
用すると前記の問題点が解消できるのである。

【００１７】さて、主原料の１つである前記金属酸化物
は、金属クロムとかフェロアロイ類に用いられるもので
、酸化鉄、酸化クロム、酸化マンガン、酸化ニオブ、酸
化バナジウム、酸化モリブデン、酸化ホウ素、酸化チタ
ン、酸化タングステンおよびそれらを含む鉱石である。 塊状品は、あらかじめ適正な粒度、好ましくは　１００
メッシュ以下に粉砕して使用する。この粒度が粗いとア
ルミニウムによる還元が十分に進まないため、反応時間
が長くなって熱量不測となったり、かつ金属または合金
の収率の低下をきたすようになる。

【００１８】次に、他のもう１つの主原料である前記ア
ルミニウム粉は、還元剤として用いるものであり、通常
−３ｍｍぐらいの粒状、片状、針状のアルミニウムが用
いられる。なお、シリコンやカルシウム，　マグネシウ
ムなどの還元剤をこのアルミニウムの１部に代えて使用
しても良い。

【００１９】前記主原料以外の副原料として本発明では
造滓剤を用いる。一般に、金属酸化物とアルミニウムと
を混合してテルミット反応を起こさせると、炉内には金
属または合金と、ほとんどアルミナからなるスラグが生
成する。このスラグ（アルミナ）は非常に融点が高いの
で、その融点を下げて流動性をよくしなければならず、
そのために造滓剤を加える必要がある。本発明において
、この造滓剤としては、生石灰や蛍石、マグネシア等が
使用される。

【００２０】次に、熱量を調整するために冷却剤を用い
る場合があるが、この冷却剤としては、反応に関与せず
に溶解だけするものが使用される。通常、製造しようと
する金属または合金の篩下粉が再溶解をかねて使用され
る。なお、前記造滓剤は、反応に関与しないので冷却剤
をかねることができる。

【００２１】さらに、他の副原料として発熱剤が用いら
れる。発熱量が不足する場合に用いられるこの発熱剤は
、酸素供給源とアルミニウムとを化学量論量で混合した
ものが用いられる。そのうち、酸素供給源としては主と
して過酸化物が用いられる。これは製造する金属または
合金の品位やスラグの性状に影響を与えないものである
ことが必要であり、塩素酸ナトリウムや塩素酸カリウム
、過塩素酸ナトリウム、過塩素酸カリウム、硝酸ナトリ
ウム、硝酸カリウム、過酸化カルシウム、過酸化バリウ
ムなどが好適である。また、金属酸化物粉が金属クロム
やクロム合金の場合には、クロム酸塩を用いることもで
きる。

【００２２】本発明の特徴は、前述したように、上記各
原料の混合に際し、１バッチ分の装入量を複数回分に分
割して配合調整することにある。例えば、１バッチで装
入する金属酸化物の量が１０００ｋｇの場合、２５０ｋ
ｇ　づつの４個の大きさのものに分割して配合すると共
に、それらの各分割混合原料の発熱量を、炉内装入位置
に応じた好適発熱量に調整する。

【００２３】上述の分割混合原料の発熱量調整は、秤量
された所定量の金属酸化物とアルミニウムに対し、必要
により造滓剤や冷却剤などを計量混合し、さらにその混
合物に発熱剤として例えば塩素酸ナトリウムとアルミニ
ウムの所定量を混合することによって、炉内装入位置に
よって異なる必要発熱量のものとする。

【００２４】なお、１バッチの操業に必要な計算上の総
発熱量は、金属または合金の種類によっておおよそ一定
である。例えば、酸化ニオブ鉱石と酸化鉄を原料とする
フエロニオブの製造では約６００ｋｃａｌ／ｋｇ、三二
酸化クロムを原料とする金属クロムの製造では７２０ｋ
ｃａｌ／ｋｇ、五酸化バナジウムと酸化鉄を原料とする
フエロバナジウムの製造では６５０ｋｃａｌ／ｋｇ、三
酸化モリブデンと酸化鉄を原料とするフエロモリブデン
の製造では５６０ｋｃａｌ／ｋｇ程度である。

【００２５】これを数回分に分けて配合調整した各分割
混合原料に必要な発熱量は、金属または合金の種類、各
原料の粒度、反応炉の形状、１バッチの操業規模などに
よって大きく異なるので、前記発熱剤の添加による調整
は実験で確認する必要がある。例えば、本発明者らが確
認したものでは、フェロニオブの場合、第１回目装入分
は計算上の発熱量がマイナスになる。

【００２６】そして、このようにして配合、混合した混
合原料は、計算上の発熱量の最も少ないものから順に反
応炉内に層状に装入する。反応炉は、どのような形のも
のでもよいが、混合原料を層状に装入することからあま
り横の広がりがない方が良く、円筒状のたて型炉が最適
である。また、炉内への装入に当たっては、１バッチに
当たる全混合原料を装入し終えたとき、高さ／直径＝１
〜１．５となるように装入することが最適である。

【００２７】以上のようにして、混合原料を反応炉に装
入した後、着火しテルミット反応を行わせる。反応時間
は、金属または合金の種類によって大きく異なるが、反
応開始から終了まで一様な反応が続くことが望ましく、
反応状況が異なるときは次の配合で再び発熱量調整を行
う。

【００２８】反応が終了すると、溶融金属または合金と
溶融スラグが比重差で分離して反応炉の底部に堆積する
ので、その後これを冷却して取り出す。

【００２９】本発明によれば、反応後の生成物の温度が
適正なものとなるために、溶融金属または合金と溶融ス
ラグの分離が非常に良くなり、得られる製品に非金属介
在物などが少なく、高品質の製品が得られ、また、原料
飛散などが少なく、高収率か得られる。

【００３０】

【実施例】

実施例１ 金属酸化物としてニオブ鉱石（酸化ニオブ）及び酸化鉄
、還元剤としてアルミニウム、発熱剤として塩素酸ナト
リウム、造滓剤として蛍石及び生石灰を用いてフエロニ
オブを製造した。それらの品位並びに粒度を表１に示す
。

【００３１】反応炉は、内径１ｍ、高さ２ｍの円筒状た
て型炉を用いた。１バッチの操業単位は、ニオブ鉱石１
０００ｋｇとしたが、この原料秤量及び混合は、３回に
分けて行った。すなわち、１回目と２回目はニオブ鉱石
４００ｋｇ　、３回目は２００ｋｇ　とし、それに対し
て適正な発熱量が得られるように他の原料を配合し、混
合した。その配合量及び計算上の発熱量を表２に示す。

【００３２】操業は、第１回目の混合原料を前記反応炉
に装入し、ついでその上に第２回目の混合原料を装入し
、さらにその上に第３回目の混合原料を装入した後、そ
の上部に着火し、テルミット反応を行わせた。反応は約
１２分で終了したが、反応状況はその開始から終了まで
ほぼ同様であった。冷却後、上部のスラブを除去し、生
成したフロニオブを取り出した。

【００３３】得られたフエロニオブの品位及びニオブの
収率を表３に示した。ニオブ収率と約９７％であり、非
常に高い収率が得られた。また、本発明方法の場合、ス
ラグの分離性が非常に良く、またフエロニオブの表面も
きれいであった。

【００３４】比較例として、通常の方法による結果を表
３に合わせて示した。これは、ニオブ鉱石１０００ｋｇ
を用い、１回で混合原料を調製（表２の合計の項の配合
）して反応炉に装入し、テルミット反応を行ったもので
ある。この反応は、約５分で終了したが、その状況は、
最初ゆるやかな反応が生じ、数分後非常に激しくなり、
原料飛散も多くなり、安全性についても問題があった。 スラブの分離性は、本発明に比較して良くなかった。

【００３５】

【００３６】

【００３７】

【００３８】実施例２ 金属酸化物として酸化クロム（純度、Ｃｒ２Ｏ３　とし
て９９．９％）　、還元剤としてアルミニウム（純度、
９９．９％、粒度１ｍｍ以下）　および発熱剤として塩
素酸ナトリウム（粉状）　を用いて金属クロムを製造し
た。

【００３９】１バッチの操業単位は、酸化クロム１００
０ｋｇとし、表４に示したように４回に分けて混合原料
を調製した。それぞれの混合原料の計算上の発熱量を表
４に示した。

【００４０】実施例１で用いたものと同様の反応炉を用
いて、第１回目の混合原料から順次に反応炉内に層状に
装入した後、着火してテルミット反応を行わせた。反応
時間は約３分であったが、反応状況は安定しており良好
であった。冷却後に反応生成物を取り出し、上層のスラ
グを分離して金属クロムを得た。スラグの分離性は良好
であった。

【００４１】比較例として、各原料を１回で秤量し、混
合した原料を反応炉に装入してテルミット反応を行わせ
た結果、着火後、最初はゆるやかに反応が進行し、数１
０秒後、急激に反応が激しくなり、原料飛散も激しく、
極めて短時間に反応が終了するという状況であった。そ
の全体の反応時間は約５０秒である。生成物はスラグの
分離性は悪く、金属クロム中へのスラブの混入が多かっ
た。

【００４２】得られた金属クロムの品位とクロム収率を
、本発明、比較例とともに表５に示す。本発明方法によ
ると、品位及び収率ともに良好な金属クロムになること
が判った。

【００４３】

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように本発明方法によれば
、金属または合金のテルミット製造に当たり、操業中一
様なテルミット反応を起こさせることができ、とくに反
応が途中で止ったり、または激しすぎたりということが
全く無く、その結果として、高品位の金属または合金を
高い収率で製造することができるようになった。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　主として金属酸化物粉とアルミニウム
   粉の如き還元剤とからなる混合原料を、反応炉内に装入
   してテルミット反応を起こさせることによって金属また
   は合金を製造する方法において、前記混合原料の１バッ
   チの量を複数回分に分割し、それらの分割混合原料はそ
   れぞれの発熱量が異なるように調整すると共に、反応炉
   内への装入に当たっては、発熱量の小さい分割混合原料
   から順次に層状に装入堆積させてテルミット反応を行わ
   せることを特徴とする金属または合金のテルミット製造
   法。
2. 【請求項２】　　前記混合原料の発熱量の調整は、塩素
   酸ナトリウム，　塩素酸カリウム，　過塩素酸ナトリウ
   ム，　過塩素酸カリウム，　硝酸ナトリウム，　硝酸カ
   リウム，　過酸化カルシウム，　過酸化バリウム，　ク
   ロム酸塩のいずれか少なくとも一つとアルミニウムの如
   き還元剤とを化学量論量で混合したものを用い、その配
   合量を変えることによって行うことを特徴とする請求項
   １に記載の製造法。
3. 【請求項３】　　前記金属酸化物粉が酸化クロム，　酸
   化鉄または酸化ニオブである請求項１に記載の製造法。