JPH0797642A

JPH0797642A - アルミニウムの精製方法及び装置

Info

Publication number: JPH0797642A
Application number: JP24498893A
Authority: JP
Inventors: Terumi Kanamori; 照己金森
Original assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Current assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Priority date: 1993-09-30
Filing date: 1993-09-30
Publication date: 1995-04-11

Abstract

(57)【要約】【目的】Ａｌ溶湯を偏析凝固させ、純度の高い精製Ａ
ｌを得る。【構成】ルツボ１０に収容した溶湯Ｍに、回転冷却体
１０及び押圧板３６を浸漬する。冷却体１０は、晶出し
たα−Ａｌが表面から振り落される遠心力が働く速度で
回転する。振り落されたα−Ａｌは、溶湯Ｍ内を沈降し
てルツボ１０の底部に精製アルミニウムＲとして堆積す
る。精製アルミニウムＲに取り込まれている不純物濃縮
液は、押圧板３６で精製部界面Ｉを押圧することにより
精製アルミニウムＲから絞り出される。１回の押圧ごと
に押圧板３６の回転位置を変えることにより、精製部界
面Ｉの全域が均等に押圧される。【効果】不純物の混入がない精製Ａｌが高い効率よく
得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、α−Ａｌの晶出反応に
伴って不純物が濃縮した残湯と精製されたアルミニウム
とを効率よく分離する精製方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】不純物を含んでいるアルミニウム溶湯を
冷却するとき、溶湯温度が液相線まで降下すると、その
液相線温度に応じて固相の晶出が開始する。たとえば、
α−Ａｌが初晶として晶出する系では、Ａｌが優先的に
固相に取り込まれ、Ｓｉ，Ｆｅ，Ｍｎ等の不純物が残液
に濃縮する。この偏析凝固を利用して、アルミニウムス
クラップ等の溶解原料を精製する種々の方法が検討され
ている。たとえば、特開昭５０−２０５３６号公報で
は、溶湯中に冷却管を浸漬し、冷却管の表面にα−Ａｌ
を初晶として晶出させ、環状の掻取り板で晶出物を冷却
管表面から掻き取る方法が紹介されている。分離した晶
出物は、精製容器の底部に沈降し、掻取り板で搗き固め
られ生成アルミニウムとなる。また、特開昭５８−１６
７７３３号公報では、精製容器の内壁一部に冷却機構を
組み込み、内壁面に晶出したα−Ａｌを掻き取る方法が
紹介されている。この方法では、精製容器の内壁と接触
する掻取り板を周期的に昇降させ、α−Ａｌを掻き取っ
ている。内壁面から分離したα−Ａｌは、精製容器の底
部に集められ、下降した掻取り板によって押し固められ
る。これにより、不純物溶湯がα−Ａｌから絞り出さ
れ、純度の高い精製アルミニウムが得られる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】冷却管の表面に晶出し
たα−Ａｌを掻き取る作業は、精製容器の底部に沈降し
た晶出物を搗き固める作業と交互に行われる。そのた
め、効率的な搗固めができず、不純物溶湯が晶出物に取
り込まれることが避けられない。したがって、精製効率
が低い。また、掻取り板及び冷却管を昇降させる機構が
必要となり、設備構成が複雑化する欠点もある。精製容
器の内壁に晶出したα−Ａｌを掻き取り、押し固める方
法においても、掻取り作業及び押し固め作業が交互に行
われることから、同様な問題が存在する。何れの方法に
おいても、冷却管の表面又は精製容器の内壁から晶出物
を掻き取ること、及び掻き取られた晶出物の搗固め又は
押し固めに掻取り板を兼用している。そのため、掻取り
板の関係上、精製容器の大きさが制限され、大型の精製
設備を設計することができない。すなわち、炉単位の生
産性が低く、大量生産に向かない。本発明は、このよう
な問題を解消すべく案出されたものであり、初晶を晶出
させる機能及び晶出物を押し固める機能を独立させるこ
とにより、高生産性で多量のアルミニウムを精製するこ
とを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の精製方法は、そ
の目的を達成するため、精製容器に収容した溶湯に回転
冷却体及び昇降可能な押圧板を浸漬し、前記回転冷却体
による冷却で前記溶湯から前記回転冷却体の表面に晶出
したα−Ａｌの晶出物を前記回転冷却体の遠心力で前記
回転冷却体の表面から分離させ、前記溶湯中を沈降して
前記精製容器の底部に溜った前記晶出物を前記押圧板で
押し固めることにより、前記晶出物に取り込まれている
不純物濃縮液を絞り出して精製アルミニウムとし、１回
の押し固めごとに前記押圧板を所定角度回転させること
を特徴とする。このとき、押圧板を介して精製部界面を
検出し、検出された精製部界面の位置に基づいて精製速
度を制御することができる。精製アルミニウムは、溶融
状態の残湯から分離することができる。この場合、精製
終了後に精製容器を傾倒し、精製容器の底部に溜った精
製アルミニウムを残した状態で、残湯を排出する。或い
は、残湯を凝固させた後で精製アルミニウムから分離し
ても良い。この場合、精製終了後、精製アルミニウムと
共に残湯を精製容器内で凝固し、凝固した残湯及び精製
アルミニウムを精製容器から取り出し、残湯及び精製ア
ルミニウムを切断分離する。

【０００５】本発明の精製装置は、側壁及び底部にヒー
タを備えた精製容器と、該精製容器に挿入され、内部に
冷却媒体の通路が形成された単数又は複数の回転冷却体
と、前記精製容器の中心部に回転軸が配置され、前記回
転軸の下端に押圧板が取り付けられた昇降可能な押圧機
構とを備え、前記押圧板は、前記回転軸に関して非対称
に広がった面積をもち、垂直方向に伸びる複数の通液孔
が形成されている。回転冷却体は、回転軸を垂直方向に
伸ばした有底円筒体であり、内部に冷却媒体を循環させ
る流路が形成されている。また、表面積を大きくして冷
却効率を向上させるため、有底円筒体の周面に複数の凹
凸が形成されているものを使用することもできる。押圧
機構は、所定角度で押圧板を間欠回転させる回転用モー
タ及び前記押圧板を周期的に上下動させる昇降用モータ
に接続されている。回転冷却体及び押圧板は、アルミニ
ウム溶湯による侵食に耐え耐熱性に優れた黒鉛等の材質
で作られる。

【０００６】押圧板を介して検出された精製部界面の状
態に基づいて、加熱条件，冷却条件等を制御することも
可能である。この場合、回転用モータのトルクをトルク
検出器で検出し、昇降用モータの回転数から押圧板の位
置を位置検出器で検出する。そして、トルク検出器から
のトルク情報及び位置検出器からの位置情報を温度制御
装置に入力し、精製容器の側壁及び底部に設けたヒータ
への加熱電流及び溶湯に浸漬された回転冷却体の抜熱能
を調製する制御信号を出力される温度制御装置からそれ
ぞれヒータの電源及び回転冷却体の流量調製弁に出力す
る。本発明に従った精製装置は、たとえば図１に示す設
備構成を持っている。精製容器としてのルツボ１０は、
ヒータ１１で取り囲まれ、ルツボ１０に収容されたアル
ミニウム溶湯Ｍを加熱する。ヒータ１１は、更に保温材
１２で取り囲まれており、溶湯Ｍ及びヒータ１１からの
熱放散が抑制される。ルツボ１０の底部には別のヒータ
１３が配置されており、溶湯Ｍから晶出した精製アルミ
ニウムＲをＡｌの融点より若干高い温度に保持する。ヒ
ータ１１，１３には、交流電源１４から加熱用電流が供
給される。交流電源１４から出力される電流は、温度制
御装置１５からの制御信号に基づいて定められる。

【０００７】ルツボ１０内の溶湯Ｍに、単数又は複数の
回転冷却体２０，２０がルツボ１０の中心位置を外して
配置されている。回転冷却体２０は、回転軸２１の上端
に従動プーリ２２が固着されている。従動プーリ２２に
は、モータ２３で回転される駆動プーリ２４の回転力が
ベルト２５を介して伝達される。駆動力の伝達は、この
方式に限らずギヤの噛合い等の種々の方式を採用するこ
とができる。回転軸２１は、内部が空洞になっており、
冷却媒体２６が回転冷却体２０内部の下端近傍まで送り
込まれる。冷却媒体２６の流量は、流量調整弁２７の開
度に応じて調節される。流量調整弁２７は、温度制御装
置１５から出力された制御信号で制御される。ルツボ１
０の中心部に、押圧機構３０の回転軸３１が配置され
る。回転軸３１は、上端が回転用モータ３２に接続され
ている。昇降用アーム３３は、一端で回転軸３１を支持
し、昇降用モータ３４で回転される送りネジ３５に他端
が装着されている。送りネジ３５の回転によって昇降ア
ーム３３がピッチ送りされ、押圧機構３０が昇降する。
このときの送りネジ３５又は昇降用モータ３２の回転数
をカウントすることにより、押圧機構３０の昇降量が算
出される。

【０００８】回転軸３１の下端には、押圧板３６が取り
付けられている。押圧板３６は、ルツボ１０の内部形状
に合せる必要はなく、図２に示すように回転軸３１に関
し非対称に広がった面積をもっている。図２の例では、
回転軸３１に対する接続部を除き、ほぼ半円状の板体に
なっている。この押圧板３６には、垂直方向に伸びる複
数の通液孔３７が形成されている。大きな面積をもつ押
圧板３６は、精製部界面Ｉを広範囲にカバーできるた
め、１ストロークで押圧される精製部界面Ｉの面積が大
きくなり、精製量が増加する。押圧により精製アルミニ
ウムＲから絞り出された不純物濃縮液や残湯等は、通液
孔３７を経由して溶湯Ｍに送り出される。押圧後、押圧
板３６を上昇させ、回転用モータ３２で設定角度だけ回
転させ、次の回転位置において押圧板３６の下降を繰り
返す。これにより、精製部界面Ｉの全面が均一に押圧さ
れ、精製アルミニウムＲの純度が向上する。このとき、
押圧板３６の面積が広いほど、精製効率が向上する。

【０００９】ルツボ１０内における押圧板３６の高さ
は、送りネジ３５の回転量を送り距離に換算して位置検
出器３８で検出される。押圧板３６が下降して精製部界
面Ｉに達すると昇降用モータ３４のトルクが大きくな
る。トルク変化は、トルク検出器３９で検出される。こ
のときの高さが位置検出器３８で検出され、精製部凝固
界面Ｉの位置を知ることができる。精製部凝固界面Ｉの
位置を継続的に測定することにより、精製アルミニウム
Ｒの成長速度、すなわち精製速度が判る。検出された精
製部界面Ｉの位置情報は、位置検出器３８から温度制御
装置１５に出力される。温度制御装置１５には、全精製
工程を通じて精製アルミニウムＲがほぼ同一の純度を維
持するように、精製部界面Ｉの位置に対応した適切な精
製速度で精製アルミニウムＲを成長させる温度条件が設
定されたプログラムが予め入力されている。

【００１０】温度制御装置１５では、このプログラムに
従って設定温度条件に基づいて位置検出器３８及びトル
ク検出器３９から入力された信号から加熱条件及び冷却
条件を演算する。演算結果は、それぞれヒータ１１の交
流電源１４及び回転冷却体２０の流量調整弁２７に出力
される。たとえば、実際の精製速度が設定精製速度より
早い場合には、溶湯Ｍの冷却を緩慢にする指令をヒータ
１１，１３及び冷却体２０の流量調製弁２７に出力す
る。逆に、実際の精製速度が設定精製速度より遅い場
合、溶湯Ｍの冷却を促進させる指令をヒータ１１，１３
及び冷却体２０の流量調製弁２７に出力する。ヒータ１
１は、ルツボ１０の高さ方向に関して複数のブロックに
分割されている。温度制御装置１５から入力された制御
信号に基づき、それぞれのブロックにおける発熱量が制
御される。流量調整弁２７は、温度制御装置１５から出
力された制御信号に基づいて開度が調節され、それに応
じて冷却媒体２６の流量を制御する。これにより、回転
冷却体２０の抜熱能が制御され、精製部界面Ｉに応じた
適切な精製アルミニウムＲの成長速度が得られる。

【００１１】本発明においては、溶湯Ｍを冷却体２０，
２０で冷却し、晶出したα−Ａｌを冷却体２０，２０の
表面に凝固層として成長させることなく、溶湯Ｍ中を沈
降させルツボ１０の底部に精製アルミニウムＲとして成
長させている。そのため、冷却体表面で精製アルミニウ
ムを成長させる方式に比較して、冷却体２０，２０の回
転速度を大きく設定している。すなわち、晶出したα−
Ａｌを回転による遠心力で冷却体２０，２０の表面から
離脱させる。したがって、冷却体表面に晶出したα−Ａ
ｌを掻き取る方式にみられた冷却体と掻取り板との位置
関係に関する制約等がなく、冷却体２０，２０から独立
して押圧板３６を設けることが可能となる。また、昇降
機構も、基本的には押圧機構３０が必要とするだけであ
る。冷却体２０，２０の回転速度は、アルミニウム原料
の純度，α−Ａｌの晶出量等に応じて、外周速１〜５ｍ
／秒の範囲で選定することができる。外周速が１ｍ／秒
より遅いとき、冷却体２０の遠心力により晶出物を振り
落す作用が弱くなる。逆に外周速が５ｍ／秒を超える大
きな回転速度では、溶湯Ｍの湯面における波立ちや溶湯
Ｍの飛散等のトラブルが発生し易くなる。冷却体２０，
２０の回転速度は、精製アルミニウムＲの成長速度，温
度制御装置１５における加熱条件及び冷却条件等に応じ
て変えることもできる。

【００１２】押圧板３６の上下動は、一定した周期で行
われる。押圧板３６は、常に一定した移動速度で上下動
させる必要はなく、上昇速度と下降速度とを異ならせる
ことも可能である。具体的には、０．０５〜２ｍ／秒，
好ましくは０．１〜１．２ｍ／分の速度範囲で、押圧板
３６を上下動させる。昇降速度が０．０５ｍ／分より遅
いと、押圧板３６によって精製部界面Ｉを押圧する単位
時間当りの回数が少なくなる。その結果、特に初晶の堆
積速度が早いような場合、精製部における濃縮液の効率
的な排出が行えなくなる。しかし、２ｍ／分を超える昇
降速度では、押圧板３６の昇降に起因した撹拌流が溶湯
Ｍ内に生じ、精製アルミニウムＲの表層部に晶出した初
晶が巻き上げられる。その結果、精製効率が低下する。
また、押圧板３６を破損する危険も高くなる。

【００１３】押圧板３６は、回転用モータ３２によって
回転位置を変える。この回転位置の変更は、押圧板３６
の上下動と同時に或いは切り離して行う何れの方式であ
っても良い。ただし、下降時に押圧板３６を回転させる
方式を採用するとき、精製部界面Ｉに押圧板３６が接触
する前に回転を終了させることが好ましい。押圧板３６
の形状にもよるが、具体的には押圧１回当り５〜１８０
度，好ましくは１０〜４５度の回転角度で押圧板３６を
回転させる。押圧板３６で精製部界面Ｉに加える押圧力
は、不純物濃縮液を精製アルミニウムＩから効率よく絞
り出すために、０．１〜１．０ｋｇ／ｃｍ² の範囲で設
定することが好ましい。押圧力が０．１ｋｇ／ｃｍ² 未
満であると、十分な絞り出し効果が得られない、逆に、
１．０ｋｇ／ｃｍ² を超える押圧力では、黒鉛製の押圧
板３６が破損し易くなる。精製部界面Ｉに加わる押圧力
は、押圧板３６を下降させる昇降用モータ３４のトルク
変化から知ることができる。トルク変化は、電流値の変
化として現れる。そこで、押圧板３６に加わる圧力と電
流値変化との関係を予め求めておき、実際の精製工程で
昇降用モータ３４の電流値上昇を検出し、電流値の上昇
度合いを圧力−電流値の関係に当て嵌めて押圧板３６に
加わった圧力を算出する。また、この電流値が設定値を
超えないように、昇降用モータ３４への通電を制御する
電流設定記を設けることもできる。

【００１４】

【作用】溶湯Ｍを冷却体２０で冷却するとき、晶出した
α−Ａｌは、冷却体２０の表面に付着しようとする。し
かし、α−Ａｌは、冷却体２０の回転によって生じた遠
心力で冷却体２０の表面から振り落され、溶湯Ｍ中を沈
降してルツボ１０の底部に堆積する。α−Ａｌの堆積に
随伴して不純物濃縮液が精製アルミニウムＲに取り込ま
れるが、この不純物濃縮液は、押圧板３６で周期的に加
えられる押圧力により精製アルミニウムＲから絞り出さ
れる。したがって、得られた精製アルミニウムＲは、純
度の高いものとなる。このとき、α−Ａｌを遠心力で冷
却体２０から振り落しているので、従来のように冷却体
２０の表面を摺擦する掻取り板等を必要とせず、冷却体
２０から独立して押圧板３６を操作することができる。

【００１５】

【実施例】

実施例１：内径３００ｍｍ及び深さ６００ｍｍの黒鉛製
ルツボを、図１に示した精製装置に組み込んだ。ルツボ
１０の側壁に設けるヒータ１１としては、上下方向に３
分割されたものを使用した。冷却体２０としては、外径
６０ｍｍの筒状で平滑な表面を持ち、冷却媒体２６とし
て常温の空気が導入されるものを１本使用した。押圧機
構３０としては、半径１４０ｍｍの半円状（図２ｂ参
照）の押圧板３６を回転辞意区３１の下端に取り付けた
ものを使用した。Ｓｉ：７５４ｐｐｍ，Ｆｅ：６４６ｐ
ｐｍ及びＣｕ：１３０ｐｐｍを含むアルミニウム原料６
０ｋｇをルツボ１０に装入し、平均温度７５０℃で加熱
することによりアルミニウム溶湯Ｍを調製した。この溶
湯Ｍに、ルツボ１０の底部から５０ｍｍの高さに位置す
るように押圧板３６を浸漬し、湯面からの浸漬深さ１５
０ｍｍで冷却体２０を浸漬した。

【００１６】冷却体２０に冷却用空気を一定流量１００
Ｎｌ／分で導入しながら、外周速３ｍ／秒で冷却体２０
を回転させた。押圧板３６は、５０ｍｍのストローク及
び０．４ｍ／分の速度で上下動させ、上昇時に２０度づ
つ回転させた。また、精製部界面Ｉに加える圧力が０．
６ｋｇ／ｃｍ² となるように押圧板３６の下降運動を制
御し、押圧回数を３．５回／分に設定した。この条件下
で操業したところ、精製アルミニウムＲは、平均精製速
度３５ｍｍ／時で成長した。５時間後に溶湯Ｍの約５０
％が精製され、２７ｋｇの精製アルミニウムＲが得られ
た。得られた精製アルミニウムＲの不純物濃度を、アル
ミニウム原料及び残湯と対比して表１に示す。なお、表
１には、原料溶湯に対する精製Ａｌの割合を、分配率
（％）として合せ示している。

【００１７】

【表１】

【００１８】実施例２：冷却体２０として、周面全域に
幅５ｍｍ及び深さ５ｍｍの突出部を付けた外径６０ｍｍ
の黒鉛製円筒を使用した。その他は実施例１と同じ条件
を採用して、アルミニウム原料を精製した。この冷却体
２０は、表面積が大きなことから溶湯Ｍに対する抜熱能
に優れている。そのため、約４時間で実施例１と同様な
精製重量の精製アルミニウムが得られた。精製アルミニ
ウムの不純物濃度は、Ｓｉ：４３ｐｐｍ，Ｆｅ：２７ｐ
ｐｍ及びＣｕ：１５ｐｐｍであり、実施例１とほぼ同じ
値を示した。

【００１９】実施例３：同じ精製装置を使用して、Ｓ
ｉ：３．２％，Ｆｅ：０．７８％及びＣｕ：０．２７％
のアルミニウム原料６０ｋｇを精製した。冷却体２０に
導入する冷却用空気の流量を２００Ｎｌ／分の一定値に
保ち、冷却体２０の外周速を２．２５ｍ／秒に設定し
た。この条件下で精製したところ、平均精製速度は４３
ｍｍ／時であった。そして、４時間後に溶湯Ｍの４５％
が精製され、２３ｋｇの精製アルミニウムＲが得られ
た。得られた精製アルミニウムＲは、不純物濃度がＳ
ｉ：０．２３％，Ｆｅ：０．１８％及びＣｕ：０．０８
％であり、極めて純度が高いものであった。

【００２０】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明において
は、アルミニウム溶湯を偏析凝固させて純度の高いアル
ミニウムを精製するとき、晶出した初晶を精製容器の底
部に集め、初晶間に取り込まれている多量の不純物を含
む溶液を押圧によって絞り出している。初晶から絞り出
された不純物濃縮液は、凝固界面から排出され、残湯に
拡散される。そのため、精製容器の底部には、純度の高
い初晶Ａｌだけが精製物として残り、精製アルミニウム
の純度が向上する。このとき、精製段階全般を通じ予め
設定された精製純度に従って各精製位置に即した精製速
度に制御するとき、目標とする組成を持ち均一な組織の
精製アルミニウムが安定して得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従った精製装置

【図２】同精製装置に組み込まれる押圧板の側面図
（ａ）及び平面図（ｂ）

【符号の説明】

１０：ルツボ（精製容器）１１，１３：ヒータ
１５：温度制御装置２０：回転冷却体２６：冷却媒体３０：押圧機
構３１：回転軸３２：回転用モータ３４：昇降用モータ３６：
押圧板３７：通液孔３８：位置検出器３９：トルク検出器Ｍ：溶湯Ｒ：精製アルミニウムＩ：精製部界面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】精製容器に収容した溶湯に回転冷却体及
び昇降可能な押圧板を浸漬し、前記回転冷却体による冷
却で前記溶湯から前記回転冷却体の表面に晶出したα−
Ａｌの晶出物を前記回転冷却体の遠心力で前記回転冷却
体の表面から分離させ、前記溶湯中を沈降して前記精製
容器の底部に溜った前記晶出物を前記押圧板で押し固め
ることにより、前記晶出物に取り込まれている不純物濃
縮液を絞り出して精製アルミニウムとし、１回の押し固
めごとに前記押圧板を所定角度回転させることを特徴と
するアルミニウムの精製方法。
【請求項２】押圧板を介して精製部界面を検出し、検
出された精製部界面の位置に基づいて精製速度を制御す
る請求項１記載の精製方法。
【請求項３】精製終了後、精製容器を傾倒して残湯を
排出し、前記精製容器の底部に溜った精製アルミニウム
から前記残湯を分離する請求項１又は２記載の精製方
法。
【請求項４】精製終了後、精製アルミニウムと共に残
湯を精製容器内で凝固し、凝固した前記残湯及び前記精
製アルミニウムを前記精製容器から取り出し、前記残湯
及び前記精製アルミニウムを切断分離する請求項１又は
２記載の精製方法。
【請求項５】側壁及び底部にヒータを備えた精製容器
と、該精製容器に挿入され、内部に冷却媒体の通路が形
成された単数又は複数の回転冷却体と、前記精製容器の
中心部に回転軸が配置され、前記回転軸の下端に押圧板
が取り付けられた昇降可能な押圧機構とを備え、前記押
圧板は、前記回転軸に関して非対称に広がった面積をも
ち、垂直方向に伸びる複数の通液孔が形成されているこ
とを特徴とするアルミニウムの精製装置。
【請求項６】請求項５記載の回転冷却体は、回転軸を
垂直方向に伸ばした有底円筒体であり、前記有底円筒体
の周面に複数の凹凸が形成されている精製装置。
【請求項７】請求項５記載の押圧機構は、所定角度で
押圧板を間欠回転させる回転用モータ及び前記押圧板を
周期的に上下動させる昇降用モータに接続されている精
製装置。
【請求項８】回転用モータのトルクを検出するトルク
検出器と、昇降用モータの回転数から押圧板の位置を検
出する位置検出器と、前記トルク検出器からのトルク情
報及び前記位置検出器からの位置情報が入力され、精製
容器の側壁及び底部に設けたヒータへの加熱電流及び溶
湯に浸漬された回転冷却体の抜熱能を調製する制御信号
が出力される温度制御装置とを備えている請求項７記載
の精製装置。