JPS59107038A - アルミニウム又はアルミニウム合金の製錬方法 - 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】 技術分野 この発明は、アルミニウム又はアルミニウム合金の製錬
方法に関し、とくにアルミニウム酸化物もしくはこれを
含有する天然、又は／及び人口鉱物を原料とし、ことに
比較的低温下で有利な還元により、アルミニウム又は、
アルミニウムー鉄、アルミニウムーけい素およびアルミ
ニウム＝【ノい素−１１などのアルミニウム合金を１！
ノることについＣの開発成果を、開示するものである。

この発明による製錬目的物は、アルミニウムや、アルミ
ニウムーけい素合金のように、そのまま金属月利として
またたとえば鉄鋼精錬の際の脱酸剤の如き独立の使途な
いしは用途を有するものも含め、さらに精錬を加えて使
用に供づる、いわゆる粗金属ないしは粗合金なども当然
に包合づるものとづる。

在来技術 これまでにアルミニウムは専ら、ホールエル−法、つま
り溶融氷晶石にアルミナを溶解し、これを電解浴どして
ほぼ９５０℃にて電解を行なう溶融塩電解によって、溶
融Δ℃を得る方法が主流であり、ここにぼう大な電力消
費を伴う決定的な欠陥があった。

その故に最近、アルミニウム製造に関し国際競争力が喪
失されるに及び己むなく、電気エネルギーを用いない、
アルミニウム製錬技術の開発が各方面で進められ、たと
えば特開昭５６−１５０１４２号公報のような、提案が
なされるに至っている。

しかるにこのような、いわゆる溶鉱炉法では、とくにそ
の還元製錬で得られるアルミニウムーけい素合金を生成
後直ちに溶融鉛に吸収させ、その冷却中溶融状態での２
層分離をもって溶融浴より、アルミニウムの回収を行な
うことで、アルミニウムの揮散と再酸化が巧妙に回避さ
れるものの、元来、還元製錬過程で還元剤として炭素を
用い、ことにアルミニウム窒化物の生成を嫌って羽目か
ら、鉄製錬の場合にｄ５けるような空気に代え、純酸素
の吹込みを行なっているので、炉内では約１気圧または
それ以上の圧力のＣＯを生成するので、次のように反応
温度環境の面で、実操業上困難を伴う。

づなわち、上記条件ではアルミナの還元反応が次式 ％式％ のように進行づるには、約２０３０℃以上の超高温を要
することである。

このような超高温下で、鉱物またはコークスに含まれる
脈石中の各種酸化物、たとえばＳｉ　０２、さらに原料
アルミナそれ自体からもＳｉＯ。

Ａｌ２ＯおよびＡｌ２Ｏなどの亜酸化物が生成揮散し、
炉内の還元ガスとともに炉上方に帯同され、炉頂低温部
に至り再酸化されて凝縮する。このような凝集物は、還
元剤に用いた炭素つまりコークスと、原１′３１鉱物Ｊ
３よび溶剤などによる、装入充てん層の空隙を閉塞し、
炉内にお（）る円滑なガス流動を■害し、炉の順調な操
業を不能ならしめ、さらに超高温に、１５りる炉壁耐大
物の溶損による消耗も著しいので、操業寿命に関しても
甚しく不利なのは、明らかである。

ちなみに耐溶損性耐火物、たどえは炭化タンタル、炭化
ジルコニウム、炭化ヂタンなどの使用は高価につき、設
備コストが嵩む。

従って、通常の金属製錬でこれまでにもすでに馴致され
／、：　２０００℃以下の温度域にて、もとより過大な
電力消費を伴うことのない、アルミニウムの溶融製錬を
実現すことの技術的意義は、まさに重かつ大といわなけ
ればならない。

発明の目的 この発明はこのような要請に有利に応えることを目的と
づる開発（−究の成果を開示づるものであって、その発
想の基礎は、炭化水素またはこれを含むガスをアルミノ
−の還元に利用することににり茗しく還元環境温度を低
下させ得る事実に基いている。

発明の構成 すなわちこの発明は、アルミニウム酸化物もしくはこれ
を含有づる天然又は／及び人工鉱物を原料とし、該原料
の性状に応じて固体炭素系還元剤を加え、６８０℃以上
２０００℃以下の温度範囲で、炭化水素またはこれを含
むガスにより、還元することから成るアルミニウム又は
アルミニウム合金の製錬方法である。

またこの発明に従う還元は、外熱式シＶフト炉中て行う
ことが、最適実施態様として推奨され、さらに、原料が
、鉄の酸化物を含有または配合したものであることが、
実施上とくに好適である。

上記構成に従い、この発明で所期した目的を右利に達成
することができる製錬挙動の詳細について以下具体的に
説明する。

さてこの出発原料は、例えば］ランダムのように主とし
てアルミナよりなる粒状鉱物や、各種ボーキサイトその
他粘土、とくに蛙目粘土、本節粘土、さらには頁岩とく
にばん土頁岩などの人近物はらちるんのこと、アルミナ
質、ムライト質磁器組成の耐火材やれんが屑のような、
人工鉱物類の破砕物の如きを、無差別に用いることがで
き、従来のホールエル−法に供されるＡＩ原鉱について
、ボーキリイトのうちジアスボーア（α−Ａ、ｆｆ２０
３１−１２０＞ついでベーマイト（γ−Δｎ２０３ｔ１
２０）が、使用され隷かったことと無関係な点で有利で
ある。

さて一般にアルミニウム酸化物もしくはこれを含有づる
天然、又は／及び人工鉱物は、そのうら」ランダムやれ
んが屑破砕片のように粒状を呈づる場合を除いて、多く
は粉末形態をとるので上記したところについての適宜な
選択、又はそれらの配合をした上で塊成化づることが望
ましい。

ここに製錬目的物の組成、さらには製錬過稈で生成する
溶滓の組成などに応じる配合割合いの調［１０や、また
必要によっては、けい石、石灰石、生石灰、消石灰ない
しはせメン１〜類など、また還元反応の助成を目積して
固体炭素系還元剤も加え適ｍの水および適宜粘結剤を用
いて混練し、ブリケット状に加圧成形をダるか、または
ポーリングドラムによりペレットに成形をした上Ｐａ生
を行ない、必要強度になるように固化さＵ、団鉱とする
。

この際養生は、高温又は／及び高圧の水蒸気やこれを含
む空気などを用いて促進さけることができる。

かくして得られる団鉱は、すでに触れた粒状を呈づる原
料についてももとより同様であるが、原料単独で、とき
に固体炭素系還元剤たとえばコークス、石炭、グラファ
イトなどとともに、次にのべる外熱式シャフト炉の炉頂
から、逐次に装入覆るのであり、ここに該炉については
その図示の簡便化のために省略をしたが炉頂装入装置を
、二重シール手段により外気から炉内をしや蔽した密閉
方式にする。

第１図に外熱式シャフト炉の断面をスプル１−２図であ
られし、１はシャフト炉の本体、２は該本体を取囲む燃
焼室、３は耐熱隔壁であり、４はスラグ層、５はメタル
層、モして６は耐熱、耐滓性火格子、またイは原料の装
入口、口は出湯口を示し、さらにａは還元用ガス入口、
ｂは排ガス出口、イしてＣは焼＄８１用ガスおよび支燃
ガス入口、ｄ【よ燃焼排ガス出［１である。

これに対してさきに触れた溶鉱炉法ではいわゆる銑鉄の
製帥における高炉とほぼ同様な送風羽１」にから、純酸
素を吹込むことにより、炉頂で′アルミブとともに装入
される還元剤のコークス、または原鉱と粉炭の混ねつ物
の団塊をコークス化した赤熱団塊との燃焼反応熱を、ア
ルミナの還元に利用し、ここに純酸素を用いているのは
、空気だと生成したアルミニウムが窒化してしまうのを
防くためである。

このようにして酸素と炭素との反応で発生するＣＯの分
圧は、大気圧に近い圧力での操業にあっても、はぼ１気
圧に達し、上掲（１）式に示さ４する反応を右向きに進
めるためには、 ΔＧ°＝３１６９００−１３７．３９７＝０より、Ｔ＝
２３０７に５２０３４℃ を要し、これよりも高い超高温でなければならないわけ
である。

ところがこの００分圧を１０−３気圧程度に制御するこ
とができれば ΔＧ°＝３１６９００−１３７．３９Ｔ＋ＲＴ　Ｊｕｌ
　ｎ　１Ｑ＜−３）・３＝Ｑより、Ｔ＝１７７５に、＝
１５０２℃ の温度から、Ａ（の生成が可能になる。

つまり００分圧を下げ得る還元炉形成により、超高温に
よる制約から解放され１ｎるわけであり、ここにたとえ
ば送風羽目から多聞のアルゴン、ヘリウムなどの不活性
ガスや水素などを吹込み、炉内のＣＯ淵度を希釈りるこ
とが想起されるわ【ブＣ′あるが、希釈用ガス流量が過
大になり、コスト上昇の不利を伴う。

ここに外熱式シャフｌ〜炉は、内熱方式の場合のような
００分圧の問題を生ぜずして、内熱に伴われる制約から
独立して雰囲気調整は容易に行える。

つまり具体的には、 （１〉炉内を排気減圧づ゛ること、 （２）炉内にアルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスを流
通させること、 （３）炉内に水素ガスを流通さＵることかまたはさらに
、 （４）炉内に炭化水素系ガスを流通させること、 （５）炉内に不活性ガス、水素Ｊ３よび炭化水素系ガス
のうち２種以上を適切な温合 比率で流通さけること などを挙げることができる。

これらのうち、とくに（４）、（５）にＪ３いで、炭化
水素たとえばメタンを用いるときは、次式％式％ （２） に従うアルミニウム生成反応がもたらされ、この場合、
つぎの３種ガスの比 を１に保持覆ることにより、 ΔＧ’　＝３８３２００−２１６．７４Ｔ＝０Ｊ：す、
Ｔ＝１７６８にミ１４９５℃ となり、つまり１４９５℃のように比較的低調からアル
ミニウムの生成が始まるわけである。

また上記（３）式の値如何で、自由にアルミニウムイト
成開始温度をさらに低下させることが可能になるわけで
ある。

この場合において炉内にお【プるガス流通を容易にする
ことが必要で、すでにのべた粒状鉱物については問題が
ないにしても、粉体が含まれたり、それが多端にわたる
鉱物類を装入原料に用いるとき、好ましくはコークス塊
のような炉内で良好なガス流通性を維持するのに役立つ
固体炭素系１７元剤の（Ｉｆ用を好適とし、とくにこの
固体炭素系還元剤は、上記装入原料として甚だ有利に使
用されるボーキサイｌ〜や、粘土のように、通常数％か
ら２５％程度までもの鉄酸化物を１〜１０％程度のけい
素酸化物とともに、含有する鉱物原料を用いて、Ｆｅ−
ＡＪ２系、Ｆｅ−ＡＪ２−８ｉ系合金の製錬に、次の如
く甚だ有用である。

すなわら、アルミナの炭化水素たとえばメタンによる上
掲（２）式の反応には、次式 Ａ、ｅ２０３→−２ＣＨ４＝Ａβ２０＋２　ＣＯ＋４　
＋１２ ・・・（４） つまり、ＡＪ２２０ガスの発生を伴うところ、原料中の
鉄酸化物は、アルミナに比しはるかに容易に還元されて
金属鉄となり、このとき固体炭素系還元剤の存在下に金
属鉄はただちに炭素を吸収し、炭素飽和状態となって、
この飽和炭素（Ｃ）は、ΔＡ２０ガスを、次式 ％式％） （５） に従い還元し、Ａ℃として鉄中に溶は込ませΔ１２０の
揮散を有効に抑制することである。ことに、（５）式に
示づアルミニウムの還元溶解反応は、鉄合金の形成によ
りアルミニウムの酒母が１以下になるので、一層容易に
進行する。

以」−に述べた（２）、（４）および（５）式の反応は
、づでにのべたようにして、一般に６８０℃以上２００
０′Ｃ以下で進行する。というのは、アルミニウムの融
点は、６７５℃であり、これに若干のＦｅが含まれても
殆んで変らず、従ってＰｃｏ−ＰＨ／ＰｃＨ４の値を小
さくすることにより、反応速度は小さいものの６８０℃
程度でのアルミナ還元が可能であり、一方２０００℃を
越えるＪ：うな反応環境の超高温化を回避づることがこ
の発明の目的であり、上記温度範囲を限定する所以であ
る。

この温度調節は、第１図に示した燃焼室にお【プる燃焼
状態の調節によって達せられるのは明らかである。

燃焼室２に供給づる燃料については、ＣＯガス、（」２
カス、炭化水素系ガスとくに天然ガスや、■油などのほ
か、コークス炉ガス、高炉ガスさらには、（２）、（４
）式により発生ずるシャフト炉からの排カスなどを、い
ずれかまたは適宜に選択混合して用いることが好ましく
、その他固体炭素系のたとえばコークス、石炭、木炭、
チ１７−などの専焼または上記流体系燃料との混焼など
であってもよく、支燃ガスは、もちろん空気または酸素
を用いるのはいうまでもない。

こうして燃焼室２における発生熱は、隔壁３を通しＣシ
ャフト炉体１内に伝達されて上掲の反応を生起させるわ
【ノである。

つ；にり上記の鉱物原料を炉］ｔ７から装入したシャフ
ト炉本体１の内部は、６８０ＴＬＬＸ上、２０００℃以
ドの範囲の温度環境に調節され得るわ（Ｊであり、ここ
で第１図のように還元用ガス人口ａから炉内に炭化水素
を含むガスたどえばメタンを導入し、これによる反応生
成ガスは、排ガス出口すから放出さゼるのであって、こ
の導入を加圧下の押込み通気に覆るか、放出を減圧下の
吸出し通気にするか、さらにはそれらをイノ１用Ｊるか
は通貨に選択できる。

図示例のように、シャフト炉本体１の上方から下方に向
けて上記還元性ガスを流通させると、上記のようにシャ
フト炉本体１内の温度環境が２０００℃を超えないとは
云え、還元されたアルミニウムのｍ点に近づくことまた
その還元の途次に（４）式に従うへβ２０ガスを生成す
ることによる揮散流出の防止に役立ち、さもなくば、揮
散ガスがシャフト炉本体１の上方低温域へ向け、ｊｖ元
付性ガス帯同されて充てん層内′Ｃ−凝縮し、通気性阻
害による操業の妨げとなるのを、有効に回避Ｊることか
できる。

ここにシャツ１へ炉本体１内を下向きに流動する還元用
ガス気流に帯同されるＡｌ１２０は、該炉内で優先還元
された溶融鉄中の飽和炭素（Ｃ）との置換で（５）式に
従い〔Ａρ〕として溶融鉄中に吸収されることでも右利
である。

（２＞、（４）および（５）式の反応で生成したガスＪ
５よび炉内を未反応で通り扱けたＣ　Ｈ４との混合物よ
り主として成る排ガスは、たとえは几カスウィング吸着
ン去（Ｐ　Ｓ　Ａ　：　Ｐ　ｒｅｓｓｕｒｅＳｗｉｎｇ
ｃｙｃｌｅ　　Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ　）によるような
カス分離にかり、そのうちＨ２ガスおよびＣＨ４は、還
元用ガスに混じて入［コａから再び炉内に導入してもよ
い。とくにＨ２ガスの導入は、シャフト炉内におけるＣ
Ｈ４分解反応の制御、すなわち、メタンは高温下でつぎ
の反応 Ｃト１４　ｊ±Ｃ＋　２　　＋１２ の右方への進行により分解する可能性があるが、このＣ
１」４に１１２ガスを混合しておくと上記反応式右辺の
圧力を高めることになり、反応を左方に押し戻り効果が
期待でき、またアルミニウム酸化物を含む天然または／
及び人工鉱物には、酸化鉄が同時に含まれる場合が多い
ところ、この酸化鉄は炭化水素系ガスによらずども水素
ガスによって容易に還元され、炭化水素系ガスの節約に
もなるので有利である。

なＪ３還元用ガスのシャフト炉本体１内における流動は
、ト述のように下向きにする場合だけでなく、すでに触
れたようにボーキシイヤや粘土のように鉄酸化物の相当
最を含有する鉱物原料を利用づるときのように、炉内充
てん層の比較的上方で「ｅ−Ｃ系融体が生成覆るときに
は、かりにＡｎ２０ガスが還元用ガスに帯同されて上昇
流となるときでも、く５）式に従いＦｅ−Ｃ系融体に〔
Ａ℃〕として１−ラップされるので、還元用ガスが炉内
で上昇流となるような導入も可能であり、。

さらには還元用ガスはその予熱を兼ねまたは兼ねないで
燃焼室２を半径方向に横切ってシャツ１〜炉本体１中の
還元反応帯域に向け、導入することも可能である。

上にＣＨ１４を還元用ガスとして用いる場合の具体例に
つき反応式を掲げて説明をしたがこの発明の適用は、Ｃ
Ｈ１４のみならず、Ｃ２１−１６、Ｃ３Ｈ８、Ｃ４Ｈ１
ｏさらにＣＨ＝ＣＨ，ＣＨ２＝ＣＨ２のような炭化水素
や、それを含むガスその他天然ガスなどによっても、は
ぼ同様な結果が得られるのは、明らかである。

以上のようにして炭化水素又はこれを含有するガスを還
元用ガスとして、２０００℃以下の比較的低温裡におけ
る、アルミニウム酸化物又はそれが主体をな１−鉱物原
料の還元製錬が有利に進行し、その結果生成するアルミ
ニウム、アルミニウムー鉄、アルミニウムーけい素また
はアルミニウムーけい素−鉄系の融体が炉底の湯だまり
に蓄積されるのでこのメタル層５は、スラグ層４に対し
て個別的に間けつ的に出湯採取することができるゎけで
ある。

発明の効果 この発明によれば、アルミニウム酸化物またはこれを含
有ブる天然又は／及び人工鉱物につき、殆ど無差別的に
原料として利用し、従来の溶鉱炉法で必要どした超高温
の不利なしに、効果的に還元製錬を電力依存なく、また
熱源の原単位悪化を１’ｌ’　４つず、有利に実現４る
ことができる。

以下実施例をもってこの発明の効果を検証する。

実施例 粉末抗原オ′３１としてつぎの組成に２種類のボーキザ
イ１−を混合し使用した。

このボーキサイ１〜原料１００重量部に対してポル１〜
ランドセメント６重最部を添加し、さらに水７重量部を
加え、良く混れんした接に、ポーリング・ディスクを用
いて粒径５〜１３ｍｍのペレットに成形し、２７日間常
温で放置し、十分同化させた。

このペレットの強度は８３ｋｇ／個であった。

この固化ペレッｊ〜を粒系６〜８ｍｍの黒鉛粒とともに
、１７２０℃に外部加熱した内径９．６ｃｍ。

高さ８０ｃｍのシＶノ１〜炉内に１４ｃｍの充てん層高
になるように挿入した。このときのベレン１〜と黒鉛粒
の混合比は重量比で１：１とした。

この条件下でメタンガスを１４Ｎρ／ｍｉｎで１５０分
流通させ、原料のボーキサイトを還元した。この場合、
還元ガスは炉上部から下方に向（）て流した。さらに黒
鉛製の容器を炉下部の約１３００’Ｃの温度領域に設置
し、生成溶融金属の滴トを受けｌ〔。

実験後、取り出した生成金属の重量は、ボーキサイ１〜
ペット１００に対して１１．３であり、そ

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の実施例で使用したシャフト炉の断
面図である。 特許出願人　　　川崎製鉄株式会社 第１図 （イ） ！

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、アルミニウム酸化物もしくはこれを含有する天然又
   は／及び人口鉱物を原料とし、該原ｖ１の性状に応じて
   固体炭素系ｊＷ元剤を加え、６８０℃以上、２０００℃
   以下の温度範囲にて、炭化水素又はこれを含有するガス
   により、還元することを特徴とする、アルミニウム又は
   アルミニウム合金の製錬方法。 ２、炭化水素を含有するガスが、還元反応により生成し
   た廃ガスから分離をした水素との混合気である１記載の
   方法。 ３、炭化水素又はこれを含有するガスによる還元が、外
   熱式シャフト炉中で進行するものである１、又は２、記
   載の方法。 ４、炭化水素又はこれを含有するガスによる還元が、外
   熱式シャフト炉中、少なくともその還元反応帯域を、下
   向きに流過づる気流によるものである、１又は２、記載
   の方法。 ５、原料が、鉄酸化物を含有又は配合したものである、
   １、〜４、の何れか一つに記載の方法。