JPS591775B2 - アルミニウムの還元製錬法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はアルミナを含有する鉱石を還元製練することに
よるアルミニウムの製造方法に係わり、更に詳しくは溶
鉱炉を使用して石炭などの炭素による直接還元製練をお
こなうアルミニウムの製造方法に関するものである。

アルミナの直接炭素還元については、古くから多くの研
究がなされ、その化学反応として次の式％式％ （１） （１）の反応は通常２，１００℃にのぼる高温度でのみ
右方に進行し、かかる高温度ではアルミニウムは蒸気状
となって揮発し、それが冷却すると粉末乃至煙霧となり
、所謂鋳塊の製造は不可能とされていた。

反応が極めて高温度である為に実験用として炭素電極抵
抗加熱炉が使用されるに止まっていた。

一方アルミナ（Ａｔ２０３）とシリカ（Ｓｉ０２）と炭
素（Ｃ）の三成分が共存する場合、温度上昇により化学
反応は次の如く進行することが知られている。

第１段、１２００℃〜１９００℃ ＳｉＯ＋Ｃ＝ＳｉＯ＋ＣＯ・・・・・・・・・・・・・
・・ （２）ＳｉＯ＋ ２ Ｃ＝ ＳｉＣ＋ＣＯ・・・
・・・・・・・・・・・・ （３）ＳｉＯ＋２ＳｉＣ＝
３Ｓｉ＋２ＣＯ・・・・・・ （４）２Ａｔ２０３＋３
Ｃ＝Ａｔ４０４＋２ＣＯ・・・ （５）第２段 １９０
０℃〜２０００℃ ＳｉＯ＋ＳｉＣ＝ ２ Ｓｉ ＋ＣＯ・・・・・・・・
・・・・ （６）２Ａｔ２０３＋９Ｃ＝Ａｔ４Ｃ３＋６
ＣＯ・・・（７）第３段 ２０００℃〜２１００℃ Ａｔ４０４Ｃ＋Ｍ４Ｃ３−８Ａｔ＋４ＣＯ・・・ （８
）２ Ａ ４ Ｃｓ＋３ Ｓ １０２ ＝８ ｋｔ＋
３ Ｓ ｔ＋ ６ ＣＯ・・・・・・・・・（９） Ａ、１２０３ ＋３８ ｔ Ｃ＝ ２１ｔ＋３ Ｓ ｔ
＋ ３ ＣＯ・・・（１０）以上の反応式から明らか
なように、シリカ（５ｉｎ２）の炭素による還元は次の
如く進行する。

Ｓ ｉｏ、、→Ｓ ｉＱ−＋５ｉＣ−＋Ｓ ｉ生成した
金属珪素は２０００℃前後の温度域での蒸気圧は１ｍ前
後で極めて小さく、揮発損失のおそれは殆どない。

アルミナ（Ａｔ２０３）の炭素による還元は、アルミニ
ウムオキシカーバイド（Ａｔ４０４Ｃ）、更にアルミニ
ウム・カーバイド（Ａｔ４Ｃ３）を生成し、更に両者の
相互反応により、アルジニウムを生ずる事がある。

しかしながら多くは２０００℃〜２１００℃の温度域で
（９）武威＆ｔ（１０）式によりアルミニウムと珪素を
生成し、両者は直ちに共融してアルミニウム・珪素合金
をつくる。

上記の反応に基づくアルミニウムの還元製練を溶鉱炉を
用いて行なう試みも行なわれた。

しかし通常の溶鉱炉では装入物の粒度構成或は装入方法
の如何により炉内で粒度偏析を発生し、その後の溶鉱炉
反応の均一な進行を阻害する事が多い。

即ち通常の溶鉱炉では大塊が炉の中心に、小塊が炉の周
囲に落下して粒度偏析を起し、これに伴い上昇ガス気流
も中心部は抵抗が少く、周辺部は抵抗が犬で不均一な流
速となり易い。

この為装入物の粒度管理は特に厳重で例えば鉄鉱石の場
合上限２５Ｍ、下限８ ｒｒｖｎ、コークスは上限７５
叫、下限２５ｗｒＬが最近の溶鉱炉操業の一般的な例で
ある。

更に又銑鉄製造溶鉱炉の例では鉄鉱石とコークスとを交
互に装入するが、コークス層はガスの通過が容易である
に反し、鉱石層は体積が小なる割合にガス抵抗が犬で、
従って鉱石層の厚さは溶鉱炉の操業に大きな影響を有す
る。

今日までアルミニウム・珪素合金を溶鉱炉で製造する為
になされた試みの１例ではカイアナイト（藍昌石、アル
ミナ−シリカ鉱物Ｍ２Ｏ３・Ｓ ｔｏ ２ ）とコーク
ス粉を充分混合して加圧成型しペレット又はブリケット
となして溶鉱炉に装入し、炉下部の羽口より純酸素を吹
込み、その吹込点での炉の温度を２３００〜２５００℃
、炉の反応域の温度を２０５０℃以上に維持し、Ａｔ５
５％、Ｓｉ４０％の合金を得るものである。

（米国特許第３，６６１，５６１号）。

或は又同様の方式で吹込酸素とコークスとの反応で発生
した一酸化炭素瓦斯が、還元により生成したアルミニウ
ム及び珪素に直接接触して再酸化させる事を防止する為
に、コークスと酸素によるＣｏ瓦斯発生炉とこのＣＯ瓦
斯による鉱石還元炉とを別個に隣接しで設置する提案（
米国特許第３，６６１，５６２号）もなされたが実用化
されるに至ってない。

提案の方法において用いられる、アルミナ質鉱石粉末と
コークス粉末との混合物の成型ペレット又はブリケット
は、コークス配合物の圧縮成型である為、微細気孔を殆
んど有せず、反応性が低く、またその成形物は機械的強
度に乏しく運搬仕込、更には反応中に崩壊しやすく粒度
偏析により一層反応の不均一をもたらす。

本発明の目的は、均一な反応によりアルミナ鉱石よりア
ルミニウムを還元製練する方法を提供するにある。

本発明の目的はアルミナ及びシリカ含有鉱石の粉末及び
これらアルミナとシリカとを還元するのに十分な量の炭
素を有する石炭粉末の混合物の団鉱を、非酸化性雰囲気
中でコークス化し、生成するアルミナ及びシリカを担持
したコークスを、溶鉱炉中で２０００℃以上の温度で加
熱しアルミニウム及びけい素の合金を遊離せしめ、アル
ミニウムを回収することよりなるアルミニウムの還元製
練方法により達成される。

図面は、本発明を実施するために好適に用いられる装置
の系統図を示す。

本発明の方法においては、原料としてボーキサイト、粘
土、容土、頁岩その他アルミナを含有する鉱石の粉末を
用いることができるが、用いる原料中のアルミナ（Ａｔ
２ｏ ｓ ）とシリカ（Ｓｉ０２）とのモル比が１：ｌ
若しくはシリカが若干過剰に含まれることが好ましい。

そのためには要すれば外部的に、このようなモル比にな
るように、例えば珪石或はボーキサイト又はアルミナが
加えられる。

ここに言う若干の過剰とはアルミナ１モルに対し２モル
を超えない量を言う。

この原料に還元剤として、石炭粉末を配合し、更に要す
れば少量の石灰又はアルミン酸石灰のような結合剤を添
加し、充分混練し、この調合鉱を加圧成形機に供用して
団鉱とする。

用いられる石炭の量は原料中のシリカ及びアルミナを還
元してそれぞれの金属を遊離するのに十分な量の炭素を
含む量である。

この団鉱はコークス化されるが、その際の温度は６００
〜８００℃が好ましく、また非酸化性雰囲気中、例えば
燃焼廃ガスの流通のもと短時間に石炭中の揮発分を除去
することにより特に強固、且つ反応に有利な多孔質のコ
ークス構造を有するアルミナ質コークス化団鉱が製造さ
れる。

本発明の還元製練は、上記原料を用い通常の溶鉱炉中で
行なわれ特に電極抵抗加熱炉を必要としない。

使用される熱風は、純酸素であってもよいが、空気に４
％以上の酸素を付加した所謂酸素富化空気を用いること
ができる。

また本発明に用いられるコークス化団鉱は、これを溶鉱
炉に装入する場合は鉱石層とコークス層とを分ける必要
がなく、同一寸法のコークス化団鉱が均一に分布される
ので、アルミナ質鉱石や配合石炭の粒度は団鉱製造に必
要な一定の粒径以下であれば、銑鉄溶鉱炉における如き
厳重な粒度管理は必要でない。

装入原料の全部は同一寸法、同一形状、同一空隙率であ
る為に、粒度偏析を起こすことなく上昇ガスに対する抵
抗は炉内のいづれの部分も同一で、極めて均一な反応が
行なわれる。

又コークス化団鉱はそれ自体の内部に無数の微細孔を有
し、比表面積が犬で、装入原料と還元性ガスとの接触が
緻密に行われる結果、還元反応は極めて有効に実施され
る。

更にまた本発明において用いられるコークス化団鉱はそ
の有孔にもかかわらず強度が犬で、溶鉱炉下方の溶着層
に到達するまで崩壊することなく形状を維持することが
できる。

従って連続的に操業を行っても炉内瓦斯の上昇気流は迅
速且つ均一に行われる。

本明細書の実施例１において造られたコークス化団鉱と
、単にコークス粉末を配合して成型した団鉱との機械的
強度及び比表面積の相異は第１表に示す通りである。

本発明においては前記の各温度域における化学反応を溶
鉱炉中で進行せしめて、その最終反応によるアルミニウ
ム・珪素合金を連続的に製造することができる、即ち溶
鉱炉上段においでは前述の第１段の反応、中段において
は第２段の反応、下段においては第３段の反応を進行し
得る如く温度を維持する為に、溶鉱炉の下段に設けた羽
口より、通常の熱風炉を使用して予熱した酸素富化空気
を吹込む。

炉底に遊離したシリコン−アルミニウム合金は減圧蒸溜
により各成分に分離することができる。

本発明者は遊離のアルミニウムの揮発、その酸化を防止
するため、空気吹込羽口率より若干下方の位置に別の羽
目を設けてこれより熔融金属鉛を噴射し、滴下するアル
ミニウム珪素合金を鉛湯と接触させ、合金を鉛湯に吸収
せしめることにより、生成直後の合金の飛散酸化を防止
することができることを見出し、本願と同日付で別途特
許出願をした。

即ち鉛はアルミニウムの融点の６５９℃ではアルミニウ
ムを殆んど溶解しないが、１０００℃においては１．５
％の溶解度に達する。

この方法において、溶鉱炉羽目で２，０００〜２，１０
０℃に加熱せられ生成したアルミニウム・珪素合金の滴
に噴射した鉛湯は１２００℃以上の温度に上昇し、アル
ミニウムの溶解度を増大する。

この温度における鉛の蒸気圧は尚１０ｍ台でかつまた密
閉系反応である為に、鉛の揮発損失はほとんど無い。

溶鉱炉の底部に溜ったアルミニウム珪素合金を溶解した
鉛湯は炉底より抜出し、次の精製炉に静置する時は、合
金は上面に、鉛は底部に層分離し両者は容易に分離され
、溶融鉛は噴射羽ロヘレサイクルされ、熔融合金から減
圧蒸溜によりアルミニウムを分取する。

次に本発明を図面を参照して詳細に説明する。

好ましくは、アルミナとシリカの比が所定量比に調節さ
れたアルミナを含有する粘土質鉱石と石炭とを混合し、
これに要すれば石灰又はアルミン酸石灰を少量加えて、
混練機１にて充分混練する。

混線を終った調合鉱はパケットエレベータ−２にて上方
に運搬し団鉱機３に供用する。

団鉱機は２個のロールが内側に回転する所謂双輪型が工
業的生産に適して居る。

ここで混線物は、適当な形状の団鉱に成形される。

次に団鉱機より出た所謂中団鉱はアツキムレーター力−
４よりロークリ・ホッパー５をへて炭化炉６に装入され
、その中央に設けられた格子煉瓦積構造の炭化室７に滞
留する。

この間、７００〜８００℃の非酸化性瓦斯例えば燃焼廃
瓦斯が団鉱層を通過し、団鉱中の配合石炭の含有する揮
発分は短時間に駆除され、強固な、且つ多孔層の所謂コ
ークス構造を有するアルミナ質コークス化団鉱となる。

炭化処理時間は３０分前後が適当で、４４０分以上時間
が長くなると、石炭中の固定炭素の燃焼が始まり、炭素
分の損失となると共にコークス化団鉱の強度を低下する
。

コークス化団鉱は赤熱状態の侭スキップホイスト８にて
溶鉱炉の頂部に捲揚げられ、そこからベル９を通って、
溶鉱炉１０に装入される。

装入コークス化団鉱は全部同一寸法である為、従来の溶
鉱炉に見られる如き、粒度偏析を生ずる事なく、均一に
落下する。

又炉内ガス分布も本発明の方法では、各断面の空隙率が
同一である為、上昇ガスへの抵抗は均一で、従って分布
は均一に行なわれる。

本発明の方法によるアルミニウムの溶鉱炉製錬において
は、原料中のアルミナ及びシリカの還元反応が完了し、
アルミニウム珪素合金が生成するには、２，０００〜２
，１００℃の高温度が必要である。

この高温度を安定しで保持する為には、製銑溶鉱炉で最
近床〈実施されて居る酸素富化操業が適している。

その操業方法は製銑溶鉱炉と殆んど同様で熱風炉１９を
通って１０００℃前後に予熱された酸素富化空気が炉の
下部に設けられた第１羽口１１より炉内に吹込まれる。

炉内燃焼瓦斯は炉頂より排出して収車機１２を通す。

羽口率１１からその上方の域で１９００〜２１００℃の
温度帯２１が形成され、この区域では第１及び第２段の
反応を受けた原料は、部分的に凝結し第３段の反応を受
けてアルミニウム・珪素合金が生成し、湯ダマリ２０に
滴下するので、第１の羽口率と湯ダマリ２０の間に設け
た第２の羽口１３により溶融鉛を噴射して滴下する合金
を鉛に吸収させる。

この鉛は、湯ダマリ２０に設けた導孔１４より抜出して
、保持炉１５に移す。

合金と鉛は保持炉に静置する時冷却されて上下２層に分
離し、合金は、上部から汲み出し、鉛は下底の抜取管１
７を通じて抜き取る。

アルミニウムは尚少量の鉛も含有し、ＰｂＯ，２％で共
晶混合物を形成するので、樋１６より脱鉛炉１８に移し
、減圧分別蒸溜を行い残留する微量の鉛分を完全に分離
する。

次に真空度を高めて、アルミニウムと珪素を分離する。

なお溶鉱炉の第１羽口重において、炉の内張材を保護す
る為に、羽口ノズル１１を炉芯に向は若干突出させ、炉
壁部は１８００℃以下に保持する如く操業することが望
ましい。

このようにすることにより装入物の炉壁部の原料は、金
属還元、合金生成の反応を終了せずして、炉底に下降し
てくるので、これは反応済の鉱滓と共に炉底の排出口（
図示なし）より排出し、冷却後再び原料混合工程に戻す
。

本発明の実施例を次に示す。

実施例 １ 原料としては岩手系産出の岩手粘土と称するものを使用
した。

その化学成分は次の通りである。この原料の場合は、シ
リカが過剰でアルミナが不足するので、アルミナを加え
アルミナ対シリカのモル比を１：１．５とした。

還元剤としては以下の分析値を有する三池粉炭を使用し
た。

これら原材料の配合割合は次の如くした。

岩手粘土 ４３．５重量部アルミナ
８．７〃三池粉炭
４７．８／／末反応の繰返鉱 ８．７
部 合計 １０８．７ ／／ この原材料にアルミン酸石灰３部を加えて、充分混練後
製団機に供給して団鉱を製造する。

団鉱の寸法は長さ、１１０ｍｍ、厚さ６５Ｍ、団鉱の重
量は１個約５００１であった。

団鉱をこの炭化室に装入し、約８００℃の燃焼廃瓦斯を
この団鉱層を通過せしめた。

石炭を配合した団鉱をこの熱瓦斯に３０分間、直接曝露
する時は、石炭中の揮発物は完全に１駆除せられ、団鉱
は微細な気孔を多数有する所謂コークス構造のアルミナ
質コークス化団鉱となった。

この炭火団鉱の強度はアムスラー型圧縮試験機で測定し
た結果１３７ ｋｇ／ｃｒｉであった。

このコークス化団鉱を赤熱状態のままスキップホイスト
にて溶鉱炉の炉頂に捲揚げ一般に用いられるベル型給鉱
装置を通して炉頂より装入した。

溶鉱炉の下部に設けた第１の羽口よりは、１０００℃前
後に予熱した４％酸酸酸化富化気気酸素２４／原料１０
０部吹込んだ。

羽目率の装入原料は、２０００〜２１００℃に加熱せら
れ、融着状態となり、その中で前記第３段の還元反応が
進行して、アルミニウム珪素合金が滴下し始める。

燃焼用空気吹込み羽口率より稍々下段の位置に設けられ
た第２の羽口より、下向きに傾斜した小孔を通じ熔融し
た金属鉛を噴射し、還元反応で生成した熔融アルミニウ
ム・珪素合金を鉛に吸収せしめた。

この金属鉛は、高温還元反応で生成した合金を吸収する
ことにより、温度上昇し、合金の吸収能力を増大すると
共に、合金層は生成直後に鉛に吸収される為に、燃焼瓦
斯への曝露による再酸化が防止される。

この鉛は溶鉱炉底より抜出して静置し、鉛とアルミニウ
ム珪素合金との層に分離した後、上層の合金層は熔融状
態のまま、減圧分別蒸溜装置に移し、残留鉛を分別溜出
した後、真空度を高めで、アルミニウムを蒸溜し珪素と
完全に分離した。

溶鉱炉の羽目率で装入物を２０００°〜２１００℃に加
熱保持する事が本発明を実施する為の最も重要な事であ
るが、かかる高温度では炉内張の耐火材料の維持が極め
て困難であるので、本発明においては、前記のように設
けられた羽口を用い、羽目型面積の有効反応域を９０％
とし炉壁に近い１０％は未反応に止め、炉壁から約１０
％は未反応の侭下降して炉底の鉱滓抜取口より抜出し、
原料調合に戻して再使用した。

この為羽ロノヅルは水冷可動式とし、炉壁から炉芯に向
は突出し、装入物の熔融還元反応はなるべく炉芯で行わ
れ炉壁付近の温度は１６００℃前後の温度に保持して炉
壁煉瓦の軟化損傷を防止した。

以上の操作により回収したアルミニウムは最初の石炭含
有原料１００部に対し７．８部であった。

実施例 ２ 原料として愛知県豊徳鉱山産の粘土を使用した。

例は次の通り。

この場合はアルミナに対しシリカが高過ぎるのでアルミ
ナを添加して両成分のモル比をアルミナニジリカー１：
１．４に調整した。

粗原料の配合割合は次の通りである。

豊徳粘土 ３７．０部 アルミナ １４．８ 三池粉炭 ４８．２ 繰返鉱 ９．３ １０９．３ この配合鉱を実施例１に示したと同様の処理を行って得
たアルミニウム地金は８．５部であった。

本発明により製造したアルミニウム地金の品位を従来の
電解法のそれと比較すれば第２表の通りＴ−ネＡへ

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の方法を実施するための好ましい装置の組
合せ系統図を示し、指示数字はそれぞれ以下の通りであ
る。 １・・・・・・石炭及び鉱石粉末混練機、２・・・・・
・パケットエレベータ、３・・・・・・団鉱機、４・・
・・・・アツキムレーターカー、５・・・・・・ロータ
リーホッパー、６・・・・・・炭化炉、７・・・・・・
炭化室、８・・・・・・スキップホイスト、９・・・・
・・ベル、１０・・・・・・溶鉱炉、１１・・・・・・
第１羽口、１２・・・・・・収塵機、１３・・・・・・
第２羽口、１４・・・・・・鉛毛出口、１５・・・・・
・保持炉、１６・・・・・・アルミニウム合金抜取り樋
、１７・・・・・・鉛抜取管、１８・・・・・・脱鉛炉
、１９・・・・・・熱風炉、２０・・・・・・湯ダマリ
、２１・・・・・・金属遊離域。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ アルミナ及びシリカを含む鉱石及びこれらのアルミ
   ナ及びシリカを還元するに十分な量の炭素質材料よりな
   る原料を溶鉱炉中で２，０００℃以上の温度に加熱し、
   アルミニウムとけい素との合金を生成させ、合金よりア
   ルミニウムを回収することからなるアルミニウムの還元
   製練方法において、鉱石粉末と石炭粉末との混合物の団
   鉱を溶鉱炉とは別に設けられた炭化炉中で、あらかじめ
   加熱非酸化性ガスと７００〜８００℃において揮発分を
   実質的に除去するに十分であり、かつ炭素が実質的に燃
   焼するに至らない時間接触加熱することによりコークス
   化し、このコークス化団鉱を原料として用いることを特
   徴とするアルミニウムの還元製練方法。 ２ アルミナとシリカのモル比が１：１もしくはシリカ
   の若干過剰を内部的もしくは外部的に含む鉱石を用いる
   特許請求範囲第１項記載の方法。