JPS6033888B2

JPS6033888B2 - 熔鉱炉法アルミニウム製錬用アルミナ質含有原料成形体

Info

Publication number: JPS6033888B2
Application number: JP57146419A
Authority: JP
Inventors: 昌生藤重; 正之土器屋; 哲也亀山; 晴美横川; 誠一氏家; 健三福田
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1982-08-24
Filing date: 1982-08-24
Publication date: 1985-08-06
Also published as: US4588438A; JPS5935640A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、熔鉱炉法アルミニウム製錬用アルミナ質含有
原料成形体に関するものである。

なお、本明細書でいうアルミナ質とは、ボーキサイトや
粘土に含まれたいるアルミナ、水酸化アルミナ、複合ア
ルミニウム酸化物等のアルミニウム成分を意味する。

アルミニウムは、鉄に次ぐ基礎的金属素材であり、その
需要は年々高率で増加しつつある。

しかるに近年、世界的規模におけるエネルギーコストの
上昇により、我国のような電力コストの高い地域におけ
るアルミニウム製造は、極めて困難化し産業構造上極め
て重大な障害を招きつつある。加うるに、今後世界的に
予想されている低廉な水力電源立地可能地域の狭溢化は
、この重要産業資材であるアルミニウム製錬における、
省エネルギー低コスト製造法の開発を緊急の議題として
要請しつつある。従来の製錬法である、バイャ・ホール
・ェル−法は、■ボーキサイトからのアルミナ抽出工程
であるバイヤー工程で長時間の抽出、結晶化を行うため
に、生産性が低く、設備費において高コストを招いてお
り、さらに、■電解工程であるホール・ェルー工程は、
電解法であるためにスケールメリットがなく生産性が低
く、設備費が嵩む、多量の電力を必要とするなどの工業
的欠点があり、しかも技術的改良レベルもすでに極限に
近く、抜本的革新的製錬法の出現が要請されている。

従来、バィャ・ホール・ェルー法に内蔵するこれらの欠
点に対し、雷炉還元法を始めとして多種類の代替製錬法
が研究されてきた。しかし、これらの方法は、従来法に
代替しうるだけの省エネルギー効果、低コスト化のいず
れにも成功するに至っていない。これらの代替法の欠点
としては、蚕炉還元法に見るごとく、従来法と同程度あ
るいはそれ以上の電力を要する、あるいは塩化アルミニ
ウム電解法に見るごとく原料の処理工程において、多大
のエネルギーないしコストを要するなどの事項を挙げる
ことがきる。近年においては、前記した如き電力を用い
るアルミニウム製錬法におる問題を克服する方法として
、向流移動床の熔鉱炉を用い、アルミナ質を含有する原
料を、炭素材料により還元する熔鉱炉方式によるアルミ
ニウム製錬法が検討されるようになってきた。

この方法の場合、熔鉱炉内に、アルミナ質を含む原料と
、燃料及び還元剤として作用する炭素材料とを含有する
充填層を形成させ、炉内において、次の燃焼反応‘１｝
と還元反応■とを同時に行わせる。Ｃ十１′２０２→本
０【１｝Ａそ２０３十＄一２Ａ
〆十父０｛２）即ち、■式によって示され
る酸化アルミニウム（ァルミナ質）の還元を、｛１｝式
によって示される炭素材料の酸素燃焼熱を熱源として行
わせる。

また熔鉱炉は向流移動床式であり、下部から酸素ガスが
吹込まれると共に、熔鉱炉底部から還元生成物が取出さ
れ、それに応じて、頂部から供給源料が装入され、充填
層全体は下部で発生した燃焼ガスと向流接触しながら下
方に移動する。このような熔鉱炉方式により前記反応【
１｝及び■を同時に行ってアルミニウム製錬を行う場合
、経済性及び操業性の上で解決すべき技術問題が種々存
在するが、殊に、揮発性アルミニウム成分（Ａ〆２０や
Ａ夕）や、揮発性ケイ素成分（Ｓｉ○）の発生とその凝
縮によってひき起される熔鉱炉の閉塞とアルミニウム収
率低下の問題がある。

このような揮発性アルミニウム成分や揮発性ケイ素成分
の発生を抑制するために、通常は、アルミナ質含有原料
に鉄などの合金成分を添加し、還元温度を低下させると
共に、生成金属アルミニウム分を合金化することによっ
て安定化し、金属アルミニウム生成を有利にする方法が
採用されるが、しかしながら、このような方法によって
も、それら揮発性物質の発生を完全に抑制することは困
難である。また、この場合に還元反応速度を向上させる
ために還元剤とアルミナ質との接触を良くすること、あ
るいは粉末体原料や粉末体コークスを有効利用すること
を目的として、アルミナ質含有原料を、炭素材との混合
物からなる団鉱として熔鉱炉に供給することも知られて
いるが、しかしながら、このような従来の団鉱の場合、
前記揮発性物質の発生の抑制効果はほとんどない、ある
いは忍料用炭素材に含有される灰分を漆出させるための
造律剤と還元反応を受ける以前に融合して、還元され難
くなるほどの欠点があった。本発明者らは、従来技術に
おける前記欠点を克服すべく種々研究を重ねた結果、ア
ルミナ質含有原料と炭素材との混合物からなる成形体の
表面に炭素材被覆層を設けたものは、これを炉内に供給
し、反応させた場合、炭素材被覆層内部におけるアルミ
ナ質と炭素材との反応が実質上終了する時点までその形
体は保持され、しかもその反応に際しては、炭素材被覆
層が、酸素の含む燃焼ガスによる酸化に対して保護層と
して作用することから、生成アルミニウムの酸化が効果
的に抑制されると共に、アルミナ質と炭素材との反応は
円滑に進行し、それらの結果として、揮発性物質の発生
が著しく抑制されると共に、アルミニウム合金収率が著
しく高められることを見出し、本発明を完成するに到っ
た。

即ち、本発明によれば、アルミナ質含有原料と炭素材と
の混合物からなる成形体の表面に、炭素材被覆層を設け
てことを特徴とする熔鉱炉法アルミニウム製錬用アルミ
ナ質含有原料成形体が提供される。

本発明成形体におけるアルミナ質含有原料としては、電
解法と異なり、広範囲の原料を採用することができ、ア
ルミナ質含有量の高いボーキサイトやアルミナ質舎量の
低いバンド頁岩などの粘土鉱物、フライァッシュ、ボト
ムァッシュなども原料として用いることができる。

また、アルミナ質に対して還元剤として用いる炭素材と
しては、石炭やコークス、木炭等の炭素それ自体の他、
Ａ〆４Ｃ４、ＳＩＣ、ＦｅＣ等のカーバィドも適用する
ことができる。アルミナ質含有原料に対する炭素材の使
用割合は、化学量論的量以上であればよく、通常は、化
学量論的量の１〜１．５倍である。また、前記アルミナ
質含有原料は、通常、粒度５側以下、好ましくは１側以
下の粉体として用いられ、また炭素材は、通常、粒度１
仇吻以下、好ましくは２肋以下の粉体として用いられる
。本発明において、前記アルミナ質含有原料は炭素材と
混合された後、成形されるが、この場合、この混合物中
には適当な補助成分を添加することができる。

例えば、前記反応｛２）のアルミナ質の還元反応は、２
１００００という高温を必要とするが、この還元温度は
、原料中に鉄分やケイ素成分を添加することによって、
還元温度を１９００００程度まで引き下げるこてが可能
になる。本発明者らは、原料中の鉄含量について種々検
討を行ったところ、原料中の鉄成分量を増加させること
は、前記還元温度の低下と共に、下記反応式【３｝，｛
４によって代表される炉の操業に不都合なＡそ２０やＳ
ｉ○などの揮発成分の発生の実質的抑制に極めて効果的
であることが判明した。Ａそ２０３十本一Ａ夕２０十次
０湖Ｓｉ０２十Ｃ→Ｓｉ○十ＣＯ
‘４）揮発成分の発生を効果的に抑制する
には、鉄成分の比率は原料中のアルミニウム及びケイ素
成分に対して、一定比率以上であることが望ましく、原
子比で、Ｆｅ／Ａ夕は１／７以上、Ｆｅ／Ｓｉは１以上
、より好ましくは、Ｆｅ／Ａ〆は１／４以上、Ｆｅ／Ｓ
ｉは２以上であることが判明した。

本発明の成形体を得るには、先ず、前記アルミナ質含有
原料、炭素材及び必要に応じての補助成分の混合物をバ
インダーの存在下で混練する。この混合のバインダーと
しては、アラビアゴム、アビセルなどの炭水化物、ピッ
チ、アスファルトなどの車質炭化水素、その他の任意の
粘着怪物質が用いられ、その使用量は、混合物中、１〜
５重量％程度である。この混練物（ペースト状）は、次
に、適当な形状、例えば粒状、球形状、レンガ状、棒状
ないし柱状等の所要に応じた形状に形した後、それを乾
燥、例えば１００〜２００℃に加熱し、必要に応じては
さらに焼成する。本発明においては、前記のようにして
得られた成形体は、その表面に、炭素材の被覆層を形成
させる。

この場合の被覆層用炭素材としては、コークス、石炭、
木炭等が適用されるが、このような炭素材を成形体に被
覆させるには、別粉末状（粒度１０メッシュ以下、好ま
しくは２０メッシュ以下）の炭素材に、コールタール、
アスファルトなどの液状炭化水素あるいはアラビアゴム
、アビセルなどの炭水化物などのバインダーを加えて混
練して、ペースト状の炭素材を作り、このペースト状炭
素材を成形体の表面に塗布又は付着させ、乾燥し、焼成
する。この場合、焼成温度は４００〜１０００℃、好ま
しくは７００〜９００ｑｏであり、この焼成により、成
形体の表面には強固に結合した炭素材の被覆層が形成さ
れると共に、成形体全体の強度も向上し、さらに、被層
には、焼成に際して蒸散した揮発性成分の通過した線の
微細な紬孔が形成される。また、本発明においては、成
形体の表面に炭素材被覆層を設ける他の方法として、前
記炭素材代えて、炭素材先駆物質、例えばピッチやアス
ファルト等を用いることができる。

このようなピッチやアスファルトは、熱熔融性のもので
あるため、その熱熔融液に成形体を浸債する等の方法に
より、成形体の表面にその溶融液を付着させた後乾燥し
、焼成する。この焼成により、成形体表面に付着したピ
ッチやアスファルトはコークス化（炭素化）される。こ
の場合の焼成温度は、炭素材駆物質がコークス化される
温度以上であればよく、通常、４００〜１３００００、
好ましくは７００〜９００００である。前記のようにし
て、アルミナ質含有原料と炭素材との混合物からなる成
形体の表面に炭素材被覆層が形成された製品が得られる
が、この場合、炭素材被覆層の厚さは、通常０．５〜１
０肌、好ましくは２〜５側にするのがよい。

前記のようにして得られたアルミナ質含有原料成形体は
、通常の方法により、燃料を燃焼させて高温に加熱した
熔鉱炉に供給し、反応させる。

本発明のアルミナ質含有原料成形体を用いてアルミニウ
ム製錬を行うには、先ず炭素材（燃料）を炉内に充填し
、この炉内に酸素ガスを送風し、炭素材を燃焼させ、炉
内を充分に子熱する。次に、この炉内に、上部から、本
発明によるアルミナ質含有原料成形体を供給する。この
場合、アルミナ質含有原料成形体は、燃料炭素材との混
合物の形で供給することができるし、また、アルミナ質
含有原料成形体を所定量供給したのち、燃料用炭素材を
供給し、次いでアルミナ質含有原料成形体を供給するよ
うに、アルミナ質含有原料成形体と燃料用炭素材とを交
互に供給することもできる。さらに、必要に応じ、燃料
用炭素材を供給する場合、この炭素材は、熔融性材料（
造連剤）と併用し、両者の混合物の形で、あるいは炭素
材層と熔融性材料層とが交互になるように炉内に供給し
、充填するのがよい。熔融性材料としては、炭素材中の
合まぜているシリカやアルミナをスラグ化し得るもの、
例えば、石灰石はぞのカルシア成分を含む鉱物、ドロマ
ィトのようなマグネシァ成分を含む鉱物、あるいは産業
廃棄物である熔鉱炉スラグ等が利用される。熔鉱炉内に
複数の残素ランスを通して酸素ガスを吹込む場合その供
給線速度を調節することによって、炉内には２種のレー
スウェーを形成させることができる。

即ち、レースウェー相互が独立して重なりを生じずに、
各レースウェーの中間に、還元領域が形成される場合の
レースウェーと、相互が重なりを生じ、各レースウェー
の中間に還元領域が形成されない場合のレースウェーで
あり、前者のレースウェーは、酸素ガス供給線速度をｄ
、さくすることによって形成させることができ、一方、
後者のレースウェーは酸素ガス供給線速度を大きくする
ことによって形成させることができる。第１図に前者の
レースウェーの形状を示す横断面説明図および第２図に
後者のレースウェーの形状を示す横断説明図を示す。第
１図及び第２図において、７は炉壁であり、４，５，６
は酸素ランスを示し、１，２，３はしースウェーを示す
。Ｍは還元領域を示す。なお、レースウェーとは、炭素
材の充填層の中に燃焼用の酸素ガスを吹込み、充填され
た炭素材を燃焼させる場合に充填層中に形成される燃焼
領域を意味し、ここには炭素材の燃焼し、よる火炎が存
在する。

このレースウヱーは、反応炉内の最高温度領域を形成す
ると共に、また酸素が供給される個所であることから、
酸化領域でもある。一方、レースウェーから隔離された
部分Ｍは、レースウェーの部分に比べてその温度は低い
が、酸素の供給がないこてから還元領域を形成する。ア
ルミナ質含有原料成形体を通常の自然降下法で供すると
、このものは、主にレースウェー領域内に降下していく
ことが判明している。一方、このレースウェーの部分は
、前記したように、アルミナ還元に必要な１９００〜２
２００００よりもはるかに高温（２２００〜２７０００
０）であり、また燃焼用酸素が供給されているために酸
素分圧も高く、かつ羽□周辺であるためにガス流速も極
めて三率い。即ち、このレースウェー領域は、酸化領域
を形成する。従来の表面に炭素材被覆層を有しないアル
ミナ質含有原料と炭素材とからなる成形体の場合、この
ものは、し−スゥェー内において反応し、アルミナ質含
有原料はいったんは還元されるものの、その一部は酸素
と反応して揮発性のＡ夕２０ガスにまた一部はアルミニ
ウム蒸気となる。しかもその生成分圧は高温であるため
他の領域よりも高くなり、さらに生成したＡ〆２０ガス
やアルミニウム蒸気は、し−スゥェーから炉頂部に向う
速いガス流によって炉頂部へ輸送されるためＡ〆及びＡ
夕２０の発生は一層加速されることから、供給されたァ
ルミナの大部分は揮発性物質として上方に輸送される。
そして、このようにして炉頂部へ輸送されたＡ夕やＡ〆
２０ガスはここで冷却されると同時に、ＣＯガスと反応
してァルミナになり、充填層と炉壁との間に棚状固着物
を作る等して炉閉塞の原因を生じると共に、その一部は
炉外に排出される。結局、これらのことが原因となって
、還元アルミニウム又はアルミニウム合金の収率は著し
く低下される。また、アルミナ原料中に含まれるシリカ
分に関しても、前記アルミナの場合と同様のことが言え
る。これに対し、本発明の表面に炭素材被覆層を形成さ
せたアルミナ質含有原料と炭素材とからなる成形体を用
いている場合、このものは、レースウェー内において破
壊されにくく、その形体を、実質上被覆層内部のアルミ
ナ質含有原料と炭素材との反応が終了する時点まで保持
させることが可能であり、その上、その炭素材被覆層が
レースウェーの高温酸化雰囲気から、被覆内部のアルミ
ナ質含有原料と炭素材との反応を保護する作用を示すこ
とから、従来のアルミナ質含有原料成形体を用いる場合
に見られるような前記の不都合は回避され、炉閉塞の問
題やアルミニウム収率低下の問題は著しく改善される。

さらに、本発明の表面に炭素材被覆層を形成されたアル
ミナ質含有原料と炭素材からなる成形体を用いる場合、
通常の成形体に比較して造樺剤との融合を防止する上で
極めて効果的である。

即ち、熔鉱炉の操業に当って、燃焼用炭素材中の灰分を
熔出させる目的で炭素材に対し、約３重量％の造樺剤を
加えることが行われている。あるいは、本発明に至る研
究過程において、生成した粗合金を速やかに炉底に滴下
させるために通常より多重の造淫剤、例えば燃料用炭素
材に対し約２の重量％を添加することが有効であること
を見し、出したが、このような場合、成形体と造樺剤が
融合し、アルミナ質有原料が造律剤の成分を化合して複
合酸化物を形成し、還元され難くなるという困難が生じ
る。本発明による形成体を用いる場合、アルミナ質原料
が還元され、合金が生成し、被覆が破壊されるに至るま
で、アルミナ質原料と造連剤が接触することを防止しう
るので、このような困難を避けて合金を生成せしめるこ
とが可能となる。

本発明のアルミナ質含有原料成形体を用いてアルミニウ
ム製錬を行う場合、さらにその効果を高めるために、酸
素ガスに炭酸ガスを混合して炉内に供給するのが有利で
ある。

このような混合ガスタを炉内に供給する時は、レース
ウェー部の温度を、炭酸ガスを混入しない時の２２００
〜２７００００から、アルミナ質含有原料と炭素材との
反応に必要な２０００ｏｏレベルに引下げることができ
、揮発性成分の生成及びその揮発損失を防止することが
できＺる。また、この炭酸ガスに代えて、窒素ガスやス
チームを用いることができる。さらに、揮発損失を防止
するには、アルミナ質含有原料成形体は、前記熔融性材
料（造樺剤）と同時に炉内に供給することも有効である
。即ち、熔融性材料を同時にＪ使用する時は、炉内にお
いて、アルミナ質含有原料成形体が実質上反応終了した
後、自然破壊されて、生成アルミニウム成分が成形体か
ら流出した場合に、生成アルミニウム成分はこの熔融性
材料の融液と混合し融体となり速やかに炉外へ輸送さ２
れ、生成アルミニウムの麓発潜失が防止される。この熔
融性材料の使用量は、アルミナ質含有原料成形体１００
０重量部に対し、３の重量部〜２０００重量部、好まし
くは、３００〜７００重量部の割合である。さらにまた
、本発明のアルミナ質含有原料成形体２は、棒状などの
長尺物の形で、レースウェーとの実質的接触を避け、第
１図に示した還元領域Ｍの部分に選択的に供給すること
ができる。この場合には、還元領域Ｍは、レースウェー
部とは異なり、温度が低い上に酸素分圧がなく、しかも
速いガスの流れがないことから、炉閉塞の問題や生成ア
ルミニウムの揮発損失の問題はほとんど見られず、極め
て有利な熔鉱炉法によるアルミニウム製錬が達成される
。次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。

実施例１（ボーキサイト成形体の製造）ボーキサイト（粒度約２０メッシュ）１００の重量部に
対し、鉄粉（粒度約２０メッシュ）６２重量部、コーク
ス（粒度約２０メッシュ）３０の重量部の混合物に、バ
インダーを適量加えてこれらをニーダーにより均一に混
練した後、直径約２０〜３仇舷の球状に成形し、２００
℃で乾燥して、炭素材被覆層のないボーキサイト成形体
（Ｌ）を得た。

次に、前記のようにして得た成形体を、都市ガスバーナ
により加熱し、揮発成分を燃焼しつつ灰化することによ
って、表面に炭素被覆層（厚さ約２〜５肋）を有する本
発明のボーキサイト成形体（Ａ）を得た。

実施例２（アルミニウム製錬）内直径３６肌、炉高８０伽の筒状の反応炉を用いて、ボ
ーキサイト成形体の還元反応を行った。

この場合、先ず、炉下部に燃料用コークス（粒度約４〜
７帆）を充填し、炉下部周壁に対称的に酉己設された３
本の銅製水冷式酸素ランスから酸素ガスを各ランス当り
の供給速度１００夕／分の速度で炉内に導入し、反応炉
を十分に子熱した。次に、前記ボーキサイト成形体とコ
ークス粒子（直径４〜７柳）との混合物（コークス対ボ
ーキサイト成形体の混合重量比＝３：１）を炉頂部から
充填し、コークスを燃焼させながらボーキサイト成形体
を還元させ、炉底からアルミニウム／鉄合金を得た。そ
の反応結果を表１に示す。一１実施例３実施例２において、酸素ガスに炭酸ガス（酸素ガス／炭
酸ガス容量合比＝１：０．１）を混合すると共に、ボー
キサイト成形体とコークスとの混合物に対し、造淫剤（
ボーキサイト１重量部に対し炭酸カルシウム１重量部の
割合で混合成形した）をボーキサイト成形体１重量部に
対し０．５重量部用いる以外は同様にしてボーキサイト
成形体の還元反応を行った。

その結果を表２に示す。表一２

【図面の簡単な説明】

図面は炉内に形成されるレースウェーの横断面説明図で
あり、第１図は、相互に重なりのないレースウェーの説
明図、第２図は、相互に重なったレースウェーの説明図
である。１，２，３……レースウエー、４，５，６……酸素ラン
ス、７・・・・・・炉周壁。第１図第２図

Claims

【特許請求の範囲】

１アルミナ質含有原料と炭素材とからなる成形体の表
面に、炭素材被覆層を設けたことを特徴とする熔鉱炉法
アルミニウム製錬用アルミナ質含有原料成形体。