JPS6261657B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明はアルミニウムの炭素熱法による生産で
得られる炉生成物からアルミニウムカーバイド含
量が約２重量％を越えないアルミニウムの実質量
を回収することに関するものである。 アルミニウム含有鉱石を炭素質還元剤で還元す
ることを含む炭素熱法は古くより文献に記載され
ている。しかしながら不幸にして、特殊な方法が
用いられぬ限り従来の大多数の実際の操作では多
量の実質的に純粋なアルミニウムを得ることは不
可能であつた。 各種の文献ならびに特許を参照することに多く
の人が、通常の電解法によるアルミニウム製造に
四適しうる熱的方法を何とか決めようと努力して
きたことが判る。電解法に反しアルミニウム製造
のための熱的操作を用いることから発する多くの
理論的利点が古くより知られていた。不幸にして
大部分の炭素熱法では実質的に純粋な状態での重
要なアルミニウム製造にはいたらなかつた。 熱的方法でのアルミニウム製造における困難性
はアルミナ含有鉱石の還元によるアルミニウムの
生成にあるのではなく、むしろ実質的に純粋な状
態でのアルミニウムの回収にある。従来の特許な
らびに文献にはアルミニウムと供給材料中の各種
炭素含有化合物との間に生じる各種の逆反応に関
しての理論ならびに説明が充分なされている（米
国特許第3971653号参照）。 炭素熱法で実質的に純粋なアルミニウムを得る
際のこの一般的問題に対する一つの解決法が米国
特許第3607221号に記載され特許請求されてい
る。この特許の方法ではアルミニウムを実質的に
純粋な状態に製造しうるが非常に高い操作温度を
必要とし、そのため構成材料の点で問題がある。
炭素熱法で実質的に純粋なアルミニウムを回収す
るの方法が米国特許第3929456号に記載され特許
請求されている。この特許の方法では炭素熱法で
実質的に純粋なアルミニウムを製造できるがアル
ミニウムカーバイド汚染をさけるために装入材料
を加熱する方法の注意深い制御が必要である。 高純度アルミニウムを製造するため文献に記載
されている遥かに一般的な方法は通常10〜20重量
％のアルミニウムカーバイドを含む炉生成物を処
理する各種の方法であつた。例えばアルミニウム
カーバイド汚染物の量を少なくするため炉生成物
を金属塩と溶融させるような方法が文献に記載さ
れている。 不幸にして溶融塩はこのようにして除去された
カーバイドと混合しており、カーバイドを炉に循
環し得る如く塩からカーバイドを除去することは
高価につく。かかる循環を行なわない場合、アル
ミニウム製造に工業的に実施されている従来法に
比し動力消費ならびに炉のサイズが非経済的にな
る。米国特許第3975187号は炭素熱的に製造され
たアルミニウムのアルミニウムカーバイド含量を
へらすため、炉生成物をガスで処理しアルミニウ
ム・アルミニウムカーバイドマトリツクスの形成
を防止しそれによりアルミニウムカーバイドをア
ルミナから容易に分離可能ならしめる処理法に関
するものである。米国特許第3975187号の方法は
アルミニウムカーバイドを作るため既に与えられ
たエネルギーを保存するのに極めて有効であるが
この方法は材料取扱いに関しての付随的エネルギ
ー損失を併う循環操作を必要とする。一具体例に
おいてこの方法はアルミニウムカーバイドを金属
アルミニウムに変え、それにより還元プロセスを
完了させエネルギー損失を最少限ならしめる。ま
た第４欄第31行以降に述べられている如く米国特
許第3975187号の特に好ましい具体例は約５重量
％以下のアルミニウムカーバイドで汚染されてい
るアルミニウムの処理にある。 本発明方法は約２重量％以上任意量のアルミニ
ウムカーバイド汚染に対し有効である。しかしな
がら、例えば米国特許第3607221号、同第3929456
号の如く従来述べられていたことは特殊な方法を
用いぬ限り、従来の所謂還元炉で作られるアルミ
ニウムカーバイド汚染物の量は約10〜約20重量％
である。 本発明は特に所謂通常の炭素熱還元炉で作られ
るカーバイド汚染物量に相当する約10〜約20重量
％のアルミニウムカーバイドで汚染されたアルミ
ニウムの処理にかかるものであるが、米国特許第
3607221号、同第3929456号に記載されているよう
な主としてアルミニウムの製造に用いられる炉中
で作られるような約２〜約10重量％のアルミニウ
ムカーバイドで汚染されているアルミニウムの処
理にも用いることできる。 本発明の新規方法はスラグ中のアルミナを炉生
成物中のアルミニウムカーバイドと反応せしめそ
れにより炉生成物のアルミニウムカーバイド量を
へらすため、アルミニウムカーバイドで汚染され
た炉生成物を実質的割合のアルミナを含む溶融ス
ラグと単に加熱することにより実施せられる。
「スラグ中のアルミナをアルミニウムカーバイド
と反応させる」なる表現は各種の反応態様を示す
ことを意図するものである。特定の操作理論に限
定されることを望むものではないが、スラグ中の
アルミナと炉生成物中のアルミニウムカーバイド
の間には少なくとも二つの反応態様が考えられる
ようである。 かかる態様の一つは「還元態様」と表現するこ
とができ、これはスラグ中のアルミナと炉生成物
中のアルミニウムカーバイドの還元条件での反応
で金属アルミニウムを作るような反応を包含す
る。この態様の操作を確認する一方法は一酸化炭
素の放出によるものである。 もう一つの反応態様は「抽出態様」と表現する
ことができ、これは液体アルミニウムを与える代
りにアルミニウムテトラオキシカーバイドの如き
非金属スラグ化合物を生成するようなスラグ中の
アルミナと炉生成物中のアルミニウムカーバイド
の反応を包含する。かかる「抽出態様」反応は還
元によりアルミニウムを作るには不充分な温度で
生じ、一酸化炭素の放出を生じることなく行なわ
れる。 「抽出態様」は「還元態様」と同時に行なわれ
得ることが理解さるべきである。 一般に、１気圧の反応帯圧で「還元態様」操作
には少なくとも2050℃の温度が必要である。ある
特定圧力において、「還元態様」操作に必要な温
度は、金属中のアルミニウムカーバイド量が減少
するにつれ大となる。他方「抽出態様」操作は
2050℃以下で行なわれる。 炉生成物と溶融スラグの反応は金属アルミニウ
ムを製造するのに用いられた同じ還元炉中で一部
分あるいは完全に実施せられあるいは炭素熱還元
法からの炉生成物を適当な溶融スラグを含む別の
炉中へ導き、別の炉中で脱炭を行なわしめること
ができる。本発明はそれを製造した時の炉中で炉
生成物の部分的脱炭を行ない次で別の炉中で脱炭
を完結させることをも包含するものと理解さるべ
きである。脱炭反応が反応性炭素の不存在下に行
なわれることが本発明の新規方法で絶対的に重要
である。脱炭操作中にもし反応性炭素が存在する
と、脱炭される金属と反応しさらにアルミニウム
カーバイドができ本発明の新規方法を失敗に導く
ことが極めて明白である。 例えばアルミニウムを製造するためアルミナ含
有鉱石の還元を実施するのと本発明の溶融スラグ
法によりアルミニウムの脱炭を行なうのに同じ炉
が用いられる場合脱炭工程を脱炭される金属と接
触する反応性炭素の不存在下に実施することが絶
対的に重要である。こういつた状況下において
は、そのために炭素電極を溶融物に深く沈めたと
ころから溶融物の表面とかろうじて接する点まで
持ち上げるかそこから完全に引きはなすこと、な
らびにカーボンライニングと炉溶融物の間に非反
応性スカルをもうける場合の如くカーボンライニ
ングのどこもが脱炭さるべき溶融物との接触から
隔離されるような炉を用いる必要がある。本願明
細書において使用せる「反応性炭素の実質的不存
在」なる語は脱炭反応中に存在するかもわからぬ
反応性炭素の量がアルミニウムカーバイドのアル
ミナによる脱炭反応に打ち勝つには不充分である
ことを意味する。明らかに、最も好ましい具体例
は脱炭工程中で作られるアルミニウムと反応する
反応性炭素が実質的に存在しないことである。
「反応性炭素」なる語は例えば炉の胴のカーボン
ライニングを非反応性スカルで被覆する如くアル
ミニウムとの反応に利用されないよう特殊な注意
がはらわれていない限り、脱炭工程中に存在する
任意の炭素（例えば溶融物中につけられている炭
素電極）を意味する。本発明の新規方法を実施す
るのに用いられる溶融スラグは厳密に規定される
ものではないが有用であるためにはある種特性を
もつものでなければならない。既に述べてきた如
く、溶融スラグはアルミナに富み、原則的には純
粋アルミナを用いることが好ましくはないが可能
である。大規模の炉においては溶融アルミナを幾
分含有せしめねばならず、また純アルミナの融点
が約2320〓であることからみて純アルミナだけで
は通常2400〓付近の反応還元温度に近似しすぎて
いる。アルミナ分に富む溶融スラグの融点はでき
るかぎり低いことが明らかに好ましい。この点か
らアルミニウムカーバイドとアルミナの混合物で
アルミナが80〜97重量％のものが用いられる。ア
ルミニウムカーバイドとの混合物中のアルミナの
好ましい割合は85〜90重量％である。 本発明の新規方法の特に好ましい一具体例は酸
化カルシウムを含むスラグを用いることにある。
というのはこの型のスラグは低い融点を有するか
らである。大部分のスラグは還元温度になる必要
のないことが理解さるべきである。このものは単
に金属層からわかれて溶融層として存在するに充
分な高温で溶融すればよい。しかしながら還元方
式で操作する場合アークに最も近いスラグは還元
温度になる。従つてスラグの溶融点を約1500℃に
低下させるに充分な酸化カルシウムを含むなら脱
炭が容易であることが見出された。1500℃操作用
の代表的スラグは０〜約18重量％のアルミニウム
カーバイド、40〜45重量％の酸化カルシウム、０
〜５％の酸化マグネシウムを含み残りがアルミナ
である。しかし、これより少ない量の酸化カルシ
ウムすなわち10重量％までから最大約55重量％の
酸化カルシウムをスラグ中に存在させることがで
き、残りをアルミナとし、これには脱炭法の操作
に影響をおよぼさない少量の不純物が含まれてい
ても含まれていなくてもかまわない。しかしなが
ら、酸化カルシウム含量が40〜45重量％以下のス
ラグは溶融させるのに高温を必要とする。 本発明方法で用いられる「アルミナに富む」あ
るいは「高アルミナ含有」と呼ばれるスラグはア
ルミナ対含有アルミニウムカーバイドの重量比が
少なくとも４：１のスラグである。アルミナおよ
びアルミニウムカーバイドの重量％はスラグのア
ルミニウム酸素および炭素含量の好都合な当業界
で了承された表現法にすぎない。 脱炭反応終了後、アルミニウムカーバイドの減
損された金属アルミニウムは米国特許第3975187
号に記載されているような従来法により再に精製
可能である。 第１図は本発明の新規方法を実施するために適
した電気アーク炉を示す。炭素電極１は３相交流
を利用するよう三つ組になつている。炉は炭素の
耐火壁２でライニングされれんがにより絶縁され
ており、この炉には湯だし口４への液体層３の流
れを確実ならしめるためチヤンネル５をもうける
ことができる。溶融スラグ６が炉の底部にもうけ
られチヤージカラム８により反応体７が炉中に装
入せられる。 第２図は脱炭反応が主還元炉の外部で行なわれ
る具体例を示し、このため炉１０は炭素を含まな
いアルミナれんがのライニング１１を有する、鉄
あるいはスチールの溶融に通常用いられる電気炉
である。スラグ１２はこの電気炉の底部にあり、
アルミニウム層１４は該スラグの上にある。電極
１３からのアークが溶融層１２および１４上に衝
突し金属１４をしてスラグ層１２と反応せしめ
る。 第３図は約20重量％のカーバイドを含む金属が
周期的に脱炭炉１１０に送られる連続操作を表わ
す。しかしながら脱炭熱はスラグ・金属溶融物上
へのアーク衝突によつてではなく電極１５および
１６の間のアークからの放射線により供給せられ
る。層１４は脱炭度に応じての減少量のAI₄C₃を
含むアルミニウムである。 第４図は本発明の新規方法で操作可能なさらに
別の炉を表わす。炉１８は湯出し口１９、チヤー
ジ進入ロツク２０およびガス抜き２１を除き密閉
されている移動床シヤフト炉である。この炉は炭
素２２でライニングされ、電気アークは２本ある
いはそれ以上の電極２３間を流れる。炭素で作ら
れた手段２４が仕入み物２５を下降せしめるため
にもうけられ、また絶縁手段２６が仕入み物を通
じての電気伝導を最少限ならしめるために設けら
れている。 第５図は本発明において使用しうるさらに別の
炉を示す。この図において、脱炭部位のライニン
グ材料２９は炭素を実質的に含まぬ高アルミナ含
有耐火物である。この炉では炉生成物が落下し
1500℃で液体化さるべく充分量の酸化カルシウム
を含む液状スラグ層２８上にあるアルミニウムカ
ーバイド含量２％以下のアルミニウムの層２７と
混ぜられる。熱は電極３０により供給され還元生
成物中のカーバイドをスラグ中のアルミナと反応
させ液状アルミニウムを作らしめる。 下記実施例は本発明の新規方法を実施する際の
最良の態様を示すものである。 実施例 １ 14.28重量％アルミニウムカーバイド、85.71重
量％アルミナの組成を有するスラグを作り、この
スラグを使用に先だち誘導炉中で溶融させた。ア
ルミナ含有鉱石の炭素熱還元で得られたAl₄C₃約
11重量％とアルミニウム81％の組成を有する炉生
成物50ｇを３インチの穴のあるグラフアイトカバ
ープレートのもうけられた絶縁るつぼ中のスラグ
の上に入れた。アークを始めはグラフアイトカバ
ープレートの穴の内縁にあて仕込み物中に導電性
が確立されるまでこのアークからの尾炎でスラグ
と金属仕込み物を加熱し、次いで電極とスラグの
間にアークを保つた。金属仕込み物は溶融し、そ
の大部分は溶融スラグの上に浮かぶレンズとして
集められた。 この系を冷却後、脱炭された金属ボタンを取り
出し分析した。供給材料中のアルミニウム40.5ｇ
の内、カーバイド含量1.2重量％のアルミニウム
27.1ｇが回収された。 実施例 ２ 実施例１の方法をただし36ｇの炭素熱炉生成物
を用い、また使用せる溶融スラグを25重量％の酸
化カルシウムと75重量％のアルミナの組成物とし
てくり返し実施した。このスラグは使用にさきだ
ち誘導炉で溶融させた。 このスラグに対する熱の作用は金属が存在する
までスラグの導電率が見掛け上低いことと凍結ス
ラグの固体金属生成物に対する付着性に差のある
点を除き実施例１のものと同様であつた。供給材
料中のアルミニウム29.16ｇの内、1.2重量％のカ
ーバイド含量を有するアルミニウム19.0ｇが回収
された。 本実施例のカルシウムスラグを用いることによ
る別の利点は、1000℃でより容易に流動するの
で、このスラグを用いて製造された脱炭金属の構
造が良好であるように思われる点である。 実施例 ３ 空気にさらされた炉生成物でアルミニウム47.1
重量％、アルミニウムカーバイド7.6重量％、残
りアルミナの組成を有するものを用い実施例２の
方法を繰り返し実施した。脱炭処理後、得られた
生成物にはアルミニウムカーバイド汚染物が実質
的に含まれず、原料には14.83ｇのアルミニウム
を含んでいたが17.0ｇの生成物が回収された。こ
のことは供給原料中に含まれるカーバイドの少な
くとも一部がアルミナとの反応でアルミニウムに
変えられたことを明示している。 実施例 ４ CaO33.3重量％、MgO3.5％、Al₂O₃63.2％の組
成を有するスラグを作つた。このスラグを試験前
に予め溶融させた。 Al₄C₃33.4％およびアルミニウム65.8％の組成
を有する炭素熱炉生成物47ｇを上記スラグの頂部
へおき実施例１および２の如く加熱した。 このスラグに対する加熱下での作用は実施例１
および２のものと同様であるがただし金属材料を
溶解するのが困難で、スラグと金属材料の動きは
25％CaO、75％Al₂O₃スラグに比し緩慢であつ
た。金属はこのスラグ表面上に離れた相を作つ
た。 供給材料はアルミニウム31.1ｇを含み、
Al₄C₃1.54％を含む金属30.03ｇが回収された。 実施例 ５ CaO35重量％、Al₂O₃65％の組成を有するスラ
グを作つた。試験前にこのスラグを予め溶融させ
た。 Al₄C₃37％およびアルミニウム61.1％の組成を
有する炭素熱炉生成物47ｇをこのスラグ頂部にお
き実施例１および２と同様に加熱した。 この実験は前の実験と同様であつたが、ただし
スラグと金属を溶融させるのがより容易で、前の
実験に比し加熱時間が非常に短時間であつた。金
属材料は充分に固まりスラグの上に浮かぶ単一レ
ンズになつた。ごく少量の金属がスラグと混合す
ることが認められたにすぎない。 供給原料はアルミニウム28.42ｇを含んでいた
が、1.98重量％Al₄C₃を含むアルミニウム30.77ｇ
が回収され、この事実はスラグとアルミニウムカ
ーバイドの反応で液状アルミニウムができたこと
を示している。 実施例 ６ 本実施例は第１図の炉を用いる本発明の新規方
法を示す。 装入材料７は二つの組成を有するブリケツトの
形に作られる。このブリケツトを製造するにあた
り（米国特許第3723093号、第８欄第50〜65行参
照）、バイエル法に従い水酸化アルミニウム粉末
が600〜1000℃の加熱によりアルミナ粉末に変え
られる。このアルミナ粉末と100メツシユ篩を通
過するよう摩砕された石油コークス粉末を85：15
の重量比に混合して装入組成物Ａとし、65：35の
重量比に混合して装入組成物Ｂとする。各組成物
の充分混和された凝結体100重量部を有機バイン
ダーの６％ポリビニルアルコール水溶液30重量部
と混合する。混合物を次に二段ロールブリケツト
マシンを用いて長径４cmのアーモンド形のブリケ
ツトに圧縮成形し次でこのブリケツトを100〜150
℃空気流中で４時間乾燥させる。 炉を定常条件にするための始動操作は下記の方
法で実施せられる。ケイ素炉の始動で実施せられ
る如く電極から粉砕コークス床に電流を流して炉
が始めに加熱せられる。ケイ素炉実務に従つて炉
床が適当に加熱された時適量のアルミナを加え炉
床上に液体層６を作る。層６の組成はアルミナが
80〜97重量％であるアルミナとアルミニウムカー
バイドの溶融物に相当する。好ましい割合は85〜
90％Al₂O₃、残りAl₄C₃である。次に組成物Ａを
加え、電極を引き上げてアークを開通させ約
12″の深さまで液体層６を作りあげる。装入材料
Ａを加え溶解させて層６の液を作るにつれ、追加
のアルミナを加えて液体層６の重量比を重量部で
80Al₂O₃／20Al₄C₃〜97Al₂O₃／3Al₄C₃の範囲に保
つ。層６の所望の深さを与えるに充分なだけの組
成物Ａのブリケツトを加える。これが「スラグ」
層である。もしスラグ層のAl₄C₃含量が非常に少
なくなつたらコークスを加えオープンアーク下に
加熱を続けて修正することができる。 所望組成の溶融スラグ層が得られたら還元装入
材料を電極のまわりに規定どおりの深さまで加え
装入材料カラム８となし、この中で蒸気生成物が
反応し熱を放出する。通常この還元装入材料は組
成物ＡとＢの42.7／57.3の重量比混合物である。
長時間にわたりこの装入材料は後述の如く２％
Al₄C₃を含むアルミニウムを作るようなバランス
を保つ、装入材料組成のわずかなアンバランス
（すなわちAl₂O₃の割合での±５％）の究極効果
はスラグ組成の変化である。従つてスラグは定期
的にサンプリングし分析されスラグを上述の好ま
しい制御範囲にするためＡ対Ｂの炉装入材料比が
調節せられる。 スラグ分析でアルミナの固渇傾向を示すとＡ対
Ｂの比が増大せしめられる。もしスラグ分析で
Al₄C₃の固渇傾向を示せばＡ対Ｂの比が減少せし
められる。 還元が進行するにつれAl₄C₃を10〜20％含むア
ルミニウムが作られスラグ層の上に分離液体層を
形成する。同時に幾分かのアルミニウム蒸気とア
ルミニウムモノオキサイド（Al₂O）ガスが作ら
れる。これらはアルミニウム生成反応で作られた
COと混ざり装入材料カラム８中を上方へ移行
し、該カラムで逆反応がおこり熱を放出しまた
種々の化合物が作られ、これらはアルミニウム製
造のため装入材料と共に循環せられる。カラム８
内で放出される熱は装入材料の予備加熱に用いら
れまた装入材料ＡからAl₄O₄Cを作らしめる熱を
提供する。アークにより近い高温度で、装入材料
組成物ＢはAl₄C₃を作るよう反応する。最後に装
入材料カラム８で作られたこのAl₄C₃とAl₄O₄Cは
アークから熱を受け、Al₄C₃10〜20％を含むアル
ミニウムと前述の蒸気生成物を与える。 アークからの装入材料に達する熱の強さは制限
されねばならず、さもないと蒸気化が非常に大と
なり装入材料カラム８内での予熱および予備還元
反応が逆反応熱を吸収し得なくなる。こういつた
条件下で炉は熱的に不安定であり、未反応蒸気生
成物は装入材料の頂部から吹き出し過剰の熱を放
出し有用な反応体を浪費することになる。かかる
熱不安定性をさけるためアークによる放熱に関し
炉と電極の寸法を適宜設計することは電気炉設計
分野の技術者に衆知のことである。 熱的に安定な還元に対するアーク熱の適当なレ
ベル（強さ）ならびに特定炉キヤパシチーについ
てその関連電流および電圧値はレベルＸと呼ばれ
る。 10〜20％カーバイド含有還元生成物を約２％の
カーバイド含有物に変えるためには、熱レベルＹ
がレベルＸより実質的に低い、すなわちレベルＸ
の10〜50％のレベルである第２の操作態様が周期
的に用いられるが該レベルは何れにせよカラム８
から装入材料のそれ以上の還元が起らないように
するに充分な低いレベルである。熱レベルＹはオ
ープンアークにより炉床上にある溶融物の表面に
適用せられる。こういつた条件下で金属層中に含
まれるアルミニウムカーバイドはスラグ層に含ま
れるアルミナおよび金属層に含まれているアルミ
ナと反応して余分の液状アルミニウムとCOなら
びに少量のアルミニウム蒸気およびAl₂Oガスを
作る。これにより金属層中のカーバイド量は約２
％に低減され、蒸気は装入材料カラム中を上昇し
還元条件下の場合の如く逆反応および熱放出が行
なわれる。 この炉操作態様での脱炭度は金属層の流動度に
よりあるいは簡単な既知の化学的分析により判断
せられる。 装入材料の続いての還元に必要な熱レベルＸに
炉をもどす前に、炉をかたむけて約２％のカーバ
イドを含む脱炭されたアルミニウムおよび前述の
スラグ組成に修正したため作られた過剰のスラグ
があればそれを流出させる。この溶融物の２層は
こういつた条件では相互に混和しないので、アル
ミニウムを先ず流出させ次にスラグを流出させ
る。このアルミニウムは保持炉に移されそこで工
業的に純粋なアルミニウムを作るため既知方法
（米国特許第3975187号記載方法）によりトリ―ガ
スと共に溶融せられる。 溶融炉からの過剰のスラグおよびスキムは大気
温度に冷却し装入材料調製操作にもどされる。 熱流量Ｙ下に確立された脱炭反応条件は、限定
アークに最も近い金属層の部分はAl₂O₃がAl₄C₃
と反応してアルミニウムを作るに充分な温度（〜
2100℃）になるがスラグの大部分はより低い温度
（約1900℃）であり、未反応装入材料は還元温度
まで上昇せず、その炭素分の急速な溶解で生成物
アルミニウムになることに関して休眠しており、
炭素電極は生成物アルミニウムと接触していない
条件である。 実施例 ７ 炉および装入材料調製は実施例６の場合と同様
である。本実施例の実際は還元態様下において金
属層中につけられた電極を用いての抵抗加熱によ
り熱流量Ｘが達成せられる点で実施例６と相違し
ている。これは還元体への熱流量が炭素電極から
のオープンアーク下での熱流量より少なくまた蒸
気化が少なくできる利点を有する。しかしアルミ
ニウムはより多くのカーバイドを吸収し、脱炭に
より長時間が必要とせられる。 還元操作により約20％のAl₄C₃を含むアルミニ
ウムの液体層が作られたあと電極がオープンアー
クまで引き上げられ、実施例６の如く溶融物を脱
炭するため熱流量Ｙが確立せられる。金属が実施
例６記載の如く脱炭された時、この金属は保持炉
に導かれ、電極群は次の還元期のため再び沈めら
れる。 実施例 ８ 炉の構成、始動手順ならびに装入材料の調製は
実施例６の場合と同じである。相違点は炉９が実
施例１に述でたよう還元態様で連続的に操作され
10〜20％カーバイドを含む金属層が周期的に脱炭
の行なわれる第２の炉１０へ移される点である。
このシステムが第２図に示されている。 炉１０は鉄あるいはスチールの溶融に通常用い
られる電気炉である。ライニング１１は高アルミ
ナれんが製で炭素を含んでいない。スラグ１２は
アルミナの添加により、アルミナ対アルミニウム
カーバイドの重量比がアルミナ80〜97％とAl₄C₃
残量、好ましくはAl₂O₃85〜90％、Al₄C₃残量に
相当する組成を保つように制御せられる。
Al₄C₃10〜20％を含むアルミニウムが周期的に炉
９から１０へ移される。炉９中の過剰のスラグも
炉１０へ移される。電極１３よりのオープンアー
クからの熱が金属層１４中のAl₄C₃をスラグ層中
のAl₂O₃ならびに金属層中に存在する可能性のあ
るアルミナと反応させアルミニウム、CO、およ
び少量のAl蒸気およびAl₂Oガスを生成せしめ
る。これらのガスは炉内の空気との接触で酸化さ
れAl₂O₃とCO₂を生じ、冷却すると粒状物を分離
するのでこれを還元装入材料調製域にもどす。金
属層中のカーバイド量が約２％に低下したら、こ
の金属層を保持炉に移しそこで公知法（米国特許
第3975187号）に従いトリ―ガスと共に溶融し金
属層を工業的に純粋なアルミニウムに変える。 炉１０からの各金属取り出しに続いてアルミナ
をスラグ１２に加えAl₂O₃／Al₄C₃の比を上述の
好ましい制御範囲に回復させる。 実施例６および７の単一炉装置を用いる場合に
比して本実施例の方法ならびに装置の利点は脱炭
化の諸条件を与えるのにより積極的ないくつかの
工程を装置配備により採用しうる点である。本実
施例の装置では反応性炭素が脱炭中の溶融物と接
触する可能性を積極的に排除する。 スラグの大部分は還元温度にされる必要がな
い。溶融され、金属層から溶融層として分離され
て存在するに足る高温度であれば充分である。し
かしアークに最も近いスラグは還元温度である。
従つてスラグにその溶融温度を約1500℃に低下さ
せるに充分な石灰（CaO）が含まれればより容易
な脱炭が達成せられることが見出された。1500℃
操作の代表的スラグは０〜20％Al₄C₃、40〜55％
CaO、０〜５％MgO、残りAl₂O₃を含む。この場
合炉の加熱された部分が全て、CaOあるいはCaO
とMgOの組合わせの如き融点降下剤を含まぬ場
合の1900℃ではなく、約1500℃になる。カルシウ
ムスラグを用いる別の利点は脱炭反応が２段階で
行なわれる事実にある。炉生成物が前記カルシウ
ムスラグと接した時、比較的純粋な状態に作られ
たアルミニウムの一部がスラグの上に浮き、所望
により例えば傾斜法の如き通常の手段でそれを回
収することができる。さらにアルミニウムを回収
するため炉生成物の残りを次の前述の方法で還元
温度でスラグと反応せしめる。この好ましい具体
例は炉生成物の一部だけを還元温度で処理するの
でエネルギーが少なくてよいしまた蒸発損失が少
ないという明らかな利点を有する。 勿論、実施例７の炉操作は約20％のアルミニウ
ムカーバイドを含む金属を周期的に実施例８の炉
１０に移しそこで実施例８に述べた如く脱炭なら
びに次の工業的に純粋なアルミニウムへの転換を
実施することにより連続操作となしうる。 実施例 ９ 本実施例は第３図に示されている具体例を利用
するものである。 液内アーク還元は、還元操作が連続的である点
を除き実施例７と同様である。約20％のカーバイ
ドを含む金属は実施例８に述べたと同じ脱炭炉に
周期的に移されるが本例では脱炭反応熱はスラ
グ・金属溶融物へのアーク衝突によるのではなく
電極１５，１６間のアークからの放射線により与
えられる。 この組合わせは反応性炭素と脱炭中の溶融物の
接触可能性を積極的に排除しつつ過度の蒸発を回
避する最良の装置を提供する。 実施例 10 第４図は還元域からの蒸発物を最少限ならしめ
つつ還元物からの燃料有価物COを回収する手段
と、反応性炭素と脱炭中の溶融物の接触をさける
ための積極手段を有する大きな（50MW）還元炉
のもうけられたシステムを示す。 第４図を参照し、炉１８は湯出し口１９、装入
材料進入ロツク２０およびガス抜き２１を除き密
閉されている移動床シヤフト炉である。この炉は
炭素２２でライニングされており電気アークを２
本あるいはそれ以上の電極２３間に流すために図
示されていないが調節可能な電極手段がもうけら
れている。炭素で作られた手段２４は装入材料２
５を下降させる形にもうけられ、また絶縁手段２
６が装入材料中の電導度を最少ならしめるために
もうけられている。 一具体例においては二組成装入材料ＡおよびＢ
が実施例６に述べたように作られる。装入材料が
区域Ａ中を下降するにつれ、区域Ｂから蒸気生成
物の逆反応で放出される熱が吸収され予備還元生
成物（主としてAl₄O₄C）が作られる。装入材料
がアーク熱源に接近し下降するにつれアルミニウ
ムカーバイドを作る反応が生じる。 最後に、実質的にAl₄O₄C1モル対Al₄C₃1モルの
割合の組成となつた装入材料がアークからの放射
線で熱を受けAl₄C₃約10％を含む液状アルミニウ
ムと、アルミナおよびAl₄O₄Cからなる幾分かの
スラグを生じる。この還元反応は吸熱的でその温
度を還元に必要な温度に調節する。アークと該ア
ークから熱を受理する装入材料間の距離もやはり
自己調節され、もし装入材料がアークに近すぎ、
該材料への熱流量が高すぎると、過度の蒸発が生
じ、熱流量が得られる反応速度に適当な値となる
まで装入材料表面が後退する。この自然の方法で
熱安定が得られると液体アルミニウムが装入材料
ペレツトの表面上に連続的に作られ、区域Ｂでの
蒸発は反応体Al₄O₄CとAl₄C₃に対し釣合うとの特
徴を示す。たとえば１気圧で区域Ｂからの蒸発は
装入材料中の約18％のアルミニウム分を含むアル
ミニウム蒸気とAl₂O（ガス）の形になる。２気
圧では蒸気のアルミニウム含量は装入材料中のア
ルミニウム分の約15％である。これら蒸気は還元
域ＢからのCOと逆反応し、アルミニウムを作る
ため区域Ｂに循環しうる化合物を作る。この逆反
応熱はAl₄O₄Cを作るための反応温度より高い温
度でまた、上述の蒸発速度で放出されこのように
得られた逆反応熱の全てが利用されうる。炉は従
つて熱的に安定で、熱も蒸発生成物中の有用物質
も共に回収せられる。予備還元反応後に残留する
濃縮されたCOは小重量％の次微子を除去し区域
Ｂ操作に必要な電気の一部の発生に利用せられ
る。 約10％のAl₄C₃を含む還元生成物アルミニウム
は周期的に第４図に１１０で示されている脱炭炉
に溶融状態で移され実施例８および９に記載の如
く工業的に純粋なアルミニウムを製造するためさ
らに処理される。 実施例 11 第５図は一つの炉で２％以下のAl₄C₃を含むア
ルミニウムを製造する好ましい具体例を示すもの
である。脱炭部位のライニング材料２９は高アル
ミナあるいは炭素を含まぬ他の適当に安定な耐火
物である。 装入材料のフオーミユレーシヨン、予備還元、
および還元反応ならびに装置は実施例10に述べた
如きものである。本実施例においては約10％
Al₄C₃を含む還元生成物は落下して、1500℃で液
体となるに充分量の酸化カルシウムを含む液体ス
ラグ層２８の上にある２％以下のAl₄C₃を含むア
ルミニウムの層２７と混合せられる。還元生成物
が層２７に添加せられる際の速度に関連して層２
７の容積は大である。熱は電極群３０により供給
され、還元生成物中のカーバイドとスラグ中のア
ルミナの反応を生ぜしめ液体アルミニウムとCO
を作る。実施例６に述べた好ましい範囲内に
Al₂O₃／Al₄C₃比を保つためアルミナが周期的に
下部の室（区域Ｃ）に添加せられる。あるいは別
法として実施例６に述べた如く所望のAl₂O₃／
Al₄C₃比を保つため装入材料組成物の比Ａ対Ｂを
調節することができる。区域Ｃから蒸発生成物は
区域Ａへと上昇しそこでそれらが逆反応し区域Ａ
に必要な熱を放出して予備還元生成物を作りこの
ものは還元区域Ｂに戻る。 実施例 12 本実施例は抽出態様の操作を示す。CaO15％、
Al₂O₃85％の呼称組成のスラグが、炭素ライニン
グ抵抗炉中で作られた50％CaOと50％Al₂O₃含有
スラグとAl₂O₃の混合により作られた。始め約
0.12％のＣを含むスラグが密閉された耐火物壁を
有する炉中約1880℃で溶融されたが、この炉はス
ラグ中に沈められた２本の横向グラフアイト電極
に電流を通じて加熱された。平均電力は10.8KW
であつた。炉の上部側壁に湯出し口がもうけられ
た。 この密閉炉にアルゴンが30SCFHで導入され、
出口流れ中のCOとO₂が連続的にモニターされ
た。 第１表に示された組成の炭素熱炉生成物が溶融
スラグの表面上に4.6lb／hrの割合で214分間装入
された。上表面からの熱損失は適当な割合のスラ
グ・バブルAl₂O₃混合物（85％Al₂O₃、15％
CaO）を3.2lb／hrの割合で装入することにより
減少せしめられた。Al―Al₄C₃の装入でCO発生
速度は変化しなかつた。 液体水準が湯出し口の高さ以上になつた時２回
湯出して9.3lbの金属が得られた。金属は炉から
14インチグラフアイトトラフ中を自由に流れ出さ
れた。実験の終りにスラグプールの凍結表面から
さらに2.6lbの金属が回収された。脱炭された金
属およびスラグの組成が下記に表示されている。 溶融スラグの全重量は74lbで、炭素熱炉生成物
中の有効Alの97.1％が脱炭炉生成物として回収さ
れ、この内78.4％は炉外にそれを湯出しすること
により回収された。

【表】 実施例 13 本実施例は還元態様の操作を示す。実施例12の
方法が繰返された。ただし溶融物表面を流れる電
流で直列的に操作される２本の縦電極間に生じる
アークを用い追加の熱がスラグ表面に供給され
た。抵抗熱源の平均電力は10.4KWで該表面の平
均電力は26.0KWであつた。スラグは先ず炭素熱
炉生成物を存在させずに実施例12の如く抵抗熱を
用い溶融せしめられた。アルゴンを20SCFHで通
じ、ガスの基準線COおよびO₂含量はそれぞれ1.6
％および0.0％であつた。この系に表面アークを
加えた時COは10〜14％に増加した。表面アーク
を１時間適用した後、液状スラグ上に小さな金属
レンズが浮かんでいるのが認められた。表面アー
クを切り、炭素熱炉生成物を加えた。 表面アークを除いた時COおよびO₂濃度は元の
水準に落ちた。表面アークが炉に炭素熱炉生成物
を入れ開始された時、CO量は11％に増加し濃い
白色ヒユームが発生し、このものはガスサンプリ
ングラインを急速にふさいだ。炭素熱炉生成物は
4.2lb／hrの割合で100分間装入された。るつぼが
こわれたので湯出しすることなく実験を中止し、
凍結スラグ溶融物の表面から炭素熱炉生成物中の
遊離Alの78.4％（4lb）を生成物として回収し
た。全部で47.8lbのスラグが溶融された。 下記の表は装入材料、生成物およびスラグの組
成を示す。

【表】 実施例 14 本実施例は第４図の系を利用する「抽出態様」
操作を示す。 第４図を参照して、炉１８は湯出し口１９、装
入材料進入ロツク２０およびガス抜き２１を除い
て密閉されている移動床シヤフト炉である。この
炉は炭素２２でライニングされ、図示されてはい
ないが電気アークを２本あるいはそれ以上の電極
２３間に流すよう調節可能な電極手段がもうけら
れている。炭素でできている手段２４が装入材料
２５を下降させるようにもうけられ、また絶縁手
段２６が装入材料を通じての導電性を最少ならし
めるためにもうけられている。 一具体例において二組成装入材料ＡおよびＢが
実施例６記載の如く作られる。装入材料が区域Ａ
中を下降するにつれ、区域Ｂから蒸気生成物の逆
反応により放出される熱が吸収され主として
Al₄O₄Cの予備還元生成物を与える。装入材料が
アーク熱源近くに下降するとアルミニウムカーバ
イドを作る反応が生じる。 最後に、この装入材料、実質的にAl₄O₄C1モル
対Al₄C₃1モルの割合の組成となつているものが
アークからの放射線で熱を供給され約10％の
Al₄C₃を含む液状アルミニウムと、アルミナおよ
びAl₄O₄Cからなる幾分かのスラグを生じる。還
元反応は吸熱的でありその温度を還元に必要な温
度に調節する。アークと該アークから熱を受領す
る装入材料間の距離も自己調節され、もし装入材
料がアークに近すぎ装入材料への熱流量があまり
にも大であると、過剰の蒸気化が生じ熱流量が得
られる反応速度に適当になるまで装入材料表面が
後退する。この自然方法で、熱安定性が得られた
時、液状アルミニウムは装入材料ペレツトの表面
上に連続的に作られ、区域Ｂでの蒸発は反応体
Al₄O₄CおよびAl₄C₃に対する平衡状態の特徴を示
す。例えば１気圧では区域Ｂからの蒸発は装入材
料中のアルミニウム分の約18％を含むアルミニウ
ム蒸気とAl₂O（ガス）の形である。２気圧では
蒸気のアルミニウム含量は装入材料中のアルミニ
ウム分の約15％である。これら蒸気は還元区域Ｂ
からのCOと逆反応して、アルミニウム製造のた
め区域Ｂに循環されうる化合物を生じる。この逆
反応熱はAl₄O₄Cを作るための反応温度より高い
温度でまた上述の蒸発速度で放出され、逆反応熱
の全ては利用せられる。炉は従つて熱的に安定で
あり、蒸発生成物中の有価物質および熱の双方が
回収せられる。予備還元反応後に残る濃厚COは
小重量％の次微子を除去し、区域Ｂを操作するに
必要な電気の一部を発生するのに用いられる。 Al₄C₃を約10％含む還元生成物のアルミニウム
は周期的に、第４図に１１０で示されている脱炭
炉へ溶融状で移され、該炉には炉床上に実施例１
の組成を有する溶融スラグ１２が入れられてい
る。スラグ１２を約2000℃に保つため電極１５お
よび１６の間にアークが通される。溶融炉生成物
はスラグ１２上に浮遊し、含有されるアルミニウ
ムカーバイドがそれと反応し一酸化炭素の発生な
しに非金属スラグ化合物を作る。この反応でスラ
グ１２から消耗せられるアルミナはスラグにアル
ミナを追加することにより置換せられる。前記脱
炭反応の結果スラグ重量および深さは正味増加す
る。脱炭アルミニウムは傾斜され、次に過剰のス
ラグは炉１８の炉床に循環されそこでアルミニウ
ムを作るためさらに反応せしめられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を実施するために用いられ
る電気炉の部分断面図、第２図は本発明方法の還
元と脱炭を別々の電気炉で実施する場合の各電気
炉の断面図、第３図は第２図と同様還元炉と脱炭
炉を示すが脱炭炉での熱供給方式が第２図のもの
とはことなる本発明方法の実施に用いられる装置
の断面図、第４図はさらに別の本発明方法実施に
用いられる装置の全構成を示す模型的断面図、第
５図はさらに別の本発明方法実施に用いられる装
置の模型的断面図を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ (A) ２〜20重量％のアルミニウムカーバイド
   で汚染された炭素熱法によるアルミニウムを溶
   融物が液状を保つに充分な高温の初期温度で溶
   融物となし、 (B) 前記溶融物を高アルミナ含有溶融スラグと反
   応性炭素の不存在下に接触させてアルミナ含有
   スラグを前記溶融物中のアルミニウムカーバイ
   ドと反応せしめ、 (C) アルミニウムカーバイド含量の少なくなつた
   アルミニウムを回収する ことを特徴とする炭素熱法で製造されるアルミニ
   ウムのアルミニウムカーバイド汚染を減少せしめ
   る方法。 ２ 高アルミナ含有溶融スラグが80〜97重量％の
   アルミナと残量のアルミニウムカーバイドからな
   る特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３ スラグが85〜90重量％のアルミナを含む特許
   請求の範囲第２項記載の方法。 ４ 高アルミナ含有溶融スラグが CaO 10〜55重量％ MgO ０〜５重量％ AI₄C₃ ０〜18重量％ アルミナ 残量 からなる特許請求の範囲第１項記載の方法。 ５ 酸化カルシウムが40〜45重量％含まれる特許
   請求の範囲第４項記載の方法。 ６ 高アルミナ含有溶融スラグが1500〜1900℃で
   溶融する特許請求の範囲第１項記載の方法。 ７ 工程(B)において、比較的純粋なアルミニウム
   が還元温度で前記スラグとの接触前に分離せられ
   る特許請求の範囲第４項記載の方法。 ８ 工程(A)におけるアルミニウムが10〜20重量％
   のアルミニウムカーバイドで汚染されている特許
   請求の範囲第１項記載の方法。