JPH0227421B2

JPH0227421B2 -

Info

Publication number: JPH0227421B2
Application number: JP61313247A
Authority: JP
Inventors: Yoshitatsu Ootsuka; Shigemi Tanimoto; Kazuo Toyoda
Original assignee: Showa Aluminum Corp
Current assignee: Altemira Co Ltd
Priority date: 1986-12-25
Filing date: 1986-12-25
Publication date: 1990-06-18
Also published as: JPS63162822A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野この発明は、共晶系不純物を含むアルミニウ
ム、ケイ素、マグネシウム、鉛、亜鉛等の各種金
属を精製してより高純度の金属を製造する装置に
用いられる回転冷却体に関する。

従来技術とその問題点たとえば、アルミニウムと共晶を生成する不純
物を含む精製すべきアルミニウムを、偏析凝固の
原理を利用して、より高純度に精製する方法が知
られている。この方法として、たとえば本出願人
の特許出願にかかる方法、すなわち精製すべきア
ルミニウムを溶融した後、この溶融アルミニウム
をるつぼ内に入れるとともに常にその凝固温度を
越えた温度に加熱保持しておき、この加熱された
溶融アルミニウム中に、上端から下方に向つて細
くなつたテーパ筒状の中空回転冷却体を浸漬し、
この冷却体内に冷却流体を送り込んでその表面温
度を上記凝固温度以下に保持しながらこの冷却体
を回転させ、アルミニウムが冷却体外周面に晶出
するさいに凝固界面近傍に排出された不純物を液
相全体に分散混合させることにより、液相中にお
ける凝固界面近傍の不純物濃化層の厚さを薄く
し、その結果上記不純物濃化層での液相中の温度
勾配を大きくしながら、冷却体の周面により純度
の高いアルミニウムを晶出させることによつてア
ルミニウムを精製する方法がある（特公昭61−
3385号公報参照）。上記方法において、液相中に
おける凝固界面近傍の不純物濃化層の厚さを薄く
し、その結果上記温度勾配を大きくして精製効率
を向上するためには、冷却体と溶融アルミニウム
との相対速度を大きくすることが条件の１つであ
る。しかしながら、冷却体の回転に伴つて溶融ア
ルミニウムも冷却体の回転方向と同方向に流れて
渦流が発生するので、上記相対速度の増大には限
度があり、精製効率の向上にも限度がある。しか
も冷却体の回転数を大きくすれば遠心力が増大し
て冷却体の周面に晶出した高純度アルミニウムが
付着しにくくなつて生産性が低下するという問題
がある。また、冷却体の回転数を大きくすると、
冷却体の周囲では溶融アルミニウムを巻き込もう
と作用し、空気が溶融アルミニウム中に巻き込ま
れ、この空気とアルミニウムとが反応してAl₂O₃
からなる滓が大量に発生する。しかも、上記従来
の方法で用いられる冷却体は、上端から下方に向
つて細くなつたテーパ筒状であるから、これを回
転させた場合には上部と下部との周速が異なるこ
とになり、上部の周速が下部の周速よりも大きく
なつて溶融アルミニウムに上向きの速度成分を有
する流れが発生することになり、その結果、溶融
アルミニウムの液面が波立つて溶融アルミニウム
中に空気が巻込まれ、この空気とアルミニウムと
が反応してAl₂O₃からなる滓が大量に発生する。
したがつて、除滓作業が必要となるとともに、上
記滓が飛散してるつぼの内面に付着し、作業に支
障をきたす。さらに、大量の滓が発生する結果、
精製効率を低下させるおそれがある。上記波立ち
は、回転冷却体の周面にアルミニウム塊が晶出し
始めてからが著しく起こりやすくなる。

また、本出願人は、上記溶融アルミニウムの渦
流の流速を低下させるために、るつぼの内周面
に、溶融アルミニウム流速低下用邪魔板を円周方
向に所定間隔をおいて複数設けることも提案した
（実公昭61−38912号公報参照）。この場合には、
冷却体の回転数をそれほど大きくしなくても、冷
却体と溶融アルミニウムとの相対速度を大きくす
ることが可能となり、精製効率を一層向上させる
ことができる。しかしながら、邪魔板が存在する
と、溶融アルミニウムの流速が部分的に異なるこ
とになり、その結果、冷却体の液面下に存在する
部分の上部の近傍において、溶融アルミニウム
に、上向きの速度成分を有する流れが一層多く発
生することになる。したがつて、溶融アルミニウ
ムの液面は一層激しく波立ち、波立ちが生じるこ
とによる悪影響はよりひどくなる。

この発明の目的は、上記の問題を解決した金属
の精製装置用回転冷却体を提供することにある。

問題点を解決するための手段この発明による金属の精製装置用回転冷却体
は、るつぼと、上下動自在の回転冷却体とよりな
り、るつぼ内に入れられた溶融金属中に回転冷却
体を浸漬し、回転冷却体を回転させながらその周
面により純度の高い金属を晶出させる金属の精製
装置に用いられる回転冷却体であつて、溶融金属
面よりも下方に位置する部分の上部が溶融金属流
下方案内部となされ、溶融金属流下方案内部が下
広がり形状であるものである。

実施例以下、この発明の実施例を、図面を参照しなが
ら説明する。以下の実施例は、この発明の回転冷
却体を高純度アルミニウムの製造装置に適用した
ものである。なお、全図面を通じて同一物および
同一部分には同一符号を付す。

実施例１この実施例は第１図に示されたものである。

第１図において、高純度アルミニウムの製造装
置は、黒鉛製溶湯保持るつぼ１と、上下動自在の
回転冷却体２と、円周方向に所定間隔をおいてる
つぼ１の内周面に着脱自在に固定された複数の溶
融アルミニウム流速低下用邪魔板３とよりなる。

るつぼ１内に入れられる溶融アルミニウム４の
量はほぼ一定量に定められている。回転冷却体２
は黒鉛、セラミツクス等からつくられた中空状の
ものであつて、上端から下方に向つて徐々に太く
なりかつ長さの中間部から下端に向つて徐々に細
くなつている。そして、回転冷却体２は中空回転
軸５の下端に取付けられており、その内部に、中
空回転軸５内に配置された冷却流体供給管（図示
略）から冷却流体が供給されるようになつてい
る。また、回転冷却体２は、高純度アルミニウム
の製造のさいにるつぼ２内に入れられた所定量の
溶融アルミニウム４中に、溶融アルミニウム４の
液面が、冷却体２の上端と、高さの中間部の最大
径部分２ａとの間に来るように浸漬され、液面と
最大径部分２ａとの間が溶融アルミニウム流下方
案内部６となされている。また、回転冷却体２の
内周面における上端と最大径部分２ａとの間は断
熱材７で覆われている。

このような構成において、溶解炉（図示略）で
溶解されたFe、Si、Cu、Mgなどの共晶不純物を
含む精製すべき溶融アルミニウム４がるつぼ１に
送り込まれる。このとき、回転冷却体２は上昇位
置にあつてるつぼ１の外にある。るつぼ１内に所
定量の溶融アルミニウム４が入れられた後、回転
冷却体２がその上端と最大径部分２ａとの間に液
面が来るように溶融アルミニウム４中に浸漬され
る。そして、回転冷却体２の内部に冷却流体を供
給しつつ回転冷却体２を回転させると、この回転
冷却体２の外周面における最大径部分２ａよりも
下方の部分に、まず平滑な凝固面を有する高純度
の初晶アルミニウムが晶出する。共晶不純物は液
相中に排出されて凝固界面近傍の液相中に共晶不
純物の不純物濃化層ができる。回転冷却体２の回
転によつて溶融アルミニウム４も回転冷却体２の
回転方向と同方向に流れるが、邪魔板３によつて
溶融アルミニウム４の流速が低下させられるの
で、回転冷却体２と液相との相対速度、すなわち
回転冷却体２の周速と溶融アルミニウム４の流速
との差はかなり大きくなる。したがつて、界面近
傍に形成された不純物濃化層と他の大部分の液相
との撹拌混合が効果的に行なわれ、不純物濃化層
中の不純物が液相全体に分散せられて不純物濃化
層の厚さが薄くなり、この部分での温度勾配も大
きくなる。しかも、邪魔板３により溶融アルミニ
ウム４の乱流も発生し、これによつても不純物濃
化層は薄くされる。この状態で凝固を進行させる
と、冷却体２の周面に元のアルミニウムよりもは
るかに高純度のアルミニウム塊Ｉが得られる。

このとき、冷却体２の周速が各部で異なること
になり、冷却体２の近傍では、最大径部分２ａよ
りも下方の部分に沿つて溶融アルミニウム４の上
昇流が生じるが、最大径部分２ａよりも上方の溶
融アルミニウム流下案内部６に沿つて第１図に矢
印Ａで示すような下降流が生じる。すなわち、最
大径部分２ａよりも下方の部分においては、その
上部の周速が下部の周速よりも大きくなつて溶融
アルミニウム４に上向きの速度成分を有する流れ
が発生し、最大径部分２ａよりも上方の部分にお
いては、その上部の周速が下部の周速よりも小さ
くなつて溶融アルミニウム４に下向きの速度成分
を有する流れが発生する。したがつて、液面に激
しい波立ちが起きるのが防止され、空気中の酸素
とアルミニウムとの反応の結果生じるAl₂O₃より
なる滓の量が少なくなる。

上記において、溶融アルミニウム流下方案内部
６の内周面が断熱材７で覆われているので、高純
度アルミニウム塊Ｉは、最大径部分２ａよりも下
方の下狭まり状部分の外周面にのみ晶出する。し
たがつて、高純度アルミニウム塊Ｉを回収するさ
いに、下方への掻落しなどにより、簡単に冷却体
２の外周面から取り外すことができる。また、ア
ルミニウム塊Ｉは、最大径部分２ａよりも下方の
下狭まり状部分の外周面にのみ晶出しているの
で、アルミニウム塊Ｉが、上記下狭まり状部分の
外周面だけでなく最大径部分２ａよりも上方の溶
融アルミニウム流下方案内部６の外周面にも晶出
する場合に比べてより高純度になつている。すな
わち、液面の近傍では、溶融アルミニウム４は大
気の温度の影響を受けてその温度が他の部分より
も低くなり、冷却体２の最大径部分２ａよりも上
方の部分の外周面への晶出速度が他の部分よりも
早くなつて得られた塊Ｉのアルミニウム純度が低
下するおそれがあるからである。

この実施例においては、回転冷却体２における
最大径部分２ａよりも上方の部分の内周面が断熱
材で覆われているが、これに代えて、回転冷却体
２の最大径部分２ａよりも上方の部分の外周面を
耐熱性を有する断熱材で覆つておいてもよいし、
あるいは最大径部分２ａよりも上方の部分全体を
耐熱性を有する断熱材でつくつておいてもよい。
また、最大径部分２ａよりも上方の部分の周壁の
肉厚を大きくして、この部分に断熱性を具備せし
めておいてもよい。

実施例２この実施例は第２図に示されているものであ
る。

この実施例の回転冷却体２は、最大径部分２ａ
よりも上方の部分の内周面が断熱材で覆われてい
ないことを除けば、実施例１の回転冷却体と同じ
構成である。そして、高純度アルミニウムの製造
のさいには、溶融アルミニウム流下方案内部６に
沿つて、冷却体２の近傍に、矢印Ｂで示すような
下降流が生じ、液面の波立ちが防止される。

実施例３この実施例は第３図に示されているものであ
る。

第３図において、回転冷却体１１は中空状であ
つて、上端から所定長さにわたつては等径の円筒
状であり（この円筒状部を１１ａで示す）、その
下端に連なつて下方に向つて外方に湾曲して広が
つた湾曲拡大部１１ｂが設けられ、湾曲拡大部１
１ｂの下端に下方に向つて徐々に細くなつた部分
が設けられたものである。そして、円筒状部１１
ａの液面下にある部分と湾曲拡大部１１ｂとによ
つて溶融アルミニウム流下方案内部１２が形成さ
れている。また、円筒状部１１ａおよび湾曲拡大
部１１ｂの内周面が断熱材１３で覆われている。
また、回転冷却体１１は、高純度アルミニウムの
製造のさいにるつぼ１内に入れられた溶融アルミ
ニウム４中に、液面が円筒状部１１ａに来るよう
に浸漬される。

このような構成において、高純度アルミニウム
の製造のさいには、円筒状部１１ａの上部および
下部の周速が等しくなり、その周囲の溶融アルミ
ニウムの流れが均衡化される。したがつて、円筒
状部１１ａの近傍において上向きの速度成分を有
する溶融アルミニウム４の流れが発生するのが防
止される。しかも、湾曲拡大部１１ｂの下部の周
速は上部の周速よりも大きくなるので、その近傍
において、溶融アルミニウム４に、下向きの速度
成分を有する流れが発生する。その結果、溶融ア
ルミニウム４には、溶融アルミニウム流下方案内
部１２に沿つて第３図に矢印Ｃで示すような下降
流が生じるので、液面に激しい波立ちが起きるの
が防止される。したがつて、空気中の酸素とアル
ミニウムとの反応の結果生じるAl₂O₃よりなる滓
の量が少なくなる。

この実施例においては、回転冷却体１１の等径
円筒状部１１ａおよび湾曲拡大部１１ｂの内周面
が断熱材１３で覆われているが、これに代えて、
これらの部分１１ａ，１１ｂの外周面を耐熱性を
有する断熱材で覆つておいてもよいし、これらの
部分全体を耐熱性を有する断熱材でつくつておい
てもよい。また、円筒状部１１ａおよび湾曲拡大
部１１ｂの周壁の肉厚を大きくしてこれらの部分
に断熱性を具備せしめておいてもよい。

実施例４この実施例は第４図に示されているものであ
る。

第４図において、回転冷却体１５は中空状であ
つて、上端から下方に向つて徐々に太くなつた筒
状である。そして、溶融アルミニウムの液面より
も下方に来る部分の上部が溶融アルミニウム流下
方案内部１６となされている。

このような構成において、高純度アルミニウム
の製造のさいには、上記実施例１と同様にして溶
融アルミニウム流下方案内部１６に沿つて第４図
に矢印Ｄで示すような下降流が生じるので、液面
に激しい波立ちが起きるのが防止される。したが
つて、空気中の酸素とアルミニウムとの反応の結
果生じるAl₂O₃よりなる滓の量が少なくなる。

また、この実施例において、回転冷却体１５の
上部内周面または上部外周面を耐熱性を有する断
熱材で被覆しておいたり、回転冷却体１５の上部
を断熱材でつくつておいたり、回転冷却体１５の
上部の周壁を肉厚を大きくしておいてこの部分に
断熱性を具備せしめておいたりしてもよい。

実施例５この実施例は第５図に示されているものであ
る。

第５図において、高純度アルミニウムの製造装
置は、精製すべきアルミニウムを溶解する溶解炉
１７に続いて４つのるつぼ１Ａ〜１Ｄが並べら
れ、４つのるつぼ１Ａ〜１Ｄ内には、上記実施例
の装置と同様に邪魔板３が設けられている。ま
た、各るつぼ１Ａ〜１Ｄに対応して上下動自在で
ある高純度アルミニウムを晶出させるための回転
冷却体２が設けられている。隣り合うるつぼ１Ａ
〜１Ｄどうしは、上端部において連結樋１８によ
つて互いに連通状に接続され、左端のるつぼ１Ａ
に溶解炉１７から供給されるアルミニウム溶湯を
受けるための受け樋１９が取り付けられ、また右
端のるつぼ１Ｄの上端部に溶湯排出樋２０が取り
付けられている。

このような構成の高純度アルミニウムの製造装
置において、溶解炉１７内で溶融させられた精製
すべきアルミニウムは、各るつぼ１Ａ〜１Ｄに送
り込まれる。各るつぼ１Ａ〜１Ｄにおける溶湯量
が所定量に達したときに、冷却体２を下降させて
溶湯中に浸漬し、その内部に中空回転軸５から冷
却流体を供給しつつこれを回転させる。すると、
偏析凝固の原理により回転冷却体２における最大
径部分２ａの下方部分の周面にだけ高純度アルミ
ニウムが晶出する。共晶不純物は液相中に排出さ
れ、冷却体２の回転により生じる遠心力によつて
冷却体２から遠ざけられる。こうして、溶解炉１
７から供給される元のアルミニウムよりも高純度
かつ所望の純度のアルミニウムが得られる。各る
つぼ１Ａ〜１Ｄにおける回転冷却体２の作用は上
記実施例１の装置の場合と同様である。

この実施例において、精製すべきアルミニウム
中に、アルミニウムと包晶を生成する不純物が含
まれている場合には、溶解炉１７と左端のるつぼ
１Ａとの間に撹拌機を備えたホウ素添加用るつぼ
を配置しておくのがよい。そして、溶湯を溶解炉
１７からまずこのるつぼに送り込み、このるつぼ
で溶湯中にホウ素を添加して上記撹拌機で撹拌す
る。すると、ホウ素が溶湯中に含まれているTi、
Ｖ、Zr等の包晶不純物と反応してTiB₂、VB₂、
ZrB₂等の不溶性ホウ化物が生成する。余剰のホ
ウ素は、共晶不純物にして除去される。上記ホウ
化物は、るつぼ１Ａ〜１Ｄ中で冷却体２の回転に
より生じる遠心力によつて冷却体２から遠ざけら
れ、冷却体２の周面に晶出したアルミニウムに含
まれることはなくなる。

実施例６この実施例は第６図に示されているものであ
る。

第６図に示された装置において、第１図に示さ
れたアルミニウムの精製装置と異なる点はるつぼ
１の内周面に邪魔板３が設けられていないことで
あり、回転冷却体２は同一の構成である。

また、実施例２〜４の回転冷却体を使用する金
属の精製装置および実施例５の金属の精製装置に
おいても、るつぼ１の内周面に邪魔板が設けられ
ていなくてもよい。

次にこの発明の回転冷却体を用いて行なつた操
作例を、比較操作例とともに説明する。

操作例１この操作例は実施例１の装置を用いて行なつた
ものである。

るつぼ１の内周面に６枚の邪魔板３を設けてお
いた。また、冷却体２の最大径部分２ａの外径を
150mmとしておいた。そして、るつぼ１内に、
Fe0.07wt％、Si0.04wt％を含有する溶融アルミ
ニウム４を入れて670℃に加熱保持しておいた。
ついで、回転冷却体２を溶融アルミニウム４中に
浸漬し、その内部に冷却流体を供給しながら回転
数400rpmで回転させた。この操作を30分間行な
つた後冷却体２の回転を停止させ、冷却体２を上
昇させた。冷却体２の周面には10Kgのアルミニウ
ム塊が晶出していた。その後、冷却体２の周面に
晶出したアルミニウム塊を除去し、このアルミニ
ウム塊中のFeおよびSiの平均不純物濃度を測定
した。その結果、Fe0.0035wt％、Si0.0058wt％
であり、この値を元の不純物濃度で除した実効分
配係数はＫ（Fe）＝0.05、Ｋ（Si）＝0.14であつた。
また、操作中、溶融アルミニウム４の液面は静か
で滓の発生は見られなかつた。

操作例２この操作例は、実施例１の装置においてるつぼ
１の代わりに透明な水槽を使用し、その中に、溶
融アルミニウム４の代わりに水を入れて回転冷却
体２を回転させたものである。水流を観察した結
果、冷却体２の近傍には、溶融アルミニウム流下
方案内部６に沿つて下降流が発生していた。

操作例３この操作例は実施例２の装置を用いて行なつた
ものであり、るつぼ１内における溶融アルミニウ
ム４の液面よりも上方の雰囲気を700℃に加熱保
持したことを除いては、上記操作例１と同様の条
件で行なつた。冷却体１０の周面には13Kgのアル
ミニウム塊が晶出しており、このアルミニウム塊
中のFeおよびSiの平均不純物濃度を測定したと
ころ、Fe0.0050wt％、Si0.0070wt％であり、こ
の実効分配係数はＫ（Fe）＝0.07、Ｋ（Si）＝0.17で
あつた。また、操作中、溶融アルミニウム４の液
面は静かで滓の発生は見られなかつた。

比較操作例１この操作例は第７図に示すの装置を用いて行な
つたものである。この装置は、るつぼ１内の溶融
アルミニウム４中に浸漬される回転冷却体３０が
上端から下方に向つて徐々に細くなつたテーパ状
となされたものである。この回転冷却体３０にお
ける溶融アルミニウム４の液面に接する部分の外
径を150mmとしておいた。そして、るつぼ１内に、
Fe0.07wt％、Si0.04wt％を含有する溶融アルミ
ニウム４を入れて670℃に加熱保持しておいた。
ついで、回転冷却体３０を溶融アルミニウム４の
中に浸漬し、その内部に冷却流体を供給しながら
回転数400rpmで回転させた。この操作を30分間
行なつた後冷却体３０の回転を停止させ、冷却体
３０を上昇させた。冷却体３０の周面には10Kgの
アルミニウム塊が晶出していた。その後、冷却体
３０の周面に晶出したアルミニウム塊を除去し、
このアルミニウム塊中のFeおよびSiの平均不純
物濃度を測定した。その結果、Fe0.0070wt％、
Si0.0088wt％であり、この実効分配係数はＫ
（Fe）＝0.1、Ｋ（Si）＝0.21であつた。また、操作
中、溶融アルミニウム４の液面においては、激し
い溶湯の飛散が起こり、多量の滓が発生した。そ
して、この滓はるつぼ１の内周面における液面よ
りも上方の部分に付着して、精製操作の継続に対
して障害となつた。

比較操作例２この操作例は、上端から下方に向つて細くなつ
た回転冷却体の代わりに、全長にわたつて等径で
ある回転冷却体を用いた点を除いては、上記比較
操作例１と同様の条件で行なつたものである。冷
却体の周面に晶出したアルミニウム塊中のFeお
よびSiの平均不純物濃度は、Fe0.0065wt％、
Si0.0081wt％であり、この実効分配係数はＫ
（Fe）＝0.09、Ｋ（Si）＝0.19であつた。また、操作
の初期においては、液面の乱れは上記比較操作例
１と比べて少なかつたが、操作を続けて精製アル
ミニウム塊が大きくなるにつれて液面の乱れは大
きくかつ多量の滓が発生した。

発明の効果この発明の高純度金属の製造装置用回転冷却体
によれば、溶融金属面よりも下方に位置する部分
の上部が溶融金属流下方案内部となされ、溶融金
属流下方案内部が下広がり形状となされたもので
あるから、この回転冷却体の近傍においては、液
面付近に、溶融金属流下方案内部に沿う下降流が
生じる。すなわち、これを回転させた場合には上
部と下部との周速が異なることになり、溶融金属
流下方案内部における上部の周速が下部の周速よ
りも小さくなつて溶融金属に下向きの速度成分を
有する流れが発生することになる。したがつて、
液面における波立ち、溶融金属の飛散等の発生が
防止され、その結果空気中の酸素とアルミニウム
との反応の結果生じるAl₂O₃からなる滓の量が少
なくなり、滓が大量に発生する結果起きる問題が
未然に防止される。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例１を示す垂直断面
図、第２図はこの発明の実施例２を示す垂直断面
図、第３図はこの発明の実施例３を示す垂直断面
図、第４図はこの発明の実施例４を示す垂直断面
図、第５図はこの発明の実施例５を示す垂直断面
図、第６図はこの発明の実施例６を示す垂直断面
図、第７図は比較操作例に使用した装置を示す垂
直断面図である。１，１Ａ〜１Ｄ……るつぼ、２，１０，１１，
１５……回転冷却体、４……溶融アルミニウム、
６，１２，１６……溶融アルミニウム流下方案内
部。

Claims

【特許請求の範囲】

１るつぼと、上下動自在の回転冷却体とよりな
り、るつぼ内に入れられた溶融金属中に回転冷却
体を浸漬し、回転冷却体を回転させながらその周
面により純度の高い金属を晶出させる金属の精製
装置に用いられる回転冷却体であつて、溶融金属
面よりも下方に位置する部分の上部が溶融金属流
下方案内部となされ、溶融金属流下方案内部が下
広がり形状である金属の精製装置用回転冷却体。