JPH0754073A - アルミニウムスクラップの精製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 偏析凝固を利用してアルミニウムスクラップ
の溶湯から、目標組成をもつアルミニウム材料を精製す
る。 【構成】 不純物の一部が金属間化合物の初晶として晶
出する組成をもつアルミニウム溶湯Ｍを精製容器１０に
収容し、溶湯Ｍをα−Ａｌの凝固点以上に保持し、溶湯
Ｍに浸漬した回転冷却体３０を回転させながら溶湯Ａを
冷却する。金属間化合物を凝固体Ｓとして回転冷却体３
０の表面に成長させ、金属間化合物の晶出に伴う溶湯Ｍ
の純化に従って凝固体Ｓの表面にα−Ａｌ層Ａを成長さ
せる。次いで、回転冷却体３０を溶湯Ｍから取り出し、
金属間化合物が溶解しない温度でα−Ａｌを溶解分離す
る。 【効果】 撹拌強度や凝固速度を調整することにより、
凝固体Ｓ及び残湯の不純物濃度が制御されるため、目標
組成が異なる複数種類のアルミニウム材料が一度の精製
工程で得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、溶解原料に含まれてい
る不純物を晶出分離しながら、目標組成をもつアルミニ
ウム材料を得る精製方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】アルミニウム溶湯に含まれているＦｅ等
の不純物を分離除去するため、Ｍｎを添加し、Ｍｎと不
純物との間で金属間化合物を生成させ、晶出した金属間
化合物を分離する方法が採用されている。たとえば、特
開昭５７−２１３４号公報ではＡｌ−Ｍｎ系金属間化合
物を添加し、特開昭５９−１２７３１号公報ではＭｎ又
はＡｌ−ＭｎとＭｇ又はＡｌ−Ｍｇとを併用添加してい
る。何れの方法においても、不純物の一部であるＦｅ
は、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ系金属間化合物として分離除去さ
れる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】Ｍｎ系等の添加材によ
って溶湯中の不純物を金属間化合物として除去する方法
は、不純物としてＳｉをほとんど含んでいない溶湯に適
用対象が特定され、Ｓｉを含んでいる溶湯では成り立た
ない。たとえば、多量のＳｉを含む溶湯に適用しても、
ＳｉがＭｎとの間で金属間化合物を形成しないことか
ら、Ｓｉ等の不純物を金属間化合物として晶出分離でき
ない。また、不純物を分離除去するため、過剰のＭｎ系
添加材を溶湯に添加することが必要とされる。その結
果、精製後のアルミニウム材料に多量のＭｎが含まれ、
アルミニウム合金の用途に制約を受ける。しかも、除去
される不純物は、Ｍｎとの間で金属間化合物を形成する
元素に限られ、Ｍｎとの間に金属間化合物を生成しない
不純物元素は分離除去されない。

【０００４】本発明は、このような問題を解消すべく案
出されたものであり、偏析凝固を利用してＦｅ以外の不
純物の除去も可能にし、過剰のＭｎ添加を必要とするこ
となくＳｉを含有している場合でもＦｅ，Ｍｎ等をＡｌ
−Ｓｉ−Ｆｅ−Ｍｎ系金属間化合物として除去し、更に
回転数の調整及び凝固量規制により凝固材と残湯の２種
類、或いは金属間化合物の取扱いによっては３種類の目
標組成をもつアルミニウム合金を得ることを目的とす
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の精製方法は、そ
の目的を達成するため、不純物の一部が金属間化合物の
初晶として晶出する組成をもつアルミニウム溶湯を精製
容器に収容し、前記溶湯をα−Ａｌの凝固点以上に保持
し、前記溶湯に浸漬した回転冷却体を回転させながら前
記溶湯を冷却し、前記金属間化合物を凝固体として前記
回転冷却体の表面に成長させ、前記金属間化合物の晶出
に伴う前記溶湯の純化に従って前記凝固体の表面にα−
Ａｌを成長させた後、前記回転冷却体を前記溶湯から取
り出し、前記金属間化合物が溶解しない温度で前記金属
間化合物から前記α−Ａｌを溶解分離することを特徴と
する。

【０００６】

【作用】本発明が対象とするアルミニウム溶湯は、不純
物の一部がＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ−Ｍｎ系等の金属間化合物
の初晶として晶出する組成をもっている。金属間化合物
は、溶湯の冷却過程で回転冷却体の表面に晶出し、凝固
体を形成する。凝固体の成長に伴って溶湯から不純物が
晶出分離されるため、溶湯の純度が上昇する。この状態
で冷却凝固を継続すると、α−Ａｌの晶出が始まり、金
属間化合物を主体とする凝固体の上にα−Ａｌの層が形
成される。α−Ａｌの晶出凝固によって、溶湯中に不純
物が排出される。たとえば、不純物元素であるＦｅは、
Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ−Ｍｎ系金属間化合物として晶出し、
炉底に落下する。そのため、凝固継続中に溶湯のＦｅ濃
度が一定値に維持され、晶出したα−ＡｌのＦｅ濃度も
凝固開始から終了まで一定に維持される。Ｃｒ，Ｗ等の
他の不純物元素も、Ｆｅの一部と置換し、金属間化合物
として溶湯から分離される。

【０００７】必要とするＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ−Ｍｎ系金属
間化合物を晶出させるため、アルミニウム溶湯のＭｎ／
Ｆｅ比を０．２〜２の範囲に維持することが好ましい。
Ｍｎ／Ｆｅ比が０．２より小さいと、操業中にＭｎの必
要量が供給されず、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ−Ｍｎ系金属間化
合物が晶出しなくなる。他方、２を超えるＭｎ／Ｆｅ比
では、精製終了後のアルミニウム溶湯に含まれているＭ
ｎの濃度が高くなりすぎ、アルミニウム合金原料として
の用途に制約を受ける。Ｆｅ濃度は、Ｍｎ／Ｆｅ比が
０．２以上である限り、特段に規制されるものではな
い。しかし、０．５重量％未満の過度に低いＦｅ濃度で
は、金属間化合物の晶出温度が溶湯の凝固温度近傍まで
低下する。その結果、温度制御が困難になると共に、十
分な晶出分離による精製作用が得られない。

【０００８】冷却による凝固の進行に伴って、溶湯中の
Ｓｉ濃度が上昇する。Ｓｉ濃度が共晶組成の１２重量％
前後になると、冷却による凝固速度が低下し、安定した
条件下で晶出分離を継続させることが困難になる。その
ため、操業性を考慮し、原料であるアルミニウム溶湯
は、Ｓｉ濃度を１０重量％以下に規制したものが好まし
い。Ｓｉ濃度の上昇は、また溶湯の凝固温度を低下させ
る。したがって、溶湯がより低温まで降温するので、炉
底に沈降するＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ−Ｍｎ系金属間化合物の
晶出量が増加し、溶湯のＦｅ濃度が低下する。そのた
め、凝固部のＦｅ濃度も減少し、更に最終アルミニウム
溶湯のＦｅ濃度も低下する。Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ−Ｍｎ系
金属間化合物の晶出現象は、原料アルミニウム溶湯のＳ
ｉ濃度を２重量％以上にするとき、効果的に不純物の晶
出分離に活用される。

【０００９】精製対象であるアルミニウムスクラップと
して、不純物が前述した濃度範囲にある原料が常に入手
できるものではない。このような場合、Ｓｉ，Ｍｎ等を
補助的に添加し、溶湯を成分調整する。Ｓｉ及びＭｎ
は、調整精度が緩やかであることから、高価な金属単体
や母合金の使用は必ずしも必要ではない。たとえば、濃
度の概算値が判明しているアルミニウムスクラップをＳ
ｉ源及びＭｎ源として使用するとき、資源の有効利用及
び生産コストの低減が図られる。本発明に従った精製方
法は、たとえば図１に示す設備構成の装置を使用して実
施される。精製容器１０としては、黒鉛製のルツボ或い
は黒鉛とＳｉＣとを混合焼成したルツボが通常使用され
る。ルツボ本体１１を外容器１２に入れ、蓋体１３を装
着する。蓋体１３には、温度制御用のバーナ１４を取り
付けても良い。

【００１０】精製容器１０の外周には、加熱機構２０が
外容器１２を取り囲んで配置されている。加熱機構２０
は、内周側にヒータ２１を取り付けた耐火れんが製のヒ
ータブロック２２〜２４を備え、各ヒータブロック２２
〜２４の熱量が独立して制御されるものが好ましい。精
製容器１０の底部にも、ヒータブロック２５を配置す
る。精錬されるアルミニウムスクラップは、精製容器１
０に装入した後、ヒータブロック２２〜２５からの加熱
によって溶解され、α−Ａｌの凝固点より僅かに高い温
度に保持される。溶融状態に保持された溶湯Ｍに、回転
冷却体３０が浸漬される。回転冷却体３０は、軸方向に
ガス通路をもつ内管３１の先端部近傍に外管３２を嵌め
合せている。内管３１は、蓋体１３を貫通して上方に延
び、カップリング３３を介しモータ３４の出力軸３５に
接続されている。モータ３３から延びたアーム３６は、
モータ３７で回転される送りネジ３８に嵌挿されてい
る。これにより、回転冷却体３０は、精製容器１０の内
部で昇降自在に回転する。

【００１１】外管３２は、図示するように底面側が閉塞
されており、内管３１の下端との間にギャップ３９を形
成する。内管３１から送り込まれた冷却媒体ｇは、ギャ
ップ３９を経て外管３２から放出される。或いは、内管
３１及び外管３２の二重間構造に代え、所定のガス通路
を形成した黒鉛ブロックを使用することもできる。冷却
媒体ｇには、空気，非酸化性ガス，霧状の水分を含む空
気等が使用される。冷却媒体ｇの流動により、外管３２
の管壁を介して溶湯Ｍが冷却され、外管３２の周囲に凝
固体Ｓが成長する。溶湯Ｍの温度及び凝固体Ｓの成長速
度は、冷却媒体ｇの流量制御によって最適に維持され
る。溶湯Ｍの温度が下がるとき、先ず最初にＡｌ−Ｓｉ
−Ｆｅ−Ｍｎ系金属間化合物が回転冷却体３０の表面に
凝固体Ｓとして晶出する。凝固体Ｓの成長に伴って、残
りの溶湯Ｍが純化され、温度が更に下がる。そのため、
α−Ａｌ層Ａが凝固体Ｓの表面に晶出する。このとき、
回転冷却体３０の回転によって、凝固体Ｓと溶湯Ｍとの
界面に排出される不純物元素や晶出する金属間化合物Ｉ
が溶湯Ｍ中に拡散する。

【００１２】回転冷却体３０は、α−Ａｌが凝固する際
に不純物元素や晶出する金属間化合物Ｉを溶湯Ｍに拡散
させる周速で回転する。過度に大きな回転速度では、回
転冷却体３０の回転によって発生する渦が大きくなり、
歩留り低下の原因となるアルミニウムの酸化が進行する
ばかりでなく、溶湯Ｍの飛散によって安全上及び操業上
の不都合を生じる。また、凝固したα−Ａｌ層Ａが遠心
力によって溶湯Ｍ中に飛散し、凝固効率が悪化する。回
転冷却体３０の回転速度は、具体的には外周速０．２〜
２ｍ／秒とすることが好ましい。また、溶湯Ｍの表面に
浮遊している酸化皮膜の巻込みを防止するため、回転冷
却体３０を一方向に回転させることが好ましい。α−Ａ
ｌ層Ａが設定値まで成長したとき、冷却媒体ｇの供給及
び回転冷却体３０の回転を止め、モータ３７を回転させ
て回転冷却体３０をルツボ本体１１から取り出す。その
後、直ちに精製容器１０全体を傾動させ、残りの溶湯Ｍ
及び炉底に堆積した金属間化合物Ｉを排出する。次い
で、回転冷却体３０上に晶出したα−Ａｌ層Ａを、凝固
体Ｓが溶解しない温度に加熱溶解し、凝固体Ｓから分離
する。場合によっては、α−Ａｌ層Ａを機械的に掻き取
り、凝固体Ｓから分離することもできる。

【００１３】

【実施例】

実施例１：内径４００ｍｍ及び高さ８００ｍｍの黒鉛製
ルツボを図１に示す精製装置に装着し、アルミニウム溶
湯を精製した。回転冷却体３０としては、外径１００ｍ
ｍの黒鉛管を使用した。Ｓｉ８重量％，Ｆｅ０．８重量
％，Ｃｕ３重量％及びＭｎ０．４重量％を含みＭｎ／Ｆ
ｅ比が０．５のアルミニウムスクラップ原料溶湯１５０
ｋｇをルツボ１０に装入し、６４０℃に加熱保持した。
回転冷却体３０を、ルツボの底から下端までの高さが２
００ｍｍになるように設定し、外周における周速１．５
ｍ／秒で回転させた。冷媒ｇとして冷却空気を使用し、
操業全期間を通して３ｍ³ ／分の一定流量で供給した。
凝固は、装入した全アルミニウム量の２４％で終了させ
た。このときの平均凝固速度は、１５０ｍｍ／時であっ
た。

【００１４】凝固終了後、回転冷却体３０の回転を止
め、溶湯Ｍから回転冷却体３０を取り出した。直ちに精
製容器１０を傾動させ、不純物が濃縮した残湯を晶出し
た金属間化合物Ｉと共に排出した。回転冷却体３０上に
凝固したα−Ａｌ層Ａは、重量が３５ｋｇで、不純物濃
度がＦｅ：０．３３重量％，Ｓｉ：４．２重量％，Ｃ
ｕ：１．７重量％及びＭｎ：０．２重量％であった。他
方、残湯にはＦｅ：０．６重量％，Ｓｉ：８．８重量
％，Ｃｕ：３．４重量％及びＭｎ：０．２重量％が含ま
れていた。また、凝固体Ｓとして晶出した金属間化合物
及び残湯中の金属間化合物Ｉは、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ−Ｍ
ｎ系で、合計重量が３．５ｋｇであった。

【００１５】実施例２：実施例１と同じ設備を使用し、
同一の操業条件でＳｉ：６．５重量％．Ｆｅ：０．８重
量％，Ｃｕ：２．９重量％及びＭｎ０．１重量％を含む
アルミニウム原料溶湯にＭｎとして１．２ｋｇ相当のＡ
ｌ−Ｍｎ合金を添加し、Ｍｎ濃度を０．９重量％に、Ｍ
ｎ／Ｆｅ比を１．１２５に調整した。調整された溶湯の
凝固量が２０％に達したとき冷却を終了し、回転冷却体
３０の回転を中止して回転冷却体３０を炉外に取り出
し、直ちに残湯及び金属間化合物Ｉを精製容器１０から
排出した。α−Ａｌ層Ａとして精製されたアルミニウム
は、重量が３０ｋｇで、不純物濃度がＳｉ：３．３重量
％，Ｆｅ：０．２９重量％，Ｃｕ：１．５重量％及びＭ
ｎ０．４重量％であった。残湯中の不純物濃度は、Ｓ
ｉ：８．５重量％，Ｆｅ：０．４５重量％，Ｃｕ：３．
５重量％及びＭｎ：０．３７重量％であった。また、凝
固体Ｓとして晶出した金属間化合物及び残湯中の金属間
化合物Ｉは、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ−Ｍｎ系で、合計重量が
４．１ｋｇであった。

【００１６】実施例３：回転冷却体３０を外周速２．５
ｍ／秒で回転させ、凝固量が２０％に達した時点で冷却
を中止する他は、実施例１と同じ条件で同一原料を精製
した。α−Ａｌ層Ａとして精製されたアルミニウムは、
不純物濃度がＳｉ：３．９重量％，Ｆｅ：０．３０重量
％，Ｃｕ：１．６重量％及びＭｎ０．１９重量％であっ
た。残湯中の不純物濃度は、Ｓｉ：９．１重量％，Ｆ
ｅ：０．６重量％，Ｃｕ：３．８重量％及びＭｎ：０．
１８重量％であった。この結果を実施例１と比較する
と、凝固部の純度が向上し、その分だけ残湯の純度がＦ
ｅ，Ｍｎを除き悪化していることが判る。このことか
ら、回転冷却体３０の回転速度が精製効率に影響を与え
ていることが確認される。

【００１７】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明において
は、初晶が金属間化合物である組成をもつアルミニウム
スクラップの溶湯を偏析凝固させアルミニウムを精製す
るとき、冷却体を回転させてアルミニウム溶湯を撹拌す
ることにより、金属間化合物として晶出する不純物元素
を回転冷却体の表面及び精製容器の底部に沈降させて分
離し、回転冷却体の外側に不純物含有量が減少した純度
の良いα−アルミニウムを得ている。残湯も、金属間化
合物の晶出によって純化される。このとき、回転冷却体
の回転速度を制御すると、金属間化合物を含めて３種類
の製品が同じアルミニウムスクラップ原料から得られ
る。更に、溶湯組成の調整により、精製部は勿論、不純
物が濃縮し易い残湯部においてもＦｅ，Ｍｎ濃度を低下
させた製品が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に従った精製方法を実施する精製装置
の一例

【符号の説明】

Ｍ：アルミニウム溶湯 Ｓ：凝固体 Ａ：α−Ａｌ
層 Ｉ：晶出した金属間化合物 ｇ：冷却媒体 １０：精製容器 ２０：加熱機構 ３０：回転冷却
体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 村上 高明 静岡県庵原郡蒲原町蒲原161番地 日本軽 金属株式会社蒲原工場内 (72)発明者 渡辺 寛 静岡県庵原郡蒲原町蒲原１丁目34番１号 株式会社日軽技研内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 不純物の一部が金属間化合物の初晶とし
   て晶出する組成をもつアルミニウム溶湯を精製容器に収
   容し、前記溶湯をα−Ａｌの凝固点以上に保持し、前記
   溶湯に浸漬した回転冷却体を回転させながら前記溶湯を
   冷却し、前記金属間化合物を凝固体として前記回転冷却
   体の表面に成長させ、前記金属間化合物の晶出に伴う前
   記溶湯の純化に従って前記凝固体の表面にα−Ａｌを成
   長させた後、前記回転冷却体を前記溶湯から取り出し、
   前記金属間化合物が溶解しない温度で前記金属間化合物
   から前記α−Ａｌを溶解分離することを特徴とするアル
   ミニウムスクラップの精製方法。
2. 【請求項２】 Ｆｅ濃度が０．５重量％を超えるアルミ
   ニウムスクラップを溶解原料とし、α−Ａｌ中のＦｅ濃
   度が０．５重量％以下であり、且つ不純物が濃縮した残
   湯中のＦｅ及びＭｎが溶解原料中のＦｅ濃度及びＭｎ濃
   度以下になることを特徴とする請求項１記載の精製方
   法。
3. 【請求項３】 アルミニウム溶湯に含まれる不純物元素
   のＭｎとＦｅとの比Ｍｎ／Ｆｅが０．２〜２である請求
   項１又は２記載の精製方法。
4. 【請求項４】 アルミニウム溶湯に不純物元素として含
   まれるＳｉの濃度が２〜１０重量％であり、前記α−Ａ
   ｌの凝固点が６５０℃以下である請求項１〜３の何れか
   に記載の精製方法。
5. 【請求項５】 アルミニウム溶湯のＭｎ／Ｆｅ比が０．
   ２〜２及びＳｉ濃度が２〜１０重量％となるように、金
   属単体，Ａｌ母合金，Ｍｎ及び／又はＳｉを多量に含む
   スクラップ等の１種又は２種以上を溶湯に添加する請求
   項１〜４の何れかに記載の精製方法。
6. 【請求項６】 溶湯に浸漬した回転冷却体を外周速０．
   ５〜２ｍ／秒で一方向に回転させる請求項１〜５の何れ
   かに記載の精製方法。