JPH0790407A

JPH0790407A - アルミニウムの精製方法

Info

Publication number: JPH0790407A
Application number: JP5234897A
Authority: JP
Inventors: Yuji Miki; 祐司三木; Kenichi Tanmachi; 健一反町; Tetsuya Fujii; 徹也藤井; Mitsuhiro Otaki; 光弘大滝; Koichi Ohara; 弘一尾原; Takeshi Sugizaki; 健杉崎
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd; Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp; Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1993-09-21
Filing date: 1993-09-21
Publication date: 1995-04-04

Abstract

(57)【要約】【目的】高純度アルミニウムを効率よく得る。【構成】円筒容器内のアルミニウム溶湯を回転磁界に
より水平回転流動させながら、円筒容器の側壁を冷却
し、その軸心に向けて凝固を進行させる。さらには、不
純物溶質成分が濃化した残部溶湯を円筒容器外に排出・
分離する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ボーキサイトを溶融
塩電解して得られる普通純度アルミニウムをより高純化
すること、アルミニウム２次地金を展延材として再利用
するため高純化することなど、高純度アルミニウムを得
るためのアルミニウムの精製方法を提案するものであ
る。

【０００２】通常、アルミニウムはボーキサイト(Al
₂O₃) を溶融塩電解することで得られる。このようにし
て得られるアルミニウム地金は、通常99.7〜99.8％の純
度を有し、加工性が良いこと、軽量化が図れることなど
から自動車の車体用材や缶用材として利用されている。
さらに、99.9〜99.99 ％の高純度アルミニウムが電解コ
ンデンサーの陽極箔やエレクトロニクス分野の装置主要
部材として用いられている。また、最近では資源の有効
利用の観点から、不純物の多いアルミニウムスクラッ
プ、さらにはアルミニウム２次地金の高純化再利用が注
目されている。

【０００３】このような背景のもと、低純度のアルミニ
ウム地金やアルミニウムスクラップを高純度アルミニウ
ム地金や展伸用合金、鋳物用合金原料として再利用する
ことをねらいとして、安価で、作業性のよい高純化方法
が模索・検討されている。たとえば、自動車車体用で
は、アルミニウム純度99.9％程度、他の一般シート用材
でも99％程度までの純化が望まれていて、これがアルミ
ニウムスクラップから安価に精製できれば大きな需要が
期待できる。

【０００４】

【従来の技術】前記したようなニーズに対処するための
アルミニウムの純化技術に関してはこれまでに種々の手
段が提案されているが、それらの一つに、アルミニウム
溶湯が凝固する際の不純物溶質成分（以下単に不純物又
は不純物成分という）の偏析現象を利用する方法があ
る。

【０００５】すなわち、上記方法は、成分濃度が増加す
るにつれて液相線、固相線を低下させるFe, Si等を不純
物として含有するアルミニウム溶湯が凝固する際、熱力
学的安定性の相違から固相側では不純物成分が減少する
反面、液相側では不純物成分が増加し、そして、凝固が
進行するにつれて液相側に不純物成分の濃化する偏析現
象を生じることを利用し、固相側に純化したアルミニウ
ムを得るものである。

【０００６】上記偏析現象は、固液界面の液相側に最高
濃度Ｃ_M、液相バルク側に最低濃度Ｃ_Oとなる不純物成
分の濃度分布が形成される。そして、固相側に取り込ま
れる不純物成分の濃度Ｃ_Sは、Ｃ_S＝Ｋ_effＣ_O ------（１）Ｋ_eff＝Ｋ_O／〔Ｋ_O＋（１−Ｋ_O）exp （−Ｒδ／Ｄ）〕----（２）ここでＣ_M, Ｃ_S, Ｃ_O：不純物成分濃度 (mol／ｍ³) Ｋ_eff：実効分配系数（−）Ｋ_O ：平衡分配系数（−）Ｒ：凝固速度（ｍ／sec) Ｄ：不純物成分の溶融Al中での拡散系数（ｍ²／se
c) δ ：不純物成分の濃度境膜層厚（ｍ）で決まる（例えば、日本金属学会編、「金属便覧改定
３版」，丸善，（昭和46−６−25）, ｐ1162）。このこ
とは、アルミニウムの純化がアルミニウム溶湯の攪拌流
速によって定まる不純物成分の濃度境膜層厚δとアルミ
ニウムの凝固速度Ｒによって決められることを意味す
る。

【０００７】さらにこの場合、上記のような不純物成分
濃度分布の形成に伴ない凝固条件（固液界面近傍での温
度勾配や凝固速度）によって組成的過冷状態が発生し、
これが凝固界面に樹枝状晶を生成させる。その樹枝状晶
が成長して、凝固界面近傍の不純物成分をトラップし、
アルミニウムの高純化を妨げることがある。樹枝状晶を
生成する組成的過冷の発生しない条件は、Ｃ_O（Ｇ／Ｒ）＞（−ｍ／Ｄ）・((１−Ｋ_O）／Ｋ_O) ------（３）ここでＧ：固液界面から融液に向かっての温度勾配（℃／ｍ）ｍ：液相線の勾配℃／(mol／ｍ³) と云われている（例えば、日本金属学会編，「金属便覧
改定３版」，丸善，（昭和46−６−25），ｐ1163) 。

【０００８】このような理論に基づいて、例えば、特公
昭50-20536号公報（金属の純化方法）には、外部加熱容
器内の原料アルミニウム溶湯をその融点近くの温度に保
持し、その溶融アルミニウムに冷却用ガス循環可能な構
造の冷却管を挿入し、その冷却管に付着生成した小結晶
のアルミニウムを容器の下部に集めて突き固め、融体と
分離することにより精製アルミニウムを得る方法が開示
されている。しかし、この方法で得られるアルミニウム
は突き固められた塊であり、そのままでは機械加工しづ
らく、またその精製の作業性が悪いなどの問題点があっ
た。

【０００９】また、特開昭57-060040 号公報（アルミニ
ウムの精製方法）には、その詳細説明によれば、溶融ア
ルミニウムに直流電流を通電すると共に外部から直流磁
界を印加するか、又は直流電流を通電することなく、回
転磁界を印加することによって、溶融アルミニウムを回
転流動させて攪拌しながら容器底部より凝固を進行さ
せ、純化したアルミニウムを得る方法が開示されてい
る。しかし、この方法では、攪拌が水平回転流動であ
り、凝固を下部（容器底面）から上方へ向けて進行させ
るため、回転流中心部近傍の固液界面での流速は著しく
遅くなり、その部分では純化されないまま、ないしは液
相側で濃化した不純物成分がそのまま固相側に取り込ま
れ、そのため凝固の進行に伴い固相側の平均不純物成分
が徐々に増加し、凝固アルミニウムの純度が低下すると
いう問題があった。

【００１０】そして、凝固後期において純化領域と不純
物濃化領域とを明確に区分できず、その高純度領域のみ
を分離・回収することが困難であるという問題があっ
た。すなわち、容器底面から冷却すると、図３に示すよ
うなアルミニウム凝固層４が形成され、最終的には図４
（ａ）に示すような軸心部に不純物成分の多い不純物濃
度分布を有する鋳塊となるため、純化層のみを回収する
には、鋳塊軸心部の不純物濃化領域をくりぬかなければ
ならなかった。

【００１１】ここに、図３は容器底部から凝固を進行さ
せる（上記開示例）アルミニウム精製装置の説明図で、
２は円筒状のるつぼ、３は溶融アルミニウム、４はアル
ミニウム凝固層、９は水冷板で、るつぼ２の底面を形成
している。また、図４（ａ）は容器底部から凝固を進行
させて得られた（比較例）鋳塊縦断面における不純物成
分Siの等濃度曲線を示すグラフである。

【００１２】さらに、上記開示例の場合、流速を増大す
るために回転流動の回転数を増加させると、溶湯面が放
物面状の深い凹面となり、下方と側方の両方から凝固が
進行し、ますます純化領域を分離回収することが困難に
なるという問題もあった。

【００１３】次に、特開昭58-11752号公報（アルミニウ
ムの精製方法）には、溶融アルミニウムを下方から凝固
させるさいに、固液界面近傍の液相中に、下面が固液界
面と対向する回転体の下面中央から気体を放出させなが
らこの回転体を回転させて、固液界面近傍の液相中の不
純物を液相全体に分散混合させつつ凝固を進行させ、純
化する方法が開示されている。しかしながら、この方法
では気体による分散の強い部分と弱い部分とが生じ、凝
固速度が速い場合には固液界面に凹凸ができ、凝固後期
において純化領域と不純物濃化領域とが明確に区別され
なく、純化領域のみを分離回収することが困難になると
いう問題があった。

【００１４】また、溶湯は回転体の回転による水平回転
流動と気体放出による上下方向循環流動の合成流動とな
るが、上記開示例の場合と同様に回転流中心部近傍の固
液界面では流速の遅延部分が生じ、その部分では純化さ
れないまま、ないしは固液界面の液相側で濃化した不純
物成分がそのまま固相側に取り込まれ、凝固の進行と共
に固相側の平均不純物成分濃度が徐々に上昇し、凝固し
たアルミニウムの純度が低下するという問題もあった。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、前記した
問題点を有利に解決すること、すなわち、・凝固界面に凹凸ができていないようにすること、・凝固の進行のどの時点においても純化領域（固相）と
不純物濃化領域（液相）とが明確に区分できること、・製造される鋳塊はそのまま機械加工等に適用できるも
のであること、・高純化工程の作業性が良いものであること、などを達
成する高純化アルミニウムの精製方法を提案することを
目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】この発明の要旨は以下の
通りである。回分系の円筒容器内に供給したアルミニウ
ム溶湯を、回転磁界により水平回転流動させながら、円
筒容器の側壁から冷却し、その軸心に向けて凝固を進行
させることを特徴とするアルミニウムの精製方法であ
り、さらに上記において、アルミニウムの凝固過程の中
途段階で水平回転流動を停止し、円筒容器底部に設けた
排出孔から不純物成分が濃化した残部溶湯を円筒容器外
に排出するアルミニウムの精製方法である。

【００１７】

【作用】この発明に至った経緯とその作用について以下
に述べる。この発明は、溶湯の凝固に関する前記した理
論をさらに詳細に検討した結果、凝固過程での偏析現象
を利用して、凝固時に取り込まれる不純物量をより低減
すること、かつ、凝固速度が遅い場合の樹枝状晶の生成
を低減すること、などのためには、溶湯の攪拌方法と凝
固方法の組合せおよびそれらの操作条件を工夫して、固
液界面全域にわたって不純物成分の濃度境膜層厚をでき
る限り均等に、かつ薄くすることが肝要であるとの認識
に達した。

【００１８】そして、上記をもとに、溶湯の攪拌方法と
凝固方法の組合せを種々変化させた広範な実験検討を行
った結果、まず、Al溶湯の攪拌方法としては、ａ．回転磁界によってアルミニウム溶湯に水平回転流動
を与えることが、設備的な容易さならびに単位体積当り
の攪拌力の大きさから考えて最適であること、さらに、
上記攪拌方法を採用する場合の凝固方法としては、ｂ．溶湯表面が放物面状の凹面になることを利用して、
円筒容器の側壁からその軸心に向けて凝固を進行させる
ことで、不純物濃化溶湯を回転流動軸心方向に集中させ
得ること、ｃ．溶湯の回転数を大きくすることで、溶湯表面の放物
面状凹面の深さΔＨ（ΔＨ＝（ｒω）²／２ｇ、ここで
ｒは溶湯回転流外径、ωは回転角速度、ｇは重力加速
度）をいくらでも大きくできることから、回転流動中心
近傍の容器底面には溶湯がない状態すなわち溶湯回転流
体を中空状にすることができ、底面からの凝固を防止で
きること、また、底面をヒーターで加熱して断熱するこ
とは容易であり、かくすることによっても底面からの凝
固を防止できること、ｄ．円筒容器の側壁からその軸心に向けての凝固であ
り、溶湯が水平回転流動であるため、固液界面全面にわ
たって回転流の流速はほぼ一定で遅延部分がなく、した
がって、前記従来例のように流速の遅延部が生じ、その
部分の固液界面の純化されないままないしは液層側で濃
化した不純物成分がそのまま固相側に取り込まれること
がなく、凝固の後期においても凝固したアルミニウムの
純度が高レベルに維持できること、ｅ．円筒状容器側壁内面で中空状の凝固層形成後に不純
物が濃化した残部溶湯の回転流動を停止させ、その不純
物濃化溶湯を容器底面に設けた排出孔から排出・分離で
きること、などが明らかとなった。

【００１９】さらに加えて、ｆ．溶湯の水平回転流動によって、溶湯の自由表面形状
が放物面状となるため、溶湯表面積が増加し冷却が容易
になること、すなわち、このことは前記（３）式におけ
るＧが大きな値を取り得ることを意味しており、純化を
阻害する樹枝状晶の生成を抑える効果を有すること、も
確認できた。

【００２０】一方、この発明を実施するにあたって、容
器側壁内面からの凝固を進行させる方法としては、容器
側壁外面を水冷によって冷却することがよく、また、不
純物濃化溶湯の排出は、容器の底部中心に排出孔を設
け、ここから下方に不純物濃化溶湯を排出させることが
好適であるが、容器を傾転させて不純物濃化溶湯を排出
させることでもよい。

【００２１】以上、この発明は、回転磁界による溶湯の
水平回転流動の採用と、円筒容器の側壁からその軸心に
向けて凝固を進行させることにより、固液界面での溶湯
回転流動の流速をその全面にわたって均一にできること
が確認され、さらに固液界面での不純物溶質成分の濃度
境膜厚δが溶湯流速の１／５乗に比例することから、濃
度境膜厚δを全固液界面にわたって均等に、かつ薄くす
ることが達成できるものと推定された。

【００２２】そしてその結果として、先に掲げた・凝固界面に凹凸ができないようにすること、・凝固の進行のどの時点においても純化領域（固相）と
不純物濃化領域（液層）とが明確に区分できること、・製造される鋳塊はそのまま機械加工等に適用できるも
のであること、・高純化工程の作業性が良いものであること、などを達
成することができる。

【００２３】

【実施例】この発明に適合する精製方法を実施するアル
ミニウム精製装置例とその実施態様の説明図を図１及び
図２に示す。これらの図において、１は回転磁界発生装
置、２はマグネシア製るつぼ（円筒容器）、３はアルミ
ニウム溶湯、４はアルミニウム凝固層、５はるつぼ３の
外周に設けたステンレス製の水冷板、６はその水冷ボッ
クス、７は底部中心に設けた排出孔、８はストッパーで
ある。

【００２４】また、図１は回転磁界発生装置１により回
転磁界を印加してアルミニウム溶湯３を水平回転流動さ
せながらるつぼ２の側壁内面からその軸心に向けて凝固
を生起させアルミニウム凝固層４を形成させた状態を示
し、図２は上記によりアルミニウム凝固層４を形成させ
たのち、回転磁界の印加を停止してアルミニウム溶湯３
の回転流動を止め、排出孔７のストッパー８を抜いた状
態を示すもので、不純物成分が濃化されたアルミニウム
溶湯３は排出孔７から排出される。

【００２５】この発明の適合例として、上記図１に示し
た装置を用い、３kgのアルミニウム地金（アルミニウム
純度：99.7％、不純物成分----Si：0.07wt％、Fe：0.1
wt％) の溶湯３を内径：120mm のるつぼ２に供給しなが
ら、回転磁界発生装置１により回転磁界を印加してアル
ミニウム溶湯３を水平回転流動させ、水冷板５によりる
つぼ３の外周面を冷却することによって、るつぼ２の側
壁内面からその軸心に向けて凝固を生起させ、純化され
たアルミニウム凝固層４を形成させた。

【００２６】上記において、アルミニウム溶湯３の回転
数は 200rpm に調整し、凝固速度は1.3 ｍ／min と一定
にした。このとき、アルミニウム凝固層４の高さは80mm
であり、図１に示すようにアルミニウム溶湯３はるつぼ
２の側壁内面に押し上げられ、るつぼ２の底部中心上に
はアルミニウム溶湯３はなく中空状を呈していた。

【００２７】かくして、供給したアルミニウム溶湯３の
50％がアルミニウム凝固層４として形成された時点で回
転磁界の印加を停止しアルミニウム溶湯３の回転流動を
止め、ストッパ８を抜いて、残りの不純物成分が濃化し
たアルミニウム溶湯３を排出孔７から排出した。

【００２８】このようにして得られた鋳塊（アルミニウ
ム凝固層４）の各位置から分析用サンプルを採取し、不
純物成分のSi含有量を測定した。

【００２９】一方、容器底部から凝固を進行させる従来
方法を比較例とし、図３に示すアルミニウム精製装置に
より上記適合例の場合と同一のアルミニウム地金を用
い、容器底部から凝固を進行させアルミニウム凝固層を
形成させた以外は、上記適合例と同様の条件で鋳塊を製
造し、得られた鋳塊について上記適合例と同様の調査を
行った。

【００３０】ここに、図３は容器底部から凝固を進行さ
せるアルミニウム精製装置の説明図で、１は回転磁界発
生装置、２はるつぼ（円筒容器）、３はアルミニウム溶
湯、４はアルミニウム凝固層、９はるつぼ２の底部をか
ねる水冷板、10はその水冷ボックスである。

【００３１】これらの調査結果を図４（ａ）及び（ｂ）
にまとめて示す。図４の（ａ）は比較例、（ｂ）は適合
例のそれぞれ鋳塊縦断面における不純物成分Siの等濃度
曲線を示すグラフである。

【００３２】図４（ａ）から明らかなように、比較例の
鋳塊は、純化領域と不純物濃化領域とが存在し、アルミ
ニウム溶湯の回転流中心に相当する部分には、純化され
ないままのアルミニウムないしは不純物が濃化したアル
ミニウムが凝固していて、鋳塊の上方、すなわち凝固が
進行するに従って不純物成分がより濃化したアルミニウ
ムの凝固層が存在している。これに対し、適合例の鋳塊
は図４（ｂ）から明らかなように鋳塊全体が高純化され
たアルミニウムであることを示している。

【００３３】さらに、適合例の鋳塊を再溶解することに
よって、不純物成分Siの含有量を、アルミニウム地金の
0.07wt％から0.02wt％まで低減させることができたが、
比較例の鋳塊では、純化領域と不純物濃化領域が存在す
るため、上記のように不純物成分を低減させるために
は、不純物濃化領域を切削除去する必要があった。

【００３４】

【発明の効果】この発明は、回分系の円筒容器内に供給
した純化対象のアルミニウム溶湯を、回転磁界により水
平回転流動させながら、円筒容器の側壁から冷却し、そ
の軸心に向けて凝固を進行させるものであり、この発明
によれば、純化を阻害する樹枝状晶を生成させることな
く、高純度アルミニウムが歩留りよく得られるようにな
り、さらに、溶湯段階で不純物濃化溶湯を排出するよう
にするため、不純物濃化領域のない鋳塊を得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に適合する精製方法を実施するアルミ
ニウム精製装置例とその実施態様を示す説明図である。

【図２】この発明に適合する精製方法を実施するアルミ
ニウム精製装置例とその実施態様を示す説明図である。

【図３】容器底部から凝固を進行させるアルミニウム精
製装置の説明図である。

【図４】（ａ）は比較例の鋳塊縦断面における不純物成
分Siの等濃度曲線を示すグラフである。（ｂ）はこの発
明の適合例の鋳塊縦断面における不純物成分Siの等濃度
曲線を示すグラフである。

【符号の説明】

１回転磁界発生装置２るつぼ３アルミニウム溶湯４アルミニウム凝固層５水冷板６水冷ボックス７排出孔８ストッパー９水冷板 10 水冷ボックス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者反町健一千葉県千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究本部内 (72)発明者藤井徹也千葉県千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究本部内 (72)発明者大滝光弘東京都千代田区丸の内２丁目６番１号古河電気工業株式会社内 (72)発明者尾原弘一東京都千代田区丸の内２丁目６番１号古河電気工業株式会社内 (72)発明者杉崎健東京都千代田区丸の内２丁目６番１号古河電気工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回分系の円筒容器内に供給したアルミニ
ウム溶湯を、回転磁界により水平回転流動させながら、
円筒容器の側壁から冷却し、その軸心に向けて凝固を進
行させることを特徴とするアルミニウムの精製方法。
【請求項２】請求項１において、アルミニウムの凝固
過程の中途段階で水平回転流動を停止し、円筒容器底部
に設けた排出孔から不純物溶質成分が濃化した残部溶湯
を円筒容器外に排出することを特徴とするアルミニウム
の精製方法。