JPH1025155A - 焼結或いは溶融法によるアルミナ基材の製造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 アルミ精錬滓と他の鉱物もしくは化合物と
を、アルミ精錬滓の含有Ａｌのテルミット反応エネルギ
ーで持って、焼結或いは溶融方法によるアルミナ基材の
製造方法に関する。その目的とするところは、アルミ業
界における産業廃棄物の処理の際の種々なる問題を解決
し、産業廃棄物を有用な資源に改質して、新しい資材を
生成することに有る。その製造は、テルミット反応に伴
う高温度に耐えられることと、他の種々な目的をもっ
て、回転を伴う反応炉内で行なわれる。本発明の手法に
より製造された生成物は、鉄鋼冶金への精錬材や窯業関
係の基材として有用に活用される。 【構成】 テルミット反応に伴う高温度に耐えられる、
回転を伴う反応炉と反応生成物の冷却を行なわせしめる
間接冷却機とでもって構成され、原料はアルミ精錬滓と
ＣａＯ系原料、ＳｉＯ_２系原料、ＭｇＯ系原料、その他
複合した鉱物或いは化合物である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】アルミニウム工業界の発展に
ともないアルミ精錬滓の発生量も近年多量に昇ってい
る。アルミ灰は一部有効活用されているものの大部分は
産業廃棄物処理の対象品となっており、今後のアルミニ
ウム工業にとって由々しき問題を提起している。

【０００２】本発明は、アルミ灰を産業廃棄物処理する
ことなく有用な資源に改質することにある。アルミ灰に
含有されているアルミニウムの酸化発熱エネルギーの有
効活用でもって、鉱産物、もしくは化合物等の添加原料
と焼結体、あるいは溶融体を製造致し、鉄鋼冶金の精錬
材や耐火窯業原料、並びに窯業原料等への素材提供に関
する。

【０００３】産業廃棄物の処理については、処分地の問
題、環境破壊等の社会的な責任面から、そしては処理コ
ストに対する経済問題等、多くの問題を内在する。これ
ら諸問題はアルミニウム工業界の体質を弱めることにも
つながる。本発明によれば処理に厄介なアルミ灰を完全
に有用化することができ、廃棄物問題から完全に開放さ
れることとなる。

【０００４】

【従来の技術】アルミ灰は以下のプロセスから生成さ
れ、アルミ精錬の工程からも全くの不要物である。更に
は、廃棄物を処理するに至っても多くの課題を提起して
いる。アルミナからの電解にて製造されたアルミニウム
はその特性値を向上、もしくは改善させるために、その
後の溶解成分調整工程を必ず経て、他の合金原料の添加
を計り、機械特性値の改善を得て、それぞれの用途に供
される。

【０００５】溶解工程を経ることは、アルミニウムとの
親和力の強い大気中の酸素、並びに窒素との化合物を生
成することとなる。アルミ灰の主組成は従ってアルミナ
であって一部には、添加合金の酸化物も含まれる。厄介
なのは、化合物として窒素化合物ＡｌＮの存在である。
反応生成されたＡｌＮは、廃棄物として処理を行なう場
合、水分との接触により

【化１】の反応を伴って、

【０００６】

【化１】

【０００７】有害なアンモニアガス発生させ、且つ発熱
反応を伴うことから、廃棄物処理する場合大きな問題を
提起する。

【０００８】上記反応生成物の処理のために、時間を掛
けたエイジング処理を行なったり、大量の水との反応を
強制的に行なわせしめ、上記反応を完結させた後に、埋
立て処理等に処されている。当処理はアンモニアガスの
大気放散であるがため環境上好ましからぬ処理である。
その他、造粒熱処理の方法や、酸化加熱処理の方法で持
ってアンモニア処理を施してから処分する方法も一部採
用されている。

【０００９】又、アルミ灰中のＡｌ、あるいはアルミナ
分を有効に活用する方法も、近年採用されている。鉄鋼
精錬のプロセスにおけるＡｌによる溶鋼・スラグの脱酸
として、更にはＡｌの酸化発熱反応を利用した、保温材
や溶鋼の加熱手段にも使われている。精錬スラグへのア
ルミ灰の添加は、スラグの融点降下、あるいは精錬能の
増進効果を得る目的から活用されている。しかしなが
ら、鉄鋼精錬への供給はアルミ精錬でも有害成分であっ
た窒素の問題を常に内在せしめている。又、一部は、有
害なＣｌ，ＮＨ_３処理を処してからセメント原料として
有効活用されてもいる。何れにしても、付加価値は低く
評価され、コストをも相当に掛けて提供しているのが実
状である。

【００１０】

【発明が解決しょうとする課題】本発明は、アルミ灰中
に含まれる有害な窒素化合物を高温・酸化反応の手段を
こうじて、無害化せしめることの出来る方法である。ア
ルミ灰中の窒素化合物の処置が出来れば、その処理には
大きな問題は無くなる。しかし、経済的な負担は、一部
軽減化されるもののその負担は依然として大きなもので
ある。

【００１１】本発明によればアルミ灰の持ち合わせてい
る物性を基に、有用な新しい物質に変えることが出来
る。所謂、産業廃棄物からの資源化を計ることにある。
本発明により合成された有用資源化物質は、鉄鋼冶金分
野に対する精錬を目的とした資材提供を計り得ることが
出来る。更には、広範な窯業資材の分野を視野にいれる
ことも出来る。換言するならば、アルミ灰の無害化処理
とアルミ灰の特性から有価物を製造する方法に関する。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の特許請求の範囲
に記載する他の鉱物もしくは化合物の一例としては、生
石灰に代表されるＣａＯ系鉱物・化合物、並びに硅石に
代表されるＳｉＯ_２系鉱物・化合物、ドロマイト等のＭ
ｇＯ系鉱物・化合物、更にはＡｌ_２Ｏ_３を加えた上記複
合鉱物・化合物等を指す。その際のアルミ灰との反応添
加物は一種、もしくは二種以上の原料の添加となる。
又、反応の融点を降下せしめる目的から、弗化物に代表
されるフラックスの添加もその範囲である。

【００１３】以下説明は、主にＣａＯ系鉱物・化合物と
の反応を基に記述を展開して行く。純アルミナの溶融点
は２０２０℃にも登る高温度の領域にある。アルミ灰の
組成は、アルミナを主成分と致すものの、種々の合金元
索の添加に伴う品種によって大きな差異を生ずることと
なる。

【表１】に、アルミ灰の代表元素の組成範囲を記す。

【００１４】

【表１】

【００１５】その他微量組成としてＴｉＯ_２，Ｆｅ_２Ｏ
_３，を含みアルミ滓の精錬フラックスからのＫ，Ｎａ，
Ｃｌ化合物が僅かに含まれる。上記代表組成中の％Ｍｅ
−Ａｌ並びに％ＡｌＮ成分は酸化雰囲気のもとでの加熱
手段により、容易にＡｌ_２Ｏ_３を生成することとなり、
アルミナ成分を高値へ押し上げることとなる。高アルミ
ナ質なることからその溶融点も２０２０℃には至りはし
ないが、その近傍の高温度領域下にある。

【００１６】本発明の特徴とするところは、このような
高融点下のアルミ灰に他の有用な鉱物、もしくは化合物
の添加を計ることによって低融点物に変えることであ
る。アルミ灰との反応物質の反応はアルミ灰中の微少ア
ルミ粉の強力な酸化反応を伴う領域で行なわれる。

【化２】に、アルミ粉の酸化反応を示しおく。

【００１７】

【化２】

【００１８】酸化に伴い強烈な発熱エネルギーが生ずる
ことは

【化２】より理解できる。

【００１９】特許請求範囲にもある本発明の特徴とする
ところは反応炉にある。反応の主体がアルミ粉の燃焼反
応であることから、高温反応に耐えられるように耐火材
で内張りされていることは無論のことであって、反応炉
自体に回転を行なわしめていることである。加熱手段を
持った回転式反応炉の形式のうち、炉長・炉径について
は一切問わない、従って、リングキルン、あるいは炉長
の長いロータリーキルン等の方式は本発明反応炉に該当
する。

【００２０】回転式反応炉は高温度の反応物質の反応域
を常に変えることが出来ることから炉体耐火材へのダメ
ージの軽減化を計ることが出来る。更には、回転を伴う
ために反応の均一化と反応時間の短縮を計ることに極め
て有効な手段となる。又、焼結・溶融反応が終了した後
に、均一な高温度状態を保持し、脱窒素化合物反応を維
持するにも有利である。反応生成物は高粘性を持った一
体成形物と成るが、回転反応炉内の温度低下に伴い、生
成物の粘性は低下してくることから、分塊を行なわせし
めることが出来る。この際、回転数を上げることは、当
分塊反応には有効策であって、次工程の破砕の前段処理
として好都合である。

【００２１】

【発明の実施の形態】及び

【実施例】本発明による焼結・溶融反応の実務の子細を
以下に詳述する。アルミ灰に微粉生石灰を予め決められ
た配合の基に回転混合を計り、高温反応炉に装入し、オ
イルバーナーによる加熱をはかる。これはアルミニウム
の酸化反応を誘引するための加熱である。この場合の加
熱手段は、他にガスバーナー、あるいはアーク加熱に代
表される電気的な加熱手段等、いかなる手法でも良い。
且つ、混合粉体原料への直下加熱でもかまわない。

【００２２】この際の、配合割合は、製作提供する品位
によりそれぞれ異なった配合となる。例えば、鉄鋼冶金
精錬材の製造を目的とした場合を考えるに、主成分とし
て、高いアルミナ分の要求品位の場合にはＣａＯ配合は
少なく、低融点精錬材を要求された場合には、そのＣａ
Ｏ配合は２０〜５０％の高配合と致す。但し、アルミ灰
に対する添加物配合が高くなると、アルミ灰中のＭｅ−
Ａｌ値、即ち反応エネルギーとの関係から自ずから制限
を伴うこととなる。

【００２３】粉体の温度が３００〜５００℃に加熱され
ることにより、アルミ灰中に含まれるＡｌ粉の酸化燃焼
反応が始まる。当反応はテルミット反応そのものであ
る。その時点で加熱は不要となる。アルミ粉の酸化燃焼
は自己増殖を呈し、装入混合原料全域に対して激しい高
温反応が及ぶこととなる。この際、Ａｌの酸化反応は激
しい白煙を伴うために廃ガス処理は重要である。反応の
促進を計るために反応炉内への酸素の供給や酸化材料の
添加は、反応の完結を計るためにも、そしてより急激な
反応熱を得て配合原料の焼結・溶融を促進せしめるため
にも極めて有効な手段となる。

【００２４】激しく活発な高温度テルミット反応は、約
１０分余にて終局に至たる。アルミ灰との配合原料は形
を変え、その物性を変えた新しいマテリアルの誕生とな
る。発熱反応を終えた段階での溶融体の温度は１５００
〜１７００℃の高温状態のまま炉内で熟成される。この
期間は生成物内の有害な脱窒素反応としても重要な意味
を持つ。この間、炉の回転は継続したままである。炉内
温度の低下に伴い、溶融物の粘性は低下をきたし分塊が
始まる。分塊の促進を計る目的から炉の回転を早めるこ
とは、当分塊反応を活発化せしめることに極めて有効な
手段である。

【００２５】炉冷にて１０００〜１４００℃の領域まで
低下した反応生成物は炉より取り出され、クーラーにて
強制冷却と破砕を経て製品となる。その際、生成物を炉
内での溶融状態で排出を行なわせしめ、水による急速な
冷却を計ることも出来る。

【００２６】以下に実施例を実操業データーでもって説
明する。本発明に供された回転式反応炉は、以下の仕様
を持つリングキルンである。 直径（炉腹部最大径） ２１００ｍｍφ 炉長 ４７００ｍｍ 内張り耐火物の材質 高アルミナ質焼成耐火材 加熱方式 オイルバーナー 回転機能 可変速機能付

【００２７】実施例：１ 上記２原料を計量→攪拌混合→反応炉チャージを行な
い、オイルバーナー加熱を実施する。バーナー加熱開始
後９分にてアルミ粉への着火が行なわれ、テルミット反
応が開始された。それと同時にバーナー加熱は停止され
た。その際の炉体回転数は１．５ｒｐｍとした。反応の
進行に伴い、白煙の発生を伴う激しい燃焼反応が観察さ
れた。

【００２８】反応開始後６分にてＡｌの酸化燃焼反応は
ほぼ終了した、その時点での炉内観察によれば、添加原
料は粘性の高い溶融状態を呈していた。生成物の表面温
度は約１６００℃内外の高温であると観察された。生成
物の高温状態熟成の保持と、炉内冷却に約３７分を経過
したところで炉内排出を行ない、次の工程での強制冷却
と破砕を経て目的の製品とした。製品の観察結果からは
溶融・固化した経緯を観察することが出来、本発明の立
証を確認することとなった。

【００２９】実施例：２

【００３０】実施例：１と同様の前処理を施し、バーナ
ー点火を行なう。テルミット反応に至までの所要時間は
８分であった。生成に伴う反応時間は１２分を要した。
この反応時間は実施例：１に比較して長期に渡った。こ
れは装入原料チャージの量に関係する要因と理解され
る。この間のリングキルンの回転数は１．５ｒｐｍであ
った。生成物の炉内温度も実施例：１と同程度の１６０
０℃内外であることが観察された。熟成温度保持と分塊
工程に３０分を要し炉内からの排出を計り製品とした。
はっきりとした溶融・固化製品であることも同様に観察
立証することが出来た。本発明によって得られた製品の
結晶構造は以下の説明によるＸ線回析の解析によっても
立証されている。

【００３１】実施例：１及び２ではＣａＯ、もしくはＣ
ａＣＯ_３との配合ベースの焼結・溶融方法による新しい
生成物の製造例を報告してきたが、本発明によればＣａ
Ｏ原料の変わりに、ＳｉＯ_２組成物としての硅石の添加
を計り、前述した実施例と同様のプロセスでもってＡｌ
_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系ミネラルの合成をも行なうことが出
来る。本系の代表組成である合成ムライト（結晶組成は
３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）の製造も本発明手法によっ
て可能である。更には、Ａｌ_２Ｏ_３−ＣａＯ−ＳｉＯ_２
３元系ミネラルの合成、あるいは Ａｌ_２Ｏ_３−ＣａＯ−ＭｇＯ ３元系ミネラルの合成 Ａｌ_２Ｏ_３−ＣａＯ−ＳｉＯ_２−ＭｇＯ ４元系ミネラ
ルの合成も本発明手法により可能である。

【００３２】

【発明の効果】実施例：１により製造された生成物の分
析結果は以下であった。 １）Ｘ線回折解析からの主鉱物組成の分析結果 ２）酸化物組成の分析結果

【表１】に示す。

【００３３】

【表１】

【表２】

【００３４】３）溶融点の測定結果 約１４００℃ 上述の結果から、本発明の製造手法によって、低融点物
質であって、且つ新組成物質の生成の確認と立証がなさ
れた。

【００３５】更に、本生成物質を鉄鋼精錬の際の、スラ
グ精錬材としてもその機能を十分に発揮することが確認
された。製鋼精錬スラグにアルミナ組成を富化せしめる
ことによる精錬効果は、脱硫精錬能、並びに介在物精錬
能を増進せしめることは、今日広く知られておるところ
である。以下に、高品位鋼の精錬手段として、ＬＦ精錬
プロセスへ本発明による生成物質の添加を計った精錬結
果を記述する。

【００３６】製鋼精錬プロセスへの本発明による生成物
の添加その効果：１ 実施アーク炉の容量 ７０Ｔｏｎ 二次精錬炉 ７０ＴｏｎＬＦ精錬炉 本発明品の添加量 原単位４Ｋｇ／溶鋼Ｔｏｎ 通常の溶解・精錬を経て出鋼された溶鋼は、ＬＦ精錬炉
にてＣａＯベースの造滓を計る。その際、フラックスの
代替として本発明による生成物の添加を計り溶鋼−スラ
グ間の界面反応の精錬を行なった。

【００３７】その結果から得られた情報は以下であっ
た。 １）製鋼精錬温度は一般には１６００℃内外で行なわれ
る。一方、添加するアルミナは２０２０℃の高溶融点を
有するために精錬反応に至までに時間を要する。本発明
手段による生成物は、溶融点が１４００℃内外と低温度
領域にあることから精錬スラグへの反応と溶解は短時
間、且つ精錬特性に優れた精錬スラグを得ることが出来
た。 ２）結果として、ＬＦ精錬時間の短縮効果は約３分であ
った。 ３）精錬の指針である脱硫精錬の効果は、従来手法によ
る精錬レベルとの比較で約２５％の脱硫能アップと計算
された。

【００３８】製鋼精錬プロセスへの本発明による生成物
の添加その効果：２ 上述した、その効果：１と同様のアーク電気炉、並びに
ＬＦ精錬炉の基での本発明手法製品の添加・精錬能の更
なる確認を行なった。その場合の設定環境は、先のその
効果：１とは異なり、アーク炉からの出鋼の際に予め決
められたＣａＯと、本発明手法製品との同時添加を取り
鍋内にて行ない出鋼造滓精錬に供した。その際の本発明
による製品の原単位は４Ｋｇ／溶鋼Ｔｏｎとした。

【００３９】その結果から得られた情報は以下であっ
た。 １）ＥＡＦ炉内の精錬スラグは、流滓手法により予め除
滓を行なってから出鋼へと移行した。出鋼に要した時間
は３分であったが、造滓は予想通り出鋼時間の前半でほ
ぼ終了した後に、後半は出鋼流の激しい攪拌力によるス
ラグ精錬が進行した。取り鍋内での溶鋼−スラグ間の界
面反応の促進の結果から、脱硫効率は通常出鋼との比較
で約３０％の向上をみた。 ２）先の脱硫効率の向上と、次工程でのＬＦ造滓の軽減
化との相乗効果から、ＬＦ精錬時間の短縮化に目途をつ
けることが出来た。

【００４０】その他、本発明の製造手段によれば、カル
シウムアルミネートの合成を伴うことが出来ることか
ら、窯業資材としての開拓に大いなる希望と展望に期待
を持つことが出来る。

【００４１】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アルミ灰（以下に名称の定義説明を記
   す）とアルミ灰に含まれるアルミニウムの酸化反応によ
   る誘引エネルギーでもって、他の鉱物もしくは化合物と
   の反応を、回転を伴うことを特徴とする反応炉でもっ
   て、焼結或いは溶融法によるアルミナ基材の製造方法 アルミ灰の定義：アルミニウム精錬や同二次精錬、ある
   いはアルミニウム合金や母合金溶解精錬工程の際に発生
   するアルミ精錬滓、もしくはアルミドロス、あるいは前
   述した精錬滓、もしくはアルミドロスからアルミニウム
   分を分級抽出した際の残滓分等、精錬滓全般を指す。