JPS6123251B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は新規な高温熱伝達方法、さらに詳しく
は、燃焼室で発生させた高温の熱を、金属の銅ま
たは錫の溶融体と該金属の銅または錫の溶融体と
接触する黒鉛の隔壁を介して加熱室へ伝達させる
ことを特徴とする高温熱伝達方法に関するもので
ある。

アルミニウム製錬は、現在、ホール・エルー電
解法により行われているが、その製錬コストの大
略50％が電力料金で占められるため、電力料金の
高騰している今日では、極めて経済性の悪いもの
となつている。一方、アルミニウム製錬に見られ
るこのような経済性の悪化を解決するために、ア
ルミニウム製錬を溶鉱炉法により行う方法も提案
されている。この溶鉱炉法は、、アルミナ・シリ
カを主成分とし、鉄を含む原料を、溶鉱炉内にお
いて、石炭やコークスを燃焼させて高温に加熱・
還元させて、アルミニウム・シリコン合金や、ア
ルミニウム・シリコン・鉄合金等を製造する方法
である。しかしながら、溶鉱炉法でアルミニウム
製錬を行う場合、原料の加熱・還元と、その加熱
還元に必要な石炭やコークスの燃焼が同一炉内で
覆われるため、操作上種々の困難が生じる。例え
ば、炉内においては、原料の還元に必要な2000℃
以上の高温を発生させるために、多量のコークス
や石炭の燃焼が必要とされ、その結果、多量の
COガスが発生する。そして、炉内における
SiO，SiO₂，Ａ₂O等の蒸発種は、この多量の
COガスによつて上層に運ばれ、ここで凝集し
て、ブリツジングやフラツデイング現象を生じ
る。また、アルミニウム分の一部は、多量のCO
ガスによつて炉外へ運ばれ、その損失も起る。さ
らに、多量のCOガスの発生により、安定な炉の
操業が難しいという問題もある。

本発明者らは、溶鉱炉法における前記問題を解
決すべく種々検討を重ねたが、同一炉内におい
て、原料の加熱還元と、その加熱還元に必要な石
炭やコークスの燃焼とを同時にかつ円滑に行うこ
とは極めて困難であり、このような操作を行う限
り、前記問題を根本的に解決することは困難であ
るとの結論を得た。そこで、本発明者らは、原料
の加熱還元と、そのため石炭やコークスの燃焼と
を別個に行わせるために間接加熱炉について検討
したが、従来の間接加熱炉の場合、燃焼炉と加熱
炉との間の熱伝達を行わせる隔壁は、耐熱鋼や炭
化ケイ素などの材料から構成されるため、この耐
熱温度は最高1300℃程度であり、耐熱性が悪く、
ボーキサイトやアルミナの加熱還元に必要な2000
℃以上の高温に耐えるものではなく、また熱伝達
性の点でもないため、効率的な熱伝達を行うこと
が困難であることが判明した。

そこで、本発明者らは、燃焼炉を備えた間接加
熱炉において、2000℃以上という超高温の熱を燃
焼炉から加熱炉へ長期間にわたつて安定性よくか
つ効率よく熱伝達させる方法を開発すべく鋭意研
究を重へた結果、燃焼室で発生させた高温の熱を
金属の銅または錫の溶融体と該金属の銅または錫
の溶融体と接触する黒鉛の隔壁を介して加熱室へ
伝達させることにより、その目的を達成し得るこ
とを見出し、本発明を完成するに到つた。

本発明においては、超高温の熱を伝達させる媒
体として、金属の銅または錫の溶融体と接触する
黒鉛を用いる。黒鉛は、耐熱性にすぐれ、2000〜
3000℃の高温に充分耐えることができ、その上、
熱伝達性にもすぐれ、その熱伝導率は、通常40〜
100Kca／ｍ・hr・℃の範囲である。しかしな
がら、この黒鉛は、可燃性で、酸化雰囲気下で高
温に加熱すると、燃焼してしまうので、そのまま
では燃焼室と加熱室との間の熱伝達媒体として用
いることはできない。本発明では、この黒鉛の燃
焼を防止するために、熱焼室に露出する黒鉛の表
面に金属の銅または錫の溶融体を接触させ、黒鉛
の表面が直接燃焼室の酸化雰囲気と接触しないよ
うにする。銅の融点は1083℃及び錫の融点は231
℃であるので、2000℃以上の温度では溶融体とな
り、黒鉛の表面上に連続したその溶融体層を形成
させることができ、燃焼室に露出する黒鉛表面の
酸化燃焼を完全に防止することができる。また、
これらの銅または錫の溶融体は、伝熱性にも極め
てすぐれ、さらに炭素と反応しないことから、黒
鉛を侵食するようなこともない。

次に、本発明を図面によりさらに詳細に説明す
る。

第１図は、本発明を実施するための加熱炉の一
実施例についての断面説明図を示し、図中、Ａは
燃焼室、Ｂは加熱室、１はトレイ状の黒鉛板、２
は黒鉛板内表面上に形成された金属銅または金属
錫の粉体又は溶融体層、３は炉壁、４は保護枠、
５は頂版、６はバーナーポートである。炉壁３、
保護枠７及び頂版５はいずれも耐熱材料からな
り、例えば、炭化ジルコニウム（ZrC）のレンガ
を用いることができる。

前記のような構造の加熱炉において、バーナポ
ート６からバーナにより重油、天然ガス、あるい
はコークスや石炭等の燃料を燃焼させると、燃焼
室Ａの室内温度は上昇し、銅または錫の融点以上
の温度になると、金属銅または金属錫の微粉末層
２はそれらの溶融体層になり、トレイ状の黒鉛板
上に連続した金属銅または金属錫の溶融体層が形
成される。このような状態でさらに加熱を続ける
ことにより、燃焼室Ａの温度を2000℃以上、例え
ば、2500℃に上昇させることができる。

燃焼室Ａで発生させた熱は金属銅または金属錫
の溶融体層を通り、黒鉛板体を通つて、黒体輻射
により加熱室Ｂ内に伝達され、加熱室Ｂ内の温度
を上昇させる。この場合、加熱室Ｂ内には、黒鉛
板体の表面がそのまま露出しているので、この加
熱室内はあらかじめ非酸化性の雰囲気を形成する
ために例えば、アルゴンやヘリウム等の不活性ガ
ス、あるいは一酸化炭素、などの還元性ガスを流
通あるいは充填して、黒鉛板の酸化燃焼を防止す
ることが必要である。

本発明によれば、燃焼室Ａで発生した高温の熱
を極めて効率よく加熱室Ｂに伝達させることがで
きる。即ち、本発明で隔壁として用いた金属銅ま
たは金属錫の溶融体及び黒鉛板はいずれも熱伝導
率の良好なものであり、また黒鉛板から加熱室Ｂ
内への熱伝達は黒体輻射により行われることか
ら、小さい温度勾配で燃焼室Ａの高温の熱を加熱
室Ｂへ熱伝達させることができる。この場合の隔
壁の温度勾配は主に黒鉛板の厚さによるが、例え
ば、厚さ10cmの黒鉛板を用いて、加熱室Ｂ内の温
度を2100℃程度に加熱する時には、黒鉛板による
温度勾配△Ｔ＝100℃程度になる。従つて、燃焼
室Ａの温度は2200℃以上にすればよい。

前記のような加熱炉を用いてアルミニウム製錬
を行なうには、アルミナを含有する原料と、コー
クス又は石炭などの炭素材との混合物を加熱室Ｂ
に装入し、前記のようにして加熱Ｂを所定の温度
に加熱すればよい。この場合、加熱室Ｂはあらか
じめ不活性ガスや一酸化炭素を充填して、黒鉛板
１の酸化燃焼を防止する。原料と炭素材との混合
物を、前記のようにして加熱する時には、原料中
に含まれるアルミナは次の反応によりアルミニウ
ムに還元される。

Ａ₂O₃（固体）＋3C→2A（液体）＋3CO アルミナ含有原料としては、ボーキサイト、ラ
テライト、ムライト、カイアナイト、礬土頁岩、
カオリナイト、アノルサイト、パイロフイライ
ト、モンモリロナイト、赤バン粘土、フライアツ
シユなどがあり、アルミナ分を含むものであれば
任意なものが適用可能である。アルミナ含有原料
に対する炭素材の添加量は、化学理論量以上であ
ればよい。アルミナ分の還元反応が生起すると、
加熱室Ｂ中には一酸化炭素が発生し、還元雰囲気
が形成され、その一部は系外へ排出されるが、黒
鉛板１は還元雰囲気には強い耐久性を有し、損傷
されることはない。

第２図に、本発明を実施するための加熱炉の他
の実施例を示す。

この加熱炉において、Ａは燃焼室、Ｂは加熱室
であり、加熱室Ｂは傾斜する黒鉛パイプ１１によ
り形成される。１２は金属銅または金属錫の粉体
又は溶融体層で、その表面は燃焼室Ａとの境界を
形成する。１３は炉壁、１４は黒鉛パイプ１１の
支持台、１５は炉の頂版、１６はバーナポート、
１７は補助用燃料フイーダ、１８は原料フイーダ
及び１９，２０は一酸化炭素排出パイプであり、
これらのものはいずれも耐熱材料で構成される。
２１は粗アルミニウム合金室である。

前記のような加熱炉を用いてアルミニウム製錬
を行うには、先ず、あらかじめ黒鉛パイプ１１の
内部（加熱室Ｂ）にパイプ１９から一酸化炭素又
は他の不活性ガスを流通させながら、バーナポー
ト１６からコークス又は石炭の微粉末と酸素を燃
焼室Ａに供給させると共に、コークス又は石炭の
粉末を補助用燃料フイーダ１７から燃焼室Ａに必
要に応じて供給し、それらを燃焼させる。燃焼室
Ａで発生した熱は金属銅または金属錫の粉末層１
２に伝達され、金属銅または金属錫の粉末層を溶
融体層に変える。そして、この金属銅または金属
錫の溶融体層の熱は黒鉛パイプ１１に伝達され、
黒体輻射により、加熱室Ｂ内に伝達される。

加熱室Ｂの内部が所要の高温度に加熱された
後、原料フイーダ１８からアルミナ分を含有する
原料と炭素材との混合物（粉末状又はペレツト
状）を供給し、黒鉛パイプ内を徐々に傾斜方向に
移動し、その間に還元温度にまで加熱される。得
られた粗アルミニウム合金は、アルミニウム合金
貯槽２１に貯留される。燃焼室Ｂ内には、アルミ
ナの炭素材による還元により、一酸化炭素が発生
し、還元性雰囲気になるが、還元性雰囲気の形成
後には、パイプ１９からの一酸化炭素又は不活性
ガスの流通は停止される。燃焼室Ｂ内で発生した
一酸化炭素は、排出管１９及び２０から排出され
る。

前記のようにしてアルミニウム製錬を行うこと
により、連続的にかつ効率よくアルミナ分をアル
ミニウム合金に転換することができる。しかもこ
の場合、加熱室Ｂ内には還元に必要な炭素材のみ
を充填すればよいことから、コーク量は溶鉱炉法
に比べて、約1/5に減少し、かつ一酸化炭素の発
生も少なくなる。従つて、原料中にシリカ分が多
くても、溶鉱炉法に見られたようなブリツジング
やフラツデイングの現象を回避することができ
る。

本発明の方法は、前記したように、高温の熱伝
達率を効率よく行う方法であり、アルミニウム製
錬炉における間接加熱方法として極めてすぐれた
ものであるが、その熱伝達原理から明らかなよう
に、他の金属含有鉱物、例えば、シリカ、その他
の金属酸化物の加熱還元にも応用し得るものであ
る。さらに、各種無機化合物例えば炭化物や窒化
物などの高温熱分解に対しても応用可能である。

次に本発明を実施例によりさらに詳細に説明す
る。

実施例 １ 図１に示される構造の炉の頂板をはずし、都市
ガス加熱により燃焼室の金属銅融液層を2100℃に
達せしめ、不活性ガスを充填した加熱室に設置し
た金属ロジウム（融点1960℃）を溶融させた。実
験後、黒鉛板と接している金属銅には炭化物の生
成はみられなく、かつ加熱室に面している黒鉛板
の酸化損耗も認められなかつた。

実施例 ２ 図１に示される炉の加熱室にAl₂O₃：Fe₂O₃：
Ｃ＝60：15：25（重量％）のペレツト装入し、都
市ガス加熱により金属銅を2200℃に達せしめ、30
分保持した。実験後、アルミ粗合金を75％の反効
率で得た。

実施例 ３ 図１に示される構造の炉の頂板をはずし、都市
ガス加熱により燃焼室の金属錫融液相を210℃に
達せしめ、不活性ガスを充填した加熱室に設置し
た金属ロジウム（融点1960℃）を溶融させた。実
験後、黒鉛板と接している金属錫には炭化物の生
成はみられなく、かつ加熱室に面している黒鉛板
の酸化損耗認められなかつた。

実施例 ４ 図１に示される炉の加熱室にAl₂O₃：FeO₃：Ｃ
＝60：15：25（重量％）のペレツトを装入し、都
市ガス加熱により金属錫を2200℃に達せしめ、30
分保持した。実験後、アルミ粗合金を70％の反応
率で得た。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の方法を実施するた
めの加熱炉の断面説明図を示し、第１図は板状の
黒鉛を用いて加熱室を形成した例及び第２図はパ
イプ状の黒鉛を用いて加熱室を形成した例を示
す。 １…黒鉛板、２…金属銅または金属錫の粉体又
は溶融体層、４…炉壁、７…保護枠、５…頂版、
６…バーナポート、１１…黒鉛パイプ、１２…金
属銅または金属錫の粉体又は溶融体層、１３…炉
壁、１４…支持台、１５…頂版、１６…バーナポ
ート、１７…補助用燃料フイーダー、１８…原料
フイーダー、１９，２０…一酸化炭素排出管、Ａ
…燃焼室、Ｂ…加熱室。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 燃焼室で発生させた高温の熱を、金属の銅ま
   たは錫の溶融体と該金属の銅または錫の溶融体と
   接触する黒鉛の隔壁を介して加熱室へ伝達させる
   ことを特徴とする高温熱伝達方法。