説明

単一炉を使用し、炉内温度制御による炭素熱還元方法

【解決手段】単一の炭素熱反応器/炉(11)を用いてアルミニウムを製造するプロセスであって、前記反応器/炉は、反応器の側部の下部に抵抗加熱式電極(16)(13)を具える単一の中空反応室を有しており、Al23とC(カーボン)を加えることで操業を開始し、前記混合物を溶融させて、約1875℃〜2000℃の(Al23−Al43)スラグを生成し、炉(11)の温度を上げて、上部にC量が6〜8重量%のAl相と底部にスラグ相(22)を生成し、次に、Al23をAl−C/スラグ(21)(22)に加えてAl23リッチのスラグを生成し、反応物の温度を下げて、脱炭反応(ステップ30)を生じさせて、上部にCが5重量%未満のAl相を生成し、ステップ(40)を経て、前記Alを取り出す。残りのスラグは開始物質として用いられる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、炭素熱還元炉の単一反応室で低炭素アルミニウムを生成する方法に関し、反応室の中の反応物質の温度を制御して降温又は昇温行なうものである。
【背景技術】
【0002】
アルミナの直接炭素熱還元は、米国特許明細書第2974032号(Grunert et al.)及び第6440193B1号、並びに、S. Seetharaman & D. Sichen編集による“Proceedings 6th Conference on Molten Slags, Fluxes and Salts”において、「“Carbothermic Aluminum”, K. Johansen, J. Aune, M. Bruno & A. Schei, Sweden-Helsinki Finland, June 12-17, 2002」に記載されている。
アルミナの炭素熱還元の全体反応は、次のとおり、認識されている。
Al23+3C=2Al+3CO …… [1]
この反応は、一般的に、次の如きステップで起こるものと考えられている。
2Al23+9C=Al43+6CO(蒸気) …… [2]
Al43+Al23=6Al+3CO(蒸気) …… [3]
Al23+2C=Al2O(蒸気)+2CO(蒸気) …… [4]
Al23+4Al=3Al2O(蒸気) …… [5]
Al=Al(蒸気) …… [6]
【0003】
反応[2]は、2000℃以下の温度、一般的には、1900℃〜2000℃の間で行われる。重要なことは、アルミニウム生成反応である反応[3]が、約2050℃の高温で行われ、相当量の熱入力を必要とすることである。非常に重要なことは、反応[2][3]に記載された物質(species)に加えて、反応[6]のガス状Alを含む揮発性物質とガス状の亜酸化アルミニウムAl2Oは、反応[4]又は[5]で生成されることである。炭素熱還元プロセス全体としては、Al2OとAlガスは、蒸気回収装置又は蒸気回収反応器と一般的に称される別個の反応器の中で、カーボンと反応させることによって回収される。
【0004】
アルミニウムを生成するための炭素熱還元に関する他の特許として、米国特許明細書第4099959号(Dewing et al.)があり、ここには、2つの反応ゾーンが記載されており、オフガスは粒状物質の中を通過させられ、ガススクラバ内の未使用石炭又はグリーンコークの流れと向流である。米国特許第4033757号(Kibby)及び第4388107号(Kibby)は、スラグの温度を約1850℃の低温度に維持した状態で、溶融物の表面を約2100℃まで加熱することにより、カーボン分を還元し、これにより金属中のC(カーボン)量を低減することを開示している。しかしながら、これは、蒸発が過剰に生ずるので、実施は困難と思われる。'757特許(Kibby)のプロセスは、アーク加熱とプラズマジェットを用いており、1850℃〜1950℃で開始し、次にアーク加熱で2100℃まで昇温させて、C:10重量%未満のAlを生成するものである。'107特許(Kibby)は、第2の炉又は別個の脱炭素ゾーンを用いており、高温の金属及びスラグを、炉から炉へ移動させる必要がある。
【0005】
その他の先行技術として、例えば、米国特許第4334917号(Kibby)及び第4533386号(Kibby)があるが、両方とも、複数の反応器を用いるか、又は追加の脱炭素ゾーンを用いている。2003年8月23日に出願された米国特許出願第10/646507号(J. Aune et al.)は、単一反応室を有する炭素熱還元炉用の電極装置を開示しており、側壁の電極は、各々が他方のものと接続され、底部ライニングの代わりに電気接点として用いられ、垂直方向の電極は両方とも液体スラグの中に沈められている。
【0006】
炭素熱プロセスにおいて、2つの反応ゾーン又は複数の炉を用いると、コスト高を招き、不必要に複雑化する。要求されているのは、カーボン含有量が少ないアルミニウムを回収するための効率的かつ簡素化された方法である。それゆえ、本発明の主たる目的の1つは、コスト及びエネルギーの効率性をより高めることのできるアルミニウム生成プロセスを提供することであり、反応室(reactor compartment)が単一の炭素熱還元炉を使用し、反応室の温度制御を行なうものである。
【発明の開示】
【0007】
<発明の概要>
本発明は、低炭素アルミニウムを生成するために単一の炭素熱反応器を用ることにより、上記要請に応え、上記問題を解消するものであって、(a) 単一の中空反応室を内部に有する単一炉の底部に複数の抵抗加熱式電極を配備し、上部に1又は複数の垂直方向電極を選択的に配備し、(b) 炉の内部にAl23とCを添加してプロセスを開始し、それら混合物を溶融し、温度が約1875℃〜2000℃の(Al23−Al43)スラグと過剰のAl43を生成し、(c) Al43をスラグに添加し、炉の温度を上げて、上部にC:約6重量%〜7重量%のAl相と、底部に約2050℃〜2100℃のスラグ相を生成し、(d) Al23をAl−C/スラグに加え、Al23の添加により、Al23リッチのスラグを生成し、温度を約1800℃〜1900℃に下げて、単一反応室内で脱炭素反応(decarbonization reaction)を生じさせ、上部にCが約5重量%未満のAl相と、底部に約1800℃〜1900℃の(Al23リッチ−Al43)スラグを生成し、(e) 上部のC:約5重量%未満のAl相を取り出し(tapping)、(f) ステップ(b)〜(e)を繰り返すステップを含んでいる。このスラグを用いて、次のサイクルが開始される。次のサイクルは、幾らかのCとAl23を底部スラグに加えることにより開始し、ステップ(c)〜(e)が繰り返される。好ましくは、取り出されたアルミニウム相はCが3重量%よりも少ないAlであり、ステップ(c)で添加されるAl43は、反応器に連繋された蒸気回収装置から供給される。
【0008】
ステップ(b)では、スラグを供給するのに、上部に少なくとも1つの垂直方向電極が引込み可能に配備されたアーク加熱が用いられる。ステップ(d)でAl23を加えることが非常に重要であるのは、炉内の温度を低下させて、相当量のCをアルミニウムからスラグに移動させて、スラグの組成を変えることである。この方法では、炉又は反応器を唯1つ用いるだけであるので、炭素量の少ないアルミニウムを非常に簡単に生成することができる。
【0009】
<望ましい実施例の詳細な説明>
本発明について、限定するものではない添付の図面を参照してさらに説明する。
図1は、炭素熱反応プロセスの一実施例を簡素化して示す図であって、Alを生成し、オフガス中のAl、Al2O及びCOを、Al43、Al23及びスラグとして回収し、この材料を溶鉱炉(smelting furnace)へ送給するプロセスを示している。図1において、ガスの流れは破線で示され、固体及び溶融物質な流れは実線で示されている。
【0010】
図1において、炭素熱還元溶解炉は、簡素化のために第1ステージと第2ステージを具えるものを示しており、炉からのオフガスは、配管(3)(4)を通り、密閉されたオフガス反応器(5)へ送られる。オフガス反応器(5)は、反応器のタイプにもよるが、約1600℃〜2050℃の温度で運転されている。反応器は、2以上配備されることもでき、例えばステージ1の溶鉱炉(1)に対して1つ、ステージ2の溶鉱炉(2)に対して1つ設けられる。反応器(5)は、向流型移動床反応器又は流動床又は一連の流動床であってよい。反応器(5)に入るオフガスのAl成分はカーボンと反応して、Al43、Al23及びAl43−Al23スラグ材が生成される。このスラグ材は、配管(6)を経て、ステージ2へ送られる。
【0011】
反応器(5)からのガスは主にCOを含んでおり、反応器に充填された活性炭の揮発分からのH2を一部含む可能性はあるが、Al又はAl2Oは殆ど含まないか、全く含まない。反応器(5)からのオフガスは、高温COのようにエネルギー値が高く、ガスタービン又は従来のボイラーにおける電気エネルギーの生成に用いられることができる。アルミニウム蒸気は、反応してカーバイドになったり、凝縮してAl23とCになるか、又は、Al23−Al43スラグが生成される。Al43−Al23スラグと未反応カーボンは、配管(6)を経て、炭素熱還元溶鉱炉の第2ステージへ供給される。Al−C液体合金は、図1に示される如く、溶鉱炉のステージ2を出て行く。図1中、“S”は固体、“V”は蒸気、“LIQ”は液体を意味する。
【0012】
図2は、本発明の方法における基本的なステップ、反応及び反応物を示している。この新規なプロセスでは、単一炉(single furnace)を用いるので、スラグのリサイクルは全く不要であり、スラグの抵抗加熱による過剰な蒸気化が回避される。プロセスの第1ステップでは、Al23とCが加えられ、Al23−Al43スラグが生成され、このスラグは、過飽和のAl43を過剰に含むことができる。炉の温度は約1875℃〜2000℃で操業され、スラグが生成される。第2のステップでは、約2050℃〜2100℃の温度で6−8重量%Cを含むAl合金が生成され、さらなるエネルギーと追加のAl43を必要とする。Al43の一部は、第1ステップで過剰のものが用いられ、残りは蒸気回収装置から得られる。次に、常温のAl23が炉に加えられ、Al23リッチのスラグが生成され、温度は約1850℃に下降する。これにより、カーボンが除去されて、アルミナリッチのAl23−Al43スラグが生成する。これにより、カーボンの約65重量%が除去され、それゆえ、アルミニウム中のカーボンは6重量%から2重量%に減少する。複数ステージの反応器ではないので、全体的なプロセスは簡素化され、高温の液体スラグを移動させる必要はない。
【0013】
図2の第1ステップ(10)で、スラグが生成される。第2ステップ(20)では、スラグ相(22)の上部に、約5〜7重量%のCを含む金属(21)が生成し、気体が放出される(簡易化のために図示は省略している)。第3ステップ(30)では、添加されるAl23は常温(約20℃〜約35℃)である場合、抽出又は脱炭素反応は低温度で行われるので、蒸気損失は低減される。重要なことは、両方の温度を実質的に低下させるので、ステップ(40)でアルミナリッチのスラグとなることである。ここで、CはAl相から出て行くので、アルミニウム相はCが5重量%よりも少ない相となり、好ましくはCが3重量%よりも少ない相(23)となって、取り出される。ステップ(30)(40)の一部は重複する。
本発明のプロセスをまとめると次の通りである。
【0014】
<スラグの生成>
プロセスは次の通り開始する。まず、Al23とカーボンを加えて、約1900℃〜2000℃の温度で、77%Al23−23%Al43(モル%)及び一部過剰のAl43の液体スラグを生成する。一部はAl2O及びAl蒸気となり、蒸気回収反応器(5)へ送られる。プロセスが一旦定常状態になると、スラグ生成の開始点(starting point)は、先のサイクルでの脱炭素後に残存するスラグである。
【0015】
<金属の生成>
金属は、約2050℃〜2100℃の温度にて、次の反応によって生成される。
Al23+Al43=6Al+3CO
蒸気回収反応器(5)から、炭化アルミニウムが加えられる。Alの約17%がAl2O及びAlとして蒸発する。エネルギーはスラグ層の電気抵抗加熱によって供給されるが、スラグの一部は炉の中に残存しなければならないため、スラグの全部を反応させることはできない。スラグの約20%は反応せず、抵抗加熱のために残存する。全てのカーバイドが加えられた後、温度を上げると脱炭が起こり、スラグのカーバイド量と金属中のカーボン量が減少して、大量のAl2O及びAlの蒸発が起こる。
【0016】
<脱炭素>
金属からカーボンを除去するために、炉にAl23が加えられる。Al23の加熱溶解温度は、脱炭素に必要な温度よりも高いため、Al23を加熱し溶解するのにいくらかの電力を必要とする。エネルギーの一部はスラグの顕熱により得られる。スラグ−金属系は、約1850℃まで降温することができる。スラグは、Al23の中で富化し、カーボンは金属から出てスラグへ移動する(Al43)。金属が取り出され、得られたAl23リッチの液体スラグは、スラグ生成のためにリターンさせる開始点である。
【0017】
金属が取り出されると、温度を約1900℃〜2000℃まで上昇させて、もう一度、Al23とカーボンを添加して、金属生成のために、所望組成の液体スラグと過剰のAl43を生成する。このプロセスにおいて、相当量のCOが生成され、Alは、ガス状のAl及びAl2Oとなる。図2に示されるように、これらのガス状物質は、蒸気回収反応器(5)においてAl43に転換され、金属の生成が行われる間、炉にリターンされる。
【0018】
ステップ(10)では、図2に示される如く、単一炉(11)は、一般的には、側壁と底部と単一の中空反応室(13)とを有しており、本発明だけに用いられるもので、内部にアンダーフローの分離壁/バッフル等を有しない。炉は、矩形、正方形、円形又は長円形又はそれに似た形状を有することができる。炉の側壁の内部には、図示の如く、底部に抵抗加熱式電極(16)が配備され、好ましくは反応器の側部に配置される。ステップ(10)では、好適には、上部に、垂直方向に引込可能な(retractable)外部電極(12)が少なくとも1つ用いられる。電極はアークを発生させて、初期状態又は定常状態の固体Al23及びCを溶融する。これら固体は、Al23−Al43スラグと追加のAl43を含む溶融スラグ相を生成するために添加される。
【0019】
電極(12)(16)は、カーボン、グラファイト又は非消耗性不活性セラミック材料から作られ、各電極に対して、電流手段(19)により電気が独立して供給される。底部の抵抗加熱式電極は、好ましくは水平であり、金属の生成に用いられ、金属の過熱を少なくして、過剰の蒸気を生じさせる。底部電極(16)は、ステップ(20)(30)(40)に示される如く、底部の溶融スラグ相/層(22)に又はそれに隣接して配置されることが好ましい。ステップ(10)(20)において、Al2O、蒸気、CO及びAlは、流れ(3)及び(3')として出て行く。ステップ(10)〜(30)におけるAl23、C、Al43を供給する手段は、気密であることが好ましい。清浄アルミニウムの流れ(26)は、あらゆる装置に送られる。例えば、脱ガス装置へ送られたり、例えばH2フラックス処理装置(fluxing apparatus)へ送られ、溶融物から酸化物を除去し、最終的に鋳造装置へ送られ、合金化されていない(unalloyed)一次形状物、例えば、約50lb.(22.7Kg)〜750lb.(341Kg)のインゴットが得られる。これらのインゴットは、保持炉又は混合炉の中で最終の合金化のために再溶融されてもよいし、溶融物は、フラックス処理装置から、アルミニウム合金形状物に最終合金化又は鋳造するための炉へ直接送られこともできる。
【0020】
本発明の具体的実施例を例示して説明したが、当該分野の専門家であれば、本発明の詳細について、特許請求の範囲に規定された発明から逸脱することなく成すことはできるであろう。
【0021】
このプロセスの一例を記載すると、金属生成ステージの開始は、100モルの77%Al23−23%Al43スラグである。温度が上昇すると、反応(3)が起こる。スラグの組成を維持するために、スラグにAl43が添加される。炉の中に、15モルのAl23と5モルのカーバイドが残るまで、反応が進行する。プロセスでは、372モルのAlが生成されるが、62モルは蒸発するので、310モルの液体Alが残り、これには約7.5重量%のCが含まれる。
【0022】
蒸発したAlにより、約15モルのカーバイドが生成される。スラグ生成中に、十分なAlが蒸発して、10モルのカーバイドが生成される。金属生成ステップでは、合計62モルのカーバイドが必要である。カーバイドは、28モルはスラグからの反応により、約25モルは蒸気回収反応器(VRR(vapor recovery reactor))から得られるが、約9モルのAl43が不足する。この追加のカーバイドは、スラグ生成中に生成されることができる。それゆえ、実際の開始点は、100kモルの77%Al23−23%Al43含有スラグと9kモルのAl43である。約25kモルのAl43がVRRから添加される
【0023】
金属生成では、スラグ+Al43はより高い温度(2050℃〜2100℃)まで加熱され、約7.5重量%のCを含む310kモルのアルミニウム金属が生成される。約20kモルのスラグが残り、抵抗加熱に供される。
【0024】
脱炭素では、75kモルのAl23が加えられ、90kモルのAl23と12モルのAl43が生成される。温度は約1850℃まで降温する。温度が低下すると、スラグと金属との間のカーボン分配比は大きくなる。金属のカーボン量は、約6.0%から2.5%に減少する。これは、スラグと金属とのカーボン分配比が2、金属8904kg及びスラグ9900kgであることに基づいている。金属が取り出され、残りのスラグは90kモルAl23−12kモルAl43であり、これがスラグ生成の開始点である。
【0025】
金属が取り出された後、温度は約2000℃まで上げられ、Al23とカーボンが添加されて、金属生成のために所望組成の液体スラグと過剰のAl43が生成する。これは、約225kモルのCと、37kモルのAl23を必要とする。スラグが生成した後、金属生成ステップが繰り返される。
【0026】
本発明の望ましい実施例を説明したが、特許請求の範囲内で他の実施例も可能であることは理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】Al2OとAl蒸気を、Al43及び/又はAl23固体(Al43−Al23スラグ)として回収するオフガス回収反応器を含む、アルミニウム生成の炭素熱還元プロセスを概念化した従来システムの一例を示すフローシートである。
【図2】単一炉を用いて低カーボンアルミニウムを生成する本発明のステップを示すフローシートである。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
単一の炭素熱反応器を用いて炭素含有量が少ないアルミニウムを生成する方法であって、
(a) 反応器の内部に単一の中空反応室を有する単一炉に、複数の抵抗加熱式底部電極を炉壁に配備し、また、1又は複数の垂直方向電極を選択的に配備し、
(b) 炉の内部にAl23とCを添加してプロセスを開始し、前記Al23とCの混合物を溶融し、温度が約1875℃〜2000℃の(Al23−Al43)スラグと過剰Al43を生成し、
(c) Al43をスラグに添加し、炉の温度を上げて、Cが約6重量%〜8重量%のAl相を上部に、温度が約2050℃〜2100℃のスラグ相を底部に生成し、
(d) Al23をAl−C/スラグに加え、Al23の添加により、Al23リッチのスラグを生成し、温度を約1800℃〜1900℃に低下させて、単一反応室内で脱炭素反応を生じさせ、Cが約5重量%未満のAl相を上部に、約1800℃〜1900℃の(Al23リッチ−Al43)スラグを底部に生成し、
(e) Cが約5重量%未満の上部Al相を取り出し、
(f) ステップ(b)〜(e)を繰り返す、ことを含んでいる方法。
【請求項2】
上部に配備される少なくとも1つの垂直方向電極は、ステップ(b)でアーク加熱を行なうのに用いられる請求項1の方法。
【請求項3】
ステップ(d)では、Al23を加えることによってスラグの組成を変化させ、CをAlからスラグへ移動させるようになし、ステップ(d)では、上部のAl相はCが3重量%未満であり、前記Al相はステップ(e)で取り出される請求項1の方法。
【請求項4】
オフガスは、ステップ(b)で発生するAl23、CO及びステップ(c)で生成するAlを含んでおり、前記オフガスは、反応器へ送られて、ステップ(c)のスラグへ加えられるAl43及びAl23又はAl43-Al23スラグを生成する、請求項1の方法。
【請求項5】
ステップ(d)において、上部Al相はCが3重量%未満であり、前記Al相はステップ(e)で取り出される請求項1の方法。
【請求項6】
ステップ(e)の後、温度を約1875℃〜2000℃まで上昇させ、Al23とCが加えられてステップ(a)が開始する請求項1の方法。
【請求項7】
ステップ(d)で脱炭素が行われる際、CはAl相からスラグへ移動する請求項1の方法。
【請求項8】
Al2O、CO及びガス状Alは、オフガス反応器へ送られ、ここでCが加えられて固体Al43及び固体Al23及びAl43−Al23スラグが生成され、炉へリターンされる請求項1の方法。
【請求項9】
Al43は、ステップ(c)に戻される請求項8の方法。
【請求項10】
抵抗加熱式底部電極は、炉の側部で底部のスラグ相に隣接して配置され、カーボン、グラファイト又はセラミックを含む非消耗性不活性アノード材料から選択される材料から作られる請求項1の方法。
【請求項11】
ステップ(d)のスラグは、追加のAl23及びCと共に、次のサイクルの開始物質として用いられる請求項1の方法。

【図1】
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【図2】
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【公表番号】特表2008−511760(P2008−511760A)
【公表日】平成20年4月17日(2008.4.17)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−530444(P2007−530444)
【出願日】平成17年9月1日(2005.9.1)
【国際出願番号】PCT/US2005/031521
【国際公開番号】WO2006/026771
【国際公開日】平成18年3月9日(2006.3.9)
【出願人】(500277629)アルコア インコーポレイテッド (49)
【出願人】(505334938)
【氏名又は名称原語表記】ELKEM AS
【Fターム(参考)】