(57)【要約】【課題】アルミニウム溶湯中のＢｉを効率よく除去することができるアルミニウム溶湯の清浄化方法を提供する。【解決手段】Ｂｉを含むアルミニウム溶湯からＢｉを除去するアルミニウム溶湯の清浄化方法である。アルミニウム溶湯の清浄化方法は、Ｂｉを含むアルミニウム溶湯中にＭｇ酸化物を添加して、Ｍｇ酸化物とＢｉとが反応してなるＭｇ−Ｂｉ酸化物を形成する添加工程と、記Ｍｇ−Ｂｉ酸化物をアルミニウム溶湯から除去する除去工程と、を有している。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｂｉを含むアルミニウム溶湯からＢｉを除去するアルミニウム溶湯の清浄化方法であって、
Ｂｉを含むアルミニウム溶湯中にＭｇ酸化物を添加して、前記Ｍｇ酸化物と前記Ｂｉとが反応してなるＭｇ−Ｂｉ酸化物を形成する添加工程と、
前記Ｍｇ−Ｂｉ酸化物を前記アルミニウム溶湯から除去する除去工程と、を有する、
アルミニウム溶湯の清浄化方法。
【請求項２】
前記除去工程において、フィルタを用いて前記アルミニウム溶湯をろ過することにより、前記アルミニウム溶湯から前記Ｍｇ−Ｂｉ酸化物を除去する、請求項１に記載のアルミニウム溶湯の清浄化方法。
【請求項３】
前記除去工程において、前記アルミニウム溶湯中に不活性ガスを吹き込んで前記Ｍｇ−Ｂｉ酸化物を浮上させることにより、前記アルミニウム溶湯から前記Ｍｇ−Ｂｉ酸化物を除去する、請求項１に記載のアルミニウム溶湯の清浄化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム溶湯の清浄化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム材（アルミニウム及びアルミニウム合金を含む。以下同じ。）は、金属材料としては軽量である、強度が高い、優れた表面処理性を有する等の特徴を活かし、種々の用途に使用されている。また、アルミニウム材はリサイクル性にも優れているため、アルミニウム材のスクラップから二次地金を作製することが一般的に行われている。
【０００３】
アルミニウム材中には用途に応じて種々の元素が添加されているため、スクラップから二次地金を作製する場合には、アルミニウム溶湯中の元素の濃度を適宜調整する必要がある。例えば、スクラップ中に熱交換器用フィンが含まれている場合には、アルミニウム溶湯中のＢｉ（ビスマス）量が多くなりやすい。Ｂｉの含有量が多くなると、二次地金中に粗大な共晶化合物が形成され、最終的に得られる再生アルミニウム材の強度の低下や表面処理性の悪化を招くおそれがある。
【０００４】
そこで、アルミニウム溶湯中のＢｉを除去する方法として、例えば、アルミニウム溶湯中にアルカリ土類金属の単体またはその化合物を添加する方法が提案されている（特許文献１）。この方法では、アルミニウム溶湯中でＢｉとアルカリ土類金属との金属間化合物を形成した後、この金属間化合物をアルミニウム溶湯から分離して除去することにより、Ｂｉの除去を図っている。
【０００５】
また、Ｂｉの除去をより効率よく行うため、前記の方法において、アルカリ土類金属等の添加量を０．３質量％以上とする方法も提案されている（特許文献２）。この方法では、金属間化合物の除去後にアルミニウム溶湯中に残存した過剰のアルカリ土類金属等をハロゲン精錬によって除去している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−２４２９５７号公報
【特許文献２】特開平９−３１５６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１〜２に記載の方法において、アルカリ土類金属とＢｉとの金属間化合物をアルミニウム溶湯から分離して除去するためには、例えば、不活性ガスを溶湯中に吹き込むことにより金属間化合物を浮上させる、フィルタを用いてアルミニウム溶湯をろ過する等の方法がある。しかし、金属間化合物は、溶湯中において液状または半溶融状態で存在しているため、これらの方法では金属間化合物を効率よく除去することが難しい。
【０００８】
即ち、不活性ガスをアルミニウム溶湯中に吹き込む方法では、金属間化合物の物理的な形状が定まらないため、金属間化合物がアルミニウム溶湯の表面に浮上している状態を維持することが難しい。そのため、表面に浮上した金属間化合物がアルミニウム溶湯中に沈み、再びアルミニウム溶湯中に溶解するおそれがある。
【０００９】
フィルタを用いてアルミニウム溶湯をろ過する方法では、液状の金属間化合物をアルミニウム溶湯から分離することができない。また、半溶融状態の金属間化合物は、フィルタによってアルミニウム溶湯からある程度分離することができるものの、温度の変動によってアルミニウム溶湯中に再び溶解するおそれがある。
【００１０】
また、特許文献１〜２の方法では、溶湯中に添加したアルカリ土類金属等が溶湯中に残存するおそれがある。過剰のアルカリ土類金属は、例えば特許文献２のように、ハロゲン精錬によって除去することができる。しかし、この場合には、工程数の増加や製造コストの増大を招くおそれがある。
【００１１】
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、アルミニウム溶湯中のＢｉを効率よく除去することができるアルミニウム溶湯の清浄化方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一態様は、Ｂｉ（ビスマス）を含むアルミニウム溶湯からＢｉを除去するアルミニウム溶湯の清浄化方法であって、
Ｂｉを含むアルミニウム溶湯中にＭｇ（マグネシウム）酸化物を添加して、前記Ｍｇ酸化物と前記Ｂｉとが反応してなるＭｇ−Ｂｉ酸化物を形成する添加工程と、
前記Ｍｇ−Ｂｉ酸化物を前記アルミニウム溶湯から除去する除去工程と、を有する、
アルミニウム溶湯の清浄化方法にある。
【発明の効果】
【００１３】
前記アルミニウム溶湯の清浄化方法は、アルミニウム溶湯中にＭｇ酸化物を添加する添加工程を有している。Ｍｇ酸化物は金属ＭｇやＭｇ化合物に比べて融点が高いため、アルミニウム溶湯中において、固体状態を維持することができる。また、アルミニウム溶湯中のＢｉとＭｇ酸化物とが接触すると、ＢｉがＭｇ酸化物中に取り込まれる。Ｍｇ酸化物中に取り込まれたＢｉは、Ｍｇ原子との化学結合を形成する。これにより、アルミニウム溶湯中にＭｇ−Ｂｉ酸化物が形成される。
【００１４】
Ｍｇ−Ｂｉ酸化物中のＢｉは、前述したようにＭｇ原子と化学的に結合しているため、Ｍｇ−Ｂｉ酸化物中に強固に保持される。そのため、Ｍｇ−Ｂｉ酸化物からアルミニウム溶湯中へのＢｉの再溶出を抑制することができる。また、Ｍｇ−Ｂｉ酸化物は、Ｍｇ酸化物と同様に高い融点を有するため、アルミニウム溶湯中において固体状態を維持することができる。そのため、Ｍｇ−Ｂｉ酸化物自体がアルミニウム溶湯中に溶解することはない。
【００１５】
このように、添加工程においてアルミニウム溶湯中にＭｇ酸化物を添加することにより、Ｍｇ−Ｂｉ酸化物から溶湯へのＢｉの溶出や、Ｍｇ−Ｂｉ酸化物自体の溶湯への再溶解を抑制することができる。
【００１６】
また、添加工程においてアルミニウム溶湯中にＭｇ酸化物を添加することにより、アルミニウム溶湯中のＢｉを固体のＭｇ酸化物中に取り込むことができる。そして、除去工程において、液体のアルミニウム溶湯と固体のＭｇ−Ｂｉ酸化物という相の違いを利用して、アルミニウム溶湯中からＭｇ−Ｂｉ酸化物を容易に除去することができる。
【００１７】
以上の結果、前記アルミニウム溶湯の清浄化方法によれば、アルミニウム溶湯中のＢｉを効率よく除去することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
前記アルミニウム溶湯の清浄化方法において、アルミニウム溶湯中に含まれるＢｉ以外の化学成分は特に限定されることはない。前記清浄化方法は、例えば、Ｓｉ（ケイ素）、Ｆｅ（鉄）、Ｃｕ（マンガン）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃｒ（クロム）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｔｉ（チタン）等を含むアルミニウム合金の溶湯に適用することができる。また、アルミニウム溶湯中のＢｉ濃度も特に限定されることはない。例えば、前記清浄化方法を適用する前に予め溶湯中のＢｉ濃度が０．５％以下となるように濃度を調整してもよいし、Ｂｉ濃度の調整を行わずに前記清浄化方法を適用してもよい。
【００１９】
添加工程において、アルミニウム溶湯は、自然対流や強制攪拌等によって攪拌されている。このアルミニウム溶湯中にＭｇ酸化物を添加することにより、Ｍｇ酸化物がアルミニウム溶湯中に均一に分散し、アルミニウム溶湯中のＢｉと接触する。
【００２０】
Ｍｇ酸化物とＢｉとが接触すると、まず、Ｍｇ酸化物の表層に存在するＭｇ原子とＢｉとが化学結合を形成する。アルミニウム溶湯中のＭｇ酸化物は比較的高温となっているため、Ｍｇ酸化物の表層においてＭｇ原子と反応したＢｉは、濃度勾配に従ってＭｇ酸化物の内部へ容易に拡散することができる。また、ＢｉがＭｇ酸化物の内部に拡散すると、Ｍｇ酸化物の表層はＢｉと結合していないＭｇ原子が形成される。これにより、Ｍｇ酸化物の表層において、Ｍｇ原子とＢｉとの化学結合を再び形成することができる。
【００２１】
このように、添加工程においては、Ｍｇ酸化物の表層におけるＭｇ原子とＢｉとの結合の形成と、Ｍｇ酸化物の内部へのＢｉの拡散とが繰り返される。これにより、アルミニウム溶湯中のＢｉをＭｇ酸化物の内部に取り込み、Ｍｇ−Ｂｉ酸化物を形成することができる。
【００２２】
また、前述のように酸化物中にＢｉが取り込まれた場合には、ＢｉとＭｇ原子との結合の形成により、Ｍｇ酸化物の体積が膨張する。それ故、Ｍｇ−Ｂｉ酸化物の体積は、Ｍｇ酸化物に比べて大きくなる。そのため、例えば、除去工程においてフィルタを用いてアルミニウム溶湯をろ過する場合等に、アルミニウム溶湯から容易にＭｇ−Ｂｉ酸化物を分離して除去することができる。
【００２３】
添加工程におけるアルミニウム溶湯の温度は、液相線温度以上であることが好ましい。アルミニウム溶湯の温度が液相線温度未満の場合には、添加工程においてアルミニウム溶湯が部分的に凝固し、アルミニウム溶湯中のＢｉとＭｇ酸化物とを効率よく接触させることが難しくなるおそれがある。その結果、アルミニウム溶湯中のＢｉ量を低減する効果が低くなるおそれがある。
【００２４】
添加工程において、アルミニウム溶湯中に添加するＭｇ酸化物の量は、アルミニウム溶湯中のＢｉの総量に応じて適宜設定することができる。Ｍｇ酸化物の量は、アルミニウム溶湯中のＢｉ量１ｇ当たり０．１０ｇ以上とすることが好ましい。Ｍｇ酸化物の量を前記特定の範囲とすることにより、アルミニウム溶湯中のＢｉに対して十分な量のＭｇ酸化物を供給し、溶湯中のＢｉをより効率よくＭｇ酸化物中に取り込むことができる。その結果、アルミニウム溶湯中のＢｉをより効率よく除去することができる。
【００２５】
アルミニウム溶湯中に添加するＭｇ酸化物の量の上限は特に存在しないが、通常、アルミニウム溶湯中のＢｉ量１ｇ当たり１００ｇ程度のＭｇ酸化物を添加することにより、アルミニウム溶湯中のＢｉを十分に低減することができる。なお、アルミニウム溶湯中のＢｉを除去する効果の観点からは、アルミニウム溶湯中に過剰のＭｇ酸化物を添加しても差し支えはないが、Ｍｇ酸化物の添加量が過度に多くなるとコストの増大を招くおそれがあるため、好ましくない。
【００２６】
添加工程において使用し得るＭｇ酸化物としては、例えば、炭酸マグネシウムや水酸化マグネシウムを焼成して得られる工業用酸化マグネシウム、工業用マグネシウムを更に溶融した後凝固して得られる電融酸化マグネシウム、酸化マグネシウム粉末の焼結体等を使用することができる。
【００２７】
Ｍｇ酸化物の外径は、１μｍ〜１０ｍｍであることが好ましい。Ｍｇ酸化物の外径を１μｍ以上とすることにより、除去工程においてＭｇ−Ｂｉ酸化物をより容易にアルミニウム溶湯から分離して除去することができる。また、Ｍｇ酸化物の外径を１０ｍｍ以下とすることにより、アルミニウム溶湯とＭｇ酸化物との接触面積を十分に広くし、Ｂｉをより効率よくＭｇ酸化物中に取り込むことができる。その結果、アルミニウム溶湯中のＢｉをより効率よく除去することができる。
【００２８】
除去工程においては、例えば、フィルタを用いてアルミニウム溶湯をろ過することにより、アルミニウム溶湯からＭｇ−Ｂｉ酸化物を分離して除去することができる。この場合、フィルタとしては、例えば、耐火物からなり、アルミニウム溶湯のろ過に用いられる公知のフィルタを使用することができる。フィルタを用いてアルミニウム溶湯をろ過する場合には、Ｍｇ酸化物の外径よりも孔径の小さなフィルタを使用することにより、Ｍｇ−Ｂｉ酸化物をより効率よく捕集し、アルミニウム溶湯からＭｇ−Ｂｉ酸化物を除去することができる。
【００２９】
また、除去工程においては、例えば、アルミニウム溶湯中に不活性ガスを吹き込んでＭｇ−Ｂｉ酸化物を浮上させることにより、アルミニウム溶湯からＭｇ−Ｂｉ酸化物を除去してもよい。アルミニウム溶湯中に吹き込まれた不活性ガスは、微細な気泡となってＭｇ−Ｂｉ酸化物の表面に吸着する。これにより、Ｍｇ−Ｂｉ酸化物をアルミニウム溶湯の表面に浮上させることができる。そして、アルミニウム溶湯の表面に浮上したＭｇ−Ｂｉ酸化物を捕集することにより、アルミニウム溶湯からＭｇ−Ｂｉ酸化物を除去することができる。
【００３０】
アルミニウム溶湯中に吹き込む不活性ガスとしては、例えば、窒素やアルゴン等を使用することができる。
【実施例】
【００３１】
前記アルミニウム溶湯の清浄化方法の実施例を以下に説明する。なお、本発明に係るアルミニウム溶湯の清浄化方法の態様は、以下の実施例の態様に限定されるものではなく、その趣旨を損なわない範囲で適宜構成を変更することができる。
【００３２】
本例のアルミニウム溶湯の清浄化方法は、Ｂｉを含むアルミニウム溶湯中にＭｇ酸化物を添加して、Ｍｇ酸化物とＢｉとが反応してなるＭｇ−Ｂｉ酸化物を形成する添加工程と、Ｍｇ−Ｂｉ酸化物をアルミニウム溶湯から除去する除去工程と、を有している。以下、本例のアルミニウム溶湯の清浄化方法を詳説する。
【００３３】
本例では、まず、黒鉛坩堝炉を用いて５．０ｋｇのアルミニウム材を溶解させた後、坩堝炉内のアルミニウム溶湯に０．１０質量％のＢｉを添加し、添加工程に供するアルミニウム溶湯を準備した。アルミニウム材としては、表１に示すように、ＪＩＳ  Ａ１０５０アルミニウムまたはＪＩＳ  Ａ５０５２アルミニウム合金のいずれかを使用した。なお、これらのアルミニウム材の液相線温度は６４９℃である。黒鉛坩堝炉の加熱方法としてはガス燃焼方式を採用した。また、アルミニウム材の溶解は大気雰囲気中で行った。
【００３４】
添加工程においては、前述のように準備したアルミニウム溶湯５．０ｋｇに対して、表１に示すように、アルミニウム溶湯の温度、外径及び添加量を種々変更してＭｇ酸化物を添加した。なお、表１には、アルミニウム溶湯中に添加したＭｇ酸化物の量（ｇ）と併せて、Ｂｉ量１ｇあたりのＭｇ酸化物の添加量（ｇ／１ｇＢｉ）を記載した。
【００３５】
アルミニウム溶湯中にＭｇ酸化物を添加した後、黒鉛坩堝炉内でアルミニウム溶湯を５分間程度強制的に攪拌し、アルミニウム溶湯中にＭｇ−Ｂｉ酸化物を形成した。その後、黒鉛坩堝炉からアルミニウム溶湯の一部を採取し、除去工程に供した。
【００３６】
除去工程においては、耐火物からなるフィルタを用いて黒鉛坩堝炉から採取したアルミニウム溶湯をろ過し、アルミニウム溶湯からＭｇ−Ｂｉ酸化物を分離して除去した。なお、フィルタとしては、添加工程において使用したＭｇ酸化物の外径よりも孔径の小さいフィルタを使用した。
【００３７】
ろ過後のアルミニウム溶湯を凝固させてアルミニウム材（表１、試料１〜６及び試料１０〜１５）とした後、アルミニウム材中のＢｉ濃度をＩＣＰ発光分光法により測定した。アルミニウム材中のＢｉ濃度が１０質量ｐｐｍ未満であった場合には、表１中の「Ｂｉ濃度」欄に記号「Ａ」を記載し、１０質量ｐｐｍ以上であった場合には、同欄に記号「Ｂ」を記載した。
【００３８】
また、本例では、Ｍｇ酸化物を添加した場合との比較のため、添加工程においてＭｇ酸化物に代えてＭｇ単体またはＭｇ塩を添加した以外は試料１〜６及び試料１０〜１５と同様の方法によりアルミニウム材（試料７〜９）を作製した。これらの試料７〜９についても、試料１〜６及び試料１０〜１５と同様にアルミニウム材中のＢｉ濃度の測定を行った。なお、試料７については、ブロック状のマグネシウムをアルミニウム溶湯中に添加した。添加したマグネシウムのブロックはアルミニウム溶湯中に溶解したため、「外径」欄に記号「−」を記載した。
【００３９】
【表１】
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【００４０】
表１に示したように、試料２〜５及び試料１１〜１４については、Ｍｇ酸化物の外径が１μｍ〜１０ｍｍの範囲内にあり、かつ、Ｍｇ酸化物の添加量がＢｉ１ｇ当たり０．１０ｇ以上であった。そのため、アルミニウム溶湯中のＢｉを十分に除去することができた。
【００４１】
試料１及び試料１０については、Ｍｇ酸化物の添加量が前記特定の範囲よりも少なく、アルミニウム溶湯中のＢｉ量に対してＭｇ酸化物の量が不足していた。そのため、除去工程後にアルミニウム材中に残存するＢｉ量が試料２〜５及び試料１１〜１４に比べて多くなった。
試料６については、Ｍｇ酸化物の外径が前記特定の範囲よりも大きかったため、アルミニウム溶湯とＭｇ酸化物との接触面積が試料２〜５及び試料１１〜１４に比べて小さかった。そのため、除去工程後にアルミニウム材中に残存するＢｉ量が試料２〜５及び試料１１〜１４に比べて多くなった。
【００４２】
試料７については、アルミニウム溶湯中に添加したＭｇ単体がＢｉと反応し、ＢｉとＭｇとの化合物が形成された。しかし、この化合物は、アルミニウム溶湯内で液状もしくは半溶融状態となっていたため、フィルタによって溶湯中から除去することができなかった。その結果、アルミニウム材中に残存するＢｉ量が試料２〜５および１１〜１４に比べて多くなった。
【００４３】
試料８については、アルミニウム溶湯中に添加した炭酸マグネシウムが分解したため、アルミニウム溶湯中のＢｉと炭酸マグネシウムとが結合する効果が得られなかった。その結果、アルミニウム材中に残存するＢｉ量が試料２〜５および１１〜１４に比べて多くなった。
試料９については、アルミニウム溶湯中に添加した塩化マグネシウムが融解したため、アルミニウム溶湯中のＢｉと塩化マグネシウムとが結合する効果が得られなかった。その結果、アルミニウム材中に残存するＢｉ量が試料２〜５および１１〜１４に比べて多くなった。
【００４４】
試料１５については、添加工程におけるアルミニウム溶湯の温度が液相線温度未満であったため、添加工程においてアルミニウム溶湯が部分的に凝固した。そのため、除去工程後にアルミニウム材中に残存するＢｉ量が試料２〜５及び試料１１〜１４に比べて多くなった。
【００４５】
これらの結果から、添加工程においてアルミニウム溶湯中にＭｇ酸化物を添加することにより、アルミニウム溶湯中のＢｉを効率よく除去可能であることが理解できる。