アルミニウムの製錬
松村

浩

幸

うち中国での生産量は約3600万 t である．

.

は じめに

かつては日本国内においてもアルミニウム製錬によるアルミニウム新地金の生産が行われ，最盛期には年産約 160 万 t

アルミニウムは軽量性，耐食性，熱伝導性などの優れた特性によって，自動車・鉄道車両・建築材料・飲料缶・日用品等様々な用途で幅広く使用されており，我々の生活に欠かすことのできない重要な金属の一つとなっている．図に示す
ように 2019 年の世界アルミニウム新地金生産量はおよそ6200万 t/年と2005年と比較しおよそ 15年で約 2 倍へと成長している．
図に 2019 年の地域別アルミニウム新地金生産量を示す．特に中国でのアルミニウム生産量は目覚ましく増加し，現在では世界のアルミニウム生産量の約半数を占めるようになっている．世界のアルミニウム新地金生産量約6200万 t の

図1

図2

地域別アルミニウム新地金生産量(2019)．

世界アルミニウム新地金生産量推移．

日本軽金属株式会社 グループ素材センタービレットビジネスユニット(〒4213297 静岡市清水区蒲原161)
Aluminium Smelting Technology; Hiroyuki Matsumura(Group Casting Center, Nippon Light Metal Co, Ltd., Shizuoka)
Keywords: aluminium, smelting, reduction, HallHeroult, prebake, soderberg
2021年 3 月11日受理[doi:10.2320/materia.60.399]

ま て り あ 第60巻 第 7 号(2021)
Materia Japan図3

日本国内アルミニウム新地金生産量推移．の能力を有していた(図)(1)．しかし，1970年代の 2 度にわ法は開発者両者の名前を取り，ホール・エルー法と呼ばれ，たるオイルショックによってエネルギーコストが上昇し，ま工業的に発展を遂げた．ちなみに Hall と Heroult は共に同た，アルミニウム市況低迷の影響により国内のアルミニウムじ 1864年に生まれ， 1886年に製錬技術を開発， 1914年に共製錬事業は国際的な競争力を失い， 1987 年に日本軽金属 1に没した．

社を残しアルミニウム製錬事業より撤退した．

1887 年，オーストリアの Bayer によりボーキサイト鉱石

その日本軽金属も設備老朽化により 2014 年にアルミニウから NaOH 溶液を用いてアルミナ分を溶解・抽出し，水酸ム製錬事業から撤退したため，日本国内には工業的アルミニ化アルミニウムを析出させるバイヤー法が発明された．これ

ウム製錬工場は完全に無くなった．

により，ボーキサイト鉱石から金属アルミニウムまでの工業アルミニウムは 1886 年に開発されたホール・エルー法に的製造法が確立された．

より工業的に製造されており， 135 年を経た現在において

.

も，基本となる製造原理については変わっていない．今後，アルミニウム製錬

日本国内でのアルミニウム製錬技術者は数少なくなっていく
ため，アルミニウム製錬について紹介し技術継承の一助としこれまでに試験されたアルミニウムの製錬法には炭素による還元，塩化物の電解など様々な手法(2)(4) があるが，生産たい．

設備の腐食や複雑な工程により工業的なアルミニウム製錬法

.

アルミニウムの歴史としては発展せず，今日においてもホール・エルー法によるアルミニウム製錬が主な金属アルミニウム生産プロセスであ紀 元 前 ， 古 代 エ ジ プ ト に て ミ ョ ウ バ ン ( K2SO4 ＋ Al2(SO4)3)が添加材・医薬品として使用されていた．アルミニ
ウムの語源はこのミョウバンのラテン名である ``Almen'' ，る．
原料のアルミナはバイヤー法によりボーキサイトから製造される．図にバイヤー法の簡略化した工程図を示す．

英語の ``Alum'' に由来し， Alumen, Alumium などを経て，鉱山より運ばれたボーキサイトはボールミル等の粉砕機でAluminum(米)，Aluminium(欧・日)と呼ばれるようになっ粉砕され，ダイジェスターにおいて加温・加圧の上，苛性ソた．

ーダを用い，アルミナ分を溶解・抽出される．ボーキサイト

1782年，フランスの Lavoisier は“ミョウバン石は何らか残渣(赤泥)をシックナーにて分離した後，アルミナ分を抽出の金属の酸化物である可能性が高い”との説を発表した．

したアルミン酸ソーダ液に，種結晶として水酸化アルミニウ

1807年にイギリスの Davy がミョウバン石を電気化学的手法ムを添加して水酸化アルミニウムの結晶を析出させる．次いにより分離を試み，金属アルミニウムとしての存在を確認しで水酸化アルミニウムを分離，洗浄しロータリーキルンにてたが，単独のアルミニウムを得ることはできなかった．

焼成することでアルミナとなる．これらのバイヤー工程にて1825年，Oersted は塩化アルミニウムをカリウムアマルガム

ボーキサイト中の Fe2O3, TiO2 など不純物のほとんどが除去で還元し，アルミニウム粉末を得た． 1855 年，フランスのされ，アルミナの純度が決定し，後の金属アルミニウム純度

Deville は塩化アルミニウムの化学的還元による工業規模のに大きく影響する．

ア ル ミ ニ ウ ム 製 錬 を 開 始 ， 1886 年 に ア メ リ カ の Charies

ボーキサイト 4 t からアルミナは約 2 t ，アルミニウムはMartin Hall とフランスの Paul Heroult によって氷晶石を溶

約 1 t 製造される．アルミナは融点が2054°Cと非常に高く，融塩として利用した酸化アルミニウム(アルミナ)の溶融塩電固体では電気を通さない絶縁体である．そこで，氷晶石解によるアルミニウム製錬手法が個々に開発された．この手(Na3AlF6)が主成分である約1000°Cの溶融塩電解浴に溶解さ

特集

図4

図5

バイヤー法工程図．

アルミニウム電解炉模式図．

せ，電気を通じることで電気分解反応式( 1 )が起こり，アいくと，炉上部より陽極ペーストを投入する．陽極ペースト

ルミニウムが生成する．

はピッチとコークスを混練し，握りこぶし大に成形され，製(1)造される．一方，プリベーク炉の陽極カーボンは予め別工場

アルミナの電気分解には 1 t のアルミニウム生成あたりにて成型し高温下で焼成することで製造され，陽極カーボン

12,000 kWh から 15,000 kWh という大量の電力が必要であが消耗すると，導電棒と共に部分的に交換される．

2Al2O3＋3C→

4Al＋3CO2

り，アルミニウムが「電気の缶詰」と称される所以である．
図にアルミニウム電解炉の種類別模式図を示す．

図に電解炉タイプ別のアルミニウム生産割合を示す．
近年ではアルミニウム生産性が高く大電流化に有利なプリ電解炉は，上部から陽極カーボン・電解浴・生成したアルミベーク炉の割合が増加し，主流となっている．プリベーク炉

ニウム・陰極カーボン・コレクターバーで構成される．陽極では電解炉を密閉しやすく，陽極由来の有機揮発物質の発生カーボンの種類により，自焼成タイプのゼーダベルグ炉と既が無いなど環境面においても優位である．

焼成タイプのプリベーク炉に大別され，ゼーダベルグ炉は導図にアルミニウム電解炉の模式図を示す．

電棒の挿入方向により，横型ゼーダベルグ炉と縦型ゼーダベ

電流は陽極カーボンに水平に挿入されている導電棒，陽極ルグ炉に分けられる．ゼーダベルグ炉では陽極カーボンは電カーボン，電解浴，アルミニウム，陰極カーボン，コレクタ

解炉自身の熱で焼成され，陽極カーボンが下面より消耗してーバーの順に流れ，隣に配置された電解炉へと流れていく．

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

図6

図7

電解炉タイプ別アルミニウム生産量割合．

アルミニウム電解炉(日本軽金属蒲原)模式図．

図に電解炉にかかる電圧を示す．
陽極カーボン下面からアルミニウム溶湯上面までの距離は極間距離と呼ばれ，約 4 cm である．電解炉にかかる電圧は1 炉あたり約 4.5 V であり電気分解反応に必要な理論分解電圧は 1.2 V である．理論分解電圧は人為的に削減することはできないため，その他の電気抵抗に起因する電圧ロスをいかに小さくするかという改善・努力がなされてきた．電解炉の熱源は電解浴での電気抵抗に起因するジュール熱である．極間距離を狭くすると，発熱量が減少するためクラストと呼ばれる電解浴が冷え固まったセルフライニングが厚くなり，極間距離を広げると，発熱量が増加し熱バランスが崩れ，最悪の場合，操業不能となる．したがって，電解炉の電圧は極間

図8

電解炉電圧．

距離を一定に保つように制御されている．
アルミニウム生産量を増加させるため，電流量を増加すると電流による強い電磁場が発生し，電解炉内のアルミニウムに保つことが困難となるため，操業不能となる場合がある．

溶湯および電解浴に強く影響する．電磁力により，アルミニ

磁場の強さや分布は，電流量，陰極ブスバーの配列，陽極ビウム溶湯の隆起・流動が発生し，結果として極間距離を一定ームへの立ち上がり位置，隣接する電解炉の影響など多数の

特集因子による影響がある．近年ではコンピューターを用いた磁製錬が実用化されつつある．これはカーボンフリーのアルミ気流体力学( MHD: Magneto hydrodynamics )に基づくシミニウム製錬であり，二酸化炭素を排出する代わりに酸素を排ュレーションが可能となり，設計段階から利用されている(5)．

出するという革新的なプロセスである．また，電極寿命も現理論的に生成するアルミニウムは Faraday の第一法則お行プロセスの 30 倍以上と言われている．このような新規プよび第二法則に基づき，以下のように表される．
m I･tm1･3600⇒＝n＝ ＝26.98 3･9.65×104
M z･ F

ロセスが地球温暖化防止の観点からも今後導入されていくと考えられる．
日本国内で新たに大規模なアルミニウム製錬工場を建設す

m ＝0.335 gAl/A･hr

ることはコスト競争力の観点から難しい．そこで，今後日本

n 物質量(mol)

国内において重要となるのはアルミニウムリサイクル技術でm 質量(g)ある．アルミニウムをリサイクルするために必要なエネルギ

M 分子量(g/mol)

ーはアルミニウム新地金を製造する場合に比べてわずか 3
で済む．現在，アルミニウムスクラップは，主に鋳物・ダイz イオン価数(－)
F ファラテー定数

9.65×104(C/mol)

カスト用としてリサイクルされており，展伸材スクラップも鋳物・ダイカストとしてカスケードリサイクルされている．

電流 1 アンペア，1 時間当たりに理論的に生成するアルミニ

今後，自動車の電動化により，鋳物・ダイカスト用としてス

ウム量は 0.335 g であり電流量を増大することで生成量は増クラップを使用しきれなくなるとの懸念もあり，展伸材 to加する．実際のアルミニウム生成量はこの 0.335 g /A ･hr に展伸材リサイクルが重要となる．その中でスクラップの合金電流効率 90 ～ 95 を乗じた値である．通常の化学反応は 3毎選別が重要となり，最近では LIBS(Laser Induced Break-

次元的に反応が行われるため，生産量は反応器の容積によっdownて決定するが，アルミニウム製錬のような電気分解反応は，選別・再利用することも可能となっている．

Spectroscopy)ソーティング技術によって合金種毎に電極表面にて 2 次元的に起こるため，生産量を増加させる

文

ためには，電流密度を増加するか，電極面積を増加する必要献がある．電流密度を増加すると生産量は増加するが，槽電圧も高くなるため，経済的な理由により大きく上げることができず，およそ 1 A / cm2 とされている．例えば，年産 50 万 tのアルミニウム電解製錬工場を建設しようとすると，電流効率を95，電流量 400 kA の電解炉とした場合，電解炉はおよそ 450 炉必要となり，全電極面積だけでも 18000 m2 とな( 1 ) 日本アルミニウム協会現場で生かす金属材料シリーズ，(2007)，171
173.
( 2 ) 大日方一司軽金属，14(1964), 120128.
( 3 ) 谷内研太郎日本金属学会会報，12(1973), 789800.
( 4 ) 土器屋正之鉄と鋼，69(1983), 13821387.
( 5 ) Z. Xie et al.: Light Metals, (2020), 827
834.

るため，広大な工場敷地が必要となる．

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2005 年 3 月

.

今後

ホール・エルー法の開発より135年間，アルミニウム製錬は高効率化による省エネルギー化が推進されてきた．今後もさらなる電解炉の大型化，高効率化が進むであろう．また，現行のアルミニウム製錬では電気分解反応式(1)により二酸松村浩幸

関西大学大学院工学研究科化学工学専
攻 修士課程修了
2005年 4 月 日本軽金属株式会社入社 アルミニウム製錬・精製担当
2010年 4 月 スラブ鋳造担当
2019年10月 ビレット鋳造担当
2021年 4 月 ビレットビジネスユニットリーダー現職．
専門分野アルミニウム製錬・精製・鋳造◎アルミニウム製錬・精製・鋳造の各工程における操業改善に従事．

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化炭素を排出するが，近年，非消耗陽極によるアルミニウム

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