ドロス発生抑制による環境負荷低減型・高品質メタル製造プロセス
東北大学新技術説明会
JST東京本部別館1Fホール
2019/12/05
東北大学大学院 工学研究科
金属フロンティア工学専攻 助教

平木 岳人
1自己紹介平木 岳人 （ひらき たけひと）
１９８１年生まれ ３８歳 岐阜県飛騨市神岡町 出身

１９９７～２００４
富山高専／富山高専専攻科 （丁子・袋布研究室）

２００４～２００９
阪府大／北大・工学研究科 （秋山研究室）

２００９～
東北大・環境科学研究科→工学研究科 （長坂研究室）

２０１４.６～２０１５.５
留学：ギリシャ・アテネ National Technical University of Athens

所属学会： 軽金属学会、鉄鋼協会、金属学会、廃棄物資源循環学会 など
所属委員会・研究会・フォーラム：・アルミニウム協会／ドロス委員会
・軽金属学会／微細化研究部会、アップサイクル研究部会
・鉄鋼協会／エコメタラジーフォーラム など

2

3

ドロスについて（アルミニウム生産プロセスの場合）

金属アルミニウムの生産／循環フロー
CO29.22 kg/kg-Al

新地金

ドロスの発生20-50 ton/charge

海外
原料投入

加熱溶解（バーナー式）
スクラップ

工場
or
市中

溶湯処理
（介在物除去など）

鋳造

4

5アルミニウムドロス
2Al + 1.5O2 = Al2O3
Mg + 0.5O2 = MgO
Al + 0.5N2 = AlN

溶湯の5-10%発生（年間約40万ton）

溶湯表面で不可避に発生したドロス

Al-Mg合金溶解の様子（800oC、大気雰囲気）
120倍速再生・Mgなど酸化しやすい添加元素の濃度が高い
・（可燃性不純物を含む）スクラップの溶解量が多い
・形状の小さな（＝比表面積・大）原料の溶解量が多い
バーナー付き反射炉

ドロスの発生量が激増

ドロス生成に伴う「問題」の発生
メタル分の損失／不純物の濃化

Fe

メタル分が主に酸化により損失してしまう不純物（Feなど）が濃化してしまう6

ドロス生成に伴う「問題」の発生
溶解の長時間化

断熱層

熱ドロス層＝断熱層になってしまう7

ドロス生成に伴う「問題」の発生
耐火物の短寿命化←酸化物←酸化物

ドロスが耐火レンガと固着してしまう8

ドロス生成に伴う「問題」の発生
介在物・水素の増加

溶湯の品質が低下してしまう

9

ドロス発生が引き起こす様々な問題
様々な問題を併発
酸化・窒化によるメタル分損失
メタル損失による不純物濃化
バーナー輻射熱の伝熱阻害
固着による炉内耐火物損傷
製品（溶湯）中の介在物増加

Al-Mg合金製造
スクラップ使用
小片原料使用
アルミニウム循環社会に必須

ドロス発生量：増↓・エネルギー消費量：増・製品品質：低下・コスト：増1011

循環型社会におけるドロス問題
鋳造・圧延など

製品

Al-Mg合金
不可欠

アルミニウム
循環社会
ドロスの大量発生

溶解

スクラップ
ﾏﾙﾁﾏﾃﾘｱﾙ化で不純物増
高度選別により比表面積増大

ドロス
AlN

・溶解量の10%以上がドロスとして損失
・年間40万ton以上の有害ガス発生を伴う廃棄物の排出（窒化物由来のアンモニア悪臭が問題 AlN + 3H2O → Al(OH)3 + NH3）

12

アルミニウムドロス発生抑制に向けた研究の動向と本研究の特徴

13

競合する研究開発と本研究の比較
非現実的案

・真空・不活性雰囲気・フッ化物フラックス等によるカバーリング→ 莫大なコスト→ ドロスの甚大な汚染

表 代表的な既報と本研究の比較
報告者

発生メカニズムの解明
重量変化

Cochranら1)○Partingtonら2)○Ozdemirら3)

○

本研究

○

構造変化
△

△

試験後観察

Be添加

△試験後観察

×△

△

試験後観察

Sr添加

○

本発明

その場観察1)2)3)発生抑制方法C. N. Cochran et al., Metall. Trans. B, 8B, 323-332 (1977)
E. C. Partington et al., J Mater. Sci., 33.9, 2447-2455 (1998)
O. Ozdemir et al., Oxid. Met., 72, 241-257 (2009)

雰囲気管理／その場観察型・熱重量測定装置
雰囲気管理／その場観察型・熱重量測定装置スペック［重量］
最大300g程度まで設置可能［温度］
1200℃まで加熱可能［雰囲気］
Ar、N2、O2、H2、CO2調整可能
真空引きも可能［構造変化］
上部からカメラで観察可能
東北大・長坂研所有 熱重量測定装置

14

本発明によるアルミニウムドロスの発生抑制
Al – Mg 合金（Mg: 10mass%）

従来法
著しいドロスの発生

800oC, 90min
79%N2-21%O2にて加熱

本発明
ドロスフリー
特願2019-082166 ドロスの発生抑制方法及び金属の精錬方法

15

16

実用化のインパクト
創造的展開

ドロス発生抑制の波及効果
酸化・窒化によるメタル分損失
メタル損失による不純物濃化
バーナー輻射熱の伝熱阻害
固着による炉内耐火物損傷
製品（溶湯）中の介在物増加

上記を全て解決
国内アルミニウム総需要： 約420万ton
ドロス発生による酸化損失量（総需要の5%）： 21万ton
アルミニウム製錬時のCO2排出原単位： 9.22kg-CO2/kg⇒ CO2削減効果： 年間193万ton

17アルミ産業のボトルネック解決
ドロス
粉砕・分級

悪臭発生が起こるため禁水AlN + 3H2O = Al(OH)3 + NH3

水素爆発が起こるため禁水
Al + 3H2O = Al(OH)3 + 1.5H2

禁水性のため屋内管理
管理型埋立費： 3 – 5万円/ton
構成相含有率(mass%)

既存法（鉄鋼業）での受入規制強化
中国への輸出量激減（数万ton/年）

酸化物

Al2O3,
MgAl2O4

70

窒化物

AlN

17

メタル分Al11

ハロゲン化合物

KCl, NaCl,NaF

2

上記を全て解決⇒ 軽金属産業最大のゴミ問題解決18

本研究の創造的展開

本発明
一般的にドロスが発生しやすいと言われる
Al-10%Mg合金にてドロスフリー化を達成

全ての金属溶融プロセスで応用可能

金属生産プロセスの高生産性化・高品質化と、ドロスフリーによる環境負荷低減の同時達成が可能

経済

環境

本発明により両立19

20

今後の予定など

熱重量測定装置を使用した基礎試験
様々な用途を想定した金属の酸化／窒化プロセスメカニズムの解明
・Al-Mg合金（ドロス発生抑制）
・Mg合金 等など

真空加熱による目的元素の選択的な揮発分離回収等も可能
東北大・長坂研所有 熱重量測定装置

21

おわりに

本発明の名称：
ドロスの発生抑制方法及び金属の精練方法
出願番号：

特願2019-082166

出願人：

東北大学

発明者：

平木岳人

22

23

お問い合わせ先
東北大学
産学連携機構 総合連携推進部
ＴＥＬ ０２２－７９５ － ５２６７/５２７４
ＦＡＸ ０２２－７９５ － ５２８６
問い合わせ専用URL
http://www.rpip.tohoku.ac.jp/jp/information/gijutsu/
e-mail liaison@rpip.tohoku.ac.jp