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WO2014030369A1 - 超音速気流によるアルミナ、マグネシアの還元方法 - Google Patents

超音速気流によるアルミナ、マグネシアの還元方法 Download PDF

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WO2014030369A1
WO2014030369A1 PCT/JP2013/056417 JP2013056417W WO2014030369A1 WO 2014030369 A1 WO2014030369 A1 WO 2014030369A1 JP 2013056417 W JP2013056417 W JP 2013056417W WO 2014030369 A1 WO2014030369 A1 WO 2014030369A1
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WO
WIPO (PCT)
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alumina
magnesia
aluminum
magnesium
powder
Prior art date
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Application number
PCT/JP2013/056417
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English (en)
French (fr)
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義博 荒川
正勝 中野
信 松井
徹也 後藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
JAPAN EXPERT CLONE CORP
University of Tokyo NUC
Tokyo Metropolitan Public University Corp
Original Assignee
JAPAN EXPERT CLONE CORP
University of Tokyo NUC
Tokyo Metropolitan Public University Corp
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Publication date
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Priority to US14/421,181 priority patent/US9617620B2/en
Priority to JP2014531515A priority patent/JP5995175B2/ja
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    • C22B26/20—Obtaining alkaline earth metals or magnesium
    • C22B26/22—Obtaining magnesium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
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    • C22B21/02—Obtaining aluminium with reducing
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    • C22B21/04—Obtaining aluminium with alkali metals earth alkali metals included
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    • C22B5/02—Dry methods smelting of sulfides or formation of mattes
    • C22B5/12—Dry methods smelting of sulfides or formation of mattes by gases
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    • C22B5/02—Dry methods smelting of sulfides or formation of mattes
    • C22B5/12—Dry methods smelting of sulfides or formation of mattes by gases
    • C22B5/14—Dry methods smelting of sulfides or formation of mattes by gases fluidised material

Definitions

  • the present invention relates to a method for reducing alumina and magnesia for isolating aluminum or magnesium by reducing alumina (aluminum oxide) or magnesia (magnesium oxide) using supersonic airflow.
  • Aluminum is a metal that is light and has good workability, and is a material that is widely used in building materials and industrial products because it has an oxide film covering the surface and the interior is protected and has excellent corrosion resistance.
  • Various methods such as rolling, extrusion, and casting can be applied to the processed surface, and duralumin is well known as an alloy.
  • duralumin is well known as an alloy.
  • it is used in technical fields that take advantage of its excellent thermal and electrical conductivity, generates high heat when it burns, and has an energy density per volume comparable to that of coal and oil. Since it is (41.9 kJ / cm 3 ), it is also a metal having a potential to be used as an energy source in the future.
  • Hall Elue method is widely used as an aluminum refining method, and its details are omitted, but bauxite, an ore rich in alumina, is melted with sodium hydroxide to extract alumina (the Bayer method), which is then iced. It is melted in an electrolytic bath (1300K) using crystallite (Ga3AlF6) and refined to aluminum by electrolysis using a carbon electrode.
  • the carbon electrode on the anode side acts as a reducing agent, which combines with oxygen in alumina to generate carbon dioxide and carbon monoxide (1100K or more).
  • the Hall Elue method is still used as the main method for refining alumina, but it consumes a large amount of power to separate aluminum (power consumption for producing 1 ton of aluminum: 13,000-14) , 000 kWh), at that time, as mentioned above, it becomes a problem to generate a large amount of greenhouse gases such as CO and CO 2 .
  • the latter problem is also a factor that directly leads to global warming, and can be said to be an important issue for which alternative methods should be developed on a global scale.
  • Patent Document 1 technological development for improving its energy efficiency has been seen (see, for example, “Patent Document 1”), and a reduction method replacing the Hall-Eleu method has been proposed. (For example, refer to “Patent Document 2” and “Patent Document 3”.) Neither of them fundamentally solves the above problem, and there is still room for drastic improvement regarding the alumina reduction method. I can say that.
  • Magnesium is even lighter than aluminum and has excellent workability, and is widely used as an additive for improving the mechanical properties of various materials, including industrial materials such as automobiles, aircraft, and machinery.
  • the metal used.
  • the processing surface can be applied to die casting, extrusion, press molding, forging, etc. and has a wide range of applications. Although it is corrosive due to its relatively high chemical activity, it can be stabilized by surface treatment. Furthermore, it is also known to generate a high amount of heat (601.7 kj / mol) by burning.
  • the present invention solves the above-mentioned problems of the Hall-Eleu method for aluminum, eliminates the above-mentioned problems of the Pigeon method, which is the current main refining method, for magnesium, and is harmful to greenhouse gases and the human body. It aims at providing the reduction
  • aluminum, magnesium and oxygen are thermally dissociated by making alumina and magnesia into a plasma state using a heating means such as a laser beam, and the recombination of aluminum, magnesium and oxygen is performed using this plasma state gas as a supersonic air flow.
  • a step of isolating aluminum and magnesium by ejecting the resulting gas from a nozzle at a supersonic speed to form a frozen flow and a method for reducing alumina and magnesia.
  • alumina powder and magnesia powder are introduced together with a carrier gas to the upstream side of the throat portion provided in the reduction device, and this is also introduced by the working gas introduced upstream of the throat portion. Then, the throat portion region is heated by a heating means such as laser light to thermally dissociate alumina and magnesia, and then ejected as a supersonic airflow from a nozzle downstream of the throat portion.
  • hydrogen may be further added to the working gas, and reduction of alumina and magnesia may be promoted by the action of hydrogen. Thereby, reduction efficiency can further be improved.
  • a step of controlling the amount of the alumina powder and magnesia powder introduced upstream of the throat portion may be further included. Further, the method may further include a step of introducing aluminum and magnesium after isolation into a cooling pipe and depositing the aluminum and magnesium in the cooling pipe to recover aluminum and magnesium.
  • FIG. 1 shows an outline of an alumina reduction method according to the present embodiment, which applies a laser propulsion technique and a laser plasma wind tunnel technique derived therefrom.
  • the alumina reduction method is a step of thermally dissociating alumina shown in the A region on the left side of the figure, which is divided by a broken line, and isolating aluminum from oxygen and oxygen shown in the central B region. And the step of recovering the isolated aluminum shown in the C region on the right side. The flow of each step moves from the left side to the right side.
  • a throat portion 111 for restricting the flow is provided inside the reducing apparatus 100 used in the present embodiment, and on the upstream side (left side of the figure).
  • the alumina introduction port 112 is further provided with a working gas introduction port 113 on the upstream side thereof.
  • Alumina powder is introduced into the apparatus together with a carrier gas such as argon from the alumina introduction port 112, and a pressurized working gas composed of an inert gas such as oxygen and argon gas is introduced from the working gas introduction port 113.
  • the content of alumina in the whole is appropriately controlled, for example, in the range of about 0.1 to 0.6 g / l (l: liter).
  • the pressure of the working gas introduced from the working gas introduction port 113 is preferably about 10 atmospheres.
  • the mixture of alumina and carrier gas is pumped by the working gas from the left to the right in the figure toward the throat portion 111.
  • the throat portion 111 is irradiated with laser light 114 from the left side of the drawing with a focus on the throat portion 111.
  • a carbon dioxide gas laser having a maximum output of 2 kW, a wavelength of 10.6 ⁇ m, and a beam diameter of 34 mm is used.
  • the specification of the laser beam 114 is as long as it gives a sufficient amount of heat to turn alumina into a plasma state. Good.
  • the vicinity of the focal point of the laser beam locally reaches a high temperature of 12,000 K, and the high heat melts the alumina (the melting point of alumina is 2,300 K, even in the case of magnesia, 3,070 K). Oxygen is thermally dissociated.
  • the gas in the plasma state is moved to the region B in the center of FIG. 1 and heated and expanded, and is squeezed by the throat portion 111, and then becomes a jet from the nozzle 116 that is the outlet of the throat portion 111. Released to the right.
  • the flow velocity of the gas becomes a supersonic flow of 1,000 to 3,000 m / s, and the air flow is rapidly cooled by rapid expansion.
  • oxygen is drawn to the anode and combined with carbon to be separated into carbon monoxide or carbon dioxide, and only the remaining aluminum is melted. It settles in the furnace and is collected.
  • a cooled copper tube 117 is used, and the oxygen in the separated gas body is released by flowing a fluid therethrough, and aluminum is deposited on the tube wall of the copper tube 117 and recovered. it can.
  • This recovery method is an example, and for example, it is possible to recover by using a filter that transmits oxygen and captures aluminum powder.
  • FIG. 2 shows an example of an alumina supply device that controls the amount of alumina particles introduced.
  • an alumina supply device 10 includes a turntable 11 from below, an alumina container 12 placed on the turntable 11, a discharge tube 13 for supplying alumina powder into the alumina container 12, and an alumina container 12
  • the turntable 11 is rotationally driven by a motor 17, and this rotational speed can be controlled by a control device (not shown).
  • the alumina powder 5 is appropriately discharged from the discharge tube 13 into the alumina container 12.
  • a sensor (not shown) can be attached to the tip of the discharge tube 13 to detect the level of the alumina powder 5 in the alumina container 12 and supply it so as to keep it at a constant level.
  • the discharge tube 13 can be replenished with alumina powder sequentially.
  • alumina powder having a diameter of about 0.03 to 3 ⁇ m can be used.
  • the alumina powder used in one treatment is It is desirable to select and use the particles having almost the same particle size.
  • the alumina supply pipe 14 and the carrier gas supply pipe 16 have a double pipe structure, and a carrier gas such as argon or helium can be supplied from above to below through the carrier gas supply pipe 16 on the outer periphery.
  • the double-pipe structure is at a height in contact with the alumina powder 5 in the alumina container 12, and the carrier gas mixed with the alumina powder 5 is then pushed out of the alumina supply pipe 14 upward from below by the pressure of the carrier gas. Further, it is supplied toward the alumina inlet 112 shown in FIG.
  • the alumina powder 5 is discharged from the alumina discharge pipe 13 into the alumina container 12, and the turntable 11 is rotationally driven by the motor 17.
  • the carrier gas is supplied from above the carrier gas supply pipe 16, and the alumina powder 5 is entrained in the carrier gas at the lower end of the double pipe and pushed into the alumina supply pipe 14, and the mixed gas is the alumina shown in FIG. It is supplied to the alumina inlet 112 of the reducing device 100.
  • the amount of alumina supplied can be controlled by adjusting the rotational speed of the turntable 11.
  • the double tube structure is an example, and other methods for introducing alumina powder may be employed.
  • FIG. 3 shows the aluminum reduction efficiency in the alumina reduction method using laser light according to the present embodiment.
  • the horizontal axis represents the utilization efficiency (%) of the dropped energy, and the vertical axis represents the aluminum reduction efficiency (mg / kg). kJ).
  • the reduction efficiency in the present embodiment is indicated by a solid line with a mark ⁇ , and as a comparison, the reduction efficiency (about 10 mg / kJ) in the Hall-Eleu method is indicated by a broken line.
  • the energy of the laser light is the heat loss on the wall surface (about 40%), the chemical loss (about 15%), the transmission loss (about 10%), etc. due to the radiation in the throat portion 111 of FIG.
  • the efficiency of at least 35% can still be achieved. Therefore, the alumina reduction method according to the present embodiment may have a higher aluminum reduction efficiency than the Hall Elle method.
  • the fundamental advantage of the present invention over the Hall Elue method is that there is no generation of greenhouse gases such as CO 2 and CO and harmful gases. Only oxygen separated from alumina and inert gas such as argon used as carrier gas and working gas are discharged.
  • the method for reducing alumina according to the present embodiment is basically the same as that of the previous embodiment described with reference to FIGS. 1 and 2, and the working gas introduced from the working gas inlet 113 is different. Is to add hydrogen.
  • the amount of hydrogen added can be about 0 to 50%, preferably about 1 to 30% by weight with respect to the working gas. Hydrogen is combined with oxygen when the alumina heated by the laser beam is melted and aluminum and oxygen are separated, and promotes the reducing action of alumina.
  • the solid line marked with ⁇ indicates the reduction efficiency when hydrogen is used as the reducing agent.
  • the utilization efficiency of about 4% of the energy input as laser light can surpass the reduction efficiency by the Hall-Eleu method, and if the energy utilization efficiency is 35% as estimated, the Hall efficiency -A reduction efficiency (mg / kJ) that is 10 times or more that of the Eru method can be achieved.
  • the Hall efficiency -A reduction efficiency (mg / kJ) that is 10 times or more that of the Eru method can be achieved.
  • only water (H 2 O) is additionally discharged, and no harmful gas or the like is generated at all as in the previous embodiment.
  • laser light is used as a heating means when reducing alumina by thermal dissociation rather than electrolysis according to the prior art, but the present invention is limited to this. Instead, other heating means may be used. Examples thereof include arc discharge and inductively coupled plasma. However, when arc discharge is used, the electrodes (tungsten, copper) are consumed, and there is a problem that the operation is limited particularly in an oxygen atmosphere. When inductively coupled plasma is used, the operating pressure is 1 In addition to being restricted to below atmospheric pressure, there is a problem of interference with aluminum which is a generated metal.
  • the operation in an oxygen atmosphere is possible, and the operation pressure can be maintained high (up to about 10 atm), so that the supersonic speed is high. It can be said that it is more suitable for obtaining a frozen flow.
  • Embodiment 1 The alumina reduction shown in Embodiment 1 was performed with the following specifications.
  • -Laser specification A continuous oscillation type carbon dioxide laser with an output of 1 KW is used. Wavelength: 10.6 ⁇ m, beam diameter: 34 mm, lens: f95.
  • -Throat specification Throat diameter: 1 mm, nozzle outlet: 10 mm
  • -Alumina powder flow rate 10% mass ratio to carrier gas (argon).
  • -Alumina powder diameter 3 ⁇ m
  • peaks of emission spectrum (257 nm, 309 nm, 396 nm) indicating the presence of aluminum atoms in the frozen flow (supersonic air flow) were observed, confirming the isolation of aluminum.
  • the method for reducing alumina and magnesia according to the present invention can be used in the industrial field in which aluminum is produced by refining alumina and in the industrial field in which magnesium is produced by refining magnesia.
  • Alumina powder (may be magnesia powder, the same applies hereinafter), 10: Alumina supply device, 11: Turntable, 12: Alumina container, 13: Release pipe, 14: Alumina supply pipe, 16: Carrier gas Supply pipe, 17: Motor, 100: Reduction device, 111: Throat section, 112: Alumina inlet, 113: Working gas inlet, 114: Laser light, 116: Nozzle, 117: Copper pipe,

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Description

超音速気流によるアルミナ、マグネシアの還元方法
　本発明は、超音速気流を利用してアルミナ（酸化アルミニウム）、又はマグネシア（酸化マグネシウム）を還元し、アルミニウム、又はマグネシウムを単離するためのアルミナ、マグネシアの還元方法に関する。
　アルミニウムは、軽量で加工性も良く、また酸化被膜が表面を覆うことによって内部が保護され耐食性に優れた材料でもあることから、建築材料を初め工業製品にも広く使用されている金属である。加工面では圧延、押し出し、鋳造などの各種方法の適用が可能であり、また合金としてはジュラルミンなどがよく知られている。加えて、熱伝導性、電気伝導性に優れた長所を生かす技術分野での使用もされるほか、燃焼する際に高熱量を発生し、体積当たりのエネルギ密度では石炭や石油にも匹敵するほど（４１．９ｋＪ／ｃｍ３）であることから、将来的にはエネルギ源として活用されるポテンシャルをも備えた金属でもある。
　歴史的には、１９世紀初頭のアルミナの発見に始まり、アルミナからアルミニウムを単離する技術が確立するまでは貴重な金属として扱われたが、１９世紀末のホール・エルー法が見出されたことによってアルミニウムの入手性が高まった。ホール・エルー法はアルミニウム精錬方法として広く実施されているのでその詳細は省略するが、アルミナを多く含む鉱石であるボーキサイトを水酸化ナトリウムで溶融してアルミナを抽出し（バイヤー法）、これを氷晶石（Ｇａ３ＡｌＦ６）を用いた電解浴（１３００Ｋ）で溶融、炭素電極を用いた電気分解でアルミニウムに精錬するものである。陽極側となる炭素電極が還元剤として作用し、これがアルミナ中の酸素と結合して二酸化炭素、一酸化炭素（１１００Ｋ以上）を発生させる。
Ａｌ２Ｏ３＋３Ｃ→２Ａｌ＋３ＣＯ
Ａｌ２Ｏ３＋３／２Ｃ→２Ａｌ＋３／２ＣＯ２
　このホール・エルー法は現在でもアルミナ精錬の主要な方法として利用されているが、アルミニウムを分離するために多量な電力を消費すること（アルミニウム１トン生産するための消費電力：１３，０００～１４，０００ｋＷｈ）、その際、上述のようにＣＯ、ＣＯ２などの温室効果ガスを多量に発生することが問題となる。特に後者の問題は、地球温暖化に直接つながる要因でもあり、グローバルな規模で代替方法が開発されるべき重要な課題であるといえる。
　ホール・エルー法自身に関しては、そのエネルギ効率の改善に向けての技術開発が見られ（例えば、「特許文献１」参照。）、またホール・エルー法に代わる還元方法の提案もされているが（例えば、「特許文献２」、「特許文献３」参照。）、いずれも上記課題を根本的に解決するものではなく、アルミナ還元方法に関しては未だ抜本的な改善の余地が残されていると言える。
　一方、マグネシウムは、アルミニウムよりもさらに軽量であり、加工性にも優れ、自動車、航空機、機械装置などを始めとした工業材料や、各種材料の機械的性質を改善するための添加剤などとして広く使用される金属である。加工面ではダイキャスト、押し出し、プレス成型、鍛造などに適用可能であり、応用範囲が広い。化学活性が比較的高いために腐食性はあるものの、表面処理により安定化が可能である。さらに、燃焼して高熱量（６０１．７ｋｊ／ｍｏｌ）を発生することでも知られている。
　歴史的にはアルミニウムとほぼ同時期の１９世紀後半に商業生産が始まっているが、精錬の困難性からその普及はやや遅れた。現在のマグネシウム精錬方法としては、熱還元方法と電解法が知られている。主力である前者の場合は、ドロマイト鉱石を焼成して得られるマグネシアに還元剤を添加して減圧化で高温加熱することにより行われる（ピジョン法）。
２ＭｇＯ＋Ｓｉ→ＳｉＯ２＋２Ｍｇ
また、後者の場合は、主に海水から得られる塩化マグネシウムを電解してマグネシウムを得ている（電解精錬法）。
ＭｇＣｌ２→Ｍｇ＋Ｃｌ２
しかしながら、これらいずれの方法も多量のエネルギ消費を必要とする点では変わりはなく、このためマグネシウムに関しても低エネルギ消費による精錬方法が求められている。
特開２０１１－２０８２５２７号公報 米国特許第６４４０１９３号明細書 特開２００６－５１９９２１号公報
　以上より、本発明は、アルミニウムに関してはホール・エルー法の上述した課題を解消し、マグネシウムに関しては現在の主要精錬方法であるピジョン法の上述した課題を解消し、温室効果ガスや人体に有害な物質を排出することなく、またエネルギ効率を改善することもできるアルミナ、マグネシアの還元方法を提供することを目的としている。
　本発明はレーザ光などの加熱手段を利用してアルミナ、マグネシアをプラズマ状態にしてアルミニウム、マグネシウムと酸素を熱解離し、このプラズマ状態のガスを超音速気流としてアルミニウム、マグネシウムと酸素の再結合を阻止することによって上記課題を解決するもので、具体的には以下の態様を含む。
　すなわち、本発明に係る１つの態様は、レーザ光などの加熱手段を用いてアルミナ粉末、マグネシア粉末を加熱しプラズマ状態としてアルミナ、マグネシアをアルミニウム、マグネシウムと酸素に熱解離するステップと、プラズマ状態となったガスをノズルから超音速で噴出して凍結流とすることによりアルミニウム、マグネシウムを単離するステップと、を含むことを特徴とするアルミナ、マグネシアの還元方法に関する。
　前記アルミニウム、マグネシウムを単離するに際し、還元装置に設けられるスロート部の上流側にアルミナ粉末、マグネシア粉末をキャリアガスと共に導入し、同じくスロート部の上流側に導入された作動ガスによってこれをスロート部に圧送し、レーザ光などの加熱手段によりスロート部領域を加熱してアルミナ、マグネシアを熱解離した後これをスロート部下流のノズルから超音速気流として噴出するよう構成することができる。
　前記作動ガス中に水素をさらに加え、水素の作用によりアルミナ、マグネシアの還元を促進させてもよい。これにより、還元効率をさらに高めることができる。
　アルミナ粉末、マグネシア粉末の導入に際し、スロート部の上流側に導入されるアルミナ粉末、マグネシア粉末の量を制御するステップをさらに含んでもよい。また、単離した後のアルミニウム、マグネシウムを冷却管の中に導き、該冷却管の内部に堆積させてアルミニウム、マグネシウムを回収するステップをさらに含んでもよい。
　本発明の実施により、温室効果ガス、その他の有害なガスを発生することなく、またホール・エルー法やピジョン法と比較して電力消費量の低減も可能にするアルミナ、マグネシアの還元を実施できるようになる。
本発明の実施の形態に係るアルミナ（マグネシアであっても良い。以下、同。）還元方法のステップの概要を示す説明図である。 図１に示すアルミナ還元方法に使用されるアルミナ粉末（又はマグネシア粉末）供給装置の構成図である。 本発明の各実施の形態に係るアルミナ還元方法と従来技術のホール・エルー法との還元効率を比較したグラフである。 本発明の実施例にて観測された、超音速気流中にアルミニウム原子が存在することを示す発光スペクトルのグラフである。
　本願発明の第１の実施の形態に係るレーザを使用したアルミナ還元方法、マグネシア還元方法について、図面を参照して説明する。なお、図面の表示および以下の説明では代表としてアルミナ還元方法の例を示しているが、材料がアルミナ粉末とマグネシア粉末とで相違するものの使用される装置並びにプロセスに関してはマグネシア還元についても基本的に同様に適用することが可能である。図１は、本実施の形態に係るアルミナ還元方法の概要を示しており、レーザ推進の技術と、それから派生したレーザプラズマ風洞の技術を応用している。図１において、アルミナ還元方法は、破線で区分されている内の図の左側にあるＡ領域に示すアルミナを熱解離するステップ、中央のＢ領域に示すアルミニウムと酸素を分離してアルミニウムを単離するステップ、そして右側のＣ領域に示す単離したアルミニウムを回収するステップから主に構成されている。各ステップの流れは左側から右側へと移行する。
　まず図の左側Ａ領域に示すアルミナを熱解離するステップにおいて、本実施の形態で使用される還元装置１００の内部には流れを絞るスロート部１１１が設けられ、その上流側（図の左側）にアルミナ導入口１１２が、さらにその上流側に作動ガス導入口１１３が設けられている。アルミナ導入口１１２からはアルゴンなどのキャリアガスと共にアルミナ粉末が装置内部に導入され、作動ガス導入口１１３からは酸素とアルゴンガス等の不活性ガスからなる加圧された作動ガスが導入される。アルミナ導入口１１２から導入されるアルミナとキャリアガスの混合物では、全体に占めるアルミナの含有量が、例えば約０．１～０．６ｇ／ｌ（ｌ：リットル）の範囲で適切に制御される。また、作動ガス導入口１１３から導入される作動ガスの圧力は、好ましくは１０気圧ほどである。アルミナとキャリアガスの混合物は、作動ガスにより図の左から右にスロート部１１１に向けて圧送される。
　スロート部１１１には、ここに焦点を合わせて図の左側からレーザ光１１４が照射される。本実施の形態では、最大出力２ｋＷ、波長１０．６μｍ、ビーム径３４ｍｍの炭酸ガスレーザが使用されているが、レーザ光１１４の仕様はアルミナをプラズマ状態にするに十分な熱量を与えるものであればよい。レーザ光の焦点近傍は局部的に１２，０００Ｋの高温に達し、その高熱によってアルミナは溶融し（アルミナの融点は２，３００Ｋ、マグネシアの場合でも３，０７０Ｋ）、さらにプラズマ状態となってアルミニウムと酸素が熱解離する。ここでは逆制動輻射と呼ばれる電子が光を吸収して加速される現象が発生し、電子とイオンがクーロン衝突を繰り返すことによってプラズマが加熱される。
　　　Ａｌ２Ｏ３＝２Ａｌ＋３／２Ｏ２－８３８ｋＪ
　次に図１の中央にあるＢ領域に移動して、加熱されて膨張し、スロート部１１１で絞られたプラズマ状態のガスは、スロート部１１１の出口であるノズル１１６から噴流となって図の右側に向けて放出される。この際のガスの流速は１，０００～３，０００ｍ／ｓの超音速流となり、急激な膨張で気流は急冷される。ここで従来のホール・エルー法によれば、電気分解されたアルミナ成分の内、酸素は陽極に引かれて炭素と結合して一酸化炭素もしくは二酸化炭素となって分離され、残るアルミニウムのみが溶融炉内に沈殿して回収される。しかしながら、炭素電極などの還元剤がない状態では、一般にアルミナが熱解離して一旦アルミニウムと酸素とに分離されても、結合力の強いアルミニウムと酸素が冷却の過程で再び結合してアルミナに戻ってしまう傾向にある。本実施の形態に係る方法によれば、プラズマとなって分離されたアルミニウムと酸素が凍結された超音速気流で常温状態まで急冷される結果、この再結合がされることなくアルミニウムと酸素を分離状態のままで維持することができる。この事実は、この凍結流を発光分光測定し、アルミニウム特有の発光スペクトルのピークを観察することによって確認できる。
　あとは図の右側にあるＣ領域に移行し、単離したアルミニウムのみが回収される。図示の例では、冷却された銅管１１７を利用し、この中に流体を流すことによって分離されたガス体の酸素は放出され、アルミニウムを銅管１１７の管壁に堆積させて回収することができる。この回収方法は一例であって、例えば酸素は透過し、アルミニウム粉末は捉えるフィルタを用いるなどにより回収することが可能である。
　上述したように、導入されるアルミナ粒子とキャリアガスの混合物では、アルミナ粒子の含有率が適切に制御されることが好ましい。図２は、アルミナ粒子の導入量を制御するアルミナ供給装置の一例を示している。図２においてアルミナ供給装置１０は、下からターンテーブル１１と、ターンテーブル１１の上に載置されたアルミナ容器１２と、アルミナ容器１２内にアルミナ粉末を供給する放出管１３と、アルミナ容器１２内からアルミナ粉末を取り出すアルミナ供給管１４と、アルミナを取り出して搬送するキャリアガスを供給するキャリアガス供給管１６とから構成されている。
　ターンテーブル１１はモータ１７によって回転駆動されるが、この回転数は図示しない制御装置によって制御可能である。アルミナ容器１２には、放出管１３からアルミナ粉末５が適宜放出される。放出管１３の先端にセンサ（図示せず）を取り付け、アルミナ容器１２内のアルミナ粉末５のレベルを検出してこれを一定のレベルに保つよう供給することが可能である。なお、放出管１３に対しては逐次アルミナ粉末が補充可能である。本実施の形態では、アルミナ粉末は約０．０３～３μｍ径のものが使用可能であるが、アルミナ粉末の供給量を安定して制御するためには１回の処理に使用されるアルミナ粉末はほぼ同一粒度のものに選別して使用されることが望ましい。アルミナ供給管１４とキャリアガス供給管１６とは二重管構造となっており、外周にあるキャリアガス供給管１６を通ってアルゴン、ヘリウムなどのキャリアガスが上方から下方に向けて供給可能である。二重管構造はアルミナ容器１２内でアルミナ粉末５と接する高さにあり、キャリアガスの圧力によってアルミナ粉末５が混ざったキャリアガスが次にアルミナ供給管１４の内部を下方から上方に向かって押し出され、さらに図１に示すアルミナ導入口１１２に向けて供給される。
　以上のように構成されたアルミナ供給装置１０の動作は、まずアルミナ放出管１３からアルミナ容器１２内にアルミナ粉末５が放出され、モータ１７によってターンテーブル１１が回転駆動される。次にキャリアガス供給管１６の上方からキャリアガスが供給され、二重管の下端でキャリアガスにアルミナ粉末５が巻き込まれてアルミナ供給管１４内に押し込まれ、その混合気が図１に示すアルミナ還元装置１００のアルミナ導入口１１２に供給されるものとなる。アルミナの供給量に関しては、ターンテーブル１１の回転数を調整することによって制御が可能である。なお、アルミナの供給量の制御は、例えばターンテーブルを用いる代わりにテーブル全体を上下するなど、他の調整方法が利用されてもよい。また、二重管構造は一例であって、他のアルミナ粉末の導入方法が採用されてもよい。
　図３は、本実施の形態に係るレーザ光を利用したアルミナ還元方法におけるアルミニウム還元効率を表したもので、横軸は投下したエネルギの利用効率（％）、縦軸はアルミニウム還元効率（ｍｇ／ｋＪ）を示している。本実施の形態における還元効率を●印付きの実線で示し、対比としてホール・エルー法における還元効率（約１０ｍｇ／ｋＪ）を破線で示している。この結果によれば、本実施の形態にかかるレーザ光を利用したアルミナ還元方法によれば、投下エネルギの約３０％が還元に利用されればホール・エルー法の効率を上回ることになる。本願発明者らの試算によれば、レーザ光によるエネルギは、図１のスロート部１１１における輻射による壁面熱損失（約４０％）、化学損失（約１５％）、透過損失（約１０％）などによって一部失われるが、それでも少なくとも３５％の効率が達成できるものとなり、したがって本実施の形態に係るアルミナ還元方法はホール・エルー法よりもアルミニウム還元効率を高くする可能性がある。加えて、ホール・エルー法に対する本発明の根本的に有利な点は、ＣＯ２、ＣＯなどの温室効果ガス、有害ガスの発生が一切ないことである。排出されるのは、アルミナから分離された酸素と、キャリアガス、作動ガスとして使用されたアルゴンなどの不活性ガスのみである。
　次に、本発明の第２の実施の形態に係るアルミナ（マグネシアであっても良い。）の還元方法について説明する。本実施の形態に係るアルミナの還元方法は、基本的に図１、図２を参照して説明した先の実施の形態と同様であり、相違点として作動ガス導入口１１３から導入される作動ガスに水素を追加することである。水素の添加量は、作動ガスとの重量割合にて約０～５０％、好ましくは約１～３０％とすることができる。水素は、レーザ光により加熱されたアルミナが溶融し、さらにアルミニウムと酸素が分離した際に酸素と結合し、アルミナの還元作用を促進する。この際の化学式は以下のようである。
　　　Ａｌ２Ｏ３＋３Ｈ＝２Ａｌ＋３Ｈ２Ｏ－１１２ｋＪ
　すなわち、水素を還元剤して使用することにより、より少ないエネルギでアルミナの還元を行うことができる。先に示した図３において、■印付き実線は水素を還元剤として用いた場合の還元効率を示している。これによれば、レーザ光として投入されたエネルギの約４％の利用効率でホール・エルー法による還元効率を凌駕することができ、エネルギの利用効率が試算通り３５％であるとすれば、ホール・エルー法の１０倍もしくはそれ以上の還元効率（ｍｇ／ｋＪ）を達成することができる。また、この際に追加して排出されるのは水（Ｈ２Ｏ）のみであり、有害ガス等の発生が全くないことは先の実施の形態と同様である。
　アルミナを従来技術による電気分解ではなく、熱解離によって還元する際の加熱手段として、上述した各実施の形態に示す例ではレーザ光を利用するものとしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の加熱手段が利用されても良い。例えば、アーク放電、誘導結合プラズマなどがその例として挙げられる。しかしながら、アーク放電を利用した場合には電極（タングステン、銅）が消耗し、特に酸素雰囲気下では作動が制限されるという問題があり、また誘導結合プラズマを利用した場合には、作動圧力が１気圧以下と制限されるほか、生成金属であるアルミニウムとの干渉の問題がある。本実施の形態に係るレーザプラズマ方式によれば、電極などの消耗部分がないので酸素雰囲気下での作動が可能であり、また作動圧力も高く維持できることから（約１０気圧まで）、超音速の凍結流を得るにはより好適であると言える。
　実施の形態１に示すアルミナ還元を以下の仕様で実施した。　
　－レーザ仕様：出力１ＫＷの連続発振型炭酸ガスレーザを使用。波長：１０．６μｍ、ビーム径：３４ｍｍ、レンズ：ｆ９５。
　－スロート仕様：スロート径：１ｍｍ、ノズル出口：１０ｍｍ
　－アルミナ粉末流量：キャリアガス（アルゴン）に対して１０％質量比。
　－アルミナ粉末径：３μｍ
　その結果、図４に示すように、凍結流（超音速気流）中にアルミニウム原子の存在を示す発光スペクトルのピーク（２５７ｎｍ、３０９ｎｍ、３９６ｎｍ）が観察され、アルミニウムの単離が確認された。
　本発明に係るアルミナ、マグネシアの還元方法は、アルミナを精錬してアルミニウムを製造する産業分野、マグネシアを精錬してマグネシウムを製造する産業分野において利用することができる。
　　５：アルミナ粉末（マグネシア粉末であっても良い。以下、同。）、　１０：アルミナ供給装置、　１１：ターンテーブル、　１２：アルミナ容器、　１３：放出管、　１４：アルミナ供給管、　１６：キャリアガス供給管、　１７：モータ、　１００：還元装置、１１１：スロート部、１１２：アルミナ導入口、１１３：作動ガス導入口、１１４：レーザ光、　１１６：ノズル、　１１７：銅管、

Claims (6)

  1. 　加熱手段を用いてアルミナ粉末又はマグネシア粉末を加熱しプラズマ状態としてアルミニウム又はマグネシウムと酸素に熱解離するステップと、
    　プラズマ状態となったガスをノズルから超音速で噴出して凍結流とすることによりアルミニウム又はマグネシウムを単離するステップと、
    を含むことを特徴とするアルミナ又はマグネシアの還元方法。
  2. 　還元装置に設けられるスロート部の上流側にアルミナ粉末又はマグネシア粉末をキャリアガスと共に導入し、同じくスロート部の上流側に導入された作動ガスによってこれをスロート部に圧送し、加熱手段によりスロート部を加熱してアルミナ又はマグネシアを熱解離した後これをスロート部下流のノズルから超音速気流として噴出する、請求項１に記載のアルミナ又はマグネシアの還元方法。
  3. 　前記作動ガス中に水素を加え、水素の作用によりアルミナ又はマグネシアの還元を促進する、請求項２に記載のアルミナ又はマグネシアの還元方法。
  4. 　スロート部の上流側に導入されるアルミナ粉末又はマグネシアの量を制御するステップをさらに含む、請求項２に記載のアルミナ又はマグネシアの還元方法。
  5. 　単離したアルミニウム又はマグネシウムを冷却管の中に導き、該冷却管の内部に堆積させてアルミニウム又はマグネシウムを回収するステップ、もしくは単離したアルミニウム又はマグネシウムをフィルタ装置を用いて回収するステップのいずれかをさらに含む、請求項２に記載のアルミナ又はマグネシアの還元方法。
  6. 　前記加熱手段がレーザ光である、請求項１から請求項５のいずれか一に記載のアルミナ又はマグネシアの還元方法。
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