JP2002515548A - 溶融物の処理方法及び装置 - Google Patents

溶融物の処理方法及び装置

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JP2002515548A
JP2002515548A JP2000549785A JP2000549785A JP2002515548A JP 2002515548 A JP2002515548 A JP 2002515548A JP 2000549785 A JP2000549785 A JP 2000549785A JP 2000549785 A JP2000549785 A JP 2000549785A JP 2002515548 A JP2002515548 A JP 2002515548A
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フレイ、デレク、ジョン
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting
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    • C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent
    • C22C21/04—Modified aluminium-silicon alloys

Abstract

(57)【要約】 容器中の溶融された材料例えば溶融アルミニウムに、金属例えばナトリウムを添加するための方法及び装置であって、溶融された金属化合物又は金属化合物溶液をコンテナ（１２）に入れ、コンテナを容器の外側に置き、上記化合物を電気分解により分解して金属イオンを金属イオンの導体である固体状態の電解質で作られた壁（１４）に通し、金属イオンを壁の第１面から反対側の壁の第２面へ導き、壁の第２面で電子と結合させ、その後コンテナから溶融物中へ溶融金属として流出させることを特徴とするものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、溶融物へ極少量の金属を添加することに関するものである。
【０００２】 この発明は、詳しく云えば、周期律表の１Ａ族中の或る金属を、他の金属例え
ばアルミニウム又は亜鉛の溶融物に添加することに関するものである。ここで、
１Ａ族の金属とは例えばナトリウム又はリチウムである。
【０００３】 この発明は、最も好ましくは、溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム合金に
ナトリウムを添加することに関するものであるところ、それに限定する積りでな
いことは云うまでもないが、便宜上以下ではとくにこれらの金属について説明す
る。
【０００４】
【従来の技術】
溶融アルミニウムに極少量のナトリウム例えば２００ｐｐｍ以下のナトリウム
を添加することは、よく知られている。そうすると、改良された品質の鋳物が得
られ、その鋳物は鋳型から一層容易に取り出すことができ、収縮が少なくなりや
すい。
【０００５】 これまではナトリウムは、棒として又はアルミニウム缶に入れた金属の形態で
、又はナトリウム化合物のタブレットの形態で溶融アルミニウムに添加されて来
ており、これらの方法は簡単であるという利点を持っているが、非常に非能率的
である。激しい反応が起こるために、添加したナトリウムの多くが酸化して失な
われ、著しいスモークの発生が惹起される。従って頻繁な添加が必要となり、そ
のためにこの方法は非常に無駄の多いものとなり、環境を悪化させるものであっ
て、管理された量を有効に添加することができない。
【０００６】 これらの欠点を改良した方法が欧州特許Ａ−０６８８８８１号公報に開示され
ている。この公報は、溶融ナトリウム又は溶融ナトリウム化合物からなる電極を
溶融アルミニウム中に浸漬し、ナトリウムイオンを導く固体状態の電解質によっ
て溶融物から分離することからなる、溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム合
金にナトリウムを添加する方法を教えている。溶融物中に第２電極を付設して、
最初の電極と溶融物との間に直流電圧を印加する。この技術は原理的には多くの
利益を与えるが、この技術は溶融物の問題、例えば固体状態の電解質コンテナに
何等かの故障があるかどうかの問題に到達する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の目的は、金属添加についてさらに改良された手段を提供することに
ある。
【０００８】
【課題解決のための手段】
従って、この発明は、溶融された金属化合物又は金属化合物溶液をコンテナに
入れ、コンテナを容器の外に置き、上記化合物を電気分解により分解して金属イ
オンを金属イオンの導体である固体状態の電解質で作られた壁に通し、壁の第１
面から反対側の壁の第２面へ導き、壁の第２面で電子と結合させ、その後コンテ
ナから溶融物中へ溶融金属として流出させることを特徴とする、容器中の溶融さ
れた材料に金属を添加する方法を提供するものである。
【０００９】 他の一面では、この発明は、容器中の溶融された材料に金属を添加するための
装置を提供するものであって、その装置は、溶融された金属化合物又は金属化合
物溶液を入れるために上記容器の外側に置かれているコンテナと、溶融されるか
又は溶解された上記化合物を電気分解によって分解するための手段と、コンテナ
の内側に付設されていて、金属イオンの導体である固体状態の電解質で作られた
壁であって、その近くで発生した金属イオンが壁を通過して壁の第１面から反対
の第２面へ通過することのできる壁と、壁の第２面で金属イオンと結合するため
の電子の資源と、こうして生成された溶融金属を壁の第２面から溶融物中へ送る
手段とからなるものである。
【００１０】 コンテナが溶融された金属化合物を入れるためのものである場合のこの発明の
実施態様としては、この装置は金属化合物を溶融された状態にまで加熱するため
の手段を含んでいることが好ましい。
【００１１】 金属化合物溶液が用いられる場合のこの発明の実施態様としては、溶剤は有機
溶剤、例えばアセトアミド又はグリセリンであることが好ましい。溶剤を使用す
るときには、この発明は、蒸発又は沸騰による溶剤の実質的な損失を防ぐための
手段を含んでいることが好ましい。上述のように、容器内の溶融物は、普通溶融
金属例えば亜鉛、又は好ましくはアルミニウムであるが、しかし、この発明は原
理的には非金属溶融物にも適用できることは云うまでもない。
【００１２】 また、上述のように、溶融物に添加される金属は、周期律表の第１Ａ族の金属
であるのが普通であって、この発明はとくにナトリウムの添加に有用である。
【００１３】 金属化合物はイオン化合物であることが好ましいが、この発明は非伝導性金属
化合物を使用する場合にも、同様に適用することができる。複数の（イオン性又
は非イオン性）金属化合物の混合物をも用いることができる。
【００１４】 金属化合物がイオン性である場合には、溶融された化合物中に付設された第１
電極と、固体状態の電解質で作られた壁の向こう又は壁の第２面に付設された第
２電極との間に、電流を通してもよく、その場合にもし１種又は２種以上の非伝
導性金属化合物が用いられているならば、第１電極は多孔性のもので、壁の第１
面上に存在するように付設しなければならない。
【００１５】 こうして、金属化合物の電気分解が行われると、溶融金属は第２電極で放電し
、アニオン性のものは第１電極で放電する。金属化合物は、金属塩例えば金属の
水酸化物、炭酸塩又はしゅう酸塩であることが好ましい。アニオン性のものは、
放電して１種又は２種以上のガスを生成することが好ましく、例えば金属化合物
として水酸化ナトリウムが使用されている場合には、水蒸気又は酸素が生成し、
また金属化合物として炭酸ナトリウムが使用されている場合には、二酸化炭素又
は酸素が生成するのが好ましい（水蒸気が生成する場合には、普通水蒸気を導管
で排出して、容器内の溶融物と接触する可能性がないようにすべきであることは
、云うまでもない）。
【００１６】 この方法の開始にあたっては、固体状態の電解質で作られた壁の第２面でプラ
イミングが必要とされることがある。これは、第２面と第２電極との間の接触に
より、又は或る量の溶融金属の提供により達成することができる。
【００１７】 固体状態の電解質で作られた壁は、コンテナを形成するのが便宜である。１つ
の実施態様では、このコンテナはまた金属化合物が入っているコンテナを提供し
ている。だから、必要な電流を通すための第１電極は、コンテナ内の金属化合物
内へ延びるか、又は壁の内側（第１面）上に存在している。従って、金属イオン
がコンテナ壁を通って外側へ移行して放電し、その後液状の金属が壁の外側から
或る通路を経て容器内の溶融物へ移行する。第２の実施態様では、固体状態の電
解質で作られたコンテナが、別のコンテナの内部に付設される。この外側のコン
テナは、必要な電流を通すための電極の１つとして働らくのが便宜である。
【００１８】 この第２の実施態様では、金属化合物は固体状態の電解質で作られた内側コン
テナ内に含まれていてもよく、又はそのコンテナの外側にあってもよいが、外側
コンテナの内側になければならない。そのとき、金属イオンは内側コンテナの壁
を通り内側から外側へ流れるか、又はその逆であってもよく、電気回路機構は望
み通りに適当に配置される。従って、液状の金属は適当に内側コンテナの内側又
は外側から容器内の溶融物へ向かう通路を備えている。
【００１９】 電極は、適当に電気を導く材料であれば、どのような材料で作られていてもよ
い。従って、第１電極は、例えばニッケル、ステンレススチール、又は黒鉛で作
られてもよく、第２電極は使用される金属化合物によって変わり、例えばニッケ
ル、鉄又はスチールで作られていてもよい。
【００２０】 溶融物に添加される金属がナトリウムである場合には、ナトリウムイオンの資
源を提供するナトリウム化合物は、上述のように、例えば水酸化ナトリウム又は
炭酸ナトリウムであってもよい。どのような化合物が用いられても、その化合物
は固体状態の電解質と両立できるものであることが望ましく、無毒であることが
望ましく、また無害の副生成物を生成することが望ましい。
【００２１】 炭酸ナトリウムを使用することが望ましい場合には、炭酸ナトリウムを或る割
合で塩化ナトリウムと混合して純粹な炭酸ナトリウムの溶融温度を８５８℃から
その混合物の溶融温度、例えば約６３５℃にまで下げることが好ましい（これら
の場合には塩化物イオンは放電されないことは云うまでもない）。同様に、水酸
化ナトリウムを使用することが望ましい場合には、水酸化ナトリウムに或る割合
で炭酸ナトリウムを混合して、純粹な水酸化ナトリウムの溶融温度を３２２℃か
らその混合物の溶融温度約２８５℃に下げることが好ましい。
【００２２】 この装置を高温で動かす場合には、金属化合物を添加する間は、例えば熱衝撃
により固体の電解質が損傷することがあるので、その過程で使い古したものを補
給するように、注意することが必要である。新しい化合物は、例えば一様な遅い
速度で添加してもよく、また固体の電解質は熱衝撃に耐えるように構成してもよ
い。これは、例えば電解質が確実に或る曲率半径を持つようにすること、好まし
くは少なくとも２方向ですべての領域において小さな曲率半径を確実に持つよう
にすることによって、達成することができる。例えば、筒状に成形された電解質
の場合には、その直径が実際上最も小さい値になるまで小さくする。また、ベー
ターアルミナのような固体電解質は、その構造中に約１２％のジルコニアを含む
ことによって強化されることがある。しかし、この発明の好ましい方法は、固体
の電解質を取り巻いている液体の温度に近い温度まで、新しい金属化合物を加熱
するための別個の部屋を使用することである。この発明の１つの実施態様では、
固体状の水酸化ナトリウムを別個のコンテナの中で溶融し、溶融された塩をこの
コンテナから電気分解部所へ供給して、溶融塩レベルをそこで合理的に一定レベ
ルに保持する。第２の実施態様では、水酸化ナトリウム水溶液を溶融された水酸
化ナトリウムのコンテナ内に滴下する。溶液の迅速な乾燥と溶融が起こる。乾燥
部屋は電気分解部屋から充分に離れていて、固体電解質が熱衝撃又は水による化
学的な攻撃によって損傷されるのを防ぐことが好ましい。
【００２３】 電気分解を行うための動力供給は、全費用の大部分を構成することが多く、従
って、その動力と大きさとを最小にするように注意を払うことが好ましい。電圧
要求は容易に分解される塩を使用することにより、また電流搬送部品がすべてで
きるだけ短かいものであって、且つ実用的な最大断面積を持つことを確実にする
ことによって、最小にすることができる。電流要求は、装置の断続運転をなくす
ることによって減少させることができる。金属は、断続様式で容器内に導入する
ことが必要とされることが多いので、この発明は少量の金属を装置内にそれが必
要となるまで貯えるための手段を含んでいる。また、そのとき或る手段が含まれ
ていて、作って貯えておいた金属を必要なときに供給する。しかし、金属ナトリ
ウムとその他１Ａ族の金属は安全問題を提示しているので、この装置は添加過程
のどの段階でも最小量の金属が確実に存在しているようにするための手段を含ん
でいることが好ましい。この理由のために、加圧された不活性ガスが、電気分解
部屋から容器へ溶融金属をポンプ輸送する際に好都合な方法となる。第２のポン
プ輸送方式を用いて金属を装置から容器へ移動させる場合には、金属の流れを最
適速度に設定できるように、流れに対するセンサーを含めることが望ましい。そ
のようなセンサー又は、例えば金属供給バイプ内の残留物の探知を助けることに
なる。ガス圧が用いられる場合には、１箇又は２箇以上のガス圧力計を用いるこ
とが好ましい。
【００２４】 ナトリウム添加の場合の、固体状態の電解質は、ナトリウムベーターアルミナ
であることが好ましい。ナトリウムベーターアルミナは、広い温度範囲にわたっ
て無視できる電子伝導度を持つ溶融塩のナトリウムイオン伝導度に類似した伝導
度を持っているが、しかし適当なナトリウムイオン伝導度を持つものであれば、
他のどんなものでも用いることができる。リチウム添加の場合の固体状態の電解
質は、リチウムベーターアルミナであることが好ましいが、しかし、また適当な
リチウムイオン伝導度を持つものであれば、他のどのようなものでも用いること
ができる。
【００２５】 従って、この発明によると、固体状態の電解質を通過する電荷を制御すること
によって、溶融物への金属の添加を制御することができる。固体状態の電解質を
通ってポンプ輸送される材料の量は、ファラデーの法則によって決定される。２
６．８アンペア時間に対して、１価のイオン化された金属１モルが、固体状態の
電解質を通ってポンプ輸送される。
【００２６】 添加される金属、例えばナトリウムに対するセンサーが溶融物中に挿入され、
金属の添加が予め定められた望ましいレベルまで監視され制御される。その後、
それは過剰のものを添加する必要なしに、そのレベルに維持することができ、そ
れによって廃棄物とフュームとドロス生成とを著しく減少させるので、この利点
は、溶融物内のコンテナを破損する危険が全くないままに達成することができる
。
【００２７】 この方法を実施する間、可成りの量のガスが発生するので、第１電極は、電気
分解の過程で発生するガスの影響を最小にするように、配置することが好ましい
。例えば、電気分解によって発生するガスはアノードと電解質との間から逃げる
ことが困難である。アノードと電解質との間の距離は、能率のよい電気分解を有
効に行うために充分に小さくされ、またアノードで生成されたガスを逃がすため
に充分に大きくすることとの間の妥協物であることが必要である。１つの実施態
様では、アノードで生成されたガスがガスの排出される資源材料（即ち、溶融さ
れた金属化合物又は金属化合物溶液）の全体密度を減少させるという事実が利用
される。この密度の相違は、アノードと資源材料との間で、この領域からガスの
除去を助ける方向に資源材料の流れを作るのに用いられる。それに加えて又はそ
れに代わって、資源材料を循環させるのにポンプが使用され、こうしてガスの除
去が助長される。アノードはガス透過性を持ち、例えば多孔性であることが有利
である。第１電極は、例えば固体状態の電解質の上にあって、ガス透過性と電気
伝導性とを持った層からなるものであってもよい。
【００２８】 コンテナに比べて第２電極の構造は、溶融金属の貯蔵量を最も少なくするよう
にすることができる。その代わりに、溶融金属は連続基礎に基づく電気分解によ
って製造し、コンテナと容器との間の貯蔵所内に保持され、必要なときにポンプ
で輸送される。それによって電気分解の速度を高めることができる。
【００２９】 第１電極は、例えばほぼ円筒の形、好ましくは中空円筒の形をしていてもよい
。第１電極と固体状態の電解質とは、実質的にそれらの全対向面にわたって、ほ
ぼ一定の最小距離だけ離れているように成形されるのが有利である。これは、固
体状態の電解質内の特定な点に電流が集中するのを実質的に防ぐことができ、電
流が集中すると、固体状態の電解質が早期に破損することとなる。このことは、
電解質がベーターアルミナで作られているときに、特に重要である。
【００３０】 この発明に係る装置は制御手段、例えば溶融された金属化合物又は金属化合物
溶液を定期的に置き換えるようなタイマー及び／又は監視手段を含んでいること
が好ましく、この発明に係る方法は、溶融された金属化合物又は金属化合物溶液
を、定期的に置き換える段階を含んでいることが好ましい。溶融された金属化合
物又は金属化合物溶液の定期的置換（又は流出）は、介在物又は金属化合物と空
気とが反応して生成される沈澱物の形成を実質的に防ぐ。例えば、水酸化ナトリ
ウムが金属（この場合はナトリウム）の資源材料として使用されると、水酸化ナ
トリウムは空気中の二酸化炭素と反応して炭酸塩を生じ、炭酸塩は普通水酸化ナ
トリウムよりも遅い速度で電気分解されるので、妨害物を生成するような沈澱物
を時間とともに形成し増大させることとなる。それに代わり、炭酸塩が生成する
と、資源材料の融点が運転温度以上に上昇し凝固が起こって資源材料が第１電極
に接触するのが妨げられる。
【００３１】 この発明に係る装置中のコンテナは、溶融物を入れている容器の外に付設され
ているので、コンテナは広範囲の運転温度を採ることができ、広範囲の金属化合
物を使用できることとなる。とくに、装置の運転温度は（溶融物容器の運転温度
に比べると）、最小にされており、それによって通常一層経済的な材料が使用で
き、また簡単な措置にすることができることとなる。もし必要ならば、この系の
密封もまた一般に容易に行うことができる。
【００３２】 さらに、この発明に係る装置の設計は、容器内の溶融物中にコンテナを浸漬し
なければならないような従来の設計に関連する熱衝撃問題を避け、とくにアルミ
ニウム溶融物の場合には、固体状態の電解質が溶融アルミニウム中で不安定であ
るという問題を解消する。
【００３３】 装置は、コンジット例えば溶融金属を溶融物に送るための供給チューブを含む
ことが好ましい。コンジットは、完全に包囲されて金属が外部環境から隔離され
ていてもよく、例えば溶融物中に沈められていてもよい。これは、例えばナトリ
ウムを添加する場合にとくに重要である。コンジットは簡単なチューブなどであ
ってもよいが、例えば第５図に模型的に示したようなローターであることが好ま
しい。コンジットは耐火物、例えばセラミック材料（アルミナが１つの可能性を
持っている）で作られてもよく、又は溶融物の温度よりも高い融点を持った金属
で作ることもでき、例えばスチールで作ることができる。
【００３４】 その代わり、装置は輸送手段、例えば容器の外に置かれている溶融材料に金属
を添加するために、容器から溶融材料を輸送するポンプを含んでいることが好ま
しい。溶融材料に金属を添加するための装置へ又はこの装置近くへ、溶融材料を
輸送することが好ましい。
【００３５】 装置は、全体を包囲する外部ハウジング、その他の部品例えば（運転者を保護
するための）熱絶縁物、及び溶融容器に対して据えつけ固定するのを助けるため
の部品を含むのが普通である。
【００３６】 例示の積りで、添付図面を参照してこの発明の実施態様を以下に説明する。図
面中、 図１は、この発明の１つの実施態様における装置に用いられる金属化合物添加
用コンテナの一部断面詳細図である。 図２は、この発明の他の実施態様における図１と同様な一部断面詳細図である
。 図３は、この発明の別の実施態様の断面図である。 図４は、この発明のさらに別の実施態様の断面図である。 図５は、この発明の追加の実施態様の断面図である。 図６は、この発明のさらに別の実施態様の模型的断面図である。
【００３７】 図１は、ステンレススチールコンテナ１２とベーターアルミナシンブル１４か
らなる装置を示している。
【００３８】 ナトリウムベーターアルミナで作られたシンブル１４はコンテナ１２の内側に
位置しており、シンブル１４はその下端に溶融されたナトリウム化合物のプール
１５を収容している。ニッケル製のチューブアノード３０は、シンブル１４の底
へ向かって延びて、溶融されたナトリウム化合物のプール１５へ入り、上方部分
の周りを包囲する加熱素子３１を備えて、ナトリウム化合物を溶融するための手
段を与えている。チューブはニッケルからなる網３２を含み、溶融されるまでナ
トリウム化合物が通過するのを防ぐ。
【００３９】 コンテナ１２はカソードとして働くものであって、スチールで作られた網３３
と接触しており、網３３はコンテナ１２とシンブル１４との間に介在して、それ
らの間の電気通路を提供している。
【００４０】 コンテナ１２はその上端近くに外部カラー３４を備えており、それによってコ
ンテナ１２は所望の位置にある適当な構造物に取り付けられて、支持される。耐
熱シールリング３５が内側及び外側コンテナの間、すなわち、コンテナ１２とシ
ンブル１４の上方延長部３７との間の環状空間３６をシールしている。この上方
延長部３７は、アルファアルミナ又はベーターアルミナと両立するものであれば
、どのような材料で作られていてもよい。不活性ガス、例えばアルゴンのための
入口３８が環状空間３６に通じていて、望ましくない酸化反応を防ぎ、及び／又
は溶融ナトリウムの貯蔵量を減少させている。
【００４１】 電流が通ると、溶融化合物中に存在しているナトリウムイオンがシンブル壁を
通過し、放電し、その後溶融ナトリウムは流下してコンテナ１２の底にある出口
３９を通り、（図示していない）アルミニウム溶融物のコンテナへ入る。
【００４２】 図２は、コンテナ２３と、固体電解質で作られたシンブル２４とからなる装置
を示しており、ここではシンブルがコンテナの内側に位置しているが、コンテナ
２３と接触している溶融ナトリウム化合物は、シンブル２４の外側に位置し、シ
ンブルは溶融化合物中へ延びている。
【００４３】 この装置では、固体のナトリウム化合物が下方に向かって供給されて、ホッパ
ー４０からフィーダー４１を経て、外部ニッケル網４３を持ったチューブ４２へ
と供給される。ヒーター４４がチューブ４２の下部を包囲し、それによって網４
３によって支持されている固体ナトリウム化合物が溶融される。溶融された化合
物は流下してコンテナ２３へ入り、コンテナ２３はアノードとして働くニッケル
チューブ２２を含んでいる。コンテナ２３はヒーター４５によって包囲されて、
化合物を溶融状態に維持する。
【００４４】 コンテナ２３の内側にはナトリウムベーターアルミナで作られたシンブル２４
が存在している。シンブル２４の底はステンレススチールで作られたカソードチ
ューブ４７によって与えられる通路に通じており、カソードチューブ４７はシン
ブル内へ延びている。上記の通路はアルミナ供給チューブ４８を経て、（図示し
ていない）溶融アルミニウムを含む容器に通じている。スチール網４６は、シン
ブル２４とカソード４７との間にあってこれらに接触しており、また、これらの
間に電気通路を与えている。
【００４５】 コンテナ２３とヒーター４５とは絶縁物４９によって包囲され、装置は全体が
保護カバー５０内に維持されて、チューブ４７がカバー５０を貫通している。
【００４６】 電流が通ると、溶融化合物中に存在するナトリウムイオンが、シンブル２４の
壁を通過してその内部へ入り、放電し、その後溶融ナトリウムが下方へ流れ、チ
ューブ４７と４８を通ってアルミニウム容器に達する。その過程で発生したガス
は上方へ流れ、コンテナ２３の上端にある通気口５１を通って逃げる。
【００４７】 この装置ではガスがシンブルの外へ発生し、そこで一層容易に逃げることがで
きる。
【００４８】 図３は、固体電解質で作られたシンブル１４内に、カソード１３２を封入する
ための別の方法を示している。５６で示す適当なガラス又はセメントによるシー
ルによって、シンブルとアルミナ製リング５７との間に気密なシールが形成され
る。金属の薄片で作られた断面Ｌ字状のリングが、点７７でアルミナリングに付
設される。その後レーザー溶接のような適当な技術を使用して、金属リングがカ
ソードに点５８で溶接される。その後この組立物は、支持リング１３４を使用し
て、アノード／資源材料コンテナ１３１内に付設される。その後、金属が出口１
３３の高さまで電解質内を満たすに充分なほど電気分解によって金属が作られる
と、パイプ３８から不活性ガスを供給することにより、金属はパイプ１３７を通
ってポンプ輸送されて、容器内の溶融物中に運ばれる。
【００４９】 アノード／コンテナ１３１内の資源材料１５は、ヒーター１３０を使用して所
望の温度にまで加熱される。コンテナ１３８内にある新しい資源材料１３９は、
ヒーター１４０で溶融して添加され、溶融材料の落下物が模型的に１４１で示さ
れている。
【００５０】 電気分解のための電力はケーブル１３５によってカソードへ供給され、１３６
はアノードへの電気コネクターである。電気分解によって発生するガスは出口５
５から逃散する。このユニット全体は設置されたあとで、包囲物５０によって保
護されるが、包囲物５０は熱絶縁物を含んでいてもよい。
【００５１】 図４では、円筒状アノード又は第１電極７１で発生したガスは、アノードと固
体電解質で作られたシンブル７０との間の環状空間内の金属資源材料中に蓄積す
る。ガスは上昇し、資源材料６９を運んで表面に達するが、その表面の普通の高
さは９１によって示されている。ガスは資源材料を出て蒸気のトラップ又はフィ
ルター８５まで上昇し、その後（もし必要ならば適当なチューブを通って）装置
から追い出される。その後、ガスを除去された資源材料がパイプ７２を通って再
び装置の底に沈む。従って、資源材料は矢印９４で示された方向に循環する。
【００５２】 電気分解区画室７４用のヒーターがアノードを包囲している。そこには資源材
料加熱区画室用ヒーター９２があり、隔壁９３が２つの区画室を分割しているの
で、バルブ８８が開かれて新しい冷えた資源材料が供給パイプ９０から入れられ
るときに、電解質の熱衝撃が隔壁９３によって防がれる。
【００５３】 電解質と第２電極７５との間で第１の電気的接触をさせるために、１箇の柔軟
な伝導性材料７９が固体電解質７０内に付設される。一旦電気分解が開始される
と、ナトリウムが電解質を満たし、ついには出口７６に達し、それによって電解
質の内部の大部分まで電気的接触が確立される。第２電極又はカソード７５は出
口を含み、その出口から電気分解によって発生したナトリウム金属が流れ出る。
溶融ナトリウムが中空カソードの底に落下し、加圧されたガスを使用して溶融ナ
トリウムは（図示していない）容器内の溶融物へパイプ７３を通ってポンプ輸送
される。加圧されたガスはバルブ８４を通って導入され、もしナトリウムの流速
を監視したい場合には、センサー７８が付設される。センサー７８とバルブ８４
とを使用して、ナトリウムの流速のフィードバック制御システムを確立すること
ができる。適当なガスを通さない材料、例えばセラミックセメント及び／又はガ
スを使用して、アルミナ製のカラー７７が固体電解質に付設され、２つの電極が
ガスに対してシールされる。この図はシールの機構の一例を示しており、そこで
は黒鉛を基材とするガスケット８２が、ガスケット８２の接触している電極とア
ルミナ製リングとの間で強く押圧されている。この圧力は、スプリング８０をア
ノードのシール表面に向けて圧縮するという適当な機構によって、発生される。
カソード１１７上でナイフの刃先状に鋭く突出しているリングが、アルミニウム
リング８１中に食い込み、ナトリウムが黒鉛に接触するのを防いでいる。アノー
ド上の突出するリング１１６は、黒鉛製ガスケットが余りに強く又は不均一に圧
縮されることを防いでいる。それは、不均一な圧縮が電解質を電極の１つに接触
させて破壊させるからである。このような事態が発生しないようにする追加的予
防手段は、アノードとカソード上にあるリング９５によって与えられるが、それ
はリング９５が電解質と両電極との間の間隔を均等に保つからである。
【００５４】 液状の資源材料のタンク８７は、柔軟なチューブ８９を使用して装置に接続さ
れている。もし何等かの理由により、過剰の圧力が装置内に発生すると、（例え
ばもし資源材料が水溶液であって、ガス出口のトラップ８５が塞がれて、水の蒸
発によって生じる水蒸気が放出されるのを妨げられると）、チューブ８９がパイ
プ９０から外れて、資源材料はこれ以上装置内へ入らなくなる。そこには通気口
８６があって、コンテナ８７内の圧力を均等にしている。
【００５５】 図５は、この発明の別の実施態様の断面を示しており、その例は沸騰点の比較
的低い資源材料を使用するのにとくに適した特徴を持っている。資源材料は、ア
ノード７１内で発生したガスによってパイプ又はチャンネル１０６を通して運ば
れる。ガスは貯蔵タンク１１２に入るときに資源材料から離れ、その後ミストフ
ィルター８５を通ってタンクを出る。カバー又は蓋１０１を取り除くことによっ
て、新しい資源材料が入口１００から添加され、その結果レベルは線１０２近く
に維持される。バッフル１１０が存在して、チャンネル又はパイプ１０７に入る
資源材料が、最小量のガスを含むことを確実にしている。１０７にあるガスを含
まない資源材料は、１０６にあるガスを含んでいる資源材料よりも重く、そのた
めにアノード７１と電解質７０との間にある空間内で材料の循環が促進される。
貯蔵タンク１１２は高所にあって、一層迅速な循環を起こさせ、その結果アノー
ド７１と電解質７０との間の距離が縮まることとなり、電気分解回路の抵抗を小
さくしている。熱電対９９がフィードバック制御回路に用いられて、ヒーター９
２を入れたり切ったりして、タンク１１２内の材料を最適の温度に維持している
。１０８にあるバリヤが熱交換表面として働き、その結果１０６にある材料が１
０７にある材料によって冷却され、また交互に加熱される。このために、熱電対
１０３のところの温度が、９９のところの温度よりも相当に高くなる。ヒーター
７４はこの差を維持することを助ける。この特徴のために、電気分解の区画室は
、資源材料の沸騰点近く又はそれよりも高い温度で、運転されることができる。
例えば、もし資源材料がアセトアミドに溶解された炭酸ナトリウムであれば、ア
セトアミドは高価であるために蒸発による損失を少なくすることが望ましい。普
通、電気分解の区画室は、アセトアミドの沸騰点に近い温度に保たれなければな
らないところ、もしアセトアミドが表面１０８で熱交換により冷却されないと、
アセトアミドはタンク１１２内で急激に蒸発を起こして不満足なこととなろう。
さらに、そこにはミストトラップ８５と関連している（図示していない）凝縮具
が存在することもある。
【００５６】 円柱状のカソード１１５は、ガイド１１１内にあってシール９８を貫通して上
下に移動することができる。金属は電気分解ごとに電解質内へポンプ輸送される
ので、カソードは上昇する。金属が容器内で必要とされるときには、カソードは
下方へ押され、金属が（図示していない）容器に通じているパイプ７３を通って
流れる。そこには金属の流速を測定するためのセンサー７８がある。カソードの
位置は、ガス運転機構又はソレノイド（又は他の適当な機械的手段）により、制
御することが好ましい。カラー７７と圧縮可能なリング８２は、さきに述べたよ
うにシールを構成しているが、圧縮力は３箇又はそれ以上のボルト９６に由来す
る。これらは絶縁性のスペーサー９７によって電極を電気的に短絡させないよう
にしている。カソードのガイド１１１は長くて、カソードが確実に電解質に当た
らないようにするとともに、シール９８をできるだけ冷えた状態に保つようにし
ている。部品１１３と１０９とは、それぞれアノードとカソードへ電気分解電流
を導くための導線である。
【００５７】 ドレインプラグ１０４が付設され、資源材料をパイプ１０５から排出して、使
用期間後にシンブルを交換することができ、及び／又は蓄積された不純物を資源
材料から取り除くことができる。
【００５８】 図１から図５に示された実施態様では、かりにシンブルにひびが入ると、ひび
の入ったシンブルから流れ出る何れかの溶融材料が、金属の出口パイプ内で固化
し、それによって溶融された材料が溶融物中に流れ込むという危険が、防がれて
いることは云うまでもない。図１から図５までに例示された多くの部品には、熱
絶縁性又は電気絶縁性を加えることが望ましい。装置を容器の近くに設置するに
は、さらに適当な装置が必要である。また、溶融物中にある金属センサーからの
情報を使用して、電気分解用の電流を制御することが望ましい。ここに記載した
装置は、すべて多数個の固体電解質を使用して拡大することができる。また、電
解質で成形されたシンブルは、図面に示したように垂直に配置する代わりに、水
平に設置してもよい。
【００５９】 図６は、溶融金属、例えばナトリウムが例えばアルミニウム中に拡散するのを
改良するための装置を示している。
【００６０】 部品６０は、アルミニウム溶融物６２を収容しているコンテナ６１の外で、必
要な溶融ナトリウムを電気分解により製造するための、この発明に係る装置を示
している。溶融ナトリウムは、装置６０の底に設けられた供給チューブ６３を通
って流下し、そこからローター６５の中空シャフト６４内に流れこむ。シャフト
６４は、溶融物６２内へ延びており、供給ライン６６からの不活性ガスとナトリ
ウムとを、ローターの頭６７から溶融物中へ分散させる。
【００６１】 ローター６５は、ヨーロッパ特許第０３３２２９２号に記載されているような
構造を持つことが好ましい。ローターから溶融物へ供給される材料のすぐれた分
散は、溶融物中の矢印で示されているように行われる。乱流を少なくするために
、バッフル６８が溶融物中に付設される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に係る装置に用いられる金属化合物添加用コンテナの縦断面図である
。
【図２】 この発明に係る他の装置に用いられる金属化合物添加用コンテナの縦断面図で
ある。
【図３】 この発明に係る別の装置の縦断面図である。
【図４】 この発明に係るさらに他の装置の縦断面図である。
【図５】 この発明に係るさらに別の装置の縦断面図である。
【図６】 この発明に係る装置のさらに他の縦断面図である。
【符号の説明】
１２ コンテナ １４、２４、７０ シンブル １５、６９、１３９ 資源材料 ２２、４２、８９ チューブ ２３ コンテナ ３０ アノード ３１ 加熱素子 ３２、３３、４３ 網 ３４、７７ カラー ３５、９５ リング ３６ 環状空間 ３８、１００ 入口 ３９、５５、７６ 出口 ４０ ホッパー ４１ フィーダー ４５、９２ ヒーター ４７、４８、１３２ カソード（チューブ） ４９ 絶縁物 ５１、８６ 通気口 ５６、９８ シール ５７ アルミナリング ７０ 電解質 ７１ アノード又は電極 ７２、７３、９０、１０５、１０７、１３７ パイプ ７５、１１７ 第２電極又はカソード ７８ センサー ７９ 伝導性材料 ８０ スプリング ８２ ガスケット（リング） ８４、８８ バルブ ９３ 隔壁 ９７ スペーサー １０１ 蓋 １０３ 熱電対 １０４ ドレインプラグ １０８ バリヤ（表面）バッフル １０９、１１３ 部品 １１１ ガイド １１２ タンク １１６ リング
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，Ｇ Ｈ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ， ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，Ｍ Ｗ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ， ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 デケイセアー、ジャッキー、チャールズ ベルギー国、ビー3910 ネールペルト、シ ャンストラート 11 (72)発明者 フレイ、デレク、ジョン イギリス国、ケンブリッジシャイア シー ビー２、５エルダブル、グレート シェル フォード、ウッドランズ ロード ７ (72)発明者 コップカット、ロバート、チャールズ イギリス国、ケンブリッジシャイア シー ビー５、８キューディー、ケンブリッジ、 ディットン ウォーク 129 (72)発明者 ダグティー、グレゴリー イギリス国、ケンブリッジシャイア シー ビー１、３エヌジェイ、ケンブリッジ、ペ ルネ ロード 191 Ｆターム(参考） 4K001 AA42 EA04 4K058 AA30 BA03 BB06 CB04 DD13 DD17

Claims (32)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 溶融された金属化合物又は金属化合物溶液をコンテナに入れ
    、コンテナを容器の外側に置き、上記化合物を電気分解により分解して金属イオ
    ンを金属イオンの導体である固体状態の電解質で作られた壁に通し、壁の第１面
    から反対側の壁の第２面へ導き、壁の第２面で電子と結合させ、その後コンテナ
    から溶融物中へ溶融金属として流出させることを特徴とする、容器中の溶融され
    た材料に金属を添加する方法。
  2. 【請求項２】 容器中の溶融された材料に金属を添加するための装置であっ
    て、溶融された金属化合物又は金属化合物溶液を入れるために、上記容器の外側
    に置かれているコンテナと、溶融されるか又は溶解された上記化合物を電気分解
    によって分解するための手段と、コンテナの内側に付設されていて金属イオンの
    導体である固体状態の電解質で作られた壁であって、その近くで発生した金属イ
    オンが壁を通過して壁の第１面から反対側の第２面へ通過することのできる壁と
    、壁の第２面で金属イオンと結合するための電子の資源と、こうして生成された
    溶融金属を壁の第２面から溶融物中へ送る手段とからなることを特徴とする装置
    。
  3. 【請求項３】 コンテナが溶融された金属化合物を入れるためのものであり
    、金属を溶融状態に加熱するための加熱手段が含まれていることを特徴とする、
    請求項１に記載の方法又は請求項２に記載の装置。
  4. 【請求項４】 金属が周期律表の第１Ａ族の金属であって、好ましくはナト
    リウム又はリチウムであることを特徴とする、請求項１−３の何れか１つの項に
    記載の方法又は装置。
  5. 【請求項５】 金属化合物が金属の塩であって、好ましくは水酸化物、炭酸
    塩又はしゅう酸塩であることを特徴とする、請求項１−４の何れか１つの項に記
    載の方法又は装置。
  6. 【請求項６】 溶融された材料が金属、好ましくはアルミニウム又は亜鉛で
    あることを特徴とする、請求項１−５の何れか１つの項に記載の方法または装置
    。
  7. 【請求項７】 溶融された化合物中に付設された第１電極と、固体状態の電
    解質で作られた壁の向う又は反対側の第２面に付設された第２電極との間に、電
    流が通されることを特徴とする、請求項１−６の何れか１つの項に記載の方法又
    は装置。
  8. 【請求項８】 第１電極がアノードであり、第２電極がカソードであるとと
    もに電子の資源であることを特徴とする、請求項７に記載の方法又は装置。
  9. 【請求項９】 第１電極と固体状態の電解質とが、向き合っている実質的全
    表面にわたり、ほぼ一定の最小距離だけ隔っているように作られていることを特
    徴とする、請求項７又は８に記載の方法又は装置。
  10. 【請求項１０】 電気分解による分解の開始以前に、固体状態の電解質から
    なる壁の第２面と第２電極との間の接触により、及び／又は或る量の溶融金属を
    固体状態の電解質で作られた壁の第２面に接触させることにより、電気分解によ
    る分解が開始されることを特徴とする、請求項１−９の何れか１つの項に記載の
    方法又は装置。
  11. 【請求項１１】 固体状態の電解質で作られた壁が、（第１）コンテナを構
    成していることを特徴とする、請求項１−１０の何れか１つの項に記載の方法又
    は装置。
  12. 【請求項１２】 金属化合物が第１コンテナ内に入れられ、第１電極が金属
    化合物に接触している第１コンテナの中に付設されていることを特徴とする、請
    求項１１に記載の方法又は装置。
  13. 【請求項１３】 さらに外部コンテナが含まれており、その中に固体状態の
    電解質で作られた第１コンテナが付設されていることを特徴とする、請求項１１
    又は１２に記載の方法又は装置。
  14. 【請求項１４】 請求項７に記載する方法又は装置において、外部コンテナ
    が電極の１つを含んでいることを特徴とする、請求項１３に記載の方法又は装置
    。
  15. 【請求項１５】 金属化合物が外部コンテナの中に入っているが、第１コン
    テナの外にあることを特徴とする、請求項１４に記載の方法又は装置。
  16. 【請求項１６】 第１電極がニッケル、ステンレススチール又は黒鉛で作ら
    れ、第２電極がニッケル、鉄又はスチールで作られていることを特徴とする、請
    求項７又はそれに従属する請求項の何れか１つの項に記載の方法又は装置。
  17. 【請求項１７】 第１電極、電解質及び第２電解質の組み合わせを複数個含
    み、各組み合わせが好ましくはモジュールの形となっていることを特徴とする、
    請求項７又はそれに従属する請求項の何れか１つの項に記載の方法又は装置。
  18. 【請求項１８】 使用中に電気分解により分解された金属化合物を補充する
    ために、金属化合物貯蔵コンテナのような手段をさらに含んでいることを特徴と
    する、請求項１−１７の何れか１つの項に記載の方法又は装置。
  19. 【請求項１９】 使用中に電気分解により分解された金属化合物を補充する
    ための手段が、使用期間のあとで金属化合物の排出を可能にする手段を含んでい
    ることを特徴とする、請求項１８に記載の方法又は装置。
  20. 【請求項２０】 使用中に電気分解により分解された金属化合物を補充する
    ための手段が、好ましくは金属化合物が溶融するまで、金属化合物を加熱する手
    段を含んでいることを特徴とする、請求項１８又は１９に記載の方法又は装置。
  21. 【請求項２１】 使用中に電気分解により分解された金属化合物を補充する
    ための手段が、金属化合物の溶液を沸騰して蒸発させるようにし、得られた金属
    化合物を溶融させることを特徴とする、請求項２０に記載の方法又は装置。
  22. 【請求項２２】 固体状態の電解質が、ナトリウムベーターアルミナ、又は
    リチウムベーターアルミナで作られていることを特徴とする、請求項１−２１の
    何れか１つの項に記載の方法又は装置。
  23. 【請求項２３】 溶融物に添加すべき金属の量を監視又は制御するために、
    溶融物中に挿入され又は挿入できる金属用センサーをさらに含んでいることを特
    徴とする、請求項１−２２の何れか１つの項に記載の方法又は装置。
  24. 【請求項２４】 溶融金属を溶融物中へ送るためのコンジットをさらに含ん
    でいることを特徴とする、請求項１−２３の何れか１つの項に記載の方法又は装
    置。
  25. 【請求項２５】 溶融金属が不活性ガスの流れに乗って溶融物中に送られる
    ことを特徴とする、請求項２４に記載の方法又は装置。
  26. 【請求項２６】 不活性ガスの圧力を少なくとも１箇の圧力計により監視す
    ることを特徴とする、請求項２５に記載の方法又は装置。
  27. 【請求項２７】 コンジットがローターを含んでいることを特徴とする、請
    求項２４−２６の何れか１つの項に記載の方法又は装置。
  28. 【請求項２８】 コンジットの中で溶融金属の流連を測定するためにセンサ
    ーを含んでいることを特徴とする、請求項２４−２７の何れか１つの項に記載の
    方法又は装置。
  29. 【請求項２９】 不活性ガスの流れが停止した場合に、溶融金属の酸化を防
    ぐために、コンジットが供給停止バルブを含んでいることを特徴とする、請求項
    ２５又はそれに従属する請求項の何れか１つの項に記載の方法又は装置。
  30. 【請求項３０】 一時的に溶融金属を貯蔵する手段をさらに含んでいること
    を特徴とする、請求項１−２９の何れか１つの項に記載の方法又は装置。
  31. 【請求項３１】 容器の外にある溶融された材料に金属を添加するために、
    溶融された材料を容器から送るための手段、例えばポンプをさらに含んでいるこ
    とを特徴とする、請求項１−３０の何れか１つの項に記載の方法又は装置。
  32. 【請求項３２】 装置内又は装置近くにある溶融された材料に金属を添加す
    るために、溶融された材料が装置内又は装置近くへ送られることを特徴とする、
    請求項３１に記載の装置。
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