JP2008533309A - 陽極支持装置 - Google Patents

Abstract

電解セルにおける陰極の上方に陽極を支持する装置であって、上部構造と、複数の個々の陽極（２４）が取り付けられる陽極ビームと、各陽極ステム（２６）用の補助クランプ（５６）と、電気ビーム（５０）と陽極ステム（２６）間の電気的接続を形成する連結具（５２）を有する少なくとも１つの電気ビーム（５０）とを含み、各陽極は主クランプ（５４）により陽極ビームに取り付けられる陽極ステム（２６）を備え、陽極ビームは調節可能に上部構造に取り付けられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えばアルミニウムを製造する電解セルにおける陽極支持装置および方法に関し、特に、セルにおける陽極の位置調節装置および方法に関する。

ホール−エルー（Ｈａｌｌ−Ｈｅｒｏｕｌｔ）法によりアルミニウムを製造するアルミナの電気分解は、よく知られており、電気化学反応を伴う。この方法は、複数の陰極と陽極を有する電解槽を備えた電解セルを含む。酸化アルミニウムがこれを溶解する氷晶石ベースの浴に供給される。電解法は浴の温度が９４０℃〜９７０℃で最も効率的である。陽極は、炭素質の陽極ブロックと、陽極が懸架される陽極ビームに機械的連結および電気的接続を与えるアルミニウム・ステムとを含む。陽極は、電解液に部分的に浸漬されていて、電流が通る陽極−陰極の分離した間隔を与える。電気分解中に、アルミニウムが、陰極で生成し、アルミニウム層の上面に氷晶石浴が浮遊した状態で陰極の上面にアルミニウム層を形成する。電解セルを効率的に操業するには、所定の最適の間隔または最適の範囲内で、陽極−陰極ギャップを設定し維持すべきである。陽極−陰極ギャップが大きすぎると、これが原因で電極間に著しい電圧降下を引く起こし、電解液に無用の電力量の増大をもたらす。ギャップが小さすぎると、電気分解は不安定かつ非効率的となる。

従来のカーボン陽極を用いると、主としてＣＯ_２ガスを生成する電気化学反応中に陽極ブロックが連続して消費される。陽極の連続的な消費の結果として、時間の経過と共に陽極−陰極ギャップが増大する。ギャップの間隔を維持するために、セル電圧を連続的に監視し、陽極の位置を定期的にリセットして、最適な陽極−陰極ギャップを維持している。

連続的な消費に起因して、陽極はこれを新たな陽極と交換してから約４週間の寿命に制限される。当業者ならば当然のことながら、電解セルにおける全陽極の１つ以上の短期間での取換えは、化学的および熱的プロセスに深刻な支障を来すことになる。従って、あるセルにおいて１日に１個の陽極のみを取り換えるのが一般的な方法であり、そのため、当該セルの各陽極はその使用日数が０日から約２８日までの範囲で異なっている。

従来の電解セルの設計においては、陽極ビームと称される移動可能な陽極支持体が上部構造によって支持されている。陽極は、機械的支持を与えると共に陽極に電流を供給する上記陽極ビームに直接締結されている。従来から、陽極ビームとの陽極ステムの機械的固定と電気的接続に１陽極当たり１つのクランプが使用されている。その際、陽極と陰極上面のアルミニウム層との間隔は、陽極ビーム全体を昇降させることによって調節される。従って、陽極の稼働寿命中は、陽極ビームを昇降させて陽極−陰極ギャップを最適の範囲内に維持する必要がある。

陽極の消費に起因して、１日に約１５〜２０ｍｍの範囲で陽極ビームの下方への移動が進行する。下方への移動の結果、陽極ビームは、２，３週間後に予想される上部構造の最も低い位置に到達し、その時は、一時的にセル上部構造頂部に位置する補助陽極上昇ビームの助けを借りて上昇しなければならない。この陽極上昇ビームには、陽極クランプを作業員が手動で開成して陽極ビームをその上部位置に戻す間に、陽極を適切な位置に保持する素子が備えられている。陽極ビームがその上部位置に到達すると、作業員は全ての陽極クランプを再び閉成しなければならない。

また、締付け素子は、陽極ビームが陽極ステムに沿って摺動しながら上方に移動している間、陽極ステムに高い側圧を作用させて、陽極ステムと陽極ビーム間の電気接触を維持する。陽極ステムに作用する圧力が降下して、陽極ステムと陽極ビーム間の電気接触を損なう結果に至ると、陽極上昇プロセスは安全性に関して重大なリスクもたらす。かかる状況において、開放電気回路に起因してアルミニウム精錬所の支局が作動する（ｔｒｉｐ）まで、危険な電気アークが出現する。このような場合、陽極ビームの上昇を実行する作業員はやけどの危険性がある。

従って、本発明の目的は、既存の設備が抱える１以上の問題点に対処する人的な関わりをなくして、陽極ビームを自動的に上昇させる装置を提供することにある。

本発明の一態様において、
電解セルにおける陰極の上方に陽極を支持する装置であって、
上部構造と、
複数の個々の陽極が取り付けられる陽極ビームと、
各陽極ステム用の補助クランプと、
上部構造により支持される少なくとも１つの電気ビームと
を含み、
前記各陽極は、主クランプにより前記陽極ビームに取り付けられるそれぞれの陽極ステムを備え、
前記陽極ビームは、調節可能に前記上部構造に取り付けられ、
前記電気ビームは、これと前記陽極ステム間の電気的接続を形成する連結具を有する
ことを特徴とする装置が提供される。

本発明の上記態様の好ましい形態では、補助クランプが上部構造に対して適切な位置に固定される。

周知の全てのセル技術と異なって、陽極−陰極間隔を制御する陽極の垂直移動を行う本発明の陽極ビームは、陽極ステムに対する機械的な固定だけである。陽極ビームは、もはや陽極への導電という仕事を行わない。この仕事は、好ましくはセル上部構造および複数のフレキシブルズ（ｆｌｅｘｉｂｌｅｓ）の上部中央に固定された少なくとも１つの電気ビームによって行われる。上記フレキシブルズは、好ましくは、電気ビームに溶接されると共に、ボルト接合または締付け接続により陽極ステムの上部に取り付けられる、多数のアルミニウム箔から構成される。

このように、機械的固定の仕事と陽極高さの調節を維持して、陽極ステムへの電気的接続を分離することができる。従って、陽極ステムのより安全な固定を移動可能な電気ビームに供与しながら、絶え間ない電気接触が電気ビームに供与される。

第二の態様において、本発明は、電解セルの陽極と陰極間の間隔を調節する装置であって、
複数の個々の陽極がそれぞれの陽極ステムにより取り付けられる陽極ビームであって、前記各陽極の前記陽極ステムは、主クランプにより前記陽極ビームに対して適切な位置に維持される陽極ビームと、
前記各陽極ステム用の補助クランプと、
前記主クランプおよび補助クランプの動作を制御して、前記クランプを係合および離脱させ得る手段と
を含む装置を提供する。

この装置には更に上部構造を設けてもよい。好ましくは上部構造に補助クランプを固着して、陽極ビームの上昇中に補助クランプを支持する。

本発明の第一および第二の態様の好ましい形態では、主クランプおよび補助クランプの係合および離脱は、プロセス制御コンピュータにより制御される。陽極の取換え作業に必要な電気的なフレキシブルズの断線および再接続は、操縦機のクレーンに取り付けられた特殊な工具によって行われる。陽極ブロックの耐用期限の終わりに陽極の取換えを行う際には、電気的曲げ接続が開放されるだけである。

本発明において、もはや、前述のように陽極を適切な位置に保持する補助上昇ビームを用いることなく、陽極ビームの上昇作業が行われる。実際、この作業に２組のクランプが使用される。陽極ビームを上昇させるために、プロセス制御コンピュータが補助クランプを閉成して、主クランプを離脱させながら陽極の現在位置を維持する。セルの全陽極の主クランプが開成位置にあると、陽極ビームを自由に上昇させることができる。連続した可撓性ステムの接続により電気的導通が絶え間なく続くので、ステムに圧力を加えて陽極ビームと陽極ステム間の電気接触を維持する必要がない。

本発明の第三の態様によれば、前記電解セルにおける陽極ビームを上昇させる方法であって、
補助クランプを係合させて、上部構造に対する陽極の位置を維持する工程；
主クランプを離脱する工程；
陽極ビームを移動する工程；
主クランプを再係合する工程；および
補助クランプを再係合する工程
を含む方法が提供される。

本発明によれば、大きな労働力を要するビームの上昇が２，３週間毎に発生する従来の陽極ビーム装置と比べて、非常に高い頻度を基準として（例えば１日または２日毎に）、自動化された陽極ビームの上昇を実施することが可能である。このため、陽極ビームの全移動距離を著しく低下させることができる。

従来の電解セルは、底部炉材１４および側壁炉材１６を有する鋼製外部シェル１２を含む。底部炉材は、鋼製シェル１２の外部の母線（図示せず）に導電する鋼製集電バー（ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ ｂａｒ）２０を備えた陰極１８を支持する。鋼製ヨーク２２とスタブ２８を経由して陽極ステム２６に接続する陽極ブロック２４を含む陽極組立部が図示されている。陽極ステム２６は、陽極ビーム３０に固定された締付け装置３２（ｃｌａｍｐｉｎｇ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）によって、機械的および電気的に陽極ビームに接続している。陽極−陰極ギャップ（実際には、電解液に浸漬された陽極と陰極上面の液状アルミニウム層との間のギャップ）を所望の間隔に変化させるために、機械的な駆動系（図示せず）が設けられていて陽極ビームを昇降する。

機器を昇降する陽極の設計は、全ての陽極が一定の速度で消費され、故に概ね、セル中の全ての陽極が同時に上昇または降下して最適の範囲内にギャップを維持できるという、仮定に基づいている。セル上部構造の内部には、多数のアルミナ・ホッパー（３４）が設けられていて、通常、対をなす陽極間に位置するポイントフィーダ（ｐｏｉｎｔ ｆｅｅｄｅｒ：図示せず）にアルミナを供給する。

このような陽極ビームシステムは、十分な機械的圧力を与えるクランプ連結に依存して、陽極ビームと陽極ステム間に電気的接続を与える上記と同じ連結で、陽極ビームに対して固定位置に陽極ステムを維持する。従って、上記システムは、電気的接続の役割と機械的固定の役割の双方を含む。更に、電解セルの上方に位置するクレーンによって、陽極の取出しおよび追加が行われる。セル上部構造の設計からみて、クレーンは上部構造を飛び越えるために必然的にかなり高くなければならない。

従来の電解セルの詳細は図１に示されるようなものであるが、一方、本発明の実施例が図２に示されている。理解を容易にするために、従来の電解セルと同様の本発明の実施例の構造には同一の番号が付されている。本発明の陽極支持構造は、好ましくは、適切な位置に固定されると共に、フレキシブルズ５２と称する電気的接続により陽極ステム２６に接続する電気ビーム５０を含む。これらのフレキシブルズ５２は、電気ビーム５０に対する移動能力をステムに与えながら、陽極ステムとの電気的接続を維持する。フレキシブルズ５２は、通常、電流の流れ方向に延びる薄層構造のアルミニウム薄層ブロックに仕上げられた複数のアルミニウムシートから形成される。フレキシブルズの一端が電気ビーム５０に溶接され、一方、他端はボルト接合または締付け接続６０により陽極ステムの上部に接続している。

陽極支持構造は、垂直に移動可能な陽極ビーム３０に取り付けられた主クランプ５４と、セル上部構造のベースプレート５８に固定された補助クランプ５６とを含む。陽極ビームは、従来の陽極支持構造のものと同様の機械的な駆動系（図示せず）によって移動する。各陽極ステム２６には、１つの主クランプ５４と１つの補助クランプ５６がある。セルの全陽極の主クランプ５４は、陽極ビームの上昇作業中を除いて連続して係合している。空気圧シリンダまたは電動モータ等の制御手段が設けられ、主クランプ５４と補助クランプ５６の係合および離脱作用を動作する。

また、従来技術のホッパーより小さいアルミナ・ホッパー６２が、陽極ビーム３０間の上部構造に設けられている。

陽極ビームを上昇させるために、あるセルの全ての陽極の補助クランプ５６がプロセス制御コンピュータにより閉成される。引き続き、主クランプ５４が開成して、補助クランプ５６により所定の位置に保持される陽極とフレキシブルズ５２により中断することなく形成された電気的接続とに拘束されずに、機械的な駆動系は陽極ビーム３０を持ち上げることができる。陽極ビームがその上部位置に達すると、主クランプ５４の閉成に続いて、補助クランプ５６が開成すなわち離脱する。陽極ビームの上昇だけでなくクランプの離脱および再係合の全作業は、完全に自動化されており、作業員を介在させる必要はない。

従来の電解セルおよび陽極支持部の断面図である。 本発明の実施例の電解セルおよび陽極支持部の断面図である。

符号の説明

１８・・・ 陰極、２４・・・ 陽極ブロック、２６・・・ 陽極ステム、３０・・・ 陽極ビーム、５０・・・ 電気ビーム、５２・・・ フレキシブルズ、５４・・・ 主クランプ、５６・・・ 補助クランプ。

Claims (11)

1. 電解セルにおける陰極の上方に陽極を支持する装置であって、
   上部構造と、
   複数の個々の陽極が取り付けられる陽極ビームと、
   各陽極ステム用の補助クランプと、
   上部構造により支持される少なくとも１つの電気ビームと
   を含み、
   前記各陽極は、主クランプにより前記陽極ビームに取り付けられる陽極ステムを備え、
   前記陽極ビームは、調節可能に前記上部構造に取り付けられ、
   前記電気ビームは、前記電気ビームと前記陽極ステム間の電気的接続を形成する連結具を有する
   ことを特徴とする装置。
2. 前記補助クランプが、前記上部構造に対して適切な位置に固定されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記少なくとも１つの電気ビームが、前記セル上部構造および複数のフレキシブルズの上部中央に固定されていることを特徴とする請求項１または２記載の装置。
4. 前記フレキシブルズが、前記電気ビームに溶接されると共にボルト接合または締付け接続により前記陽極ステムの上部に取り付けられる、多数のアルミニウム箔から構成されることを特徴とする請求項３記載の装置。
5. 電解セルの陽極と陰極間の間隔を調節する装置であって、
   複数の個々の陽極がそれぞれの陽極ステムにより取り付けられる陽極ビームであって、前記各陽極の前記陽極ステムは、主クランプにより前記陽極ビームに対して適切な位置に維持される陽極ビームと、
   前記各陽極ステム用の補助クランプと、
   前記主クランプおよび補助クランプの動作を制御して、前記クランプを係合および離脱させ得る手段と
   を含む装置。
6. 上部構造が更に設けられ、前記上部構造に前記補助クランプを固着して、前記陽極ビームの上昇中に前記補助クランプを支持することを特徴とする請求項５記載の装置。
7. 前記主クランプおよび補助クランプの係合および離脱が、プロセス制御コンピュータにより制御されることを特徴とする請求項５記載の装置。
8. 前記補助クランプが閉成すると、プロセス制御装置が前記主クランプの離脱のみを可能にすることを特徴とする請求項７記載の装置。
9. 前記電解セルにおける陽極ビームを上昇させる方法であって、
   補助クランプを係合させて、上部構造に対する陽極の位置を維持する工程；
   主クランプを離脱する工程；
   陽極ビームを移動する工程；
   主クランプを再係合する工程；および
   補助クランプを再係合する工程
   を含む方法。
10. 前記補助クランプが係合すると、前記主クランプのみが離脱することを特徴とする請求項９記載の方法。
11. 前記主クランプが係合すると、前記補助クランプのみを離脱できることを特徴とする請求項９記載の方法。

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