JP4741599B2 - 電解製錬槽の内部冷却 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム製造用電解槽に関し、特に、電解槽の側壁を介して熱の流れを維持し制御する装置および方法に関する。

アルミニウム製造用電解槽は、一般に複数の予備焼成されたカーボン・ブロックから構成される陰極および陽極を有する電解タンクを含む。酸化アルミニウムを溶解する氷晶石浴に酸化アルミニウムが供給される。電解工程の間、アルミニウムは、陰極で製造され、アルミニウム層の上に浮かぶ氷晶石浴を有する電解タンクの底部に溶融アルミニウム層を生成する。酸素が、陽極で製造され、一酸化炭素および二酸化炭素ガスを生成することにより消費される。氷晶石浴の操業温度は、通常９３０℃〜約９７０℃の範囲にある。

電解タンクは、絶縁層上に載置された陰極カーボン・ブロックを有するスチール製外部シェルと、タンク底部に沿って配列された耐火材とから構成される。上記陰極カーボン・ブロックは、集電棒およびアルミニウム製可撓性材料（ｆｌｅｘｉｂｌｅｓ）を介して母線に接続される。一方、側壁の精密構造は様々であるが、カーボン・ブロックと耐火材の組合せを含むライニングは、スチール製シェルに対向して設けられる。

電解槽の操業中に、凍結した浴のかさぶた（ｃｒｕｓｔ）、即ち棚状突起（ｌｅｄｇｅ）が電解タンクの側壁に生成する。この層の厚さは槽の操業中に変動することがあるが、上記かさぶたの生成は槽の操業に臨界的である。かさぶたが厚くなりすぎると、かさぶたが陰極上に成長して磁界に影響を及ぼす陰極の電流分布を乱すにつれて、槽の操業に影響を与えることになる。他方、凍結した浴の層が薄くなりすぎるか或いは幾つかの箇所に欠損があると、電解浴が電解タンクの側壁ライニングを攻撃し、最終的に側壁ライニングに不具合を生じる。側壁への攻撃が、スチール製シェルの側壁を浴が攻撃する程までに達すると、その時は、金属および浴が槽から溢れ出る危険性があるため、電解槽の操業を停止しなければならない。

良好なポットの操業および槽内の耐火性ライニングの長い耐用年限には、棚状突起の生成を制御することが不可欠である。更に、槽内の制御された棚状突起の形成には、槽の熱力学的操業、特に、側壁ライニングを介しての浴からの熱の流れが不可欠である。

近年の技術発展では、電解タンクの側壁からの熱移動に利用可能な表面領域を増大させようとする試みにおいて、輻射フィン等の熱移動受動素子を用いて電解タンクのスチール製シェルを介して熱が槽から除去される。電解槽から除去する必要のある熱は、槽を通る電流量および槽電圧に依存する。電流または電圧が増大すると、耐火材の内壁に形成される棚状突起を適当な厚さに維持するために、側壁を介して抜き出す必要のある熱は、増大し、しばしば電解槽側部の受動冷却要素の設計機能を超えて変動することがある。

従って、本発明の目的は、側壁耐火材の内面に棚状突起を形成および維持することが可能なように、電解槽の熱力学的要件を積極的に制御できる手段を提供することにある。

本発明の一態様によれば、溶融塩浴に溶解した金属含有材料（例えば、アルミナと称される酸化アルミニウム）の電解還元により金属を製造する電解槽が提供され、電解槽はシェルおよびシェル内部のライニングを備え、ライニングは、底部の陰極ライニングと、シェル内面に対して配設され流体を案内する複数の流体ダクトを含む側壁ライニングとを有し、流体ダクトが、シェルの側部に沿って延びると共に、流体ダクトを介して流体を流すポンプ手段に接続している。
本発明においては、槽の側壁は槽長手方向の側壁および端壁からなる。

本出願人は、シェル内面に隣接して流体ダクトを設けることによって、槽から熱が十分な速度で抜き出され、凍結した浴材料の棚状突起を十分な厚さに維持して、側壁耐火材を保護できることを見出した。電解槽の操業中に、電流により誘導される磁界は槽内に溶融金属の運動を引き起こす。この溶融金属の運動はより高温の領域を槽内に創り出し、これにより、当該領域に熱移動の要求を増大させて、槽の側壁に対して凍結した浴材料が十分な厚さを維持する。また、凍結した棚状突起を所定の厚さに維持するように、上記領域において槽から十分な熱が除去されなければ、上述の溶融金属の電流は凍結した浴の尾根の腐蝕に繋がり、その結果耐火性の側壁が露出する。

それ故に、本発明の好ましい一形態において、槽にはシェルの各長手方向側部に沿って少なくとも２段（ｂａｎｋ）の冷却流体ダクトが設けられ、各段の冷却流体ダクトは一定割合の槽を冷却する。本発明の好ましい一形態において、各段の冷却ダクトは槽の各長手方向側部の約１／２から熱を抜き出す。また、各段の冷却ダクトは、少なくとも端壁部分に沿って、かつそれぞれの長手方向側部に連結して延びている。

上述の冷却流体ダクトは、耐火物を介して伝導される熱を移動可能にする流体を搬送することができる。冷却剤液は、槽から離れてより大きい熱伝導の範囲を与えるが、一方で、溶融金属に近接した液体の使用に関連する危険性および液体操作システムのコストを増大させることをも意味する。それ故に、流体ダクトを通る冷却流体は、ガスであることが好ましく、空気がより好ましい。冷却流体を冷却ダクトに流すために用いられるポンプ手段は、送風機であってもまたは他の種類のガスポンプであってもよい。液体流体の場合は、広く利用可能なあらゆる液体ポンプを使用することができる。

槽内における溶融金属の電流の方向は、母線および誘導される磁界の設計によって決定される。槽の下流側部では、溶融金属は通常長手方向側部の中央に向かって導かれる。これにより、下流の長手方向側部の中央が外端部より高温になる。

従って、下流側部の冷却流体ダクトに流入する冷却流体は、実質上槽の中央領域にまたはこれに隣接する入口を経由して流入することが好ましい。なお、中央領域は、槽の短軸と槽のそれぞれの端部に隣接する流出口に通じる出口とに対応する。

槽の上流側部では、溶融金属中に誘導される電流が、槽の中央領域から離れた溶融金属に供給される。それに応じて、槽の上流側部では、冷却流体が、槽のそれぞれの端部に隣接して位置する入口で冷却流体ダクトに流入し、槽の長手方向側部の実質上中央領域にまたはこれに隣接する出口で流体ダクトから流出する。

本発明の好ましい形態では、流体ダクトを通過した後に加熱される空気は、アルミナとまたはアルミナを電解槽に移送する流動化ガスと熱交換することができる。

本明細書に開示され定義される本発明は、言及されているかまたは明細書または図面から明白な２以上の個々の特長からなる組合せの他に採り得る全てにまで及ぶことが理解されるであろう。これら異なる組合せの全ては本発明の様々な別の態様を構成する。

電解ポットの断面図を示す図１において、電解槽は、多数のスチール製受け台（ｃｒａｄｌｅ）１０およびスチール製シェル１２の他に、底部絶縁層１４および側壁ライニング１９，２０を有する内部耐火性ライニングを含む。好適には、ライニングは、電解質および溶融アルミニウムからの腐蝕攻撃に抵抗力があり、しかも、熱伝導性および導電性に関してかなり良好な特性を有する材料で構成される。側部ライニング１９，２０は、炭化ケイ素や炭素質の素材等の材料から形成される多数のブロックを含む。底部絶縁材には、陰極から電流を導く集電棒２４に接続する陰極２２が載置されている。

図１−ｂおよび１−ｃに示す実施の形態において、電解槽の側壁に沿って水平に延びる内部流体ダクト２６が設けられている。熱伝導材料からなるペーストが、ブロック１９と流体ダクト２６の間に設けられ、流体ダクトと側壁ブロック１９間に良好な熱接触を与える。流体ダクト２６には、図２に示すように、流体ダクトへおよび流体ダクトから流体を搬送する流体パイプ２８，２９，４８が設けられている。この流体は液体またはガスのいずれであってもよい。液体は熱伝導の観点から魅力的ではあるが、高温環境への液体の導入は、安全性リスクの実質的な向上を示さず、液体が液体金属と爆発的に接触する可能性が高まる。更に、電解槽の電位により分離された状態に保持することが困難になって、液体が電気的な障害をきたすことになる。このように、液体を用いると幾らかの利点はあるが、空気のような容易に利用できるガスが好ましい。

電解槽の操業時に、内部流体ダクトは、電解槽内部に面する側部ライニング１９，２０表面の温度が溶融電解浴の温度よりやや低くなるよう、作動できるようになっている。そのため、内部流体ダクト２６および溶融電解浴を経由して流れる流体の冷却効果によって創り出される温度差に起因して、側部ライニングの内側に固形状の安定な棚状突起が生成する。この棚状突起は、溶融電解浴から側部ライニングを保護するのに役立ち、側部ライニングの寿命を大幅に長くさせる。

図２は、流体パイプ２８，２９の入口に空気を供給するエアポンプ３２を示す。これらのパイプは、ポット・シェル１２内側の槽の側部ライニング内において、内部流体ダクト２６と流体連通する入口マニホールド３８，４０を提供する。入口マニホールド３８，４０は、槽のほぼ短軸で長手方向側部の中央に向けて配置され、流体ダクトに流入する流体を槽のそれぞれの端部方向に導く。流体は、側部ライニング部分の周囲を通過し、槽端部の出口マニホールド４２，４４に集められる。マニホールド４２，４４は、合流して熱交換器５０に通じるそれぞれの出口流体パイプ４８に連通している。熱交換器では、電解槽用供給アルミナを輸送する流動化空気等の適当な媒体に、加熱された出口空気が熱を伝達する。この伝達された熱は、槽に追加される前の供給アルミナを加熱する。図２に示す配置では、電解槽の中央に冷却流体を導く入口マニホールド３８，４０が図示され、流体は、その後内部流体ダクトを通過して、槽のそれぞれの端部で出口マニホールド４２，４４から流出する。

図３に示す別の流体経路において、槽の上流側部を冷却する流体は、入口パイプ１１，１３により供給され、槽上流側部の中央領域で流体を出口マニホールド５１に向けて導く槽端部に配置された入口マニホールド(４３，４５)を通って流入する。上記中央領域は槽の短軸位置に接近している。図３の実施の形態において、槽の下流側部には、槽のそれぞれの端部で内部流体ダクトを介して流体を出口マニホールド(４７，４９)に導く、槽の中央領域にまたはその周囲に入口マニホールド(３８)がある。出口マニホールド４７，４９，５１からの高温の空気は、出口流体パイプ４８を通って熱交換器５０に導かれる。

小数の流体ダクト２６および入口３８，４０，４３，４５について本発明を説明してきたが、当業者ならば、予想される高温領域を側壁に沿って適応させるために、様々な側壁に沿った断面および位置で任意の数の流体ダクトおよび入口を使用できることが認識されるであろう。最適な熱の除去を達成するためには、内部流体ダクトの適用は、槽の長い側部に制限されるべきではなく、槽の短い側部でも実施できる。内部流体ダクトを水平方向ではなく垂直方向に配設させることも可能であろう。

また、当業者ならば、ガスの温度をモニターすることによって、ガスが流体ダクト２６に流入およびそれから流出する時、槽から除去される熱の目安を決定し、除去される熱量を形成される尾根の厚さに相関させ得ることが認識されるであろう。入口と出口間の流体温度の上昇をモニターし続けることによって、槽のライニングの厚さおよび棚状突起の健全性に関する潜在的な問題についての目安を決定できることも認識されるであろう。エアポンプの速度を高めるかまたは低下させることによって、或いは、これに代えて配管系の一連のダンパーを介して流体流量を制御することによって、ダクト中の流体の容量を調整するプロセス変量として、流体温度とその動向を利用することができる。

側壁を介して除去される全ての熱は大部分が流体導管を介して行われるので、より少ない熱がポット・シェル１２の外面から輻射する。これは、ポット・シェルの外側に絶縁材を設けることにより、ポットからの熱収支を更に制御する機会をもたらす。

電解槽の操業中に、槽への電力の供給が一時的に中断することがある。この電力の中断時に槽の内容物の固化を防止するために、電力供給の中断時に停止される流体の流れを利用して槽内の熱を保持させるべく、ポット・シェルの外面に対して配設することができる絶縁層５２をポット・シェルに設けてもよい。側壁ライニングを通る熱は大部分が流体ダクト２６を介して除去されるので、上記絶縁材をポット・シェルの壁部に恒久的な固定物として形成してもよい。

本発明のシェルの一実施の形態を示す断面図である。 図１−ａの実施の形態における側壁ライニングおよび冷却を示す斜視図である。 図１−ａおよび図１−ｂの実施の形態の内部流体ダクトを示す斜視図である。 槽の上流側部の流体ダクトを通る流体の流れ方向を示す概略図である。 槽の下流側部の流体ダクトを通る流体の別の流れ方向を示す概略図である。

符号の説明

１０，１２，１４，１９，２０：電解槽
１０：受け台
１２：シェル
１４：底部絶縁層
１９，２０：側壁ライニング
２２：陰極
２６：流体ダクト
３２：エアポンプ
３８，４０：入口（マニホールド）
４２，４４：出口（マニホールド）。

Claims (16)

1. 溶融塩浴に溶解した金属含有材料の電解還元により金属を製造する電解槽であって、
   前記電解槽は、シェルとシェル内部のライニングとを備え、
   前記ライニングは、底部の陰極ライニングと、前記シェルの内面に対向して配設され流体を案内する複数の流体ダクトを含む側壁ライニングとを有し、
   前記各流体ダクトは、前記シェルの長手方向の側部および端部の少なくとも一つに沿って延び、前記流体ダクトを介して流体を流すポンプに接続している
   ことを特徴とする電解槽。
2. 前記流体ダクトに入口および出口が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電解槽。
3. 前記入口は、前記電解槽の、前記出口より高温の領域に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の電解槽。
4. 前記流体ダクトは、前記槽の長手方向の各側部に沿って少なくとも２段のダクトに配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電解槽。
5. 前記各段のダクトは、それぞれの長手方向の側部に隣接する終端部分に沿って延びていることを特徴とする請求項４に記載の電解槽。
6. 前記各段のダクトは、２本以上の流体ダクトを含むことを特徴とする請求項４に記載の電解槽。
7. 前記槽は、電解槽列の中の１つの槽であり、前記電解槽列における全体の電流の流れに対して上流側部および下流側部を有することを特徴とする請求項１に記載の電解槽。
8. 前記流体ダクトに少なくとも一つの入口および少なくとも一つの出口が設けられ、
   前記流体ダクト用の入口は、前記槽の下流側長手方向側部の、実質的に中央の領域、またはこれに隣接して設けられ、
   出口は、前記槽のそれぞれの端部、またはこれに隣接して設けられている
   ことを特徴とする請求項７に記載の電解槽。
9. 前記冷却ダクトに少なくとも一つの入口および少なくとも一つの出口が設けられ、
   前記冷却ダクト用の入口は、前記槽の上流側長手方向側部の、それぞれの端部、またはこれに隣接して設けられ、
   出口は、前記槽の上流側長手方向側部の中央の領域、またはこれに隣接して設けられている
   ことを特徴とする請求項７に記載の電解槽。
10. 冷却流体ダクトの出口からの冷却流体は、前記槽に供給される金属含有材料と熱交換する熱交換器に送られることを特徴とする請求項２に記載の電解槽。
11. 請求項１に記載の電解槽において、溶融塩浴に溶解した金属含有材料の電解還元により金属を製造する方法であって、
    槽内において、溶融塩と溶解した金属との溶融金属浴を形成する工程であって、前記槽は、シェルとその内部のライニングとを備え、前記ライニングは側壁ライニングおよび底部ライニングを有し、流体ダクトを介して冷却流体を循環させて、浴から熱を取り除き、側壁ライニングに固化した材料からなる棚状突起を形成する工程；および
    前記冷却流体ダクトを通って流れる前記冷却流体の調整により、前記側壁ライニング上に前記棚状突起を維持する工程
    を含み、
    前記流体ダクトは、前記シェル内面に対向する側壁ライニングに形成され、前記シェルの長手方向の側部および端部の少なくとも一つに沿って延びている方法。
12. 前記各流体ダクトは、底部の陰極ライニングと平行に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電解槽。
13. 前記流体ダクトの少なくとも一つは、前記長手方向の側部の少なくとも一つに沿って、一方の端部に近い位置から、他方の端部に近い位置まで延びていることを特徴とする請求項１に記載の電解槽。
14. 前記流体ダクトの少なくとも一つは、各々の前記長手方向の側部に沿って、一方の端部に近い位置から、他方の端部に近い位置まで延びていることを特徴とする請求項１３に記載の電解槽。
15. 前記端部に沿って延びる流体ダクトを少なくとも一つ更に備えることを特徴とする請求項１３に記載の電解槽。
16. 前記端部に沿って、一方の長手方向の側部に近い位置から、他方の長手方向の側部に近い位置まで延びる流体ダクトを少なくとも一つ更に備えることを特徴とする請求項１３に記載の電解槽。

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