JPH0310715B2 - - Google Patents

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JPH0310715B2
JPH0310715B2 JP59500833A JP50083384A JPH0310715B2 JP H0310715 B2 JPH0310715 B2 JP H0310715B2 JP 59500833 A JP59500833 A JP 59500833A JP 50083384 A JP50083384 A JP 50083384A JP H0310715 B2 JPH0310715 B2 JP H0310715B2
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JP
Japan
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furnace
cathode
anode
flow
bath
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Expired - Lifetime
Application number
JP59500833A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS60500541A (en
Inventor
Rarii Jii Bokusaru
Baanaado Daburyuu Gamuson
Jon Ei Esu Guriin
Suteibun Shii Torogotsuto
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.)
KOMARUKO ARUMINIUMU Ltd
Original Assignee
KOMARUKO ARUMINIUMU Ltd
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Publication date
Application filed by KOMARUKO ARUMINIUMU Ltd filed Critical KOMARUKO ARUMINIUMU Ltd
Publication of JPS60500541A publication Critical patent/JPS60500541A/en
Publication of JPH0310715B2 publication Critical patent/JPH0310715B2/ja
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25CPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/08Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes

Description

請求の範囲 1 アルミナを含有する氷晶石バス内でアルミナ
をアルミニウムに電解還元させる流化陰極炉であ
つて、耐火物および炭素材料で被覆された内面を
有し、陰極穴を形成する枠体と; アルミニウム濡れ性耐火物硬質材料を含有する
上面を少なくとも有する陰極と; 前記陰極穴内にぶら下がる少なくとも2つの陽
極であつて、それぞれは前記陰極の上面から約1
〜5cmの陽極・陰極間隔(ACD)をもつて離間
する下面を有すると共に前記陽極と前記陰極との
間に流路を有し、前記陰極の上面と前記陽極の下
面は水平線から約2〜15度の角度に傾斜し、これ
によつて前記陽極と陰極との間の前記流路の下方
端および上方端を形成する前記少なくとも2つの
陽極と; 電解反応用のアルミナの供給を確保するため
に、少なくとも1つの実質的に水平なバス循環ル
ープの回りに最少バス流量Qを前記陰極穴内にお
いて供給する装置と;を具備し、 少なくとも1つの戻り流路を提供して前記循環
ループを完成させる場合には、 式Q(炉)(cm3/秒)=(0.008)〔全炉電流(A)〕
/Δwt%Al2O3 が与えられ、 前記ループは (i) 前記陽極と前記陰極との間の前記流路と; (ii) 前記陽極と前記陰極との間の前記流路の下方
端に流通する少なくとも1つの下方流路と; (iii) 前記陽極と前記陰極との間の前記流路の上方
端に流通する少なくとも1つの上方流路と; (iii) 前記上方流路および前記下方流路に流通する
少なくとも1つの戻り流路と;を具備し、隣接
する陽極間に位置する前記少なくとも1つの戻
り流路は、h,W,Lの寸法を有し、但し、h
は任意の点におけるバス深さ(cm)、Wは戻り
流路の幅(cm)、Lは戻り流路の長さ(cm)、で
あつて、これらは 式Rf(炉流路)=(2h+W)L/h3w3 によつて示され、Rf(炉流路)の最大値は 式1/〔Rf(炉)〕1/2oi=1 (1/〔Rf(炉流路)〕1/2) および 式Rf(炉)=(X)(8902)/Q(炉)2 の関係によつて示され、但し(X)は約0.2×
10-3/cm4〜230×10-3/cm4であることを特徴
とする流下陰極炉。 2 前記下方流路から前記陽極と陰極との間の前
記流路に入り、前記上方流路にまで供給されるバ
ス中のアルミナ濃度の消耗は約0.2%〜5.0%であ
る特許請求の範囲第1項記載の流下陰極炉。 3 前記陽極と陰極との間の前記硫路における単
位陽極面積あたりの正味の合計バス流割合は約
1.2×10-1〜8×10-4cm3/秒/cm2である特許請求
の範囲第1項記載の流下陰極炉。 4 前記炉は約0.5〜3.0の陽極電流密度(A/
cm2)を有している特許請求の範囲第1項記載の流
下陰極炉。 5 前記炉は約0.6〜2.0の陽極電流密度(A/
cm2)を有している特許請求の範囲第1項記載の流
下陰極炉。 6 前記炉は約0.7〜1.5の陽極電流密度(A/
cm2)を有している特許請求の範囲第1項記載の流
下陰極炉。 7 前記炉は約0.8〜1.2の陽極電流密度(A/
cm2)を有している特許請求の範囲第1項記載の流
下陰極炉。 8 前記ACDは約1.5cm〜4.0cmである特許請求の
範囲第1項記載の流下陰極炉。 9 前記ACDは約2.0cm〜3.0cmである特許請求の
範囲第1項記載の流下陰極炉。 10 前記ACDは約2.5cmである特許請求の範囲
第1項記載の流下陰極炉。 11 前記陰極の上面と前記陽極の下面は水平線
から約5〜10度傾斜している特許請求の範囲第1
項記載の流下陰極炉。 12 前記陰極の上面と前記陽極の下面は水平線
から約6〜8度傾斜している特許請求の範囲第1
項記載の流下陰極炉。 13 前記陰極の上面と前記陽極の下面は水平線
から約8度傾斜している特許請求の範囲第1項記
載の流下陰極炉。 14 前記L(cm)は約15〜300である特許請求の
範囲第1項記載の流下陰極炉。 15 前記L(cm)は約30〜250である特許請求の
範囲第1項記載の流下陰極炉。 16 前記L(cm)は約60〜200である特許請求の
範囲第1項記載の流下陰極炉。 17 前記L(cm)は約122である特許請求の範囲
第1項記載の流下陰極炉。 18 前記X(103/cm4)は約1.0〜20である特許
請求の範囲第1項記載の流下陰極炉。 19 前記X(103/cm4)は約5.0〜10である特許
請求の範囲第1項記載の流下陰極炉。 20 前記X(103/cm4)は約6.2である特許請求
の範囲第1項記載の流下陰極炉。 21 前記Q(103/秒/cm2)は約1.1×10-3〜6.0
×10-2である特許請求の範囲第1項記載の流下陰
極炉。 22 前記炉は複数の戻り流路=nを有し、nは
式Rf(炉流路)=n2Rf(炉)で示される特許請求の
範囲第1項記載の流下陰極炉。 23 前記傾斜および前記ACDは前記電解反応
で生じた気泡の厚さを前記ACDの50%未満に制
限するように寸法決めされている特許請求の範囲
第1項記載の流下陰極炉。 24 戻り流路は前記陰極穴の内壁と陽極との間
に位置している特許請求の範囲第1項ないし第2
2項のいずれかに記載の流下陰極炉。 25 前記アルミニウム濡れ性耐火硬質材料は2
硼化チタン、炭化チタン、2硼化ジルコニウム、
炭化ジルコニウム、およびこれらの混合物から選
ばれる特許請求の範囲第1項ないし第24項のい
ずれかに記載の流下陰極炉。 背景技術 本発明はアルミナからアルミニウムを製造する
ための斬新な電解炉およびその運転法に関する。
特に本発明は、氷晶石を基とするバス(浴)電解
液を用いるアルミニウム製造用電解炉で、従来の
流下陰極炉において得られる狭い陽極・陰極間隔
のために生ずる問題が、ACD隙間内にバス流の
特定な態様を誘起して、アルミナ供給および生ガ
スの除去を容易にし、製作された金属の流下を良
くすることにより、克服されることが実証され
た。実験用電解炉の運転により、非常に狭い陽
極・陰極間隔においても大量の溶解アルミナを電
解区域に供給する能力が実証された。 アルミニウムの製造に通常用いられる電解炉
は、炭素陽極と陰極系の一部として働くほぼ平ら
な炭素張り底面とを用いる、古典的なホール・エ
ルー(Hall−Heroult)設計のものである。アル
ミナの電解還元によるアルミニウムの製造には電
解液が用いられ、その電解液は主として溶解アル
ミニウムを加えた溶融氷晶石からなり、ほたる
石、弗化アルミニウムその他の弗化金属塩を含む
こともある。アルミナの還元から生じた溶融アル
ミニウムはしばしば炭素張り底面上の溶融金属床
またはプールとして、電解炉を形成する容器の底
にたまるようにされて、液体金属陰極を形成す
る。容器内に延びて溶融電解液に接触する炭素陽
極は液体金属陰極に対して調整される。鋼鉄など
の電流コレクタバーが炭素張りの炉底に埋め込ま
れて陰極系への接続を完全にすることが多い。 ホール・ヘラウルト電解炉の設計およびサイズ
はまちまちであるが、炉の形状および運転モード
により全て約35〜45%という比較的低いエネルギ
効率にとどまる。すなわち、1lb(2.2Kg)のアル
ミニウムを製造するために必要な理論電力量は約
2.85Kw時(Kwh)であるのに、実際の電力使用
幅は6〜8.5Kwh/lbで、業界の平均は約
7.5Kwh/lbである。理論的エネルギ消費量から
のこのずれの大部分は陽極・陰極間の電解液中の
電圧降下の結果である。そのため、陽極・陰極間
隔(ACD)の低減に多くの研究が向けられた。
しかし、炉の陰極として働く溶融アルミニウム床
は電磁効果およびバス循環のために不規則で厚さ
が変ることがあり、過去の実例から比較的高い電
流効率を確保しかつ陽極と金属床の間の直接短絡
を避けるために、安全な3.5〜6cmにACDを保つ
必要があつた。そのような隙間間隔は1.4〜2.7V
の電圧降下を招来し、これは電気化学反応自体に
必要なエネルギ(エンタルピおよび自由エネルギ
の計算に基づく2.1V)に対する追加となる。よ
つてACDを3.5cmより少なくして省エネルギを得
るために、より安定なアルミニウム床を開発する
ことに大いなる努力が払われてきた。 2硼化チタンの如き耐火性硬質材(RHM)を
タイルの形で陰極面として用いることが永く研究
されてきたが、極く最近まで接着性の良いRHM
のタイルまは表面塗膜が得られなかつた。2硼化
チタンは電導性であると共に、溶融アルミニウム
に濡れて極く薄いアルミ膜を作ることができると
いう独特の特性を有することが知られている。従
来の不安定な溶融アルミニウム床に代えて、
RHM表面で蔽われ傾斜陰極面を流下する極く薄
いアルミニウム皮膜を用いることが、ACDを減
じて、効率を高め電圧降下を減ずる手段として提
案された。しかし、得られたRHM面が不完全で
あり、狭いACD(1.5cmと狭い)に溶解アルミナ
を充分に供給する困難性を克服することができな
いために、過去においてかかる目標を達成する試
みは失敗に帰した。かくて、過度の持続的な陽極
効果を含め、狭いACDにはアルミナ枯濁の問題
が生ずる。これらの問題の防止のためにアルミナ
を過剰供給すると、スラツジ付着(マツキング
mucking)生じて、炉をつまらせ、運転を妨げる
結果を生じた。 エネルギ消費を減ずる、別の行き方として、ア
ルミナの代りに塩化アルミニウムからアルミニウ
ムを製錬する方法がとられた。この製法では従来
の電解法よりもアルミニウム製造に要する電力が
30〜40%減ずる。この製法では、ボーキサイトを
アルミナに変えるのに従来のベイヤー法が用いら
れ、アルミナは化学プラントで塩化アルミニウム
に変えられて次に電解炉で製錬される。炉内で塩
化アルミニウムは、抽出されるアルミニウムと、
さらに塩化アルミニウムの製造のために化学プラ
ントに戻されて循環使用される塩素と、に分解す
る。かかる技法は非消耗型陽極を有する流通型反
応器を用いる。しかしこの製法のアルミニウム製
造炉はホール・ヘラウルト型炉に適合しないの
で、現存のアルミニウム・プラントをこの製法の
ために改造することができない。よつて塩化アル
ミニウムによる製法は全く新規の設備投資を必要
とする。本発明は改造プラントにおいて大きな省
エネルギを可能とし、全くの新規設備の必要を無
くする。 本発明を開発した背景はここにある。 発明の開示 ほたる石を基とするバス電解液を用い、高い電
気効率を有する改良されたアルミニウム電解炉を
与えることが本発明の一目的である。よつて単一
炉系または建設費および運用費の節約のための多
重炉系に使用することのできる、アルミナからア
ルミニウムを製造するための基本炉を与えること
が本発明の一目的である。 在来技術よりもACDを狭くすることにより電
流効率を高めて電圧降下を減じ、かつ現在のホー
ル炉設備を改造して建設し得る炉設計を与えるこ
とが本発明の一目的である。従つて3cm未満の
ACDを有し、陽極陰極間すき間への適正なアル
ミナ供給を過剰供給する必要なしに保証する電解
炉を与えることが本発明の一目的である。本発明
のいま一つの目的は流通型形態と被制御ふん囲気
を与えるアルミニウム還元炉設計を与えることで
ある。 以下に述べられる開示により明らかにされるで
あろう上記その他の目的は、個々の工程ができ得
る限り分離される炉を与えることにより達成され
る。ソーダーバーグ(Soderberg)またはプレベ
ーク(pre−baked)の何れかである、陽極を成
形する傾斜した中実の陰極を用い、本書に定義さ
れる他のパラメータの正しい選択と相まつて、製
品アルミニウムの収集だめへの流下を妨げること
なく、陽極への適正なアルミナ供給を与えるよう
に、陽極・陰極間すき間にバス流をすなわち浴流
を誘起する。一つの形態では、陽極下方のガスの
ポンプ作用により、バスが炉を通つて炉供給室へ
流れ、炉供給室から出ての反対側へ戻るようにさ
れる。この種の個々の炉を多重に組合せて数多く
の形態を作つて、任意のプラント現場の物理的お
よび経済的制限に合う体系を構成させることがで
きる。 よつて本発明は、溶融アルミニウムが収集だめ
に流下するのを妨げることなく、また電流効率の
低下を生ずるような流下アルミニウム表面の分裂
を生ずることなく、陽極と陰極の間に濃縮物質の
豊富で充分な流れを陽極ガスが誘起するように、
陰極が配置された傾斜付けられている電解炉に関
する。よつて濃縮バス区域からバスが幾らかアル
ミナ成分を消費されている区域まで流れるように
バスが誘導される。マツキングまは陽極効果の何
れをも防ぐように調整された分量で、バスにアル
ミナが自動的に供給される。 本発明の1つの態様によれば、アルミナを含有
する氷晶石バス内でアルミナをアルミニウムに電
解還元させる流化陰極炉であつて、耐火物および
炭素材料で被覆された内面を有し、陰極穴を形成
する枠体と; アルミニウム濡れ性耐火物硬質材料を含有する
上面を少なくとも有する陰極と; 前記陰極穴内にぶら下がる少なくとも2つの陽
極であつて、それぞれは前記陰極の上面から約1
〜5cmの陽極・陰極間隔(ACD)をもつて離間
する下面を有すると共に前記陽極と前記陰極との
間に流路を有し、前記陰極の上面と前記陽極の下
面は水平線から約2〜15度の角度に傾斜し、これ
によつて前記陽極と陰極との間の前記流路の下方
端および上方端を形成する前記少なくとも2つの
陽極と; 電解反応用のアルミナの供給を確保するため
に、少なくとも1つの実質的に水平なバス循環ル
ープの回りに最少バス流量Qを前記陰極穴内にお
いて供給する装置と;を具備し、 少なくとも1つの戻り流路を提供して前記循環
ループを完成させる場合には、 式Q(炉)(cm3/秒)=(0.008)〔全炉電流(A)〕
/Δwt%Al2O3 が与えられ、 前記ループは (i) 前記陽極と前記陰極との間の前記流路と; (ii) 前記陽極と前記陰極との間の前記流路の下方
端に流通する少なくとも1つの下方流路と; (iii) 前記陽極と前記陰極との間の前記流路の上方
端に流通する少なくとも1つの上方流路と; (iv) 前記上方流路および前記下方流路に流通する
少なくとも1つの戻り流路と;を具備し、 隣接する陽極間に位置する前記少なくとも1つ
の戻り流路は、h,W,Lの寸法を有し、但し、
hは任意の点におけるバス深さ(cm)、Wは戻り
流路の幅(cm)、Lは戻り流路の長さ(cm)、であ
つて、これらは 式Rf(炉流路)=(2h+w)L/h3w3 によつて示され、Rf(炉流路)の最大値は 式1/〔Rf(炉)〕1/2oi=1 (1/〔Rf(炉流路)〕1/2 および 式Rf(炉)=(X)(8902)/Q(炉)2 の関係によつて示され、但し(X)は約0.2×
10-3/cm4〜230×10-3/cm4であることを特徴と
する流下陰極炉が提供される。
Claim 1: A fluidized cathode furnace for electrolytically reducing alumina to aluminum in a cryolite bath containing alumina, the frame having an inner surface coated with a refractory and a carbon material and forming a cathode hole. and; a cathode having at least a top surface containing an aluminum-wettable refractory hard material; and at least two anodes depending within the cathode bore, each about 1 inch from the top surface of the cathode.
having lower surfaces spaced apart by an anode-cathode spacing (ACD) of ~5 cm and a flow path between the anode and the cathode; said at least two anodes being inclined at an angle of .degree., thereby forming lower and upper ends of said flow path between said anode and cathode; in order to ensure the supply of alumina for the electrolytic reaction; , a device for providing a minimum bath flow rate Q in the cathode bore around at least one substantially horizontal bath circulation loop; and providing at least one return flow path to complete the circulation loop. The formula Q (furnace) (cm 3 /sec) = (0.008) [total furnace current (A)]
/Δwt%Al 2 O 3 , and the loop is connected to (i) the channel between the anode and the cathode; (ii) the lower end of the channel between the anode and the cathode. (iii) at least one upper flow path communicating with an upper end of the flow path between the anode and the cathode; (iii) the upper flow path and the lower flow path; at least one return channel in communication with the channel, the at least one return channel located between adjacent anodes having dimensions h, W, L, with the proviso that h
is the bath depth (cm) at any point, W is the width of the return channel (cm), L is the length of the return channel (cm), and these are the formula R f (furnace channel) = (2h+W)L/h 3 w 3 , and the maximum value of R f (furnace flow path) is expressed as Equation 1/[R f (furnace)] 1/2 = oi=1 (1/[R f (furnace flow path)] 1/2 ) and the relationship of the formula R f (furnace) = (X) (890 2 )/Q (furnace) 2 , where (X) is approximately 0.2×
10 -3 /cm 4 to 230×10 -3 /cm 4 A falling cathode furnace. 2. The alumina concentration in the bath that enters the flow path between the anode and the cathode from the lower flow path and is supplied to the upper flow path is about 0.2% to 5.0%. The falling cathode furnace according to item 1. 3. The net total bath flow rate per unit anode area in the sulfur path between the anode and the cathode is approximately
1.2×10 −1 to 8×10 −4 cm 3 /sec/cm 2 . The falling cathode furnace according to claim 1. 4 The furnace has an anode current density (A/
cm 2 ), the falling cathode furnace according to claim 1. 5 The furnace has an anode current density (A/
cm 2 ), the falling cathode furnace according to claim 1. 6 The furnace has an anode current density (A/
cm 2 ), the falling cathode furnace according to claim 1. 7 The furnace has an anode current density (A/
cm 2 ), the falling cathode furnace according to claim 1. 8. The falling cathode furnace of claim 1, wherein the ACD is approximately 1.5 cm to 4.0 cm. 9. The falling cathode furnace of claim 1, wherein the ACD is approximately 2.0 cm to 3.0 cm. 10. The falling cathode furnace of claim 1, wherein the ACD is approximately 2.5 cm. 11 The upper surface of the cathode and the lower surface of the anode are inclined at about 5 to 10 degrees from the horizontal line.
Flowing cathode furnace described in Section 1. 12. Claim 1, wherein the upper surface of the cathode and the lower surface of the anode are inclined at about 6 to 8 degrees from the horizontal line.
Flowing cathode furnace described in Section 1. 13. The falling cathode furnace according to claim 1, wherein the upper surface of the cathode and the lower surface of the anode are inclined at about 8 degrees from the horizontal. 14. The falling cathode furnace according to claim 1, wherein the L (cm) is about 15 to 300. 15. The falling cathode furnace according to claim 1, wherein the L (cm) is about 30 to 250. 16. The falling cathode furnace according to claim 1, wherein the L (cm) is about 60 to 200. 17. The falling cathode furnace according to claim 1, wherein said L (cm) is about 122. 18. The falling cathode furnace according to claim 1, wherein the X (10 3 /cm 4 ) is about 1.0 to 20. 19. The falling cathode furnace according to claim 1, wherein the X (10 3 /cm 4 ) is about 5.0 to 10. 20. The falling cathode furnace according to claim 1, wherein the X (10 3 /cm 4 ) is about 6.2. 21 The above Q (10 3 /sec/cm 2 ) is approximately 1.1×10 -3 ~ 6.0
×10 -2 The falling cathode furnace according to claim 1. 22. The falling cathode furnace according to claim 1, wherein the furnace has a plurality of return passages = n, where n is represented by the formula R f (furnace passage) = n 2 R f (furnace). 23. The falling cathode furnace of claim 1, wherein said slope and said ACD are dimensioned to limit the thickness of bubbles created by said electrolytic reaction to less than 50% of said ACD. 24. Claims 1 to 2, wherein the return flow path is located between the inner wall of the cathode hole and the anode.
The falling cathode furnace according to any of Item 2. 25 The aluminum wettable fireproof hard material is 2
Titanium boride, titanium carbide, zirconium diboride,
25. A falling cathode furnace according to any one of claims 1 to 24, which is selected from zirconium carbide and mixtures thereof. BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a novel electrolysis furnace for producing aluminum from alumina and a method of operating the same.
In particular, the present invention provides an electrolytic furnace for the production of aluminum using a cryolite-based bath electrolyte that eliminates the problems caused by the narrow anode-cathode spacing obtained in conventional falling cathode furnaces within the ACD gap. has been demonstrated to be overcome by inducing specific aspects of the bath flow to facilitate alumina supply and raw gas removal and to improve flow of the fabricated metal. Operation of the experimental electrolysis furnace demonstrated the ability to deliver large amounts of molten alumina to the electrolysis zone even at very narrow anode-cathode spacing. Electrolytic furnaces commonly used in the production of aluminum are of the classic Hall-Heroult design, with a carbon anode and a generally flat carbon-lined bottom serving as part of the cathode system. The production of aluminum by electrolytic reduction of alumina uses an electrolyte, which consists primarily of molten cryolite to which molten aluminum has been added, and may also contain fluorite, aluminum fluoride, and other metal fluoride salts. . The molten aluminum resulting from the reduction of alumina is often allowed to accumulate as a molten metal bed or pool on a carbon-lined bottom at the bottom of the vessel forming the electrolytic furnace, forming a liquid metal cathode. A carbon anode extending into the vessel and in contact with the molten electrolyte is aligned with the liquid metal cathode. A current collector bar, such as steel, is often embedded in the carbon-lined furnace bottom to complete the connection to the cathode system. Hall-Heraurt furnace designs and sizes vary, but all have relatively low energy efficiencies of about 35-45%, depending on the furnace geometry and mode of operation. In other words, the theoretical amount of electricity required to produce 1lb (2.2Kg) of aluminum is approximately
2.85Kwh/lb, but the actual power usage range is 6-8.5Kwh/lb, and the industry average is approximately
It is 7.5Kwh/lb. This deviation from the theoretical energy consumption is largely a result of the voltage drop in the electrolyte between the anode and cathode. Therefore, much research has been focused on reducing the anode-cathode distance (ACD).
However, the molten aluminum bed that serves as the cathode in the furnace can be irregular and vary in thickness due to electromagnetic effects and bath circulation, and past practice has shown that it is difficult to ensure a relatively high current efficiency and direct short circuit between the anode and the metal bed. In order to avoid this, it was necessary to keep the ACD at a safe distance of 3.5 to 6 cm. Such gap spacing is 1.4~2.7V
, which is in addition to the energy required for the electrochemical reaction itself (2.1 V based on enthalpy and free energy calculations). Therefore, great efforts have been made to develop more stable aluminum floors in order to reduce the ACD to less than 3.5 cm and obtain energy savings. The use of refractory hard materials (RHM) such as titanium diboride in the form of tiles as the cathode surface has been studied for a long time, but until very recently, RHM with good adhesive properties
No tile or surface coating was obtained. Titanium diboride is known to have unique properties in that it is electrically conductive and can be wetted with molten aluminum to form an extremely thin aluminum film. Instead of the traditional unstable molten aluminum bed,
The use of a very thin aluminum film covered by the RHM surface and flowing down the sloped cathode face has been proposed as a means of reducing ACD, increasing efficiency and reducing voltage drop. However, attempts to achieve such a goal in the past have failed due to the incompleteness of the resulting RHM surface and the inability to overcome the difficulty of supplying sufficient molten alumina to the narrow ACD (as narrow as 1.5 cm). It was attributed to Thus, narrow ACDs, including excessive persistent anodic effects, create alumina depletion problems. If too much alumina is supplied to prevent these problems, sludge adhesion (matting) may occur.
mucking) occurred, clogging the furnace and interfering with its operation. Another approach to reducing energy consumption was to smelt aluminum from aluminum chloride instead of alumina. This method requires less electricity to produce aluminum than traditional electrolytic methods.
Reduced by 30-40%. The process uses the traditional Bayer process to convert bauxite to alumina, which is converted to aluminum chloride in a chemical plant and then smelted in an electrolytic furnace. In the furnace, aluminum chloride is extracted from aluminum and
It is further decomposed into chlorine, which is recycled back into the chemical plant to produce aluminum chloride. Such techniques use flow-through reactors with non-consumable anodes. However, existing aluminum plants cannot be modified for this process because the aluminum production furnace for this process is not compatible with Hall-Heraurt type furnaces. Therefore, the production method using aluminum chloride requires completely new capital investment. The present invention enables significant energy savings in retrofitted plants and eliminates the need for entirely new equipment. This is the background for developing the present invention. DISCLOSURE OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an improved aluminum electrolytic furnace using a fluorite-based bath electrolyte and having high electrical efficiency. It is thus an object of the present invention to provide a basic furnace for producing aluminum from alumina, which can be used in a single furnace system or in a multiple furnace system for saving construction and operating costs. It is an object of the present invention to provide a furnace design that increases current efficiency and reduces voltage drop by narrowing the ACD over prior art, and that can be constructed by retrofitting current Hall furnace equipment. Therefore, less than 3 cm
It is an object of the present invention to provide an electrolysis furnace having an ACD that ensures proper alumina supply to the anode-cathode gap without the need for overfeeding. Another object of the present invention is to provide an aluminum reduction furnace design that provides a flow-through configuration and controlled atmosphere. These and other objects, which will become clear from the disclosure set out below, are achieved by providing a furnace in which the individual steps are separated as far as possible. Collection of product aluminum using a sloped solid cathode forming anode, either Soderberg or pre-baked, coupled with the correct selection of other parameters defined herein. A bath flow is induced in the anode-cathode gap to provide an adequate supply of alumina to the anode without impeding flow into the reservoir. In one form, pumping of the gas below the anode causes the bath to flow through the furnace to the furnace supply chamber and back out the furnace supply chamber on the opposite side. Individual furnaces of this type can be combined in multiple configurations to create a system that meets the physical and economic constraints of any given plant site. Thus, the present invention provides a method for creating a condensate-rich material between the anode and cathode without preventing the molten aluminum from flowing down into the collection sump and without causing fragmentation of the falling aluminum surface which would result in a reduction in current efficiency. so that the anode gas induces sufficient flow.
The present invention relates to an inclined electrolytic furnace in which a cathode is arranged. The bath is then directed from the enrichment bath area to the area where some of the alumina content has been consumed. Alumina is automatically supplied to the bath in a quantity adjusted to prevent either matting or anodic effects. According to one aspect of the invention, a fluidized cathode furnace for electrolytically reducing alumina to aluminum in a cryolite bath containing alumina, the cathode having an inner surface coated with a refractory and a carbon material; a frame defining a hole; a cathode having at least a top surface containing an aluminum-wettable refractory hard material; at least two anodes depending within the cathode hole, each about 1 inch from the top surface of the cathode;
having lower surfaces spaced apart by an anode-cathode spacing (ACD) of ~5 cm and a flow path between the anode and the cathode; said at least two anodes being inclined at an angle of .degree., thereby forming lower and upper ends of said flow path between said anode and cathode; in order to ensure the supply of alumina for the electrolytic reaction; , a device for providing a minimum bath flow rate Q in the cathode bore around at least one substantially horizontal bath circulation loop; and providing at least one return flow path to complete the circulation loop. The formula Q (furnace) (cm 3 /sec) = (0.008) [total furnace current (A)]
/Δwt%Al 2 O 3 , and the loop is connected to (i) the channel between the anode and the cathode; (ii) the lower end of the channel between the anode and the cathode. (iii) at least one upper flow path communicating with an upper end of the flow path between the anode and the cathode; (iv) the upper flow path and the lower flow path; at least one return passageway communicating with the channel; the at least one return passageway located between adjacent anodes having dimensions h, W, L;
h is the bath depth (cm) at any point, W is the width of the return channel (cm), L is the length of the return channel (cm), and these are the formula R f (furnace channel) = (2h+w)L/h 3 w 3 , and the maximum value of R f (furnace flow path) is expressed as Equation 1/[R f (furnace)] 1/2 = oi=1 (1/[ R f (furnace flow path)] 1/2 and the relationship of the formula R f (furnace) = (X) (890 2 )/Q (furnace) 2 , where (X) is approximately 0.2×
A falling cathode furnace is provided, characterized in that the irradiance is 10 -3 /cm 4 to 230×10 -3 /cm 4 .

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は逆V形陰極、すなわち2重傾斜陰極の
形態を使用する電解炉の端面図、 第2図は単一傾斜陰極を用いる、本発明の概念
の炉の端面図、 第3図は外部補給を有する単一傾斜陰極、流通
型アルミニウム還元炉の端面図、 第4図はV形流下陰極炉の端面図、 第5図アルミニウム連続抽出系および分離した
補充・混合区域を用いる単一傾斜流下陰極炉の平
面図、 第6図は複数の単一傾斜流下陰極炉を縦列に用
いる、多重炉体系の平面図、 第7図はバス流速を制限する部分邪魔板を使用
する、単一傾斜流下陰極炉の平面図、 第8図は2つの反対傾斜の陰極を有する炉の平
面図、第9a図は流下陰極炉内のガス発生を模擬
するように設計された水力学アナログ・モデルの
側面図、 第9b図はACDにおける正常なバス流の説明
図、第9c図は流下するアルミニウムの近辺の、
ACDにおけるバス逆流区域の説明図、 第9d図はACDを通るバス材の正味の流れが
無い状態の、乱れて分裂したバス流の区域の説明
図、 第10図は流れの抵抗が高い状態における炉シ
ミユレーシヨン・モデルのバス流対陰極傾斜のグ
ラフ表示、 第11図は流れの抵抗が中位の状態における炉
シミユレーシヨン・モデルのバス流対陰極性傾斜
のグラフ表示、 第12図は流れの抵抗が低い状態における炉シ
ミユレーシヨン・モデルのバス流対陰極傾斜のグ
ラフ表示、 第13図は流下陰極炉におけるポンプ効率−流
れ抵抗の概念図、 第14図は戻り通路における所要流れ抵抗対陰
極傾斜のグラフ表示、 第15図は炉設計パラメータの図、 第16図は傾斜陰極電解実験炉の断面図、 第17図は3個の実験炉で得られた炉運転安定
性のグラフ表示、 第18図は2つの電流密度における陽極−陰極
極性化および陰極傾斜の間の関係の図解。 発明を実施するための最良の形態 本発明は2硼化チタンその他類似の耐火性硬質
材の表面を有する傾斜付きの流下陰極から成り、
水平からの傾斜角はバス運動の制御に寄与するよ
うに選定され、バス運運動は特定の重要プラメー
タに流体力学的に左右される。アルミニウムの流
下を妨げないで、陽極効果を避けるために、陽極
面の直ぐ下の空間にある電極間すき間にアルミナ
濃厚バスの充分な流れが誘起されるようにバス運
動が制御される。よつて過大なアルミナ供給から
生ずるマツク(くず)形成、不充分なバス添加か
ら生ず持続的な陽極効果、そしてバスの循環を妨
げるレツジング(突起形成)などの如く、在来の
金属床なしで運用される耐火性硬質金属面の陰極
の開発により可能となつた極く狭い陽極−陰極間
隔(ACD)において生ずるアルミナ供給上の諸
問題を克服することが可能である。 省エネルギ流下陰極極アルミニウム還元炉の概
念の成否は、2つの重要な要素、すなわち(1)耐久
性RHM陰極材、(2)狭い陽極−陰極間隔(ACD)
を通るバス流を制御し最適化する能力、にかかつ
ている。生産用炉において実施中の実験により、
第1の要求事項を満たす材料が開発されたことが
示されている。すべて本譲受人に共通して譲渡さ
れ、出願中の1982年7月9日付米国特許願第
395343号、第395344号、第395345号および1982年
7月22日付米国特許願第400762号、第400763号、
第4000764号、第400765号、第400772号、第
400773号、その他は耐火性硬質材塗膜の組、適用
方法、およびアルミニウム濡れ性を示し秀れた電
気特性を有する耐久性、接着性のある陰極面と与
える陰極構造に関している。 傾斜陰極炉のACDにおける流体力学的状態を
模擬するために水モデルを用いる研究の結果、も
う一つの要求事項を満たすのに必要な炉設計基準
が決定された。水モデルの結果は実験室規模の電
解炉で立証された。契約番号DE−AC03−
76CS40215により報告されたKaiser−DOE傾斜
付きTiB2陰極試験や他の公開報告書および特許
に用いられる数多くの炉設計は本発明の設計要求
事項から外れており、重要性が既に認められてい
る重大な流体力学上の問題点を処理することがで
きない。これらの設計基準は陰極面の傾斜、
ACD間隔、戻り流路におけるバス流への抵抗、
および陽極電流密度を含む。これらの基準のうち
最初の2つは既存の設計、報告書および特許にお
いて考慮されているが、後の2つの基準はその重
要性と共に本書により初めて指摘される。 電解工程によつて陽極面は陰極にほぼ平行とな
るように成形されることはアルミニウム電解にお
いて公知である。よつて傾斜した陰極は陽極を似
たように傾斜させる。公知の如く電解工程により
陽極面におい大量のガスの発生がある。 水平の陽極および陰極の面を有する在来設計の
アルミニウム還元炉において、陽極面に発生した
ガスは炉心から陽極面の下方を外方へ最も近い垂
直向きの通気口へ横向きに移動し、その通気口は
一般に陽極の垂直側面から成ることも公知であ
る。傾斜陽極はその傾斜の方向と大きさによつて
このガスの運動を高めもすれば低下もさせる。適
正な陰極、従つて陽極の傾斜は陽極ガスを所要の
方向に移動させることが判る。次に、ガス・リフ
トおよびガス・ジエツトポンプ並びに気泡柱の設
計にも利用される公知の作用によりこの陽極ガス
は陽極表面近くのバスを同一方向に駆動する。こ
の駆動は(必要あれば)他のポンプ圧送作用、例
えば適正設計のポンプにより補足され、高められ
る。 流体系の流れは、流体駆動力と系内の要素内の
流れに対する抵抗の間の平衡により成立つこと、
また形態に左右されるが、局部的な流れの速度は
流体駆動方向と同じ方向であるが、時には反対の
方向にもなることは、流体力学上公知である。一
方で、傾斜による浮力が発生する気泡力および水
平陽極の下方で気泡を横向きに駆動する力と、他
方で流れに対する抵抗と、の間の平衡を達成して
所要のアルミナ供給を生ずる正味のバス運動を与
えるような傾斜を配置することが本発明の原理で
ある。陽極面近くの局部的バス速度は所要の方
向、すなわち駆動用気泡が動く方向である。同時
に、陰極面近くのバス速度を陽極近くのバス速度
に等しい方向とし、しかもバスを駆動する気泡の
流れに反対な方向である陰極上のアルミニウム流
下を阻害する程には大きくしないように形態配置
がなされる。アルミナ濃厚バスが炉の特定の側に
配置された場合、陽極のこの側が低くてこの側か
ら遠ざかる方に上向きの傾斜を有する時に陽極面
直下の空間へのバス流が生ずる。この傾斜は、も
しも傾斜が無ければ陽極の中心部分から陽極のこ
の側に向つたであろうガス流に打勝ちさらに反転
させるのに充分な程大きい。傾斜の精密な形態お
よび配置はアルミナ濃厚バス供給源の位置と共に
変わる。この位置は炉の大きさおよび使用陽極の
型式(プレベークかSoderbergか)により、一方
の側か、両側か、または炉の中央にもなる。 陰極(従つて陽極)の傾斜が炉の幅にわたつて
一様であるものまたは傾斜が種々の形で変わるも
の、が本発明の代替実施例とし現われる。これら
は例えば、炉の横断面の両半分で同一方向で、等
しくないが一定の傾斜をもつもの、また両半分で
等しいが反対の傾斜をもつもの(例:2重傾斜、
逆V形)を含む。本発明の概念はプレベークおよ
びSoderbergの陽極設計の炉の両方共に適用され
る。たとえば、幅が2つのプレベーク陽極ブロツ
クで蔽われている炉には逆V形が最も適している
かも知れないが、この形態は中央で通気させた垂
直スタツドSoderberg陽極にも適用されることが
できる。逆V形は両側から供給に適しているが、
V形は中央供給に適しているであろう。同様に、
一方向のみの傾斜(一定のものも変わるものも)
を有する設計への適用が望ましいが、本発明は片
側から供給する単一の一枚岩の無通気Soderberg
陽極に限定されない。 特定の適用に対する陰極傾斜の選択は所要の流
体力学特性を達成するための他の支配的パラメー
タと両立しなければならない。これらのパラメー
タは、ACDすき間(すなわちACD間隔)、陽極
電流密度(電流と陽極面寸法)、およびバス戻り
抵抗(すなわちバス戻り流路または通路の長さ、
深さ、幅および材質)である。制御されたバス流
は過度の陽極効果を防止するのに充分な量のアル
ミナ濃厚電解液を陽極面に供給することになる。
他の利点はACDにおける過大なガス蓄積の防止、
陽極および陰極の過大電圧の減少、ならびに製品
アルミニウムの流れの分裂の軽減である。 第1図は中央ガス出口およびコレクタバーを有
する逆V陰極設計の、側方供給付垂直スタツド
Soberberg還元炉の端面図である。陰極面6は炉
の両側から陽極1の中心に向つて上方に傾斜し、
陽極の中心でガス抜き2を通して陽極ガスが収集
系(図示せず)に通気される。コレクタ・バー4
が陰極面6にきつちり平行に配置され、アルミニ
ウム流下だめ5を避けるようにずれている。 水平線から陰極面6の角度は所要のバス流を誘
起するのに充分大きくとるべきであるが、陽極・
陰極空間7における過度の気泡変形またはバス乱
流を生じる程に大きくてはならない。また以下に
述べる制限にも従わなければならない。たとえば
傾斜角は、以前は指摘されなかつたが気泡の形態
および運動に顕著な影響を与える。陽極面が水平
線から傾いている時、気泡は陽極の傾斜にそつて
上昇する気泡の運動方向に垂直な長軸を持つ長楕
円形になろうとする顕著な傾向を示す。気泡と液
体の間の相対速度が増すにつれて、気泡の前縁は
厚みを増す。そして傾斜の或る範囲にわたつ、
徐々に厚みを増す前縁は、境界面のゆがみおよび
摩さつの影響による抵抗増加のために、気泡の駆
動作用を減ずる結果を招く。たとえば、水平から
約15゜の陽極傾斜にて、陽極面にある大形気泡は
かなりのひずみおよび抵抗を受けることが見られ
た。適当な傾斜角は、炉の条件により多の増減は
許されるが、約2〜15゜の範囲であると判つてい
る。望ましい傾斜は水平から約5〜10゜、より望
ましくは約6〜8゜である。最も望ましい陰極傾斜
は約8゜であると判明した。 陰極面6は陰極面上のアルミニウム(またはア
ルミニウム合金)の薄膜形成を助けるために、
TiB2の如き電導性のアルミニウム濡れを性材で
被覆される。2硼化チタンを含む表面が望ましい
が、炭化チタン、炭化ジルコン、2硼化ジルコン
まはそれらの混合物の如き、他のアルミニウム濡
れ性耐火硬質材の使用も考えられる。適当な陰極
面およびかかる陰極面を与える塗膜組成は、全て
本発明の譲受人に譲渡された、出願中の1982年7
月9日付米国特願第395343号、第395344号、第
395345号および1982年7月22日付米国特願第
400762号、第400772号、第4000773号、その他に
示されている。 アルミニウムは陰極の傾斜面から側方の収集用
流下だめ5の中に流下し、それにより、電流効率
を減ずる逆反応の可能性を少なくし、抽出作業を
迅速化し、また他の炉作業から抽出作業を独立さ
せる。この流下するアルミニウムの薄膜は誘導磁
界に感応しないから、在来の溶融アルミニウム床
の使用に優る一大改良である。さらに前記の制御
されたバス運動はアルミニウムの流下を妨げな
い。 陽極の下方傾斜縁にそつて上方へ動く気泡8は
必要に応じて排気されて、気泡が大きくなり過ぎ
ないように、すなわち陽極面の広い部分を蔽つた
り、陽極・陰極空間に過度に伸びて行つたりしな
いようにされる。しかし狭い陽極・陰極空間への
バス流に対する必要な駆動力を著しく減ずること
のないように、過度の排気を避けるべきである。
排気は陽極にあるみぞ、または通気管、狭路、孔
などを通して行われる。Soderberg陽極のペース
トまたは可塑区域にパイプを挿入したり、プレベ
ーク炭素陽極内に焼込んだりして通気孔を作るこ
ともできる。陽極に通気孔を均等でなく配分する
と、炉内のバス流を再配分して炉内のバス流の非
均等性を補正することが判る。 消費されたアルミナのバスを補充するためにホ
ツパー19からアルミナがバスに添加される。も
ちろん他のバス構成材も同時に添加される。矢印
10はガス気泡8により誘導されて狭い陽極・陰
極空間7を通るアルミナ濃厚バスの流れを示し、
いつぽう矢印13は流下だめ5に落ちる薄膜とし
てのアルミニウム金属の流れを示す。 第2図は単一傾斜陰極を用いるアルミニウム還
元炉の端面図である。単一傾斜の陰極面6により
直線状のコレクタ・バー4の使用が可能となり、
陰極上面とコレクタ・バーの間隔を一定に保つこ
とができる。炉22の両側からコレクタ・バーが
出る場合に幾らかの電圧減少の利点はあるが、ア
ルミニウム流下だめ5を深くする方がより優利で
ある場合にはコレクタ・バー4を外まで伸ばす必
要はない。この炉の形態は多少なりとも在来の構
造の使用とコレクタ・バー設置のための装着技法
を可能にする。陰極面6の傾斜は成形陽極面にそ
つてガス気泡が効率良く移動し、またアルミニウ
ムを陰極面にそつて流下させるのに充分な程度で
なければならない。図示の如く、陰極面を流れる
金属薄膜を過度にひずませる恐れのある過剰な陽
極ガス気泡8は陽極にあるガス抜き2を通してガ
ス収集系3に排気される。機械的なバス・カバー
18を用いることにより、バスふん囲気の完全制
御が確実となり、大気汚染が減ずる。電極間すき
間出口21の所でホツパー19によりアルミナが
バスに添加される。正確にバスを補充するために
自動制御装置20を使うこともできる。このよう
なアルミナその他のバス構成材の添加態様は幾つ
かの利点を有する。先ず、電解区域を出た後でバ
スは部分的に溶解アルミナを消費しアルミナ急速
溶解にとつても最も理想的な環境を与える。もし
も幾らかのアルミナが側方貯蔵槽24の底に沈澱
した場合、その沈澱アルミナのマツクを蔽う金属
パツドまたは金属だめが無いためにアルミナマツ
クが流通路の中に溶解する助けとなる。さらに、
バスの戻り流路は余分の溶解時間を与え、マツク
の無いバスのみがACDすき間に循環されるのを
保証するように未溶解アルミナの落し穴として働
く。炉の金属流下だめ5の側にアルミナを添加す
ると、流下だめ内金属の下側にマツクを形成させ
る可能性を生じ、そのために流下だめが溢れて陽
極・陰極間に金属による直接の電気短絡を生じ得
るので、本配置ではそれを避けている。 第3図は流通型単一傾斜陰極アルミニウム還元
炉の端面図である。図示の如く陰極角度は、成形
陽極の面にそつて上方へ陽極ガス気泡8を効率よ
く移動させ、また陰極面を矢印13の如くアルミ
ニウムが流下してアルミニウム流下だめ5に入る
のに充分な程度である。必要であるかも知れない
ガス抜き2は陽極内に設けられ、みぞまたは通気
孔の形をとることもできる。陽極自体は
Soderbrgまたはプレベークした炭素の変形であ
る。アルミニウム流下だめ5は床の厚みの変化の
如き炉へのかく乱を少くする連続抽出系に導かれ
るのが望ましい。ガス抜き2および空いたバス空
洞はガス収集系に接がれるのが優利である。図示
の流通型炉では電解バスは外部で補充され、バス
入口9から矢印10に示される通路を通り、陽
極・陰極空間7を径てバス出口11に流れ、その
個所で電解液はアルミナが電解により部分的に消
費されている。 第4図は2重傾斜流下陰極、すなわちV形陰極
炉を示す。この形態では、陰極傾斜の高い方の端
に図示されているポイント・フイーダ27により
補充が行われるのが、図示のプレベーク型陽極1
の間でも補充を行うことができる。アルミニウム
金属の流れ13は陰極面6を流下し、連続抽出系
に接続されることが有利な流下だめ5に入る。陽
極ガス気泡8は陽極底面にそうバス材の流れ10
を誘起する。 第5図は炉供給混合区域を組入れた単独炉の平
面図である。第5図では、陽極1がみぞ形ガス抜
き2を有することが図示される。陰極面6と共
に、アルミニウムを連続金属抽出系14に供給す
る流下だめ5が図解される。アルミニウム金属の
正味の流れの方向は矢印13で示され、いつぽう
氷晶石バスの正味の流れの方向は矢印10で示さ
れる。陽極1と陰極面6の間を通過した後、部分
的に消費されたバスは出口11から炉供給混合区
域16に流れ、そこでアルミナが補充される1
2。アルミナの補充後、氷晶石バスは矢印10で
示される方向に電解炉の中を再循環する。図で
は、バス入口9に隣接して随意の磁石式バス循環
ポンプ17が使用されているが、大抵の状況下で
かかるポンプの使用は不必要と考えられる。炉供
給混合区域16を組入れた設計におけるバスの逆
流と循環の分裂を防ぐために、戻り通路28に邪
魔板15を配置することができる。 第5図は縦並びで運転される4基の個別電解炉
から成る多重炉体系の平面図である。図示の如く
本体系は連続アルミニウム抽出系14を有して、
アルミニウムの水位を一定に保ち、従つて熱バラ
ンスとバス水位をより定常的にする。在来の不連
続金属抽出を使用することもできるが、バス水位
の変化を補正する段取りが必要であろう。それに
は、バス・サージタンク、低位のアルミナ供給混
合タンク、および熱バランス調整装置が含まれ
る。第6図に示される如く、アルミナおよび他の
バス構成材が矢印12のように炉供給混合区域1
6に添加され、矢印10が示す方向に陽極・陰極
すき間を通つて循環する。磁石式循環ポンプ17
の使用は随意である。生成されたアルミニウムは
流下してアルミニウム流下だめ5に入り矢印13
に示される方向で連続金属抽出系14に行く。ア
ルミナを消費されたバスの逆流は邪魔板15によ
り防止される。 単独炉体系にも、またより経済的な多重炉体系
にも、アルミナ供給溶解系を組込むことは容易で
ある。本体系を制御されたふん囲気の下で運転す
ることを可能ならしめる本体系の一特徴は密封型
炉頂であり、それにより反応物質による問題、大
気汚染の問題および熱損失を少なくする。密封型
炉頂は必要不可欠ではない。この設計に非消費型
陽極面を加えると、単独容器の中に自蔵式で無人
の多重電解ユニツトを配することができる。 第7図は単一傾斜陰極を用いるアルミニウム還
元炉を示す。図示の如く、流下だめ5を介して炉
からアルミニウムを取出す連続アルミニウム抽出
系14が示される。これは炉内のアルミニウム水
位を一定にし、かつ炉内の熱バランスおよびバス
水位をより定常化する働きをする。必要あれば、
戻り流路28内の全体バス循環速度を制限するた
めに、調整自在の部分邪魔板25が用いられる。
たとえば窒化珪素の如き非腐食性絶縁材からなる
邪魔板により、所要の制限が得られる。図示され
ないが、必要な補充装置は前記の如く任意の適当
な型式のものとすることができる。 前記の如く、単一傾斜陰極炉の代りに2重傾斜
陰極炉も本発明の範囲内で利用し得る。たとえば
金属アルミニウムが下方にアルミニウム流下だめ
に向つて流れるようにした、第1図の逆V形、ま
たは第4図のV形のものがそれである。しかし第
2図に図示される、炉のアルミナ供給側に向けて
上方に傾斜した単一傾斜陰極炉は炉の建設自体が
簡単であるばかりでなく、清掃その他の炉のるつ
ぼ室手入れが単純化されるので、望ましい実施例
と考えられる。 第8図は本発明のいま一つの実施例である、複
列単一傾斜陰極を用いるアルミニウム還元炉の平
面図である。電解液の流れは矢印10で示され、
陽極1と陰極面6の間から、補充12が為される
区域を通り、反対方向に傾斜する隣りの陽極・陰
極の対のACDを通る循環を示している。炉の中
心線26は巧く2つの反対傾斜の陰極の境界線と
なる。円滑かつ連続の循環を保証するため、バス
の逆流を防ぎ正味バス循環流量を制御するように
それぞれ邪魔板15および部分邪魔板25があ
る。図中の他の要素は全て前述したものと同様で
ある。この形態は前記のV形および逆V形に代る
もので、Soderbergよりプレベーク型陽極と共に
用いるのが適していることに留意すべきである。
特にプレベーク型陽極に適しているいま一つの形
態は隣接する陰極(そして陽極面)の傾斜が同じ
方向であるが角度の異るものである。 図中には凝固バス材の側面突起および/または
皮殻の存在を示してないが、本発明はそれが存在
する炉にも適用されることに注意すべきである。 上面とそれに平行な下面の間の薄い層に液体が
閉じ込められた状態において、僅かに傾斜した表
面下を上方に向けて働くガス気泡のポンプ作用は
先ず水力学アナログ実験において実証された。こ
の実験は、動粘性系数が溶融氷晶石に極く近い、
室温の水を用いて行われた。表面傾斜を2.5゜に、
上下面のすき間を2.2cmにして、代表的な高電流
アルミニウム電解炉のガス発生量に合せた流量の
空気により加圧して多孔質の上面に気泡を発生さ
せた。その結果、模擬の陽極と陰極の間の正味す
るなち平均液体速度は5〜10cm/秒の範囲にある
と測定された。これらの速度は、氷晶石中のアル
ミナ濃度が通常である時の適正な炉の運転に必要
な速さでアルミナを供給するのに充分以上である
と計算された。この実験では、運転中の水平陽極
のアルミニウム電解炉に存在する、たとえば磁気
影響による、反対向きの気泡力に表面傾斜が打勝
つ必要がなかつたけれども、ガス駆動によるバス
循環の原理は明快に実証された。 生ずるバスの循環は、ACDすき間におけるガ
ス気泡のポンプ作用効率と、背圧すなわち戻り流
路を通るバス流に対する抵抗との釣合いにより制
御されることが判つた。1:20縮尺のアルミニウ
ム電解炉と水力学アナログ・モデルからさらに他
の結果およびデータが得られた。 傾斜する無空の陰極面の上方に在るガス発生陽
極面(約1m2)を模擬する水力学アナログ・モデ
ルが作られた。この装置は動作陽極が傾斜付きの
流下TiB2陰極面の上方にある代表的な「流下陰
極」型アルミニウム還元炉の設計を模擬した。水
モデル研究は室温の水を用いて行われた。観祭さ
れた流体はレイノルズ数が乱流領域(>5000)で
あつたから、水モデルで観察される流れのパター
ンと速度は実尺の炉で予想されるものと類似であ
つた。この領域では流れは主として流路の物理的
寸法により制御され、流体特性(例:粘性)には
無関係である。アランダムの多孔板(孔径約
20μ)作られた底板を有する加圧空気室が実際の
陽極で発生するガス(例:Co2)を模擬するため
に用いられた。0.68amp/cm2の陽極電流密度を模
擬するために多孔板を通過するガス速度0.1778
cm/秒が用いられた(ガス速度は温度および静圧
の補を施こされた)。約1.4amp/cm2までの模擬電
流がこのモデルで実験された。 第9a図に側面図が示されるモデルの設計は第
1図に示される炉の半分を模擬したものである。
モデルの平面図は第7図に示される炉を模擬し
た。陽極の高い方の端の壁は中央みぞすなわちガ
ス抜き2を通る垂直面に相当する。図は、ACD,
BFL,φ,h,ho、下方流路幅および上方流路
幅(後で定義される)と、陽極1、陰極面6およ
びバス29との関係を図解する。 傾斜付き陽極面の下を上方へ向う所要の気泡の
流れに対比して水モデルおよび商業用規模のアル
ミニウム還元炉を説明するために下記の定義を使
用する。 BFL− 気泡流の方向の陽極面寸法(大抵のテ
ストでBFL=122cm)。 BFW− 気泡流の方向に直角な陽極面寸法(大
抵のテストでBFW=61cm)。 ACD− 第2図の数字7に対応する、傾斜付き
陽極・陰極面間の垂直距離(モデル・テストで
ACDは1cmから5cmまで変えられた)。 陰極傾斜(φ)− 上向き傾斜の陰極面と水平面
の間の角度(モデル・テストで陰極傾斜は0か
ら15゜まで変えられた)、 h− 液面から陽極面までの陽極浸漬垂直深さ
(陰極傾斜の度合に従い陽極のBFL寸法線にそ
つてhは変わる)、 ho− 陽極浸漬最少深さ、すなわち陽極の高い
方の端における陽極浸漬深さ(大抵のモデル・
テストでho=10cm)、 所要のバス流は4つの異る形式の流路すなわち
通路を代表的に通過する。すなわち: 1) 陽極と陰極の間のACDすき間。ここで陽
極ガスの導入と流動が炉内の所要のバス循環を
維持するのに必要な力を発生する。 2) 第2図の貯液槽24に相当する、ACDす
き間からバス流が流入する上方流路。ここで流
れは陽極の片側または両側に振向けられる。陽
極ガスの大部分はこの流路でバスから放出され
て、炉に供給されるアルミナの溶解に理想的な
バス撹乱作用を与える。この流路は第2図およ
び第7図に示されるように炉の側方にそつてい
るか、第1図に示されるように炉の中心にあり
得る。上方流路の寸法の定義は以下の通りであ
る。 深さ= 流路内のバスの深さ(水モデルではho
+ACDの垂直成分。垂直成分は弛い角度では
事実上ACDに等しい)。 幅=ACDすき間の気泡流と同じ方向の水平寸
法。 長さ=陽極のBFWにそう水平寸法+戻り流路
の幅。 3) 戻り流路。バス流を上方流路から、バスが
ACDすき間に入る陽極縁にそつて存在する対
応する下方流路まで運ぶ流路。戻り流路の例は
第5図乃至第7図に数字28で示される。最も
単純な形そして本研究のモデルとされた型式で
は、戻り流路は第7図に示される如きもので、
流れの抵抗を変えるため(部分邪魔板に付与さ
れた機能に似ているが)、戻り流路の深さまた
は幅を変えることもできる。水モデルおよび類
似設計の炉では、戻り流路の寸法は以下の如く
定義される。 深さ= 流路内のバスの深さ(流路の幅が狭くて
動作陽極が流路の片側または両側を形成する場
合は、有効流路深さは実際の深さからACDを
減じたものになる。それは隣接するACDすき
間における上向きの流れが戻り流路の底部に類
似厚さの層をよどませる傾向があるからであ
る。水モデル研究ではこの削減戻り流路深さが
用いられた)。傾斜する陰極のために、バスが
上方流路から下方流路に流れるに従い戻り流路
の深さは増す。 幅= 流路内の流れに直角な流路の水平幅。 長さ= 上方流路と下方流路の間の水平距離(水
モデルではこれはほぼBFLに等しい)。 4) 下方流路。戻り流路からのバスを運んで、
バスがACDすき間に入る陽極縁にそつてバス
を配分することによりバス循環ループを完成す
る流路。この流路の寸法は上方流路の寸法と同
様に定義される。大抵のセル設計および水モデ
ルでは、アルミニウム金属が傾斜陰極から流れ
落ちるに従つてそれを収集するための受けまた
は樋を流路の底部に有する。そのような受けは
第1図および第9a図に示される。 全ての場合、モデルおよび実尺の炉における
バス流量Qは下方流路からACDすき間に入る
バス流の総体積流量と定義される。 実際の電解炉を模擬して規定の寸法または運転
条件の変更の効果を評価するために、水モデルは
種々の方法で改造されることが可能にされた。調
整自在の部分邪魔板(第7図の25)を模擬する
ための装置がモデルに施こされた。陰極の傾斜が
ACDすき間内のバスの流れに与える影響を知る
ために、モデルの陽極および陰極の傾斜を0〜
15゜と変化させた。ACDすき間は水モデル研究で
は1〜5cmと変えられた。異る電流密度を模擬す
るためにガス流量は可変であつた。ACDすき間
および戻り通路に有色染料を注入してモデルの流
体の流れを観察し測定した。 下方の傾斜陰極に対する陽極の成形、すなわち
一致性が実験室の電解試験炉でも、エネルギ省に
対するカイザー・アルミニウム・アンド・ケミカ
ル・コーポレーシヨンの報告書(DOE契約番号
No.EY−76−C−03−1257の最終報告、「改良型ア
ルミニウム還元炉陰極の使用によるエネルギ節
約」1977年11月30日)でも実証された。 第9b図はACD内のガス気泡8の所要の流れ、
およびバス流の方向10を示す。この図から、陽
極面と同じ方向の、陰極面のバスの速度が大きす
ぎると陰極上の金属の流下を妨げる可能性がある
ことが明らかである。よつて、一方向の流れが望
ましいけれども、陰極面における過大な流速な避
けるべきである。水モデル研究で明らかにされた
ことは、或る設計条件の下では望ましくない3つ
の異る現象がACD内に起り得ることである。す
なわち: Γ逆流。 陽極底面にそつて上方に流れるバスが
流れの方向を反転して第9c図に示されるよう
に陰極面にそつて下方に流れた時に逆流が生じ
た。極端な逆流状態では、第9d図に示される
ように、バスがACD内で複数の小さな渦流を
形成し、ACDに入る正味の新しいバスが無い
か、極く少なくなる。実際の電解炉で新しいバ
スの供給が不足すると、持続的な陽極効果を招
く。 Γエアロツク(気体閉塞)。 陽極ガスの除去が
遅過ぎてACDがよどんだ大形ガス気泡で満た
された時にエアロツクが生じた。この状態では
バス流が不充分となる。運転中の炉でこの状態
が生ずると、そのようなガス気泡が局部的な電
解反応を阻害し、陽極のその部分の陽極電流密
度を増し、結局、陽極極性化電圧の損失を来
し、陽極効果の開始につながることにもなり得
る。 Γ過大気泡厚み。 或る条件の下でバスの広範囲
にわたり陰極面に接して生じた。この状態が運
転中の炉で生ずると、CO2気泡と陰極面上の溶
融アルミニウム金属との間の急激な逆反応によ
り電流効率が急に落ちる。 上記現象ならびにACDすき間および戻り流
路の正味バス流は陰極傾斜、ACD、戻り流路
内の流体抵抗、および模擬陽極電流密度の関数
として検討された。観察された流れ特性の全て
は前述の一般的流体力学原理に従つて制御され
るけれども、その定量的記述は今日まで確立さ
れていなかつた。 本発明を省エネルギ型改良アルミニウム還元炉
の設計に適用する代表例を説明するために、次表
の一般炉仕様が水モデルおよび後の実例に使用さ
れた。実際には、実際の用例に合うようにこれら
の一般炉仕様を選択し、本発明の教示を用いて重
要な炉設計仕様を求めて欲しい。熱バランスおよ
び投資効果の計算が為されて、「流下陰極型」炉
の運転は今日業界で使用される代表的な値よりも
高い陽極電流密度にて行われることが望ましいこ
とを示している。
FIG. 1 is an end view of an electrolytic furnace using an inverted V-shaped cathode, i.e., double tilted cathode configuration; FIG. 2 is an end view of a furnace of the present concept using a single tilted cathode; FIG. Figure 4: End view of a single tilted cathode, flow-through aluminum reduction furnace with external replenishment. A plan view of a falling cathode furnace. Figure 6 is a plan view of a multiple furnace system using multiple single inclined falling cathode furnaces in tandem. Figure 7 is a plan view of a single inclined falling cathode furnace using partial baffles to limit the bath flow rate. Figure 8 is a plan view of a furnace with two oppositely angled cathodes; Figure 9a is a side view of a hydraulic analogue model designed to simulate gas generation in a falling cathode furnace. Figure 9b is an explanatory diagram of the normal bath flow in ACD, and Figure 9c is the flow near the flowing aluminum.
Figure 9d is an illustration of the area of turbulent and fragmented bath flow with no net flow of bath material through the ACD; Figure 10 is an illustration of the area of turbulent and fragmented bath flow in conditions of high flow resistance. Figure 11 is a graphical representation of the bath flow to cathode slope for the furnace simulation model; Figure 11 is a graphical representation of the bath flow to cathode slope for the furnace simulation model at medium flow resistance; Graphical representation of the bath flow to-cathode slope of the furnace simulation model at low conditions; Figure 13 is a conceptual diagram of pump efficiency vs. flow resistance in a falling cathode furnace; Figure 14 is a graphical representation of the required flow resistance to cathode slope in the return path. , Fig. 15 is a diagram of the furnace design parameters, Fig. 16 is a cross-sectional view of the inclined cathode electrolysis experimental reactor, Fig. 17 is a graphical representation of the furnace operation stability obtained in three experimental reactors, and Fig. 18 is a diagram of the 2 Illustration of the relationship between anode-cathode polarization and cathode tilt at two current densities. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention comprises a sloped falling cathode having a surface of titanium diboride or similar refractory hard material;
The angle of inclination from the horizontal is selected to contribute to the control of bus motion, which is hydrodynamically dependent on certain key parameters. The bath motion is controlled so that a sufficient flow of the alumina-rich bath is induced in the interelectrode gap in the space just below the anode surface, without disturbing the aluminum flow and to avoid anode effects. Thus, problems such as muck formation resulting from excessive alumina supply, persistent anodic effects resulting from insufficient bath addition, and retting (protrusion formation) that impede bath circulation can be avoided without a conventional metal bed. It is possible to overcome the alumina delivery problems that arise with the extremely narrow anode-cathode spacing (ACD) made possible by the development of operational refractory hard metal surface cathodes. The success or failure of the energy-saving flowing cathode aluminum reduction furnace concept depends on two key factors: (1) durable RHM cathode material, and (2) narrow anode-cathode spacing (ACD).
It depends on the ability to control and optimize the bus flow through. Through experiments underway in production furnaces,
It is shown that a material has been developed that meets the first requirement. No. 1, filed July 9, 1982, all commonly assigned to the present assignee and pending.
No. 395343, No. 395344, No. 395345 and U.S. Patent Application No. 400762, No. 400763 dated July 22, 1982;
No. 4000764, No. 400765, No. 400772, No.
No. 400,773, et al., relates to a set of refractory hard material coatings, methods of application, and cathode structures that provide a durable, adhesive cathode surface that exhibits aluminum wettability and has excellent electrical properties. Research using a water model to simulate the hydrodynamic conditions in the ACD of a tilted cathode furnace determined the furnace design criteria necessary to meet another requirement. The results of the water model were verified in a laboratory-scale electrolysis furnace. Contract number DE−AC03−
Numerous furnace designs used in the Kaiser-DOE graded TiB 2 cathode test reported by 76CS40215 and other published reports and patents deviate from the design requirements of the present invention and have significant cannot handle major fluid dynamics problems. These design criteria include the slope of the cathode surface,
ACD spacing, resistance to bus flow in the return flow path,
and anodic current density. While the first two of these criteria have been considered in existing designs, reports and patents, the latter two criteria, along with their importance, are pointed out for the first time in this paper. It is known in aluminum electrolysis that the anode surface is shaped to be substantially parallel to the cathode by the electrolysis process. The tilted cathode thus tilts the anode in a similar manner. As is well known, a large amount of gas is generated at the anode surface during the electrolytic process. In conventionally designed aluminum reduction reactors with horizontal anode and cathode faces, gases generated at the anode face move laterally from the reactor below the anode face and outward to the nearest vertically oriented vent; It is also known that the mouth generally consists of a vertical side of the anode. A tilted anode can either enhance or reduce this gas movement, depending on the direction and magnitude of its tilt. It will be appreciated that proper cathode and therefore anode tilting will cause the anode gas to move in the desired direction. This anode gas then drives the bath near the anode surface in the same direction by a known action also used in gas lift and gas jet pump and bubble column designs. This drive is supplemented and enhanced (if necessary) by other pumping effects, for example by appropriately designed pumps. that flow in a fluid system is established by an equilibrium between the fluid driving force and the resistance to flow within the elements within the system;
It is also well known in fluid mechanics that, depending on the configuration, the local flow velocity is in the same direction as the fluid drive direction, but sometimes in the opposite direction. The net bath achieves an equilibrium between, on the one hand, the buoyant force due to the tilt, the bubble force and the force that drives the bubble sideways below the horizontal anode, and, on the other hand, the resistance to flow, resulting in the required alumina supply. The principle of the invention is to arrange the slope in such a way that it imparts movement. The local bus velocity near the anode surface is in the desired direction, ie the direction in which the driving bubble moves. At the same time, the configuration is such that the bath velocity near the cathode surface is equal to the bath velocity near the anode, but is not so great as to impede aluminum flow over the cathode, which is in the opposite direction to the flow of bubbles that drive the bath. will be done. If an alumina rich bath is placed on a particular side of the furnace, bath flow into the space directly below the anode surface occurs when this side of the anode is lower and slopes upwardly away from this side. This slope is large enough to overcome and reverse the gas flow that would otherwise be directed from the central portion of the anode to this side of the anode. The precise configuration and placement of the slope will vary with the location of the alumina concentrate bath source. This location can be on one side, both sides, or even in the middle of the oven, depending on the size of the oven and the type of anode used (prebake or Soderberg). Alternative embodiments of the invention appear in which the slope of the cathode (and thus the anode) is uniform across the width of the furnace or in which the slope varies in various ways. These are, for example, those with unequal but constant slopes in the same direction on both halves of the furnace cross-section, and those with equal but opposite slopes on both halves (e.g. double slopes,
(inverted V shape). The concepts of the present invention apply to both pre-bake and Soderberg anode design furnaces. For example, an inverted V shape may be most suitable for a furnace whose width is covered by two prebake anode blocks, but this configuration can also be applied to vertically studded Soderberg anodes with central ventilation. . The inverted V shape is suitable for supply from both sides,
A V-shape would be suitable for central feeding. Similarly,
Tilt in only one direction (constant or variable)
Desirably applied to designs having
Not limited to the anode. The selection of cathode tilt for a particular application must be compatible with other governing parameters to achieve the desired hydrodynamic properties. These parameters are the ACD clearance (i.e. ACD spacing), the anode current density (current and anode surface dimension), and the bus return resistance (i.e. the length of the bus return channel or passage,
depth, width and material). The controlled bath flow will provide sufficient alumina-rich electrolyte to the anode surface to prevent excessive anodic effects.
Other benefits include prevention of excessive gas accumulation in the ACD;
Reducing the overvoltage of the anode and cathode, as well as reducing the fragmentation of the product aluminum flow. Figure 1 shows a vertical stud with side feed, inverted V cathode design with central gas outlet and collector bar.
FIG. 2 is an end view of the Soberberg reduction furnace. The cathode surface 6 slopes upward from both sides of the furnace toward the center of the anode 1;
The anode gas is vented through a vent 2 in the center of the anode to a collection system (not shown). collector bar 4
are arranged tightly parallel to the cathode surface 6 and offset to avoid the aluminum sump 5. The angle of the cathode plane 6 from the horizontal should be large enough to induce the required bath flow, but the anode
It must not be so large as to cause excessive bubble deformation or bath turbulence in the cathode space 7. You must also comply with the restrictions described below. For example, tilt angle has a significant effect on bubble morphology and motion, although this has not been previously noted. When the anode surface is tilted from the horizontal, the bubbles exhibit a pronounced tendency to assume an oblong shape with the long axis perpendicular to the direction of bubble motion, rising along the inclination of the anode. As the relative velocity between the bubble and liquid increases, the leading edge of the bubble becomes thicker. and over a certain range of slope,
A progressively thicker leading edge results in a reduction in the driving effect of the bubble due to increased resistance due to interface distortion and abrasion effects. For example, at an anode tilt of about 15° from horizontal, large bubbles at the anode surface were seen to experience significant strain and resistance. A suitable angle of inclination has been found to be in the range of about 2 DEG to 15 DEG, although the angle of inclination can be increased or decreased by more or less depending on furnace conditions. The preferred slope is about 5-10 degrees from horizontal, more preferably about 6-8 degrees. The most desirable cathode tilt was found to be about 8°. The cathode surface 6 is made of
The aluminum is coated with a conductive aluminum material such as TiB2 . Although a surface comprising titanium diboride is preferred, the use of other aluminum-wettable refractory hard materials such as titanium carbide, zircon carbide, zircon diboride, or mixtures thereof is also contemplated. Suitable cathode surfaces and coating compositions providing such cathode surfaces are described in the patent application Ser.
U.S. Patent Application No. 395343, No. 395344, and No. 395344 dated May 9
No. 395345 and U.S. Patent Application No. 22 July 1982
No. 400762, No. 400772, No. 4000773, and others. The aluminum flows down from the inclined surface of the cathode into the lateral collecting sump 5, thereby reducing the possibility of reverse reactions reducing current efficiency, speeding up the extraction operation, and removing it from other furnace operations. Make your work independent. This falling thin film of aluminum is not sensitive to induced magnetic fields, which is a major improvement over the use of conventional molten aluminum beds. Furthermore, the controlled bath movement does not impede the aluminum flow. The bubbles 8 moving upward along the lower sloped edge of the anode are evacuated as necessary to prevent the bubbles from becoming too large, i.e. covering large parts of the anode surface or extending too much into the anode-cathode space. He will be prevented from leaving. However, excessive evacuation should be avoided so as not to significantly reduce the required driving force for the bath flow into the narrow anode-cathode space.
Exhaust is carried out through grooves in the anode, or through vent pipes, passages, holes, etc. Vent holes can also be created by inserting pipes into the paste or plastic area of the Soderberg anode or by sintering them into the pre-baked carbon anode. It has been found that a non-uniform distribution of vents on the anode redistributes the bath flow within the furnace to correct for the non-uniformity of the bath flow within the furnace. Alumina is added to the bath from hopper 19 to replenish the spent alumina bath. Of course, other bath constituents are also added at the same time. Arrows 10 indicate the flow of the alumina-rich bath through the narrow anode-cathode space 7 guided by gas bubbles 8;
The falling arrow 13 shows the flow of aluminum metal as a thin film falling into the sump 5. FIG. 2 is an end view of an aluminum reduction furnace using a single tilted cathode. The single sloped cathode face 6 allows the use of straight collector bars 4;
The distance between the cathode top surface and the collector bar can be kept constant. Although there is some voltage reduction advantage if the collector bars exit from both sides of the furnace 22, there is no need to extend the collector bars 4 out if it is more advantageous to deepen the aluminum sump 5. . This furnace configuration allows the use of more or less conventional construction and mounting techniques for collector bar installation. The slope of the cathode surface 6 must be sufficient to allow efficient movement of gas bubbles along the formed anode surface and to cause aluminum to flow down the cathode surface. As shown, excess anode gas bubbles 8, which could unduly distort the metal film flowing over the cathode surface, are exhausted to a gas collection system 3 through a vent 2 at the anode. The use of a mechanical bath cover 18 ensures complete control of the bath surroundings and reduces air pollution. Alumina is added to the bath by a hopper 19 at the interelectrode gap outlet 21. An automatic controller 20 can also be used to accurately refill the bus. This addition of alumina and other bath components has several advantages. First, after leaving the electrolytic zone, the bath partially consumes the molten alumina, providing the most ideal environment for rapid alumina melting. If some alumina settles to the bottom of the side storage tank 24, the absence of a metal pad or sump covering the precipitated alumina mat helps the alumina mat dissolve into the flow path. moreover,
The return channel of the bath provides extra melting time and acts as a trap for unmelted alumina to ensure that only the unmasked bath is circulated to the ACD gap. The addition of alumina to the side of the metal sump 5 of the furnace creates the possibility of the formation of mats on the underside of the metal in the sump, causing the sump to overflow and create a direct metal electrical short between the anode and cathode. Since this may occur, this arrangement avoids this. FIG. 3 is an end view of a flow-through single inclined cathode aluminum reduction furnace. As shown, the cathode angle is sufficient to efficiently move the anode gas bubble 8 upward along the surface of the formed anode, and to allow aluminum to flow down the cathode surface as indicated by arrow 13 into the aluminum sink 5. It is. Gas vents 2, which may be necessary, are provided in the anode and can also take the form of grooves or vents. The anode itself
A variation of Soderbrg or pre-baked carbon. Preferably, the aluminum sump 5 is led to a continuous extraction system to reduce disturbances to the furnace, such as changes in bed thickness. Advantageously, the vent 2 and the empty bath cavity are connected to a gas collection system. In the illustrated flow-through reactor, the electrolytic bath is replenished externally and flows from the bath inlet 9 through the passage indicated by the arrow 10, through the anode/cathode space 7 and to the bath outlet 11, where the electrolyte is electrolyzed with alumina. is partially consumed by FIG. 4 shows a dual inclined flow cathode or V-shaped cathode furnace. In this configuration, the illustrated pre-baked anode 1 is replenished by a point feeder 27 illustrated at the higher end of the cathode slope.
Replenishment can also be done in between. The aluminum metal stream 13 flows down the cathode surface 6 and enters a sump 5, which is advantageously connected to a continuous extraction system. Anode gas bubbles 8 are formed on the bottom of the anode so that the bath material flows 10.
induce. FIG. 5 is a plan view of a single furnace incorporating a furnace feed mixing section. In FIG. 5 it is illustrated that the anode 1 has a groove-shaped vent 2. In FIG. Along with the cathode surface 6, a sump 5 is illustrated which supplies aluminum to a continuous metal extraction system 14. The direction of net flow of the aluminum metal is shown by arrow 13 and the direction of net flow of the cryolite bath is shown by arrow 10. After passing between the anode 1 and the cathode surface 6, the partially spent bath flows through the outlet 11 to the furnace feed mixing zone 16 where it is replenished with alumina 1
2. After alumina replenishment, the cryolite bath is recirculated through the electrolytic furnace in the direction indicated by arrow 10. Although an optional magnetic bath circulation pump 17 is shown in the drawing adjacent to the bath inlet 9, the use of such a pump is considered unnecessary under most circumstances. A baffle plate 15 may be placed in the return passageway 28 to prevent backflow of the bath and circulation disruption in designs incorporating the furnace feed mixing zone 16. FIG. 5 is a plan view of a multiple furnace system consisting of four individual electrolysis furnaces operated in tandem. As shown, the main system includes a continuous aluminum extraction system 14,
Keeps the aluminum water level constant, thus making the heat balance and bath water level more constant. Conventional discontinuous metal extraction could be used, but arrangements would be necessary to compensate for changes in bath water level. It includes a bath surge tank, a lower alumina feed mixing tank, and a heat balancer. As shown in FIG.
6 and circulates through the anode-cathode gap in the direction indicated by arrow 10. Magnetic circulation pump 17
Use of is optional. The generated aluminum flows down and enters the aluminum sink 5 as shown by the arrow 13.
to the continuous metal extraction system 14 in the direction shown. The baffle plate 15 prevents the bath in which the alumina has been consumed from flowing back. It is easy to incorporate an alumina feed melting system into either a single furnace system or a more economical multiple furnace system. One feature of the system that allows it to operate under a controlled atmosphere is the sealed furnace top, thereby reducing reactant problems, air pollution problems, and heat loss. A sealed furnace top is not essential. Adding a non-consumable anode surface to this design allows for a self-contained and unattended multi-electrolysis unit within a single container. FIG. 7 shows an aluminum reduction furnace using a single tilted cathode. As shown, a continuous aluminum extraction system 14 is shown which removes aluminum from the furnace via a sump 5. This serves to keep the aluminum water level in the furnace constant and to make the heat balance and bath water level in the furnace more constant. If necessary,
An adjustable partial baffle 25 is used to limit the overall bath circulation speed within the return flow path 28.
Baffles made of non-corrosive insulating material, such as silicon nitride, provide the necessary restraint. Although not shown, the necessary replenishment equipment may be of any suitable type as described above. As mentioned above, instead of a single tilt cathode furnace, a dual tilt cathode furnace may also be utilized within the scope of the present invention. For example, the inverted V-shape of FIG. 1 or the V-shape of FIG. 4 allow metal aluminum to flow downwards into an aluminum sump. However, the single-inclined cathode furnace shown in Figure 2, which slopes upward toward the alumina feed side of the furnace, not only simplifies the construction of the furnace itself, but also simplifies cleaning and other maintenance of the crucible chamber of the furnace. This is considered the preferred embodiment. FIG. 8 is a plan view of an aluminum reduction furnace using double row single tilted cathodes, which is another embodiment of the present invention. The flow of electrolyte is indicated by arrow 10,
The circulation is shown from between the anode 1 and the cathode surface 6, through the area where replenishment 12 takes place, and through the ACD of the adjacent anode-cathode pair tilted in opposite directions. The furnace centerline 26 effectively demarcates the two oppositely angled cathodes. To ensure smooth and continuous circulation, there are baffles 15 and partial baffles 25, respectively, to prevent backflow of the bath and control the net bath circulation flow rate. All other elements in the figure are the same as described above. It should be noted that this configuration is an alternative to the V and inverted V configurations described above and is more suitable for use with pre-baked anodes than Soderberg.
Another configuration particularly suitable for pre-baked anodes is one in which adjacent cathodes (and anode surfaces) are inclined in the same direction but at different angles. It should be noted that although the figures do not show the presence of side protrusions and/or skins of the solidifying bath material, the invention also applies to furnaces in which they are present. The pumping action of gas bubbles working upward under a slightly inclined surface was first demonstrated in hydraulic analog experiments, with the liquid confined in a thin layer between the upper and parallel lower surfaces. In this experiment, the kinematic viscosity coefficient is very close to that of molten cryolite.
Performed using room temperature water. The surface slope is 2.5°,
The gap between the top and bottom surfaces was set to 2.2 cm, and air bubbles were generated on the porous top surface by pressurizing with air at a flow rate matching the gas generation amount of a typical high-current aluminum electrolytic furnace. As a result, the net or average liquid velocity between the simulated anode and cathode was determined to be in the range of 5-10 cm/sec. These rates were calculated to be more than sufficient to feed alumina at the rate necessary for proper furnace operation when the alumina concentration in the cryolite is normal. Although this experiment did not require the surface slope to overcome the opposing bubble forces present in an operating horizontal anode aluminum electrolyzer, e.g. due to magnetic influences, the principle of gas-driven bath circulation was clearly demonstrated. It was done. It has been found that the resulting bath circulation is controlled by the balance between the pumping efficiency of the gas bubbles in the ACD gap and the back pressure or resistance to bath flow through the return channel. Further results and data were obtained from a 1:20 scale aluminum electrolytic furnace and hydraulic analog model. A hydraulic analogue model was created that simulates a gas-generating anode surface (approximately 1 m 2 ) above a sloping empty cathode surface. This apparatus simulated a typical "falling cathode" aluminum reduction furnace design in which the operating anode is above the sloped falling TiB 2 cathode surface. Water model studies were conducted using room temperature water. Because the observed fluid had a Reynolds number in the turbulent range (>5000), the flow patterns and velocities observed in the water model were similar to those expected in a full-scale reactor. In this region, flow is primarily controlled by the physical dimensions of the flow path and is independent of fluid properties (eg, viscosity). Alundum perforated plate (pore diameter approx.
A pressurized air chamber with a bottom plate made of 20μ) was used to simulate the gases (e.g. Co 2 ) generated at a real anode. Gas velocity 0.1778 through the perforated plate to simulate an anode current density of 0.68 amp/ cm2
cm/sec was used (gas velocity was corrected for temperature and static pressure). Simulated currents up to about 1.4 amp/cm 2 were experimented with this model. The design of the model whose side view is shown in FIG. 9a simulates one half of the furnace shown in FIG.
The plan view of the model simulates the furnace shown in FIG. The wall at the higher end of the anode corresponds to a vertical plane passing through the central groove or vent 2. The figure shows ACD,
The relationship between BFL, φ, h, ho, lower flow path width and upper flow path width (defined later) and anode 1, cathode surface 6 and bus 29 is illustrated. The following definitions are used to describe the water model and commercial scale aluminum reduction reactor in contrast to the required bubble flow upwardly below the sloped anode surface. BFL - Anode surface dimension in the direction of bubble flow (BFL = 122 cm for most tests). BFW - Anode surface dimension perpendicular to the direction of bubble flow (BFW = 61 cm for most tests). ACD - Vertical distance between inclined anode and cathode planes corresponding to number 7 in Figure 2 (model test
ACD was changed from 1cm to 5cm). Cathode tilt (φ) - the angle between the upwardly sloping cathode surface and the horizontal plane (the cathode tilt was varied from 0 to 15° in the model tests), h - the vertical immersion depth of the anode from the liquid surface to the anode surface ( (h varies along the BFL dimension line of the anode according to the degree of cathode tilt), ho - the minimum anode immersion depth, i.e. the anode immersion depth at the high end of the anode (most models
(ho = 10 cm), the required bath flow typically passes through four different types of channels or passageways. Namely: 1) ACD gap between anode and cathode. The introduction and flow of anode gas here generates the force necessary to maintain the required bath circulation within the furnace. 2) An upper channel into which the bath flow flows from the ACD gap, which corresponds to the liquid storage tank 24 in FIG. Here the flow is directed to one or both sides of the anode. The majority of the anode gas is discharged from the bath in this flow path, providing ideal bath disturbance for the melting of the alumina fed to the furnace. This channel can be along the sides of the furnace, as shown in FIGS. 2 and 7, or in the center of the furnace, as shown in FIG. The definition of the dimensions of the upper channel is as follows. Depth = depth of bath in channel (ho in water model)
+Vertical component of ACD. The vertical component is effectively equal to the ACD at slack angles). Width = horizontal dimension in the same direction as the bubble flow of the ACD gap. Length = horizontal dimension to BFW of anode + width of return channel. 3) Return channel. The bus flows from the upper flow path.
Channels leading to corresponding downward channels present along the anode edge entering the ACD gap. An example of a return flow path is indicated by the numeral 28 in FIGS. 5-7. In its simplest form, and the model used in this study, the return flow path is as shown in Figure 7.
The depth or width of the return channel can also be varied to vary the flow resistance (similar to the function provided by partial baffles). In the water model and similarly designed reactors, the return flow path dimensions are defined as follows: Depth = Depth of the bath in the channel (if the channel is narrow and the working anode forms one or both sides of the channel, the effective channel depth is the actual depth minus the ACD) (This is because the upward flow in the adjacent ACD gap tends to stagnate a layer of similar thickness at the bottom of the return channel. This reduced return channel depth was used in the water model study) . Because of the sloping cathode, the depth of the return channel increases as the bath flows from the upper channel to the lower channel. Width = horizontal width of the channel perpendicular to the flow within the channel. Length = horizontal distance between the upper and lower channels (in water models this is approximately equal to BFL). 4) Downward flow path. Carrying the bus from the return channel,
A flow path that completes the bus circulation loop by distributing the bus along the anode edge where the bus enters the ACD gap. The dimensions of this channel are defined similarly to the dimensions of the upper channel. Most cell designs and water models have a basin or trough at the bottom of the channel to collect the aluminum metal as it flows down the sloped cathode. Such a receiver is shown in Figures 1 and 9a. In all cases, the bath flow rate Q in the model and full-scale furnaces is defined as the total volumetric flow rate of the bath stream entering the ACD gap from the lower channel. The water model was allowed to be modified in a variety of ways to simulate a real electrolysis furnace and evaluate the effects of changes in specified dimensions or operating conditions. A device was applied to the model to simulate an adjustable partial baffle (25 in Figure 7). The slope of the cathode
To understand the effect on the bus flow in the ACD gap, the anode and cathode slopes of the model were adjusted from 0 to
The angle was changed to 15°. The ACD gap was varied from 1 to 5 cm in water model studies. The gas flow rate was variable to simulate different current densities. Colored dye was injected into the ACD gap and return passage to observe and measure the fluid flow in the model. The formation, or conformity, of the anode to the downwardly slanted cathode can be achieved even in laboratory electrolytic test furnaces, according to Kaiser Aluminum and Chemical Corporation's report to the Department of Energy (DOE Contract No.
No. EY-76-C-03-1257, Final Report, ``Energy Savings Through the Use of Improved Aluminum Reduction Furnace Cathodes,'' November 30, 1977). Figure 9b shows the required flow of gas bubbles 8 in the ACD,
and the direction 10 of the bath flow. It is clear from this figure that too high a bath velocity on the cathode surface in the same direction as the anode surface can impede the metal flow down on the cathode. Therefore, although unidirectional flow is desirable, excessive flow velocity at the cathode surface should be avoided. Water modeling studies have revealed that under certain design conditions three different undesirable phenomena can occur within an ACD. Namely: Γ reflux. Backflow occurred when the bath flowing upwardly along the anode bottom surface reversed its direction of flow and flowed downwardly along the cathode surface as shown in Figure 9c. In extreme reverse flow conditions, the bus forms multiple small vortices within the ACD, as shown in Figure 9d, resulting in no or very little net new bus entering the ACD. Insufficient supply of new baths in practical electrolysis furnaces leads to persistent anode effects. ΓAerotsuk (gas occlusion). Aerodynamics occurred when the anode gas was removed too slowly and the ACD became filled with large stagnant gas bubbles. In this state, the bus flow becomes insufficient. When this condition occurs in an operating furnace, such gas bubbles inhibit the local electrolytic reaction and increase the anodic current density in that part of the anode, eventually resulting in a loss of anode polarization voltage and It can also lead to the onset of effects. ΓExcessive bubble thickness. Under certain conditions, it occurred over a wide area of the bath in contact with the cathode surface. When this condition occurs in an operating furnace, the current efficiency drops sharply due to the rapid back reaction between the CO 2 bubbles and the molten aluminum metal on the cathode surface. The above phenomena and the net bus flow in the ACD gap and return channel were studied as a function of cathode tilt, ACD, fluid resistance in the return channel, and simulated anode current density. Although all of the observed flow properties are controlled according to the general fluid mechanics principles described above, a quantitative description thereof has not been established to date. To illustrate a representative example of the application of the present invention to the design of an energy-saving improved aluminum reduction furnace, the general furnace specifications in the following table were used in the water model and later examples. In practice, select these general furnace specifications to suit your practical application and use the teachings of the present invention to determine important furnace design specifications. Heat balance and investment efficiency calculations have been made indicating that it is desirable to operate "falling cathode" furnaces at higher anode current densities than are typical used in the industry today.

【表】【table】

【表】 模擬に合
パラメータ せた炉 炉 炉
戻り流路の数 1 4 4
h、 陽極浸漬最小深さ 10 10 10
(cm)
水モデル研究に用いた設計パラメータを実際の
炉と比較するために第表に含めてある。考察中
の概略炉設計は第1図に示されるように、単一の
中央上方流路に連結する戻り流路と、分割VSS
陽極(炉の各半分は第7図に示す炉に類似)の両
端に2個の外側下方流路を有する炉である。 第10図、第11図および第12図は模擬陽極
電流密度0.68amp/cm2においてACDすき間の正
味バス流に対する陰極傾斜、ACD、および戻り
流路の流れ抵抗Rfの影響を図解する。これらの
図中において、陰極面における逆流の見られた場
合は破線により示される。全ての場合、これは陰
極傾斜が弛くなるにつれてより過度になる、正味
バス流の著しい減少に関連している。 他の模擬電流密度についても同様な結果が得ら
れた。このデータから作られた炉パラメータ設計
限界線図が第15図に示される。制御されたバス
流を有する炉の設計のためのこの線図の用法は以
下の例で詳しく説明される。 この線図の一般的特性は以下の通りである。特
定運転条件において流れの抵抗は戻り流路の幅に
関連する。各戻り流路の幅について、第10図、
第11図および第12図に対応する図からの一定
流量におけるデータを対照プロツトすると、後で
定義する方法により計算されるように、炉に供給
するのに適しているとして選ばれる流量を達成す
るために、或る陽極電流密度において満たされな
ければならない、陰極傾斜とACDの関係が導か
れる。この陰極傾斜とACDの関係が第15図の
曲線により表わされる。よつて、各戻り通路幅に
ついてこの曲線は適正なアルミナ供給を達成する
条件を表わす。これらの曲線は前述の如き望まし
くない流体力学的状態により画成される境界条件
により制限を受ける。すなわち、過大な気泡厚み
の理由により禁止される領域は低い方のACD寸
法、すなわち線図(第15図)の左方における運
転領域を制限する。過大な陽極浸漬深さをもたら
す過度の陽極(そして陰極)傾斜は約15゜の傾斜
にて境界上限を形成する。望ましい運転領域は第
15図の中で「気泡厚み制限」と注記された領域
を犯さないでACDを小さくするように、選ばれ
た戻り通路の幅を表わす該当曲線の幾らか上方の
領域とされる。この領域における運転は充分に大
きなQの値により適当なアルミナ供給を保証する
と同時に、過大な気泡厚みとそれに伴う電流効率
の損失のみならず、陰極面におけるバスの過大な
速度(従つてアルミニウム流下への阻害)を避け
ることになる。次例はかかるパラメータ線図の構
成および用法を説明するものである。 例1−戻り流路寸法の選択 バス流量Q(cm3/秒)は運転中の炉内の陽極効
果を防ぐために電解反応を維持するのに必要なア
ルミナを供給するのに充分な値でなければならな
い。最大100%の電流効率にて、実用アルミニウ
ム還元炉に必要な最少流量Qは次式で与えられ
る。 I.Q(cm3/秒)=0.008〔全炉電流(A)〕/Δwt%Al2O
3 ただしΔwt%Al2O3はACDすき間に出入するバス
のAl2O3の重量%の差すなわちΔアルミナであ
る。常数0.008は次のフアラデー公式から導かれ
る: .0.008=(Al2O3の分子量)(100)/(フア
ラデー/モル)(フアラデー常数)(バス密度) 便宜上、Qは陽極当位面積当りのバスの容積/
秒で表わすこともできる。よつて最少陽極電流密
度0.5A/cm2、またACDの1回通過当りのバス消
耗量最大5%すなわちΔwt%Al2O3=5として、
式から最少許容値Q=8×10-4cm3/秒/cm2(陽
極面積)を得る。 炉の性能および熱安定性はバス全体に一様な
Al2O3を保つことにより高められる。前記の炉に
ついて、計算された最少バス流量は水モデルの
炉、炉および炉についそれぞれ202,4000、
および12000cm3/秒となる。最少バス流Qは理論
的には充分であるが、運転上の問題(たとえば、
過度の陽極効果、高有効バス抵抗、およびACD
すき間の過大気泡体積による過大電圧)を防ぐた
めに実際にはかかる最低値よりも高い値を用いる
べきである。炉の運転状態によりバス流が多少変
わる(たとえば、出つ張りや皮殻形成などのた
め)ので、理論的バス流量より少なくなる可能性
がある。それ故に、この最少バス流量に設計係数
4〜5を乗じて、水モデルおよび実例炉,に
ついてそれぞれ望ましいバス流量890,20000およ
び60000cm3/秒を得た。約450,10000および30000
cm3/秒が適当と考えられるが、水モデルのデータ
によれば最少理論Q値よりも上記の望ましいQ値
において、より信頼性の高い安定なバス循環が示
された。 水モデルのデータによれば、戻り流路の流れ抵
抗特性は本発明の重要な要素である。戻り流路の
制限が強まる(炉内の陽極面積を最大にしようと
する結果)につれて、戻り流路の流れ抵抗特性の
変化に対するバス流の感受性は高くなる。戻り流
路に同等の有効流れ抵抗特性を有する炉の設計は
数多くあるから、戻り流路に一般的な設計基準を
与えるために単純化された水力学モデルを作るこ
とが有益である。戻り流路における流れ抵抗によ
る水頭損失hlは公知の次式により与えられる: .hl=2ffLV2/Deqg ただしff=Fanning摩さつ係数 V=速度 L=長さ(水モデルではほぼBFLに等しい) Deq=同等水力学的直径 g=重量常数 摩さつ係数は流路の底面および側面における差
違を反映した複合値である。単独の開放流路につ
いては、 .Deq=4(断面積)/濡れパラメータ .Deq=2hw/2h+w ただし、w=戻り流路の幅 h=流路にそう任意の点における水の深さ
(水モデルではACD修正量を減ずる) h=hp+xsinφ hp=陽極の上方端におけるh(すなわち、最
小陽極浸漬深さ) x=戻り流路の長さにそう上方流路からの距
離 φ=陰極傾斜角 戻り流路における観察速度は水の深さの変化と
共に変わるから、流路の寸法変化に無関係なバス
容積流量を用いる方がよい。バス容積流量Qは速
度×流路断面積により与えられる。すなわち、 .Q=Vhw、さらに .V=Q/hw これらの公式に使われるQ値は、注入された濃く
着色された染料が流路を通過するのに必要な時間
を測定することにより決定される流路の正味有効
平均Qを表わす。 水頭損失を次式で表わすことができる: .h=KfQ2Rf ただし、Rfは戻り通路の物理的寸法に左右され
る流れ抵抗の幾何学項を表わし、またKfは物理
的増尺に左右されることの少ない流体/物質特性
係数であり、実際には次式で決めることができ
る: .Rf(炉流路)=(2h+w)L/h3w3および .Kf=ff/2g hの値は傾斜した戻り通路の中で変化するから、
Rfは幅wを全体で一定として、流路長Lにわた
るhの積分関数として実際に計算される。水モデ
ル研究に用いられた4つの異る戻り通路流れ抵抗
を第2表に示す。 本発明における炉設計は、ACDすき間のガス
気泡がポンプ作用を行つてACDすき間−戻り流
路回路をめぐつてバスを駆動することからポンプ
圧送流体ループに類似している。第13図に示さ
れる類似ポンプ効率線図が「流下陰極型」炉の循
環特性を説明するのに用いられる。ポンプ効率
は、増加する陰極傾斜および/または減少する
ACDを反映する曲線1,2,3の順に向上する。
戻り流路の増大する長さおよび/または減少する
断面積を反映する傾斜線a,b,cの順に流れ抵
抗は増加する。観察流量は該当するポンプ効率と
流れ抵抗曲線の交点により決定される。よつてポ
ンプ線図にてACD内の電解反応に対するAl2O3
給要求量を満たすのに必要な最少流量における垂
直線を重ねることにより、ポンプ圧送/流れの条
件を表わすことができる。低流量におけるポンプ
効率曲線の或るものの傾斜の急変化はACD内の
逆流に関連している。第2表は一定の陰極傾斜お
よびACDにおける、ACDに与える戻り流路の流
れ抵抗の影響を説明する。 低流量(Q)では、2.7×10-1cm-4の抵抗係数
が指定の条件での本発明の限界外にあることを第
表が示している。これはACD内に支配的な逆
流状態が観察されることにより確認される。同じ
指定条件で、Rf値2.7×10-2cm-4は本発明の限界
内にはあるが、水モデルで890cm3/秒の望ましい
流量を達成するには大き過ぎて、幾らかの(僅か
な)逆流を生ずる。僅かな逆流は陰極面をアルミ
ニウムが流下する妨げとなるよりもそれを助長す
る傾向があるから、場合によつて、僅かな逆流は
有利となることもあることに留意すべきである。 水モデルを実用アルミニウム還元炉に増尺する
と、本発明の範囲内で数多くの代替設計が提起さ
れる。生産用炉で満たされなければならない基本
要求事項は次の通りである: 1) ACDに入るバス流量Qが電解反応を支え
るのに充分な値であること。最少所要バス流量
は式で与えられる: .Qnio(cm3/秒)=0.008〔炉全電流(A)〕/Δwt
%Al2O3 よつてΔwt%Al2O3が0.2で、100KAの炉で、
最少バス流は4000cm3/秒である。
[Table] Furnace according to simulation parameters Furnace Number of furnace return passages 1 4 4
h O , minimum depth of anode immersion 10 10 10
(cm)
The design parameters used in the water model study are included in the table for comparison with the actual reactor. The schematic furnace design under consideration is shown in Figure 1, with a return passage connected to a single central upper passage, and a split VSS
The furnace has two outer downward passages at each end of the anode (each half of the furnace is similar to the furnace shown in FIG. 7). Figures 10, 11, and 12 illustrate the effects of cathode tilt, ACD, and return channel flow resistance R f on the net bus flow across the ACD gap at a simulated anode current density of 0.68 amp/cm 2 . In these figures, cases where backflow was observed at the cathode surface are indicated by broken lines. In all cases, this is associated with a significant reduction in net bath flow, which becomes more excessive as the cathode tilt becomes slacker. Similar results were obtained for other simulated current densities. A furnace parameter design limit diagram created from this data is shown in FIG. The use of this diagram for the design of a furnace with controlled bath flow is detailed in the example below. The general properties of this diagram are as follows. At a particular operating condition, the flow resistance is related to the width of the return channel. Regarding the width of each return flow path, Fig. 10,
A contrast plot of the data at constant flow rates from the diagrams corresponding to FIGS. 11 and 12 achieves the flow rate selected as suitable to feed the furnace, as calculated by the method defined later. Therefore, a relationship between cathode tilt and ACD is derived that must be satisfied at a certain anode current density. The relationship between this cathode tilt and ACD is represented by the curve in FIG. Thus, for each return passage width, this curve represents the conditions for achieving proper alumina supply. These curves are constrained by boundary conditions defined by undesirable hydrodynamic conditions as described above. That is, the prohibited region due to excessive cell thickness limits the operating region in the lower ACD dimension, ie to the left of the diagram (FIG. 15). Excessive anode (and cathode) tilt resulting in excessive anode immersion depth creates a boundary upper limit at a tilt of approximately 15°. The desired operating region is the region somewhat above the corresponding curve representing the width of the chosen return path, so as to reduce the ACD without violating the region noted as ``Bubble Thickness Limit'' in Figure 15. Ru. Operation in this region ensures adequate alumina supply with a sufficiently large value of Q, while at the same time avoiding excessive bubble thickness and the associated loss of current efficiency, as well as excessive velocity of the bath at the cathode surface (and hence aluminum flow down). (inhibition of The following example illustrates the construction and use of such a parameter diagram. Example 1 - Selection of Return Channel Dimensions The bath flow rate Q (cm 3 /sec) must be sufficient to provide the necessary alumina to sustain the electrolytic reaction to prevent anode effects in the furnace during operation. Must be. At a maximum current efficiency of 100%, the minimum flow rate Q required for a practical aluminum reduction furnace is given by the following equation. IQ (cm 3 /sec) = 0.008 [Total furnace current (A)] / Δwt% Al 2 O
3 However, Δwt% Al 2 O 3 is the difference in weight % of Al 2 O 3 in the bus entering and exiting the ACD gap, that is, Δ alumina. The constant 0.008 is derived from the Faraday formula: . 0.008 = (Molecular weight of Al 2 O 3 ) (100) / (Faraday/mol) (Faraday constant) (Bath density) For convenience, Q is the volume of bath per equivalent area of the anode /
It can also be expressed in seconds. Therefore, assuming a minimum anode current density of 0.5 A/cm 2 and a maximum bath consumption per ACD pass of 5%, that is, Δwt% Al 2 O 3 = 5,
From the formula, the minimum allowable value Q=8×10 -4 cm 3 /sec/cm 2 (anode area) is obtained. Furnace performance and thermal stability are uniform throughout the bath.
Enhanced by keeping Al 2 O 3 . For the above mentioned furnace, the calculated minimum bath flow is 202,4000 for water model furnace, furnace and furnace respectively.
and 12000cm 3 /sec. Although the minimum bus flow Q is theoretically sufficient, operational problems (e.g.
Excessive anodic effect, high effective bus resistance, and ACD
In practice, a value higher than this minimum value should be used to prevent excessive voltage (due to excessive bubble volume in the gap). The bath flow will vary somewhat depending on furnace operating conditions (eg, due to bulges, crusting, etc.) and may be less than the theoretical bath flow. Therefore, this minimum bath flow rate was multiplied by a design factor of 4-5 to obtain desired bath flow rates of 890, 20,000, and 60,000 cm 3 /sec for the water model and example reactor, respectively. Approximately 450, 10000 and 30000
cm 3 /sec is considered appropriate, but water model data indicate more reliable and stable bath circulation at the above desired Q value than the minimum theoretical Q value. According to water model data, the flow resistance characteristics of the return channel are an important element of the present invention. As the return path becomes more restrictive (a result of trying to maximize the anode area within the furnace), the sensitivity of the bath flow to changes in the flow resistance characteristics of the return path increases. Since there are many furnace designs with comparable effective flow resistance characteristics in the return passages, it is beneficial to develop a simplified hydraulic model to provide general design criteria for the return passages. The head loss h l due to flow resistance in the return channel is given by the following well-known formula: . h l = 2f f LV 2 /D eq g where f f = Fanning friction coefficient V = velocity L = length (approximately equal to BFL in the water model) D eq = equivalent hydraulic diameter g = weight constant Friability The two coefficients are composite values that reflect the differences at the bottom and sides of the channel. For a single open channel. D eq = 4 (cross-sectional area)/wetting parameter. D eq = 2hw/2h+w where w = Width of the return channel h = Depth of water at any point in the channel (reducing the ACD correction amount in the water model) h = h p +xsinφ h p = Above the anode h at the end (i.e. minimum anode immersion depth) x = length of the return channel so distance from the upper channel φ = cathode inclination angle Since the observation velocity in the return channel changes with the change in water depth, It is better to use a bath volumetric flow rate that is independent of channel dimensional changes. The bus volumetric flow rate Q is given by velocity x flow path cross-sectional area. In other words, . Q=Vhw, and further. V=Q/hw The Q value used in these formulas is the net effective average Q of the channel, determined by measuring the time required for the injected deeply colored dye to pass through the channel. represent The water head loss can be expressed by the following formula: . h=K f Q 2 R f where R f represents the flow resistance geometric term that depends on the physical dimensions of the return path, and K f represents the flow resistance geometric term that is less sensitive to physical enlargement. It is a characteristic coefficient and can actually be determined by the following formula: . R f (furnace flow path) = (2h + w) L/h 3 w 3 and . K f = f f /2g Since the value of h changes in the inclined return passage,
R f is actually calculated as an integral function of h over the channel length L, with the width w being constant throughout. The four different return path flow resistances used in the water model study are shown in Table 2. The furnace design in the present invention is similar to a pumped fluid loop in that the gas bubbles in the ACD gap perform the pumping action to drive a bus around the ACD gap-return circuit. A similar pump efficiency diagram shown in FIG. 13 is used to explain the circulation characteristics of a "falling cathode" furnace. Pump efficiency increases with cathode tilt and/or decreases
Curves 1, 2, and 3, which reflect ACD, improve in this order.
The flow resistance increases in the order of slope lines a, b, c reflecting the increasing length and/or decreasing cross-sectional area of the return flow path. The observed flow rate is determined by the intersection of the relevant pump efficiency and flow resistance curves. Thus, the pumping/flow conditions can be represented by overlapping vertical lines on the pump diagram at the minimum flow rate required to meet the Al 2 O 3 supply requirement for the electrolytic reaction in the ACD. A sudden change in the slope of some of the pump efficiency curves at low flow rates is associated with backflow within the ACD. Table 2 describes the effect of return channel flow resistance on ACD at a constant cathode tilt and ACD. At low flow rates (Q), the table shows that a drag coefficient of 2.7 x 10 -1 cm -4 is outside the limits of the invention at the specified conditions. This is confirmed by the observation of a predominant reflux condition within the ACD. For the same specified conditions, the R f value of 2.7 × 10 -2 cm -4 is within the limits of the present invention, but is too large to achieve the desired flow rate of 890 cm 3 /s in the water model, and some ( (slight) regurgitation. It should be noted that in some cases, a slight backflow may be advantageous, since a small backflow tends to encourage rather than hinder the flow of aluminum down the cathode surface. Scaling up the water model to a practical aluminum reduction reactor presents a number of alternative designs within the scope of this invention. The basic requirements that must be met in a production furnace are: 1) The bath flow rate Q entering the ACD is sufficient to support the electrolytic reaction. The minimum required bus flow rate is given by the formula: . Q nio (cm 3 /sec) = 0.008 [Furnace total current (A)] / Δwt
%Al 2 O 3 Δwt % Al 2 O 3 is 0.2 and in a 100KA furnace,
The minimum bath flow is 4000 cm 3 /sec.

【表】 2) ガス誘起ポンプ作用の水頭(ACD内の流
れ制限損失を減ずる)は戻り流路、上方流路お
よび下方流路の組合せ水頭hに等しいこと。或
る傾斜、ACD、電流密度および陽極長さにお
いて水モデルおよび実尺炉で発生する水頭hは
同様である筈である。 3) 所要の有効流れ抵抗Rfの項が得られるよ
うに適切な寸法を有する単独または多重の戻り
流路設計を用いることができること。炉のRf
項は次式を用いて水モデルのRfから推定され
る: XI.Rf(炉)=Rf(モデル)×[ff(モデル)/ff
炉)][Q (モデル)Q(炉)]2 ただし、摩さつ係数および炉全電流の変化を考慮
に入れる。もしも上方および下方流路の寸法が戻
り流路のそれと等しいか、それよりも小さいなら
ば、上方および下方流路において変化する質量流
量を計算に含めなければならない。大低の予想炉
設計および水モデルでは、上方および下方流路の
寸法は充分大きくて、それらの小さな水頭損失hl
は、より制約の大きい戻り流路の水頭損失に比し
無視し得る。報告された正味ポンプ作用効率デー
タにはACDの流れ抵抗の影響が含まれる。よつ
てRf(炉)項は戻に流路まは実尺炉の多重戻り流
路の組合せ効果の必要設計基準を与える。「流下
陰極」炉設計は多重(n個)の戻り流路を含むこ
とが有るから、各戻り流路の有効値は次式により
与えられる: XII.Rf(炉流路) =Rf(モデル)[ff(モデル)/ff(炉)][nQ(モ
デル)/Q(炉)]2 ただしそれぞれのQは前記により定義される。 さて、Rf(炉)の値は全て(n個)の戻り流路
の合計として次式から計算される: .1/〔Rf(炉)〕1/2oi=1 (1/〔Rf(炉流路i)〕1/2) そしてn個の同等の流路では: .Rf(炉流路)=n2Rf(炉) ただし、Rf(炉)は次式から計算される: .Rf(炉)=Rf(モデル)(6.25×108
[Δwt%Al2O3/炉電流]2 式において、Rf(モデル)は約230×10-3/cm
から約0.2×10-3/cm4の値を有する幾何学的抵抗
係数である。 たとえば、水モデルおよび例示炉の摩さつ係数
(第1表に規定される)が等しいと仮定すると、
各戻り流路の望ましいRf項は式XIIにより与えら
れ、その幅は該当式から計算される。 炉例 Rf(炉流路)=Rf(モデル)〔4(890)/20000〕2 Rf(炉流路)=0.032Rf(モデル) w(炉流路)=20cm 炉例 Rf(炉流路)=Rf(モデル)〔4(890)/60000〕2 Rf(炉流路)=0.0035Rf(モデル) w(炉流路)=52cm 戻り流路幅の上記の値は望ましいバス流Qの設
計係数5および望ましいRf(モデル)=6.2×10-3
の値を基にしている。炉例の運転がバス流設計
係数を3に減ずる程充分に安定していると判断さ
れた場合は、計算値w(炉流路)は33cmに減ずる
であろう。バス流設計係数を減ずることなく、計
算値w(炉流路)を3に下げる代替法は陽極浸漬
深さを8cm増す(例:hp=18cm)ことである。こ
れらの諸代替法は「流下陰極」炉の設計における
本発明の教示の有用性を実証する。 第14図は本モデルにおける望ましいQ値890
cm3/秒を得るのに必要なRf(モデル)(陰極傾斜
およびACDの関数としての)値を表わす。他の
Q値に対するRf値は第10図、第11図および
第12図に示されるように水モデル・データから
求めることができる。 例2−ACDの選択 炉のエネルギ効率は電流効率を著しく損失する
ことなく、ACD(従つてバス電圧損失)を減ずる
ことにより向上する。ACD値が比較的大きいと
(例:4cm以上)、ACDすき間内に逆流状態が生
ずる傾向が強い。もしもこの逆転が生ずると、正
味Q値は著しく減ずる。ACD値が減ずると、
ACDすき間を通る所要バス流が促進され、戻り
流路内のより高い流れ抵抗に耐えられる。しかし
非常に小さいACD値(約1cm)では気泡と無空
の陰極面の近傍の間の2次効果が所要のバス流を
遅くする(たとえば、ACDすき間の流れ抵抗が
増す結果)傾向がある。第10図、11図および
第12図は、最大バス流が予想されるように最少
ACDにて生ずると必ずしも限らないことを示す。 陰極傾斜を2゜から5゜に増すと、測定最大気泡厚
みは約1.0cmから約0.5cmに減少し、それに応じて
正味液体流量が増加した。傾斜が増して5゜を超え
ると、気泡厚みはかなり一定に保たれることが観
察され、気泡は前記の特性形状をとつて、よりゆ
つくり移動することが観察された。ACDを変え
ることは観察された気泡厚みにあまり影響を与え
ないことが決定された。ACDの大部分にわたつ
て気泡が突出る場合は、陰極上のアルミニウム金
属薄膜にCO2が逆反応して電流効率が著しく損な
われ、バスの電気抵抗は大いに増加する。これら
の理由および実際上の考慮から、望ましいACD
は約2〜4cmであり、約2〜3cmがもつと望まし
い範囲である。 例3−陰極の選択 戻り流路が大幅に制限される(第10図)かま
たはACDが4cm以上である時を除くすべての場
合、陰極傾斜が5゜に等しいかそれより大きい時の
バス流Qは望ましい890cm3/秒を超える。陰極傾
斜が増すことは、ACDすき間における過度の逆
流およびエアロツク(過大なガス気泡のよどみ)
を克服する助けとなる。他方では、角度が急過ぎ
ると、陰極面上の溶融金属の流れを阻害すること
もある。戻り流路の制限による背圧も陰極傾斜を
増すことにより相殺され得る。しかし陰極の傾斜
が大きいと、ACDすき間における過度の上げ勾
配のバス流を生じ、陰極面からのアルミニウムの
流下を妨げ、バスの中の陽極浸漬深さが大いに変
化するという実際上の問題を生ずることが有り得
る。例2に配載される気泡厚みの変化をも考慮す
る時、望ましい陰極傾斜は約5〜11゜の範囲にあ
り、約8゜が最も望ましい傾斜となる。 例4−炉パラメータ設計限界線図 前記の炉パラメータ線図の構成および用法を以
下に詳細に述べる。この線図を構成するのに用い
られるパラメータ制限は第3表に示される通りで
ある。 便宜上、そして炉の設計の目視化を助けるため
に、第15図では相当する流路幅の形で戻り流路
の流れ抵抗Rfを示した(流路長121cm、陽極電流
密度0.68A/cm2、バス流量最少890cm3/秒、およ
び最小流路高さhO=10.0cmと仮定)。指定の条件
の下で水モデルの炉設計パラメータの最も望まし
い組は次の通りである: 陰極傾斜=7.5゜ ACD=2.5cm Rf(戻り流路)=6.2×10-3/cm4 バス流Q=890cm3/秒 後記の重要な炉流体力学的設計パラメータの範
囲の基礎は次のものである:1)水モデル・シミ
ユレーシヨン研究での測定データおよび観察、
2)提示されたデータ解析、3)商業用規模の炉
に増
[Table] 2) The head of the gas-induced pumping action (reducing flow restriction losses in the ACD) should be equal to the combined head h of the return, upper and lower channels. At a given slope, ACD, current density, and anode length, the water head h generated in the water model and full-scale reactor should be similar. 3) The ability to use single or multiple return channel designs with appropriate dimensions to obtain the required effective flow resistance R f term. Furnace R f
The term is estimated from R f of the water model using the following equation: XI. R f (furnace) = R f (model) × [f f (model) / f f (
Furnace)] [Q (Model) Q (Furnace)] 2However , changes in the abrasive coefficient and total furnace current are taken into account. If the dimensions of the upper and lower channels are equal to or smaller than those of the return channel, the varying mass flow rates in the upper and lower channels must be included in the calculations. In the large and low predicted reactor design and water model, the dimensions of the upper and lower channels are large enough to ensure that their small head loss hl
is negligible compared to the head loss in the return flow path, which is more constrained. The net pumping efficiency data reported includes the effect of ACD flow resistance. The R f (furnace) term thus provides the necessary design basis for the combined effects of return channels or multiple return channels in full-scale furnaces. Since a "falling cathode" furnace design may include multiple (n) return channels, the effective value for each return channel is given by: XII. R f (furnace flow path) = R f (model) [f f (model)/f f (furnace)] [nQ (model)/Q (furnace)] 2However , each Q is defined as above. Now, the value of R f (furnace) is calculated as the sum of all (n) return channels from the following formula: . 1/[R f (furnace)] 1/2 = oi=1 (1/[R f (furnace channel i)] 1/2 ) and for n equivalent channels: . R f (furnace flow path) = n 2 R f (furnace) where R f (furnace) is calculated from the following formula: . R f (furnace) = R f (model) (6.25×10 8 )
[Δwt%Al 2 O 3 /furnace current] In the 2 equations, R f (model) is approximately 230×10 -3 /cm
4 to approximately 0.2×10 −3 /cm 4 . For example, assuming that the attrition coefficients (as specified in Table 1) of the water model and the example furnace are equal:
The desired R f term for each return channel is given by Equation XII, and its width is calculated from the corresponding equation. Furnace example R f (furnace flow path) = R f (model) [4 (890)/20000] 2 R f (furnace flow path) = 0.032R f (model) w (furnace flow path) = 20cm Furnace example R f (furnace flow path) = R f (model) [4 (890) / 60000] 2 R f (furnace flow path) = 0.0035R f (model) w (furnace flow path) = 52cm Above value of return flow path width is the design factor 5 for the desired bus flow Q and the desired R f (model) = 6.2×10 -3
is based on the value of If the operation of the example furnace is determined to be stable enough to reduce the bath flow design factor to 3, the calculated value w(furnace flow path) would be reduced to 33 cm. An alternative way to reduce the calculated value w(furnace flow path) to 3 without reducing the bath flow design factor is to increase the anode immersion depth by 8 cm (eg, h p =18 cm). These alternatives demonstrate the utility of the teachings of the present invention in the design of "falling cathode" furnaces. Figure 14 shows the desired Q value of 890 for this model.
Represents the R f (model) value (as a function of cathode tilt and ACD) required to obtain cm 3 /sec. R f values for other Q values can be determined from water model data as shown in FIGS. 10, 11, and 12. Example 2 - ACD Selection Furnace energy efficiency is improved by reducing ACD (and thus bus voltage losses) without significant loss in current efficiency. If the ACD value is relatively large (eg, 4 cm or more), there is a strong tendency for backflow conditions to occur within the ACD gap. If this reversal occurs, the net Q value will be significantly reduced. When the ACD value decreases,
The required bus flow through the ACD gap is facilitated and higher flow resistance in the return flow path is tolerated. However, at very small ACD values (approximately 1 cm), secondary effects between the air bubble and the vicinity of the empty cathode surface tend to slow down the required bath flow (eg, as a result of increased flow resistance in the ACD gap). Figures 10, 11 and 12 show that the maximum bus flow is
This shows that it does not necessarily occur in ACD. Increasing the cathode tilt from 2° to 5° decreased the measured maximum bubble thickness from about 1.0 cm to about 0.5 cm, and the net liquid flow rate increased accordingly. As the slope increases beyond 5°, the bubble thickness is observed to remain fairly constant, and the bubbles are observed to move more slowly, assuming the characteristic shape described above. It was determined that changing the ACD did not significantly affect the observed bubble thickness. If air bubbles protrude over a large portion of the ACD, the CO 2 will react adversely with the aluminum metal thin film on the cathode, significantly impairing the current efficiency and greatly increasing the electrical resistance of the bus. For these reasons and practical considerations, the preferred ACD
is approximately 2 to 4 cm, with a desirable range of approximately 2 to 3 cm. Example 3 - Cathode Selection Bath flow when the cathode tilt is equal to or greater than 5° in all cases except when the return flow path is severely restricted (Figure 10) or the ACD is greater than 4 cm. Q exceeds the desired 890 cm 3 /sec. Increasing cathode tilt can result in excessive backflow and aerots (excessive gas bubble stagnation) in the ACD gap.
Helps overcome. On the other hand, too steep an angle may impede the flow of molten metal on the cathode surface. Back pressure due to restriction of the return flow path can also be offset by increasing the cathode tilt. However, a large cathode slope creates an excessively upslope bath flow in the ACD gap, impeding the flow of aluminum from the cathode face, and creating a practical problem in that the anode immersion depth within the bath varies greatly. It's possible. When considering also the variation in cell thickness disposed in Example 2, the preferred cathode tilt is in the range of about 5-11 degrees, with about 8 degrees being the most preferred tilt. Example 4 - Furnace Parameter Design Limit Diagram The construction and use of the furnace parameter diagram described above will now be described in detail. The parameter constraints used to construct this diagram are shown in Table 3. For convenience and to help visualize the furnace design, the return channel flow resistance R f is shown in Figure 15 in the form of the corresponding channel width (channel length 121 cm, anode current density 0.68 A/cm). 2 , assuming a minimum bath flow rate of 890 cm 3 /s and a minimum flow path height h O = 10.0 cm). The most desirable set of reactor design parameters for the water model under the specified conditions is: Cathode tilt = 7.5° ACD = 2.5 cm R f (return channel) = 6.2 × 10 -3 /cm 4 bath flow Q = 890 cm 3 /sec The range of critical reactor hydrodynamic design parameters described below is based on: 1) measured data and observations from water model simulation studies;
2) presented data analysis; 3) scale-up to commercial scale reactor;

【表】 れ きくする。
尺するための実用性の考慮。パラメータ範囲の一
組がBFL122cm、およびBFW61cmの水モデルに
ついて、第4表に示される。対応する商業用規模
のアルミニウム還元炉についてのパラメータが第
5表に示される。 本発明の基準は第1図乃至第7図に示されるよ
うな数種の型式の炉に適用されることができる。
特に、炉は一つの連続体として炉の幅にわたる陽
極から成ることもできる。この陽極の例は第2図
に示される陽極から中央ガス抜き2を除いたもの
で、この場合、気泡流れ長さ(BFL)はほぼ陽
極の全体幅に等しい。この型式の炉設計は幅の狭
い炉(最も望ましい場合の陽極幅約122cm)をも
たらす。 いま一つの炉の型式は中央ガス抜き2を設計に
含めた、第2図に示されるものであろう。中央ガ
ス抜きはバス流が横切る陽極の最切の半分の下側
に溜まる気泡を排出する。この場合、BFLは陽
極の全体幅の半分として画成される。電圧損失を
増して電流効率を減ずる恐れのあるACDすき間
内の過度の気泡の蓄積を防ぐために、
[Table] Listen.
Practical considerations for measuring. A set of parameter ranges is shown in Table 4 for a water model with a BFL of 122 cm and a BFW of 61 cm. Parameters for the corresponding commercial scale aluminum reduction furnace are shown in Table 5. The criteria of the present invention can be applied to several types of furnaces, such as those shown in FIGS. 1-7.
In particular, the furnace can also consist of an anode that spans the width of the furnace as one continuous piece. An example of this anode is the anode shown in FIG. 2 minus the central vent 2, where the bubble flow length (BFL) is approximately equal to the overall width of the anode. This type of furnace design results in a narrow furnace (approximately 122 cm anode width in the most desirable case). Another type of furnace would be that shown in FIG. 2, which included a central vent 2 in the design. A central vent evacuates air bubbles that accumulate under the cutmost half of the anode that the bath flow traverses. In this case, the BFL is defined as half the overall width of the anode. To prevent excessive air bubble accumulation within the ACD gap, which can increase voltage losses and reduce current efficiency,

【表】【table】

【表】 陽極ガスの排気が必要である。この型式の炉で
は、最も望ましい場合の動作陽極全幅は、より実
際的な炉幅である、約244cmとなるであろう。 商業炉においては、電流効率を損失することな
く、可能最大限の陽極電流密度において運転され
ることが望ましい(資本および製造されるアルミ
ニウム1lb当りの人件費を最少限にするため)。
「流下陰極」炉に使用される低いACD値において
これらの高い電流密度は炉の熱バランスの維持を
助ける上で有利である。しかし高い陽極電流密度
では、低い電流密度におけるよりもガス気泡が早
く蓄積し大きく生長する。よつて、ACD内の気
泡蓄積の有害効果を減殺するために、陽極電流密
度の増加に比例して望ましいBFL(気泡流れの方
向の陽極寸法)を減少させる。たとえば、陽極電
流密度を1.0A/cm2から2.0A/cm2に増すと、望ま
しいBFLを122cmから61cmに減じなければならな
い。逆V形陰極炉で、低い陽極電流密度に望まし
い炉設計は第1図に示される。 より高い陽極電流密度(約1.3A/cm2より高い)
に対して望ましい全体の動作陽極幅を増すには、
陽極ガスを排出するガス抜き1個の概念を拡張し
てガス抜きを複数として陽極の幅を更に増すこと
ができる。ガス抜きは隣接する陽極本体の間のみ
ぞとして、または陽極本体を通して適当な間隔に
明けた1列の孔として、存在することができる。 さらにいま一つの行き方は第1図に示される設
計に代表される炉設計を用いることである。この
場合、中央流路はガス抜きとして、またACDす
き間を出るバスを戻り流路に運ぶ上方流路として
などの多重目的を果す。この場合、BFLは全体
の動作陽極幅の半分として画成され、それがより
実際的なサイズの商業炉を生み出す。また中央金
属収集樋または受けを設けて第1図に示す陽極傾
斜を逆にすることができることも判る。後者の場
合、第4図の如く、上方流路は炉の外側にそつて
配置されることになるであろう。 これらの炉設計概念を組合せて、バスおよび/
または金属の流れにより連結される多数の炉から
成る多重要素炉、または上記の炉の隣接する多重
ユニツトを含む単一空洞の炉とすることも可能で
ある。 かかる炉設計の全てにおいて、戻り流路の寸法
は例1に示された教示に従つて計算される。最初
の段階は設計される炉の規模にもとづき、所要の
バス流Qを選定し、つぎに作成された関係式を用
いて適切な流れ抵抗の項Rfを決定することであ
る。つぎに指定条件の下で水頭損失式を適用し
て、一群の望ましい戻り通路設計選択案を計算す
る。ついで熱バランスその他の炉の設計・運転基
準を用いて水力学的に同等の戻り流路設計の一つ
を選定する。この戻り流路設計の最終選定が臨界
バス流への影響を考慮して為される。 例5−流下陰極実験炉 傾斜TiB2陰極を有する実験室規模のアルミニ
ウム還元炉からの試験データは、商業用アルミニ
ウム還元炉の流体力学を模擬する水モデルの使用
の効果を立証している。約600lb(273Kg)の氷晶
石バスを満たした61cm×122cm×深さ約46cmのグ
ラフアイト箱が密閉された電気炉の中で加熱され
た。いつたんバスが溶融した後は、炉頂の充填口
を通して試験用陰極および陽極が下ろされ、第1
6図に示される氷晶石バス中に配置された。
Al2O3自動供給および陽極降下装置により、陽極
交換のための中断なしに3週間に及ぶ連続電解試
験が可能であつた。すべての電解状態の下で、下
方の陽極面の初期の傾斜(通常は水平)は1〜5
日間の電解の後で真下の陰極面の傾斜に変つた。
第16図に示される陽極面の不均一性は水モデル
に見られる気泡の挙動に一致する。水モデル中の
陽極面の出発縁(第16図のA領域に相当する)
では気泡は極く遅くて不規則に運動する傾向があ
り、陽極面の蔽い方が非常に不均等となる。これ
は陽極炭素の不均一な消費を生ずるであろう。気
泡が陽極面にそつて上方に動くにつれ、速さを増
し陽極面にそつて、より一様な流れを生ずる。こ
の流れの状態における電解は第16図のC領域に
示されるように陽極炭素の、より一様な消費を生
ずる。運転中の実験電解炉における流れパターン
の目視観察は水モデルで観祭されるパターンに一
致する。 例6−電解試験データ 例5に述べられた電解実験炉において、電流密
度、ACD値および陰極傾斜の関数として炉電圧
データが測定された。従来の金属床陰極における
基準電圧がこの電解実験炉の傾斜TiB2陰極を3
cm深さのアルミニウム床と交換することにより得
られた。第17図は、アルミニウム還元炉内で不
安定な水平アルミニウム床を傾斜TiB2陰極と交
換することにより得られる炉電圧ノイズの劇的な
減少を示す。炉電圧ノイズの減少(例:炉安定性
の向上)の他に、流下陰極実験炉は下記の特性を
示した。 1)流下陰極炉の実験炉電圧の線図は第17図の
如く、不充分なバス流から生ずる陽極効果、また
は金属床の乱れ(これは気泡厚さおよび過度の逆
流の結果)から生ずる陽・陰極の短絡、の何れか
が原因となるピークを示さない。低いACD値に
おいて(例:2cm未満)、従来の炉電圧制御系
(陽極の上げ下げによる)は金属床陰極試験を行
うために著しい運転者の介入を必要としたが、傾
斜TiB2陰極試験では運転者の介入はほとんどま
たは全く必要なかつた。 2) 1cm未満のACDにて安定な傾斜陰極試運
転が為された。 3) 電流密度またはACDの変化に対する炉の
応答性は急速かつ決定的である。新らたな定常
状態の炉電圧は、金属床陰極に必要な15〜30分
の再安定時間に比較して、約1分間以内に達成
された。それにより、より単純で信頼性のある
炉オートメーシヨン技法が使えることになる。 4) 陽極面からの気泡の排気は主として傾斜陽
極面の最上縁にそつて行われた。水平面を有す
る陽極が傾斜陰極を有する炉の中に入れられた
時、陽極ガス気泡の初期の排気は陽極面の4つ
の縁全部をめぐつて任意に分散していた。電解
が進んで、陽極面が陰極傾斜に合致し始めてガ
ス気泡の排気は傾斜陽極面の最上縁にそつて集
中するようになつた。金属床陰極を用いた試験
中は、陽極面の任意位置のガス気泡排気のみが
観察された。 炉の安定性の向上の他に、「流下陰極」の使用
により陽極・陰極極性化電圧の著しい低減を達成
し得ることが電解試験により実証された。第18
図は実験電解炉のTiB2陰極傾斜の関数としての
測定陽極・陰極極性化電圧を示す。望ましい陰極
傾斜8゜において、陽極・陰極極性化電圧の約45%
の低減、またはACDの減少によつて達成される
値に加うるに約0.22Vの炉電圧の節約が得られる
ことを、実験データは示している。今日まで、こ
の「流下陰極」炉の利点は文献中に報告されてい
ない。 バス流量を増すと極性化電圧の低減が観察され
たこと(第18図と共に陰極傾斜の関数としての
流量の例を示す第12図を参照)は撹拌または流
動体系における電気化学理論に合致する。層流領
域では、集中極性化電圧はバス速度の自乗根に比
例する。第18図の測定電圧は層流で予想される
程には陰極傾斜の増加と共に減少しない。このこ
とは、ACD内のバス状態が、バス流量に対して
集中極性電圧がそれぼど敏感に変化しない遷移ま
たは乱流領域にあることを意味する。水モデル・
データはこの仮説を裏付ける。 傾斜TiB2陰極炉の電解実験データは、水平金
属床陰極炉に比して、狭くしたACD値(すなわ
ち減少した炉電圧値)における炉の安定性の向上
(例えば電流効率の向上および陽極効果の低減)、
ACDおよび電流の変化に対する炉の応答性の向
上(例えば、より単純で信頼性のある炉制御のオ
ートメーシヨン化を行うことができること)、そ
して陽極・陰極極性化電圧の低減を示した。第1
8図で5゜より大きな陰極傾斜における陽極・陰極
極性化電圧線の漸近線部分は水モデル研究におい
て示された望ましい陰極傾斜範囲と一致する。 本発明の前記記載は当業者により種々の変形、
変更および改造が可能であり、添付の請求の範囲
に述べられた本発明の範囲内にあると見なされる
ことは明らかである。
[Table] It is necessary to exhaust the anode gas. In this type of furnace, the most desirable overall working anode width would be approximately 244 cm, which is the more practical furnace width. In commercial furnaces, it is desirable to operate at the highest possible anode current density without loss of current efficiency (to minimize capital and labor costs per pound of aluminum produced).
At the low ACD values used in "falling cathode" furnaces, these high current densities are advantageous in helping maintain the thermal balance of the furnace. However, at high anodic current densities, gas bubbles accumulate faster and grow larger than at lower current densities. Thus, to counteract the deleterious effects of bubble accumulation in the ACD, the desired BFL (anode dimension in the direction of bubble flow) is decreased in proportion to the increase in anode current density. For example, increasing the anode current density from 1.0 A/cm 2 to 2.0 A/cm 2 requires decreasing the desired BFL from 122 cm to 61 cm. The preferred furnace design for low anode current densities in an inverted V cathode furnace is shown in FIG. Higher anode current density (higher than about 1.3A/ cm2 )
To increase the overall working anode width desired for
The concept of one gas vent for discharging anode gas can be expanded to include multiple gas vents to further increase the width of the anode. The vent can be present as a groove between adjacent anode bodies or as a row of appropriately spaced holes through the anode body. Yet another approach is to use a furnace design typified by the design shown in FIG. In this case, the central channel serves multiple purposes, such as as a gas vent and as an upper channel that carries the bus exiting the ACD gap to the return channel. In this case, the BFL is defined as half of the total operating anode width, which yields a more practical sized commercial reactor. It will also be appreciated that a central metal collection trough or receiver can be provided to reverse the anode tilt shown in FIG. In the latter case, the upper passageway would be located along the outside of the furnace, as in FIG. These furnace design concepts can be combined to
Alternatively, it is also possible to have a multi-element furnace consisting of a number of furnaces connected by metal flow, or a single-cavity furnace comprising adjacent multiple units of the above-mentioned furnaces. In all such furnace designs, the return flow path dimensions are calculated according to the teachings presented in Example 1. The first step is to select the required bath flow Q based on the scale of the furnace being designed, and then to determine an appropriate flow resistance term R f using the developed relational expression. The head loss formula is then applied under specified conditions to calculate a set of preferred return passage design options. Thermal balance and other furnace design and operating criteria are then used to select one of the hydraulically equivalent return path designs. The final selection of this return flow path design is made with consideration to the impact on the critical bath flow. Example 5 - Falling Cathode Experimental Reactor Test data from a laboratory scale aluminum reduction reactor with a tilted TiB 2 cathode demonstrates the effectiveness of using a water model to simulate the hydrodynamics of a commercial aluminum reduction reactor. A 61 cm x 122 cm x 46 cm deep graphite box filled with an approximately 600 lb (273 Kg) cryolite bath was heated in a sealed electric furnace. After the bath is melted, the test cathode and anode are lowered through the filling port at the top of the furnace, and the first
It was placed in the cryolite bath shown in Figure 6.
The automatic Al 2 O 3 supply and anode drop device allowed continuous electrolytic testing for up to 3 weeks without interruption for anode replacement. Under all electrolytic conditions, the initial slope of the lower anode plane (usually horizontal) is between 1 and 5
After days of electrolysis, the slope of the cathode surface directly below changed.
The non-uniformity of the anode surface shown in FIG. 16 corresponds to the behavior of bubbles seen in the water model. Starting edge of the anode surface in the water model (corresponding to area A in Figure 16)
In this case, the bubbles tend to move very slowly and erratically, resulting in very uneven coverage of the anode surface. This will result in uneven consumption of anode carbon. As the bubble moves upward along the anode surface, it gains speed and creates a more uniform flow along the anode surface. Electrolysis under this flow condition results in a more uniform consumption of the anode carbon, as shown in region C of FIG. Visual observation of the flow pattern in the experimental electrolysis reactor during operation matches the pattern observed in the water model. Example 6 - Electrolytic Test Data In the experimental electrolytic furnace described in Example 5, furnace voltage data was measured as a function of current density, ACD value, and cathode tilt. The reference voltage in the conventional metal bed cathode is 3 .
Obtained by replacing with cm deep aluminum floor. FIG. 17 shows the dramatic reduction in furnace voltage noise obtained by replacing the unstable horizontal aluminum bed with a tilted TiB 2 cathode in an aluminum reduction furnace. In addition to reducing furnace voltage noise (eg, improving furnace stability), the falling cathode experimental reactor exhibited the following characteristics: 1) The diagram of the experimental furnace voltage for a falling cathode reactor is shown in Figure 17 due to the anode effect resulting from insufficient bath flow or from disturbance of the metal bed (which is a result of bubble thickness and excessive backflow).・No peaks caused by cathode short circuit are shown. At low ACD values (e.g. less than 2 cm), conventional furnace voltage control systems (by raising and lowering the anode) required significant operator intervention to perform metal bed cathode tests, whereas tilted TiB 2 cathode tests required Little or no human intervention was required. 2) A stable tilted cathode test run was performed with an ACD of less than 1 cm. 3) The reactance of the furnace to changes in current density or ACD is rapid and decisive. A new steady state furnace voltage was achieved within about 1 minute compared to the 15-30 minute restabilization time required for metal bed cathodes. This allows for simpler and more reliable furnace automation techniques. 4) Air bubbles were vented from the anode surface primarily along the top edge of the inclined anode surface. When an anode with a horizontal surface was placed in a furnace with a tilted cathode, the initial evacuation of the anode gas bubbles was randomly distributed around all four edges of the anode surface. As electrolysis progressed, the anode surface began to conform to the cathode slope and the gas bubble exhaust became concentrated along the top edge of the sloped anode surface. During the test with the metal bed cathode, only gas bubble evacuation anywhere on the anode surface was observed. In addition to improving the stability of the furnace, electrolytic tests have demonstrated that a significant reduction in the anode-cathode polarization voltage can be achieved by using a "falling cathode". 18th
The figure shows the measured anodic and cathodic polarization voltages as a function of the TiB2 cathode tilt of the experimental electrolysis furnace. At the desired cathode tilt of 8°, approximately 45% of the anode-cathode polarization voltage
Experimental data show that approximately 0.22 V of furnace voltage savings can be obtained in addition to that achieved by reducing ACD. To date, the advantages of this "falling cathode" furnace have not been reported in the literature. The observed decrease in polarization voltage with increasing bath flow rate (see Figure 12, which shows an example of flow rate as a function of cathode tilt, along with Figure 18) is consistent with electrochemical theory in stirred or fluidized systems. In the laminar flow regime, the lumped polarization voltage is proportional to the square root of the bus speed. The measured voltage in FIG. 18 does not decrease with increasing cathode tilt as expected for laminar flow. This means that the bus conditions in the ACD are in a transition or turbulent region where the lumped polarity voltage changes less sensitively to the bus flow rate. water model・
The data support this hypothesis. Electrolysis experimental data for a tilted TiB 2 cathode furnace indicate improved furnace stability (e.g. increased current efficiency and reduced anode effect) at narrower ACD values (i.e. reduced furnace voltage values) compared to a horizontal metal bed cathode furnace. reduction),
We demonstrated improved furnace responsiveness to ACD and current changes (e.g., allowing for simpler and more reliable automation of furnace control) and reduced anode-cathode polarization voltages. 1st
The asymptotic portion of the anode-cathode polarization voltage line at cathode tilts greater than 5° in Figure 8 is consistent with the desired cathode tilt range shown in water model studies. The foregoing description of the invention may be modified in various ways by those skilled in the art.
It is evident that changes and modifications are possible and are considered to be within the scope of the invention as set forth in the appended claims.

JP59500833A 1983-02-17 1984-01-20 Energy-saving aluminum reduction furnace using bath flow induction Granted JPS60500541A (en)

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