JPS58161789A - アルミニウム電解炉用陰極炉底 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は改良されたアルミニウム電解炉用陰極炉底に関
する◇詳細にはアルミニウム電解炉における陰極炉底の
煉瓦の上部および／又は中間部にｐ素質成形体を配設し
、その下部に鉄板を敷設することにより、溶融アルミニ
ウムメタルや氷晶石、フッ化ナトリウム、フッ化アルミ
ニウム等の電解浴による浸食から炉底煉瓦を保護するこ
とを目的とした１時的電力原単位の劣化の少ない改良さ
れた陰極炉′底に関するものである。

アルミニウム電解炉の一極は違常鉄製ケーシングの内壁
を断熱煉瓦および耐火煉瓦で内張すし、その内＠に鋼鉄
製の導体をその底部に埋め込んだ多数の既焼成炭素ブロ
ックを敷きつめ、更にそれぞれのブロックの間は未焼成
の炭素質ペーストによって目地打ちされた一体の陰極と
して構築、構成されている。

このように構成された陰極は注意深く焼成された後、氷
晶石、フッ化ナトリウム、フッ化アルミニウム等の電解
浴および酸化アルミニウムが添加装入され、＃電解浴中
に上部よね懸架される陽極炭素と適切な極間距離を保持
されつつ浴中の酸化アルミニウムの電解反応に供される
が、電解反応時における電解浴のｓｆは通常約灯０〜１
０ｔ１０　”Ｃであり、該熱エネルギーは主トシてジュ
ール熱により袖なわれており、電解炉からの熱の逸散が
電力原単位（アルミニウム７トン製造するのに必蚤な電
力）を左右する一因子であることはよく知られている所
である。

それ故、陰１＃＠壁および陰極炉底よりの熱の逸散を防
止する目的で陰極の炉底は断熱煉゛瓦、耐火煉瓦で被覆
されており、該煉瓦の材質および配設方法尋に檀々工夫
が払われている。

通常、断熱煉瓦としてはシリカ含有★の高い多孔質煉瓦
が、また耐火煉瓦としてはシャモッに於いては高い保温
特性を有し、電力原単位も優れているが、電解操業開始
後数カ月においては保温特性が低下するためか漸次電力
原単位が悪化する。この理由は詳らかではないが、電解
炉の陰極カーボンが電解浴による浸食を受け、史に炉底
上に析出したアルミニウムが陰極カーボンの書裂より浸
入し）−ｅ４Ｃｓ　、畑等を生成し浴び分の浸入による
１１Ｍと相俟って陰極カーボンの１１袋を増大せしめ、
亀裂より浸入した電解浴成分が煉瓦の気孔に浸透し気孔
率を低下せ［２わ− める１１更には煉瓦の構成成分が電解浴に溶解し、気孔
を全く潰してしまい煉瓦の熱伝導率を高めるためと考え
られる。

一方、浸入したアルミニウムメタルは煉瓦中のシリカ成
分と反応し、シリコンとアルミナを生威し、煉瓦を崩壊
し熱伝導率を高めることになると推察される。

この様々考案に基づき陰極ブロックと炉底煉瓦との中間
部に耐温性、耐溶融アルミニウム性に優れた物質（バリ
ヤー材）を挿入し浴浸透から煉瓦を保砂する方法が穐々
提案されている。

例えば、（１）高アルミナ質、マグネシア質の焼成耐火
物、’ｌ：ｌＩＩ耐火物を炉底煉瓦に配設する方法（特
開昭３３−　／、お°２７３号公報）、＠鉄板上にエキ
スパンデッドグラフ丁イトがら造られたグラファイトシ
ートを敷き、炉底煉瓦上面に配設する方法（米国特許俯
ダ、　／７ｊ、０３号明細書）等が知られている。

しかしながら、前記（１）の方法で用いるバリヤー材は
、従来のシャモツト質煉瓦よりも耐温性に優れているも
のの、制価で経済的ではなく、しかもバリヤー材として
は未だ１浴性に於いても満足し得るものではない。他方
、上記−の方法はグラファイトシートでメタルの浸入並
びに浴浸透を防止し、鉄板で浴の浸透を防止する二重欅
造形式であり、耐温性、耐メタル性に優れているが、該
方法はグラファイトシートが極めて筒何で経済的でなく
、また施工に際しては移観によるグラファイトシートの
ずれが生じない様にするなど施工の作業上熟練が要求さ
れる郷の不都合を有する。

かφ為る事情下に修み、本発明者らは溶融アルミニウム
性”タルや電解浴のｌｌ！透、２＞λら陰極炉底煉瓦を
保騰し得る安価でかつ施工作業も容易な手段を見出すべ
く鋭意研究した結果、バリヤー材として鉄板上に特定の
炭素質成形体を配設して用いる場合には上ｒ条件をすべ
て−足し、市４力原単位の静時劣化を著しく減少せしめ
、かつ電解炉炉底の延命効果をも成就しうろことを貝出
し本発明を完放するに至った。

すなわち本発明はケーシングの内壁に煉瓦を内張すし、
その内側部に炭素質電極を配設してなるアルミニウム篇
、解炉用陰極炉底において、炭素ｙ電極の下部に見掛気
孔亀がｊｏチ以下で少なくともｊ−以上の厚さを有する
炭素質成形体を配設し、該成形体の下部に鉄物を敷設し
たことを％黴とするアルミニウム電解炉用陰極炉底を提
供するにある。

以下、本発明全図面を参酌して更に詳細に説明する。

第１図は、従来公知の縦型自焼成式電解炉の部分断面図
ケ示すものであり、図中、／に陽極導電棒、コは炭素陽
極１．？Ｆ′ｓ、を解浴、ダはアルミニウムメタル、ｊ
に既焼成炭素質陰極ブロック、ｌは陰極導電棒、７は側
壁陰極ブロック１、ｒは炭素質スタンプ材、？に煉瓦、
１０Ｆ”ｉ鉄製ケーシングを示す。第１図に於いて、陽
極導電棒／を介して通電された電流に炭素陽極λ、電解
浴３、アルミニウムメタル層＋ｔＰｐて既焼成炭素質陰
極ブロックｊＫ人９、陰極導電棒ぶを介して隣接する電
解炉（図示せず）に導かれるが、ここに於いて煉瓦りの
働きに、電解浴３中で駿化アルミニウムを電解するに必
要な熱エネルギーの炉底よりの逸散を減少せしめるため
の保温材であり、陰極カーボンの亀裂より漏出する電解
浴３、アルミニウムメタル層の保換材であり、通常、既
焼成炭素質陰極ブロック５の下部に数層よりなるシャモ
ツト質煉瓦と、その下操業開始時の陰極炉底は通常第１
図に示す状態であり、陰極炉底構築材料、構築技術の巧
拙等により差は生ずるが、操業開始後は、既焼成辰素質
陰極ブロックＳおよび炭素質スタンプ材ｔ、更には既焼
成炭素質陰椿ブロックｊと炭素質スタンプ材の境界部の
微少な間隙、亀裂等から電解浴３やアルミニウムメタル
層の浸透が始会 まり、陰極カーボン下部の煉瓦を没書し、漸時電力原単
位ｔｍ化せしめる。

本発明の陰極部に於いては、既焼成炭素質陰極ブロック
ｊの下部に見掛気孔率がＳＯ％以下、好ましくｎ、３ｏ
ｔｓ以下で、少くとも３ｔｓ以上、好ましくはコｏｗｎ
〜３００籐の厚さを有する炭素質成形体を配設し、その
下部に鉄板ｆ敷設することが必須である。このバリヤー
材は電解浴の浸透を鉄板で防止し、メタルの浸入を鉄板
より上部に配設された炭素質成形体で防止するため、本
発明による陰極炉底構造を有するアルミニウム電解炉に
長期間使用経過後も耐火耐熱煉瓦への浴浸透、メタルの
浸入がなく煉瓦の熱伝導率の上昇が極めて少なく電力原
単位の劣化は著しく低い。

本発明に用いる炭素質成形体の厚さが５−に未ない場合
には相対的に強度が小さいので炉内の熱膨張、収縮等に
より成形体に亀裂や破損が生じ、又、見掛気孔率がＳＯ
優を越える場合には実質的に溶融アルミニウムメタルの
浸透を防止することができないので好ましくない。

該炭素質成形体の製造方法としては通電の炭素質成形体
、例λば、アルミニウム［解炉の炉底を構成する陰極炭
素成形体の製法等が準用でき、ピッチコークス、石油コ
ークス、黒鉛等を骨材とし、これに７０〜３０１８％の
ピッチ、タール等の粘結剤を添加、混捏しプレス成型あ
るいは振動成型により成形し、これｔ焼成する公知方法
が挙げられる。

炭素質成形体を構成する骨材の粒度配合に骨材を構成す
る主成分の石炭ピッチコークス及び／又に石油コークス
の種類にもよるが通常ｓｙｍ以上１０〜３０重量−１好
ましくは／ｊ〜２３重景嶋、ｊ〜コ霞１０〜３０重量％
、好ましくは／Ｊ−２５重量％、コ襲以下ダＯ〜１０重
量％、好ましくはＳＯ〜７０重量ヂの範囲で適用される
。

本発明に於いては炭素質成形体の耐メタル性を向上する
目的で、骨材構成物質に対しＳ　−ＳＯ重量％の範囲で
耐溶融アルミ性物質を添加混合することが推奨される○ この様な耐アルミ性物質としては炭化ケイ素、炭化チタ
ン、炭化クロム、炭化ジルコニウム、炭化バナジウム、
炭化八ツニウム、炭化ホウ素婢の金属炭化物、窒化ケイ
素、窒化アルミニウム、窒化ジルコニウム、窒化チタン
、窒化ニオブ、窒化ホウ素等の金属音化物、ホウ化チタ
ン、ホウ化クロム等の金属ホウ化―及び無煙炭等が挙げ
られ、就中炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、ホウ
化チタン等が好適であるＯ骨材コークスに対する耐アル
ミ性物質の添加量がＳＯ型重量を越える場合には得られ
る炭素質成形体の機械的強度が低く使用時８、亀裂等音
生じ、実質的に溶融メタルの浸透防止材としての機能を
失なうので好ましくない。

更に耐アルミ性物質：の粒度に骨材コークスの徽粉１粒
部、すなわち、２１１１以下の枝部の範囲に調整Ｌ−１
添加することが好ましく、粗粒状で混合使用する場合に
は著しい効果の発現に望めない。耐アルミ性物質の微粉
粒部への適用が、バリヤー材として何故優れ几効果金発
揮し得るの定かではないが、炭素質物質の微粒は比表面
積が大きく、かつ反応性本高いのに対し、耐アルミ性物
質は同一粒径でも比表面積が小さく、かつそれ自体の反
応性も小さいことに寄因するものと推測される。

又、焼成温度ζ炭素質成形体が長期間にわたり熱安定性
を要求されるため、少くとも１０ｏｏＣ以上で焼成した
成形体であることがＵｔｔ、＜、その成形体の機械的曲
げ強度ｊ　ＯＫ９／　（’以上、圧縮強度１００静／メ
以上のものが好ましい。

於暮へては電解炉底に敷設し７た鉄板−トに鉄板の接合
部と炭素質の接合部ができる限り重ならなり様１／Ｃ並
べ、成形体間隙を目地材で埋める方法が取られる。

成形体間隙に用いる目地材としては一般に陰柄炭素質！
極間目地として使用されるものであれば特に制限される
ものでにないが、耐メタル性全強化する目的で上述の金
属炭化物、金属窒化物、金属ホウ化物等の粉末全混合し
たものの使用が推奨さねる。

本発明に用いる鉄板に通常のＳＳＭ／の他Ｖこ戻章含有
量の高い鋼材を有効に使用することができる。

第１図は本発明のアルミニウム電解炉用陰極炉底の−′
実施態様を示し念ものであり、図中／／が炭素質成形体
、ｌコが鉄板であり、陰極導電棒ｔと炭素質成形体／／
及び鉄板の間は通常使用さｊている耐火、断熱煉瓦りが
積層されているＯ 配設方法としてはこの他鉄板７．２の下部に更に炭素質
成形体／／を配設してもよいし、炭素質成形体／／及び
鉄板／−の層は煉瓦９を介して一層で用いてもよいし゛
、炭素貴成形体／／と鉄板／−の間に煉瓦？を介する岬
の配役も可能である。

以上、祥述したような本発明によればアルミニウム電解
炉陰極炉底に於いて、炭素質成形体によりメタル浸透を
防止し、鉄板（て浴浸透を防止し得るので煉瓦９の浴お
よび／またはメタルによる浸食がなくなシ、煉瓦の保温
効果の低下が極めて少なく、これＫよシミ力原単位の経
時劣化を著しく減少せしめ、かつ電解炉の延命効果を４
発揮するもので、その工業的価値Ｆｉ頗る大なるもので
ある・ なお、本発明は自焼成式電解炉に於いて説明したが勿論
既焼成式電解炉にも適用し得るものである。

次に実施例によって本発明を更に畦紀に説明するか、本
発明はこれらに限定されるものでは危い。

実施例／ ／θθｎのゼーダーベルグ式アルミニウム電解炉の一極
炉底を第一図に示す如く、陰極カーボンの下部にシャモ
ツト質煉瓦（Ｅｌｌ−Ｊ、２、ＪＸＢ規格品）を７層配
置し、その下部にピッチコークス＊ｔＯＸ＊憾、炭化ケ
イ素做粉末（粒１−鵡以下）−〇重量係をピッチをバイ
ンダーとして成形、７７００℃で焼成した見掛気孔皐コ
１％、見掛密鮫／、７θ、寸法６θθ×６θθｘＪ０＠
ＩＩの平板を一層配νし、更にその下部に厚さｊａの鉄
板を一層に配設し、バリヤー材とし、鉄板の下部ＦｉＥ
Ｋ３２　／層、断熱レンガ（Ｂ／、、ｙｘａ規格品）３
層を配設し九〇この様にして構築した電解炉をムとして
比較のため炭素成形体及び鉄板を配設しない他は電解炉
ムとｒ＃Ｉ＊にして構築した電解炉Ｂと炭素質成形体に
代えて、鉄板上面に黒鉛−９θ部、トリクロロエタン９
５部よシなゐグラファイト分散液をスプレーにて被４５
’ｆｆｌ乾燥し。

厚さ／θμの炭素貢被樫を施した他は電解炉ムと同様に
して構築した電解炉Ｃと１脚素負成形体の代シに高アル
ミナ質平ｉ＃（酸化アルミニウムデθ重量１．１１化ケ
イ素ｓ１ｍ％。

残部酸化鉄、酸化マグネレウムを混合、成形、トンネル
キルンに於いて１０００°Ｃ１−〇時間焼結、形状ダＯ
θｘｅ０θＸ−θ驕、見掛気孔率７９％）を甲いた他は
電解炉ムとｌ’ｉｌ様に構築した電解炉Ｄｔ−用い、平
均電圧Ｑ、２Ｖ　、＠解ｉ１度？７θ°Ｃ１浴中アルミ
ナ濃ｒｌｌＩ％の殆んど−ｊ−条件で３年間電飾操業を
実施した。

各電解炉の操業開始時からの保漉性能の経時輩化を調べ
る目的で鉄製ケーシング／θの中央部（１点）の外壁ｉ
ｋ＆を測足した・その結果をＭＪ図に示す・ 第Ｊ１５！！］から明らかな轡に本発明の陰極構造より
なる電解炉ムは従来の電解炉Ｂあるいは煉瓦保護材とし
て他の成形体を用いたものよりも、経時的保温性能の低
下が殆んどないことかわかる。

オた。操ＩＩ開始時Ｊカ月目の電力原単位と３４力月目
炉停止直前の各々の電解炉に於ける電力原単位および停
止炉鱗体時の煉瓦の状−を第１表に示す＠ 第７表 実施例− 第＊ＥＫ示す如く、蓋付き黒鉛るつぼ＠（形状ニー００
−×亭）ｊｌｊｌ、肉厚ｊ　Ｑ　Ｗｘ）の内部に鉄製＊
Ｗ桿すを有する炭素電極Ｃ１氷晶石。

フッ化アルミニウム、７ツ化力ルレウム、酸化アルミニ
ウムよシカるｓ　ＩＩ：塩浴ａ、７Ａｔ二つふメタルｅ
、鉄製導電桿ｆを有する炭素陰極（３０ｕ庫）ｐ−その
下部にｌＯｕ庫に成形された煙瓦用保−用成形体すと３
ｕ厚の鉄板ｊで革′威した煉瓦保診層、煉瓦（４ｊＵｌ
厚）ｉＫよシ構成された装置を用い、′＃を解電圧Ｑ、
ＪＶ％浴中アルミナ濃度ダ、θ憾、浴色９７θ°Ｃで／
左方間、実験蝉業を実施し六〇煉瓦保ｌＩ成形体の開成
、実験終了徒の煉瓦に及ぼすアルミニウムメタルおよび
／またけ浴の浸食状況を餉−表に示す。冑実験Ａ７〜／
θにおいてはいずれもＪｔｌｌＪｌの鉄板層を定位量に
設けて実験操業を行なった。

第−表から明らかな様に本発明の煉瓦保鰻威形体を用い
ゐ壕合にはその耐浴性、耐メタル性か優れ１％に耐メタ
ル性物負を微粉部として混ｉａＢ形して得られた成形体
は煉瓦保睦特性に優れていることがわかる。

【図面の簡単な説明】

＃！／図は従来公知の縦飄自焼成丈アルミニウム電幣炉
の部分断面図を、第一図は本発明の電解炉への適用例を
、第３図は第一図の電解炉鉄製ケーシング／θの！点で
測定した外壁塩度の経時的蜜化を示し、第９図は実験用
電解炉の断面図を示すｅ 胸中、／・・・陽極導電棒、２・・・炭素陽極、Ｊ・・
・＠解浴、４Ｉ・・・アルミニウムメタル。 ｊ・・・既焼威巌素質陰極ブロック、６・・・陰極尋電
棒、７・・・側壁陰極ブロック、ｔ・・・炭素質スタン
プ材、デ・・・煉瓦、／θ・・・鉄製ケーシング、／／
・・・羨索質威形体、／コ・・・鉄板。 −・・・薔付き黒鉛るつぼ、ｂ・・・鉄製導電桿、Ｃ・
・・炭素陽極、ｄ・・・電解浴、・・・・アルミニウム
メタル、ｆ・・・鉄製導電桿１ｇ・・・炭素゛陰極、ｈ
・・・脚素威形体、１・・・煉瓦、ｊ・・・鉄板を示す
口 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ／）鉄表ケーシングの内壁に煉瓦を内張すし、その内側
   部に炭素質電極を配設してなるアルミニウム電解炉用陰
   極炉底において、炭素質電極の下部に見掛気孔率がｊｏ
   −以下で少くともｊｓｓ以上の厚さを有する炭素質成形
   体を配設し該成形体の下部に鉄板を敷設したことを特徴
   とするアルミニウム電解炉用陰極炉底。 、２）炭素質成形体が耐溶融アルミニウム性物負を少な
   くともｊ重責チ以上含有する特許請求の範ｉ！＃／項記
   載のアルミニウム電解炉用陰極炉底。 ３）炭素質成形体が粒径約２ｍｓ以下の耐溶融アルミニ
   ウム性物質をＳ−５θ東量チ含有する％ＦｆｔＲ求の範
   囲第１項および第２項記載のアルミニウム電解炉用陰極
   炉底。 ｑ）炭素質成形体中に添加使用する耐溶融フルミニラム
   性物質として全綱炭化物、金属窒化物、金属硼化物およ
   び／又は無煙炭を用いる特許請求の範囲第１項〜第３項
   記載のアルミニウム電解炉用陰極炉底。