JPS585995B2 - アルミニウム製造用電解炉 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はアルミニウム製造用電解炉下部構造に関するも
のであり、更に詳しくは良好な操業状態を提供しうるク
ラスト形状形成を可能とする改良された下部構造を有す
るアルミニウム製造用電解炉に関するものである。

現在工業的に便用されてい′る溶融塩電解法によるアル
ミニウム製造用電解炉は内壁面が耐火断熱材で絶縁され
た長方形の鉄製の炉殻とさらにその内側が郷成炭素質ブ
ロックおよび７文は炭素質スタフブー＝ｒｘで内張され
て下部構造が形成されている。

かくして形成された電解層内番とは炭素質の炉底部を覆
って陰極を構成する溶融アルミニウム層があり、その上
部に氷晶石を主体とする溶融電解浴層が９７０℃前後の
温度で保持されている。

一方電解炉上部からは、例えば炭素質陽極がその下方の
一部を溶融塩浴中に浸漬された形で懸吊されている。

このようにして構成された電解炉において、溶融塩中に
溶解されたアルミナは電気分解され、生成したアルミニ
ウムが炉底に析出分離される。

この際電解浴中のアルミナ分は電解の進行につれて漸次
減少するので、適宜原料アルミナを供給する必要がある
。

電解炉内へのアルミナ供給は、電解炉表面を覆っている
凝固浴（以下クラストと称す）を適当な手段で破砕して
適量補給される。

アルミナの供給方法としては一般に次のいずれかの方式
が採用されている。

すなわち（１）電解炉長辺方向両側部からアルミナを供
給する。

（２）電解炉長辺方向中央部からアルミナを供給する。

（１）の方法により電解浴中にアルミナを供給するとア
ルミナの落下部周辺の浴温度が下がり、また局部的にア
ルミナ濃度が上昇してその部分の融点が高くなる。

この結果時に電解浴が固化するため、該るアルミナ供給
方法を採用すると電解炉長辺方向両側部に沿ってクラス
トの形成が進む。

しかし電解炉短辺方向両側部にはアルミナの供給が行な
われないため、はとんどクラストの形成が進まないとい
う問題を有する。

他方匈の方法により電解炉長辺方向中央部からアルミナ
を供給すると、電解炉長辺方向中央部、すなわちアルミ
ナ落下位置に沿ってクラストが形成されやすく、アルミ
ナの供給の行なわれない電解炉長辺方向両側部並びに短
辺両側部に沿ってはクラストが形成されにくいという問
題を有する。

アルミナの供給りない部分にクラストを形成さするため
には、熱伝導の理論により電解炉内で発生した熱の移動
量をコントロールする方法が考えられる。

電解浴中から炉底方向に熱が多く流れるつ炉底には半溶
融アルミナ高濃度浴（以下スラッジと称す。

）またはクラス゛トが多く形成される。電解浴中から電
解炉側壁、方向に熱が多く移動すると炉餉内壁に沿って
クラストが形成されやすく、これは電解炉操業上好まし
いクラスト形態を提供することにつながる。

他方、電解浴中から炉底と電解炉側壁方向との中間方向
に熱が多く流れる□と、炉内壁から炉中央部にかけて炭
素質陰極面の多くの部分を覆ってクラストが形成され、
電解炉の操業上は好ましからざるクラスト形態を与える
ことになる。

１電解炉内に生成したスラッジは炉底を移動し、水理学
的作用によって溶融アルミニウム層と電解浴層上の界面
を乱すため、形態のいかんにかかわらず操業上奸才しい
ものではない。

他方溶融塩浴の凝固したクラストは絶縁体であり、特に
炉側内壁に好ましい形で生成されたクラストは電解電流
が炉側内壁方向に流れるのを抑制するので、電流分布が
好ましい形態を取１バ電流効率の向上が期待できる。

またこのクラストは高温の電解浴から炉側内壁を保護す
るシール材としても働き、電解炉の炉命を延長すること
にもなる。

さらにクラストは炉内部からの放熱を抑制し、加えて浴
温か上昇した場合にはクラストが融解し、他方浴温か下
がると電解浴が凝固してクラストとなるため、クラスト
の融解熱および凝固熱の授受により電解浴の浴温を自動
調整する役割も果たす。

従来、前述の欠点を解決し、目的の場所にクラストを形
成せしめるため種々検討が行なわれできた。

−例として電解炉の外殻の外側に熱の伝導および消散の
ための手段を設けた電解炉（特開昭５４−２８２１５号
公報）があるが、通常電解炉；建家内の空気の流れは必
ずしも十分なものではなく冷却効果も弱い。

梃に電解炉外殻の外壁と電解炉操業上の温度差が小さい
ため放熱効果も弱く目的とするクラストの形成はほとん
ど期待しがたい。

また外殻側壁の内部に熱伝導性に富んだ炭素質；ブロッ
クまたは黒鉛質ブロックを配設した電解炉もあるが、炭
素★ブロックや黒鉛質ブロックは高温度下では酸化消耗
が激しく、更に浸透してくる電解浴に対して弱いため、
その熱伝導性は順次低下し安定したクラストの形成は期
待しがたい。

さらに炭素ブロックで形成された底部陰極と炭素質材で
形成された側壁との境界に断熱部材を介在させることに
より底部陰極から側壁への熱移動を阻止してなるアルミ
ニウム電解槽（特開昭５３−３２８１１号公報）もある
が、断熱部材により底部陰極から側壁への熱移動を抑制
することにより炉側壁方向と炉底方向への熱の移動が起
こり、炉側には目的とする形状のクラスト形成が期待で
きるが、同時に炉底にはスラッジが形成されやすいとい
う欠点も有する。

かかる状況に鑑み、本発明者らは従来の電解炉の不都合
を解決し、アルミナの供給方法のいかんにかかわらず、
電解炉側壁に沿って合目的的に、かつ確実にクラストを
形成せしめうるアルミニウム製造用電解炉下部構造を見
出すべく鋭意検討を行なった結果、アルミニウム電解炉
の下部構造において鉄製外殻の側壁内部に耐温性、耐酸
化性を有する熱の良導体部材を配設することにより目的
が達成しうろことを見出し、本発明を完成するに至った
。

すなわち本発明は鉄製外殻とその内壁部に耐火断熱材を
敷設し、さらに焼成炭素質ブロックおよび／又は炭素質
スタンプマスを内張して構築されてなるアルミニウム製
造用電解炉下部構造において、該鉄製外殻側壁の内部と
焼成炭素質ブロックおよび／又は炭素質スタンプマスと
の間に存在し。

かつ該鉄製外殻底部と該外殻上部で仕切られた範囲内の
鉄製外殻側壁内部に耐温性、耐酸化性を有する熱の良導
体部材を配設してなるアルミニウム製造用電解炉を提供
するものである。

以下本発明の電解炉を図面に基づいて詳細に説明する。

第１図は従来のプリベーク式アルミニウム電解炉の短辺
方向縦断側面図であり、第２図は本発明のプリベーク式
電解炉の一実施態様を示す短辺方向縦断側面図であり、
また第３図は本発明の別の実施態様を示す部分断面図で
ある。

なお、図面はプリベーク式電解炉について例示したが、
本発明はこれに限定されるものではなく、本発明はゼー
ダーベルク式電解炉の下部構造としても当然適用するこ
とができる。

図面においそ１は鉄製の炉外殻、２は電解炉上血止り懸
吊された既焼成炭素陽極であり、該炭素陽極′２の一部
は溶融電解浴′３内に浸漬されている。

４はアルミナの電解により生成析出した溶融アルミニヴ
ム層、５は炭素質陰極炉底、６は側部炭素質内張り、７
は炭素質陰極５内に鋳込まれた陰極集電棒である。

８は側部炭素ブロック、９は側壁耐火断熱材、１０は側
部耐火断熱材、１１は底部耐火断熱材である。

１２はクラストであり、１３は耐温性、耐酸化性を有す
る熱の良導体部材である。

該電解炉において、電解電流は炭素陽極２から電解浴３
、溶融アルミニウム層４、炭素質陰極炉底５、陰極集電
棒７を通って下流の電解炉へ流れ。

る。

この時、電解電流によるジュール熱は電解浴３中で最も
多く発生し、発生したジュール熱の一部は電解浴から炭
素陽極２に移動し、一部はクラスト１２、側部炭素質内
張り６、諒部炭素ブロック８、側壁耐火断熱材９を経て
炉外殻１に移動し、。

さらに一部は溶融アルミニウム層４を経て炭素質陰極炉
底５に移動する。

また炭素質陰極炉底５内においても同様に電流通過によ
りジュール熱が発生し、電解浴３中で発生して溶融アル
ミニウム層を経て移動してくる熱量とともに一部は底部
耐火・断熱材１１を経て底部炉外殻、炉外へと放熱され
、また一部は陰極集電棒７、側壁炭素質内張り６に移動
して側部耐火断熱材１０を通って炉外へ放熱される。

すなわち電解炉は電解電流によるジュール熱にて温度維
持を行なう内燃機関であり、平衡状態における電解浴の
温度は一定であるため、例えば電解浴と側部炭素質内張
り間を流れる熱量が大きい程、熱流方向にある側部炭素
質内張り部に沿ってクラストが生成されやすくなる。

このため電解炉内の目的とする部分に所要量のクラスト
を形成せしめる方法として電解浴中で発生したジュール
熱を強制的にクラストの生成を期待する位置から同レベ
ルの炉外殻、炉外へと熱伝達せしめて放熱する手段が取
りうる。

本発明においては、電解浴から側部炭素質内張りを経て
炉外への放熱を促進せしめることを目的として、アルミ
ニウム製造用電解炉の鉄製外殻側壁の内部と焼成炭素質
ブロックおよび／又は炭素質スタンプマスとの間に存在
し、かつ該鉄製外殻底部と該外殻上部で仕切られた範囲
内の鉄製外殻側壁内部に耐温性、耐酸化性を有する熱の
良導体部材を配設せる電解炉下部構造を提供するもので
あり、この様な構造を有する電解炉を用いることにより
、電解浴中で電流通過により発生するジュール熱を強制
的に側部炭素質内張り、該部材、炉殻へと伝達せしめて
炉外へ放熱することができ、該経路を介しての熱移動量
が多くなる。

本発明においては熱の良導体部材が電解炉の鉄製外殻底
部と該外殻上部で仕切られた範囲内の鉄製外殻側壁内部
に配設されるため、電解炉内に発生したジュール熱が電
解炉側壁方向に強制的に伝達され、電解炉側壁に操業上
好ましいクラストが形成される。

ところが、該外殻上部以外の電解炉上部に熱の良導体部
材が配設された場合には、熱が電解炉上部方向に強制的
に伝達され、クラストが電解炉上部に張り込み過ぎ操業
上好ましくなく、また該外殻底部以外の炉底部に熱の良
導体部材が配設された場合には、熱が電解炉底部方向に
強制的に伝達され、炉底部にスラッジあるいはクラスト
が多く形成され、操業上問題となる。

本発明で用いる熱の良導体部材は炉外殻側壁方向への熱
移動量を増大せしめるため、炉外殻側壁内面に沿って配
設すればよいが、より効率、効果的な熱伝導を達成させ
るためには、電解炉内の溶融電解浴層上面と溶融アルミ
ニウム層下面で仕切られた範囲内の炉外殻側壁内部にか
かつて、配設すればよい。

本発明において「・・・−・・にかかって配設」とは限
定された範囲内に部材の一部分でも配設されておればよ
いという意味であり、部材の残部分がたとえ範囲外に配
設されていようともこの範躊にあるといえる。

すなわち、電解炉内の溶融電解浴層上面と溶融アルミニ
クム層下面で仕切られた範囲を延出するごとく炉外殻側
壁内部に熱の良導体部材を配設することも可能である。

より好ましくは例えば第２図に示すごとく電解浴３上面
と溶融アルミニウム層４下面で仕切られた範囲内の炉外
殻側壁内部に配設される。

またかかる熱の良導体部材１３は炉外殻１の側壁内部全
周に配設してもよいが、例えばアルミナの供給方式によ
り、電解炉の短辺側両側部に密に配設してもよく、炉外
殻側壁全周部にわたって各位置の熱放射量を算定して、
必要とされるかかる部材の大きさ、設置位置等を決定す
ればよい。

かかる目的に使用される耐温性、耐酸化性を有する熱の
良導体部材としては具体的には鋼材鋼材等が挙げられる
が経済性や加工面から鋼材がより適当である。

該部材１３は熱を効率的に炉外殻へ伝達させるため、熱
的に一体に構成されていることが望ましく、例えば炉外
殻と同一材料で一体に、あるいは溶接により一体化して
構成してもよい。

第３図は炉外殻より内部に延びるフィン状の熱の良導体
部材を設けた電解炉の部分拡大図を示すものであり、該
部材１３は主目的の熱の伝導性とともに炉外殻との一体
成形の難易、溶接の難易等、又築炉時の作業性等を考え
合すて奸才しい態様を選択し、その形状も任意に選択す
ればよい。

以上詳述したごとく本発明の構造を有する下部構造を持
つ電解炉を採用することにより電解炉側壁部に好ましい
形のクラストの形成が可能となり、電解炉の操業は一段
と安定化することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のプリベーク式アルミニウム電解炉の短辺
方向の縦断面側面図であり、第２図は本発明のプリベー
ク式アルミニウム電解炉の一実施態様を示す短辺方向縦
断面側面図である。 第３図は本発明の別の態様を示す電解炉下部構造の部分
断面図である。 １・・・・・・炉外殻、２・・・・・・炭素陽極、３・
・・・・・電解浴、４・・・・・・溶融アルミニウム層
、５・・・・・・炭素質陰極炉底、６・・・・・・側部
炭素質内張り、７・・・・・・陰極集電棒、８・・・・
・・側部炭素ブロック、９・・・・・・側壁耐火断熱材
、１０・・・・・・側部耐火断熱材、１１・・・・・・
底部耐火断熱材、１２・・・・・・クラスト、１３−・
・・・・熱の良導体部材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １鉄製外殻とその内壁部に耐火断熱材を敷障１さらに焼
   成炭素質ブロックお、よび／又は炭素質スタンプマスを
   内張して構築されてなるアルミニウム製造用電解炉下部
   構追番、こおいて、總鉄製外殻側壁の内部と焼成炭素質
   ブロックおよび／又は虞素質スタンプマスとの間に存在
   し、かつ該納桐外殻底部と該外殻上部で仕切られた範囲
   内の鉄製外殻側壁内部に耐温性、耐酸化性を有する熱の
   良導体部材を配設してなるアルミニウム製造用電解炉。 ２該、熱の良導体部材が電解炉内の溶融電解浴層上面と
   溶融アルミニウム層下面云仕切られた範囲内の鉄製外殻
   側壁内部にかかつｔ配設されてなる特許請求の範囲第１
   項記載の電解炉。 ３該、熱の良導体部材が電解炉内の溶融電解浴層上面と
   溶融アルミニウム層下面で仕切られた範囲内の晧製外殻
   側壁内部に配設されてな゛る特許請求の範囲第１項記載
   の電解炉。 ４該熱の良導体部材が鋼材であ仝特許請求の範囲第１〜
   ３項のいずれかに記載の電解炉。 ５該熱の良導体部材と鉄製外殻とが熱伝導的に一体に形
   成されてなる特許請求の範囲第１〜４項のいずれかに記
   載の電解炉。 ６該熱の良導体部材が鉄製外殻と熱伝導的に一体に形成
   され、該鉄製外殻側壁より内部に延びる鋼材で構成され
   てなる特許請求の範囲第５項記載の電解炉。