JPS596390A - 電解還元槽 - 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】 本発明はアルミニウムを製造する電解還元槽であって、
その中で金属が溶融アルミニウムより密度の低い溶融電
解質で、耐火補強シェル構成体に含まれた電解質を高架
陽極と陰極の種床構成体の間に電流を通して電解する事
により溶融状態で製造される電解還元槽に関する。

このような還元槽において、陽極／陰極距離を最低の実
行可能価に維持し、電解質の抵抗を上回るのに伴なうエ
ネルギー損失を抑えるのが望ましい。陰極が溶融アルミ
ニウムのプールにより構成されている従来の還元槽にお
いて、溶融金属に作用才ろマグネト流体力学的力により
誘発される波動により陽極／陰極距離が約５ＣＴＬ以下
で作動するのはほぼ不可能になる。然しなゲら、ドレン
陰極構成体を使用すれば、このような槽では製品金属が
連続的にサップに排出し、種床の活性陰極面上に溶融金
属の薄膜しか残さないので、より小さい陽極／陰極距離
の使用が可能である事が古くから認められている。

多くの提案がドレン陰極槽に出されたが、これまで必然
的に高い資本コスト（従来の液体金属陰極を支持する炭
素補強陰極床な備えた従来の槽に比べて）Ｋ対し長く満
足すべき作動をなしてコスト的に実効のあがる構造は見
出せなかった。

ドレン陰極槽造においては、活性陰極は溶融アルミニウ
ムによる及び溶融フッ化物摺電解質の両方の侵食に抗す
る電導性材料により構成される。

この厳しい材料要求により遷移金属の炭化物ホウ化物、
ケイ化物及び窒化物により構成された「超硬合金」耐火
物を使用するようになる。ドレン陰極を構成するには；
ホウ化物、特にＴｚ１３２が好ましく、それは電導性で
あると共に、溶融アルミニラム及び溶融フッ化電解質の
両方の浸食に対し非常に抵抗性である。それは又溶融ア
ルミ、ニウムにより湿化するが、溶融フッ化電解質によ
っては湿化しない。

米国特許第４，０７１，４２０号明細書において、電解
槽を溶融アルミニウムを入れる多数の上向きの間隔をお
いた管で構成し、還元槽の活性陰極として作用するよう
にする事が既に提案されている。

これらのアルミニウム充填管は摺電解質に槽の底の溶融
金属のプール内から上方に突出している。

この溶融金属のプールはその側方の大きさが限られ、従
ってマグネト流体力学乱流も振幅′−限られる。上記の
米国特許明細書においてアルミニウム含有管の下端は種
床に対して密閉され、産出された溶融金属は管の上端か
らあふれ出て、その外面に流れ落ちる。この型の構造は
陰極床への接続が管をその所与位置に維持するのを必要
とするが、使用される材料が異なり、膨張特性が異なり
且つ化学的侵食や温度応力に対する抵抗が異なるので。

管を元のままに維持し、長い期間その所与位置に維持で
きる事は殆どありえない。

アルミニウム製造用の市販電解還元槽の作動において直
面する他の問題は相当大きい塊のアルミナからなるスラ
ッジが摺電解質の表面被覆と共に形成される事である。

このようなスラッジは従来の槽クラスト破壊によって槽
にアルミナを送る結果であり、槽の底に蓄積しようとす
る。溶融金属が全体的に循環運動する従来の槽において
は、このようなスラッジはバランスを保ち、それは槽の
側壁での凍化電解質の境界における溶融金属の線周囲の
上方移送によると考えられている。

陰極管の上端が開放し、その管の下端が閉塞されている
所では、このような管は漸進的にスラッジが充填し、従
って槽の電気的特性の乱れはおそくなる。

本発明により構成された槽において、陰極は上方開放管
部材の配列形式を残しているが、異なる作動原理を使用
している。管内の溶融金属は槽の底の金属プールにおけ
る溶融金属と連通している。

この場合管の直径は溶融金属の高さが通常の槽の作動循
環中に生ずる全ての溶融金属高さにおける毛細管作用に
より管の上端に又はそれに、隣接して保持されるように
選択される。この目的のための毛細管作用の有用性は、
管が溶融金属により湿化可能であり、摺電解質によって
は湿化しない事に依存している。

この目的のための管状部材は種床上に支持された自由起
立部材で、溶融金属プールと連通ずる一つ又はそれ以上
の側方通路を有する。スラッジ形成粒子が管状部材の毛
細管通路に入ると、それは側方通路を通って出て行く事
ができる。然しなから、このような粒子が毛細管通路に
入るのは、それが毛細管通路での又はその中の金属／電
解質の界面におけろ表面力により強く抵抗されるのであ
まりある事でない。個々の部材は三脚足を有し、足の間
に側方スロット又番；通路を備える。然しなから、この
ような通路又はスロットは最低の金属高さ、即わち槽の
サイホン取出口の端部の金属高さの溶融金属で完全に満
たされるような大きさになっている。各部材は一つ又は
それ以上の垂直毛細管通路を備え、その各は下端が開放
している。

自由起立管状部材が使われている所では、陰極電流は種
床の溶融金属プールを通して床（この場合電導性でなけ
ればならない）下の集電装置又は床中或いは溶融金属と
直接接する槽の側壁中の集電装置に誘導される。耐火超
硬金属部材の単層を溶融金属中に沈めである。このよう
な部材は溶融金属による侵食に対し抵抗性である事を要
し、更に好ましくは溶融電解質による侵食に抵抗性であ
る。

このような部材が電導性か又は非電導性であるかどうか
は問題ではない。然しなからそれらは好ましくはＴｊＢ
２合成物で形成される。ＴｉＢ２が化学的侵食に対し高
抵抗性だからである。この層の目的は二つある。

１、金属プールの深さが小さい時、槽の底に連続金属表
面を備える。

２、自由起立管状部材の運動を妨げる。

本発明による毛細管陰極部材を備えた槽の構造において
、溶融アルミニウム及び／又は溶融摺電解質にふれる全
ての槽表面は炭素又は炭素帯持材料がなく毛細管部材上
又はその中に炭化アルミニウムが伺着する可能性を減少
するのが好、ましい。

このような付着は溶融金属によるこのような部材の湿化
性を減らし、従ってこの部材の通行の毛細管効果を減少
する傾向があるからである。このような無炭素面はＴｉ
１３２のような電導材料か６又はアルミナ又は他の酸化
又は窒化物基体耐火物のような電気及び熱絶縁性材料か
ら作られる。然しなから、場合により資本コストの理由
により槽を従来の炭素ライナにしてもよい。

本発明による槽は好ましくは連続する取出口の間で作ら
れた金属が管状部材周囲の空間に集積し、従って槽の弱
点となる大きな金属集積サップを備えろ事は回避される
。管状部材の長さは部材周囲の溶融金属の高さが部材の
頂部の下、好ましくは取出し前の部材の頂部の少くとも
１ｃｒｆＬ下にあり。

一方横断通路は取出し後溶融金属により沈下した状態で
あるように選択される。従って殆どの場合、横断通路上
の管状ステムの長さは約５ｃｒｆＬで取出し操作の間に
金属プールの深さが３ＣｒｆＬ増大するのが可能である
。

作動において、摺電解質の高さの変化は変移ブロック又
は特願昭５８−　　　号（英国特許願第８２１７７１２
号）明細書に記載されたような個々に調節可能の陽極を
使用する事により出来るだけ平均化される。

上記の事から毛細管通路の内径は毛細管作用が溶融摺電
解質内に溶融アルミニウム金属の約４儂以下のカラムを
支持するように選択されなければならない事がわかる。

毛細管通路の対応する最大直径はなかんずく溶融アルミ
ニウム及び摺電解質の間の密度の差に依存し、それはそ
の組成に従って成る程度変化する。得られた情報から計
算すると従来のフッ化物摺電解質で表面力が３．３ＣＩ
ｒＬＶｃ及ぶ内径を有するＴｉＢ２管Ｖｃ４Ｃｒｎのア
ルミニウムカラムを支持する事が示されろ。毛細管通路
の内径を０．５−２．５ｃｍの範囲に制限するのが好ま
しい。

過度のスペースを占める事なく管状部材に十分な機械力
を備えるのに、毛細管通路に２−６朋の壁厚を使用する
と共に、部材の中心と中心の間の間隔（二等辺三角空間
における）は陰極部材の毛細管部分の外径の１２−３倍
である。間隔、が上記したより少ない時、部材間の金属
貯蔵空間が若干過度に減少し、対応して最大及び最低の
高さに大きな変動を生じ、一方間隔が上記の最大値より
も大きいと、陰極部材の上端での電流密度は若干好まし
くない高いものになる。

上記の説明はもっばら一定の壁厚を有する起立筒状管に
ついてなされたが、他の形も可能である。

例えば管を内側及び外側の両方にテーパー状にしてより
安定した基台にする事ができる。断面が長円形、正方形
又は長方形の部材も又可能であり、使用によってはそれ
が好ましい。

管状部材の下端は種床の浅い凹部に動きばめされ１部材
を囲む金属の横流による側方運動を制限する。

自由起立管状部材とその凹部の壁の間の隙間は好ましく
はスラッグ粒子の進入を避けるか又は制限するような大
きさとする。容易に理解されるように、これは界面引張
り力を利用する事により達成される。部材が凹部内に起
立している所では、その側壁の連通路は好ましくは種床
上の高さに延長しスラッグによるつまりの可能性を回避
する。

次に添付の図について鋭部する。

第１図において、摺電解質は耐火ライニング（図示せず
）で裏打ちされた外側スチールシェルで囲まれている。

槽は公知の方式で陰極バスバー（図示せず）に連結した
陰極コレクタバー２に電気的に接続する電導陰極床ブロ
ック１を有する。

槽は公知の方式で垂直運動自在に支持された陽極ロッド
４により懸垂された陽極３を備えている。

床上に一連の筒状管状部材５が備えられており。

それは溶融アルミニウムによっては湿化されるが槽の電
解質には湿化されない材料から構成される。

部材５は好ましくは互いにほぼ一定の位置に維持される
。各部材５はその下端近く、に横スロット６を備え、新
しい金属が電解質９上電解作用により陰極部材５に付着
すると、個々の部材５の孔内に含まれた金属７から種床
上の溶融金属の浅いプール８に溶融金属が自由に流れる
ようにする。

第２図において、溶融金属プール８が低い高さ、即わち
槽からの取出しの直ぐ後の状態でこされている。取出し
直後のプール８０表面と部材５の頂部の間の垂直距離り
と部材５０間の間隔は槽の取出しの間に製造される溶融
金属の量がｈより短い距離だけ金属プールを増大させる
価に選択される。

更にこの必要性により部材５の孔の直径に制限が与えら
れる。この孔の直径は表面引張力がｈと同じか或いはそ
れより大きい高さの各部材中の溶融金属のカラムを維持
できるように十分小さくなくてはならない。

第３図の変形例において、管状部材１５は外見上円錐形
であり且つ内側円錐形又は筒状孔を有する。この構造は
高み／基台の直径比率が同じ部材間隔での部材間に収容
しうる金属量に対して大きく、従って部材の安定性を改
良する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による電解還元槽の陽極及び陰極構造の
図式的斜視図、第２図は槽の拡大部分図式的断面図、第
３図は第２図と同様の図で、管状部材の変形例を使用し
たものを示す図である。 １・・・陰極床ブロック ２・・・陰極コレクタバー　３・・・陽極４・・・陽極
ロッド　　　　　５・・・管状部材６・・・横スロット
（側方開口） ７・・・管中の溶融金属　　　８−溶融金属のプール９
・・・電解質。 特許出願人　　アルカン・インターナショナル・リミテ
ッド （外４名）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　　アルミニウム製造用電解還元槽であって、床
   （１）と、該床上の溶融アルミニウムのプール（８）と
   、該溶融金属プール上の溶融電解質の層（９）と、該電
   解質の層に浸す一つ又はそれ以上の陽極（３）と、溶融
   アルミニウムで満たされた且つ溶融金属プールかｌ解質
   層に延長する上方開放管状部材（５）の配列により構成
   された陰極とを含む槽において、各管状部材がその下端
   に側方開口（６）を備え、それによって管中の溶融金属
   が溶融金属プールのそれと連通し、管の内径はその中の
   溶融金属の高さが槽の通常作動中生ずる全ての溶融金属
   の高さで毛細管作用により管の上端かそれに近くに維持
   されるように選択され、管状部材の材料は優先的に摺電
   解質の前で溶融金属により湿化されるものである事を特
   徴とする槽。 （２、特許請求の範囲第１項記載の槽において、管状部
   材は種床上に支持された自由起立部拐である槽。 （３）特許請求の範囲第１項又は第２項記載の槽におい
   て、各管状部材は三脚足を有し、足の間に側方開口を備
   えている槽。 （４）特許請求の範囲第１項から第３項までのいずれか
   １項記載の槽において、各管状部材はその上端及び下端
   でその中に開放した一つ又はそれ以上の垂直管を有する
   槽。 （５）特許請求の範囲第１項から第４項までのいずれか
   １項に記載の槽において、溶融金属に沈められた耐火超
   硬金属部材の単層を備えている槽。 （６）特許請求の範囲第１項から第５項までのいずれか
   １項記載の槽において、溶融アルミニウム及び／又は溶
   融摺電解質にふれる全ての槽が炭素又は炭素含有材料が
   なく、管、状部材に炭化アルミニウムの付着の可能性を
   減らすようにした槽。 （７）特許請求の範囲第１項から第６項までのいずれか
   １項に記載の槽において、管状部材がニホウ化チタンで
   ある槽。 （８）特許請求の範囲第１項から第７項までのいず矛ｔ
   カ・１項に記載の槽において、管状部材の長さが約５儂
   である槽。 （９）特許請求の範囲第１項から第８項までのいずれか
   １項に記載の槽において、管の直径が０．５−２．５ｃ
   ｒｒＬである槽。 （１０）　　特許請求の範囲第１項から第９項までのい
   ずれか１項に記載の槽において、管状部材の壁厚が２−
   ６ｍｍである槽。 （１１）　　特許請求の範囲第１項から第１０項までの
   いずれか１項に記載の槽において、配列された部材の相
   互部材間隔が部材の管状部分の外径の１．２倍から３倍
   である槽。 （１２）　　特許請求の範囲第１項から第１１項までの
   いずれか１項に記載の槽において、各管状部材が下部か
   ら上部に対しテーパーななす槽。 （１３）　　特許請求の範囲第１項から第１２項までの
   いずれか１項に記載の槽において、管状部材の下端が種
   床の浅い凹部に動きばめされている槽。 （１４）　　アルミニウム製造用電解還元槽であって、
   床（ｔ）と、該床上の溶融アルミニウムのプール（８）
   と、該溶融金属プール上の溶融電解質の層（９）と、該
   電解質の層に浸す一つ又はそれ以上の陽極（３）と、溶
   融アルミニウムで満たされた且つ溶融金属プールから電
   解質層に延長する上方開放管状部材（５）の配列により
   構成された陰極とな含む槽において、各管状部材がその
   下端に側方開口（６）を備え、それによって管中の溶融
   金属が溶融金属プールのそれと連通し、管の内径はその
   中の溶融金属の高さが槽の通常作動中学ずる全ての溶融
   金属の高さで毛細管作用により管の上端かそれに近くに
   維持されるように選択され、管状部材の材料は優先的に
   摺電解質の前で溶融金属により湿化されるものである事
   を特徴とする槽を作動する方法であって、陰極と陽極の
   間に電流を通し、それによって溶融アルミニウムが形成
   され、管状部材周囲のプールに集積し、溶融アルミニウ
   ムを定期的に取出し、取出しの頻度と程度は管状部材・
   の長さに関して選択され、取出し前の溶融アルミニウム
   の高さが部材の上部の少くとも１ｃｒｒＬ下にあり、側
   方開口が取出し後の溶融アルミニウムに沈下した状態に
   とどまるようにした方法。