JPS6116355B2 - - 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（以下単に
電解炉と呼称する）に関し、特にその陰極部の導
体配置に関する。さらに詳細には、長辺並置式、
いわゆるサイド・バイ・サイドに配置された電解
炉における陰極部導体配置の改良に関するもので
ある。

電解炉は、鉄製の枠の内側を耐火レンガで内張
りされ、さらにその内側が焼成炭素ブロツクおよ
び炭素質のスタンプマスで内張りされて、ルツボ
状を形成している。その中には氷晶石を主体とし
た電解浴が収容され、電気的発熱によつて溶融状
態に保たれている。炉底の炭素内張りには、鉄製
の陰極集電棒が埋込まれ、その炭素内張りが陰極
を構成している。

陰極炉体の上方には、炭素質の陽極が懸垂さ
れ、その下面は電解浴中に浸漬され、直流電流が
陽極から電解浴を経て陰極へと流れることによつ
て電解分解が行われ、電解溶中のアルミナからア
ルミニウムが陰極面に溶融状態で析出する。それ
と同時に電解浴の融解に必要な熱量が発生する。

近年、電解炉は大容量化の傾向にあり、省力
化、自動化とともにますますそれに拍車がかかつ
ている。ところが大容量化に伴つて、電磁力に起
因する溶融アルミニウム層の激しい回流現象が発
生し、さらには溶融アルミニウム層が盛り上がつ
たり、浴との境界部分において波動を生じたりす
る。これらの結果として、電流効率を著しく低下
し、また電解炉の内張りを損傷して早期休止を招
いたりするなど種々好ましくない影響が出てく
る。

かかる電磁力の影響を小さくするために、短辺
並置式いわゆるエンド・ツウ・エンド（End to
End）に配置された電解炉および長辺並置式いわ
ゆるサイド・バイ・サイド（Side by Side）に
配置された電解炉のそれぞれに対していろいろな
導体配置が提案されている。すなわち電磁力は電
流と磁界との相互作用によるものであり、特に陰
極母線を流れる電流に起因する磁界の影響が大き
い。そこで、陰極母線を適切に配置して、電磁力
による好ましくない結果を防止しようとするもの
のである。

エンド・ツウ・エンドに配置された電解炉は、
本発明の目的ではないのでここでは省略し、以下
サイド・バイ・サイドに配置された電解炉につい
て、そこで発生する電磁力を具体的に説明する。

サイド・バイ・サイドに配置された電解炉と
は、電解炉の長い方の側部が電解炉列の電流方向
に対して直角に位置するように配列されているも
のであり、かかる設備においては通常陰極集電棒
の端が電流の方向に対して電解炉の上流側および
下流側の二方向から出ており、前者は上流側端、
後者は下流側端と称される。電解炉は直列に接続
されており、上流側電解炉の陰極集電棒は上流側
端から出たものも下流側端から出たものもとも
に、陰極母線およびライザ（立ち上がり母線）を
経て、隣接の下流側の電解炉の陽極母線に接続さ
れている。

電解炉中にある析出溶融アルミニウムに作用す
る電磁力は次式によつて表現される。

FxM＝−DzM・By＋DyM・Bz ……(1) FyM＝DzM・Bx−DxM・Bz ……(2) FxM＝DxM・By−DyM・Bx ……(3) ここで、 FxM；電解炉長辺方向（以下ｘ方向と呼称す
る）の溶融アルミニウム中の電磁力 FyM；電解炉短辺方向（以下ｙ方向と呼称す
る）の溶融アルミニウム中の電磁力 FzM；電解炉垂直方向（以下ｚ方向と呼称す
る）の溶融アルミニウム中の電磁力 DxM；ｘ方向の溶融アルミニウム中の電流密度 DyM；ｙ方向の溶融アルミニウム中の電流密度 DzM；ｚ方向の溶融アルミニウム中の電流密度 Bx；ｘ方向の磁束密度 By；ｙ方向の磁束密度 Bz；ｚ方向の磁束密度 各変数は符号をもち、ｘ方向の場合は電解炉列
の電流方向に対して右側を向くものが正であり、
ｙ方向の場合は電流方向がプラスであり、ｚ方向
は上方がプラスである。

溶融アルミニウムの回流の主な原因となつてい
るｘ方向およびｙ方向の電磁力に着目すると、(1)
式および(2)式の第１項による力は電解炉の中心を
通るｙ方向の軸（以下ｙ軸という）および電解炉
の中心を通るｘ方向の軸（以下ｘ軸という）に対
してほぼ対称であり、電解炉の中心部に向かう電
磁力となつている。なぜなら、ｘ、ｙ方向の磁束
密度（Bx、By）を生じている主な電流は陽極か
ら電解浴および溶融アルミニウム中を通つて陰極
に流れる電流であつて、それらのバランスが極端
にくずれない限り、ｘ、ｙ方向の合成磁界は回転
磁界となり、その磁界とＺ方向の電流密度
（DzM）とのベクトル積である電磁力は電解炉の
中心部へ向かうためである。

ところで、(1)式および(2)式の第２項は、ｚ方向
の磁束密度（Bz）と溶融アルミニウム中の水平
方向の電流密度（DxM、DyM）とのベクトル積
である。ここでDxM、DyMは、電解炉が水平面
に対して長方形をなし、ｘ方向、ｙ方向に関して
対称性があるが故に通常対称性がある。しかしな
がらBzについてはその対称性を得るのが最も困
難である。それはBzを生じている主な電流が陰
極母線を流れるものであり、Bzがその陰極母線
の配置に左右されるからである。

そして一般的なサイド・バイ・サイドに配置さ
れた電解炉においては、上流側端の両隅部でｚ方
向の磁束密度（Bz）が最も大きくなり、その向
きは電流の流れる方向に対して上流側左隅部で下
向き、上流側右隅部で上向きとなる。すなわちこ
の垂直磁束密度（Bz）の分布は、ｙ軸に対して
ほぼ対称となるが、ｘ軸に対しては著しく非対称
となる。その結果、(1)式および(2)式による電磁力
FxM、FyMが非対称となり、溶融アルミニウム
の流れが大きくなる原因となつている。

したがつて、(1)式および(2)式による電磁力
FxM、FyMをｘ軸およびｙ軸に対して対称と
し、しかもその絶対値を小さくすることにより、
溶融アルミニウムの流れを小さくし、さらにはそ
の盛り上がりを小さくすることができる。換言す
れば垂直磁束密度（Bz）の分布を、ｘ軸および
ｙ軸のそれぞれに対して対称とし、その絶対値を
小さくすればよいわけである。

一方、電解炉内において溶融アルミニウムの上
層を形成する電解浴（前述したとおり氷晶石を主
体とする溶融塩）中にも電磁力が作用する。その
電磁力は次式によつて表わされる。

FxB＝−DzB・By＋DyB・Bz ……(4) FyB＝DzB・Bx−DxB・Bz ……(5) FzB＝DxB・By−DyB・Bx ……(6) ここで、 FxB；ｘ方向の電解浴中の電磁力 FyB；ｙ方向の電解浴中の電磁力 FzB；ｚ方向の電解浴中の電磁力 DxB；ｘ方向の電解浴中の電流密度 DyB；ｙ方向の電解浴中の電流密度 DzB；ｚ方向の電解浴中の電流密度 Bx；ｘ方向の磁束密度 By；ｙ方向の磁束密度 Bz；ｚ方向の磁束密度 これらの式においては、一般にDxB＝０、DyB
＝０とみなし得る。なぜなら、電解浴の電気抵抗
は溶融アルミニウムのそれに比べてはるかに大き
いため電解浴中を流れる電流は陽極から陰極へと
垂直に流れる成分だけをみなせるからである。し
たがつて、電解浴中の電流密度としてはｚ方向の
成分（DzB）だけを考慮すればよく、(4)式、(5)式
および(6)式は次のように書き換えられる。

FxB＝−DzB・By ……(7) FyB＝DzB・Bx ……(8) FzB＝０ ……(9) この(7)式および(8)式で示される電磁力（FxB、
FyB）によつて、電解浴にも流れを生ずる。

そして、(1)式および(2)式の電磁力で生ずる溶融
アルミニウムの流れと、(7)式および(8)式の電磁力
で生ずる電解浴の流れとを比較すると、一般的は
サイド・バイ・サイドに配置された電解炉におい
ては前者の方がやや大きいが、このズレ（流速
差）が大きくなりすぎると、溶融アルミニウム電
解浴との界面が不安定となり、界面波が発生しや
すくなる。界面波が発生すると陽極−溶融アルミ
ニウム間距離が不安定になり、電流効率が極端に
低下する。したがつて溶融アルミニウムの流れと
電解浴の流れとのズレを小さくするような導体配
置がより安定した電解炉の操業に必要とされる。

サイド・バイ・サイドに配置された電解炉の導
体配置については、主に溶融アルミニウム層に働
く垂直磁界を小さくするとともにその分布を対称
化して溶融アルミニウムの流れをできるだけ小さ
くしようとする試みが、種々提案されている。

例えば特公昭52−16843号公報には、上流側端
の陰極母線をすべて炉下空間にｙ方向と平行に引
込み、電解炉中央部付近でｘ方向と平行に左右に
振分け、電解炉外方へ引出す配置が開示されてい
る。この配置によれば溶融アルミニウム層に働く
垂直磁界をかなり小さくすることができ、その結
果溶融アルミニウムの流れを小さくできるが、電
解浴中の電磁力、すなわち前記(7)式および(8)式に
よる電磁力は大きくなり、したがつて電解浴の流
れおよびそれと溶融アルミニウムの流れとのズレ
について考慮されていない。事実本発明者らの計
算によればこの導体配置においては、溶融アルミ
ニウムの流れと電解浴の流れとのズレがやや大き
いもののとなつている。

また、特開昭56−290号公報には上流側端の陰
極母線を、一部は電解炉の短辺外方に通し、他の
一部は炉下空間にｙ方向と平行に通し、電解炉下
流側炉下空間で左右に振分けて電解炉短辺外方に
引出す配置が開示されている。この配置において
も電浴中の電磁力について考慮されておらず、溶
融アルミニウムの流れと電解溶の流れとのズレが
やや大きくなつている。

本発明者らは、 (1) (1)式および(2)式で示される溶融アルミニウム
中の電磁力（FxM、FyM）をできるだけ対称
化するとともに、その絶対値を小さくすること
により、主に溶融アルミニウムの流れや盛り上
がりを小さくする。

(2) (7)式および(8)式で示される電解浴中の電磁力
（FxB、FyB）に基因する電解浴の流れと、(1)
式および(2)式で示される溶融アルミニウム中の
電磁力（FxM、FyM）に基因する溶融アルミ
ニウムの流れとのズレをできるだけ小さくする
ことにより、両者の間の界面波の発生をなるべ
く少なくする。

という二点を満足すべき導体配置について研究を
重ねた。

そしてこの研究にコンピユータ・プログラムを
作成し、種々の導体配置について研究を重ねた結
果、(1)のみで溶融アルミニウムの流れを小さくし
ても必ずしも(2)は満足できないことがわかつた。
さらに研究を重ね、(1)および(2)をほぼ満足できる
導体配置を見出すに至つた。

すなわち本発明は、電解炉の上流側端に集めら
れた陰極電流の大部分（60％以上）を電解炉炉下
空間に電解炉列軸線と平行に配置される陰極母線
に通し、隣接炉列からの影響の度合によつて上流
側陰極電流の一部をその電解炉の隣接炉外側外方
を廻つて電解炉短辺外側に至る陰極母線に通すよ
うにした電解炉を提供するものである。ここで隣
接炉列からの影響が極めて小さい場合には外廻り
の陰極母線をなくすことも可能である。そして電
解炉炉下空間に電解炉列軸線と平行に配置した陰
極母線は、炉下空間における下流側の特定位置で
左右に振分けて電解炉短辺外側に至らしめること
により、上記(1)および(2)の目的をほぼ満足する電
解炉の提供しようとするものである。

以下本発明をさらに詳細に説明する。

第１図は電解工場内の電解炉の配列を概略的に
示したものである。

第２図は本発明による電解炉の基本的導体配置
を示す概略平面図である。

第３図は本発明の実施例を示す概略平面図であ
る。

通常の電解工場においては、電気的理由により
隣接炉列が設けられる。すなわち第１図に示すよ
うに、列Ｉに配置された電解炉１，１，……を通
つた電流が、さらに列に配置された電解炉１，
１……を通つて、戻るようになつている。全体的
な電流の向きを矢印Ａで示した。なお、図では２
列の場合を示したが、さらに複数列配置されるこ
ともある。そして本発明において隣接炉列という
のは、列からみて列のことおよび列からみ
て列のことである。本発明は、このような隣接
炉列を有する電解炉の導体配置に関するものであ
る。

第２図には本発明による電解炉の基本的導体配
置を示した。図において１ａ，１ｂは第１図のよ
うに配置される電解炉列を構成する任意の電解炉
であるが、両者を特に区別する必要がない時は以
下単に電解炉１という。また矢印Ａは全体的な電
流の向きを、矢印Ｂは隣接炉列の方向をそれぞれ
示す。なお、上流側の電解炉１ａについては主と
して陰極母線の配置を、また下流側の電解炉１ｂ
については主として陽極母線の配置を示した。上
流側電解炉１ａ内の点線ｍは溶融アルミニウム領
域を示す。またｘ軸およびｙ軸は、前述したとお
りそれぞれ電解炉長辺方向中心線および電解炉短
辺方向中心線である。ｙ軸は換言すれば電解炉列
の軸線である。

電解炉１の陰極からは、上流側端および下流側
端に向けて陰極集電棒２，２，……および３，３
……が出ており、それぞれ陰極母線１０，２０，
３０，４０に接続する。そして本発明では上流側
端に集められた陰極電流（全電流の1/2に相当す
る）のうち、40％以下の陰極電流を当該電解炉１
の隣接炉列側外方を廻つて電解炉１の短辺外側に
至る陰極母線１０，１５に通し、残りの上流側陰
極電流、すなわち陰極母線２０，３０に集められ
た電流は、電解炉１の炉下空間に電解炉列軸線
（ｙ軸）と平行に配置した少なくとも２本の陰極
母線２１，３１に通す。この陰極母線２１，３１
はそれぞれ複数本に分割されていてもよい。

全電解電流をＩとすると、上流側端および下流
側端にはそれぞれＩ／２ずつの電流が集められ
る。そして上流測端に集められたＩ／２の電流に
対し、外廻りの陰極母線１０，１５に流す電流の
割合をαとすると、本発明では α≦0.4 とする。これは、隣接炉列から受ける垂直磁界の
影響を打消そうとするものであり、その影響の度
合によつてαの値を適宣選択すればよい。一般に
隣接炉列との距離が小さいほどそこから受ける垂
直磁界は大きくなる。したがつて、隣接炉列がほ
とんど影響しないほどはるかに遠い位置にある場
合はαの値を極小とすることができる。αが0.4
を越えると隣接炉列からの影響を相殺する以上の
電流が外廻りの陰極母線１０，１５に流れるた
め、電解炉１内の垂直磁界の対称性を乱し、また
溶融アルミニウムの流れと電解浴の流れとのズレ
が大きくなり、これらの結果として電流効率を著
しく低下するなど種種好ましない影響が出てく
る。なお、どんな方索をとろうとも実際には隣接
炉列からの垂直磁界を妙無にするのは難しいと考
えられるので、わずかでも外廻りの陰極母線１
０，１５に電流を流すのが好ましく、また隣接炉
列が極端に近ずかない限り、外廻りの陰極母線１
０，１５に流す電流を大きくしてもかえつて幣害
が出てくる。したがつてαの好ましい値は0.05〜
0.3の範囲にとる。

本発明者らの計算の一例によれば、電流容量
175KAの電解炉において、隣接炉列までの距離
（炉芯間距離）が25ｍの場合にα＝0.2〜0.3、ま
たその距離が45ｍの場合にα＝0.05〜0.2とする
ことにより、前述した目的を満足できた。

上流側陰極電流（Ｉ／２）のうち、外廻りの陰
極母線１０，１５に流す電流（αＩ／２）以外の
電流は、炉下空間に配置する陰極母線２１，３１
に通すのであるが、それぞれの上流側陰極電流
（Ｉ／２）に対する割合をβ、γとすると
α＋β＋γ＝１ となる。しかも一般には、 α＋β＝γ、（（α＋β）／γ＝１） とする。

次に炉下空間に配置した陰極母線２１、３１
は、その炉下空間で左右に振分け、陰極母線２
３、３３に接続して、電気炉短辺外側へ至らしめ
る。この振分け位置も本発明では重要な部分であ
る。そして第２図に示すように電解炉１の長辺方
向中心軸線（ｘ軸）から電解炉１内の溶融アルミ
ニウム領域の端部までの距離をｄとし、Ｘ軸から
隣接炉列側に振分けた陰極母線２３までの距離を
ａ、その反対側に振分けた陰極母線３３までの距
離をｂとすると、本発明ではｘ軸より下流側であ
つて、 ａ＝0.3d〜0.7d ｂ＝0.4d〜0.7d の範囲にとる。種々のデータ、すなわち経済的お
よび物理的に通常考え得る導体の位置、隣接炉列
までの距離、αの値などを考慮して計算を行なつ
た結果、このような範囲で振分けるこにより、前
述した目的がほぼ満足できることを見出したので
ある。

振分け位置がこの範囲よりｘ軸に近づく、すな
わちａ＜0.3d、ｂ＜0.4dになると、溶融アルミニ
ウム中の電磁力は確かに小さくなつて、溶融アル
ミニウムの流れが小さくなるが、電解浴の流れと
のズレがかえつて大きくなる。すなわち前述した
本発明の目的の(2)を満たさなくなる。

また振分け位置が前記範囲より下流側になつた
場合、すなわちａ＞0.7d、ｂ＞0.7dとなつた場合
は、溶融アルミニウムの流れが大きくなるととも
にそれと電解浴の流れとのズレも大きくなつて、
前述した本発明の目的の(1)および(2)とも満たさな
くなる。

なお、炉下空間で振分けた陰極母線２３，３３
も炉下空間にｙ軸と平行に配置した陰極母線２
１，３１と同様、それぞれ複数本に分割すること
が可能であり、分割された場合のａおよびｂの値
は、分割された母線の電気的中心線までの距離と
する。

電気炉１の上流側に集められた陰極電流を流す
陰極母線の配置は以上のとおりであるが、下流側
に集められた陰極電流、すなわち陰極集電棒３，
３……によつて電解炉１から引出された電流は、
一般の電解炉と同様、その電解炉１の長辺方向と
平行に配置される陰極母線４０に通して、電解炉
１の短辺外側に至らしめる。

そして、電解炉１の短辺外側に至らしめられた
陰極母線は、上流側および下流側のものもとも
に、さらに電解炉１の短辺方向と平行に配置され
る陰極母線１５，２５，３５，４５によつて、下
流の次の電解炉１（図では電解炉１ｂ）の短辺側
に配置されるライザ５０，５０に接続する。ライ
ザ５０，５０はさらに電解炉１の陽極母線６０に
接続されて、そこに電流を供給することになる。
ライザ５０，５０は、電解炉１の短辺側のやや上
流側に配置したが、短辺側の中央部に配置しても
もちろんさしつかえない。

第３図には、本発明の具体的実施例を示した。

この図において、第２図と同一の部分には同一
の符号を付してある。

第３図では電解炉１の上流側端および下流側端
から陰極集電棒２，３が出ており、上流側陰極母
線１０，２０，２０′，３０，３０′および下流側
陰極母線４０，４０におのおの接続されている。
そして上流側陰極電流のうち、外廻りの陰極母線
１０，１５に通す電流の割合αを α＝0.071（7.1％） としている。また、上流側陰極電流のうち炉下空
間に配置する隣接炉列側の陰極母線２１，２１′
およびその反対側の陰極母線３１，３１′に通す
電流の割合βおよびγをそれぞれ β＝0.429（42.9％） γ＝0.500（50.0％） としている。

そして炉下空間にｙ軸と平行に配置した陰極母
線２１，２１′および３１，３１′はそれぞれ炉下
空間の下流側で左右に振分けて、ｘ軸と平行な陰
極母線２３，２３′および３３，３３′に接続して
おり、そのｘ軸からの距離ａおよびｂは、電解炉
の長辺方向中心軸線から電解炉１内の溶融アルミ
ニウム領域端部までの距離ｄに対して ａ＝ｂ＝0.5d としている。

一方、電解炉１の下流側端から出ている陰極集
電棒３，３……は、電解炉１の長辺と平行に配置
した陰極母線４０，４０にそれぞれ50％ずつ接続
して、電解炉１の短辺外側に引出している。そし
て電解炉１の短辺外側に引出された陰極母線１
０，２３，２３′，３３，３３′，４０，４０は、
それぞれ陰極母線１５，２５，３５，４５，４５
によつて、下流の次の電解炉１ｂのライザ５０，
５０に接続されている。

この実施例は、隣接炉列が比較的遠いもの、具
体的には隣接炉列までの距離（炉芯間距離）が45
ｍの場合に好ましい配置として計算されたもので
ある。

以上説明したように、本発明の電解炉では溶融
アルミニウム中の電磁力の分布に対称性をもたせ
るとともにその絶対値を小さくし、また電磁力に
基因する溶融アルミニウムの流れと電解浴の流れ
とのズレを小さくすることができる。これにより
溶融アルミニウムの流れや盛り上がりを小さく
し、また溶融アルミニウムと電解浴との界面に発
生しやすい界面波も極力抑えることができる。し
たがつて電解炉の大容量化が可能となり、かつ大
容量化しても安定して効率的な操業が確保される
ので、その工業的価値は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、電解工場内の電解炉の配列を概略的
に示したものである。第２図は、本発明による電
解炉の基本的導体配置を示す概略平面図である。
第３図は、本発明の実施例を示す概略平面図であ
る。 これらの図において１は電解炉、２，３は陰極
集電棒、１０，１５，２０，２０′，２１，２
１′，２３，２３′，２５，３０，３０′，３１，
３１′，３３，３３′，３５，４０，４５は陰極母
線、５０はライザ、６０は陽極母線である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ サイド・バイ・サイドに配置され、隣接炉列
   を有するアルミニウム製造用電解炉において、電
   解炉上流側長辺部より突出した陰極集電棒を少な
   くとも３本の陰極母線に接続し、該陰極母線のう
   ち隣接炉列側に最も近い陰極母線が当該電解炉の
   隣接炉列側外方を廻つて電解炉短辺外側に至る陰
   極母線に接続し、該陰極母線には電解炉上流側長
   辺部に集められた陰極電流のうち40％以下の電流
   を通し、残りの少なくとも２本の陰極母線は電解
   炉炉下空間に電解炉列軸線と平行に配置される少
   なくとも２本の陰極母線に接続し、炉下空間に配
   置される陰極母線はその炉下空間で左右に振分け
   られ、その振分け位置は電解炉長辺方向中心軸線
   より下流側であつて、その中心軸線からの距離が
   中心軸線から電解炉内の溶融アルミニウム領域の
   端部までの距離(d)に対して、隣接炉列側では0.3d
   〜0.7dの範囲内、その反対側では0.4d〜0.7dの範
   囲内として、それぞれ電解炉短辺外側に至らし
   め、電解炉短辺外側に至らしめられたそれぞれの
   陰極母線は、電解炉下流側長辺部に集められた陰
   極電流を通す陰極母線とともに、下流の次の電解
   炉の短辺側に配置されるライザに接続したことを
   特徴とするアルミニウム製造用電解炉。 ２ 電解炉上流側長辺部に集められた陰極電流の
   うち、当該電解炉の隣接炉列外方を廻つて電解炉
   短辺外側に至る陰極母線に通す電流の割合を５〜
   30％として特許請求の範囲第１項記載のアルミニ
   ウム製造用電解炉。 ３ 電解炉炉下空間に配置する陰極母線を、隣接
   炉列側のものとその反対側のものに分け、隣接炉
   列側炉下空間の陰極母線に通す電流と隣接炉列炉
   外側を廻る陰極母線に通す電流との合計が、反対
   側炉下空間の陰極母線に通すと電流と等くなるよ
   うにした特許請求の範囲第１項または第２項記載
   のアルミニウム製造用電解炉。