KR880000707B1 - 환원전해조 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

환원전해조

제1도는 본 발명에 따른 환원 전해조의 일 형태의 종단면도임.

제2도는 개조된 형태의 전해조의 종단면도임.

제3도는 제1도의 여과기와 유사한 여과기를 자세히 나타낸 단면도임.

제4도는 제3도의 여과기의 평면도임.

제5도는 다른 형태의 여과기 구조를 나타낸 단면도임.

제6도는 제5도의 여과기의 개조된 형태의 단면도임.

제7도는 금속이 고온 금속 파이프로 출탕되는, 제5도 장치의 개조된 형태의 단면도임.

제8도는 단일 출구 금속 레벨 조절장치를 갖고 제7도의 장치를 이용하여 출탕되는 일련의 전해조를 나타낸 것임.

제9도는 환원 전해조로부터 직접 잉곳 견인 장치로 금속을 회수하는 선택 여과기의 단면도임.

제10도는 제9도의 장치를 자세히 나타낸 단면도임.

제11도는 제5도의 여과기의 또다른 개조 형태의 단면도임.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 탄소음극 바닥 블록 4 : 절연체

5 : 용융 불화물 전해액 6 : 크러스트 층

7 : 알루미나원료 8 : 양극

9 : 음극층 10 : 여과기

12 : 넘쳐 흐름 둑 15 : 구멍

17 : 펌프 41 : 여과기판

97 : 잉곳 108 : 알루미나 도가니

본 발명은 용융 전해액의 전기분해에 의해 용융 형태의 금속을 제조하기위한 환원 전해조에 관한 것이다. 이러한 시스템에서, 용융금속과 용융 전해액 사이에 높은 계면장력이 작용한다. 본 발명의 목적은, 전해액으로 부터 금속 생성물을 분리하는데 있어, 상기와 같은 높은 계면장력을 이용하는데 있다.

환원 전해조에서 실시되는 과정들중 한가지 잘 알려진 예에서, 알루미늄 용융된 빙정석중의 알루미나를 전기분해하므로써 제조된다. 본 발명은 각 전해액보다 더 밀도가 높은 다른 금속을 제조하기위한 유사 전해 환원 방법이 실시되는 환원 전해조에 적용가능한 방법과 관련하여 기술된다.

알루미늄을 제조하기위한 종래의 환원 전해조에서, 용융 전해액은 동결된 전해액의 크러스트(Curst)와 공급물질 아래에 수용된다. 전해조의 음극은 전해액 아래에 있으며, 보통 전해조 바닥으로 구성된다. 금속 생성물은 전해조 마닥에 수집되고, 대부분의 경우에 전해조의 효과적인 음극으로 작용한다. 금속 생성물은, 크러스트에서 파괴된 구멍을 통해 삽입된 싸이폰 튜브에 의해 실시되는 금속 출탕(tapping) 조작을 통해 간격을 두고 전해조로 부터 제거된다.

종래의 환원 전해조에 대한 한가지 단점은, 전해조에 연결된 도체와 용융금속을 통해 흐르는 매우 놓은 전류에 따른 전자기력 이 용융금속에 파동을 일으킨다는 것이며, 이 파동의 크기는 전해조 바닥에 축적된 금속부피에 따라 변한다. 이러한 파동효과로 인해, 양극과 용융 금속사이의 접촉에 의해 전해조의 간헐적인 단락(shorting)을 방지하기위해서는 양극과 음극의 기준위치사이의 거리를 이론치보다 더 크게 유지할 필요가 있다. 종래의 환원 전해조에 필요한 것으로 밝혀진 양극/음극 거리를 이용하면, 전해조 전해액 저항을 극복하기 위해 도입되는 에너지가 상당량 손실된다. 전해조가 더 적은 양극/음극 거리에서 작동 될 수 있다면, 매우 많은 양의 에너지를 절감할 수 있다.

배출(drained)음극 구조물을 사용하므로써 환원 전해조의 양극/음극 거리를 줄이려고 이미 시도해왔다. 여기서, 효과적인 음극표면은 전해조 바닥으로부터 위로 돌출하고 소량의 용융된 알루미늄을 함유하는 전기 전도성 부재에 의해 형성된다.

용융 금속생성물은 상기 부재들사이에서 수집되거나 또는 전해조 전해액을 제거하는 전해조의 출탕웰(trapping well)로 배출된다. 이러한 경우에, 출탕조작 결과로서 발생하는 전해액 수준의 변화는 종래의 전해조보다 훨씬 더 크고(양극 표면에 비해 전해액표면이 비교적 작기 때문), 전해액 수준이 크게 변하면 작동이 어려워진다. 배출 음극 구조의 경우에, 액체 수준은 연속적 또는 소량씩 빈번한 간격으로 전해조로부터 금속생성물을 제거하기위한 방법을 알아낸다면, 거의 일정하게 유지될 수 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 방법을 제고하고, 상기방법이 이용될 수 있는 환원 전해조를 제공하는 데에 있다.

본 발명에 따른 화원 전해조는, 전해조의 작동조건하에서 금속 생성물을 통과시키지만 전해질 차단작용을 하는 여과기를 갖는다. 작동원리는, 용융금속에 의해 먼저 적셔지는 물질로 여과기를 형성하고, 구멍을 통한 전해질의 흐름을 억제하는 용융금속/전해액계의 계면장력이 여과기에서 전해액에미치는 최대 그동력보다 크도록하는 크기로 여과기의 구명을 형성하는 것이다. 그러한 구동력은 여과기의 입구측에서 전해액에 미치는 중력과 여과기의 출구측에서 용융금속에 미치는 배합(back pressure)사이의 차이에 의해 발생된다. 여과기 구멍이 용융금속으로 충전되도록 하기 위해 여과기의 출구측에 배압을 유지할 필요가 있다. 그러나, 그 목적을 위해서, 여과기로부터 용융금속 배출용기까지 연장하는 통로에 넘쳐흐름둑을 제공하므로써 여과기의 하류측에 용융금속의 기둥(컬럼)을 유지시키면 충분하다. 다른 한편, 여과 기로부터 흐르는 금속은 여과기에서 배압을 적당히 유지하기위해 가압될 수 있는 둘러싸인 배출 용기로 도입될 수 있다.

20cm의 전해질 깊이를 기준으로한 이론적 계산치로부터, 용융염 전해액(밀도 2.1)을 위한 5mm 직경의 구멍을 갖는 여과기에 있어서 여과기의 상류측의 기둥 높이는 전해액이 흐르기 시작하기전 여과기 하류측의 용융 알루마늄(밀도 2.27)기둥 높이를 30mm 이상 초과할 수 있다. 이로인해, 여과기를 강한 물질로 제조해야하고, 전해조내에서 형성되는 속도로 금속 생성물을 제거할 필요가 있는 용융 금속의 비교적 느린 흐름에 제한을 두지않아야 한다. 여과기의 상류측에 보유될 수 있는 전해액 헤드(head)값은 여과기 구멍의 직경과 역비례로 변한다. 직경이 10mm인 여과기 구멍에서, 전해액의 지지가능한 기둥의 값은 약 20mm로 떨어지며, 이는, 수직 전극 운동과 새로운 원료를 간격을 두고 도입한 결과로서 전해조작동안 발생하는 전해액 헤드의 변화를 유의하여 실제의 적용을 위해 고려될 수 있는 아마 가장 낮은 값이다.

여과기의 표면은 용융금속 및 용융전해액에 의한 공격에 대해 내성이 있어야하며 용융금속에는 적셔져야 하나 전해액에는 적셔 지지 않아야 한다. 용융 알루미늄과 통상의 불화물 전해액의 경우에, 이들 필수조건은 이붕화티탄(Ti₂), 다른 붕화물(예, 이붕화지르코늄 및 이붕화니오븀)및 일반적으로 내화성 경질 금속으로 알려진 다른 유사한 물질에 의해 만족된다. 여과기는 완전히 상기물질로 제조되거나, 또는 용융 알루미나 같은 세라믹 기재 또는 강도를 제공하는 기재에 상기 물질에 피복되어 제조될 수 있다.

여과기는 천공된 판, 벌집형 그리드(grid), 평행한봉, 세라믹직물, 세라믹펠트, 정확한크기의 입자들의 충전층 같이 여러가지 형태를 취할 수 있다. 그러나, 평행봉 배열, 천공된판, 벌집형 그리드 또는 충전층 같이 강한 구조와 구멍이 큰 구조가 바람직하다.

여과기 구멍은 직경이2-4mm인 둥근 형태의 구멍, 또는 작은쪽 치수가 약2-3mm인 장방형 슬릿인 것이 바람직하나, 전해조와 전해액의 덜높은 기둥높이에서 작동할 수 있는 경우, 직경이 5mm 이상인 구멍을 이용할 수도 있다. 한편, 어떤 경우에는 직경 및 작은쪽 치수가1mm 정도 또는 그 이하의 작은 구멍에서 작동하는 것이 바람직할 수도 있다.

여과기의 개방면적(또는, 하나이상의 여과기가 전해조에 제공된 여과기에 전체 개방 면적)은 전해조에서의 생성속도로 금속생성물이 통과할 수 있도록 충분히 커야한다. 그러나, 대부분의 경우에, 2mm 직경의 단일 구멍이면 상용의 환원 전해조의 모든 알루미늄 금속 생성물을 배출시키기에 충분하다고 믿어진다. 막힘 문제를 피하기 위해서, 여과기에는 10개이상의 구멍이 간격을 두고 떨어져 배치되는 것이 바람직하고, 보통은 3-4mm직경의 구멍을 이용하는 것이 바람직하다. 여과기가 TiB₂구(ball)와 같은 입자로 구성되는 경우에, 이들입자는 10mm 까지의 직경을 가질 수 있으며 충전층은 입자 직경에 따라 보통 5-50mm의 깊이를 갖는다.

본 발명은, 음극이 평평한 상면을 가지는 탄소 슬랩(slab)으로 형성된 통상의 형태의 환원 전해조에 적용될 수 있다. 이경우에, 여과기의 상부 표면은 전해액과 탄소 바닥사이의 접촉을 피할 수 있도록 전해조 바닥위에서 용융금속의 얕은 푸울(pool)을 유지하기위해서 전해조 바닥 수준 약간 위에 유지된다.

본 발명은, 배출 음극을 이용하는 전해조, 특히 금속 생성물에서의 파동발생을 감소시키는 금속 습윤물체의 층에 의해 바닥이 덮힌 전해조로부터 용융금속을 연속적으로 제거하는데 특히 적용가능하다.

본 발명은 첨부도면을 참고하여 이하 상세히 설명한다.

제1도에서 전해조는, 전해조 버스바아(bus bar)와 연결시키기 위한 통사의 강철 집전극 부재(2)가 각각 설치된 탄소 음극 바닥 블록(1)을 포함한다. 이 전해조는 통상의 강철외곽틀(3)및 (열 및 전기) 절연체(4)를 포함하며, 통상의 방식으로 냉동된 크러스트 층(6)과 분말 알루미나 원료(7)로 덮힌 통상의 용융된 불화물 전해액(5)을 수용한다. 예비소둔된 탄소 양극들(8)이 용융 전해액(5)와 접촉하도록 통상의 방식으로 매달려있고, 용융금속 및/또는 전기전도성 내화물질(예, TiB₂)로 구성될 수 있는 음극층(9)로부터 간격을 두고 떨어져있다. 이미 언급한 바 있는 형태중 하나인 여과기(10)이 음극층(9)로부터 넘쳐흐르는 용융 금속 생성물을 배출시키도록 배치되어 있다.

통로(11)이 여과기(10)의 하류측으로 부터, 여과기(10)의 하측부에 대한 용융금속의 정압(positive pressure)을 유지하도록 비채된 넘쳐흐름(오버플로우)둑(12)까지 연장하여 있다. 둑(12)의 수준은 정상작동시 용융전해액(5)의 수준이 그 둑위에 있도록 배치된다.

상기 둑(12)를 넘쳐흐르는 용융금속은 수집실(14)로 도입되며, 그 수집실(14)로부터, 제거가능한 덮개(16)에 의해 평상시 폐쇄되어 유지되는 구멍(15)를 통해 용융 금속 뱃치(batch)가 소망의 간격으로 싸이폰(syphone)에 의해 제거될 수 있다. 수집실(14)에는 수집된 금속으로 부터 열손실을 적게하기 위해서 가열기(도시안됨)를 설치할수 있다. 금속 뱃치의 제거는 전해조내의 조건에 거의 영향을 미치지 않는다. 제2도에 나타낸 전해조는 여과기(10)의 상류의 모든 위치들에서는 제1도의 전해조와 동일하다. 여과기(10)의 하류에서, 금속생성물은 통로(11')를 통해 수집실(14')로 흐른다. 이 수집실은 완전 폐쇄되어 있으며, 압력하의 가스 가 펌프(17)또는 다른 가스 압력원으로부터 도입될 수 있는 헤드 스페이스(head space)를 가지고 있다. 압력하의 가스가 여과기의 하면에 대한 용융금속의 압력을 사실상 일정하게 유지할 수 있도록 수집실(14')의 헤드 스페이스로 도입 됨과 동시에, 금속이 수집실(14')로부터 탭(18)을 통해 배출될 수 있다. 가스 압력은, 전해조로부터 새로운 용융금속이 도입되므로서 수집실(14')로부터 점진적으로 감소될 수 있다.

제3도 및 제4도는 현존하는 환원 전해조의 일단부에 설치된 제1도의 여과기를 더 자세히 나타내고 있다,

전해조의 한쪽 단부에서, 예비성형된 흑연 저장용기(21)이 전해조의 외곽틀내에 설치되어 있으며 현존하는 전해조 절연체위에 배치되어있다. 그 저장 용기(21)에는, 경사진 금속 흐름통로(23)이 형성된 중앙 간막이(22)가 설치되어 있다. 그 간막이(22)는, 그 간막이(22)의 양측의 금속 수집 홈통(25)로 금속이 넘칠 수 있도록 통로(23)을 통해 위로 흐르는 금속을 위한 둑(24)를 제공한다.

간막이(22)에는, 통로(23)에서 금속의 열손실을 줄이기위해 절연물질로 충전된 내부 공간(26)이 제공되는 것이 바람직하다. 저장용기(21)에는, 그 용기의 상부에 부분적으로 끼워지는 제거 가능한 절연 덮개부분(21a)가 설치되어 있으며, 그 정장 용기가 3면 주위에서 절연층(27)로 둘러싸여 있다.

저장 용기(21)은, 그 용기의 벽과 전해조의 인접 바닥 블록(29)에 끼워지고 흑연같은 물질로 만들어진 밀봉블록(28)고 접촉하여 있다. 통상의 피치/탄소 래밍(rammimg)혼합물의층(30)이 바닥블록(29)와 용기(21)사이의 접합부를 밀폐하여, 그 부분에 전해액이 도입되는 것을 방지하도록한다.

바닥블록(29)에서, 매우 얕은 횡방향 채널(31)이 아래로 경사진 통로(32)의 입구에 연결되어있다. 천공된 여과기판(33)이 그 통로의 입구 내에 배치된다. 그 여과기 판(33)은 이붕화티탄으로 형성되고 바람직하게는 5-20cm직경을 가지며, 직경이 2-5mm인 일련의 구멍들을 갖는다.

여과기판(33)의 상부면은, 정상 적동에서 용융 알루미늄금속의 매우 얕은 푸을(34)가 여과기판위에 유지되도록 하는 수준에 배치되는 것이 바람직하다. 둑(24)는, 전해조내 전해액(36)의 작동수준의 전페 범위에 걸쳐 용융 알루미늄을 여과기에 통과시키도록 전해액의 헤드가 유지되게하는 수준에 배치된다. 전형적인 전해조에서, 전해액의 깊이는 양극 펌핑(양극의 상하운동)에 의한 양극작용의 억제작동중에 25mm 까지 변할수 있다. 결과적으로, 여과기판(33)의 구멍의 직경과 둑(24)의 높이는, 전해질의 최대 수준에서 여과기판이 전해질의 통과를 방지 할 수 있도록 조절된다. 그러나, 혼합된 알루미나 입자와 전해액으로 구성되고 부피 밀도가 용융 알루미늄 보다 더 큰 슬러지가 전해조의 부정확한 조작으로인해 비정상 수준 조건하에서 여과기에 통과되는 가능성을 방지하기위해서, 위쪽으로 직선적으로 경사진 통로(23)은 통로(23)과 (32)의 연결부에 의해 형성된 트랩으로부터 슬러지를 제거하는 것을 가능케 한다.

본 명세서의 초기에서 나타낸 바와 같이, 제1도 및 2도의 판형 여과기(10)과 제3도의 여과기(33)은 적당한 크기의 금속 습윤성 세라믹 입자들의 집단으로 대치될 수 있고 수직웰(well)내에 배치될 수 있으며, 상기 수직웰로부터 용융금속은 위로 경사진 통로를 통해 배출된다.

제5도에, 전해조 구조를 크게 개조시키지 않고 환원 전해조로부터 알루미늄 금속 생성물을 배출시키기위한 또다른 구조가 나타내어져 있다.

이 구조에서, 용융금속은 전해조 바닥의 용융금속의 얕은 푸울(40)으로부터 회수된다. 이 장치는 푸울(40)의 깊이를 약 50-100mm로 유지하도록 배열된다. 이 경우에, 여과기판(33)과 구조가 기본적으로 동일한 여과기 판(41)이 이붕화티탄으로 형성된 수직 싸이폰 튜브(42)의 바닥 단부에 위치하고 있다. 그 튜브(42)는 금속을 넘쳐흐름 둑(44)로 운반하는 알루미나 도관(43)에 연결된다. 둑(44)로부터 금속은 밀폐되고 열절연된 용기(도시되지 않음)내로 떨어진다.

이붕화티탄 튜브(42)와 알루미나 도관(43)은 강철 외곽틀(45)내에 수용된다. 도관(43)의 수평부분 및 하향 부분은 포함된 금속을 고화온도 이상으로 유지하기위해서 열 절연체(46)에 의해 둘러싸여있다. 공냉식 쳄버(47)이 강철 외곽틀(45)의 가장 낮은 부분에 제공되고, 여기서 쳄버(47)은 전해액(48)내에 잠긴다. 공냉식 쳄버(47)의 목적은, 알루미나 도관(43)의 둘러 싸여진 부분에의해 열 전연된 튜브(42)에서 금속흐름을 과도하게 냉각시키지않고, 강철 외곽틀(45)의 잠김 부분을 덮을 수 있도록 전해액(48)의 고화된 보호층(49)를 형성하기 위한 것이다.

제3도 및 제4도에서와 같이, 여과기관(41)의 구멍크기와 둑(44)의 높이는 정상 전해조 작동에서 전해액(48)의 깊이의 상한선 및 하한선에 의해 결정된다.

출탕과정을 반복하기위해서 싸이폰에 흡입작용을 제공할 필요가 있다. 제5도의 장치에서, 감압이 부여되는 수집도가니와 공기가 새지 않게 밀폐하므로써 싸이폰 출구에 흡입작용이 부여될 수 있다. 싸이폰 작동은 수집 도가니 내부에 공기 또는 가스의 정압을 부여하므로써 정지될 수 있다.

제6도에서 나타낸 다른 구조에서, 장치의 모든 다른 부품들은 제5도의 구조에서와 동일하다.

제6도에서, 튜브(42)는 길이가 다소 연장되어 있고 그의 하단부는 전해조 바닥에서 얕은 웰(50) 내에 위치한다. 그 웰(50)은 깊이가 약5cm이고 튜브(42)는 웰(50)의 바닥위 약 2cm 위치에서 끝난다. 웰(50)의 내부에는 금속 습윤성 세라믹(예, TiB₂)(51)이 배치되어 있다. 싸이폰 튜브(42)와 웰(50)의 측면벽사이의 간격은, 용융 알루미늄 금속은 통과시키지만 용융 알루미늄 금속은 통과시키지만 용융 전해액의 도입을 방지하도록 하는 치수로되어 있다.

외경이 10cm 인 싸이폰 튜브에 대해서, 싸이폰 튜브와 측면벽사이의 최대 가능한 간격은 1cm이며 더 바람직하게는 1-2mm인데, 그 이유는 더큰 전해액 헤드(head)를 지지하기 때문이다. 싸이폰 튜브의 직경을 증가또는 감소하려면, 전해액 기둥을 소정의 높이로 유지하도록 상기 간격을 증가또는 감소시키는 것이 요구된다. 그러나, 그 간격은 실제로 이용되는 모든 싸이폰 튜브들에서 동일한 정도의 크기를 가진다.

제7도는 제5도의 장치를 개조한 형태를 나타낸다. 제7도에서 같은 부품들이 제5도에서와 같은 번호로 나타내어져 있다. 제7도에서, 싸이폰 출구는 뜨거운 금속 파이프(58)과 연결되어 있고, 전해조로부터 회수된 금속이 파이프(58)내로 직접 배출된다. 그 파이프는, 흐르는 금속을 용융 상태로 유지하도록 전열 가열기(도시되지 않음)에 의해 가열되고, 금속을 보유 또는 주조로에 직접 운반한다.

제7도의 장치에서, 여과기(41)을 통해 금속을 회수하는 조작은 연속적이 아니며, 흡입관(59)가 개폐식밸브(60)을 통해 도관(43)과 연결되어 있다. 흡입관(59)를 통해 부여되는 흡입 작용은 싸이폰 작동을 개시하기 위해서 환원 전해조로부터 금속을 회수하는데 이용된다. 싸이폰 작용을 중지시키기 위해서는 질소 또는 기타 적당한 볼활성 가스가 습입관(59)를 통해 주입될 수 있다. 파이프(58)을 위한 강철 케이싱(61)은 전기 절연체(62)에 의해 케이싱(45)와 전기 절연되어 있다.

싸이폰이 작동되지 않을 때, 용융금속은 선택여과기(41)의 작용에 의해 튜브(42)에 나타낸 수준에 유지된다. 반면에, 도관(43)아래에서는 금속이 파이프(58)에서 둑에 의해 표시된 수준에 유지된다.

금속 수준 조절은, 제5도의 장치에서와 같이 각 전해조에 각 넘쳐 흐름 둑을 제공하므로써 이루어질 수 있다. 그러나, 포트라인(potline)에서 모든 전해조 또는 전해조들의 구룹에 작용하는 단일 출구 넘쳐흐름둑을 제공하는 것이 바람직하다, 이러한 장치가 제8도에 나타나 있다. 전해조들은 제7도에 나타낸 금속 선택싸이폰을 통해 파이프(58)로 하나씩 출탕된다. 싸이폰은 흡입 작용을 부여함에 의해 각각 작동이 개시되고, 흡입관(59)를 통해 가스를 주입 하므로써 작동이 정지된다.

제8도에서 나타낸 바와같이, 좌측이 선택싸이폰의 싸이폰 튜브/도관시스템이 작동되고 금속이 채워지는 동안 동일 파이프(58)에 연결된 다른 모든 선택 싸이톤 시스템들과 공통으로 우측 선택싸이폰은 작동되지 않는다.

파이프(58)내의 금속은 싸이폰 작용에 의해 수용기(63)으로 도입된 후 둑(64)를 거쳐 저장소(65)로 흐른다.

한번에 한개의 전해조만이 출탕되어 전해조들 사이의 전기회로 단락을 방지한다. 본 장치에서 바람직한 싸이폰 작동 속도는 500cm³/s이므로, 증가된 흐름을 수용하기위해서 여과기내의 구멍을 더 많이 필요로한다(예, 직경이 2mm인 구멍 50-100개).

각 전해조의 싸이폰 조작을 연속적으로 할 수 없지만, 장치를 완전 자동화하기 위해서 출탕간격을 60분으로 낮출 수 있다. 이러한 경우에, 1회의 출탕작동당 회수된 금속의 부피는, 40초 이하의 출탕 기간과 전해조내에서 약 8mm의 금속 수준 변화에 상응하여 20ℓ이하로 된다.

제9도 및 제10도는 환원 전해조로부터 잉곳 견인장치로 용융금속을 직접 회수하도록 배열된 금속 선택 여과기를 나타낸다. 고화된 용융물의 잉곳 또는 결정질 견인 방법은 이미 알려져 있다.

본 장치의 일반적인 개념은 제9도에 나타나 있으며, 제9도는 표면위와 측면벽을 따라 단단한 보호 크러스트(94)를 형성하는 용융 전해액(93)과 용융금속(92)의 푸울을 포함하는 전해조(91)을 예증하고 있다. 금속은, 금속푸울에서 금속 수준을 일정하게 유지하기 위한 속도로 금속 선택 여과기를 통해 전해조로부터 잉곳 견인기(95)로 회수된다. 잉곳(97)은 기계적 구동 장치(96)에 의해 회수된다. 금속 선택 여과기의 구조는 상기 설명한 형태들중 한가지 형태를 가질 수 있다. 베10도는 잉곳 견인기(95)를 상세히 나타낸 것이다. 용융 금속은, 저단부에 선택여과기 구멍을 갖는 내화성 붕화물세라믹 튜브(105)를 통해 잉곳 견인기로 도입된다.

용융금속은 튜브(105)를 통해 상향으로 흐른다음, 강철 격실(107)을 통과하는 공기에 의해 약 700℃로 유지되는 알루미나 함량이 많은 도가니(108)로 도입된다. 강철결실(107)은 탄소질 물질의 외부층(106)에 의해 용융 전해액의 화학적 공격으로부터 보호된다. 전해액은 단단한 크러스트(104)를 형성하며, 전해조 측면벽을 보호하는 것과 같은 방법으로 탄소 라이닝을 보호한다. 알루미나 도가니(108)에 수용된 용융금속은 알루미나 용해도가 낮은 저융점 염의 층(109)에 의해 공기 산화로부터 보호되는 것이 바람직하다. 알루미나 튜브(110)은 금속내에 잠기어 있고. 구동장치(96)에 의해 견인되는 잉곳(97)의 크기 및 형태를 형성하도록 작용한다. 알루미나 튜브(11)의 외부 표면은, 용융 알루미늄 금속에 의해 향호하게 적셔지게하고 용융염의층(109)가 튜브(110)으로 도입되는 것을 방지하기 위해 내화성 붕화물로 피복된다. 열절연체(111)의 층은, 냉동된 계면의 위치 및 모양을 조절하기위해 도가니(108)로부터 흐르는 대부분의 열이 견인되는 잉곳을 통과하게한다. 계면의 위치는 잉곳을 통한 열의 회수율에 의해 결정되고, 열의 회수율은 공기 냉각 쳄버(113)에서 고화된 잉곳으로부터 제거된 열의 양에 의해 조절되고, 열의 회수율은 공기 냉각 쳄버(113)에서 고화된 잉곳으로부터 제거된 열의 양에 의해 조절된다. 잉곳을 철회하기 위한 기계적 구동장치는 하우징(114)내에 위치되어 있다. 요구되는 철회속도는 특정 전해조의 전류 효율 및 금속 생성물로터 계산될 수 있다. 철회속도의 정확한 조절은, 전해액(93)과 용융염의층(109)의 상대수준을 측정하므로써 얻어질 수 있다. 전해조내의 금속 수준이 너무 낮은 경우 전해액(93)이 여과기 (105)를 통과할 수 없기 때문에, 전해액 수준은 일정하게 유지되는 반면, 금속이 도가니(108)로부터 회수됨에 따라 용융염의 층(109)의 수준이 떨어진다. 철회속도가 너무 느리면, 금속 수준이 증가되고 전해액(93)과 용융염층(109)모두의 수준을 증가시킨다.

견인될 잉곳의 직경과 튜브(110)의 직경은 잉곳을 통한 열흐름율과 금속의 고화 엔탈피의 균형에 좌우된다. 1cm/min의 철회속도를 갖는 100k_A전해조에서, 길이가 14.4m이고 직겨이 15cm인 잉곳이 24시간만에 제조된다.

제11도의 구조에서, 튜브(42)는 TiB₂로 안을 댄 웰(72)내에 수용된 원통형 TiB₂봉(71)의 조립체 상단에 놓여있다. 봉(71)의 상단은 전해조내용융 금속/전해액 계면과 같은 수준에 있다. 금속은 외부봉과 웰(72)의 벽사이에서 아래로 흐르며, 싸이폰 튜브의 입구로향한 내부봉과 외부봉 사이 공간을 통해 위로 흐른다. 싸이폰 튜브에의 도입이 제8도의 구조와 비교할 때 방해받지 않기 때문에, 간헐적인 출탕 과정이 더 많은 유량을 필요로 하는 경우에, 상기 구조가 종종 바람직하다.

이 구조에서, 봉(71) TiB₂구체로 대체될 수 있다.

환원 전해조에서 금속 생성률은 전해조의 응용 전해액의 체적에 비해 낮고, 시스템이 정적인 것으로 간주될 수 있다.

제3-5도의 장치에서 나타낸 바와 같이 환원전해조에 배열된 이붕화 티탄 여과기 판에 보유될 수 있는 전해액의 최대 정상수두(static head)는 여과판의 구멍직경에 따라 변하며 다음 식으로부터 계산될 수 있다 :

여기서, h₁은 넘쳐 흐름 둑위에 있는 전해액 기둥의 높이이고, h₂는 넘쳐흐름 둑 아래에 있는 전해핵 기둥의 높이이고, ρ₁은 전해액의 밀도이고, ρ₂는 용융금속의 밀도이고, γ는 금속/전해액 계면에서의 계면장력이고, γ는 여과기 구멍의 반경이고, g는 중력상수이다.

입수 가능한 자료로부터 얻어진 계산 결과, h₂가 200mm인 경우에 h₁의 갑은 직경이 1mm인 구멍에서의 약 120mm로부터 직경이 5mm인 구멍에서의 약30mm까지 변한다.

단순한 실험장비로 실험을 실시한 결과, 상기 계산치와 유사한 결과가 얻어졌다. 예를들면, 직경이 4mm인 구멍에서 h₁=27mm이고 h₂=0이다. 용융 전해액이 용융금속보다 밀도가 작고 여과기판이 용융금속에 의해 먼저 적셔지는 경우에 상기식은 다른 금속/전해액 시스템에서도 유효하다.

용융금속/용융전해액 계면에서의 계면장력을 측정하기 위한 방법은 메트 트랜스(Mwr Trans) 8B, (1977) 551-561(Deslaux, P. and Dewing, E.W.)에 기술되어 있다.

여과기 구멍이 비원형인 경우에, 본 발명의 선택여과기에 의해 지지될 수 있는 전해액의 정상수두 값은 적당히 전개된 식 또는 실험에 의해 결정될 수 있다.

Claims (8)

1. 용융 금속 생성물보다 밀도가 적은 용융 전해액을 전기분해 하므로써 용융금속 생성물이 제조되는 형태의 환원 전해조에 있어서, 여과기가 전해조 바닥위의 금속 생성물 축적부분에 위치하고 있으며, 상기 여과기가, 용융 금속 생성물 및 용융 전해액 모두에 의한 공격에 내성이 있으며 용융 금속 생성물에 의해 적셔질 수 있고 상기 전해액에 의해서는 적셔질 수 없는 물질로 형성되어 있으며, 상기 여과기가 그 여과기에서 전해액에 작용하는 최대 구동력하에서 용융 전해액의 흐름은 억제 하지만 용융 금속의 흐름은 허용하는 크기를 갖는 적어도 하나의 통로를 가지며 ; 여과기 출구측에서 용융 금속의 배압을 유지하기 위한 수단이 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 환원 전해조.
2. 제1항에 있어서, 상기 여과기가 내화성 경질 금속으로 구성된 판같은 물질이며 적어도 하나의 금속흐름 통로를 갖는 것을 특징으로 하는 환원 전해조.
3. 제2항에 있어서, 상기 여과기가 용융금속의 상향 통과를 위해 배열될 것을 특징으로 환원 전해조.
4. 제1항에 있어서, 상기 여과기가 한쌍의 동심의 내화성 경질 금속 부재들로 구성되고, 그 부재들 사이에 한정된 환상 슬릿을 갖는 것을 특징으로하는 환원 전해조.
5. 제1항에 있어서, 상기 여과기가 전해액 흐름 억제 통로들이 사이에 형성된 다수의 분리되고 적당한 크기를 갖는 경질 금속부재들로 구성된 것을 특징으로 하는 환원 전해조.
6. 제1항에 있어서, 상향의 금속 흐름 통로가 상기 여과기의 하류측에 제공되고, 상기 통로가 상기 전해조에서의 여과기 수준과 최소 전해액 수준의 중간에 배치된 넘쳐흐름 둑에 연결되어 있고, 상기 둑이 여과기의 하류측에서 용융금속과 여과기 사이에 연속적인 접촉을 유지시키는 작용을 하는 것을 특징으로하는 환원 전해조.
7. 제3항에 있어서, 금속을 고화시키고, 조절된 비율로 상기 고화된 금속을 회수하므로서 그러한 비율로 여과기를 통해 용융금속을 회수하기위한 수단이 여과기의 하류 측에 간격을 두고 인접한 위치에 제공되는 것을 특징으로하는 환원 전해조.
8. 제1항에 있어서, 상향의 금속 흐름통로가 상기 여과기의 하류측에 배치되고, 조절가능한 감압조건을 부여하기 위한 수단이 조절가능한 비율로 상기 여과기를 통해 용융 금속을 회수하기위한 상기 통로의 용융금속에 작용하는 것을 특징으로 하는 환원 전해조.

Images