KR880000708B1 - 환원전해조 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

환원전해조

제1도는 본발명에 따른 환원 전해조의 일형태의 부분 종단면도임.

제2도는 제1도 전해조의 부분 수평단면도임.

제3도는 중앙의 크러스트 파쇄기 및 구비한 전해조의 부분 수직단면도임.

제4도, 제5도및 제6도는 제1도, 제2도 및 제3도의 전해조를 위한 3가지 구조의 배풀 부재들을 나타내는 도면임.

＊ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 강철 외곽틀 2 : 전기 및 열 절연체

3 : 탄소블록 5 : 양극

7 : 용융금속 9 : 횡방향 배플 부재

10 : 냉동된 전해액 11 : 종방향배플 부재

본 발명은, 금속 생성물보다 밀도가 더 적은 용융 전해액중에서 금속 함유 물질을 전기분해 하므로써 금속을 제조하기위한 환원 전해조에 관한 것이다.

용융된 불화물 전해액에서 알루미나를 전기분해하므로써 알루미늄을 제조하는 것은 이러한 방법의 한 예이다.

알루미늄을 제조하기 위한 전형적인 환원 전해조는 장방형이다. 그 전해조는 하나 이상의 매달린 양극과 음극 구조물을 포함하며, 음극 구조물은 탄소블록으로 형성되며, 전해조 길이 방향으로 연장된 음극 버스바아(bus bar)에 연결되는 횡방향의 강철 집전극 봉과 전기적으로 연결되어 전해조 바닥을 형성한다.

이러한 전해조에서, 용융 금속 생성물의 푸울(pool)은 전해조 길이 방향으로 연장된 음극을 형성하고, 그 액체 음극으로부터 일정 간격으로 용융금속이 회수된다. 용융 알루미늄 층이 탄소 바닥 블록보다 더 전도성이 크기때문에, 음극 전류의 횡방향 성분이 용융금속층에 발생하며, 이들 성분은 본 공정과 관련된 전기 전도체의 매우 큰 전류로 부터 발생된 전해조의 전자기장과 상호작용한다. 그 전자기력은 용융금속에서 파동을 형성시킨다. 파동은 또한 가스 거품발생에 의해 용융금속에 야기될 수 있다.

종래의 환원 전해조에서, 용융금속의 파고와 양극의 하면 사이에서의 간헐적인 단락(shorting)을 피할 수 있도록 용융 금속 표면의 기준 위치로부터 상당한 간격으로 양극을 유지할 필요가 있다.

미국특허 제3,093,570호에서, 비탄소질 전해조 라이닝과 관련하여 용융금속 속으로 돌출한 원통형 음극포집부재를 이용하는 것이 이미 제안되어 있고, 이들 부재는 금속의 순환을 조절하는데 이용된다고 기술하고 있다. 그러나, 이러한 포집 부재는 140KA이상의 큰 전해조에서 금속의 험핑(humping)및 금속흐름을 조절하기 위한 비교적 비효과적인 장치를 형성한다. 이러한 전해조에서, 버스바아와 관련된 전자기장은 강도가 크게 증가하여, 금속 푸울에 작용하는 자기유체학적 힘은 용량이 적은 전해조에 비하여 직선적으로 크게 증가한다.

상기의 구조와는 대조적으로, 본발명에 따른 환원 전해조에는, 에너지를 흡수하는 제한된 흐름 채널들이 형성되고 횡방향으로 연장된 적어도 하나의 직선적인 배플(baffle)부재가 제공되어있다. 그러한 흐름 채널들은, 결합하여 단일 배플 부재를 형성하는 일정 간격으로 배열된 요소들 사이에 제공되거나, 또는 단일 배플부재에 형성된 구멍형태 일 수 있다.

배플 부재는 미국특허 제3,093,570호의 지지되지 않은 포집 바아보다 사고위험이 더 적고 더 강한 길고 부피가적은 부재 형태이다.

이러한 배플 부재는 오직 작은 거리만큼만 바닥으로부터 위로 연장되고, 그높이는 그 부재들이 정상적인 전해조작동 싸이클의 모든 단계에서 용융 금속에 완전 잠기도록 정해지는 것이 바람직하다. 이 경우에, 용융 알루미늄에 의한 공격에 견디는 탄소 또는 알루미나 또는 기타 내화 물질로 부터 상기 배플 부재를 제조하면 충분하다. 그 배플 부재가 전해조 작동중에 용융 전해액에 부분적으로 노출될 수 있는 위험이 있는 경우에, 배플 부재들은 용융 알루미늄 금속에 의한 공격뿐만 아니라 용융 전해액에 의한 공격에 견디는 물질로 제조되어야한다. 배플 부재와 용융전해액 사이의 우연한 접촉이 항상 가능한것으로 간주되기 때문에, 배플 부재는 용융 알루미늄 뿐만 아니라 전해액에 견디는 내화물질로 제조되는 것이 바람직하다. 배플 부재는 금속 생성물보다 더 밀도높은 물질로 제조되거나 전해조 구조물에 부착되어야한다. 붕화티탄 내화물질이 용융 알루미늄 및 용융전해액 모두에 견디기 때문에 본발명의 목적에 매우 적당한 것으로 밝혀진 물질의 한예이다. 붕화티탄은 전기 전도성이기 때문에, 용융 금속의 푸울에서의 전류 형태를 거의 방해하지 않안 어떤 경우에 유리할 수 있다.

작동시 배플부재는 운동에너지를 흡수하므로서 파동의 크기를 감소 시키기 위해 유동 용융금속에 감쇠효과를 부연한다.

금속 흐름을 제한하는 배플 부재와 관련하여, 거의 일정한 값으로 전해조내의 용융금속 부피를 유지하기 위한 수단을 전해조에 설치하는 것이 바람직할수 있다. 이러한 목적을 위해서, 용융 금속을 통과시키지만 용융 전해액의 통과를 제한하도록 작동되는 하나 이상의 선택 여과기가 전해조에 설치될 수 있다. 이러한 선택여과기는 용융 금속의 푸울로 부터 연속적으로 용융 금속을 회수할 수 있도록 배열된다.

환원 전해조의 작동시 발생하는 한가지 문제는 용융 금속 푸울아래의 전해조 바닥에 슬러지가 형성된다는 것이다. 이러한 슬러지는 적어도 상당부분이, 전해조 전해액에 용해되지 않고 용융 금속 속으로 통과하는 알루미나 공급물질로 구성되어있다. 그 이유는 알루미나가 융융 알루미늄보다 더 밀도가 크고 용융 전해액을 전해조 바닥으로 억지로 끌어들이기 때문이다.

슬러지는 전기 전도성이 약하기 때문에, 그 슬러지가 전해조의 모든 바닥위에 연속적인 층을 형성하는 경우, 슬러지는 음극 바닥 블록(전해조 구조물에 이용되는)에 전류가 통하는 것을 방해하다. 그러나, 종래의 전해조에서, 슬러지는 전해조의 옆으로 서서히 이동하며, 전해조의 벽에 존재하는 냉동된 전해액의 표면을 통하여 전해액속으로 서서히 재흡수 된다. 그러므로, 전해조는 슬러지가 상기와 같은 재흡수를 일으키기 위해 전해조의 측면 및/또는 단부로 이동할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.

배플 부재는, 금속 흐름 속도가 최대로 되는 위치(배플부재가 없을때)에서 양극의 투영(shadow)지역의 가장자리의 외측으로 또는 약간 내측으로 연장되도록 배치되고 전해조의 횡방향으로 배열된다. 그 배플부재는 금속 흐름의 방향과 수직으로 배열되는 것이 바람직하다.

배플부재의 목적이 용융 금속에 평온하고 비교적 파동이 없는 상태를 형성하기위한 것이기 때문에, 각 배플부재는 상기와 같은 흐름을 감소시키는 작용을 부여하기 위해 금속흐름의 방향을 따라 연장되는 제한된 구멍들과 같은 에너지 흡수 장치를 구비한다. 각 배플 주배는 두께 대 높이 비가 커야한다. (배플 부재의 대부분이 전해조의 바닥에 매립될 수 있을지라도, 높이는 전해조의 바닥위 배플 부재의 수직 범위이다.) 두께/높이 비는 적어도 1/1인 것이 바람직하다. 배플부재는 각 배플 부재의 유효표면의 10-50%를 차지하는 5-50mm범위의 원형 구멍들을 가질수 있다. 또다르게는, 배플 부재는, 벌집 모양의 표면적의 70%까지를 차지하고 상기 범위내의 크기를 가지는 삼각형, 사각형 또는 기타 형태의 구멍들을 갖는 두꺼운 벌집형 물질로 부터 만들어질 수도있다. 또 다른형태로서, 각 배플 부재는 상기 구멍과 똑같은 기능을 이행하도록 제조될 수도 있다.

편리한 구조를 위해서 상기 블록은 단순한 장방향 블록으로 될 수 있지만, 전해조의 특정조건하에서 용융금속의 운동에너지를 흡수할 수 있는 다른 형태를 가질 수도 있다. 따라서, 블록은 사다리꼴 형태를 가질수 있다. 마찬가지로, 흐르는 금속으로 향하는 블록의 면은 수직에대해 전방 또는 후방으로 기울어질 수 있다.

양극 투영 지역에서 파동을 줄이기 위해서, 횡방향 배플 부재외에 종방향 배플부재를 설치하는 것이 바람직한 경우, 종방향 배플부재는 상기 이유로 각 종방향 배플부재 아래 슬러지가 전해조의 측면으로 방해없이 측방으로 흐르도록 하는 방식으로 설치되는 것이 바람직하다. 이것은, 종방향 배플부재의 바닥가장자리 표면이 전해조 바닥위로 약간 올라온 채로 횡방향 배플 부재에 종방향 배플 부재를 지지 시킴으로써 편리하게 달성될 수 있다.

전해조가 평행한 2열의 양극들을 이용하고 알루미나 원료가 양극 열들사이에서 크러스트(curst)를 파쇄함에 의해 전해조에 공급되는 경우, 간격을 두고 떨어져 있는 1쌍의 단단한 종방향 배플들이 2열의 양극들의 투영 지역의 내측 가장자리 부근에 설치되고 중앙지역으로부터 양극열의 양극 투영지역 내로 슬러지가 횡방향으로 확산되는 것을 방지하지 위하여 전해조 바닥에 설치되는 것이 바람직하다.

첨부 도면을 참조하여본 발명을 이하 상세히 설명한다.

제1도 및 제2도에서, 전해조는 전기 및 열 절연체(2)로 라이닝된 장방형 강철 외곽틀(1)을 포함한다. 그 전해조에는 탄소 블록들(3)으로 형성된 통상의 음극 바닥구조물이 제공되어 있으며, 그 탄소블록들은 전해조의 구 길이 방향 측면을 따라 공지의 방법으로 연장된 버스바아(도시되지 않음)에 음극 전류를 반송하는 강철 집전봉(4)에 전기적으로 연결된다. 이 전해조에는, 평행한 열들의 예비 소둔된 양극들(5)가 제공되어 있고, 그 양극들의 투영 지역이 제2도에 (6)으로 나타내어져 있다. 작동시, 용융 불화물 전해액(8)의 층과 전해조의 바닥사이에 용융금속(7)의 푸울이 존재한다.

횡방향 배플 부재(9)가 양극 투영 지역들내 위치들에서 탄소 바닥 브록들(3)속에 끼워져 있고, 이들 배플 부재는 전해조 측면(제2도에 도시되지 않음)에서 냉동된 전해액(10)내로 외측으로 연장된부분(9')를 가질 수 있다.

횡방향 배플 부재(9)는, 슬러지가 종방향 배플 부재 아래에서 횡방향으로 이동할 수 있도록 종방향 배플 부재의 하부 모서리가 바닥으로부터 약간 떨어질채로 종방향 배플부재(11)을 지지할 수 있다.

제1도 및 제2도에서, 배플 부재(9)는 제4도, 제5도 및 제6도에 도시된 형태들중 어느한 형태를 가질 수 있다.

제4도, 제5도 및 제6도에서, 횡점선(20)은 전해조 바닥(3)의 상부표면을 나타낸다. 그 점선 아래의 배플 부재 부분은 전해조 바닥에 매립된다.

제4도에서, 10-15cm의 전체높이를 갖는 배플 부재는, 직경이 약3cm이고 배플 부재의 노출된 면적의 약 20%를 차지하는 2열의 구멍들(21)을 갖는다.

제5도에서, 배플부재는, 에너지 흡수 흐름 채널(23)을 제공하기위해 2-3cm간격으로 떨어지고 약10-15cm의 폭을 갖는 여러개의 장방향 블록들(22)로 구성되어 있다.

제6도에서, 배플부재는, 구멍(24)가 1-2cm의 폭을 갖는 사각형이며 배플 부재의 전방면적의 약70%를 차지하는 벌집면으로 구성되어 있다.

각경우에 배플 부재의 두께는 바람직한 강도를 제공하기 위해 약10-15cm또는 그 이상이다.

종방향 배플 부재(11)은 제4도, 제5도 또는 제6도에 타나낸 것과 대체로 같은 형태를 가질 수 있다. 제4도 또는 제6도의 형태에서 배플 부재(11)의 높이는, 배플 부재(9)의 상부 모서리와 똑같은 수준에 그의 상부 모서리를 유지하면서도 그 종방향 배플 부재 아래에서 횡방향 흐름을 허용하도록 감소되어 있다. 반면에, 배플 부재(11)이 제5도에 나타낸 형태를 가질 때, 각 블록들은 바닥에 고정되고 채널들(23)이 슬러지의 횡방향 이동을 가능케한다.

제3도의 구조에서 제1도 및 제2도에서와 같은 부품들이 동일 번호로 나타내어져 있다. 이 구조에서, 크러스트 파쇄기(15)가 알루미나를 호퍼(16)으로부터 전해액(8)로 직접 공급하도록 양극들(5)의 2개의 떨어져 있는 열들 사이에 제공된다.

이러한 형태의 배열에서, 크러스트 파쇄기(15)및 공급 호퍼(16)에 의해 구성된 알루미나 공급 장치 바로 아래의 위치(17)에서 슬러지를 형성하는 경향이 있다. 이 슬러지는, 전기 전도성 물질이나 비전도성 물질로 형성될 수 있는 견고하며 구멍이 없는 종방향 배플 부재(18)사이의 중앙 지역에 한정되는 것이 바람직하다.

제1도 및 제3도의 구조에서, 통상의 방법대로 전해조의 싸이폰 출탕을 위한 배출지점으로서 전해조의 한쪽단부에 얕은 웅덩이(19)를 제공하는 것이 바람직하다. 대안으로서, 전해조내 용융 금속의 양이 이미 언급한 선택여과기를 이용하므로써 일정하게 유지될 수 있다.

전해조 작동에 있어서, 배플 부재의 배열에의해 금속 푸울에서의 파동이 폭이 크게 감소되고, 용융 금속(7)과 전해액(8) 사이의 계면에서의 안전성이 증가된다는 것이 밝혀졌다.

금속/전해액 계면의 안정성이 증가되므로써, 상기 계면의 기준위치로부터 더작은 거리에 양극을 유지시키는 것이 실행가능하여 공정 효율을 향상시킬 수 있는 것으로 밝혀졌다. 양극과 액체 금속 음극사이의 거리가 감소될때, 전해조 저항은 20%까지 상당히 감소될 수 있다. 이것은 공정의 에너지 효율을 증진시키며 전해조의 생산성을 증가시킬수 있다.

배플부재(9)와(11)은 용융 알루미늄 금속에 의해 공격에 견디는 물질로부터 제조되며, 전해조 전해액에 의한 공격에 견디게 할 수 있도록 이붕화티탄같은 내화성의 경질 금속의 적어도 외부 표피를 갖는다. 이러한 배플 부재들은 전기 전도성 이거나 또는 사실상 비전도성일수도 있다.

Claims (7)

1. 전해조의 음극을 형성하는 용융 금속 생성물이 위치하고 있는 바닥 구조물 위에 매달린 하나 이상의 양극과, 전해조의 용융물을 수용하기 위한 측면 및 단부벽을 갖는 장방형 외곽틀로 구성되어, 금속생성물보다 밀도가 더 작은 용융 전해액을 가수 분해하므로써 용융 금속을 제조하기위한 환원 전해조에 있어서, 적어도 하나의 직선형 배플 부재가 전해조에 횡방향으로 연장하고, 전해조에형성되고 에너지를 흡수하는 제한된 흐름 채널들을 가지면, 상기 배플 부재가 전해조 바닥으로부터 전해조내 용융 금속의 수준에 가까운 위치까지 상방으로 연장된 것을 특징으로 하는 환원전해조.
2. 제1항에 있어서, 각 배플부재가 정상적인 전해조 작동의 모든 단계에서 용융 금속내에 잠겨 유지되도록 위치되는 것을 특징으로 하는 환원전해조.
3. 제1항 또는 제2항에서 있어서, 배플 부재가 그에 형성된 일련의 흐름 제한 구멍들을 갖는 것을 특징으로 하는 환원 전해조.
4. 제1항 또는 제2항에서 있어서, 배플 부재가 간격을 두고 배열된 요소들로 구성되고, 그 요소들 사이에 에너지를 흡수하는 상기 제한된 흐름 채널들이 형성되는 것을 특징으로 하는 환원 전해조.
5. 제1항 또는 제2항에서 있어서, 각 배플부재가 상기 용융 금속 생성물 및 상기 용융전해액에 의한 공격에 견디고 상기 용융 금속 생성물보다 더 밀도가 큰 물질로 제조되는 것을 특징으로 하는 환원 전해조.
6. 제1항 또는 제2항에서 있어서, 각 배플 부재가 인접 양극의 투영지역내 위치로부터 저해조의 측면벽의 냉동된 전해액내로 연장되어있는 것을 특징으로하는 환원 전해조.
7. 제1항 또는 제2항에서 있어서, 종방향으로 떨어져 있는 다수의 횡방향 배플 부재들이 설치되고, 상기 횡방향 배플 부재가 종방향으로 연장된 적어도 하나의 배플부재를 지지하고, 상기 종방향으로 연장된 배플부재의 하부모서리가 그의 아래에 슬러지 이동통로를 형성하도록 전해조 바닥위에 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 환원 전해조.

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