JPH0310715B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ アルミナを含有する氷晶石バス内でアルミナ
をアルミニウムに電解還元させる流化陰極炉であ
つて、耐火物および炭素材料で被覆された内面を
有し、陰極穴を形成する枠体と； アルミニウム濡れ性耐火物硬質材料を含有する
上面を少なくとも有する陰極と； 前記陰極穴内にぶら下がる少なくとも２つの陽
極であつて、それぞれは前記陰極の上面から約１
〜５cmの陽極・陰極間隔（ACD）をもつて離間
する下面を有すると共に前記陽極と前記陰極との
間に流路を有し、前記陰極の上面と前記陽極の下
面は水平線から約２〜15度の角度に傾斜し、これ
によつて前記陽極と陰極との間の前記流路の下方
端および上方端を形成する前記少なくとも２つの
陽極と； 電解反応用のアルミナの供給を確保するため
に、少なくとも１つの実質的に水平なバス循環ル
ープの回りに最少バス流量Ｑを前記陰極穴内にお
いて供給する装置と；を具備し、 少なくとも１つの戻り流路を提供して前記循環
ループを完成させる場合には、 式Ｑ（炉）（cm³／秒）＝（0.008）〔全炉電流(A)〕
／Δwt％Al₂O₃ が与えられ、 前記ループは (i) 前記陽極と前記陰極との間の前記流路と； (ii) 前記陽極と前記陰極との間の前記流路の下方
端に流通する少なくとも１つの下方流路と； (iii) 前記陽極と前記陰極との間の前記流路の上方
端に流通する少なくとも１つの上方流路と； (iii) 前記上方流路および前記下方流路に流通する
少なくとも１つの戻り流路と；を具備し、隣接
する陽極間に位置する前記少なくとも１つの戻
り流路は、ｈ，Ｗ，Ｌの寸法を有し、但し、ｈ
は任意の点におけるバス深さ（cm）、Ｗは戻り
流路の幅（cm）、Ｌは戻り流路の長さ（cm）、で
あつて、これらは 式R_f（炉流路）＝（2h＋Ｗ）Ｌ／h³w³ によつて示され、R_f（炉流路）の最大値は 式１／〔R_f（炉）〕^1/2＝_o 〓ⁱ⁼¹ （１／〔R_f（炉流路）〕^1/2） および 式R_f（炉）＝（Ｘ）（890²）／Ｑ（炉）² の関係によつて示され、但し（Ｘ）は約0.2×
10^-3／cm⁴〜230×10^-3／cm⁴であることを特徴
とする流下陰極炉。 ２ 前記下方流路から前記陽極と陰極との間の前
記流路に入り、前記上方流路にまで供給されるバ
ス中のアルミナ濃度の消耗は約0.2％〜5.0％であ
る特許請求の範囲第１項記載の流下陰極炉。 ３ 前記陽極と陰極との間の前記硫路における単
位陽極面積あたりの正味の合計バス流割合は約
1.2×10^-1〜８×10^-4cm³／秒／cm²である特許請求
の範囲第１項記載の流下陰極炉。 ４ 前記炉は約0.5〜3.0の陽極電流密度（Ａ／
cm²）を有している特許請求の範囲第１項記載の流
下陰極炉。 ５ 前記炉は約0.6〜2.0の陽極電流密度（Ａ／
cm²）を有している特許請求の範囲第１項記載の流
下陰極炉。 ６ 前記炉は約0.7〜1.5の陽極電流密度（Ａ／
cm²）を有している特許請求の範囲第１項記載の流
下陰極炉。 ７ 前記炉は約0.8〜1.2の陽極電流密度（Ａ／
cm²）を有している特許請求の範囲第１項記載の流
下陰極炉。 ８ 前記ACDは約1.5cm〜4.0cmである特許請求の
範囲第１項記載の流下陰極炉。 ９ 前記ACDは約2.0cm〜3.0cmである特許請求の
範囲第１項記載の流下陰極炉。 １０ 前記ACDは約2.5cmである特許請求の範囲
第１項記載の流下陰極炉。 １１ 前記陰極の上面と前記陽極の下面は水平線
から約５〜10度傾斜している特許請求の範囲第１
項記載の流下陰極炉。 １２ 前記陰極の上面と前記陽極の下面は水平線
から約６〜８度傾斜している特許請求の範囲第１
項記載の流下陰極炉。 １３ 前記陰極の上面と前記陽極の下面は水平線
から約８度傾斜している特許請求の範囲第１項記
載の流下陰極炉。 １４ 前記Ｌ（cm）は約15〜300である特許請求の
範囲第１項記載の流下陰極炉。 １５ 前記Ｌ（cm）は約30〜250である特許請求の
範囲第１項記載の流下陰極炉。 １６ 前記Ｌ（cm）は約60〜200である特許請求の
範囲第１項記載の流下陰極炉。 １７ 前記Ｌ（cm）は約122である特許請求の範囲
第１項記載の流下陰極炉。 １８ 前記Ｘ（10³／cm⁴）は約1.0〜20である特許
請求の範囲第１項記載の流下陰極炉。 １９ 前記Ｘ（10³／cm⁴）は約5.0〜10である特許
請求の範囲第１項記載の流下陰極炉。 ２０ 前記Ｘ（10³／cm⁴）は約6.2である特許請求
の範囲第１項記載の流下陰極炉。 ２１ 前記Ｑ（10³／秒／cm²）は約1.1×10^-3〜6.0
×10^-2である特許請求の範囲第１項記載の流下陰
極炉。 ２２ 前記炉は複数の戻り流路＝ｎを有し、ｎは
式R_f（炉流路）＝n²R_f（炉）で示される特許請求の
範囲第１項記載の流下陰極炉。 ２３ 前記傾斜および前記ACDは前記電解反応
で生じた気泡の厚さを前記ACDの50％未満に制
限するように寸法決めされている特許請求の範囲
第１項記載の流下陰極炉。 ２４ 戻り流路は前記陰極穴の内壁と陽極との間
に位置している特許請求の範囲第１項ないし第２
２項のいずれかに記載の流下陰極炉。 ２５ 前記アルミニウム濡れ性耐火硬質材料は２
硼化チタン、炭化チタン、２硼化ジルコニウム、
炭化ジルコニウム、およびこれらの混合物から選
ばれる特許請求の範囲第１項ないし第２４項のい
ずれかに記載の流下陰極炉。 背景技術 本発明はアルミナからアルミニウムを製造する
ための斬新な電解炉およびその運転法に関する。
特に本発明は、氷晶石を基とするバス（浴）電解
液を用いるアルミニウム製造用電解炉で、従来の
流下陰極炉において得られる狭い陽極・陰極間隔
のために生ずる問題が、ACD隙間内にバス流の
特定な態様を誘起して、アルミナ供給および生ガ
スの除去を容易にし、製作された金属の流下を良
くすることにより、克服されることが実証され
た。実験用電解炉の運転により、非常に狭い陽
極・陰極間隔においても大量の溶解アルミナを電
解区域に供給する能力が実証された。 アルミニウムの製造に通常用いられる電解炉
は、炭素陽極と陰極系の一部として働くほぼ平ら
な炭素張り底面とを用いる、古典的なホール・エ
ルー（Hall−Heroult）設計のものである。アル
ミナの電解還元によるアルミニウムの製造には電
解液が用いられ、その電解液は主として溶解アル
ミニウムを加えた溶融氷晶石からなり、ほたる
石、弗化アルミニウムその他の弗化金属塩を含む
こともある。アルミナの還元から生じた溶融アル
ミニウムはしばしば炭素張り底面上の溶融金属床
またはプールとして、電解炉を形成する容器の底
にたまるようにされて、液体金属陰極を形成す
る。容器内に延びて溶融電解液に接触する炭素陽
極は液体金属陰極に対して調整される。鋼鉄など
の電流コレクタバーが炭素張りの炉底に埋め込ま
れて陰極系への接続を完全にすることが多い。 ホール・ヘラウルト電解炉の設計およびサイズ
はまちまちであるが、炉の形状および運転モード
により全て約35〜45％という比較的低いエネルギ
効率にとどまる。すなわち、1lb（2.2Kg）のアル
ミニウムを製造するために必要な理論電力量は約
2.85Kw時（Kwh）であるのに、実際の電力使用
幅は６〜8.5Kwh／lbで、業界の平均は約
7.5Kwh／lbである。理論的エネルギ消費量から
のこのずれの大部分は陽極・陰極間の電解液中の
電圧降下の結果である。そのため、陽極・陰極間
隔（ACD）の低減に多くの研究が向けられた。
しかし、炉の陰極として働く溶融アルミニウム床
は電磁効果およびバス循環のために不規則で厚さ
が変ることがあり、過去の実例から比較的高い電
流効率を確保しかつ陽極と金属床の間の直接短絡
を避けるために、安全な3.5〜６cmにACDを保つ
必要があつた。そのような隙間間隔は1.4〜2.7V
の電圧降下を招来し、これは電気化学反応自体に
必要なエネルギ（エンタルピおよび自由エネルギ
の計算に基づく2.1V）に対する追加となる。よ
つてACDを3.5cmより少なくして省エネルギを得
るために、より安定なアルミニウム床を開発する
ことに大いなる努力が払われてきた。 ２硼化チタンの如き耐火性硬質材（RHM）を
タイルの形で陰極面として用いることが永く研究
されてきたが、極く最近まで接着性の良いRHM
のタイルまは表面塗膜が得られなかつた。２硼化
チタンは電導性であると共に、溶融アルミニウム
に濡れて極く薄いアルミ膜を作ることができると
いう独特の特性を有することが知られている。従
来の不安定な溶融アルミニウム床に代えて、
RHM表面で蔽われ傾斜陰極面を流下する極く薄
いアルミニウム皮膜を用いることが、ACDを減
じて、効率を高め電圧降下を減ずる手段として提
案された。しかし、得られたRHM面が不完全で
あり、狭いACD（1.5cmと狭い）に溶解アルミナ
を充分に供給する困難性を克服することができな
いために、過去においてかかる目標を達成する試
みは失敗に帰した。かくて、過度の持続的な陽極
効果を含め、狭いACDにはアルミナ枯濁の問題
が生ずる。これらの問題の防止のためにアルミナ
を過剰供給すると、スラツジ付着（マツキング
mucking）生じて、炉をつまらせ、運転を妨げる
結果を生じた。 エネルギ消費を減ずる、別の行き方として、ア
ルミナの代りに塩化アルミニウムからアルミニウ
ムを製錬する方法がとられた。この製法では従来
の電解法よりもアルミニウム製造に要する電力が
30〜40％減ずる。この製法では、ボーキサイトを
アルミナに変えるのに従来のベイヤー法が用いら
れ、アルミナは化学プラントで塩化アルミニウム
に変えられて次に電解炉で製錬される。炉内で塩
化アルミニウムは、抽出されるアルミニウムと、
さらに塩化アルミニウムの製造のために化学プラ
ントに戻されて循環使用される塩素と、に分解す
る。かかる技法は非消耗型陽極を有する流通型反
応器を用いる。しかしこの製法のアルミニウム製
造炉はホール・ヘラウルト型炉に適合しないの
で、現存のアルミニウム・プラントをこの製法の
ために改造することができない。よつて塩化アル
ミニウムによる製法は全く新規の設備投資を必要
とする。本発明は改造プラントにおいて大きな省
エネルギを可能とし、全くの新規設備の必要を無
くする。 本発明を開発した背景はここにある。 発明の開示 ほたる石を基とするバス電解液を用い、高い電
気効率を有する改良されたアルミニウム電解炉を
与えることが本発明の一目的である。よつて単一
炉系または建設費および運用費の節約のための多
重炉系に使用することのできる、アルミナからア
ルミニウムを製造するための基本炉を与えること
が本発明の一目的である。 在来技術よりもACDを狭くすることにより電
流効率を高めて電圧降下を減じ、かつ現在のホー
ル炉設備を改造して建設し得る炉設計を与えるこ
とが本発明の一目的である。従つて３cm未満の
ACDを有し、陽極陰極間すき間への適正なアル
ミナ供給を過剰供給する必要なしに保証する電解
炉を与えることが本発明の一目的である。本発明
のいま一つの目的は流通型形態と被制御ふん囲気
を与えるアルミニウム還元炉設計を与えることで
ある。 以下に述べられる開示により明らかにされるで
あろう上記その他の目的は、個々の工程ができ得
る限り分離される炉を与えることにより達成され
る。ソーダーバーグ（Soderberg）またはプレベ
ーク（pre−baked）の何れかである、陽極を成
形する傾斜した中実の陰極を用い、本書に定義さ
れる他のパラメータの正しい選択と相まつて、製
品アルミニウムの収集だめへの流下を妨げること
なく、陽極への適正なアルミナ供給を与えるよう
に、陽極・陰極間すき間にバス流をすなわち浴流
を誘起する。一つの形態では、陽極下方のガスの
ポンプ作用により、バスが炉を通つて炉供給室へ
流れ、炉供給室から出ての反対側へ戻るようにさ
れる。この種の個々の炉を多重に組合せて数多く
の形態を作つて、任意のプラント現場の物理的お
よび経済的制限に合う体系を構成させることがで
きる。 よつて本発明は、溶融アルミニウムが収集だめ
に流下するのを妨げることなく、また電流効率の
低下を生ずるような流下アルミニウム表面の分裂
を生ずることなく、陽極と陰極の間に濃縮物質の
豊富で充分な流れを陽極ガスが誘起するように、
陰極が配置された傾斜付けられている電解炉に関
する。よつて濃縮バス区域からバスが幾らかアル
ミナ成分を消費されている区域まで流れるように
バスが誘導される。マツキングまは陽極効果の何
れをも防ぐように調整された分量で、バスにアル
ミナが自動的に供給される。 本発明の１つの態様によれば、アルミナを含有
する氷晶石バス内でアルミナをアルミニウムに電
解還元させる流化陰極炉であつて、耐火物および
炭素材料で被覆された内面を有し、陰極穴を形成
する枠体と； アルミニウム濡れ性耐火物硬質材料を含有する
上面を少なくとも有する陰極と； 前記陰極穴内にぶら下がる少なくとも２つの陽
極であつて、それぞれは前記陰極の上面から約１
〜５cmの陽極・陰極間隔（ACD）をもつて離間
する下面を有すると共に前記陽極と前記陰極との
間に流路を有し、前記陰極の上面と前記陽極の下
面は水平線から約２〜15度の角度に傾斜し、これ
によつて前記陽極と陰極との間の前記流路の下方
端および上方端を形成する前記少なくとも２つの
陽極と； 電解反応用のアルミナの供給を確保するため
に、少なくとも１つの実質的に水平なバス循環ル
ープの回りに最少バス流量Ｑを前記陰極穴内にお
いて供給する装置と；を具備し、 少なくとも１つの戻り流路を提供して前記循環
ループを完成させる場合には、 式Ｑ（炉）（cm³／秒）＝（0.008）〔全炉電流(A)〕
／Δwt％Al₂O₃ が与えられ、 前記ループは (i) 前記陽極と前記陰極との間の前記流路と； (ii) 前記陽極と前記陰極との間の前記流路の下方
端に流通する少なくとも１つの下方流路と； (iii) 前記陽極と前記陰極との間の前記流路の上方
端に流通する少なくとも１つの上方流路と； (iv) 前記上方流路および前記下方流路に流通する
少なくとも１つの戻り流路と；を具備し、 隣接する陽極間に位置する前記少なくとも１つ
の戻り流路は、ｈ，Ｗ，Ｌの寸法を有し、但し、
ｈは任意の点におけるバス深さ（cm）、Ｗは戻り
流路の幅（cm）、Ｌは戻り流路の長さ（cm）、であ
つて、これらは 式R_f（炉流路）＝（2h＋ｗ）Ｌ／h³w³ によつて示され、R_f（炉流路）の最大値は 式１／〔R_f（炉）〕^1/2＝_o 〓ⁱ⁼¹ （１／〔R_f（炉流路）〕^1/2 および 式R_f（炉）＝（Ｘ）（890²）／Ｑ（炉）² の関係によつて示され、但し（Ｘ）は約0.2×
10^-3／cm⁴〜230×10^-3／cm⁴であることを特徴と
する流下陰極炉が提供される。

【図面の簡単な説明】

第１図は逆Ｖ形陰極、すなわち２重傾斜陰極の
形態を使用する電解炉の端面図、 第２図は単一傾斜陰極を用いる、本発明の概念
の炉の端面図、 第３図は外部補給を有する単一傾斜陰極、流通
型アルミニウム還元炉の端面図、 第４図はＶ形流下陰極炉の端面図、 第５図アルミニウム連続抽出系および分離した
補充・混合区域を用いる単一傾斜流下陰極炉の平
面図、 第６図は複数の単一傾斜流下陰極炉を縦列に用
いる、多重炉体系の平面図、 第７図はバス流速を制限する部分邪魔板を使用
する、単一傾斜流下陰極炉の平面図、 第８図は２つの反対傾斜の陰極を有する炉の平
面図、第９ａ図は流下陰極炉内のガス発生を模擬
するように設計された水力学アナログ・モデルの
側面図、 第９ｂ図はACDにおける正常なバス流の説明
図、第９ｃ図は流下するアルミニウムの近辺の、
ACDにおけるバス逆流区域の説明図、 第９ｄ図はACDを通るバス材の正味の流れが
無い状態の、乱れて分裂したバス流の区域の説明
図、 第１０図は流れの抵抗が高い状態における炉シ
ミユレーシヨン・モデルのバス流対陰極傾斜のグ
ラフ表示、 第１１図は流れの抵抗が中位の状態における炉
シミユレーシヨン・モデルのバス流対陰極性傾斜
のグラフ表示、 第１２図は流れの抵抗が低い状態における炉シ
ミユレーシヨン・モデルのバス流対陰極傾斜のグ
ラフ表示、 第１３図は流下陰極炉におけるポンプ効率−流
れ抵抗の概念図、 第１４図は戻り通路における所要流れ抵抗対陰
極傾斜のグラフ表示、 第１５図は炉設計パラメータの図、 第１６図は傾斜陰極電解実験炉の断面図、 第１７図は３個の実験炉で得られた炉運転安定
性のグラフ表示、 第１８図は２つの電流密度における陽極−陰極
極性化および陰極傾斜の間の関係の図解。 発明を実施するための最良の形態 本発明は２硼化チタンその他類似の耐火性硬質
材の表面を有する傾斜付きの流下陰極から成り、
水平からの傾斜角はバス運動の制御に寄与するよ
うに選定され、バス運運動は特定の重要プラメー
タに流体力学的に左右される。アルミニウムの流
下を妨げないで、陽極効果を避けるために、陽極
面の直ぐ下の空間にある電極間すき間にアルミナ
濃厚バスの充分な流れが誘起されるようにバス運
動が制御される。よつて過大なアルミナ供給から
生ずるマツク（くず）形成、不充分なバス添加か
ら生ず持続的な陽極効果、そしてバスの循環を妨
げるレツジング（突起形成）などの如く、在来の
金属床なしで運用される耐火性硬質金属面の陰極
の開発により可能となつた極く狭い陽極−陰極間
隔（ACD）において生ずるアルミナ供給上の諸
問題を克服することが可能である。 省エネルギ流下陰極極アルミニウム還元炉の概
念の成否は、２つの重要な要素、すなわち(1)耐久
性RHM陰極材、(2)狭い陽極−陰極間隔（ACD）
を通るバス流を制御し最適化する能力、にかかつ
ている。生産用炉において実施中の実験により、
第１の要求事項を満たす材料が開発されたことが
示されている。すべて本譲受人に共通して譲渡さ
れ、出願中の1982年７月９日付米国特許願第
395343号、第395344号、第395345号および1982年
７月22日付米国特許願第400762号、第400763号、
第4000764号、第400765号、第400772号、第
400773号、その他は耐火性硬質材塗膜の組、適用
方法、およびアルミニウム濡れ性を示し秀れた電
気特性を有する耐久性、接着性のある陰極面と与
える陰極構造に関している。 傾斜陰極炉のACDにおける流体力学的状態を
模擬するために水モデルを用いる研究の結果、も
う一つの要求事項を満たすのに必要な炉設計基準
が決定された。水モデルの結果は実験室規模の電
解炉で立証された。契約番号DE−AC03−
76CS40215により報告されたKaiser−DOE傾斜
付きTiB₂陰極試験や他の公開報告書および特許
に用いられる数多くの炉設計は本発明の設計要求
事項から外れており、重要性が既に認められてい
る重大な流体力学上の問題点を処理することがで
きない。これらの設計基準は陰極面の傾斜、
ACD間隔、戻り流路におけるバス流への抵抗、
および陽極電流密度を含む。これらの基準のうち
最初の２つは既存の設計、報告書および特許にお
いて考慮されているが、後の２つの基準はその重
要性と共に本書により初めて指摘される。 電解工程によつて陽極面は陰極にほぼ平行とな
るように成形されることはアルミニウム電解にお
いて公知である。よつて傾斜した陰極は陽極を似
たように傾斜させる。公知の如く電解工程により
陽極面におい大量のガスの発生がある。 水平の陽極および陰極の面を有する在来設計の
アルミニウム還元炉において、陽極面に発生した
ガスは炉心から陽極面の下方を外方へ最も近い垂
直向きの通気口へ横向きに移動し、その通気口は
一般に陽極の垂直側面から成ることも公知であ
る。傾斜陽極はその傾斜の方向と大きさによつて
このガスの運動を高めもすれば低下もさせる。適
正な陰極、従つて陽極の傾斜は陽極ガスを所要の
方向に移動させることが判る。次に、ガス・リフ
トおよびガス・ジエツトポンプ並びに気泡柱の設
計にも利用される公知の作用によりこの陽極ガス
は陽極表面近くのバスを同一方向に駆動する。こ
の駆動は（必要あれば）他のポンプ圧送作用、例
えば適正設計のポンプにより補足され、高められ
る。 流体系の流れは、流体駆動力と系内の要素内の
流れに対する抵抗の間の平衡により成立つこと、
また形態に左右されるが、局部的な流れの速度は
流体駆動方向と同じ方向であるが、時には反対の
方向にもなることは、流体力学上公知である。一
方で、傾斜による浮力が発生する気泡力および水
平陽極の下方で気泡を横向きに駆動する力と、他
方で流れに対する抵抗と、の間の平衡を達成して
所要のアルミナ供給を生ずる正味のバス運動を与
えるような傾斜を配置することが本発明の原理で
ある。陽極面近くの局部的バス速度は所要の方
向、すなわち駆動用気泡が動く方向である。同時
に、陰極面近くのバス速度を陽極近くのバス速度
に等しい方向とし、しかもバスを駆動する気泡の
流れに反対な方向である陰極上のアルミニウム流
下を阻害する程には大きくしないように形態配置
がなされる。アルミナ濃厚バスが炉の特定の側に
配置された場合、陽極のこの側が低くてこの側か
ら遠ざかる方に上向きの傾斜を有する時に陽極面
直下の空間へのバス流が生ずる。この傾斜は、も
しも傾斜が無ければ陽極の中心部分から陽極のこ
の側に向つたであろうガス流に打勝ちさらに反転
させるのに充分な程大きい。傾斜の精密な形態お
よび配置はアルミナ濃厚バス供給源の位置と共に
変わる。この位置は炉の大きさおよび使用陽極の
型式（プレベークかSoderbergか）により、一方
の側か、両側か、または炉の中央にもなる。 陰極（従つて陽極）の傾斜が炉の幅にわたつて
一様であるものまたは傾斜が種々の形で変わるも
の、が本発明の代替実施例とし現われる。これら
は例えば、炉の横断面の両半分で同一方向で、等
しくないが一定の傾斜をもつもの、また両半分で
等しいが反対の傾斜をもつもの（例：２重傾斜、
逆Ｖ形）を含む。本発明の概念はプレベークおよ
びSoderbergの陽極設計の炉の両方共に適用され
る。たとえば、幅が２つのプレベーク陽極ブロツ
クで蔽われている炉には逆Ｖ形が最も適している
かも知れないが、この形態は中央で通気させた垂
直スタツドSoderberg陽極にも適用されることが
できる。逆Ｖ形は両側から供給に適しているが、
Ｖ形は中央供給に適しているであろう。同様に、
一方向のみの傾斜（一定のものも変わるものも）
を有する設計への適用が望ましいが、本発明は片
側から供給する単一の一枚岩の無通気Soderberg
陽極に限定されない。 特定の適用に対する陰極傾斜の選択は所要の流
体力学特性を達成するための他の支配的パラメー
タと両立しなければならない。これらのパラメー
タは、ACDすき間（すなわちACD間隔）、陽極
電流密度（電流と陽極面寸法）、およびバス戻り
抵抗（すなわちバス戻り流路または通路の長さ、
深さ、幅および材質）である。制御されたバス流
は過度の陽極効果を防止するのに充分な量のアル
ミナ濃厚電解液を陽極面に供給することになる。
他の利点はACDにおける過大なガス蓄積の防止、
陽極および陰極の過大電圧の減少、ならびに製品
アルミニウムの流れの分裂の軽減である。 第１図は中央ガス出口およびコレクタバーを有
する逆Ｖ陰極設計の、側方供給付垂直スタツド
Soberberg還元炉の端面図である。陰極面６は炉
の両側から陽極１の中心に向つて上方に傾斜し、
陽極の中心でガス抜き２を通して陽極ガスが収集
系（図示せず）に通気される。コレクタ・バー４
が陰極面６にきつちり平行に配置され、アルミニ
ウム流下だめ５を避けるようにずれている。 水平線から陰極面６の角度は所要のバス流を誘
起するのに充分大きくとるべきであるが、陽極・
陰極空間７における過度の気泡変形またはバス乱
流を生じる程に大きくてはならない。また以下に
述べる制限にも従わなければならない。たとえば
傾斜角は、以前は指摘されなかつたが気泡の形態
および運動に顕著な影響を与える。陽極面が水平
線から傾いている時、気泡は陽極の傾斜にそつて
上昇する気泡の運動方向に垂直な長軸を持つ長楕
円形になろうとする顕著な傾向を示す。気泡と液
体の間の相対速度が増すにつれて、気泡の前縁は
厚みを増す。そして傾斜の或る範囲にわたつ、
徐々に厚みを増す前縁は、境界面のゆがみおよび
摩さつの影響による抵抗増加のために、気泡の駆
動作用を減ずる結果を招く。たとえば、水平から
約15゜の陽極傾斜にて、陽極面にある大形気泡は
かなりのひずみおよび抵抗を受けることが見られ
た。適当な傾斜角は、炉の条件により多の増減は
許されるが、約２〜15゜の範囲であると判つてい
る。望ましい傾斜は水平から約５〜10゜、より望
ましくは約６〜8゜である。最も望ましい陰極傾斜
は約8゜であると判明した。 陰極面６は陰極面上のアルミニウム（またはア
ルミニウム合金）の薄膜形成を助けるために、
TiB₂の如き電導性のアルミニウム濡れを性材で
被覆される。２硼化チタンを含む表面が望ましい
が、炭化チタン、炭化ジルコン、２硼化ジルコン
まはそれらの混合物の如き、他のアルミニウム濡
れ性耐火硬質材の使用も考えられる。適当な陰極
面およびかかる陰極面を与える塗膜組成は、全て
本発明の譲受人に譲渡された、出願中の1982年７
月９日付米国特願第395343号、第395344号、第
395345号および1982年７月22日付米国特願第
400762号、第400772号、第4000773号、その他に
示されている。 アルミニウムは陰極の傾斜面から側方の収集用
流下だめ５の中に流下し、それにより、電流効率
を減ずる逆反応の可能性を少なくし、抽出作業を
迅速化し、また他の炉作業から抽出作業を独立さ
せる。この流下するアルミニウムの薄膜は誘導磁
界に感応しないから、在来の溶融アルミニウム床
の使用に優る一大改良である。さらに前記の制御
されたバス運動はアルミニウムの流下を妨げな
い。 陽極の下方傾斜縁にそつて上方へ動く気泡８は
必要に応じて排気されて、気泡が大きくなり過ぎ
ないように、すなわち陽極面の広い部分を蔽つた
り、陽極・陰極空間に過度に伸びて行つたりしな
いようにされる。しかし狭い陽極・陰極空間への
バス流に対する必要な駆動力を著しく減ずること
のないように、過度の排気を避けるべきである。
排気は陽極にあるみぞ、または通気管、狭路、孔
などを通して行われる。Soderberg陽極のペース
トまたは可塑区域にパイプを挿入したり、プレベ
ーク炭素陽極内に焼込んだりして通気孔を作るこ
ともできる。陽極に通気孔を均等でなく配分する
と、炉内のバス流を再配分して炉内のバス流の非
均等性を補正することが判る。 消費されたアルミナのバスを補充するためにホ
ツパー１９からアルミナがバスに添加される。も
ちろん他のバス構成材も同時に添加される。矢印
１０はガス気泡８により誘導されて狭い陽極・陰
極空間７を通るアルミナ濃厚バスの流れを示し、
いつぽう矢印１３は流下だめ５に落ちる薄膜とし
てのアルミニウム金属の流れを示す。 第２図は単一傾斜陰極を用いるアルミニウム還
元炉の端面図である。単一傾斜の陰極面６により
直線状のコレクタ・バー４の使用が可能となり、
陰極上面とコレクタ・バーの間隔を一定に保つこ
とができる。炉２２の両側からコレクタ・バーが
出る場合に幾らかの電圧減少の利点はあるが、ア
ルミニウム流下だめ５を深くする方がより優利で
ある場合にはコレクタ・バー４を外まで伸ばす必
要はない。この炉の形態は多少なりとも在来の構
造の使用とコレクタ・バー設置のための装着技法
を可能にする。陰極面６の傾斜は成形陽極面にそ
つてガス気泡が効率良く移動し、またアルミニウ
ムを陰極面にそつて流下させるのに充分な程度で
なければならない。図示の如く、陰極面を流れる
金属薄膜を過度にひずませる恐れのある過剰な陽
極ガス気泡８は陽極にあるガス抜き２を通してガ
ス収集系３に排気される。機械的なバス・カバー
１８を用いることにより、バスふん囲気の完全制
御が確実となり、大気汚染が減ずる。電極間すき
間出口２１の所でホツパー１９によりアルミナが
バスに添加される。正確にバスを補充するために
自動制御装置２０を使うこともできる。このよう
なアルミナその他のバス構成材の添加態様は幾つ
かの利点を有する。先ず、電解区域を出た後でバ
スは部分的に溶解アルミナを消費しアルミナ急速
溶解にとつても最も理想的な環境を与える。もし
も幾らかのアルミナが側方貯蔵槽２４の底に沈澱
した場合、その沈澱アルミナのマツクを蔽う金属
パツドまたは金属だめが無いためにアルミナマツ
クが流通路の中に溶解する助けとなる。さらに、
バスの戻り流路は余分の溶解時間を与え、マツク
の無いバスのみがACDすき間に循環されるのを
保証するように未溶解アルミナの落し穴として働
く。炉の金属流下だめ５の側にアルミナを添加す
ると、流下だめ内金属の下側にマツクを形成させ
る可能性を生じ、そのために流下だめが溢れて陽
極・陰極間に金属による直接の電気短絡を生じ得
るので、本配置ではそれを避けている。 第３図は流通型単一傾斜陰極アルミニウム還元
炉の端面図である。図示の如く陰極角度は、成形
陽極の面にそつて上方へ陽極ガス気泡８を効率よ
く移動させ、また陰極面を矢印１３の如くアルミ
ニウムが流下してアルミニウム流下だめ５に入る
のに充分な程度である。必要であるかも知れない
ガス抜き２は陽極内に設けられ、みぞまたは通気
孔の形をとることもできる。陽極自体は
Soderbrgまたはプレベークした炭素の変形であ
る。アルミニウム流下だめ５は床の厚みの変化の
如き炉へのかく乱を少くする連続抽出系に導かれ
るのが望ましい。ガス抜き２および空いたバス空
洞はガス収集系に接がれるのが優利である。図示
の流通型炉では電解バスは外部で補充され、バス
入口９から矢印１０に示される通路を通り、陽
極・陰極空間７を径てバス出口１１に流れ、その
個所で電解液はアルミナが電解により部分的に消
費されている。 第４図は２重傾斜流下陰極、すなわちＶ形陰極
炉を示す。この形態では、陰極傾斜の高い方の端
に図示されているポイント・フイーダ２７により
補充が行われるのが、図示のプレベーク型陽極１
の間でも補充を行うことができる。アルミニウム
金属の流れ１３は陰極面６を流下し、連続抽出系
に接続されることが有利な流下だめ５に入る。陽
極ガス気泡８は陽極底面にそうバス材の流れ１０
を誘起する。 第５図は炉供給混合区域を組入れた単独炉の平
面図である。第５図では、陽極１がみぞ形ガス抜
き２を有することが図示される。陰極面６と共
に、アルミニウムを連続金属抽出系１４に供給す
る流下だめ５が図解される。アルミニウム金属の
正味の流れの方向は矢印１３で示され、いつぽう
氷晶石バスの正味の流れの方向は矢印１０で示さ
れる。陽極１と陰極面６の間を通過した後、部分
的に消費されたバスは出口１１から炉供給混合区
域１６に流れ、そこでアルミナが補充される１
２。アルミナの補充後、氷晶石バスは矢印１０で
示される方向に電解炉の中を再循環する。図で
は、バス入口９に隣接して随意の磁石式バス循環
ポンプ１７が使用されているが、大抵の状況下で
かかるポンプの使用は不必要と考えられる。炉供
給混合区域１６を組入れた設計におけるバスの逆
流と循環の分裂を防ぐために、戻り通路２８に邪
魔板１５を配置することができる。 第５図は縦並びで運転される４基の個別電解炉
から成る多重炉体系の平面図である。図示の如く
本体系は連続アルミニウム抽出系１４を有して、
アルミニウムの水位を一定に保ち、従つて熱バラ
ンスとバス水位をより定常的にする。在来の不連
続金属抽出を使用することもできるが、バス水位
の変化を補正する段取りが必要であろう。それに
は、バス・サージタンク、低位のアルミナ供給混
合タンク、および熱バランス調整装置が含まれ
る。第６図に示される如く、アルミナおよび他の
バス構成材が矢印１２のように炉供給混合区域１
６に添加され、矢印１０が示す方向に陽極・陰極
すき間を通つて循環する。磁石式循環ポンプ１７
の使用は随意である。生成されたアルミニウムは
流下してアルミニウム流下だめ５に入り矢印１３
に示される方向で連続金属抽出系１４に行く。ア
ルミナを消費されたバスの逆流は邪魔板１５によ
り防止される。 単独炉体系にも、またより経済的な多重炉体系
にも、アルミナ供給溶解系を組込むことは容易で
ある。本体系を制御されたふん囲気の下で運転す
ることを可能ならしめる本体系の一特徴は密封型
炉頂であり、それにより反応物質による問題、大
気汚染の問題および熱損失を少なくする。密封型
炉頂は必要不可欠ではない。この設計に非消費型
陽極面を加えると、単独容器の中に自蔵式で無人
の多重電解ユニツトを配することができる。 第７図は単一傾斜陰極を用いるアルミニウム還
元炉を示す。図示の如く、流下だめ５を介して炉
からアルミニウムを取出す連続アルミニウム抽出
系１４が示される。これは炉内のアルミニウム水
位を一定にし、かつ炉内の熱バランスおよびバス
水位をより定常化する働きをする。必要あれば、
戻り流路２８内の全体バス循環速度を制限するた
めに、調整自在の部分邪魔板２５が用いられる。
たとえば窒化珪素の如き非腐食性絶縁材からなる
邪魔板により、所要の制限が得られる。図示され
ないが、必要な補充装置は前記の如く任意の適当
な型式のものとすることができる。 前記の如く、単一傾斜陰極炉の代りに２重傾斜
陰極炉も本発明の範囲内で利用し得る。たとえば
金属アルミニウムが下方にアルミニウム流下だめ
に向つて流れるようにした、第１図の逆Ｖ形、ま
たは第４図のＶ形のものがそれである。しかし第
２図に図示される、炉のアルミナ供給側に向けて
上方に傾斜した単一傾斜陰極炉は炉の建設自体が
簡単であるばかりでなく、清掃その他の炉のるつ
ぼ室手入れが単純化されるので、望ましい実施例
と考えられる。 第８図は本発明のいま一つの実施例である、複
列単一傾斜陰極を用いるアルミニウム還元炉の平
面図である。電解液の流れは矢印１０で示され、
陽極１と陰極面６の間から、補充１２が為される
区域を通り、反対方向に傾斜する隣りの陽極・陰
極の対のACDを通る循環を示している。炉の中
心線２６は巧く２つの反対傾斜の陰極の境界線と
なる。円滑かつ連続の循環を保証するため、バス
の逆流を防ぎ正味バス循環流量を制御するように
それぞれ邪魔板１５および部分邪魔板２５があ
る。図中の他の要素は全て前述したものと同様で
ある。この形態は前記のＶ形および逆Ｖ形に代る
もので、Soderbergよりプレベーク型陽極と共に
用いるのが適していることに留意すべきである。
特にプレベーク型陽極に適しているいま一つの形
態は隣接する陰極（そして陽極面）の傾斜が同じ
方向であるが角度の異るものである。 図中には凝固バス材の側面突起および／または
皮殻の存在を示してないが、本発明はそれが存在
する炉にも適用されることに注意すべきである。 上面とそれに平行な下面の間の薄い層に液体が
閉じ込められた状態において、僅かに傾斜した表
面下を上方に向けて働くガス気泡のポンプ作用は
先ず水力学アナログ実験において実証された。こ
の実験は、動粘性系数が溶融氷晶石に極く近い、
室温の水を用いて行われた。表面傾斜を2.5゜に、
上下面のすき間を2.2cmにして、代表的な高電流
アルミニウム電解炉のガス発生量に合せた流量の
空気により加圧して多孔質の上面に気泡を発生さ
せた。その結果、模擬の陽極と陰極の間の正味す
るなち平均液体速度は５〜10cm／秒の範囲にある
と測定された。これらの速度は、氷晶石中のアル
ミナ濃度が通常である時の適正な炉の運転に必要
な速さでアルミナを供給するのに充分以上である
と計算された。この実験では、運転中の水平陽極
のアルミニウム電解炉に存在する、たとえば磁気
影響による、反対向きの気泡力に表面傾斜が打勝
つ必要がなかつたけれども、ガス駆動によるバス
循環の原理は明快に実証された。 生ずるバスの循環は、ACDすき間におけるガ
ス気泡のポンプ作用効率と、背圧すなわち戻り流
路を通るバス流に対する抵抗との釣合いにより制
御されることが判つた。１：20縮尺のアルミニウ
ム電解炉と水力学アナログ・モデルからさらに他
の結果およびデータが得られた。 傾斜する無空の陰極面の上方に在るガス発生陽
極面（約１m²）を模擬する水力学アナログ・モデ
ルが作られた。この装置は動作陽極が傾斜付きの
流下TiB₂陰極面の上方にある代表的な「流下陰
極」型アルミニウム還元炉の設計を模擬した。水
モデル研究は室温の水を用いて行われた。観祭さ
れた流体はレイノルズ数が乱流領域（＞5000）で
あつたから、水モデルで観察される流れのパター
ンと速度は実尺の炉で予想されるものと類似であ
つた。この領域では流れは主として流路の物理的
寸法により制御され、流体特性（例：粘性）には
無関係である。アランダムの多孔板（孔径約
20μ）作られた底板を有する加圧空気室が実際の
陽極で発生するガス（例：Co₂）を模擬するため
に用いられた。0.68amp／cm²の陽極電流密度を模
擬するために多孔板を通過するガス速度0.1778
cm／秒が用いられた（ガス速度は温度および静圧
の補を施こされた）。約1.4amp／cm²までの模擬電
流がこのモデルで実験された。 第９ａ図に側面図が示されるモデルの設計は第
１図に示される炉の半分を模擬したものである。
モデルの平面図は第７図に示される炉を模擬し
た。陽極の高い方の端の壁は中央みぞすなわちガ
ス抜き２を通る垂直面に相当する。図は、ACD，
BFL，φ，ｈ，ho、下方流路幅および上方流路
幅（後で定義される）と、陽極１、陰極面６およ
びバス２９との関係を図解する。 傾斜付き陽極面の下を上方へ向う所要の気泡の
流れに対比して水モデルおよび商業用規模のアル
ミニウム還元炉を説明するために下記の定義を使
用する。 BFL− 気泡流の方向の陽極面寸法（大抵のテ
ストでBFL＝122cm）。 BFW− 気泡流の方向に直角な陽極面寸法（大
抵のテストでBFW＝61cm）。 ACD− 第２図の数字７に対応する、傾斜付き
陽極・陰極面間の垂直距離（モデル・テストで
ACDは１cmから５cmまで変えられた）。 陰極傾斜（φ）− 上向き傾斜の陰極面と水平面
の間の角度（モデル・テストで陰極傾斜は０か
ら15゜まで変えられた）、 ｈ− 液面から陽極面までの陽極浸漬垂直深さ
（陰極傾斜の度合に従い陽極のBFL寸法線にそ
つてｈは変わる）、 ho− 陽極浸漬最少深さ、すなわち陽極の高い
方の端における陽極浸漬深さ（大抵のモデル・
テストでho＝10cm）、 所要のバス流は４つの異る形式の流路すなわち
通路を代表的に通過する。すなわち： １） 陽極と陰極の間のACDすき間。ここで陽
極ガスの導入と流動が炉内の所要のバス循環を
維持するのに必要な力を発生する。 ２） 第２図の貯液槽２４に相当する、ACDす
き間からバス流が流入する上方流路。ここで流
れは陽極の片側または両側に振向けられる。陽
極ガスの大部分はこの流路でバスから放出され
て、炉に供給されるアルミナの溶解に理想的な
バス撹乱作用を与える。この流路は第２図およ
び第７図に示されるように炉の側方にそつてい
るか、第１図に示されるように炉の中心にあり
得る。上方流路の寸法の定義は以下の通りであ
る。 深さ＝ 流路内のバスの深さ（水モデルではho
＋ACDの垂直成分。垂直成分は弛い角度では
事実上ACDに等しい）。 幅＝ACDすき間の気泡流と同じ方向の水平寸
法。 長さ＝陽極のBFWにそう水平寸法＋戻り流路
の幅。 ３） 戻り流路。バス流を上方流路から、バスが
ACDすき間に入る陽極縁にそつて存在する対
応する下方流路まで運ぶ流路。戻り流路の例は
第５図乃至第７図に数字２８で示される。最も
単純な形そして本研究のモデルとされた型式で
は、戻り流路は第７図に示される如きもので、
流れの抵抗を変えるため（部分邪魔板に付与さ
れた機能に似ているが）、戻り流路の深さまた
は幅を変えることもできる。水モデルおよび類
似設計の炉では、戻り流路の寸法は以下の如く
定義される。 深さ＝ 流路内のバスの深さ（流路の幅が狭くて
動作陽極が流路の片側または両側を形成する場
合は、有効流路深さは実際の深さからACDを
減じたものになる。それは隣接するACDすき
間における上向きの流れが戻り流路の底部に類
似厚さの層をよどませる傾向があるからであ
る。水モデル研究ではこの削減戻り流路深さが
用いられた）。傾斜する陰極のために、バスが
上方流路から下方流路に流れるに従い戻り流路
の深さは増す。 幅＝ 流路内の流れに直角な流路の水平幅。 長さ＝ 上方流路と下方流路の間の水平距離（水
モデルではこれはほぼBFLに等しい）。 ４） 下方流路。戻り流路からのバスを運んで、
バスがACDすき間に入る陽極縁にそつてバス
を配分することによりバス循環ループを完成す
る流路。この流路の寸法は上方流路の寸法と同
様に定義される。大抵のセル設計および水モデ
ルでは、アルミニウム金属が傾斜陰極から流れ
落ちるに従つてそれを収集するための受けまた
は樋を流路の底部に有する。そのような受けは
第１図および第９ａ図に示される。 全ての場合、モデルおよび実尺の炉における
バス流量Ｑは下方流路からACDすき間に入る
バス流の総体積流量と定義される。 実際の電解炉を模擬して規定の寸法または運転
条件の変更の効果を評価するために、水モデルは
種々の方法で改造されることが可能にされた。調
整自在の部分邪魔板（第７図の２５）を模擬する
ための装置がモデルに施こされた。陰極の傾斜が
ACDすき間内のバスの流れに与える影響を知る
ために、モデルの陽極および陰極の傾斜を０〜
15゜と変化させた。ACDすき間は水モデル研究で
は１〜５cmと変えられた。異る電流密度を模擬す
るためにガス流量は可変であつた。ACDすき間
および戻り通路に有色染料を注入してモデルの流
体の流れを観察し測定した。 下方の傾斜陰極に対する陽極の成形、すなわち
一致性が実験室の電解試験炉でも、エネルギ省に
対するカイザー・アルミニウム・アンド・ケミカ
ル・コーポレーシヨンの報告書（DOE契約番号
No.EY−76−Ｃ−03−1257の最終報告、「改良型ア
ルミニウム還元炉陰極の使用によるエネルギ節
約」1977年11月30日）でも実証された。 第９ｂ図はACD内のガス気泡８の所要の流れ、
およびバス流の方向１０を示す。この図から、陽
極面と同じ方向の、陰極面のバスの速度が大きす
ぎると陰極上の金属の流下を妨げる可能性がある
ことが明らかである。よつて、一方向の流れが望
ましいけれども、陰極面における過大な流速な避
けるべきである。水モデル研究で明らかにされた
ことは、或る設計条件の下では望ましくない３つ
の異る現象がACD内に起り得ることである。す
なわち： Γ逆流。 陽極底面にそつて上方に流れるバスが
流れの方向を反転して第９ｃ図に示されるよう
に陰極面にそつて下方に流れた時に逆流が生じ
た。極端な逆流状態では、第９ｄ図に示される
ように、バスがACD内で複数の小さな渦流を
形成し、ACDに入る正味の新しいバスが無い
か、極く少なくなる。実際の電解炉で新しいバ
スの供給が不足すると、持続的な陽極効果を招
く。 Γエアロツク（気体閉塞）。 陽極ガスの除去が
遅過ぎてACDがよどんだ大形ガス気泡で満た
された時にエアロツクが生じた。この状態では
バス流が不充分となる。運転中の炉でこの状態
が生ずると、そのようなガス気泡が局部的な電
解反応を阻害し、陽極のその部分の陽極電流密
度を増し、結局、陽極極性化電圧の損失を来
し、陽極効果の開始につながることにもなり得
る。 Γ過大気泡厚み。 或る条件の下でバスの広範囲
にわたり陰極面に接して生じた。この状態が運
転中の炉で生ずると、CO₂気泡と陰極面上の溶
融アルミニウム金属との間の急激な逆反応によ
り電流効率が急に落ちる。 上記現象ならびにACDすき間および戻り流
路の正味バス流は陰極傾斜、ACD、戻り流路
内の流体抵抗、および模擬陽極電流密度の関数
として検討された。観察された流れ特性の全て
は前述の一般的流体力学原理に従つて制御され
るけれども、その定量的記述は今日まで確立さ
れていなかつた。 本発明を省エネルギ型改良アルミニウム還元炉
の設計に適用する代表例を説明するために、次表
の一般炉仕様が水モデルおよび後の実例に使用さ
れた。実際には、実際の用例に合うようにこれら
の一般炉仕様を選択し、本発明の教示を用いて重
要な炉設計仕様を求めて欲しい。熱バランスおよ
び投資効果の計算が為されて、「流下陰極型」炉
の運転は今日業界で使用される代表的な値よりも
高い陽極電流密度にて行われることが望ましいこ
とを示している。

【表】

【表】 模擬に合
パラメータ せた炉 炉 炉
戻り流路の数 1 4 4
h_Ｏ、 陽極浸漬最小深さ 10 10 10
(cm)
水モデル研究に用いた設計パラメータを実際の
炉と比較するために第表に含めてある。考察中
の概略炉設計は第１図に示されるように、単一の
中央上方流路に連結する戻り流路と、分割VSS
陽極（炉の各半分は第７図に示す炉に類似）の両
端に２個の外側下方流路を有する炉である。 第１０図、第１１図および第１２図は模擬陽極
電流密度0.68amp／cm²においてACDすき間の正
味バス流に対する陰極傾斜、ACD、および戻り
流路の流れ抵抗R_fの影響を図解する。これらの
図中において、陰極面における逆流の見られた場
合は破線により示される。全ての場合、これは陰
極傾斜が弛くなるにつれてより過度になる、正味
バス流の著しい減少に関連している。 他の模擬電流密度についても同様な結果が得ら
れた。このデータから作られた炉パラメータ設計
限界線図が第１５図に示される。制御されたバス
流を有する炉の設計のためのこの線図の用法は以
下の例で詳しく説明される。 この線図の一般的特性は以下の通りである。特
定運転条件において流れの抵抗は戻り流路の幅に
関連する。各戻り流路の幅について、第１０図、
第１１図および第１２図に対応する図からの一定
流量におけるデータを対照プロツトすると、後で
定義する方法により計算されるように、炉に供給
するのに適しているとして選ばれる流量を達成す
るために、或る陽極電流密度において満たされな
ければならない、陰極傾斜とACDの関係が導か
れる。この陰極傾斜とACDの関係が第１５図の
曲線により表わされる。よつて、各戻り通路幅に
ついてこの曲線は適正なアルミナ供給を達成する
条件を表わす。これらの曲線は前述の如き望まし
くない流体力学的状態により画成される境界条件
により制限を受ける。すなわち、過大な気泡厚み
の理由により禁止される領域は低い方のACD寸
法、すなわち線図（第１５図）の左方における運
転領域を制限する。過大な陽極浸漬深さをもたら
す過度の陽極（そして陰極）傾斜は約15゜の傾斜
にて境界上限を形成する。望ましい運転領域は第
１５図の中で「気泡厚み制限」と注記された領域
を犯さないでACDを小さくするように、選ばれ
た戻り通路の幅を表わす該当曲線の幾らか上方の
領域とされる。この領域における運転は充分に大
きなＱの値により適当なアルミナ供給を保証する
と同時に、過大な気泡厚みとそれに伴う電流効率
の損失のみならず、陰極面におけるバスの過大な
速度（従つてアルミニウム流下への阻害）を避け
ることになる。次例はかかるパラメータ線図の構
成および用法を説明するものである。 例１−戻り流路寸法の選択 バス流量Ｑ（cm³／秒）は運転中の炉内の陽極効
果を防ぐために電解反応を維持するのに必要なア
ルミナを供給するのに充分な値でなければならな
い。最大100％の電流効率にて、実用アルミニウ
ム還元炉に必要な最少流量Ｑは次式で与えられ
る。 I.Q（cm³／秒）＝0.008〔全炉電流(A)〕／Δwt％Al₂O
₃ ただしΔwt％Al₂O₃はACDすき間に出入するバス
のAl₂O₃の重量％の差すなわちΔアルミナであ
る。常数0.008は次のフアラデー公式から導かれ
る： ．0.008＝（Al₂O₃の分子量）（100）／（フア
ラデー／モル）（フアラデー常数）（バス密度） 便宜上、Ｑは陽極当位面積当りのバスの容積／
秒で表わすこともできる。よつて最少陽極電流密
度0.5A／cm²、またACDの１回通過当りのバス消
耗量最大５％すなわちΔwt％Al₂O₃＝５として、
式から最少許容値Ｑ＝８×10^-4cm³／秒／cm²（陽
極面積）を得る。 炉の性能および熱安定性はバス全体に一様な
Al₂O₃を保つことにより高められる。前記の炉に
ついて、計算された最少バス流量は水モデルの
炉、炉および炉についそれぞれ202，4000、
および12000cm³／秒となる。最少バス流Ｑは理論
的には充分であるが、運転上の問題（たとえば、
過度の陽極効果、高有効バス抵抗、およびACD
すき間の過大気泡体積による過大電圧）を防ぐた
めに実際にはかかる最低値よりも高い値を用いる
べきである。炉の運転状態によりバス流が多少変
わる（たとえば、出つ張りや皮殻形成などのた
め）ので、理論的バス流量より少なくなる可能性
がある。それ故に、この最少バス流量に設計係数
４〜５を乗じて、水モデルおよび実例炉，に
ついてそれぞれ望ましいバス流量890，20000およ
び60000cm³／秒を得た。約450，10000および30000
cm³／秒が適当と考えられるが、水モデルのデータ
によれば最少理論Ｑ値よりも上記の望ましいＱ値
において、より信頼性の高い安定なバス循環が示
された。 水モデルのデータによれば、戻り流路の流れ抵
抗特性は本発明の重要な要素である。戻り流路の
制限が強まる（炉内の陽極面積を最大にしようと
する結果）につれて、戻り流路の流れ抵抗特性の
変化に対するバス流の感受性は高くなる。戻り流
路に同等の有効流れ抵抗特性を有する炉の設計は
数多くあるから、戻り流路に一般的な設計基準を
与えるために単純化された水力学モデルを作るこ
とが有益である。戻り流路における流れ抵抗によ
る水頭損失h_lは公知の次式により与えられる： ．h_l＝2f_fLV²／D_eqｇ ただしf_f＝Fanning摩さつ係数 Ｖ＝速度 Ｌ＝長さ（水モデルではほぼBFLに等しい） D_eq＝同等水力学的直径 ｇ＝重量常数 摩さつ係数は流路の底面および側面における差
違を反映した複合値である。単独の開放流路につ
いては、 ．D_eq＝４（断面積）／濡れパラメータ ．D_eq＝2hw／2h＋ｗ ただし、ｗ＝戻り流路の幅 ｈ＝流路にそう任意の点における水の深さ
（水モデルではACD修正量を減ずる） ｈ＝h_p＋xsinφ h_p＝陽極の上方端におけるｈ（すなわち、最
小陽極浸漬深さ） ｘ＝戻り流路の長さにそう上方流路からの距
離 φ＝陰極傾斜角 戻り流路における観察速度は水の深さの変化と
共に変わるから、流路の寸法変化に無関係なバス
容積流量を用いる方がよい。バス容積流量Ｑは速
度×流路断面積により与えられる。すなわち、 ．Ｑ＝Vhw、さらに ．Ｖ＝Ｑ／hw これらの公式に使われるＱ値は、注入された濃く
着色された染料が流路を通過するのに必要な時間
を測定することにより決定される流路の正味有効
平均Ｑを表わす。 水頭損失を次式で表わすことができる： ．ｈ＝K_fQ²R_f ただし、R_fは戻り通路の物理的寸法に左右され
る流れ抵抗の幾何学項を表わし、またK_fは物理
的増尺に左右されることの少ない流体／物質特性
係数であり、実際には次式で決めることができ
る： ．R_f（炉流路）＝（2h＋ｗ）Ｌ／h³w³および ．K_f＝f_f／2g ｈの値は傾斜した戻り通路の中で変化するから、
R_fは幅ｗを全体で一定として、流路長Ｌにわた
るｈの積分関数として実際に計算される。水モデ
ル研究に用いられた４つの異る戻り通路流れ抵抗
を第２表に示す。 本発明における炉設計は、ACDすき間のガス
気泡がポンプ作用を行つてACDすき間−戻り流
路回路をめぐつてバスを駆動することからポンプ
圧送流体ループに類似している。第１３図に示さ
れる類似ポンプ効率線図が「流下陰極型」炉の循
環特性を説明するのに用いられる。ポンプ効率
は、増加する陰極傾斜および／または減少する
ACDを反映する曲線１，２，３の順に向上する。
戻り流路の増大する長さおよび／または減少する
断面積を反映する傾斜線ａ，ｂ，ｃの順に流れ抵
抗は増加する。観察流量は該当するポンプ効率と
流れ抵抗曲線の交点により決定される。よつてポ
ンプ線図にてACD内の電解反応に対するAl₂O₃供
給要求量を満たすのに必要な最少流量における垂
直線を重ねることにより、ポンプ圧送／流れの条
件を表わすことができる。低流量におけるポンプ
効率曲線の或るものの傾斜の急変化はACD内の
逆流に関連している。第２表は一定の陰極傾斜お
よびACDにおける、ACDに与える戻り流路の流
れ抵抗の影響を説明する。 低流量（Ｑ）では、2.7×10^-1cm^-4の抵抗係数
が指定の条件での本発明の限界外にあることを第
表が示している。これはACD内に支配的な逆
流状態が観察されることにより確認される。同じ
指定条件で、R_f値2.7×10^-2cm^-4は本発明の限界
内にはあるが、水モデルで890cm³／秒の望ましい
流量を達成するには大き過ぎて、幾らかの（僅か
な）逆流を生ずる。僅かな逆流は陰極面をアルミ
ニウムが流下する妨げとなるよりもそれを助長す
る傾向があるから、場合によつて、僅かな逆流は
有利となることもあることに留意すべきである。 水モデルを実用アルミニウム還元炉に増尺する
と、本発明の範囲内で数多くの代替設計が提起さ
れる。生産用炉で満たされなければならない基本
要求事項は次の通りである： １） ACDに入るバス流量Ｑが電解反応を支え
るのに充分な値であること。最少所要バス流量
は式で与えられる： ．Q_nio（cm³／秒）＝0.008〔炉全電流(A)〕／Δwt
％Al₂O₃ よつてΔwt％Al₂O₃が0.2で、100KAの炉で、
最少バス流は4000cm³／秒である。

【表】 ２） ガス誘起ポンプ作用の水頭（ACD内の流
れ制限損失を減ずる）は戻り流路、上方流路お
よび下方流路の組合せ水頭ｈに等しいこと。或
る傾斜、ACD、電流密度および陽極長さにお
いて水モデルおよび実尺炉で発生する水頭ｈは
同様である筈である。 ３） 所要の有効流れ抵抗R_fの項が得られるよ
うに適切な寸法を有する単独または多重の戻り
流路設計を用いることができること。炉のR_f
項は次式を用いて水モデルのR_fから推定され
る： XI．R_f（炉）＝R_f（モデル）×［f_f（モデル）／f_f（
炉）］［Ｑ （モデル）Ｑ（炉）］² ただし、摩さつ係数および炉全電流の変化を考慮
に入れる。もしも上方および下方流路の寸法が戻
り流路のそれと等しいか、それよりも小さいなら
ば、上方および下方流路において変化する質量流
量を計算に含めなければならない。大低の予想炉
設計および水モデルでは、上方および下方流路の
寸法は充分大きくて、それらの小さな水頭損失hl
は、より制約の大きい戻り流路の水頭損失に比し
無視し得る。報告された正味ポンプ作用効率デー
タにはACDの流れ抵抗の影響が含まれる。よつ
てR_f（炉）項は戻に流路まは実尺炉の多重戻り流
路の組合せ効果の必要設計基準を与える。「流下
陰極」炉設計は多重（ｎ個）の戻り流路を含むこ
とが有るから、各戻り流路の有効値は次式により
与えられる： XII．R_f（炉流路） ＝R_f（モデル）［f_f（モデル）／f_f（炉）］［nQ（モ
デル）／Ｑ（炉）］² ただしそれぞれのＱは前記により定義される。 さて、R_f（炉）の値は全て（ｎ個）の戻り流路
の合計として次式から計算される： ．１／〔R_f（炉）〕^1/2＝_o 〓ⁱ⁼¹ （１／〔R_f（炉流路ｉ）〕^1/2） そしてｎ個の同等の流路では： ．R_f（炉流路）＝n²R_f（炉） ただし、R_f（炉）は次式から計算される： ．R_f（炉）＝R_f（モデル）（6.25×10⁸）
［Δwt％Al₂O₃／炉電流］² 式において、R_f（モデル）は約230×10^-3／cm
^４から約0.2×10^-3／cm⁴の値を有する幾何学的抵抗
係数である。 たとえば、水モデルおよび例示炉の摩さつ係数
（第１表に規定される）が等しいと仮定すると、
各戻り流路の望ましいR_f項は式XIIにより与えら
れ、その幅は該当式から計算される。 炉例 R_f（炉流路）＝R_f（モデル）〔４（890）／20000〕² R_f（炉流路）＝0.032R_f（モデル） ｗ（炉流路）＝20cm 炉例 R_f（炉流路）＝R_f（モデル）〔４（890）／60000〕² R_f（炉流路）＝0.0035R_f（モデル） ｗ（炉流路）＝52cm 戻り流路幅の上記の値は望ましいバス流Ｑの設
計係数５および望ましいR_f（モデル）＝6.2×10^-3
の値を基にしている。炉例の運転がバス流設計
係数を３に減ずる程充分に安定していると判断さ
れた場合は、計算値ｗ（炉流路）は33cmに減ずる
であろう。バス流設計係数を減ずることなく、計
算値ｗ（炉流路）を３に下げる代替法は陽極浸漬
深さを８cm増す（例：h_p＝18cm）ことである。こ
れらの諸代替法は「流下陰極」炉の設計における
本発明の教示の有用性を実証する。 第１４図は本モデルにおける望ましいＱ値890
cm³／秒を得るのに必要なR_f（モデル）（陰極傾斜
およびACDの関数としての）値を表わす。他の
Ｑ値に対するR_f値は第１０図、第１１図および
第１２図に示されるように水モデル・データから
求めることができる。 例２−ACDの選択 炉のエネルギ効率は電流効率を著しく損失する
ことなく、ACD（従つてバス電圧損失）を減ずる
ことにより向上する。ACD値が比較的大きいと
（例：４cm以上）、ACDすき間内に逆流状態が生
ずる傾向が強い。もしもこの逆転が生ずると、正
味Ｑ値は著しく減ずる。ACD値が減ずると、
ACDすき間を通る所要バス流が促進され、戻り
流路内のより高い流れ抵抗に耐えられる。しかし
非常に小さいACD値（約１cm）では気泡と無空
の陰極面の近傍の間の２次効果が所要のバス流を
遅くする（たとえば、ACDすき間の流れ抵抗が
増す結果）傾向がある。第１０図、１１図および
第１２図は、最大バス流が予想されるように最少
ACDにて生ずると必ずしも限らないことを示す。 陰極傾斜を2゜から5゜に増すと、測定最大気泡厚
みは約1.0cmから約0.5cmに減少し、それに応じて
正味液体流量が増加した。傾斜が増して5゜を超え
ると、気泡厚みはかなり一定に保たれることが観
察され、気泡は前記の特性形状をとつて、よりゆ
つくり移動することが観察された。ACDを変え
ることは観察された気泡厚みにあまり影響を与え
ないことが決定された。ACDの大部分にわたつ
て気泡が突出る場合は、陰極上のアルミニウム金
属薄膜にCO₂が逆反応して電流効率が著しく損な
われ、バスの電気抵抗は大いに増加する。これら
の理由および実際上の考慮から、望ましいACD
は約２〜４cmであり、約２〜３cmがもつと望まし
い範囲である。 例３−陰極の選択 戻り流路が大幅に制限される（第１０図）かま
たはACDが４cm以上である時を除くすべての場
合、陰極傾斜が5゜に等しいかそれより大きい時の
バス流Ｑは望ましい890cm³／秒を超える。陰極傾
斜が増すことは、ACDすき間における過度の逆
流およびエアロツク（過大なガス気泡のよどみ）
を克服する助けとなる。他方では、角度が急過ぎ
ると、陰極面上の溶融金属の流れを阻害すること
もある。戻り流路の制限による背圧も陰極傾斜を
増すことにより相殺され得る。しかし陰極の傾斜
が大きいと、ACDすき間における過度の上げ勾
配のバス流を生じ、陰極面からのアルミニウムの
流下を妨げ、バスの中の陽極浸漬深さが大いに変
化するという実際上の問題を生ずることが有り得
る。例２に配載される気泡厚みの変化をも考慮す
る時、望ましい陰極傾斜は約５〜11゜の範囲にあ
り、約8゜が最も望ましい傾斜となる。 例４−炉パラメータ設計限界線図 前記の炉パラメータ線図の構成および用法を以
下に詳細に述べる。この線図を構成するのに用い
られるパラメータ制限は第３表に示される通りで
ある。 便宜上、そして炉の設計の目視化を助けるため
に、第１５図では相当する流路幅の形で戻り流路
の流れ抵抗R_fを示した（流路長121cm、陽極電流
密度0.68A／cm²、バス流量最少890cm³／秒、およ
び最小流路高さh_O＝10.0cmと仮定）。指定の条件
の下で水モデルの炉設計パラメータの最も望まし
い組は次の通りである： 陰極傾斜＝7.5゜ ACD＝2.5cm R_f（戻り流路）＝6.2×10^-3／cm⁴ バス流Ｑ＝890cm³／秒 後記の重要な炉流体力学的設計パラメータの範
囲の基礎は次のものである：１）水モデル・シミ
ユレーシヨン研究での測定データおよび観察、
２）提示されたデータ解析、３）商業用規模の炉
に増

【表】 れ きくする。
尺するための実用性の考慮。パラメータ範囲の一
組がBFL122cm、およびBFW61cmの水モデルに
ついて、第４表に示される。対応する商業用規模
のアルミニウム還元炉についてのパラメータが第
５表に示される。 本発明の基準は第１図乃至第７図に示されるよ
うな数種の型式の炉に適用されることができる。
特に、炉は一つの連続体として炉の幅にわたる陽
極から成ることもできる。この陽極の例は第２図
に示される陽極から中央ガス抜き２を除いたもの
で、この場合、気泡流れ長さ（BFL）はほぼ陽
極の全体幅に等しい。この型式の炉設計は幅の狭
い炉（最も望ましい場合の陽極幅約122cm）をも
たらす。 いま一つの炉の型式は中央ガス抜き２を設計に
含めた、第２図に示されるものであろう。中央ガ
ス抜きはバス流が横切る陽極の最切の半分の下側
に溜まる気泡を排出する。この場合、BFLは陽
極の全体幅の半分として画成される。電圧損失を
増して電流効率を減ずる恐れのあるACDすき間
内の過度の気泡の蓄積を防ぐために、

【表】

【表】 陽極ガスの排気が必要である。この型式の炉で
は、最も望ましい場合の動作陽極全幅は、より実
際的な炉幅である、約244cmとなるであろう。 商業炉においては、電流効率を損失することな
く、可能最大限の陽極電流密度において運転され
ることが望ましい（資本および製造されるアルミ
ニウム1lb当りの人件費を最少限にするため）。
「流下陰極」炉に使用される低いACD値において
これらの高い電流密度は炉の熱バランスの維持を
助ける上で有利である。しかし高い陽極電流密度
では、低い電流密度におけるよりもガス気泡が早
く蓄積し大きく生長する。よつて、ACD内の気
泡蓄積の有害効果を減殺するために、陽極電流密
度の増加に比例して望ましいBFL（気泡流れの方
向の陽極寸法）を減少させる。たとえば、陽極電
流密度を1.0A／cm²から2.0A／cm²に増すと、望ま
しいBFLを122cmから61cmに減じなければならな
い。逆Ｖ形陰極炉で、低い陽極電流密度に望まし
い炉設計は第１図に示される。 より高い陽極電流密度（約1.3A／cm²より高い）
に対して望ましい全体の動作陽極幅を増すには、
陽極ガスを排出するガス抜き１個の概念を拡張し
てガス抜きを複数として陽極の幅を更に増すこと
ができる。ガス抜きは隣接する陽極本体の間のみ
ぞとして、または陽極本体を通して適当な間隔に
明けた１列の孔として、存在することができる。 さらにいま一つの行き方は第１図に示される設
計に代表される炉設計を用いることである。この
場合、中央流路はガス抜きとして、またACDす
き間を出るバスを戻り流路に運ぶ上方流路として
などの多重目的を果す。この場合、BFLは全体
の動作陽極幅の半分として画成され、それがより
実際的なサイズの商業炉を生み出す。また中央金
属収集樋または受けを設けて第１図に示す陽極傾
斜を逆にすることができることも判る。後者の場
合、第４図の如く、上方流路は炉の外側にそつて
配置されることになるであろう。 これらの炉設計概念を組合せて、バスおよび／
または金属の流れにより連結される多数の炉から
成る多重要素炉、または上記の炉の隣接する多重
ユニツトを含む単一空洞の炉とすることも可能で
ある。 かかる炉設計の全てにおいて、戻り流路の寸法
は例１に示された教示に従つて計算される。最初
の段階は設計される炉の規模にもとづき、所要の
バス流Ｑを選定し、つぎに作成された関係式を用
いて適切な流れ抵抗の項R_fを決定することであ
る。つぎに指定条件の下で水頭損失式を適用し
て、一群の望ましい戻り通路設計選択案を計算す
る。ついで熱バランスその他の炉の設計・運転基
準を用いて水力学的に同等の戻り流路設計の一つ
を選定する。この戻り流路設計の最終選定が臨界
バス流への影響を考慮して為される。 例５−流下陰極実験炉 傾斜TiB₂陰極を有する実験室規模のアルミニ
ウム還元炉からの試験データは、商業用アルミニ
ウム還元炉の流体力学を模擬する水モデルの使用
の効果を立証している。約600lb（273Kg）の氷晶
石バスを満たした61cm×122cm×深さ約46cmのグ
ラフアイト箱が密閉された電気炉の中で加熱され
た。いつたんバスが溶融した後は、炉頂の充填口
を通して試験用陰極および陽極が下ろされ、第１
６図に示される氷晶石バス中に配置された。
Al₂O₃自動供給および陽極降下装置により、陽極
交換のための中断なしに３週間に及ぶ連続電解試
験が可能であつた。すべての電解状態の下で、下
方の陽極面の初期の傾斜（通常は水平）は１〜５
日間の電解の後で真下の陰極面の傾斜に変つた。
第１６図に示される陽極面の不均一性は水モデル
に見られる気泡の挙動に一致する。水モデル中の
陽極面の出発縁（第１６図のＡ領域に相当する）
では気泡は極く遅くて不規則に運動する傾向があ
り、陽極面の蔽い方が非常に不均等となる。これ
は陽極炭素の不均一な消費を生ずるであろう。気
泡が陽極面にそつて上方に動くにつれ、速さを増
し陽極面にそつて、より一様な流れを生ずる。こ
の流れの状態における電解は第１６図のＣ領域に
示されるように陽極炭素の、より一様な消費を生
ずる。運転中の実験電解炉における流れパターン
の目視観察は水モデルで観祭されるパターンに一
致する。 例６−電解試験データ 例５に述べられた電解実験炉において、電流密
度、ACD値および陰極傾斜の関数として炉電圧
データが測定された。従来の金属床陰極における
基準電圧がこの電解実験炉の傾斜TiB₂陰極を３
cm深さのアルミニウム床と交換することにより得
られた。第１７図は、アルミニウム還元炉内で不
安定な水平アルミニウム床を傾斜TiB₂陰極と交
換することにより得られる炉電圧ノイズの劇的な
減少を示す。炉電圧ノイズの減少（例：炉安定性
の向上）の他に、流下陰極実験炉は下記の特性を
示した。 １）流下陰極炉の実験炉電圧の線図は第１７図の
如く、不充分なバス流から生ずる陽極効果、また
は金属床の乱れ（これは気泡厚さおよび過度の逆
流の結果）から生ずる陽・陰極の短絡、の何れか
が原因となるピークを示さない。低いACD値に
おいて（例：２cm未満）、従来の炉電圧制御系
（陽極の上げ下げによる）は金属床陰極試験を行
うために著しい運転者の介入を必要としたが、傾
斜TiB₂陰極試験では運転者の介入はほとんどま
たは全く必要なかつた。 ２） １cm未満のACDにて安定な傾斜陰極試運
転が為された。 ３） 電流密度またはACDの変化に対する炉の
応答性は急速かつ決定的である。新らたな定常
状態の炉電圧は、金属床陰極に必要な15〜30分
の再安定時間に比較して、約１分間以内に達成
された。それにより、より単純で信頼性のある
炉オートメーシヨン技法が使えることになる。 ４） 陽極面からの気泡の排気は主として傾斜陽
極面の最上縁にそつて行われた。水平面を有す
る陽極が傾斜陰極を有する炉の中に入れられた
時、陽極ガス気泡の初期の排気は陽極面の４つ
の縁全部をめぐつて任意に分散していた。電解
が進んで、陽極面が陰極傾斜に合致し始めてガ
ス気泡の排気は傾斜陽極面の最上縁にそつて集
中するようになつた。金属床陰極を用いた試験
中は、陽極面の任意位置のガス気泡排気のみが
観察された。 炉の安定性の向上の他に、「流下陰極」の使用
により陽極・陰極極性化電圧の著しい低減を達成
し得ることが電解試験により実証された。第１８
図は実験電解炉のTiB₂陰極傾斜の関数としての
測定陽極・陰極極性化電圧を示す。望ましい陰極
傾斜8゜において、陽極・陰極極性化電圧の約45％
の低減、またはACDの減少によつて達成される
値に加うるに約0.22Vの炉電圧の節約が得られる
ことを、実験データは示している。今日まで、こ
の「流下陰極」炉の利点は文献中に報告されてい
ない。 バス流量を増すと極性化電圧の低減が観察され
たこと（第１８図と共に陰極傾斜の関数としての
流量の例を示す第１２図を参照）は撹拌または流
動体系における電気化学理論に合致する。層流領
域では、集中極性化電圧はバス速度の自乗根に比
例する。第１８図の測定電圧は層流で予想される
程には陰極傾斜の増加と共に減少しない。このこ
とは、ACD内のバス状態が、バス流量に対して
集中極性電圧がそれぼど敏感に変化しない遷移ま
たは乱流領域にあることを意味する。水モデル・
データはこの仮説を裏付ける。 傾斜TiB₂陰極炉の電解実験データは、水平金
属床陰極炉に比して、狭くしたACD値（すなわ
ち減少した炉電圧値）における炉の安定性の向上
（例えば電流効率の向上および陽極効果の低減）、
ACDおよび電流の変化に対する炉の応答性の向
上（例えば、より単純で信頼性のある炉制御のオ
ートメーシヨン化を行うことができること）、そ
して陽極・陰極極性化電圧の低減を示した。第１
８図で5゜より大きな陰極傾斜における陽極・陰極
極性化電圧線の漸近線部分は水モデル研究におい
て示された望ましい陰極傾斜範囲と一致する。 本発明の前記記載は当業者により種々の変形、
変更および改造が可能であり、添付の請求の範囲
に述べられた本発明の範囲内にあると見なされる
ことは明らかである。