JPS6096783A - アルミナ還元セル - 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】 ７　／ｌ／　ミニラム成馬は、普通、ホールーヘロルト
法（　）−ｆａｌｌ　−　Ｈｅｒｏｕｌｔｐｒｏｃｅｓ
ｓ　）による溶融クリオライト（氷晶石）浴中に溶解し
たアルミナの電解還元により製造する。

このアルミナ還元方法はアルミナークリオライト浴を含
む断熱セルまたは１ポツト”甲で実施される。典型的に
は炭素質材料から製造はれたセル床はセル用の断熱相の
いくつかを覆いカソードの一部として作用する。セル床
は炭素質接着剤で結合された複数の炭素質ブロックによ
り構成されていてもよく、あるいは微粉砕炭素質材料と
ピッチの光填混合物を用いて形成してもよい。通常１個
またはそれ以上の炭素質ブロックからなるアノードは上
記セル床上に垂れ下っている。セル床上の静止物は溶融
アルミニウムのｊ偕即ち１ノやラド”であり、浴が真の
カソードのように見える。浴中に突き出ているアノード
は通常・やラドから約７．５〜３インチ（３．ｇ／〜り
．６／Ｑｍ−）の距離で離れている。アルミナークリオ
ライト浴はパッドの上部に約６．０〜７２．０インチ（
／３．２１１〜３０、’ｌｇｍｋ）の深はで保持されて
いる。

浴に電流が流れると、アルミナはカソードでアルミニウ
ムに還元され炭素をアノードで二酸化炭素に酸化する。

かくして生成したアルミニウムはパッド上に析出し蓄積
させたのち周期的に取り出す。

電解処理を効率的に行うには、アルミナ還元をアルミニ
ウムのカソード表面で行うべきでありセル床の炭素質表
面で行ってはならない。従って、パッドがセル床を完全
に覆うことが重要であると考えられる。

溶融アルミニウムは炭素質材料上を容易に湿潤したりあ
るいは該材料に薄く拡散したりしないので、パッドはセ
ル床上で最良の場合塊状粒体としてあられれる。よυ大
型のセルでは、電気分解での濃い電流が強力な磁場を生
じ、時々・母ツドを激しく攪拌せしめまたセル内の一定
の場所に積み重オａでしまう。従って、ノぐラドは、そ
の動きがセル床の裸表面を蕗出しないような十分な厚さ
で々ければならない。しかも、アノードは十分にパッド
から離れて短絡を避けまたアルミニウムの再酸化を最小
にすべきである。

さらに、／ｆラッド移動は必ずしも容易に調整すること
のできない悪影響を及ぼす。特定の電解電流で操作する
ある与えられたセルにとって、カソードとアノード間に
理想的な操作距離があり、それによって処理がエネルギ
ー的に効率的となる。

しかしながら、パッドの乱れによるアノードの必要な空
間はこの理想操作距離を一定に維持するのを妨げる。し
かも、パッドが移動状態にあるならば、変化し得る不均
一な操作距離が存在する。この変化し得る内部電極間距
離はアノードの不均一な摩耗または消費を生じ得る。ノ
ぐラドの乱れは、また陰極性生成物のアノードでの逆反
応即ち酸化の増大を起しセル効率を低下させる。さらに
、／ｆラッド乱れは熱作用およびクリオライトおよびそ
の構成成分の浸透により促進される底部ライニングのひ
ずみおよび劣下を引起す。

文献および従来の特許には、耐火性硬質金属（ＲＨＭ）
最も著名な二ほう化チタン（　ＴｉＢ２）またはその同
族体のようなある種の特定の材料がセル床を形成するの
に有利に使用できることが示唆されている。さらに、Ｒ
ＨＭタイル材料はセル床中に埋込んで溶融アルミニウム
層を通りクリオライト−アルミナ浴中へ立上っており、
これらタイルの最上部末端が真のカソードな形成できる
ことが判明している、そのようなカソード設計を用いた
ときは、カソードの真の即ち活性表面とアノード間の正
確か距離を維持できる。なぜｈらば、そのようなシステ
ムは真のカソード表面として働く常時移動性の溶融アル
ミニウムパッドにより影響されたいからである。

理想的には、通常のカーボン製品に対し、これらＲＨＭ
材料はセル操作の高温度で電解質浴と化学的に親和性（
　ｃｏｍｐａｔｌｂｌｅ　）　がありまた溶融アルミニ
ウムと化学的に親和性があるものである。

さらにまた、上記特別なセル床材料は溶融アルミニウム
によって湿潤される。従って、通常の厚い金属パッドは
もはや必要とせず、溶融アルミニラムは、比較的薄い層
としてセル床上に維持できまた通常の取出しスケジュー
ル中に蓄積する量と合致できる。

これらの利点にもかかわらず、ＲＨＭタイルの還元セル
での使用にはある問題が伴う。このタイルは極端にもろ
くその上に低下させたアノードとの接触により破壊され
得る。アノードの移動は、アノードを取換える必要性、
セルからのアルミニウムの取出しまたはセル内の電圧の
調整の必要性により極めてしばしば起る。これらのタイ
ルが遇発的に低下させたアノードによう接触して破壊さ
れるならば、アノードな再び起してタイルを取シ替える
ことが必要々ため、より極端な場合にはセルを空にしタ
イルを取り替え、セルを再出発させる必要があるために
、時間の浪費が増大する結果となる。

〔発明の目的〕

かくして、本発明の第一の目的はタイルとアノード間の
接触をなくしてＲＨＭタイルの破壊ヲ減少することであ
る。

本発明によれば、この所望の目的が達成される。

本発明の還元セルは、カソードに埋め込まれ溶融アルミ
ニラムノ４ツドを経てアルミニウムークリオライト浴中
にＲＨＭ成型物に沿って突き出ている複数の７ノードス
トツプを含むものである。これらのアノードストップは
、アルミナ−クリオライト浴中にＲＨＭ成型物よりもさ
らに高く突き出ており、それによって低下させたアノー
ドを支持しアノードがＲＨＭ成型物と接触できないよう
アノードの下方向への移動を制限する。これらのストッ
プは溶融アルミニウムと溶融アルミニウムークリオライ
ト浴に耐え得るものでかつ電導体でない耐火性材料から
形成される。

〔野育しい実施態様〕

本発明のアルミナ還元セルを図面に沿ってより具体的に
説明する。

図面は本発明を用いたアルミナ還元セルを例示する。ア
ノードブロック１０は′炭素質材料よ多形成され溶融ク
リオライト中に溶′Ｍでれたアルミナの浴１６内に懸垂
されて電流源（図示せず）と接続している。固化したク
リオライト−アルミナの外皮１７が浴１６を罹っている
。炭素質カン−ドブロック１２は当業者にとって周知の
方法によりピッチと粉末炭素質材料との元填混合物であ
るいは炭素質セメントでジヨイントされている。これら
のカソード１２は導体パスパー２０により電流源と接続
して電気回路を完成している。各外部壁１４はセル１の
側面および末端支持構造体を形成している。壁１４は、
例えば、グラファ、イトセメントで保持されたグラファ
イトグロックから形成されていてよい。

炭素質ブロック１２は複数のタイル即ち成型物２２を含
み、このタイルは溶融クリオライト−アルミナ浴１６中
に上向きに突き出ておりセル１の現実のカソード表面を
形成している。タイル２２は耐火性硬質金属（ＲＨＭ）
タイルであり、Ｔｌ８２、ＴｌＢ２−　’Ａ＃Ｎ混合物
および他の類似の材料から典型的にはＲＨｖ　扮末を熱
間圧延または焼結して成型物を形成することにより製造
される。これらの耐火性硬質金属材料は溶融アルミニウ
ムで湿潤され、そこで溶融アルミニウム層１８を通り溶
融アルミニウムの球状物がタイル２２との界面で形成す
るのを防止しまた溶融アルミニラムノ４ツド１８の移動
を低減している。

ＲＨＭ材料のもろさによるこれらタイルの使用中のクラ
ッキングを最小にするためには、ＲＨＭタイル２２は炭
素、グラファイトまたは炭化ケイ素の繊維′ｆたけ粒子
で補強してもよく、これら補強材はＲＨＭ粉末に熱間圧
延または焼結前に加える。繊維を用いるときは、繊維は
長ぜがランダムでも均一であってもよく熱間圧処方向に
平行な面に配向きせる。これらの繊維または粒子は使用
中のクラッキングの原自となり得る引ツ張り応力に抵抗
するように作用する。

ＲＨＭ成型物またはタイル２２は、成型物２２を炭素質
セメントで基質１２に接着するかあるいは炭素質基質１
２を成型物２２と一体に形成するかして炭素質カソード
１２にｍ接埋込んでよい。

しかしながら、好ましいのはＲＨＭ成型物２２を不活性
耐火材料より形成さｎたスリーブ２６により炭素質基質
より隔離することである。このスリー１は１９１３年７
　月２ｒ日に出願された係属中の米国特許用ＪｊＪｔ　
、４　ｊ　Ｊ　Ａ　７θ７により完全に記載されている
。

耐火性硬質金属成型物２２間にはアノードストップ２４
が押入されている。これらの−アノードストップ２４は
、アノードストップ２４をカソード１１に炭素質セメン
トにより接着するかあるいは炭素質カソード１２をアノ
ードストップ２４が固定され得るくほみ（ｄｅｓｐｒｅ
ｓｓｌｏｎ　）を有するよう形成するかしてカソード１
２に埋込まれる。接着なしのくぼみの使用は、セル１を
鎖閉して空にすることなしに、セル１の操作中アノード
ストップ２４を熱交換せしめ得る利点を有する。

アノードストツｆ２４は溶融アルミニウムパッド１８を
通りアルミナ−クリオライト浴１６中に延びている。ア
ノードストツｆ２４はアルミナ−クリオライト浴中へＲ
ＨＭ成型物２２よりも高く延びておシ、それによってア
ノードｌＯがアノード移動中にそのよう表レベルに過熱
低下したときアノード１０を支持する表面を与えている
。これは了ノード１０ともろいＲＨＭ成型物２２との接
触を効果的に防止し、この方法でＲＨＭ２２を破損から
保護している。

アノードストップ２４は、溶融アルミニウム層１８とア
ルミナ−クリオライト７３１６との双方に一般に不活性
でありかつ電気の導体でない材料から％ＲＨＭ成型物２
２が真のカソードであるように形成される。アノードス
トップ２４用の適当な材料はチッ化ケイ累、炭化ケ・イ
素、チッ化アルミニウムおよびチッ化はう素を包含する
。アノードストップ２４用の好ましい材料はチッ化ケイ
素で結合した炭化ケイ紫である。圧電、すべきことはＲ
Ｈｋ４　成型物２２を支持するスリーブ２６もまたアノ
−トス！・ツブ２４と同じ材料から形成してもよいこと
である。

かくして、アノードストップ２４は、アルミニウム生匠
中に、ＲＨＭ成型物２２を効果的に保咳することは明ら
かである。これは米国特許第ダ、／ｇｌ　、５ｇ３号お
よび第ダ、、２Ａ、Ｓ″、り１７号に記載されたよう表
従来の構成物とは対照的なもので、これら従来技術では
アノードとカソード間の空間を維持するスペーサーはセ
ルの操作中は用いられるが、現実のアルミニウム生成中
は取り除かれている。本発明においては、アノードスト
ップ２４はセル１の永久部分を構成する。

以上より、本発明はアルミナ還元セル内でのＲＨＭ成型
物の損傷を防止する簡単かつ効果的な手段を提供するこ
とは明らかである。

本発明の好ましい実施態様を例示し説明してきたけれど
も、本発明は特許請求の範囲内で他の程々の方法で具体
化および実施できるととは明らかである。

【図面の簡単な説明】

図面は、本発明の実施による末端壁を取り除いたアルミ
ナ還元セルの側面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｃり　アノード、炭禦質カソード、および、該カソード
   中に設けられ該カソードから溶融アルミニウムパッドを
   通りアルミナ−クリオライト浴中へ垂直に上方向へ延び
   ている複数の耐火性硬質金属（ＲＨＭ）成型物とを有し
   、複数の不活性耐火性アノードストップが上記カソード
   中に設けられｇ亥カソードがら上記アルミニウムパッド
   を通り上記アルミナ−クリオライト浴中へ上記ＲＨＭ成
   型物よりも大きい寸法で垂直に上方向へ延びているアル
   ミナ還元セル。 （２）　上記アノードストップを炭化ケイ素、チッ化ケ
   イ素、チッ化アルミニウムまたはチッ化はう素から形成
   する特許請求の範囲第（１）項記載のセル。 （３）上記アノードストップをチッ化ケイ素で結合した
   炭化ケイ素で形成する特許請求の範囲第（２）項記載の
   セル。 （４）上記アノードストップを炭素質セメントによりカ
   ソード中に接着する特許請求の範囲第＋１１項記載のセ
   ル。 （５）　上記アノードストップを上記カソード中に形成
   されたくぼみに固定させる特許請求の範囲第（１）項記
   載のセル。 （６）上記ＲＨＭ成型物を二はう化チタンまたは二はう
   化チタンーチツ化アルミニウム混合物から形成する特許
   請求の範囲第（１）項記載のセル。 （７）上記ＲＨＭ成型物を特徴とする特許請求の範囲第
   （１）項記載のセル。 （８）上記ＲＨＭ成型物を不活性耐火スリーブによシ上
   記カソード中に据付ける特許請求の範囲第＋１１項記載
   のセル。 （９）　上記スリーブを炭化ケイ素、チツ化ケイ素、チ
   ツ化アルミニウムまたはチツ化はう素から形成する特許
   請求の範囲第（８）項記載のセル。