JPH0379439B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の背影〕 アルミニウム金属は、普通、ホール・ヘロルト
法（Hall−Heroultprocess）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−クリオライ
ト浴を含む断熱セルまたは“ポツト”中で実施さ
れる。典型的には炭素質材料から製造されたセル
床はセル用の断熱材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ツ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ツチ
の充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ツクからなるアノー
ドは上記セル床上に垂れ下つている。セル床上の
静止物は溶融アルミニウムの層即ち“パツド”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パツトから約1.5〜
３インチ（3.81〜7.61cm）の距離で離れている。
アルミナ−クリオライト浴はパツドの上部に約
6.0〜12.0インチ（15.24〜30.48cm）の深さで保持
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
パツ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つてはならない。従つて、
パツ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の薄く拡散したりしないの
で、パツドはセル床上で最良の場合塊状粒体とし
てあらわれる。より大型のセルでは、電気分解で
の濃い電流が強力な磁場を生じ、時々パツドを激
しく撹拌せしめまたセル内の一定の場所に積み重
ねてしまう。従つて、パツドは、その動きがセル
床の裸表面を露出しないような十分な厚さでなけ
ればならない。しかも、アノードは十分にパツド
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、パツドの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つて、カソ
ードとアノード間に理想的な操作距離があり、そ
れによつて処理がエネルギー的に効率的となる。
しかしながら、パツ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、パツ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。パツドの乱れは、
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、パ
ツドの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
グのび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、RHM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つており、これらタイ
ルの最上部末端が真のカソードを形成できること
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
ド間の正確な距離を維持できる。なぜならば、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ツドにより影響
されないからである。

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（compatible）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
ミニウムによつて湿潤される。従つて、通常の厚
い金属パツドはもはや必要とせず、溶融アルミニ
ウムは、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ユ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り接触して破壊さ
れるならば、アノードを再び起してタイルを取り
替えることが必要なため、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タイルの破壊を減
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
溶融アルミニウムパツドを経てアルミニウム−ク
リオライト浴中にRHM成型物に沿つて突き出て
いる複数のア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ツプは、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、それによつ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
ストツプは溶融アルミニウムと溶融アルミニウム
−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。

〔好ましい実施態様〕

本発明のアルミナ還元セルを図面に沿つてより
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。アノードブロツク１０は炭素質材料より形
成され溶融クリオライト中に溶解されたアルミナ
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を覆つている。炭素質カソード
ブロツク１２は当業者にとつて周知の方法により
ピツチと粉末炭素質材料との充填混合物であるい
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は導体バスバー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、グラフアイトセメ
ントで保持されたグラフアイトブロツクから形成
されていてよい。

炭素質ブロツク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、 TiB₂、TiB₂−AlN混合物および他の類似の材
料から典型的にはRHM粉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ウムパ
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
中のクラツキングを最小にするためには、RHM
タイル２２は炭素、グラフアイトまたは炭化ケイ
素の繊維または粒子で補給してもよく、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、繊維は長さがランダム
でも均一であつてもよく熱間圧延方向に平行な面
に配向させる。これらの繊維または粒子は使用中
のクラツキングの原因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、形成物２２
を炭素質セメントで基板１２に接着するかあるい
は炭素質基質１２を成型物２２を一体に形成する
かして炭素質カソード１２に直接埋込んでよい。
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れたスリーブ２６によ
り炭素質基質より隔離することである。このスリ
ーブは1983年９月28日に出願された係属中の米国
特許出願No.536707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
ツプ２４が押入されている。これらのアノードス
トツプ２４は、アノードストツプ２４をカソード
１２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をアノードストツプ２４が固
定され得るくぼみ（despression）を有するよう
に形成するかしてカソード１２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の操作中にアノードスト
ツプ２４を熱交換せしめ得る利点を有する。

アノードストツプ２４は溶融アルミニウムパツ
ド１８を通りアルミナ−クリオライト浴１６中に
延びている。アノードストツプ２４はアルミナ−
クリオライト浴中へRHM成型物２２よりも高く
延びており、それによつてアノード１０がアノー
ド移動中にそのようなレベルに偶然低下したとき
アノード１０を支持する表面を与えている。これ
はアノード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。

アノードストツプ２４は、溶融アルミニウム層
１８とアルミナ−クリオライト層１６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２２が真のカソードであるよう
に形成される。アノードストツプ２４用の適当な
材料はチツ化ケイ素、炭化ケイ素、チツ化アルミ
ニウムおよびチツ化ほう素を包含する。アノード
ストツプ２４用の好ましい材料はチツ化ケイ素で
結合した炭化ケイ素である。注意すべきことは
RHM成型物２２を支持するスリーブ２６もまた
アノードストツプ２４と同じ材料から形成しても
よいことである。

かくして、アノードストツプ２４は、アルミニ
ウム生成中に、RHM成型物２２を効果的に保護
することは明らかである。これは米国特許第
4181583号および第4265717号に記載されたような
従来の構造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、アノードストツプ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、本発明は特許請求する範囲内で他の
種々の方法で具体化および実施できることは明ら
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】 １ アノード、炭素質カソード、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
   ムパツドを通りアルミナ−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
   アノードストツプが上記カソード中に設けられ該
   カソードから上記アルミニウムパツドを通り上記
   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 上記アノードストツプを炭化ケイ素、チツ化
   ケイ素、チツ化アルミニウムまたはチツ化ほう素
   から形成する特許請求の範囲第１項記載のセル。 ３ 上記アノードストツプをチツ化ケイ素で結合
   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 上記アノードストツ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１項記
   載のセル。 ５ 上記アノードストツ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成型物を二ほう化チタンまたは二
   ほう化チタン−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成型物を繊維補強する特許請求の
   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
   り上記カソード中に据付ける特許請求の範囲第１
   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ほう素から形成
   する特許請求の範囲第８項記載のセル。