JPS60500541A - Energy-saving aluminum reduction furnace using bath flow induction - 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。 (57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 バス流誘起による省エネルギ型アルミニウム還元炉背景技術 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（湯）電解液を用いるアルε ニウム羨造用電解炉で、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、アルば す供給および生成ガスの除去を容易にし、表作された金属の流下を良くすること により、克服きれることが火証された・笑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１！解区域に供給する能力が笑 証式れた。[Detailed description of the invention] Background technology of energy-saving aluminum reduction furnace using bus flow induction The present invention provides a novel electrolytic furnace for producing aluminum from alumina and its operation. Concerning conversion. In particular, the present invention utilizes a cryolite-based bath electrolyte. An electrolytic furnace for producing aluminum alloys has the narrow anode-cathode spacing that can be obtained in a conventional falling cathode furnace. The problem that arises is that the problem caused by Facilitate the removal of gas supply and product gas, and improve the flow of surfaced metal. It has been proven that it is possible to overcome this problem by operating an experimental electrolysis furnace. A large amount of molten alumina is also used between the anode and cathode! The ability to supply to the solution area lol I got certified.

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・ヘラウルト（Ｈａｌ ｌ−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ナを加えた溶 融氷晶石からなり、はたる石、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。Electrolytic furnaces commonly used in the production of aluminum use carbon as part of an anode and cathode system. The classic Hal-Heraurt (Hal It is of the l-Heroult) design. Aluminum produced by electrolytic reduction of alumina An electrolyte is used in the production of aluminum, and the electrolyte is mainly a solution containing molten alumina. Consisting of cryolite and containing talus, aluminum fluoride, and other metal fluoride salts There is also.

アルｉす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。The molten aluminum resulting from the reduction of aluminum is often the molten aluminum on the carbon-lined bottom. The liquid is allowed to accumulate as a bed or pool at the bottom of the vessel forming the electrolytic furnace. The body forms a metal cathode. The carbon anode, which extends into the vessel and contacts the molten electrolyte, contains liquid gold. Adjusted for the genus cathode. A current collector bar made of steel or other material is buried in the carbon-lined furnace bottom. It is often recessed to complete the connection to the cathode system.

ホール・ヘラウルトａ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。The design and size of Hall-Heraurt a furnaces vary, but the shape and shape of the furnace All have relatively low energy efficiency of about 35-45% depending on the mode and operating mode. circle.

すなわち、１　ｔｂ　（２，２ＫＳｌ）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２−８５　Ｋｗ時（ｘｗｈ）であるのに、案際の電力使用幅は６ 〜８．５　Ｋｗｈ／Ａｂで、業界の平均は約７、５　Ｋｗｈ／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ｆｃｏ　Ｌかし、炉の陰極として働く溶融アルば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１５〜 ６０ｍにＡＣＤを保つ必要がおった。In other words, it is necessary to produce 1 tb (2.2 KSl) of aluminum. Although the theoretical power consumption is approximately 2-85 Kw hours (xwh), the actual power usage range is 6 ~8.5 Kwh/Ab, and the industry average is about 7.5 Kwh/lb. theory Most of this deviation from the target energy consumption is due to the voltage drop in the electrolyte between the anode and cathode. This is the result. Therefore, much research has focused on reducing the anode-cathode distance (ACD). The molten aluminum bed, which acts as the cathode of the furnace, is susceptible to electromagnetic effects and May be irregular and variable in thickness due to bath circulation, and past examples indicate relatively high voltage. To ensure flow efficiency and avoid direct short circuit between the anode and metal bed, use a safe 15~ It was necessary to keep the ACD at 60m.

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＜２．Ｉ Ｖ）に対する追加となる。よってＡＣＤを３．５Ｇより少なくして省エネルギを 得るために、より安定なアルご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。Such a gap spacing results in a voltage drop of 1.4-2.7V, which is due to the electrochemical reaction. The energy required for the reaction itself (based on enthalpy and free energy calculations <2.I This is an addition to V). Therefore, save energy by reducing ACD to less than 3.5G. Great efforts have been made to develop more stable argonium beds to obtain It's here.

２硼化チタンの如き耐火性硬質材（ＲＨＭ）をタイルの形式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のタイルまた は表面塗膜が得られなかった。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〈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。A refractory hard material (RHM) such as titanium diboride is used as the cathode surface in the form of tiles. Although it has been studied for a long time, until very recently, RHM tiles with good adhesive properties and No surface coating was obtained. Titanium diboride is both electrically conductive and molten aluminum. It has the unique property of being able to form an extremely thin aluminum film when wet with aluminum. It is known.

従来の不安定な溶融アルミニウム床に代えて、ＲＨＭ　ｉ面で蔽われた傾斜陰極 面を流下する極〈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す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　（１，５α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 ルミナ枯渇の問題が生ずる・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、スラッジ付着（マツキングｍｕｃｋｊｎｇ　）を生じて、炉をつまらせ、 運転を妨げる結果を生じた。RHM i-plane covered tilted cathode instead of traditional unstable molten aluminum bed Using a very thin aluminum coating flowing down the surface reduces ACD and improves efficiency. It was proposed as a means to increase voltage and reduce voltage drop. However, the obtained RHM surface is Complete and narrow ACD (narrow 1,5α) with sufficient supply of molten alumina Attempts to achieve such goals in the past have been unsuccessful due to inability to overcome difficulties. The result was a failure. Thus, a narrow ACD, including an excessively persistent anodic effect, The problem of lumina depletion occurs.To prevent these problems, excessive supply of alumina is necessary. This causes sludge adhesion (mucking) and clogs the furnace. This resulted in interference with driving.

エネルギ効率を減する、別の行き方として、アルばすの代りに塩化アルばニウム からアルミニウムを、Ｉｆｆ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６０〜４０％減する。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、アルはすは化学プ 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でれる塩素と、に分解する。か刀）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。よっ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。Albanum chloride instead of aluminum as an alternative, reducing energy efficiency. A method was adopted to extract aluminum from aluminum. This manufacturing method is better than the conventional electrolytic method. The power required to produce aluminum will also be reduced by 60-40%. In this manufacturing method, boki The conventional Bayer process is used to convert the site to alumina, and the alumina is replaced by a chemical process. It is converted into aluminum chloride in a runt and then smelted in an electrolytic furnace. Chloride in the furnace Aluminum is extracted from aluminum and further from the production of aluminum chloride. It decomposes into chlorine, which is returned to the chemical plant for recycling. sword)ru technique The process uses a flow-through reactor with a non-consumable anode. However, this method of manufacturing aluminum Aluminum production furnaces are not compatible with Hall-Heraurt type furnaces, so existing aluminum Runts cannot be modified for this method. Therefore, aluminum chloride This method requires completely new capital investment. The present invention is of great use in modified plants. This enables significant energy savings and eliminates the need for completely new equipment.

本発明を開発した背景はここにある。This is the background for developing the present invention.

発明の開示 は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。よって単−４糸ｌたは建設 費および運用費の節約のための多重４糸に使用することのできる、アルミナから アルミニウム製造炉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。Disclosure of invention Improved aluminum with high electrical efficiency using a flute-based bath electrolyte It is an object of the present invention to provide a nitrogen electrolysis furnace. Therefore single-4 thread l or construction Made from alumina, which can be used in multiple 4 threads for cost and operating cost savings. It is an object of the present invention to provide a basic furnace for building aluminum manufacturing furnaces.

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、 〃・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 一目的でおる。従って３３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。By making the ACD narrower than conventional technology, it increases current efficiency and reduces voltage drop. 〃・It is an object of the present invention to provide a furnace design that can be constructed by modifying the current Hall furnace equipment. I'm here for one purpose. Therefore, it has an ACD of less than 33 and has a proper address to the anode-cathode gap. It is an aspect of the present invention to provide an electrolytic furnace that guarantees lumina supply without the need for overfeeding. It is a purpose. Another object of the invention is to provide a flow-through configuration and a controlled atmosphere. It is to give an aluminum reduction furnace design.

以下に述べられる開示によシ明らかにて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シ分離される炉を与えることによυ連取される。ンーダーバ ーグ（Ｓｏｄｅｒｂｅｒｇ）まｆｃ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災の１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って、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 、バスが炉を通って炉供給室へ流れ、炉供給室から出て炉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って、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きせることかできる。The above and other objectives that may become apparent from the disclosures set forth below are By providing a furnace in which the steps of the process can be separated as much as possible, Ndaba Soderberg fc is pre-baked. Using one pole of an inclined intermediate forming anode, which is either, as defined herein, Coupled with the correct selection of parameters, the flow of product aluminum into the collection basin can be The space between the anode and cathode should be Induces bass flow in the gap. In one form, by the pumping action of the gas below the anode. , so that the bus flows through the furnace to the furnace supply chamber, exits the furnace supply chamber and returns to the other side of the furnace. be done. Individual furnaces of this type can be combined in multiple configurations to create a large number of configurations, making it possible to A system can be configured to fit the physical and economic constraints of the site.

よって本発明は、溶融アルミニウムが収集だめに流下するのを妨けることなく、 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***を生ずることな く、陽極と陰゛他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、陰極が配置され傾斜付けられている電解炉に関する。よって濃縮バス区域か らバスが幾らかアルミナ成分を消費てれている区域まで流れるようにバスが誘導 はれる。マツキングまた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。Therefore, the present invention provides a method for preventing molten aluminum from flowing down into a collection sump. It also does not cause splitting of the falling aluminum surface which would reduce the current efficiency. so that the anode gas induces a rich and sufficient flow of concentrated material between the anode and the cathode. The present invention relates to an electrolytic furnace in which the cathode is arranged and tilted. Therefore, is it a concentrated bath area? The bath is guided so that it flows to the area where some alumina content is consumed. Swells. With a volume calibrated to prevent either matting or anodic effects, Alumina is automatically supplied to the base.

図面の簡単な説明 第１図は逆■形陰極、すなわち２重傾斜隘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ｈａ、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図はアルミニウム連続抽出糸および分離した補充・混合区域を用いる単−傾 斜流下陰極炉の平面図、第６図は複数の単−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−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９（ａ）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・毀チルの側面図、第 ９（ｂ）図はＡＣＤにおける正常なバス流の説明図、第９（Ｃ）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９釦図はＡＣＤを通るバス材の正味の流れが無い状態の、乱れて***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ュレーショ 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 態における炉シミュレーション・モデルのバス流対隘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ュレーション・モデルのバス流対 陰極傾斜のグラフ表示、第１３図は流下隘極炉におけるポンプ効率−流れ抵抗の 概念図、 第１４図は戻９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図は傾斜隘極寛解笑験炉の断面図、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。Brief description of the drawing FIG. 1 is an end view of an electrolytic furnace using an inverted ■-shaped cathode, that is, a double inclined pole configuration; FIG. 2 is an end view of a furnace of the present concept using a single tilted cathode; Figure 3 is an end view of a single slope ha, flow-through aluminum reduction furnace with external supply; Figure 4 is an end view of a V-shaped falling cathode furnace. Figure 5 shows a single tilt using an aluminum continuous extraction thread and a separate replenishment and mixing zone. A plan view of a diagonal flow cathode furnace, Fig. 6 is a plan view of a diagonal flow cathode furnace, in which a plurality of single-diagonal flow cathode furnaces are used in tandem. Top view of heavy reactor system, Figure 7 shows the plan view of a single-inclined flow cathode furnace using partial baffles to limit the bath flow rate. figure, Figure 8 is a plan view of a furnace with two oppositely tilted cathodes, Figure 9(a) is a falling cathode furnace. Side view of a hydraulic analogue cooling device designed to simulate gas generation in Figure 9(b) is an explanatory diagram of the normal bus flow in the ACD, and Figure 9(C) is an illustration of the flowing bus flow. An explanatory diagram of the bus backflow area in the ACD near Luminium, Button diagram 9 shows a turbulent and split bus with no net flow of bus material through the ACD. An illustration of the flow zone, Figure 10 shows the furnace simulation under conditions of high flow resistance. A graphical representation of the bath flow anode slope for the model, Figure 11, is for the medium flow resistance condition. Graphical representation of bath flow versus polarity slope for a furnace simulation model under Figure 12 shows the bath flow pair of the furnace simulation model when the flow resistance is low. Graphical representation of cathode tilt, Figure 13 shows pump efficiency vs. flow resistance in a falling pole furnace. Conceptual diagram, FIG. 14 is a graphical representation of the required flow resistance anode slope in the return 9 passage; Figure 15 is a diagram of furnace design parameters, Figure 16 is a cross-sectional view of the tilted polar remission experimental reactor, and Figure 17 is the reactor obtained with three experimental reactors. Graphical display of driving stability, Figure 18 shows the relationship between anode-cathode polarization and cathode tilt at two current densities. illustration.

発明を実施するための最良の形態 不発明は２硼化チタンその他類似の耐火性硬質材の１表面を有する傾斜付きの流 下陰極から奴シ、水平からの傾斜角はパス運動の制御に寄与するように選定され 、バス運動は特定の重要パラメータに流体力学的に左右される。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The invention is directed to a sloped stream having one surface of titanium diboride or similar refractory hard material. The angle of inclination from the horizontal to the lower cathode is chosen to contribute to the control of the path motion. , the bus motion depends hydrodynamically on certain important parameters.

アルミニウムの流下を妨けないで、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パ ス運動が制御される。よって過大なアルミナ供給から生ずるマッグ（くず）形成 、不充分なバス添加から生ずる持続的な陽極効果、そしてバスの循環を妨げるレ ッシング（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シ可能となった極〈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。Directly below the anode surface to avoid the anodic effect without interfering with the aluminum flow. The pad is arranged so that a sufficient flow of alumina-rich bath is induced in the gap between the electrodes in the space. movement is controlled. Therefore, mag (scum) formation resulting from excessive alumina supply. , persistent anodic effects resulting from insufficient bath addition, and levels that prevent bath circulation. Refractory hard metal that can be operated without traditional metal floors, such as shings. The development of metal-surface cathodes has made it possible to achieve a narrow anode-cathode spacing (ACD). It is possible to overcome the problems in alumina supply that arise in this way.

省エネルギ流下陰極型アルミニウム還元炉の概念の成否は、２つの重要な袈累、 すなわち（１）耐久性ＲＨＭ陰極材、（力狭い陽極−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笑 験により、第１の費求事槍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でれた、出願中の１９８２年７月９日付米国特許願第 ３９５．３４３号、第３９５，３４４号、第３９５．３４５号および１９８２年 ７月２２日付米国特許願第４ｏＯ，７６２号、第４００，７６３号、第４（１７ ６４号、第４００，７６５号、第４００，７７２号、第４００．７７３号、その 他は耐火性硬質材塗膜の組成、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を与える陰極構造に関している 。The success or failure of the concept of an energy-saving flowing cathode aluminum reduction furnace depends on two important factors: (1) Durable RHM cathode material, (through a narrow anode-cathode spacing (ACD) It depends on the ability to control and optimize bus flow. Lol being carried out in the production furnace Experiments have shown that a material has been developed that satisfies the first cost requirement. All Co-pending U.S. patent application filed July 9, 1982, commonly assigned to the present assignees. No. 395.343, No. 395,344, No. 395.345 and 1982 U.S. Patent Application No. 4oO,762, No. 400,763, No. 4(17), dated July 22 No. 64, No. 400,765, No. 400,772, No. 400.773, Others demonstrate the composition, application methods, and aluminum wettability of fire-resistant hardwood coatings. The cathode structure provides a durable, adhesive cathode surface with good electrical properties. .

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。Using a water model to simulate the hydrodynamic conditions in the ACD of a tilted cathode furnace As a result of the research, the reactor design criteria necessary to meet another requirement were determined.

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ＤＩ−ＡＣＯ３− ７６Ｃ８４０２１５によシ報告されたＫａ　ｉ　ｓ　ｅｒ−ＤＯＢ傾斜付きＴｌ Ｂ２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 の設計寮求事項から外れて、おシ、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、ＡＣ Ｄ間隔、戻シ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でれてい るが、後の２つの基準はその重要性と共に本書によシ初めて指摘される。The results of the water model were verified in a laboratory-scale electrolysis furnace. Contract number DI-ACO3- Ka i s er-DOB sloped Tl reported by 76C840215 Numerous furnace designs used in B2 cathode testing and other published reports and patents are based on this invention. Apart from the design requirements of the dormitory, critical fluid mechanics, whose importance has already been recognized, Unable to deal with the above problems. These design criteria are the slope of the cathode plane, the AC D spacing, resistance to bath flow in the return flow path, and anode current density. these The first two of the criteria have been taken into account in existing designs, reports and patents. However, the importance of the latter two criteria is pointed out for the first time in this book.

電解工程によって陰極面は陰極にほぼ平行となるように成形きれることはアルミ ニウム電解において公知である。よって傾斜した陰極は陽極を似たように傾斜さ せる。Aluminum can be formed so that the cathode surface is almost parallel to the cathode through the electrolytic process. It is known in Ni electrolysis. Therefore, a tilted cathode will cause the anode to be similarly tilted. let

公知の如く電熱工程によシ陽極面において大量のガスの発生がある。As is known, a large amount of gas is generated at the anode surface during the electric heating process.

水平の陽極およびＫｍ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っ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、従っ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・ジェッ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シ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 設計のポンプにょシ補足され、高められる。In an aluminum reduction furnace of conventional design with a horizontal anode and a surface of Km, the anode Gas generated at the pole surface is directed outward from the core below the anode surface to the nearest vertically oriented vent. It is also known that the vents generally consist of vertical sides of the anode. Ru. A tilted anode can enhance the movement of this gas depending on the direction and magnitude of its tilt. It also causes a decline. Proper cathode and therefore anode tilting will move the anode gas in the desired direction. It turns out that it can be done. Next, gas lift and gas jet pumps and bubble columns Due to a well-known mechanism that is also used in the design of Drive in one direction. This drive (if required) can also be used for other pumping actions, e.g. The design of the pump is supplemented and enhanced.

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 シ成立つこと、また形態に左右き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 駆動するカと、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 く方向でおる。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、しが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畑れる。アルミナ濃 厚バスが炉の特定の側に配置はれた場合、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ρ）ら陽極のこの側に向ったであ ろうガス流に打勝ち畑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Ｓｏｄθｒｂｅｒｇか）にょシ、一方の側 か、両側か、または炉の中央にもなる。Flow in a fluid system is caused by an equilibrium between the fluid driving force and the resistance to flow within the elements within the system. Although it depends on the configuration, the local flow velocity is the same as the fluid driving direction. It is known from fluid mechanics that the same direction, but sometimes also the opposite direction. one On the other hand, the bubble force generated by the buoyant force due to the inclination and the bubble is forced sideways below the horizontal anode. Achieving an equilibrium between the driving force on the one hand and the resistance to flow on the other hand to reduce the required aluminum The principle of the invention is to arrange the slope so as to provide a net bus motion that produces a supply of energy. It is true. The local bus velocity near the anode surface is determined in the desired direction, i.e. when the driving bubble moves. I'm going in the opposite direction. At the same time, set the bus speed near the cathode surface equal to the bus speed near the anode. aluminum on the cathode, which is in the opposite direction to the flow of bubbles that drives the bath. The shape of the field should be carefully arranged so that it does not become so large that it obstructs the flow of water. Alumina dark If a thick bath is placed on a particular side of the furnace, this side of the anode is lower and farther away from this side. When there is an upward slope in that direction, a bath flow is generated into the space directly below the anode surface. this The slope would be from the central part of the anode (ρ) to this side of the anode if there was no slope. It is large enough to overcome the flow of wax gas and reverse the field. Precise shape of slope The location and location will vary with the location of the alumina concentrate bath source. This position is the size of the furnace and the type of anode used (prebaked or Sodθrberg), one side or both sides, or even the center of the furnace.

陰極（従って陽極）の傾斜が炉の幅にわたっ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て現われる。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Ｓｏｄθｒｂｅｒｇの１ｌｔｉｋ設計の炉の両方共に適 用きれる。たとえば、幅が２つのブレベーク陽極ブロッ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ジせた垂直スタ ッド５ｏｄｅｒｂθｒｇ陽極にも適用されることができる。逆Ｖ形は両側からの 供給に適しているが、■形は中央供給に適しているでるろう。同様に、一方向の みの傾ｆｐ＋（−足のものも変わるものも）葡有する＆酊への適用が望フしいが 、本発明は片側から供給する単一の・一枚岩の無通気Ｓｏｄθｒｂｅｒｇ陽極に 限定されない。The slope of the cathode (and therefore the anode) is uniform across the width of the furnace or the slope is variable. Variations of the form represent alternative embodiments of the invention. These are e.g. have unequal but constant slopes in the same direction in both halves of the cross section of Includes those with equal but opposite slopes (e.g. double slope, inverted V-shape). of the present invention The concept is suitable for both pre-bake and Sodθrberg 1ltik design furnaces. Can be used up. For example, for a furnace covered by a two-wide Brebake anode block, An inverted V shape may be most suitable; It can also be applied to an anode. The inverted V shape can be viewed from both sides. Although it is suitable for supply, the ■ shape is suitable for central supply. Similarly, one-way It is desirable to apply the slope of fp + (- and change) to having grapes and drunkenness. , the present invention uses a single monolithic unventilated Sodθrberg anode fed from one side. Not limited.

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（すなわちバス戻シ流路または通路の長き、深て、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　Ｉｃ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***の軽減である。The choice of cathode tilt for a particular application is determined by other methods to achieve the desired hydrodynamic properties. Must be compatible with the governing parameters. These parameters are gap (i.e. ACD spacing), anode current density (current and anode surface dimension), and bus Return resistance (i.e. length, depth, width and material of bus return channel or passageway) Ru. Controlled bath flow ensures sufficient alumina enrichment to prevent excessive anodic effects Electrolyte will be supplied to the anode surface. Another advantage is the excessive gap in the ACD Ic. prevention of gas build-up, reduction of anode and cathode overvoltage, and This reduces flow fragmentation.

第１図は中央ガス出口およびコレクタバーを有スル逆■陰極設計の、側方供給付 垂直スタッド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）の中心に向って上方に傾斜し、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）にきっ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。Figure 1 shows an inverted cathode design with central gas outlet and collector bar, with side supply. FIG. 2 is an end view of a vertical stud Soberberg reduction furnace. The cathode surface (6) is on both sides of the furnace. Tilt upward from the side toward the center of the anode (1), and vent the gas (2) at the center of the anode. through which anode gas is vented to a collection system (not shown). Collector bar (4) is in the shade It is placed exactly parallel to the pole face (6) and avoids the aluminum sump (5). The sea urchin is off.

水平線からの陰極面（６）の角度は成果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っ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って 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。The angle of the cathode plane (6) from the horizon should be large enough to induce the resulting bath flow. However, avoid excessive bubble deformation or bath turbulence in the anode/cathode space (7). It should not be so large that it occurs. You must also comply with the restrictions listed below. stomach. For example, the tilt angle, previously unnoticed, is noticeable in bubble morphology and motion. have a significant impact. When the anode surface is tilted from the horizon, the bubbles will move along the slope of the anode. A pronounced tendency towards an oblong shape with the long axis perpendicular to the direction of the rising bubble's motion. shows. As the relative velocity between the bubble and liquid increases, the leading edge of the bubble becomes thicker.

そして傾斜の成る範囲にわたって、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する結果を招く 。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シ 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、炉の条件によシ 多少の増減は許されるが、約２〜１５°の範囲であると判っている。望ましい傾 斜は水平から約５〜１０°、よ）望ましくは約６〜８°である。最も望ましい陰 極傾斜は約８°でおると判明した。The leading edge, which gradually increases in thickness over the range of slope, is caused by the distortion of the boundary surface. This results in a reduction in the driving action of the bubbles due to increased resistance due to the effects of friction and abrasion. . For example, when the anode is tilted approximately 15° from the horizontal, large bubbles on the anode surface will form a temporary shape. was seen to be subject to strain and resistance. The appropriate tilt angle depends on the furnace conditions. Although some increase or decrease is allowed, it has been found that the range is approximately 2 to 15 degrees. desired slope The slope is about 5 to 10 degrees from the horizontal, preferably about 6 to 8 degrees. most desirable shade The polar inclination was found to be approximately 8°.

陰極面（６）は陰極面上のアルミニウム（′！またけアルミニウム合金）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柱材で被〜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 ジルコンまた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。適当な陰に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ｍＫされた、出願中の１９８２年７月９日付米国特願第３９５， ３４３号、第３９５．３４４号、第３９５，３４５号および１９８２年７月２２ 日付米国特願第４００，７６２号、第４００．７７２号、第４００，７７３号、 その他に示嘔れでいる。The cathode surface (6) is a thin film of aluminum ('! Aluminum alloy) on the cathode surface. To aid in formation, the substrate is coated with a conductive aluminum wetting post material such as TiB2. Ru. A surface containing titanium diboride is desirable, but titanium carbide, zirconium carbide, Use of other aluminum wettable refractory hard materials such as zircon or mixtures thereof. It can also be used for All coating compositions that provide suitable negative surfaces and such cathode surfaces are No. 395, pending July 9, 1982, to Assignee of the Invention. No. 343, No. 395.344, No. 395,345 and July 22, 1982 Dated U.S. Patent Application Nos. 400,762, 400.772, 400,773, Others are showing signs of weakness.

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、電流効率を減す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をせる。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太改良で ある。きらに前記の制御されたバス連動はアルミニウムの流下を妨げない。The aluminum flows down the slope of the cathode into the lateral collection sump (5) and is collected there. This reduces the possibility of adverse reactions that reduce current efficiency, speeds up the extraction process, and It also makes extraction work independent from other furnace work. This thin film of aluminum flowing down It is a major improvement over the use of conventional fused aluminum beds because it is not sensitive to induced magnetic fields. be. Furthermore, the controlled bus interlock described above does not impede the flow of aluminum.

陽極の下方傾斜縁にそって上方へ動く気泡（８）は必要に応じて排気されて、気 泡が太きくなυ過ぎないように、すなわち陽極面の広い部分を蔽ったり、陽極・ 陰極空間に過度に伸びて行ったシしないように芒れる。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す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そ、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 挿入したシ、プレベーク炭素陽極内に焼込んだシ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。Air bubbles (8) moving upwards along the lower sloping edge of the anode are evacuated as needed. Make sure that the bubbles are not too thick, that is, they do not cover a large part of the anode surface or Be careful not to overextend into the cathode space. However, the narrow anode/cathode sky Avoid excessive exhaust without significantly reducing the required driving force for bus flow between You should avoid it. Exhaust air through the anode, ventilation pipe, narrow passage, hole, etc. It is done through. Pipe into the paste or plastic area of the Soderberg anode. Vent holes can also be created by inserting or burning into the pre-baked carbon anode. . Unequal distribution of vents on the anode can redistribute the bath flow in the furnace and reduce the It can be seen that the non-uniformity of the flow is corrected.

消費烙九たアルミナのバスを補充するためにホッパー（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１陽極・菌種空間（ハを通るアルミナ濃厚 バスの流れを示し、いっぽう矢印（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。Alumina is taken from the hopper (19) to replenish the alumina bath which has consumed 90% of heat. added to the water. Of course, other bath constituents are also added at the same time. Arrow (10) is Alumina-rich gas bubbles (8) guide the narrow 1 anode and bacterial species space (c) through the alumina-rich The arrow (13) shows the flow of the bath, while the arrow (13) shows the flow as a thin film falling into the sump (5). Flow of aluminum metal.

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送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 で伸ばす必贋はない。この炉の形態は多少なｐ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。FIG. 2 is an end view of an aluminum reduction furnace using a single tilted cathode. single slope The cathode surface (6) allows the use of a straight collector bar (4), which The distance between the surface and the collector bar can be kept constant. From both sides of the furnace (22) Although there is the advantage of some pressure reduction when the recta bar comes out, the aluminum flow down If it is more advantageous to deepen the dam (5), remove the collector bar (4). There is no need to extend it. The form of this furnace is somewhat similar to the use of conventional structures and collectors. - Allows mounting techniques for bar installation.

陰極面（６）の傾斜は成形陽極面にそっ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っ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める過剰な陽極ガス 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）、バスふん囲気の完全制御 が確実となシ、大気汚染が減する。！極間すき間出口（２１）の所でホッパー（ １９）によシアルミナがバスに添加きれる。正確にバスを補充するために自動制 御装量（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 ふ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って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）の底に沈厳した場合、その沈澱アルミ ナのフックを蔽う金属パッドまたは金属だめが無いためにアルミナフックが流通 路の中に溶解する助けとなる。さらに、バスの戻シ流路は余分の溶解時間を与え 、フッ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、流下だめ内の金属の下側にフックを形成させる可能性を生じ、そのために 流下ためが溢れて陽極・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。The slope of the cathode surface (6) allows gas bubbles to move efficiently along the molded anode surface, and It must be sufficient to cause the metal to flow down the cathode surface. illustration Excessive anode gas may cause excessive distortion of the metal thin film flowing on the cathode surface. The air bubbles (8) are exhausted through the gas vent (2) at the anode into the gas collection system (3). . (by using a mechanical bath cover (18)), complete control of the bath atmosphere It is certain that air pollution will be reduced. ! The hopper ( 19) Yoshiarumina can be added to the bath. Automatic control to accurately refill the bus You can also use the amount of armor (20). such as alumina and other bath constituent materials. The fuka embodiment has several advantages. First, after leaving the electrolysis area, the bath is partially melted. It consumes decomposed alumina and provides the most ideal environment for rapid alumina dissolution. if If some alumina settles to the bottom of the side storage tank (24), the precipitated aluminum Alumina hooks are commonly used because there is no metal pad or metal reservoir to cover the hooks. Helps dissolve into the tract. Additionally, the return channel of the bath provides extra dissolution time. , unmelted to ensure that only hook-free baths are circulated through the ACD gap. Acts as a trap for alumina. Adding alumina to the metal sink (5) side of the furnace This creates the potential for hooks to form on the underside of the metal in the sump, thus This is because the flow tank may overflow and cause a direct electrical short circuit between the anode and cathode due to the metal. This is avoided in the layout.

第３図は流通型巣−傾斜隘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、成形陽極の面にそって上方へ陽極ガス気泡（８）を効率よく移動式せ 、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ラム流下だ 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８ ｏｄｅｒｋＭ３ｒｇ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糸に沁かれ 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１通型炉では！解バスは外部で補充でれ、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（力を径でバス出 口（１１）に流れ、その個所で電解液はアルミナが電解によ９部分的に消費きれ ている。FIG. 3 is an end view of a flow-through type nest-tilt pole aluminum reduction furnace. shade as shown The polar angle allows for efficient movement of the anode gas bubble (8) upward along the surface of the formed anode. , Aluminum flows down the cathode surface as shown by the arrow (13) and flows down the aluminum column. This is sufficient to qualify as (5). Degassing that may be necessary (2) is provided within the anode and may also take the form of a groove or vent. The anode itself is 8 oderk M3rg or a pre-baked carbon variant. aluminum flow down The dam (5) is fitted with a continuous extraction thread which reduces disturbances to the furnace such as changes in bed thickness. It is desirable to Gas venting (2) and the empty bath cavity are connected to the gas collection system That's an advantage. In the illustrated single flow furnace! The decommissioned bus can be replenished externally, and the bus entrance ( 9), pass through the path shown by the arrow (10), and connect the anode/cathode space (the force is The electrolyte flows to the port (11), where the alumina is partially consumed by electrolysis. ing.

第４図は２重傾斜流下陰極、すなわち■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・フィーダ（２７）によシ補光が行わ れるが、図示のブレベーク型陽極（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。FIG. 4 shows a double inclined flow cathode, ie, a ■-shaped cathode furnace. In this configuration, the cathode tilt Supplementary light is provided by the point feeder (27) shown at the higher end of the slope. However, replenishment can also take place between the Brebake type anodes (1) shown. Al A stream of metal (13) flows down the cathode surface (6) and is connected to a continuous extraction system. The water enters the sump (5) where it is advantageous.

陽極ガス気泡（８）は陽極底面にそうバス材の流れ（１ｏ）を誘起する。The anode gas bubbles (8) induce a flow of bath material (1o) on the bottom of the anode.

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）がみそ形ガス抜き（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）　Ｋ供給する流下だめ（５）が図解はれ る。FIG. 5 is a plan view of a single furnace incorporating a furnace feed mixing section. In Figure 5, the anode ( It is shown that 1) has a miso-shaped vent (2). Together with the cathode surface (6), Continuous metal extraction system (14) for aluminum, K supplying sump (5) is illustrated. Ru.

アルミニウム金属の正味の流れの方向は矢印（１３）で示でれ、いっぽう氷晶石 バスの正味の流れの方向は矢印（１ｏ）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ばれる（１２）。アルミナの補充後、氷 晶石バスは矢印（１ｏ）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）が使用はれている 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。The direction of net flow of aluminum metal is indicated by the arrow (13), while cryolite The net flow direction of the bus is indicated by the arrow (1o). Anode (1) and cathode surface (6) After passing between the (16) where it is replenished with alumina (12). After replenishing alumina, ice The crystal bath recirculates through the electrolytic furnace in the direction indicated by arrow (1o). In the diagram, the bar An optional magnetic bath circulation pump (17) is used adjacent to the bath inlet (9). However, under most circumstances the use of such pumps is considered unnecessary.

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***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。Preventing bath backflow and circulation splitting in designs incorporating a furnace feed mixing zone (16) For this purpose, a baffle plate (15) can be arranged in the return passageway (28).

第５図は縦並びで連転される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、１４　（１４）を有して、アル ミニウムの水位を一定に保ち、従って熱バランスとバス水位をｊニジ定常的にす 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 る段取りが必按であろう。Figure 5 is a plan view of a multiple furnace system consisting of four individual electrolysis furnaces that are serially rotated in tandem. Ru. As shown, the main system has a continuous aluminum extraction, 14 (14), Keeps the water level in the minium constant, thus keeping the heat balance and bath water level constant. Ru. Conventional discontinuous metal extraction can also be used, but without compensating for changes in bath water level. It will be necessary to take necessary steps.

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（１６）に添加され、矢印（１０）が 示す方向に陽極・陰極すき間を通って循環する。It includes a bath surge tank, a lower alumina feed mix tank, and a thermal barrier. Includes a balance adjustment device. Alumina and other bus configurations as shown in Figure 6 material is added to the furnace feed mixing zone (16) as indicated by arrow (12) and as indicated by arrow (10). It circulates through the anode/cathode gap in the direction shown.

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）に入シ矢印（１３）に示きれる方向で連続金属 抽出糸（１４）に行く。The use of a magnetic circulation pump (17) is optional. The generated aluminum flows down Continuous metal in the direction shown by the arrow (13) into the aluminum sink (5). Go to extraction thread (14).

アルミナを消費されたバスの逆流は邪魔板（１５）によシ防止される。A baffle plate (15) prevents the backflow of the bath in which the alumina has been consumed.

単独炉体系にも、またよシ経済的な多重炉体系にも、アルミナ供給溶解糸を組込 むことは容易である。本体系全制御されたふん囲気の下で運転することを可能々 らしめる本体系の一特徴は密封型炉頂であシ、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。Incorporate alumina-fed melting thread into single furnace systems or more economical multiple furnace systems It is easy to The main body system can be operated under a fully controlled atmosphere. One of the features of the main body system is the sealed furnace top, which eliminates problems caused by reactants. Reduce air pollution problems and heat loss. A sealed furnace top is not essential.

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 ユニットを配することができる。Adding a non-consumable anode surface to this design allows for self-contained and unattended multiplex electrolysis in a single container. units can be placed.

第７図は単−傾斜陥４りを用いるアルミニウム還元炉を示す。図示の如く、流下 ため（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、１　（ ｊ４）が示式れる。FIG. 7 shows an aluminum reduction furnace using a single-slope recess. As shown, flowing down Continuous aluminum extraction, taking out aluminum from the furnace via tank (5), 1 ( j4) is shown.

これは炉内のアルミニウム水位を一足にし、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。This reduces the aluminum water level in the furnace, and also improves the heat balance in the furnace and the bath water level. It works to make the position more constant.

必要あれば、戻９Ｍｒ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。If necessary, adjust to limit the overall bus circulation speed in the return 9Mr path (28). A flexible partial baffle plate (25) is used.

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。図示はれないが、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。Baffles made of non-corrosive insulating material, such as silicon nitride, can provide the required restriction. It will be done. Although not shown, the necessary replenishment equipment may be of any suitable type as described above. It can be done.

前記の如く、単−傾斜陰極炉の代ｐに２重傾斜隘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って流れる 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−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。As mentioned above, instead of a single-tilt cathode furnace, a double-tilt cathode furnace may also be utilized within the scope of the present invention. obtain. For example, metal aluminum flows downward into an aluminum sump. This is the inverted V-shape shown in FIG. 1 or the V-shape shown in FIG. 4. but Single-tilt cathode tilted upward toward the alumina feed side of the furnace, illustrated in FIG. The furnace is not only easy to construct, but also easy to clean and maintain the crucible chamber of the furnace. This is considered the preferred embodiment because it simplifies the process.

第８図は本発明のいま一つの実施例である、複列単−傾斜隘極を用いるアルミニ ウム還元炉の平面図である。FIG. 8 shows another embodiment of the present invention, which uses an aluminum double-row single-slope pole. FIG. 2 is a plan view of the umium reduction furnace.

電解液の流れは矢印（１０）で示ばれ、１４ｒｏ　（１＋と陰極面（６）の間か ら、補充（１２）が為される区域を通シ、反対方向に傾斜する隣シの陽極・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 斜の陰極の境界蔵となる。円滑かつ連続の循Ｑ’に保証するため、バスの逆流を 防ぎ正味バス循壊流酋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■形および逆ｖ形に代るもので、Ｓｏｄθｒｂｅｒｇよシプレベーク型 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Ｒ−り型陽 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。The flow of the electrolyte is indicated by the arrow (10), and the flow of the electrolyte is indicated by the arrow (10). and adjacent anodes and cathodes inclined in opposite directions through the area where replenishment (12) is to be carried out. The circulation through the pair of ACDs is shown. The center line (26) of the furnace is cleverly aligned with two opposite slopes. It becomes the boundary of the oblique cathode. To ensure smooth and continuous circulation Q’, backflow of the bus is baffle plate (15) and partial baffle respectively to prevent and control net bath circulation flow There is a board (25). All other elements in the figure are the same as described above. This form is an alternative to the above-mentioned ■ shape and inverted V shape, and is similar to Sodθrberg and chyprebake type. It should be noted that it is suitable for use with an anode. Especially pre-R type positive Another suitable configuration for the poles is one where adjacent cathodes (and anode surfaces) have the same slope. direction, but at a different angle.

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はれることに注意すべきである。Although the figure does not show the presence of side protrusions and/or skin of the solidified bath material, It should be noted that the specification also applies to the furnace in which it is present.

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 かに傾斜した衣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きれた。この実験は、動粘性系数が溶融氷晶石に極〈近い 、室温の水を用いて行われた。表面傾斜を２．５°に、土下面のすき間を２．２ 　ｃ！ｎ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ｆＮ 量の空気によｐ加圧して多孔質の上面に気泡を発生源せた。When liquid is confined in a thin layer between the upper surface and the lower surface parallel to it, a small amount of The pumping action of gas bubbles working upward under the sloped clothing surface was first explained by hydraulic analysis. This was demonstrated in a log experiment. In this experiment, the kinematic viscosity coefficient is very close to that of molten cryolite. , performed using room temperature water. The surface slope is 2.5° and the gap under the soil is 2.2. c! n, fN is adjusted to the amount of gas generated in a typical high-current aluminum electrolytic furnace. Air bubbles were generated on the top surface of the porous material by pressurizing it with a large amount of air.

その結果、模擬の陽極と陰極の間の正味すなわち平均液体速度は５〜１０α／抄 の範囲にあると測足された。これらの速度は、氷晶石中のアルミナ濃度が通常で ｂる時の適正な炉の連転に必要が速さでアルミナを供給するのに充分以上である と計り、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セがな かったけれども、ガス駆動によるバス循環の原理は明快に実証された。As a result, the net or average liquid velocity between the simulated anode and cathode is 5 to 10α/min. It was found to be within the range of . These rates depend on the normal concentration of alumina in cryolite. The speed required for proper furnace rotation during heating is more than sufficient to feed alumina. It was calculated and it was done. In this experiment, present in an operating horizontal anode aluminum electrolytic furnace It is necessary for the surface slope to overcome the opposing bubble force due to magnetic influences, for example. However, the principle of gas-powered bus circulation was clearly demonstrated.

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 すなわち戻シ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 判った・１：２０縮尺のアルシミニウム電賠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。The resulting bath circulation depends on the pumping efficiency of the gas bubbles in the ACD gap and the back pressure. In other words, it can be controlled by balancing the resistance to the bus flow passing through the return flow path. I got it from a 1:20 scale aluminum electrodynamic reactor and hydraulic analog model. Additionally, other results and data were obtained.

傾斜する無空の陰極面の上方に在るガス発生陽極面（ｌＩｆＪ１ｍ２）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 ＴｌＢ２隘極面陰極面にらる代表的な「流下陰憾」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。観察された流体はレイ ノルズ数が乱流領域（＞５０００）であったから、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った。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２粘性）には無関保 である０７ランダムの多孔板（孔径刊２０μ）で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 ．６８　ａｍｐ／の２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０．１７７８０／秒が用いられた（ガス速度は温度および静圧の補正を施とで れた）ａ約ｔ　４　ａｍｐ　／υ２までの模擬電流がこのモデルで実験きれた。Simulates the gas-generating anode surface (lIfJ1m2) located above the sloping empty cathode surface. A hydraulic analog model was created. This device has an operating anode with a sloped flow down. Design of a typical "flowing shadow" type aluminum reduction furnace with TlB2 cathode surface was simulated. Water model studies were conducted using room temperature water. The observed fluid is a ray Since the Nords number was in the turbulent region (>5000), the flow observed in the water model was The pattern and speed were similar to what would be expected in a full scale furnace. In this area the flow is primarily controlled by the physical dimensions of the flow path and is independent of fluid properties (e.g. viscosity). Pressurized air with bottom plate made of 07 random perforated plate (pore size 20μ) A chamber was used to simulate the gases (e.g., CO2) generated at a real anode. 0 ．． Gas velocity passing through the perforated plate to simulate an anode current density of 68 amp/2 0.17780 degrees/second was used (gas velocity is corrected for temperature and static pressure). With this model, we were able to experiment with simulated currents up to approximately t4amp/υ2.

第９（ａ）図に側面図が示されるモデルの股引は第１図に示でれる炉の半分を模 擬したものでらる。モデルの平面図は第７図に示はれる炉を模擬した。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、慶、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 。The crotch of the model whose side view is shown in Figure 9(a) is similar to the half of the furnace shown in Figure 1. It's an imitation. The plan view of the model simulates the furnace shown in FIG. anode height The wall at the other end corresponds to a vertical plane passing through the central groove or vent (2). The diagram is , ACD, BFL, Kei, h, ho, lower channel width and upper channel width (defined later ), and the relationship between the anode (1), cathode surface (6) and bath (29). .

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 業用規俣のアルミニウム還元炉を説明するために下肥の足義金使用する。The water model and commercial I will use the foot prosthesis of Shimohi to explain the aluminum reduction furnace of commercial use.

ＢＦＬ−気泡流の方向の陽極面寸法（大抵のテストでＢＦＬ＝１２２ω） ＢＦＷ−気泡流の方向に直角な陽極面寸法（大抵のテストでＢＦＷ＝６１α） ＡＣＤ−第２図の数字（力に対応する、傾斜付き陽極・陰極面間の垂直距離（モ デル・テストでＡＣＤは１ωから５ｍまで変えられた） 陰極傾斜＠）−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力・ら１５°１で変えられた） ニー液面から陽極面までの陽極浸漬垂直深さく陰極傾斜の度合に従い陽極のＢＦ Ｌ寸法線にそってｈは変わる）ｂｏ−陽極浸漬最少深き、すなわち陽極の高い方 の端における陽極浸演深で（大抵のモデル・テストでｈｏ＝１０口） 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。BFL - Anode surface dimension in the direction of bubble flow (BFL = 122ω in most tests) BFW - Anode surface dimension perpendicular to the direction of bubble flow (BFW = 61α for most tests) ACD - Numbers in Figure 2 (vertical distance between inclined anode and cathode surfaces (model) corresponding to force) In the Dell test, the ACD was changed from 1ω to 5m) Cathode tilt @) – angle between the upwardly tilted cathode surface and the horizontal plane (cathode tilt in model tests) The inclination was changed at 0 force and 15°1) The vertical immersion depth of the anode from the knee liquid level to the anode surface is determined by the BF of the anode according to the degree of cathode inclination. h changes along the L dimension line) bo - the minimum immersion depth of the anode, i.e. the higher side of the anode at the anode immersion depth at the end of (ho=10 holes in most model tests) The required bus flow typically passes through four different types of channels or passageways. Sunawa Chi: 1) ACD gap between anode and cathode. Here, the introduction and flow of anode gas is required within the furnace. generates the force necessary to maintain the bath circulation.

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掘向けられる。陽極カスの大部分 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 ス攪乱作用を与える。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 にそっているか、第１図に示されるように炉の中心にあり得る。2) The top where the bath flow flows from the ACD gap, which corresponds to the liquid storage tank (24) in Figure 2. direction flow path. Here the flow is directed to one or both sides of the anode. Most of the anode residue is discharged from the bath in this flow path, making it ideal for melting the alumina fed to the furnace. provides a disturbance effect. This flow path is located on the side of the furnace as shown in Figures 2 and 7. It can be along the line or in the center of the furnace as shown in FIG.

上方流路の寸法の定義は以下の通りである。The definition of the dimensions of the upper channel is as follows.

垂直成分。垂直成分は弛い角度でＶｉ事実上ＡＣＤ曲に入るｌ＠他極縁そって存 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）で示でれる。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 シ流路は第７「１に示される如きもので、流れの抵抗を変えるため（部分邪属板 に付与はれた機能に似ているが）、戻シ流路の深で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オＬ る。Vertical component. The vertical component is at a loose angle and the Vi virtually enters the ACD song. A channel that carries a corresponding downward channel that is present. Examples of return channels are shown in Figures 5 to 7. It is shown by (28). In its simplest form, and the type modeled in this study, the return The flow path is as shown in 7th "1", in order to change the resistance of the flow (partially (similar to the swollen feature), but the depth or width of the return channel can also be varied. Ru. For the water model and reactors of similar design, the return flow path dimensions are defined as follows: Ru.

深畑＝流路内のバスの深さく流路の幅が狭くて動作陽極が流路の片側丑たは両側 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。Fukahata = The depth of the bath in the channel and the width of the channel are narrow, so the operating anode is on one side or both sides of the channel. , the effective channel depth is the actual depth minus the ACD.

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烙 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ｆｃ）。It means that the upward flow in the adjacent ACD gap is similar to the bottom of the return channel. This is because it tends to stagnate the layers. In water modeling studies, this reduced return channel depth fc).

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シ流路の 深さは増す。Due to the sloping cathode, the return flow path is reduced as the bath flows from the upper flow path to the lower flow path. Depth increases.

幅＝流路内の流れに直角な流路の水平幅。Width = horizontal width of the channel perpendicular to the flow within the channel.

長て一上方流路と下方′Ｒ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。戻シ流路からのバスを運んで、バスがＡＣＤすき間に入る陽極縁 にそってバスを配分することによシ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陽極から流れ落ちるに従ってそれを収集するための受 けでたは樋を流路の低部に有する。そのような受けは第１図および第９ａ図に示 される。The horizontal distance between the upper channel and the lower 'R' channel (in the water model this is approximately BFL) equal) 4) Downward flow path. The anode edge carries the bus from the return flow path and the bus enters the ACD gap. A flow path that completes a Sibus circulation loop by distributing buses along it. of this flow path The dimensions are defined similarly to the dimensions of the upper channel. For most cell designs and water models , a receiver to collect the aluminum metal as it falls from the inclined anode. Kedeta has a gutter at the bottom of the channel. Such receivers are shown in Figures 1 and 9a. be done.

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。Q is defined as the total volumetric flow rate of the bus flow entering the ACD gap from the lower flow path.

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プ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すき閣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 ＠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へ・ ５α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った。Ａ ＣＤすき間および戻シ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Ｏ 下方の傾斜陽極に対する陽極の成形、すなわち−散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・アルミニウム伊アンド・ケミカル働コーボレー ショ５ ンノ報告書（ＤＯＥ契約番号１５．　ｚｙ−７６−Ｃ−０３１２５７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Ｊ１９７７年１１ 月６０日）でも−実証された。To simulate the actual electrolytic furnace and evaluate the effect of changes in specified dimensions or operating conditions. In addition, the water model was allowed to be modified in various ways. Adjustable parts A device was applied to the model to simulate the magic board (25 in Figure 7). Cathode tilt In order to know the effect of @The inclination of the pole was varied from 0 to 15°. ACD gap is set to 1 in water model research. It was changed to 5α. The gas flow rate was variable to simulate different current densities. A Colored dye was injected into the CD gap and return passage to observe and measure the fluid flow in the model. set O The formation of the anode for a downwardly slanted anode, i.e., the dispersion, even in a laboratory electrolytic test furnace. , Kaiser Aluminum Italy & Chemical Works Covolley for the Ministry of Energy Show 5 (Final report of DOE contract number 15.zy-76-C-031257) , “Energy Savings Through the Use of Improved Aluminum Reduction Furnace Cathodes J1977, 11. 60 days a month) was also proven.

第９（ｂ）図はＡＣＤ内のガス気泡（８）の所俄の流れ、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太きす 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。よって、 一方向の流れが望ましいけれども、限極面における過大な流速は避けるべきであ る。水モデル研究で明らかにさｆ″したことは、成る設計条件の下では望甘しく ない６つの異る現象がＡＣＤ内に起り得ることである。すなわち二〇逆流。陽極 底面にそって上方に流れるバスが流れの方向を反転して第９（Ｃ）図に示畑れる ように陰極面にそっ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 ９（ｄ）図に示きれるように、バスがＡＣＤ内で複数の小さな渦流を形成し、Ａ ＣＤに入る正味の新しいバスが無いか、極く少なく彦る。実際の電解炉で新しい バスの供給が不足すると、持続的な陽惚効果を招く。Figure 9(b) shows the flow of gas bubbles (8) in the ACD and the direction of the bath flow ( 10) is shown. From this figure, we can see that the bus velocity on the cathode surface in the same direction as the anode surface is It is clear that too much water can impede the flow of metal onto the cathode. Therefore, Although unidirectional flow is desirable, excessive flow velocities at the limiting plane should be avoided. Ru. What was revealed in the water model study was undesirable under the design conditions of There are six different phenomena that can occur within an ACD. In other words, 20 regurgitation. anode The bus flowing upward along the bottom surface reverses the direction of flow and is shown in Figure 9 (C). A backflow occurred when the liquid flowed downward along the cathode surface. In extreme reflux conditions, the As shown in Figure 9(d), the bus forms multiple small vortices in the ACD, and the A There are no or very few net new buses on CD. New with real electrolytic furnace Lack of bus supply leads to a sustained ecstasy effect.

０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。0 air blockage (gas occlusion). Large gas where the ACD stagnates due to the removal of anode gas being too slow. When the gas bubbles were filled, an aerodynamics occurred. In this state, the bus flow is insufficient. Ru.

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９得る。When this condition occurs in an operating furnace, such gas bubbles inhibit the local electrolytic reaction. damage and increase the anodic current density in that part of the anode, eventually resulting in loss of anodic polarization voltage. However, it can also lead to the onset of the anodic effect.

０過犬気泡厚み。成る条件の下でバスの広範囲にゎたシ陰極面に接して生じた。Bubble thickness over 0. Under these conditions, a large area of the bath was exposed to the cathode surface.

この状態が運転中の炉で生ずると、ＣＯ２気泡と隘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ｐ寛流効軍が急に落ちる。When this condition occurs in an operating furnace, CO2 bubbles and molten aluminum on the pole surface Due to the rapid reverse reaction between the genus and the genus, the p-reduction effect suddenly drops.

上記現象ならびにＡＣＤすき間および戻シ流路の正味バス流は１極傾斜、ＡＣＤ 　、戻９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。In addition to the above phenomenon, the net bus flow in the ACD gap and return flow path is one-pole inclined, and the ACD , the fluid resistance in the return 9 flow path, and the simulated anode current density.

観察された流れ特性の全ては前述の一般的流体カ学原理に従って制御てれるけれ ども、その定量的記述は今日まで確立されていなかった。All observed flow characteristics must be controlled according to the general fluid mechanics principles described above. However, its quantitative description has not been established until now.

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めて欲しい。A typical example of applying the present invention to the design of an energy-saving improved aluminum reduction furnace will be explained. The general reactor specifications in the following table were used for the water model and later examples. in fact , select these general furnace specifications to suit the actual application and use the teachings of the present invention. I would like to know the important furnace design specifications.

熱バランスおよび投資効果の計其が為きれて、「流下陰極型」炉の運転は今日業 界で使用はれる代表的な値よシ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。Operation of “falling cathode” furnaces is now commercially viable, as thermal balance and investment benefits have been determined. It is desirable that the anodic current density be higher than the typical values used in the field. It is shown that.

第　Ｉ　表 模範的一般炉仕様 ライン電流　５．０５　１００　３００陽極電＃Ｌ冨度　０．６８　０，６８　 ２．５ＢＦＬ　（ｃｒｎ）　１２２　１２２　１２２戻り流路の数　１　４　４ 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■衣に含め である。考察中の概略炉設計は第１図に示きれるように、年−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。Table I Model general furnace specifications Line current 5.05 100 300 Anode #L richness 0.68 0,68 2.5BFL (crn) 122 122 122 Number of return channels 1 4 4 The design parameters used in the water model study are included in Chapter ① for comparison with the actual reactor. It is. The schematic design of the reactor under consideration is as shown in Figure 1. Connecting return channels and split VSS anodes (each half of the furnace is similar to the furnace shown in Figure 7). The furnace has two outer downward channels at each end.

第１０図、第１１図および第１２図は模擬陽極電流密度０．６８ａｍｐ／α２に おいてＡＣＤすき間の正味バス流に対する陳他傾斜、ＡＣＤ　、および戻り流路 の流れ抵抗Ｒｆ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シ示される。全ての場合、これは−極傾斜が弛くなる につれてよシ過度になる、正味バス流の著しい減少に関連している。Figures 10, 11, and 12 show a simulated anode current density of 0.68 amp/α2. The slope for the net bus flow of the ACD gap, ACD, and return flow path at The influence of flow resistance Rf on is illustrated. In these figures, the backflow at the cathode surface If this is seen, it is indicated by a dashed line. In all cases this means - the polar slope becomes slacker It is associated with a significant decrease in net bass flow, which becomes excessive as the load increases.

他の模擬電流密度についても同様な結果が得られた。Similar results were obtained for other simulated current densities.

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。A furnace parameter design limit diagram created from this data is shown in FIG. control The use of this diagram for the design of a furnace with bath flow is detailed in the example below. be done.

この線図の一般的特性は以下の通シである。特定連転条件において流れの抵抗は 戻り＃Ｌ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ットすると、 後で定義する方法によシ計算されるように、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、成る陽砥電＃Ｌ密度において満たされなければ ならない、陰極傾斜とＡＣＤの関保が導かれる。この陰極傾斜とＡＣＤの関保が 第１５図の曲線により弄わされる。よって、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シ制限を受ける。すなわち、 過大な気泡厚みの理由によシ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。過大々陽極浸漬深さをもた らす過度の陽極（そして＠極）傾斜は約１５°の傾斜にて境界上限を形成する。The general characteristics of this diagram are as follows. Under specific continuous rotation conditions, the flow resistance is Return #Relates to the width of the L path. Regarding the width of each return flow path, see Figures 10, 11, and Contrastingly plotting the data at constant flow rate from the figures corresponding to Figures 12 and 12 yields: as being suitable for feeding the furnace, as calculated by the method to be defined later. In order to achieve the chosen flow rate, the positive current #L must be satisfied at a density of Therefore, the cathode tilt and the ACD Sekipo are derived. This cathode tilt and ACD Sekiho The curve shown in FIG. 15 plays with this. Therefore, this curve is applicable for each return passage width. Represents the conditions for achieving positive alumina supply. These curves are preferably It is constrained by boundary conditions defined by no hydrodynamic conditions. That is, The prohibited area due to excessive cell thickness is the lower ACD dimension, i.e. the line The operating area on the left side of the diagram (FIG. 15) is restricted. Excessive anode immersion depth Excessive anode (and @pole) inclination forms a boundary upper limit at an approximately 15° inclination.

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きな いでＡＣＤを小さくするように、選ばれた戻９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の値によシ適当 なアルミナ供給全保証すると同時に、過大々気泡厚みとそれに伴う電流効率の植 失のみならず、陽極面におけるバスの過大な速度（従ってアルミニウム流下への 阻筈）を頑けることになる。次側はかかるパラメータ縁図の酵厄および用法全説 明するものである。The desirable operating range is one that does not violate the range noted as "bubble thickness limit" in Figure 15. How many of the corresponding curves representing the width of the return 9 passages were selected so as to reduce the ACD at or the upper area. Operation in this region is suitable for a sufficiently large value of Q. At the same time, it guarantees a complete supply of alumina, and at the same time eliminates excessively thick bubbles and the associated current efficiency. In addition to losses, excessive velocity of the bath at the anode surface (and therefore I will do my best to prevent this. The following is a complete explanation of the fermentation and usage of such parameters. This is to clarify.

例１−戻クシ流路法の選択 バス流量（（α６／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 するのに必仮なアルミナを供給するのに充分な値でなけれはならない。最大１０ ０％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。Example 1 - Selection of return comb flow path method The bath flow rate ((α6/s) maintains the electrolytic reaction to prevent anode effects in the furnace during operation. The value must be sufficient to supply the necessary alumina for the purpose. maximum 10 At a current efficiency of 0%, the minimum flow rate Q required for a practical aluminum reduction furnace is given by the following formula: It will be done.

ただし６ｗｔ％Ａｔ２０３はＡＣＤすき間に出入するバスのＡｚ２ｏ５の重ｉ− ％の差すなわちΔアルミナである。常数０．００８は次のファラデー公式から導 かれる： 便宜上、Ｑは＠極当位面積当シのバスの容積７秒で表わすこともできる。よって 最少陽極電流密度０．５Ａ１５１１２、またＡＣＤの１回通過轟りのバス消耗量 最大５％すなわち６ｗｔ％Ａｔ２０５　＝　５として、式Ｉから最少許容値Ｑ＝ ８Ｘ１０−４５＋５７秒／３２（陽極面積）を得る。However, 6wt%At203 is the weight i- of Az2o5 of the bus entering and leaving the ACD gap. The difference in percentage is Δalumina. The constant 0.008 is derived from the following Faraday formula. Become: For convenience, Q can also be expressed as the volume of the bus per pole equivalent area, 7 seconds. Therefore The minimum anode current density is 0.5A15112, and the bus consumption amount of one-pass roar of ACD From formula I, the minimum allowable value Q= We get 8X10-45+57 seconds/32 (anode area).

炉の性能および熱安定性はバス全体に一様なＡｔ２ｏ５を保つことによシ高めら 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Ｉおよび 炉■についてそれぞれ２０２．４０００、および１２０００ｃ！ｎ５／秒となる 。Furnace performance and thermal stability are enhanced by maintaining a uniform At2o5 throughout the bath. It will be done. For the above furnaces, the calculated minimum bath flow rates are for the water model furnaces, Furnace I and 202.4000 and 12000c respectively for the furnace ■! becomes n5/second .

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刀）かる最低値よりも高い値を用いるべきでおる。炉の運転 状態によｐバス流が多少変わる（たとえば、出つ張シ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ｖ４〜５を乗じて、水モデルおよび実例炉１、Ｉｔについてそれぞれ望 ましいバス流量８９０．２０，０００および６０，０００薗５／秒を得た。豹４ ５０．１０，０００および３０．０００ｆｆｉ５／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、よシ 信頼性の高い安定なバス循環が示てれた＠水モデルのデータによれば、戻シ流路 の流れ抵抗特性は本発明の重要な要素である。戻シ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。戻シ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、戻シ流路に一般的な設計基準を与えるために単純 化きれた水力学モデルを作ることが有益である。戻シ流路における流れ抵抗によ る水頭損失ｂｚは公知の次式により与えられる：ただしｆｆ＝　Ｆａｎｎｉｎｇ 　Ｆｊｌさつ係数■　＝速度 Ｌ　−長は（水モデルではほぼＢＦＬに等しい）Ｄ。ｑ−同等水力学的直径 ｇ　＝重力常数 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 の開放流路についでは、ただし、Ｗ−戻シ流路の幅 り一流路にそう任意の点における水の深き（水モデルではＡＣＤ修正曾を減する ） ｈ　＝＝　ｈ（、＋ｘｓ１ｎａ ｈｏ−陽極の上方端におけるｈ（すなわち、最小陽極浸漬深さ） Ｘ＝戻クシ流路長さにそう上方流路からの距離φ＝＝極傾斜角 戻シ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ｆｉＱは速度×流路断面 積によシ与えられる。すなわち、 ■、Ｑ＝Ｖｈｗ、さらに これらの公式に使われるＱ値は、注入されたわく着色された染料が流路を通過す るのに必要な時間を開示することによシ決足芒れる流路の正味有効平均Ｑを表わ す。Although the minimum bus flow Q is theoretically sufficient, operational problems (e.g. excessive anode effect, high effective bus resistance, and excessive voltage due to excessive bubble volume in the ACD gap). In order to prevent this, you should actually use a higher value than the lowest value. Furnace operation The p-bus flow changes somewhat depending on the state (for example, due to protrusion or crust formation). Therefore, the bus flow rate may be lower than the theoretical bus flow rate. Therefore, this minimum bus flow Multiply by the design factor v4-5 to obtain the desired values for the water model and the example reactor 1 and It, respectively. The desired bath flow rates of 890.20,000 and 60,000 5/sec were obtained. leopard 4 50.10,000 and 30.000ffi5/sec are considered appropriate, but water According to the model data, at the desired Q value above, the simulation is better than the minimum theoretical Q value. According to the @water model data, which showed reliable and stable bus circulation, the return channel The flow resistance properties of are an important element of the present invention. Restrictions on the return flow path become stronger (inner furnace Changes in the flow resistance characteristics of the return channel as a result of trying to maximize the anode area The sensitivity of bass flow to It has the same effective flow resistance characteristics in the return flow path. Since there are many different furnace designs, a simple It is useful to create sophisticated hydraulic models. due to flow resistance in the return flow path. The water head loss bz is given by the following well-known formula: where ff=Fanning Fjl coefficient ■ = speed L-length is D (approximately equal to BFL in the water model). q - equivalent hydraulic diameter g = gravitational constant The friction coefficient is a composite value that reflects the differences at the bottom and sides of the channel. Alone For the open flow path, however, the width of the W-return flow path The depth of the water at any point in the flow path (in the water model, the ACD correction is reduced) ) h == h(, +xs1na ho - h at the upper end of the anode (i.e. the minimum anode immersion depth) X = distance from the upper flow path to the length of the return comb flow path φ = = polar inclination angle Since the observed speed in the return channel changes with changes in water depth, the dimensional changes in the channel It is better to use a bath volumetric flow rate that is unrelated to Bus volumetric flow fiQ is speed x flow path cross section It is given by the product. That is, ■, Q=Vhw, and The Q value used in these formulas is based on the amount of time the injected colored dye passes through the flow path. Express the net effective average Q of the flow path determined by disclosing the time required to vinegar.

水頭損失を次式で表わすことができる：■、ｂ　”　ＫｆＱ２Ｒｆ ただし、Ｒｆ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頓を表わし 、またＫｆは物理的増反に左右でれることの少ない流体／物質特性係数でおシ、 実際には次式で決めることができる： ｈの値は傾斜した戻９通路の中で変化するから、Ｒｆは幅Ｗを全体で一定として 、流路長りにゎたるｂ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ｐ通路流れ抵抗を第２夛に示す。The water head loss can be expressed by the following formula: ■, b” KfQ2Rf However, Rf represents the flow resistance geometry dependent on the physical dimensions of the return path. , Kf is a fluid/material characteristic coefficient that is less affected by physical increase in veneer. In fact, it can be determined by the following formula: Since the value of h changes within the inclined return path, Rf can be calculated by assuming that the width W is constant throughout. , is actually calculated as an integral function of b over the channel length. Used for water model research The four different return ppath flow resistances obtained are shown in the second panel.

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ってＡＣＤ すき間−戻シ流路回路をめぐっ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図に示きれる類似ポンプ効率線図が「流下陰極屋」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／ ′−！たは減少するＡＣＤを反映する曲線１．２．３の順に向上する。戻シ流路 の増大する長さおよび／または一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 交点により決定きれる。よってホンブ緑図にてＡＣＤ内の電解反応に対するＡｔ ２ｏ３供給要求量を′／Ｆ８たすのに必長な最少流量における垂直線を重ねるこ とによシ、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 プ効率曲線の成るものの傾斜の急変化に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に与える戻シ加銘の流れ抵抗の 影響を説明する。The furnace design in the present invention is such that the gas bubbles in the ACD gap perform a pumping action and the ACD The pump pumps the fluid loop by driving the bus around the gap-return flow path circuit. is similar to. A similar pump efficiency diagram shown in Fig. 13 is for a “feeding cathode house” furnace. Used to explain circulation characteristics. Pump efficiency increases with increasing cathode tilt and/or ′-! or curves 1.2.3 reflecting decreasing ACD. Return channel slope lines a, b, reflecting increasing length and/or decreasing cross-sectional area of The flow resistance increases in the order of c. The observed flow rate is determined by the corresponding pump efficiency and flow resistance curve. It can be determined by the intersection. Therefore, in the Honbu green diagram, At for the electrolytic reaction in the ACD is By overlapping the vertical lines at the minimum flow rate required to add 2o3 supply demand to '/F8 Additionally, pumping/flow conditions can be expressed. Pump at low flow rate A sudden change in the slope of the drop efficiency curve is associated with backflow within the ACD. Table 2 is the flow resistance of the return force applied to the ACD at a constant cathode tilt and ACD. Explain the impact.

低流量（Ｑ）では、２．７　Ｘ　１　（］−’ｃ！ｎ−４の抵抗係数が指定の条 件での本発明の限界外におることを第ｎ２が示している。At low flow rate (Q), the resistance coefficient of 2.7 x 1 (]-'c!n-4 is The n2th number indicates that the above case is outside the scope of the present invention.

これはＡＣＤ内に支配的な逆流状態が観察はれることにより確認される。同じ指 定条件で、Ｒｆ値２．７　Ｘ　１０−”　ｃｍ−４は本発明の限界内にはあるが 、水そデルで１３９０　ｃｍ’／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ｐもそれを助長する傾向があるから、場合によって、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。This is confirmed by the observation of a dominant backflow condition within the ACD. same finger Under certain conditions, the Rf value of 2.7 x 10-” cm-4 is within the limits of the present invention. , too large to achieve the desired flow rate of 1390 cm'/sec in water Produces some (slight) backflow. A slight backflow causes aluminum to flow down the cathode surface. However, in some cases, slight backflow may It should be noted that this can sometimes be advantageous.

水モデルを実用アルミニウム還元炉に増反すると、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ｐである： １）　ＡＣＤに入るバス流ｔＱが電解反応を支えるのに充分な値であること。最 少所要バス泥倉は式■で与えられる： よって６ｗｔ％Ａｔ２０５が０．２で、ＩＱＱＫＡの炉で、最少バス流は４００ ０α５／秒である。Augmenting the water model to a practical aluminum reduction reactor provides numerous alternatives within the scope of this invention. An alternative design is proposed. The basic requirements that must be met in a production furnace are: It is common p: 1) The bus flow tQ entering the ACD is of sufficient value to support the electrolytic reaction. most The small required bus mud bay is given by the formula ■: Therefore, when 6wt%At205 is 0.2, the minimum bath flow is 400 in the IQQKA furnace. 0α5/sec.

（陰極傾斜＝８・、ＡＣＤ＝３ｆｆｌ、陽極面積＝０．７５ｍ２）低　ｔ３Ｘ１ ０づ　２３７５　無 空　６．３Ｘ１０−５　１７２０　無 局　２．７Ｘ１０２　７４０　僅か 極　高　２．７Ｘ１０−２　１６５　支配的２）ガス誘起ポンプ作用の水頭（Ａ ＣＤ内の流れ制限損失を減する）は戻シ流路、上方流路および下方流路の組合せ 水頭りに等しいこと。成る傾斜、ＡＣＤ、Ｑ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りは同様である筈である。(Cathode tilt = 8・, ACD = 3ffl, anode area = 0.75m2) Low t3X1 0zu 2375 None Empty 6.3X10-5 1720 None Station 2.7X102 740 slightly Extremely high 2.7X10-2 165 Dominant 2) Water head of gas-induced pumping action (A (to reduce flow restriction losses in the CD) is a combination of a return passage, an upper passage, and a lower passage. Equal to the head of water. The water moiety at the slope, ACD, Q flow density and anode length The water heads generated in the Dell and full-scale reactors should be similar.

３）所要の有効流れ抵抗Ｒｆ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ｐ流路設計を用いることができること。炉のＲｆ項は次式を用いて水 モデルのＲｆから推定烙れる； ただし、摩芒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〃Ｓ、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。大抵の 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に充分大きくて、そ れらの小をな水頭損失ｈｚは、まり制子づの大きい戻セ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の流れ抵抗の影春が 含まれる。3) a single or that multiple return p-channel designs can be used. The Rf term of the furnace is calculated using the following equation: Estimated from model Rf; However, changes in the abrasive coefficient and total furnace current are taken into account. if above and below If the dimension of the direction channel is equal to that of the return channel〃S, and if it is smaller than that, then the upper and the varying mass flow rate in the lower flow path must be included in the calculations. most of The anticipated reactor design and water model should be large enough to accommodate the upper and lower flow path dimensions. These small water head losses hz are nothing compared to the water head loss of the large return flow path. can be seen. The reported net pumping efficiency data is affected by the flow resistance of the ACD. included.

よってＲｆ（Ｆ）項は戻シ流路または実尺炉の多重戻り流路の組合せ効果の必要 設計基糸を与える。「流下陰極」炉設計は多重（ｎ個）の戻シ流路を含むことが 有るから、各戻υ流路の有効値は次式により与えられる：ただしそれぞれのＱは 前記により定義される。Therefore, the Rf(F) term reflects the need for the return flow path or the combined effect of multiple return flow paths in a full-scale furnace. Provide design basics. A “falling cathode” furnace design can include multiple (n) return channels. Therefore, the effective value of each return υ flow path is given by the following equation: where each Q is As defined above.

はて、Ｒｆ（炉）の値は全て（ｎ　（［ｉ！ｊ）のｋ　’）　＋ＷＬ：路の合計 として次式から計算される： そしてｎ個の同等の流路では： Ｘｌ、ＲｆＣ炉流Ｍ）＝ｎ２Ｒｆ（炉）ただし、Ｒｆ（炉）は次式から計算され る：式ＸＶにおいて、Ｒｆ（モデル）は約２３０Ｘ　１０−５／／ｃＭ４から釣 ０，２Ｘ　１Ｑ−５１０＋＋’の値を有する幾伺学的抵抗係数である。So, the value of Rf (furnace) is all (k' of n ([i!j)) + WL: sum of paths is calculated from the following formula: And for n equivalent channels: Xl, RfC Furnace flow M) = n2Rf (Furnace) However, Rf (Furnace) is calculated from the following formula. In formula XV, Rf (model) is approximately 230X 10-5//cM4 It is a geometrical drag coefficient with a value of 0.2X 1Q-510++'.

たとえば、水モデルおよび例示炉の摩さつ係数（第１衣に規定される）が等しい と仮定すると、各戻ｐ流路の望ましいＲｆ頓は弐店によｐ与えられ、その幅は該 尚武から計算される。For example, the water model and the example furnace have equal friction coefficients (specified in the first coat). Assuming that the desired Rfton of each return p channel is given by p, and its width is Calculated from Shobu.

４例■ Ｒｆ（炉流路）−Ｒｆ（モデル）［４（８９０）／２００００〕２Ｒｆ（炉流路 ）＝０．０３２Ｒｆ（モデル）Ｗ（炉流路）＝２０譚 ４例■ Ｒｆ（灼流路）−Ｒｒ（モデル）［４（８９０）／６００００）２附（炉流路） 、−０，００３５Ｒｆ（モデ／Ｉ／）Ｗ（炉流路）＝５２ｆｆｉ 戻り流路幅の上記の値は望ましいバス流（りの改削係数５および望ましいＲｆ（ モデル）　＝　６．２　Ｘ　１０−５の値を基にしている。４例■の運転がバス 流設計係数を６に減す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５３のに減するであろう。バス流設計係数を減することなく、計算値 Ｗ（炉流路）を３に下げる代替法は陽極浸漬深さを８１増す（例：　ｈｏ＝１３ ｍ）ことである。4 cases■ Rf (furnace flow path) - Rf (model) [4 (890)/20000] 2Rf (furnace flow path) ) = 0.032Rf (model) W (furnace flow path) = 20 stories 4 cases ■ Rf (burning flow path) - Rr (model) [4 (890)/60000) with 2 (furnace flow path) , -0,0035Rf(mode/I/)W(furnace flow path)=52ffi The above values for the return flow path width correspond to the desired bus flow (reduction factor of 5) and the desired Rf ( model) = 6.2 x 10-5. 4 cases■ driving a bus If it is determined that the flow is stable enough to reduce the flow design factor to 6, the calculated value W ( The furnace flow path) will be reduced to 53. calculated value without reducing the bus flow design factor. An alternative method to lower W (furnace flow path) to 3 is to increase the anode immersion depth by 81 (e.g. ho = 13 m) That is.

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。These alternatives demonstrate the utility of the teachings of the present invention in the design of "falling cathode" furnaces. do.

第１４図は水モデルにおける−望ましいＱ値８９０．Ｍ’／秒を得るのに心壁な Ｒｆ（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Ｒｆ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 ・データからメくめることができる。Figure 14 shows a desirable Q value of 890 in the water model. It's hard to get M'/sec. Rf (model) represents the value (as a function of cathode tilt and ACD). Other Q values The Rf value for the water model is as shown in Figures 10, 11 and 12. ・Able to memorize data.

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　（従ってパス 電圧損失）ｆｉ：Ｗ＆することによシ向上する。ＡＣＤ値が比戟的太きいと（例 ：４ｃ！Ｒ以上）、ＡＣＤすき開門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値は著しく減する。ＡＣＤ値が３．減すると、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（豹１薗）では気泡と無空の陰極面の近傍の間の ２次効果が所シ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）傾向かある。第１０図、第１１図および第１２図は、最大バス流が予想は れるように最少ＡＣＤにて生ずるとは必すしも限らないことを示す。Example 2 - ACD selection The energy efficiency of the furnace is increased by the ACD (and therefore the pass) without significant loss of current efficiency. Voltage loss)fi: Improved by W&. If the ACD value is relatively large (e.g. :4c! R or higher), there is a strong tendency for a backflow condition to occur in the ACD plow opening. What if this When a reversal occurs, the net Q value is significantly reduced. ACD value is 3. When it decreases, the ACD The required bus flow through the gap is facilitated and higher flow resistance in the return channel is tolerated. . However, at a very small ACD value (1 yen), the gap between the bubble and the vicinity of the empty cathode surface Secondary effects slow the bass flow in place (e.g., the flow resistance in the ACD gap increases) Result) There is a tendency. Figures 10, 11, and 12 show that the maximum bus flow is This shows that it does not necessarily occur at the minimum ACD as shown.

陰極傾斜を２°から５°に増すと、測定最大気泡厚みはＧ　ｔ　Ｏαから約０． ５１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、気泡厚みはかなシー足に保たれることが観察され、気泡は前記の特性形状 をとって、よシゆつくシ移動することが観察された。ＡＣＤを変えることは観察 された気泡厚みにラー！シ影響を与えないことが決定された。ＡＣＤの大部分に わたって気泡が突出る場合は、陰楢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、バスの電気抵抗は太いに増加する。これらの理 由および実際上の考慮から、望ましいＡＣＤは豹２〜４ａ−であ、９．ｉ２〜５ ｃｔｎがもつと望ましい範囲である。Increasing the cathode tilt from 2° to 5° reduces the measured maximum bubble thickness from GtOα to approximately 0. 51 and the net liquid flow rate increased accordingly. The slope increases to more than 5° It was observed that the bubble thickness was kept at a slight level, and the bubbles had the characteristic shape described above. It was observed that the insects picked up the fish and moved slowly. Observation to change ACD The thickness of the bubbles is amazing! It was decided that there would be no impact. Most of the ACD If bubbles protrude across the screen, CO2 may be reacting adversely to the thin aluminum metal film on the shade. As a result, the current efficiency is significantly impaired and the electrical resistance of the bus increases significantly. These principles For reasons and practical considerations, the preferred ACD is Leopard 2-4a-; 9. i2~5 This is a desirable range for ctn.

例３−陰極の選択 戻り流路が大幅に制限きれる（第１０図）かまたはＡＣＤが４α以上である時を 除くすべての場合、陰極傾斜が５°に等しいかそれよシ大きい時のバス流ＱＶｉ 望ましい８９０ｆｆｉ５／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、除権面上の溶融金属の流れを阻害するこ ともある。戻す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太きいと、ＡＣ’Ｄ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 太いに変化するという実際上の問題・を生ずることが有シ得る。例２に記載され る気泡厚みの変化をも考慮する時、望ましい陽極傾斜は約５〜１１°の範囲に金 シ、釣８°が最も望ましい傾斜となる。Example 3 - Cathode selection When the return flow path is significantly restricted (Figure 10) or when the ACD is 4α or more, In all cases except the bath flow QVi when the cathode tilt is equal to or greater than 5°. Exceeds the desired 890ffi5/sec. Increasing cathode tilt means that the ACD gap Helps overcome excessive reflux and aerodynamics (excessive stagnation of gas bubbles) in becomes. On the other hand, if the angle is too steep, it may impede the flow of molten metal on the relief surface. There is also. Back pressure due to restriction of the return flow path can also be offset by increasing the cathode tilt . However, if the slope of the cathode is large, the bus will have an excessively upward slope in the AC'D gap. The depth of the anode immersion in the bath is This may cause the practical problem of thickening. As described in example 2 When considering the change in bubble thickness due to The most desirable slope is 8°.

３９　− 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訝に示される通りである。39 - The construction and usage of the furnace parameter diagram described above will be described in detail below. Construct this diagram The parameter constraints used to achieve this are as shown in the third question.

便宜上、そして炉の設計の目視化を助けるために、第１５図では相邑する流路１ 幅の形で戻シ流路の流れ抵抗Ｒｆを示した（流路長１２１　ｔＭ、陽極電流孔度 ０．６８Ａ／口２、バス流量最少８９０．ｙ５／秒、および最小流路＾はり。− １０，０α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 しい組は次の通シである：陰極傾斜　＝７．５゜ ＡＣＤ　＝　２．５ｍ Ｒｆ（戻り流路）　＝　６．２Ｘ１０−５／Ｌｙｎ４パス流Ｑ　”　８９０’ｍ ’／秒 後記の重要な炉流体力学的設計パラメータの範囲一の基礎は次のものである二１ ）水モデル・シミュレーショ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 陽極長さ　１２２副　水モデルのサイズ望ましいバス流　最少８９０α／秒　ｈ ｔ２　ｏ　５の消耗量は０．２重量俤であシ、バス流設計係数が 少なくとも４．４である。For convenience and to aid visualization of the furnace design, FIG. The flow resistance Rf of the return channel is shown in the form of width (channel length 121 tM, anode current porosity 0.68A/port 2, minimum bath flow rate 890. y5/sec, and the minimum flow path ^ beam. − 10.0α). The most desirable of the reactor design parameters of the water model under the specified conditions The new set is as follows: Cathode tilt = 7.5° ACD = 2.5m Rf (return flow path) = 6.2X10-5/Lyn4 pass flow Q” 890’m ’/second The range of important reactor hydrodynamic design parameters listed below is based on the following: ) measured data and observations in water model simulation studies; 2) presented data analysis, 3) expansion to commercial scale reactor; Anode length 122 sub water model size Desired bath flow minimum 890α/sec h The consumption amount of t2　o　5 is 0.2 weight, and the bus flow design coefficient is At least 4.4.

陽極電流密度　０．６８Ａ　／　ｃｍ２　実用炉の値に対応する仮定値気泡厚さ 　最大ＡＣＤの５０％　電流効率低下を防ぐ。Anode current density 0.68A/cm2 Assumed value corresponding to the value of a practical reactor Bubble thickness 50% of maximum ACD Prevents current efficiency from decreasing.

陰極傾斜　最大１５°　一端がら他端までの陽極浸漬深きの変化が過大 ＡＣＤ　最大５ｃｒｎ　持続性の逆流の問題、現用のＡＣＤに侵る所なし。Cathode tilt: 15° max. Change in anode immersion depth from one end to the other is excessive ACD max 5 crn Persistent reflux problem, no problem with current ACD.

戻夛流路流れ　乱　流　Ａｚ２ｏ３の浴解率を大きくする。Return flow channel flow Turbulent flow Increase the bath dissolution rate of Az2o3.

尺するための実用性の考慮。パラメータ範囲の一組がＢＦＬ　１２２ｃｒＲ，お よびＢＦＷ　６１　ｃＭの水モデルについて、第４表に示でれる。対応する開業 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。Practical considerations for measuring. One set of parameter ranges is BFL 122crR, and BFW of 61 cM are shown in Table 4 for the water model. Corresponding opening Parameters for a commercial scale aluminum reduction furnace are shown in Table 5.

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図に示きれる陽極がら中央ガス抜き（２）を除い たもので、この場合、気泡流れ長−ｇ　（ＢＩＰＬ）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豹１２２ｅＨ１ ）をもたらす。The criteria of the invention apply to several types of furnaces, as shown in FIGS. 1-7. be able to. In particular, the furnace consists of an anode that spans the width of the furnace as one continuum. You can also do it. An example of this anode is shown in Figure 2, with the exception of the central vent (2). In this case, the bubble flow length -g (BIPL) is approximately equal to the entire width of the anode. stomach. This type of furnace design is suitable for narrow furnace widths (anode width 122eH1 in the most desirable case). ).

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初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する恐れのろるＡＣＤすき開門の過度の気泡の蓄積を 防ぐために、第　４　衣 ＡＣＤ（ｃｒｎ）　１．０〜５．Ｏｔ５〜４．０　２．０〜３．０　：２．５陰 極傾斜（０）２〜１５　５〜１０　７〜９８Ｒｆ（１０−智）　２６０〜０．２ ０　２０．０〜ｉ、０　１０．０〜５．０　６．２陽極室流密度　１．２〜３゜ ＯＡＺｃ１ｎ２ＡＣＤ（ｃｒｎ）　１．０〜５．０　１．５〜４．０　２．０〜 ３．０　２．５陰極傾＠（’）　２〜１５　４〜１０　５〜８６Ｒｆ（１０ジ／ ｉ）　２３０〜０．２０　２０．０〜１．Ｑ　１０．０〜５．０　６．２第　５ 　表 ＢＦＬ（α）　１５〜３００　３０〜２５０　６０〜２００　１２２ＡＣＤ（α ）　１０〜５．０　１．５〜４．０　２．０〜３．０　２．５陰極傾斜（０）２ 〜１５　５〜１０　６〜８８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、よシ実際的な炉幅でおる、約２４４０とな るであろう。Another type of furnace is the one shown in Figure 2, which includes a central vent (2) in the design. That's probably why. The central vent removes air that collects under the first half of the anode that the bath flow crosses. Drain the foam. In this case, the BFL is defined as half the overall width of the anode. Voltage Prevents excessive air bubble build-up in ACD plows that can increase losses and reduce current efficiency. In order to prevent ACD (crn) 1.0-5. Ot5~4.0 2.0~3.0: 2.5 shade Polar slope (0) 2-15 5-10 7-98Rf (10-chi) 260-0.2 0 20.0~i, 0 10.0~5.0 6.2 Anode chamber flow density 1.2~3° OAZc1n2ACD (crn) 1.0~5.0 1.5~4.0 2.0~ 3.0 2.5 Cathode tilt @ (') 2~15 4~10 5~86Rf (10 di/ i) 230-0.20 20.0-1. Q　10.0～5.0　6.2　5th table BFL (α) 15-300 30-250 60-200 122ACD (α ) 10~5.0 1.5~4.0 2.0~3.0 2.5 Cathode tilt (0) 2 〜15　5〜10　6〜88 It is necessary to exhaust the anode gas. In this type of furnace, The most desirable overall working anode width is approximately 2440 mm, which is the most practical furnace width. There will be.

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 おいて運転て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１ｔ’ｂ 当シ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 においで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 積し太きく生畏する。よって、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 ）を減少きせる。たとえば、陽極電流密度を１．　ＯＡ　／ｃＭ２から２．ＯＡ Ｚの２に増すと、望ましいＢＦＬを１２２０から６１箇に減じなければならない 。逆■形陰極炉で、低い陽極電流密度に望ましい炉設計は第１図に示妊れる。In commercial furnaces, the highest possible anode current density can be achieved without loss of current efficiency. (capital and manufactured aluminum 1 t’b) (To minimize our labor costs). Low ACD values used in “falling cathode” furnaces These high current densities are advantageous in helping maintain the heat balance of the furnace. . However, at high anodic current densities, gas bubbles accumulate faster than at lower current densities. I am deeply in awe. Therefore, in order to reduce the deleterious effects of air bubble accumulation within the ACD, , the desired BFL (anode dimension in the direction of bubble flow) is proportional to the increase in anode current density. ) decreases. For example, the anode current density is set to 1. OA/cM2 to 2. OA When increasing Z to 2, the desired BFL must be reduced from 1220 to 61 points. . The preferred furnace design for low anode current densities in an inverted cathode furnace is shown in Figure 1.

よシ高い陽極電流密度（ｆｌ　１．３　Ａ　／　ｃｍ２よシ高い）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そとして、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。Desired for higher anode current densities (higher than fl 1.3 A/cm2) To increase the overall working anode width, the concept of a single vent to exhaust the anode gas can be expanded. The width of the anode can be further increased by using a plurality of gas vents. Gas vent is adjacent 1 between the anode body or at appropriate intervals through the anode body. It can be present as a row of holes.

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ｐ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。１　ｆｔ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 の外側にそって配置されることになるでおろう。Yet another approach is to use a reactor design typified by the design shown in Figure 1. That is. In this case, the central flow, channel is used as a gas vent and also as a buffer exiting the ACD gap. It serves multiple purposes, including as an upper channel for transporting gas to the return p-channel. In this case, BFL is Defined as half of the overall operating anode width, it is more practical for sized commercial furnaces. produce. A 1 ft. central metal collection trough or catcher is provided and the anode slope shown in FIG. It turns out that it is also possible to reverse. In the latter case, as shown in Figure 4, the upper flow path is connected to the furnace. It will probably be placed along the outside of the

これらの炉設計概念をｍ１合せて、バスおよび／″または金属の流れにより連結 き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ットを 含む単一空洞の炉とすることも可能である。These furnace design concepts can be combined by m1 and connected by a bus and/or metal flow. A multi-element furnace consisting of a large number of furnaces, or adjacent multiple units of the above furnaces. It is also possible to have a single-cavity furnace containing

かかる炉設計の全てにおいて、戻ｐ流路の寸法は例１に示された教示に従って計 算される。最初の段階は設計でれる炉の規模にもとづき、所按のバス流Ｑを選足 し、つぎに作成式れた関係式を用いて適切な流れ抵抗の項Ｒｆ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、一群の望ブしい戻り通路設 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 力学的に同等の戻シ流路設計の一つを選定する。この戻シ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でれる。In all such furnace designs, the dimensions of the return p-channel are measured according to the teachings given in Example 1. calculated. The first step is to select the appropriate bus flow Q based on the scale of the furnace that can be designed. Then, by determining the appropriate flow resistance term Rf using the created relational expression, be. The head loss formula is then applied under specified conditions to determine a set of desired return passage designs. Calculate total options. The water is then adjusted using heat balance and other furnace design and operating criteria. Select one of the mechanically equivalent return flow path designs. The final selection of this return flow path design is This is determined by taking into account the effect on the critical bus flow.

例５−流下陰極実験炉 傾斜ＴｌＢ２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 、開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。Example 5 - Falling cathode experimental furnace Test data from a laboratory-scale aluminum reduction furnace with a tilted TlB2 cathode is , demonstrated the effectiveness of using a water model to simulate the fluid dynamics of a commercial aluminum reduction reactor. are doing.

約６００ｚｂ（２７３に９）の氷晶石バスを満たし’ｆＣ６１５１Ｘ１２２α× 深さ約４６３のグラファイト箱が密閉された電気炉の中で加熱された。いったん パスが溶融した後は、炉頂の充填口を通して試験用陰極および陽極が下るはれ、 第１６図に示される氷晶石バスの中に配置きれた。ｐ、ｔ２ｏ５自動供給および 陽極降下装置によシ、陽極交換のための中断なしに３週間に及ぶ連Ｆｉ電解試験 が可能であった。Fills a cryolite bath of about 600zb (273 to 9)’fC6151X122α× A graphite box approximately 46 mm deep was heated in a closed electric furnace. Once After the pass is melted, the test cathode and anode are lowered through the filling port at the top of the furnace. It was placed in the cryolite bath shown in Figure 16. p, t2o5 automatic supply and Continuous Fi electrolysis test for 3 weeks without interruption for anode replacement using anode drop equipment was possible.

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った。第１６図に示でれる陽極面の不均 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）では気泡は伐く遅くて不規則に運動する傾向が あシ、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＃極面にそって上方に動くにつれ、速さを増し陽極面に そって、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 領域に示きれるように陽極炭素の、よシ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察されるパターンに一致する 。Under all electrolytic conditions, the initial tilt of the lower anode plane (usually horizontal) is 1 to 5 days. After the electrolysis in between, the slope of the cathode surface directly below changed. Unevenness of the anode surface shown in Figure 16 The uniformity corresponds to the behavior of bubbles seen in water models. Starting edge of anode surface in water model (corresponding to area A in Figure 16), the bubbles tend to move slowly and irregularly. The reeds and anode surface are covered very unevenly. This leads to uneven consumption of anode carbon. will occur. As the bubble moves upward along the #polar surface, it gains speed and moves toward the anode surface. This results in a more uniform flow. The electrolysis in this flow state is C in Figure 16. This results in a fairly uniform consumption of anode carbon as shown in the area. Experimental electrolysis during operation Visual observation of the flow pattern in the furnace matches the pattern observed in the water model .

例６−を解試験テータ 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ＴｌＢ２陰極を３０深さのアルミニウム床と交換することによ シ得られた。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ＴｌＢ２　陰極と交換することによシ得られる炉電圧ノイズの劇市な減少 を示す。炉電圧ノイズの減少（例：４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。Example 6 - Solve the exam data In the experimental electrolytic reactor described in Example 5, the relationship between current density, ACD value and cathode tilt is Furnace voltage data was measured as a number. The reference voltage of the conventional metal bed cathode is By replacing the tilted TlB2 cathode of the experimental electrolytic reactor with a 30-deep aluminum bed. I got it. Figure 17 shows an unstable horizontal aluminum bed in an aluminum reduction furnace. Significant reduction in furnace voltage noise obtained by replacing TlB2 with a graded TlB2 cathode shows. In addition to reducing furnace voltage noise (e.g., improving stability), the falling cathode experimental reactor It showed the following characteristics.

１）流下陽極炉の実験炉電圧の線図は第１７図の如く、不充分なパス流から生ず る陽極効果、１′ｆｃ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Ａ ＣＤ値において（例：２ｔＭ未満）、従来の炉電圧制＃糸（陽極の上げ下げ（（ よる）に金属床陰極試験を竹うために着しい運転者の介入を必要としたが、傾斜 ＴｌＢ２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った。1) The experimental reactor voltage diagram for the falling anode reactor is shown in Figure 17, which shows that it is caused by insufficient pass flow. 1'fc is the result of turbulence in the metal bed (this is a result of bubble thickness and excessive backflow). ) does not show any peaks caused by short circuits between the anode and cathode. low A At the CD value (e.g. less than 2tM), the conventional furnace voltage control # thread (raising and lowering the anode (( The metal floor cathode test (according to TlB2 cathodic testing required little or no driver intervention.

２）１筋未満のＡＣＤにて安定な傾斜陰他試迎転が為された０ 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。2) A stable slope trial turn was made with an ACD of less than one line. 3) The reactance of the furnace to changes in current density or ACD is rapid and decisive.

新らたな定常状態の炉電圧は、金属床陽極に必値な１５〜６０分の再安定時間に 比較して、ｆＪ１分間以内に達ａでれた。それにょ９、より単純で信頼性のある 炉オートメーション技法が使えることになる。The new steady state furnace voltage reduces the required 15-60 minute restabilization time for metal bed anodes. In comparison, fJ was achieved within 1 minute. Besides, it is simpler and more reliable. Furnace automation techniques can be used.

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って行われた。4) Air bubble evacuation from the anode surface was performed primarily along the top edge of the inclined anode surface.

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つの縁全部をめぐっ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 って集中するようになった。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Ｏ 炉の安定性の向上の他に、「流下陰極」の使用によシ陽惚・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シ笑証された。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・諭極極性化電圧を示す。望瞥しい 陰極傾斜８°において、陽極・陰極極性化電圧の朽４５％の低減、またはＡＣＤ の減少によって達成される値に加うるにｉＪｏ、２２Ｖの炉電圧の節づが得られ 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 献中に報告てれてい々い。When an anode with a horizontal surface is placed in a furnace with an inclined cathode, the anode gas bubbles The initial exhaust was distributed arbitrarily around all four edges of the anode face. Electrolysis progresses Then, the anode surface begins to match the cathode slope and the gas bubbles are exhausted to the top edge of the sloped anode surface. I started to concentrate. During tests using a metal bed cathode, the O where only gas bubble exhaust was observed In addition to improving furnace stability, the use of a "falling cathode" also reduces cathode polarization voltage. Electrolytic tests have demonstrated that a significant reduction can be achieved. Figure 18 shows an experimental electrolysis furnace. Figure 3 shows the measured anodic and anodic polarization voltages as a function of TiB2 cathode tilt. It's promising At 8° cathode tilt, 45% reduction in anode/cathode polarization voltage, or ACD In addition to the value achieved by the reduction of iJo, a reduction in furnace voltage of 22V is obtained. Experimental data shows that. To this day, the advantages of this “falling cathode” furnace are unparalleled. Thank you very much for reporting during the dedication.

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図を参服）は攪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、集中極性化電圧はパス速度の自乗根 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。As the bath flow rate was increased, a decrease in the polarization voltage was observed (as shown in Figure 18). (See Figure 12 which shows an example of flow rate as a function of slope) in an agitated or fluidized system. This is consistent with electrochemical theory. In the laminar flow regime, the lumped polarization voltage is the square root of the pass velocity. is proportional to. The measured voltage in Figure 18 does not increase as the cathode tilt increases as expected for laminar flow. does not decrease.

このことは、ＡＣＤ内のバス状態が、バス泥倉に対して集中極性化電圧がそれほ ど敏感に変化しな−い遷移または乱流領域にらることを意味する。水モデル・デ ータは午の仮説を裏付ける。This means that the bus state within the ACD is such that the concentrated polarization voltage is It means to be in a transition or turbulent region that does not change sensitively. water model de The data confirms the horse hypothesis.

傾斜ＴｌＢ２ｌＢ２陰極層実験データは、水平金属床陽極炉に比して、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 動子の向上および陽極効果の低減）、ＡＣ，Ｄ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ョン化を行 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１８図 で５・より大きな陰極傾斜における陽極・陽極他件化電圧曲庫の漸近線部分は水 モデル研究において示さ力、た望ましい陰極傾斜範囲と一致する。The tilted TlB2lB2 cathode layer experimental data shows that the narrowed TlB2lB2 cathode layer compared to the horizontal metal bed anode furnace Increased furnace stability at ACD values (i.e. reduced furnace voltage values) (e.g. current (increased kinetics and reduced anode effect), improved furnace response to changes in AC, D and current. improved responsiveness (e.g., simpler and more reliable automation of furnace controls) ) and a reduction in the anodic and cathodic polarization voltages. Figure 18 5. The asymptotes of the anode/anode alteration voltage curve at larger cathode inclinations are water The forces shown in the model study are consistent with the desired cathode tilt range.

本発明の前記記載は当業者によシ柚々の盆形、変更および改造が可能であや、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。The foregoing description of the invention has been described in detail by those skilled in the art. It is clear that the invention is considered to be within the scope of the invention as set forth in the appended claims. be.

ＦＩＧ、　７ ＦＩＧ、　３ ＦＩＧ、５ ＦＩＧ、　６ ＦＩＧ、　７ ＦＩＧ、８ ＦＩＧ、　９　（０） ＦＩＧ、　９（ｂ） ＦＩＧ、　９（Ｃ） ＦＩＧ、　９　（ｄ） バスミ泥 ＦＩＧ、　１０　陰格碌斜（度）ＦＩＧ、　１１陀極＠奪千　（／Ｌ） ＦＩＧ、１２ 也・トス九 ＦＩＧ、　７３ ＦＩＧ、１５ ＦＩＧ、７６ 平内庁仁　水平ア１１１．つ、、床体、ＦＩＧ、７７ ブレ雷ご博らＬイー（〔４トヨ５　（Ａ）ＦＩＧ、７８ 手　続　ネ甫　正　書（方式） 昭和６０年　２月８日 特許庁長官　殿 １　事件の表示 国際出願番号　ＰＣＴ／ＵＳ８４．１０００７５２　発明の名称 バス流誘起による省エネルギ型アルミニウム還元炉３　補正をづる者 事件との関係　特許出願人 名　称　マーヂン・マリエツタ・コーポレーション４代理人 住　所　東京都千代田区永［（］ｆｆ１Ｊ１丁目１１番２８号相互第１０ビルデ ィング８階　電話　５８１−９３７１６　補正の対象 タイプ印書により浄書した明細書及び請求の範囲の翻訳文国際調査報告 第１頁の続き ［株］発明者　グリーン、ジョン・エイ・ニス＠発明者　トロゴツト、ステイブ ン・シーアメリカ合衆国メリーランド州２１０４３エリコツト・シティ、タステ イン・ロード　３７１２ アメリカ合衆国メリーランド州２１０５７グレン・アーム、オールド・キャリッ ジ・ロード　１１２１９FIG. 7 FIG.3 FIG.5 FIG. 6 FIG. 7 FIG.8 FIG. 9 (0) FIG. 9(b) FIG.9(C) FIG.9(d) basmi mud FIG, 10 yin grade (degree) FIG, 11 陀技｜ｲｲｲ (/L) FIG. 12 Also Toss 9 FIG. 73 FIG. 15 FIG. 76 Hiranaichojin horizontal a111. 1,,floor body,FIG,77 Bure Raigo Hiroshi L E ([4 TOYO5 (A) FIG, 78 Manual (method) February 8, 1985 Commissioner of the Patent Office 1 Display of incident International application number PCT/US84.1000752 Title of the invention Energy-saving aluminum reduction furnace by bath flow induction 3: Person who makes corrections Relationship to the incident: Patent applicant Name: Margin Marietta Corporation 4 Agent Address: Nagai [(]ff1J1-11-28 Mutual Building No. 10, Chiyoda-ku, Tokyo) 8th floor phone number 581-93716 Target of correction Translated international search report of the specification and claims, typewritten Continuation of page 1 [Inventor] Green, John A. Nis @ Inventor Trogot, Stave Taste, Ellicott City, Maryland, United States 21043 In Road 3712 Old Carriage, Glen Arm, Maryland, USA 21057 The Road 11219

Claims (1)

【特許請求の範囲】 １　電解液戻シ流の抵抗Ｒｆが約０．４　／、１１１４未満である、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炉。 ２、水平線から６２〜１５°の角度に傾斜したアルミニウム濡れ性陰極面を含み 、約１〜５ａｎの陽極・陰極間隔を有する、請求の範Ｓ　ｇ　ｑ頓に記載の炉。 ３、　前記アルミニウム濡れ性隘極面が耐火性硬質材を含んでいる、請求の範囲 第２項に記載の炉。 ４、　前記耐火性硬質材料が２硼化チタンである、請求の範囲第３駒に記載の炉 。 ５、　前記Ｒｆが糺３　Ｘ　１０−２〜未満でめる、請求の範囲第２項に記載の 炉。 ６、　陽極・陰極間隔が釣ｔ５〜４のである、請求の範囲第５項に記載の炉。 Ｚ　前記Ｒｆが約３　Ｘ　ｉ　（］−’／ｍ４未満である、請求の範囲第氷晶石 バスが陽極・陰極間すき間を通って流れる時のバス中のアルミナ濃度の重量パー セント消費量を衣わす△アルミナが５未満の値を有し、Ｆ’ｌｌ流が純１００キ ロアンペアを超え、Ｒｆ（モデル）の値が約２３０Ｘ　１０−５／３４であると して、計算でれた電解液戻り流の抵抗Ｒでが’１５　Ｄ、　４　／ｃｍ’未満で あることを特徴とする、氷晶石バス中でアルミナを電解還元する炉。 濡れ性陰極面を含み、陽極・陰極間隔が約１〜５個である、請求の範囲第８項に 記載の炉。 １０、前記アルミニウム濡れ性陰極面が耐火性硬質材料を含んでいる、請求の範 囲第９項に記載の炉。 １１、前記耐火性硬質材料が２硼化チタンである、請求の範囲第１０項に記載の 炉。 １２、前記Ｒｆが約５　Ｘ　Ｉ　Ｑ−２７ｏ＋＋’未満である、請求の範囲第１ １項に記載の炉。 １３、前記陽極・陰極間隔が約１．５〜４Ｉ２＋でおる、請求の範囲第１２項に 記載の炉。 １４、前記Ｒｆが約３　Ｘ　１０−６／ｃ＋＋＋’未満である、請求の範囲第１ ３項に記載の炉。 １５、アルミニウム濡れ性陰極面が水平線から、刺２〜１５゜の角度に傾斜して おシ、Ｖ４ｉｊ極・陰極間隔が釣１〜５０であシ、電解液の戻シ流路の数がｎ個 であり、Ｗは該戻シ流路の幅（σ）で必シ、Ｌは芸戻シ流路の長さく−）でｈｕ 、ｈは任意の点におけるバス深は（ｃｙｎ）であってり。が最少陽極浸漬深き、 ｘが上方流路からの測定距離、そしてｌが水平線からの陰極の傾斜角（０）であ るとした時に関係式ｈ＝ｈ０＋＝（θ１ｎφによシ計算される値として、式　’ ２　×佳ｕＲ匹の値が［］、４／ａ４未満となるように１前記戻シ流路のパラメ ータｈ１Ｗ１およびＬの寸法が決められることを特徴とする、氷晶石バス中でア ルミナのＴＬ解によｐアルミニウムを電解製造するための炉。 １６．前記陰極面が耐火性硬質材料を含み、約５〜１０°の角度に傾斜しておシ 、前記陽極・陰極間隔が約１５〜４．０備でるる、請求の範囲第１５項に記載の 炉。 １Ｚ　前記陰＆面がＴｌＢ２を含み、約６〜８°の角度に傾斜しておシ、前記陽 極・陰極間隔が約２〜３ｃＩＲである、請求の範囲第１６項に記載の炉。 １８６耐火性硬質材料を含む陰極面が水平線から約２〜１５゜の角度に傾斜し、 陽極・陰極間隔が約１〜５０でら多、前記陽極・陰極間隔が、陽極ガス気泡厚さ を該陽極・陰極間隔の５０％未満に制限するように寸法法めされ、かつ関連付け られること、を特徴とする、アルミナをアルミニウムに還元するための電解炉。 １９　前記陽極・陰極間隔がＩＦｌｌ、５〜４のである、請求の範囲第１８項に 記載の炉。 浄書（Ｐがギ※こ変更なし）[Claims] 1 A cryolite bath in which the electrolyte return flow resistance Rf is less than about 0.4/1114 A furnace that electrolytically reduces alumina to aluminum. 2. Contains an aluminum wettable cathode surface tilted at an angle of 62 to 15 degrees from the horizontal. , an anode-to-cathode spacing of about 1 to 5 ann. 3. The scope of the claim, wherein the aluminum wettable pole surface includes a refractory hard material. Furnace according to paragraph 2. 4. The furnace according to claim 3, wherein the refractory hard material is titanium diboride. . 5. The method according to claim 2, wherein the Rf is less than 3 x 10-2. Furnace. 6. The furnace according to claim 5, wherein the anode-cathode spacing is t5-4. Z Claimed cryolite, wherein the Rf is less than about 3Xi(]-'/m4 Weight percentage of alumina concentration in the bath as it flows through the anode-cathode gap △ Alumina that affects the cent consumption has a value of less than 5, and the F'll flow is pure 100 kg. If the value of Rf (model) is approximately 230X 10-5/34, If the calculated resistance R of the electrolyte return flow is less than '15 D, 4/cm', A furnace for electrolytic reduction of alumina in a cryolite bath, characterized in that: Claim 8 includes a wettable cathode surface and has an anode-cathode spacing of about 1 to 5. Furnace mentioned. 10. Claim wherein the aluminum wettable cathode surface comprises a refractory hard material. 9. The furnace according to paragraph 9. 11. The refractory hard material according to claim 10, wherein the refractory hard material is titanium diboride. Furnace. 12. Claim 1, wherein the Rf is less than about 5XIQ-27o++' Furnace according to item 1. 13. According to claim 12, wherein the anode-cathode spacing is about 1.5 to 4I2+. Furnace mentioned. 14. Claim 1, wherein the Rf is less than about 3 x 10-6/c+++' The furnace according to item 3. 15. The aluminum wettable cathode surface is tilted at an angle of 2 to 15 degrees from the horizontal line. The distance between the V4ij electrode and cathode is 1 to 50, and the number of electrolyte return channels is n. , W is the width (σ) of the return flow path, L is the length of the return flow path (-), and hu , h is the bus depth at any point (cyn). is the minimum anode immersion depth, x is the measured distance from the upper channel and l is the angle of inclination of the cathode from the horizontal (0). Assuming that, the value calculated by the relational expression h=h0+=(θ1nφ, the expression 1 Parameters of the return flow path so that the value of 2 × uR is less than [], 4/a4. in a cryolite bath, characterized in that the dimensions of the data h1W1 and L are determined. A furnace for electrolytically producing p-aluminum using Lumina's TL solution. 16. The cathode surface includes a refractory hard material and is inclined at an angle of about 5 to 10 degrees. , wherein the anode-cathode spacing is about 15 to 4.0. Furnace. 1Z The negative & surface includes TlB2 and is inclined at an angle of about 6 to 8 degrees, and the positive 17. The furnace of claim 16, wherein the pole-to-cathode spacing is about 2-3 cIR. the cathode surface comprising the 186 refractory hard material is inclined at an angle of about 2 to 15 degrees from the horizontal; The distance between the anode and the cathode is about 1 to 50, and the distance between the anode and the cathode is the thickness of the anode gas bubble. dimensioned and associated to limit the anode-cathode spacing to less than 50% of the anode-cathode spacing An electrolytic furnace for reducing alumina to aluminum, characterized by: 19. Claim 18, wherein the anode-cathode spacing is IFll, 5 to 4. Furnace mentioned. Engraving (P gagi *no change)