JP3811591B2 - 金属製造用電解装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば金属ハロゲン化物溶融塩を電気分解して金属を製造する金属製造用電解装置ににおける電解槽シール構造に係り、特に、電解槽内への大気の侵入を抑制する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえばマグネシウムハロゲン化物から金属マグネシウムを製造する場合には、マグネシウムハロゲン化物を金属マグネシウムの融点である６７０℃よりも高い７００℃前後の温度に溶解し、これを電解槽に注入してその内部に設けた陽極および陰極間に直流電流を通電することにより、陽極にハロゲンガス、陰極に金属マグネシウムを生成する。そして、ハロゲンガスが電解浴中を上昇することにより電解浴に対流が生じ、生成した金属マグネシウムはその対流に伴って電解槽の隔壁で仕切られた収集室に移動する。収集室に移動した金属マグネシウムは電解浴よりも比重が小さいために表面に浮揚し、一方上昇したハロゲンガスは電解槽の上部に接続したダクトから他工程へ向けて吸引される。また、電解浴の上面に浮揚した金属マグネシウムは、電解槽の天井部に取り付けられた蓋を外して取り出され回収される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、陽極は、大型のものを作製するのが困難なため複数のカーボン板を互いに密着させた構造とされているが、それらの密着面どうしの間からも大気が侵入する。このようにして電解槽内に侵入した大気により、生成した金属マグネシウムなどの金属が酸化され汚染されるという問題があった。特に、クロール法によるチタンの製造において、より高純度のチタンを得るためには、より高純度のマグネシウムを用いる必要がある。さらに、一般に陽極にはグラファイトなどの材料が用いられるため、大気あるいは大気中の水分により酸化されてしまい、断面積が減少して抵抗損失が増大するばかりでなく、場合によっては陽極の落下事故につながる危険性もあった。このため、陽極を頻繁に交換しなければならず、上記のような大気の侵入を防止し、効率の良い金属製造用電解装置の開発が望まれていた。
【０００４】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、電解槽への大気の侵入を簡単かつ有効に防止することができ、製造する金属の酸化による汚染や電極の酸化による劣化を抑制することができる金属製造用電解装置を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の金属製造用電解装置は、溶融塩浴を貯留する電解槽に、この電解槽の天井部を貫通して内部に突出させられた電極を備えた金属製造用電解装置において、電極を水平方向に互いに密着して並設された複数の板材で構成し、板材どうしの密着部の上端部から下方へ向けて延在する切欠部を設け、この切欠部に粉末を充填したことを特徴としている。このような金属製造用電解装置にあっては、電極の板材どうしの間隙から大気が侵入しようとした際に、粉末が抵抗となって侵入を抑制ないし防止する。
【０００７】
本発明で用いられる粉末としては、溶融塩浴の少なくとも一部を構成するものを用いることができる。たとえば、金属マグネシウムを製造する場合には、溶融塩浴としての塩化マグネシウムやフッ化マグネシウム、あるいは添加剤としてのフッ化カルシウム、塩化カルシウム、塩化ナトリウムなどの粉末を用いることができる。このような粉末を用いることにより、粉末が電解槽に落下したときの溶融塩浴の汚染を防止することができ、結果として製造する金属の汚染を防止することができる。なお、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３などのセラミックス粉末も使用することができる。
【０００８】
粉末を間隙に設けるには任意の手段を採用することができ、たとえば、間隙の入口である蓋の周囲の電解槽との隅部に、粉末を隅肉溶接のように盛り付けても良い。粉末の平均粒径は、０．１〜１．０ｍｍであることが望ましい。粉末の平均粒径が１．０ｍｍを超えると、粉末粒子どうしの間隙が大きいためにシール効果が得られなくなり、粉末の平均粒径が０．１ｍｍ未満であると取扱い性が悪くなる。なお、取扱い性を改善するために、粉末を水などの溶剤と混合してスラリー状あるいは粘土状にすることもできる。また、例えば、粒径の異なる同種あるいは異種の粉末を混合して用いることも粉末の充填密度を高めシール性を向上させる上で好ましい態様である。具体的には、ＣａＦ_２とＮａＣｌを１：１〜１：３の割合で用いることにより、気密性の高い粉体シールを行うことができる。
【００１１】
ここで、上記構成の金属製造用電解装置では、切欠部の下端部は電解槽の天井部の内部まで延在していることが望ましい。このように構成することにより、粉末は切欠部と天井部とで囲われた空間に充填された状態となるから、粉末の電解浴への落下を防止することができるとともに、粉末を突き固めるなど充填密度を上げてシール性を向上させることもできる。
【００１２】
切欠部の形状は任意であり、側面視でＶ字状、Ｕ字状、矩形状などやこれらの形状を組み合わせたものを採用することができる。切欠部の側面視形状をＶ字状とする場合には、Ｖ字面どうしのなす角度は３０〜４５゜が望ましい。また、切欠部の側面視形状をＵ字状や矩形状とする場合には、その幅は１０〜３０ｍｍにすることが望ましい。切欠部の幅が１０ｍｍ未満では、切欠部に粉末を充填するのが困難となり、３０ｍｍを超えると粉末が落下し易くなる。また、切欠部の幅に対する深さの比は、５〜１０が好ましい。その比が小さすぎると粉末充填部が浅くなってシール効果が低下してしまい、逆に、大きすぎると粉末の充填率が切欠部の下端部で低下してシール効果が働かなくなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
Ａ．実施形態の構成
次に、図１〜図３を参照して本発明の実施の形態を説明する。まず、実施形態の金属製造用電解装置の全体構成について説明し、次いで本実施形態の特徴部分である電解槽シール構造について説明する。
図１は本発明の実施形態に係る密閉型の電解槽の縦断面図、図２は図１のII−II線矢視図である。これら図中、符合Ｍは例えばマグネシウムハロゲン化物を主体とする電解浴（溶融塩浴）、１は電解浴が貯留される槽本体（電解槽）である。槽本体１は、鉄製の外板２と、外板２にライニングされた断熱レンガ層３および耐火レンガ層４とによって直方体状に形成されたもので、天井部５を備えている。図１に示すように、槽本体１の内部は、対面する１組の側壁（図２の符合６）にわたって設けられた第１の隔壁７と第２の隔壁８とにより、電解室９、金属収集室（収集室）１０および中間室１１に仕切られている。なお、天井部５は槽本体１の上側全面を覆ってはおらず、金属収集室１０に対応する部分に開口１２が形成されている。
【００１４】
第１の隔壁７の上端は電解浴Ｍの表面を越え、かつ、その上端と天井部５との間には間隙が形成されている。第１の隔壁７の上部であって電解浴Ｍ表面よりも下方には、両室９，１１を連通させる複数の上側循環口１４が、横方向に間隔をおいて形成されている。また、第１の隔壁７の下端７ａは槽本体１の底には達しておらず、両室９，１１間では、第１の隔壁７と底との間が下側循環口１５とされている。第１の隔壁７と槽本体１によって画成される電解室９内の電解浴Ｍには、複数の陽極１６および陰極１７が挿入されている。陽極１６はグラファイト製、陰極１７は鉄製であり、この場合、複数の陽極１６が天井部５から等間隔かつ互いに平行に挿入され、これら陽極１６間に、槽本体１の側壁６から陰極１７が挿入されている。
【００１５】
一方、第２の隔壁８は、第１の隔壁７との間に中間室１１を隔てて金属収集室１０側に設けられている。第２の隔壁８は、天井部５の金属収集室１０に臨む端部から垂下しており、その下端は、第１の隔壁７の上側循環口１４を所定長さ下回った位置に留められている。金属収集室１０の上方の開口１２は、着脱可能な断熱レンガ製の蓋１３により密閉される。電解浴Ｍ表面から天井部５の間であって、電解室９上部より隙間を経て中間室１１上部にわたる連続した空間がガス収集室１８とされている。このガス収集室１８には図示しないダクトが接続され、ガスは、ポンプなどの強制排気手段によってダクトを通して別工程へ送られるようになっている。
【００１６】
次に本実施形態の特徴部分について説明する。まず、蓋１３の周囲の全周には、粉末Ｐが盛りつけられている。粉末Ｐには、電解浴Ｍの原料の一部と同じ粉末が用いられている。たとえば、フッ化カルシウムと精製食塩とを重量比で１：２とした粒径が０．５〜０．９ｍｍの混合粉末が用いられる。また、陽極１６は、図３に示すように、複数の板材１６ａ，１６ｂ，１６ｃを幅方向に密着させ、それらの両面上端部をアーム２０に取り付けて構成されている。なお、図中符号２１は隣接する板材１６ａ，１６ｂ，１６ｃを連結するホゾ部材である。
【００１７】
図３（Ａ）に示すように、互いに隣接する板材１６ａ，１６ｂ，１６ｃどうしの密着部には、その上端縁から天井部５の中程まで延在する切欠２２が形成されている。切欠２２は矩形状をなし、板材１６ａ，１６ｂ，１６ｃどうしを組み付ける前に予め形成されている。そして、切欠２２の内部には、上記と同じ粉末Ｐが充填されている。また、陽極１６の周囲にも粉末Ｐが盛りつけられている。なお、切欠２２への粉末Ｐの充填は、陽極１６を天井部５に取り付けた後に切欠２２の上端開口部から粉末Ｐを落下させて行われる。
【００１８】
Ｂ．実施形態の作用
次に、上記構成の金属製造用電解装置の作用について説明する。まず、例えばＭｇＣｌ_２、ＣａＣｌ_２、ＮａＣｌ_２、ＭｇＦ_２をそれぞれ重量比で２０％、３０％、４９％、１％づつ含有する電解浴Ｍを第１の隔壁７の上側循環口１４の上部まで注入し、陽極１６と陰極１７との間に直流電流を通電する。これにより、陽極１６面にはＣｌ_２ガスが発生し、陰極１７面にはＭｇが生成する。陽極１６面に発生したＣｌ_２ガスは電解浴Ｍ中を上昇し、電解浴Ｍの循環流を生じさせる。陰極１７面に生成した溶融Ｍｇも電解浴Ｍの循環流に乗って上昇し、上部循環口１４を通って中間室１１に流入する。循環流が電解浴Ｍの表面に達するとそれに内包されたＣｌ_２ガスの大部分はガス収集室１８に放出され、そこに接続されたダクトによって別工程に強制的に移送される。
【００１９】
中間室１１に流入した循環流は、そこで残りのＣｌ_２ガスを放出し、第２の隔壁８の下端部をくぐって金属収集室１０に達する。ここで循環流の流れは減速され、電解浴Ｍよりも比重の小さい溶融Ｍｇ粒（比重：１．５５）は、電解浴Ｍ（比重１．７５）中を浮上して電解浴Ｍ表面に溶融Ｍｇ層を形成する。一方、溶融Ｍｇ粒子を分離した電解浴Ｍは金属収集室１０を下降し、第１の隔壁７の下端部７ａをくぐって電解質９に戻って上記のような循環を繰り返す。
【００２０】
ここで、ガス収集室１８ではＣｌ_２ガスが強制排気されるから、ガス収集室１１の内部は負圧となる。このため、外部の大気が陽極１６と天井部５との間の間隙、陽極１６の板材１６ａ，１６ｂ，１６ｃどうしの間隙、および蓋１３と天井部５との間の間隙から内部に侵入しようとする。しかしながら、それらの間隙の入り口には粉末Ｐが設けられているため、大気の侵入が抑制ないし阻止され、溶融Ｍｇや陽極１６の酸化が抑制ないし防止される。
【００２１】
特に、上記実施の形態では、切欠２２が天井部５の中程で止まっているため、粉末Ｐが電解浴Ｍに落下せず、また、粉末Ｐを適宜突き固めることでシール性を高めることができるという利点がある。さらに、粉末Ｐが電解浴Ｍと同じ組成であるため、粉末Ｐが電解浴Ｍ中に落下しても汚染にはならないという利点もある。
【００２２】
【実施例】
上記金属製造用電解装置に粉末ＰとしてＣａＦ_２とＮａＣｌを重量比１：２で混合した粉末を用い、溶融塩浴からＭｇを製造したところ、その際の電流効率は７５％であった。比較のために、粉末Ｐを一切設けない状態でＭｇを製造したところ、その際の電流効率は７０％であった。これは、本発明では陽極１６の酸化消耗が抑制され、陽極１６の抵抗の増加が抑えられたためと考えられる。また、陽極１６の寿命は１０ヶ月から１４ヶ月まで延長された。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の金属製造用電解装置によれば、大気が侵入する可能性のある間隙に粉末を設けているから、内部への大気の侵入を簡単かつ有効に抑制ないし防止することができ、したがって、金属や電極の酸化を抑制することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態の金属製造用電解装置を示す断面図である。
【図２】 図１のII−II線断面図である。
【図３】 （Ａ）は陽極の詳細を示す拡大図であり、（Ｂ）は陽極の上面図を示す（Ａ）における矢印Ｂ方向矢視である。
【符号の説明】
１…層本体（電解槽）、５…天井部、９…電解室、
１０…金属収集室（収集室）、１３…蓋、１６…陽極（電極）、
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ…板材、２２…切欠、
Ｍ…電解浴（溶融塩浴）、Ｐ…粉末。

Claims (3)

1. 溶融塩浴を貯留する電解槽に、この電解槽の天井部を貫通して内部に突出させられた電極を備えた金属製造用電解装置において、上記電極を水平方向に互いに密着して並設された複数の板材で構成し、板材どうしの密着部の上端部から下方へ向けて延在する切欠部を設け、この切欠部に粉末を充填したことを特徴とする金属製造用電解装置。
2. 前記粉末は、前記溶融塩浴の少なくとも一部を構成することを特徴とする請求項１に記載の金属製造用電解装置。
3. 前記切欠部の下端部は、前記電解槽の前記天井部の内部まで延在していることを特徴とする請求項１または２に記載の金属製造用電解装置。

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