JP2013537938A - Cathode for electrolysis cell - Google Patents

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Abstract

本発明は、アルミニウムをその酸化物から生産するための電解セル用のカソード（１）に関し、上記カソード（１）は、下面（１ｇ）を有する。本発明のカソード（１）には、電気供給のための一定の数のピン（１ｆ）が備えられ、ここで、上記ピンは、作動時に下方からカソード（１）の下面（１ｇ）に電気を供給しながら接触している。  The present invention relates to a cathode (1) for an electrolysis cell for producing aluminum from its oxide, said cathode (1) having a lower surface (1g). The cathode (1) of the present invention is provided with a certain number of pins (1f) for supplying electricity, wherein the pins conduct electricity from below to the lower surface (1g) of the cathode (1) during operation. Touching while feeding.

Description

本発明は、融解電解によってアルミニウムを生産するための電解セル用のカソードに関する。   The present invention relates to a cathode for an electrolytic cell for producing aluminum by fusion electrolysis.

アルミニウムをその酸化物から工業的に生産するために、現在、いわゆる"ホール・エルー法"が用いられている。この方法は電解プロセスであり、当該電解プロセスにおいては、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を、融解した氷晶石（Ｎａ３［ＡｌＦ６］）に溶解し、さらに、これにより得られた混合物が、電解セルの電解液として用いられる。ホール・エルー法を実施するための、このような電解セルの原理的な構造は、図１ａから１ｃに模式的に示される。ここで、図１ａは、従来のセルの断面図を示し、図１ｂは外部から見たセルの側面図を示す。図１ｃは、電解セルの斜視図を示す。 In order to industrially produce aluminum from its oxides, the so-called “Hall Eleu process” is currently used. This method is an electrolytic process. In the electrolytic process, aluminum oxide (Al 2 O 3 ) is dissolved in molten cryolite (Na 3 [AlF 6 ]), and a mixture thus obtained is dissolved. It is used as an electrolytic solution for electrolytic cells. The basic structure of such an electrolysis cell for carrying out the Hall Elue method is schematically shown in FIGS. 1a to 1c. Here, FIG. 1a shows a cross-sectional view of a conventional cell, and FIG. 1b shows a side view of the cell as seen from the outside. FIG. 1c shows a perspective view of the electrolysis cell.

参照符号１によりカソードが示され、当該カソードは、例えばグラファイト、無煙炭、またはその混合物から製造されうる。代替的に、コークスをベースとするグラファイト化されたカソードが用いられていてもよい。上記カソード１は、一般に、スチールおよび／または耐火性材料またはその類似の材料からなる枠体２にはめ込まれている。上記カソード１は、一体として構成されていてもよいし、複数のカソードブロックから構成されていてもよい。   Reference numeral 1 indicates a cathode, which can be made of, for example, graphite, anthracite, or mixtures thereof. Alternatively, a coke-based graphitized cathode may be used. The cathode 1 is generally fitted in a frame 2 made of steel and / or refractory material or similar material. The cathode 1 may be configured as a single unit or may be configured from a plurality of cathode blocks.

セルの全長を超えて、上記カソード１の中に、複数の電気供給棒３が挿入され、ここで、図１ａの断面図では、１つの電気供給棒３のみが認められる。図１ｃにおいては、カソードブロック１つにつき、例えば、２つの電気供給棒が備えられていてもよいことが示されている。上記電気供給棒は、セルに電解プロセスに必要な電流を供給するために用いられる。上記カソード１に対向して、複数の典型的には直方体のアノード４が配置される。ここで、図１ａには、２つのアノード４が模式的に示される。図１ｃは、より詳しく、電解セル中のアノードの配置を示す。当該方法の実施においては、カソード１とアノード４との間に電圧を印加することにより、氷晶石の中に溶解している酸化アルミニウムは、電流流れにより、アルミニウムイオンと酸素イオンとに解離する。そのとき、当該アルミニウムイオンは、融解アルミニウム−電気化学的には本来のカソード−の方向に移動して、そこで電子を受け取る。より大きな密度のため、液相のアルミニウム５は、酸化アルミニウムと氷晶石とからなる融解物６の下方に集まる。上記酸素イオンは、アノードにおいて酸素に還元され、当該酸素が、アノードの炭素と反応する。   A plurality of electricity supply rods 3 are inserted into the cathode 1 beyond the entire length of the cell, where only one electricity supply rod 3 is visible in the cross-sectional view of FIG. 1a. In FIG. 1c, it is shown that, for example, two electric supply rods may be provided for each cathode block. The electric supply rod is used to supply a current necessary for the electrolytic process to the cell. A plurality of typically rectangular parallelepiped anodes 4 are arranged facing the cathode 1. Here, in FIG. 1a, two anodes 4 are schematically shown. FIG. 1c shows the arrangement of the anode in the electrolysis cell in more detail. In the implementation of the method, by applying a voltage between the cathode 1 and the anode 4, the aluminum oxide dissolved in cryolite is dissociated into aluminum ions and oxygen ions by the current flow. . The aluminum ions then move in the direction of molten aluminum-electrochemically the original cathode-where they receive electrons. Due to the higher density, the liquid phase aluminum 5 collects below the melt 6 consisting of aluminum oxide and cryolite. The oxygen ions are reduced to oxygen at the anode, and the oxygen reacts with the anode carbon.

参照符号７および８により、電解プロセスに必要な電圧を提供する電源装置の負極または正極が模式的に示される。当該電圧の値は、例えば、約３．５Ｖと５Ｖとの間である。   Reference numerals 7 and 8 schematically indicate the negative or positive electrode of the power supply that provides the voltage required for the electrolysis process. The value of the voltage is, for example, between about 3.5V and 5V.

図１ｂの側面図において認められるように、上記枠体２および、従って、電解セル全体は、縦長の形状であり、ここでは、多数の電気供給棒３が、枠体２の側壁を通って垂直に挿入されている。典型的には、現在用いられているセルの長手方向の長さは、約８ｍと１５ｍとの間であり、幅方向の長さは、約３ｍから４ｍまでである。図１ａに示されているカソードは、例えばＥＰ１８４５１７４に開示されている。   As can be seen in the side view of FIG. 1 b, the frame 2 and thus the whole electrolysis cell is of a vertically long shape, in which a number of electricity supply rods 3 are perpendicular through the side walls of the frame 2. Has been inserted. Typically, the longitudinal length of currently used cells is between about 8 m and 15 m, and the length in the width direction is about 3 m to 4 m. The cathode shown in FIG. 1a is disclosed, for example, in EP 1845174.

アルミニウムと酸素との間の高い結合エネルギー、ならびに熱損失および抵抗損失は、融解電解によるアルミニウム生産において、高いエネルギー需要を引き起こす。それに関連するエネルギーコストは、プロセスコストの大部分である。そのコストを減少させることは、融解電解の領域において、解決しなければならない基本的な課題の１つである。   The high binding energy between aluminum and oxygen, as well as heat and resistance losses, cause high energy demands in aluminum production by melt electrolysis. The associated energy costs are a large part of the process costs. Reducing the cost is one of the basic problems that must be solved in the area of melt electrolysis.

低いエネルギー効率の１つの要因は、上述した電気供給棒である。当該電気供給棒は、融解電解時に発生する高い温度のため、従来は、スチールから製造されている。他の技術的用途で、低い温度において用いられうる他の電気伝導体、例えばアルミニウムおよび銅に比べて、スチールは、より高い比電気抵抗を有する。さらには、従来の、電気供給棒を用いる横からの水平方向の電気供給は、カソード内の不均一な電流分布を引き起こす。   One factor of low energy efficiency is the electricity supply rod described above. The electric supply rod is conventionally manufactured from steel because of the high temperature generated during melt electrolysis. Compared to other electrical conductors that can be used at lower temperatures in other technical applications, such as aluminum and copper, steel has a higher specific resistance. Furthermore, the horizontal horizontal power supply using a conventional electric supply rod causes a non-uniform current distribution in the cathode.

従来技術では、さらに、特に、接続時に、すなわち、液体鋳鉄のいわゆる"鋳込み"の時に、カソードと電気供給棒との異なる熱膨張係数を考慮して、適切な対策を施さない場合には、カソードと電気供給棒との異なる熱膨張係数が、電解セルの起動および作動の時に問題を起こし得る。   In the prior art, in particular, when connecting, i.e. when so-called "casting" of liquid cast iron, the cathode and the electric supply rod take into account different thermal expansion coefficients, and if no appropriate measures are taken, the cathode And the different coefficient of thermal expansion of the electricity supply rod can cause problems during start-up and operation of the electrolysis cell.

それ故に、本発明の課題は、アルミニウムを生産するための電解セル用のカソードであって、当該カソードによって、従来技術の上記問題点を克服することができ、特に、従来の電解セルに比べて、エネルギー効率を向上し、且つ、カソードの均一な電流密度分布を達成することができるカソードを提供することにある。   Therefore, an object of the present invention is a cathode for an electrolytic cell for producing aluminum, and the cathode can overcome the above-mentioned problems of the prior art, particularly compared to a conventional electrolytic cell. An object of the present invention is to provide a cathode capable of improving energy efficiency and achieving a uniform current density distribution of the cathode.

本発明によれば、上記課題は、請求項１の特徴を有するカソードにより解決される。さらなる好ましい実施形態は従属請求項に規定される。   According to the invention, the above problem is solved by a cathode having the features of claim 1. Further preferred embodiments are defined in the dependent claims.

アルミニウムをその酸化物から生産するための電解セル用の、下面を有するカソードは、本発明の実施形態によれば、電気供給のための複数のピンを備えており、当該ピンが、作動時に下方からカソードの下面に電気を供給ながら接触している。   A cathode having a lower surface for an electrolysis cell for producing aluminum from its oxide, according to an embodiment of the present invention, comprises a plurality of pins for supplying electricity, said pins being lowered when activated. From the cathode to the lower surface of the cathode while supplying electricity.

本発明の意図するところでは、"カソード"という概念は、一般的な意味に理解される。ここでは、例えば、−しかしこれに限定されるものではないが−、複数のカソードブロックにより構成される所謂カソード底部が挙げられ、それ故に、本発明に基づく中心的な局面−すなわち、上述した、カソードの下面の、下方からの複数のピンとの、電気を供給する接触−が、全体としてこのカソード底部によって実現される。カソードという概念により、しかし、このようなカソード底部を形成するカソードブロックという意味での部分構造もまた、論じられてもよい。"カソード"に関連して、本発明に寄与するすべての特徴は、以下に明示的に説明されなくても、同様に、"カソードブロック"に関しても、本発明に含まれる。   For the purposes of the present invention, the concept of “cathode” is understood in a general sense. Here, for example, but not limited thereto, mention may be made of a so-called cathode bottom constituted by a plurality of cathode blocks, and therefore a central aspect according to the invention- The contact of supplying electricity with the plurality of pins from below on the lower surface of the cathode is realized by this cathode bottom as a whole. With the concept of cathode, however, partial structures in the sense of a cathode block forming such a cathode bottom may also be discussed. In connection with the “cathode”, all features that contribute to the present invention are also included in the present invention with respect to the “cathode block”, even if not explicitly described below.

従来技術と違って、カソードへの電気供給は、下方から、上記ピンにより実現されている。一定の数のピンによる、下方からの供給により、従来、少ない電気供給棒により、横の方向からのカソード内への供給が可能であったのと比べて、カソードへの電気供給を、より均一に行うことが出来る。   Unlike the prior art, the supply of electricity to the cathode is realized by the pins from below. By supplying from the bottom with a certain number of pins, the power supply to the cathode is more uniform compared to the conventional way of supplying into the cathode from the side with a small number of electric supply rods. Can be done.

例えばカソード下面が平らである場合、上記均一な電流分布は、例えば、所望される電流流れに応じて上記ピンが設計（例えば、その断面に関して）および配置されることにより、とりわけ均一な生産を達成することができる。例えば、上記ピンは、規則的に、および／または隣のピンに対してそれぞれ等間隔で配置されていてもよい。ピンは、しかし、また、カソード内の不均一な電流分布を防ぐために、目的に合致するように、図案または分布図にならって配置されていてもよい。上記配置は、例えば、カソードの周辺領域において有利であり得る。   For example, when the cathode underside is flat, the uniform current distribution achieves a particularly uniform production, for example by designing and arranging the pins (eg with respect to their cross-section) according to the desired current flow. can do. For example, the pins may be arranged regularly and / or at equal intervals with respect to adjacent pins. The pins, however, may also be arranged according to the design or distribution to meet the purpose, to prevent non-uniform current distribution in the cathode. Such an arrangement can be advantageous, for example, in the peripheral region of the cathode.

その上、一定の数のピンを用いる上記配置により、融解電解プロセスの実施においてカソードの上に溜まる液体アルミニウム中の波発生の減少も達成することができる。その理由は、上記波発生が、知られているように、カソードの不均一な電流分布によって起こる液体アルミニウム内の水平の流れ、およびその流れと磁場との相互作用により生じることにある。上記ピンの断面、数、および分布を決定することにより行われる電気的および磁気的な設計により、好ましくない上記相互作用は、減少されるあるいは最小化されることが可能になる。   In addition, with the above arrangement using a fixed number of pins, a reduction in wave generation in liquid aluminum that accumulates on the cathode in the implementation of the melt electrolysis process can also be achieved. The reason is that, as is known, the wave generation is caused by the horizontal flow in liquid aluminum caused by the non-uniform current distribution of the cathode and the interaction between the flow and the magnetic field. The electrical and magnetic design made by determining the cross-section, number and distribution of the pins allows the undesirable interactions to be reduced or minimized.

本発明の好ましい実施形態によれば、ピンの少なくとも１つ、特に、すべてのピンが、下面の垂線に対して３０°より小さい角度で、特に、基本的に垂直に、下面に接触する。このような配置は、技術的にとりわけ容易に、従って、費用効果的に実施することができ、荷重の配分および機械的設計に関してもとりわけ簡単である。   According to a preferred embodiment of the invention, at least one of the pins, in particular all the pins, contacts the lower surface at an angle of less than 30 °, in particular essentially perpendicular, to the lower surface normal. Such an arrangement is technically particularly easy and can therefore be implemented cost-effectively and is particularly simple with regard to load distribution and mechanical design.

本発明のカソードの好適な実施形態において、ピンは、カソードの中まで達している。これは、それぞれのピンの、カソードまたはカソードの下面の側の端部が、取付けた状態で、部分的にカソードの中にあることを意味する。これによって、カソードに対するピンのとりわけ好適な電気的接触が達成される。   In a preferred embodiment of the cathode of the present invention, the pin reaches into the cathode. This means that the end of each pin on the side of the cathode or the lower surface of the cathode is partly in the cathode when attached. This achieves a particularly favorable electrical contact of the pin to the cathode.

しかし、代替的に、同様に本発明に含まれる他の接触の変形例も考えられる。これは、例えば、カソードがピンの上に載置され、ピンがカソードの中まで達しない配置を含み得る。その場合、炭素含有化合物または金属化合物、例えば炭化したピッチ、導電性接着剤、または炭素塊により、ピンとカソードの下面との電気的接触は向上されうる。   However, alternatively, other contact variations that are also included in the invention are contemplated. This can include, for example, an arrangement in which the cathode rests on the pin and the pin does not reach into the cathode. In that case, electrical contact between the pin and the underside of the cathode can be improved by a carbon-containing compound or metal compound, such as carbonized pitch, conductive adhesive, or carbon mass.

本発明のとりわけ好適な実施形態によれば、上記ピンは、ねじ接続により、カソードの下面に挿入されている。これは、例えば、カソードが電解セルに装入される前に、そのカソードに、ピンを予め据え付けることを可能にする。さらには、とりわけ安定した固定、および、必要に応じて、整備または新しいものと取り替えるために、複雑ではない取外しが保証されている。   According to a particularly preferred embodiment of the invention, the pin is inserted into the underside of the cathode by a screw connection. This makes it possible, for example, to pre-install a pin on the cathode before it is inserted into the electrolysis cell. Furthermore, a particularly secure fixing and uncomplicated removal is guaranteed to be serviced or replaced with a new one as required.

とりわけ有利には、上記ねじ接続は、ピンのカソードの下面側の端部に設けられたねじと、カソードの下面に設けられた相手ねじとによって構成される。この変形例では、さらなるねじ装置が不要であり、ピン自体がねじ装置であるために、とりわけ簡単で、材料節減が可能なねじ装置が実現されている。   Particularly advantageously, the screw connection is constituted by a screw provided at the end of the pin on the underside of the cathode and a mating screw provided on the underside of the cathode. In this variant, no further screw device is required and the pin itself is a screw device, so that a screw device that is particularly simple and capable of saving material is realized.

好ましくは、上記のようなねじ付きピンは、その形状に関して、電気炉を用いるスチール生産のためのグラファイト電極用のねじ付きニップルと同様の形状とすることが可能である。電流分布、機械的強度、およびねじ込むことができる点に関しては、上記形状は、とりわけ有利であることが実証されている。   Preferably, the threaded pin as described above may be similar in shape to a threaded nipple for a graphite electrode for steel production using an electric furnace. The shape has proven particularly advantageous in terms of current distribution, mechanical strength, and the ability to be screwed on.

熱的および電気的視点から見れば、ねじ付きピンをカソードと同じ材料から製造することは、とりわけ有利である。これにより、機械的応力および接触抵抗は最小化される。   From a thermal and electrical point of view, it is particularly advantageous to manufacture the threaded pin from the same material as the cathode. This minimizes mechanical stress and contact resistance.

本発明の好ましい一実施形態によれば、上記ピンはグラファイトから製造される。これによって、ピンの高い熱的安定性および低い電気抵抗が達成され、その結果、融解電解の実施における、エネルギー効率が向上する。   According to a preferred embodiment of the present invention, the pin is manufactured from graphite. This achieves high thermal stability and low electrical resistance of the pin, resulting in improved energy efficiency in performing melt electrolysis.

上記ピンが長ければ長いほど、当該ピンに電流を供給する電気供給棒は、カソード、従って、高いプロセス温度の領域からの距離が離れている。さらに、増大する距離と共に、塊状の導体レールの内部の電流流れにより発生する電磁場の強さが減少し、その減少は、融解アルミニウム内の上述した波発生を回避することに有利である。これに関して、上記ピンが約１００ｍｍと５００ｍｍとの間の長さであることが、とりわけ好適であることが保証された。   The longer the pin, the farther the electrical supply rod that supplies current to the pin is away from the cathode and hence the high process temperature region. Furthermore, with increasing distance, the strength of the electromagnetic field generated by the current flow inside the bulky conductor rail is reduced, which reduction is advantageous in avoiding the wave generation described above in the molten aluminum. In this regard, it has been ensured that it is particularly preferred that the pins have a length between about 100 mm and 500 mm.

カソード内の電流分布に影響を及ぼす方法は、ピンの断面の選択である。一方では、より多くのピンが用いられて、そのピンがより細くなるほど、電流分布はより均一になる。最小限度は、複数のピンの使用のコストおよび労力により規定される。この点に関しては、実際に、約３０ｍｍと２００ｍｍとの間の直径を有するピンが、特に好適であることが証明された。ここで、補足すべきことは、個別的選択を、そのそれぞれのカソードの形の構成上の特徴に合わせる必要があり、従って、場合によっては、別の寸法のピンを用いることが有利であり得ることである。   A method that affects the current distribution in the cathode is the selection of the cross-section of the pin. On the other hand, the more pins are used and the thinner the pins, the more uniform the current distribution. The minimum is defined by the cost and effort of using multiple pins. In this regard, in fact, a pin having a diameter between about 30 mm and 200 mm has proven particularly suitable. Here, what should be supplemented is that the individual selection needs to be tailored to the configuration characteristics of its respective cathode shape, and therefore it may be advantageous to use pins of different dimensions in some cases. That is.

上述したように、本発明の実施形態によるカソードの有利な点は、より高い均一性を達成するために、カソード内の電流流れに影響を及ぼし得ることである。そのための方法は、ピンをできるだけ密に配置することである。例えば、カソードの底壁の１平方メートル当たりに、約４と約１００との間のピンが配置されることが、好適であることが見出された。   As mentioned above, an advantage of the cathode according to embodiments of the present invention is that it can affect the current flow in the cathode in order to achieve higher uniformity. The way to do this is to place the pins as close as possible. For example, it has been found suitable that between about 4 and about 100 pins are placed per square meter of the bottom wall of the cathode.

上記ピンを電源装置に接続するために、一実施形態においては、それぞれ複数のピンが、そのカソードの反対側の端部において、例えば、ねじ接続またはクランプ接続により、共有の導体レールに接続されている。従って、上述したように、上記導体レールは、ねじ部以外のピンの長さに一致する距離で、カソードから離れている。ここで、考慮すべきことは、導体レールの材料（金属）の熱膨張のために、上記ねじ接続は、ピンに過度に大きい機械的応力がかからないように、構成されていることである。ピンと導体レールとの間のこのような金属の螺合は、接続技術分野の専門家により簡単に実現されうるため、ここでは、詳細については、より詳しく取り上げない。   In order to connect the pins to the power supply, in one embodiment, each of the plurality of pins is connected to a common conductor rail, for example, by a screw connection or a clamp connection, at the opposite end of the cathode. Yes. Therefore, as described above, the conductor rail is separated from the cathode by a distance corresponding to the length of the pin other than the threaded portion. Here, it should be considered that the screw connection is configured such that the pins are not subjected to excessively high mechanical stress due to the thermal expansion of the conductor rail material (metal). Since such metal threading between the pins and the conductor rails can be easily realized by specialists in the connection technology field, details will not be discussed here in more detail.

本発明の一実施形態によるカソードでは、導体レールが、当該カソード自体から隔たって備えられているため、上記導体レールが、熱的にとりわけ安定した材料から製造されている必要がない。従って、上記導体レールは、鉄、スチール、または類似の材料から製造されなくてもよい。寧ろ、共用の導体レールは、５０％を超える銅またはアルミニウムを含む材料から製造されていてもよい。銅およびアルミニウムは、鉄またはスチールより低い比電気抵抗を有するため、電解融解のエネルギー効率は向上されうる。勿論、上記導体レールは、純粋な銅または純粋なアルミニウム、あるいは僅かに他の金属を含む銅合金またはアルミニウム合金から製造されていてもよい。例えば、銅棒が、導体レールとして用いられている場合、比電気抵抗は、これまでに用いたスチールに比べて、約４分の１に減少されうる。   In the cathode according to an embodiment of the invention, the conductor rail is provided separately from the cathode itself, so that the conductor rail does not have to be made of a particularly thermally stable material. Thus, the conductor rail may not be manufactured from iron, steel, or similar materials. Rather, the shared conductor rail may be made from a material containing more than 50% copper or aluminum. Since copper and aluminum have a lower specific resistance than iron or steel, the energy efficiency of electrolytic melting can be improved. Of course, the conductor rail may be made of pure copper or pure aluminum, or a copper alloy or aluminum alloy containing a slight amount of other metals. For example, if a copper bar is used as a conductor rail, the specific electrical resistance can be reduced by about a quarter compared to the steel used so far.

さらなる実施形態によれば、カソードの下面は、下方に先細りになる台形の本体の形で形成されている。この形により、下方から供給された電流は、均一、且つ、一様にカソードに供給される。カソードが複数の個々のカソードブロックからなるカソードの構造の場合、好ましくは、カソードの少なくともいくつかのカソードブロックが、下方に先細りになる上述した台形の本体を有し、ここで、当該本体は好適に互いに平行に延びる。上記台形の本体は、例えば、カソードの長手方向またはその垂直の方向に延びる。   According to a further embodiment, the lower surface of the cathode is formed in the form of a trapezoidal body that tapers downward. With this configuration, the current supplied from below is uniformly and uniformly supplied to the cathode. In the case of a cathode structure in which the cathode consists of a plurality of individual cathode blocks, preferably at least some of the cathode blocks of the cathode have a trapezoidal body as described above that tapers downward, where the body is suitable. Extending parallel to each other. The trapezoidal body extends, for example, in the longitudinal direction of the cathode or in the direction perpendicular thereto.

このようにして、作動時に、カソード槽の領域に比べて、導体レールの領域の温度がはるかに低くなるように、熱いカソード槽あるいはカソードと導体レールとの間の間隔を、さらに大きくすることができる。   In this way, during operation, the hot cathode cell or the spacing between the cathode and the conductor rail can be further increased so that the temperature in the region of the conductor rail is much lower than in the region of the cathode cell. it can.

本発明は、次に、より詳しく、添付した図面に基づいて、限定されない実施例により説明される。図面は以下の事項を示す：   The invention will now be described in more detail by way of non-limiting examples based on the attached drawings. The drawing shows the following:

アルミニウムを酸化アルミニウムから生産するための従来技術による電解セルを、断面図により示す。A prior art electrolysis cell for producing aluminum from aluminum oxide is shown in cross section. 図１ａの電解セルを、外部から見た縦面図により示す。FIG. 1 a shows the electrolysis cell of FIG. アルミニウムを酸化アルミニウムから生産するための従来技術による電解セルを、部分断面斜視図により示す。A prior art electrolysis cell for producing aluminum from aluminum oxide is shown in partial cross-sectional perspective view. 本発明の一実施形態に係るカソードの斜視図を示す。1 shows a perspective view of a cathode according to an embodiment of the present invention. 図２ａのカソードの図面を、９０°回転した視点により示す。The cathode drawing of FIG. 2a is shown from a 90 ° rotated view. 本発明の電解セルのねじ接続の断面図を示す。Sectional drawing of the screw connection of the electrolytic cell of this invention is shown.

図面においては、異なる図面における同一または対応する要素を示すために、同一の参照番号が用いられている。   In the drawings, the same reference numerals are used to indicate the same or corresponding elements in the different drawings.

図２ａおよび２ｂでは、本発明の一実施形態に係るカソードを有する電解セルが、それぞれ異なる視点から示されている。示されているカソードは、上述したホール・エルー法による酸化アルミニウムからのアルミニウム生産における使用に適する。カソード１の上に側壁１ａが配置されている。上記側壁１ａは、カソード１と一体として形成されていてもよいし、またはカソード１と接続されていてもよく、ここに示されている例では、カソード１の長手方向の側面に沿って延びる。この例では、上記側壁１ａは、複数の個々の側壁ブロック１ａ１から構成されている。同様に、この例では、上記カソード１は、複数の個々のカソードブロック１ｂ１から構成されている。   In FIGS. 2a and 2b, an electrolysis cell with a cathode according to an embodiment of the invention is shown from different perspectives. The cathode shown is suitable for use in the production of aluminum from aluminum oxide by the Hall-Elu method described above. A side wall 1 a is disposed on the cathode 1. The side wall 1a may be formed integrally with the cathode 1 or may be connected to the cathode 1. In the example shown here, the side wall 1a extends along the longitudinal side surface of the cathode 1. In this example, the side wall 1a is composed of a plurality of individual side wall blocks 1a1. Similarly, in this example, the cathode 1 is composed of a plurality of individual cathode blocks 1b1.

槽１ｃは、上記側壁１ａおよびカソード１によって囲まれてなり、当該槽１ｃの中には、当該カソードを融解電解プロセスに使用する時に、電解液および生成した融解アルミニウムが収容される。図面において認められるように、上記カソード１の下面１ｇは、カソードの幅ｂに沿って互いに平行に延びる、下方に先細りになる台形の本体１ｄにより、台形の形で構成されている。上記台形の本体は、ここで、底が平らに形成されている。上記台形の本体１ｄの底部において、ピン１ｅは、その台形の底部の中に固定されている。この実施形態では、図３において模式的に示されているように、上記ピンは、電気炉を用いるスチール生産のためのグラファイト電極の接続用のねじ付きニップルに類似したねじ付きピンとして形成されている。   The tank 1c is surrounded by the side wall 1a and the cathode 1. The tank 1c contains an electrolytic solution and generated molten aluminum when the cathode is used in a melting electrolysis process. As can be seen in the drawing, the lower surface 1g of the cathode 1 is formed in a trapezoidal shape by a trapezoidal body 1d that extends parallel to each other along the width b of the cathode and tapers downward. Here, the trapezoidal body has a flat bottom. At the bottom of the trapezoidal body 1d, the pin 1e is fixed in the bottom of the trapezoid. In this embodiment, as schematically shown in FIG. 3, the pins are formed as threaded pins similar to threaded nipples for connecting graphite electrodes for steel production using an electric furnace. Yes.

しかしながら、代替的な実施形態では、他の接続手段、例えば、クランプ接続が選択されていてもよい。   However, in alternative embodiments, other connection means may be selected, for example a clamp connection.

上記ねじ付きピン１ｅは、ここで、円形の断面を有し、当該円形の断面が、電流密度の均一性の視点から見ると、有利である。上記ピン１ｅは、図２ｂにおいて認められるように、その分布に関して、例えば、僅かなジグザグ形状を有する。これに関連して補足すべきことは、下面１ｇに台形の本体１ｄを有するカソード１の形がここに示されているにもかかわらず、この形状は必須ではないということである。寧ろ、カソード１の下面１ｇは、カソード１の上面と同様に、平らに形成されていてもよい。このような形状では、上記ピン１ｅは、下面において、任意の形で配置されうる。   The threaded pin 1e here has a circular cross section, which is advantageous from the point of view of the uniformity of the current density. The pin 1e has, for example, a slight zigzag shape with respect to its distribution, as can be seen in FIG. 2b. What should be supplemented in this connection is that, although the shape of the cathode 1 having a trapezoidal body 1d on the lower surface 1g is shown here, this shape is not essential. On the contrary, the lower surface 1 g of the cathode 1 may be formed flat like the upper surface of the cathode 1. In such a shape, the pin 1e can be arranged in an arbitrary shape on the lower surface.

図２ａに示されているように、上記ピンは、例えば一列に並んで配置されていてもよい。勿論、複数の、このように一列に並んで配置されたピンが、互いに平行に配置されていてもよい。   As shown in FIG. 2a, the pins may be arranged in a line, for example. Of course, a plurality of pins arranged in a row in this way may be arranged in parallel to each other.

台形の本体１ｄに沿って配置された、それぞれすべてのピン１ｅは、その下面、すなわち、カソード１の反対側において、共有の導体レール３に、例えば、螺合により接続されている。図３には、導体レール３との、上記ピン１ｅの可能な螺合の１つが示されている。この螺合には、導体レール３の方向から、２つのねじが、１つのピン１ｅの下面に挿入されている。   All the pins 1e arranged along the trapezoidal body 1d are connected to the common conductor rail 3 on the lower surface thereof, that is, on the opposite side of the cathode 1, for example, by screwing. FIG. 3 shows one possible threading of the pin 1 e with the conductor rail 3. In this screwing, two screws are inserted into the lower surface of one pin 1e from the direction of the conductor rail 3.

図面により明らかなことは、導体レール３が、カソード１の槽１ｃ、そしてこれにより作動時において高温度領域から離れて備えられているため、その導体レール３が耐えるべき温度は、図１ａから１ｃによる従来技術の実施形態にある温度より非常に低い。すなわち、ここで、上記導体レール３は、高温度領域の外に配置され、従って、スチールより、熱耐性のより低い、しかし、例えば、電気伝導性のより高い材料から製造されうる。   It is clear from the drawings that the conductor rail 3 is provided away from the high temperature region in operation by the cell 1c of the cathode 1 and thus in operation, the temperature that the conductor rail 3 must withstand is shown in FIGS. 1a to 1c. Much lower than the temperature in prior art embodiments. That is, here the conductor rail 3 is arranged outside the high temperature region and can therefore be manufactured from a material that is less heat resistant than steel, but has a higher electrical conductivity, for example.

この実施形態では、上記導体レール３は、アルミニウム合金から構成されている。代替的に、公知の銅合金が用いられていてもよい。上述した台形の本体１ｄも、カソード１の槽１ｃと導体レール３との間隔を大きくするために作用する。   In this embodiment, the conductor rail 3 is made of an aluminum alloy. Alternatively, a known copper alloy may be used. The trapezoidal main body 1d described above also acts to increase the distance between the tank 1c of the cathode 1 and the conductor rail 3.

電気伝導性だけではなく熱伝導性も高い金属の、場合によって、あまりに大きい放熱には、好ましくは、適合した配置、特に、幾何学的配置により対処することができる。   In some cases, too much heat dissipation of a metal with high thermal conductivity as well as electrical conductivity can preferably be dealt with by a suitable arrangement, in particular a geometric arrangement.

図面により認められるように、複数の導体レール３（ここには、３つの導体レール３）は、いずれも（図示されていない）電源装置に続く、共有の集電レール１０に接続されている。集電レール１０および導体レール３は、例えば、同じ材料から製造されていてもよい。代替的に、一体として形成する実施形態も可能である。   As can be seen from the drawing, a plurality of conductor rails 3 (here, three conductor rails 3) are all connected to a common current collecting rail 10 following a power supply (not shown). The current collection rail 10 and the conductor rail 3 may be manufactured from the same material, for example. Alternatively, a one-piece embodiment is possible.

カソード１の下面の形状によって、ピン１ｅの異なる配置が可能である。下面が平らに形成された場合には、上記ピン１ｅが、例えば、規則的な格子状に、下面に固定されうる。この配置は、電気供給の上述した均一性にとりわけ有利である。   Depending on the shape of the lower surface of the cathode 1, different arrangements of the pins 1e are possible. When the lower surface is formed flat, the pins 1e can be fixed to the lower surface, for example, in a regular lattice shape. This arrangement is particularly advantageous for the aforementioned uniformity of the electricity supply.

カソードの材料としては、アルミニウムをその酸化物から電解のための、専門家に公知の、適合するすべての材料が用いられていてもよい。適合する材料は、例えば、ＤＥ１０２６１７４５に挙げられており、当該ＤＥ１０２６１７４５のこれに関する事項は、ここに、参照により組み入れられる。上記ピン１ｅは、特に、カソード１と同じ材料から製造されていてもよい。これに関して、グラファイトは、その耐熱性および低い比電気抵抗のため、とりわけ好適であることが判明した。   The cathode material may be any suitable material known to the expert for the electrolysis of aluminum from its oxides. Suitable materials are listed, for example, in DE 10261745, the matters relating to this of which are hereby incorporated by reference. In particular, the pin 1e may be manufactured from the same material as the cathode 1. In this regard, graphite has proven particularly suitable due to its heat resistance and low specific electrical resistance.

１ カソード
１ｂ１ カソードブロック
１ａ 側壁
１ａ１ 側壁ブロック
１ｃ 槽
１ｄ 台形の本体
１ｅ ピン
１ｇ カソードの下面
２ 枠体
３ 導体レール
４ アノード
５ アルミニウム
６ 混合物（酸化アルミニウム、氷晶石）
７ 負極 電源装置
８ 正極 電源装置
１０ 集電レール DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cathode 1b1 Cathode block 1a Side wall 1a1 Side wall block 1c Tank 1d Trapezoid main body 1e Pin 1g Bottom surface of cathode 2 Frame 3 Conductor rail 4 Anode 5 Aluminum 6 Mixture (aluminum oxide, cryolite)
7 Negative power supply 8 Positive power supply 10 Current collector rail

Claims (12)

アルミニウムをその酸化物から生産するための電解セル用のカソード（１）であって、
上記カソード（１）は、下面（１ｇ）を有し、
上記カソード（１）には、電気供給のための複数のピン（１ｆ）が備えられ、
上記ピンは、作動時に下方からカソード（１）の下面（１ｇ）に電気を供給しながら接触していることを特徴とするカソード（１）。 A cathode (1) for an electrolysis cell for producing aluminum from its oxide,
The cathode (1) has a lower surface (1g),
The cathode (1) is provided with a plurality of pins (1f) for supplying electricity,
The cathode (1), wherein the pin is in contact with the lower surface (1g) of the cathode (1) while supplying electricity from the lower side during operation. 上記ピンの少なくとも１つは、下面（１ｇ）の垂線に対して３０°より小さい角度で、特に、下面（１ｇ）に対して少なくとも基本的に垂直に、下面（１ｇ）に接触していることを特徴とする、請求項１に記載のカソード（１）。   At least one of the pins is in contact with the lower surface (1g) at an angle smaller than 30 ° with respect to the normal of the lower surface (1g), in particular at least essentially perpendicular to the lower surface (1g). Cathode (1) according to claim 1, characterized by: 上記ピン（１ｆ）は、カソード（１）の中に達していることを特徴とする、請求項１または２に記載のカソード（１）。   Cathode (1) according to claim 1 or 2, characterized in that the pin (1f) reaches into the cathode (1). 上記ピン（１ｆ）は、ねじ接続により、カソード（１）の下面（１ｇ）に挿入されていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１または複数項に記載のカソード（１）。   Cathode (1) according to any one or more of claims 1 to 3, characterized in that the pin (1f) is inserted into the lower surface (1g) of the cathode (1) by screw connection. ). 上記ねじ接続は、ピン（１ｆ）の下面（１ｇ）の側の端部に設けられているねじと、カソード（１）の下面（１ｇ）に設けられている相手ねじとから構成されていることを特徴とする、請求項４に記載のカソード（１）。   The screw connection is composed of a screw provided at the end of the pin (1f) on the lower surface (1g) side and a mating screw provided on the lower surface (1g) of the cathode (1). Cathode (1) according to claim 4, characterized by: 上記ピンは、グラファイトから製造されていることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１または複数項に記載のカソード（１）。   Cathode (1) according to any one or more of the preceding claims, characterized in that the pin is made of graphite. 上記ピンは、約１００ｍｍと５００ｍｍとの間の長さを有することを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１または複数項に記載のカソード（１）。   Cathode (1) according to any one or more of the preceding claims, characterized in that the pin has a length between about 100 mm and 500 mm. 上記ピン（１ｆ）は、約３０ｍｍと２００ｍｍとの間の直径を有することを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１または複数項に記載のカソード（１）。   Cathode (1) according to any one or more of the preceding claims, characterized in that the pin (1f) has a diameter between about 30 mm and 200 mm. 上記カソード（１）の１平行メートル当たりに、約４と約１００との間のピン（１ｆ）が備えられていることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１または複数項に記載のカソード（１）。   9. One or more of claims 1 to 8, characterized in that between about 4 and about 100 pins (1f) are provided per parallel meter of the cathode (1). The cathode (1) as described. 複数の上記ピン（１ｆ）は、いずれも、カソード（１）の反対側端部において、導体レール（３）に接続されていることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１または複数項に記載のカソード（１）。   A plurality of said pins (1f) are all connected to the conductor rail (3) at the opposite end of the cathode (1), or any one of claims 1 to 9, The cathode (1) according to the plural term. 上記導体レール（３）は、５０％を超える銅および／またはアルミニウムを含む材料から製造されていることを特徴とする、請求項８に記載のカソード（１）。   Cathode (1) according to claim 8, characterized in that the conductor rail (3) is made of a material comprising more than 50% copper and / or aluminum. 上記カソード（１）の下面（１ｇ）は、台形の形に、下方に先細りになる台形の本体（１ｄ）の形で形成されていることを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１または複数項に記載のカソード（１）。   12. The lower surface (1g) of the cathode (1) is formed in a trapezoidal shape in the form of a trapezoidal body (1d) that tapers downward. The cathode (1) according to one or more items.
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