JP2016520720A - Cathode block with grooves of various depths and filled intermediate spaces - Google Patents
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Abstract
炭素及び／又はグラファイトをベースにしたアルミニウム電解槽用のカソードブロックであり、このカソードブロックは、カソードブロックの長手方向に延伸する少なくとも１つの溝を有し、この少なくとも１つの溝の少なくとも１つが、カソードブロックの長さにわたって見て、多様な深さを有しており、この少なくとも１つの溝の中には少なくとも１つの母線が設けられており、少なくとも１つの母線と、多様な深さを持つ少なくとも１つの溝を境界づける壁との間の中間スペースには少なくとも部分的に鋼鉄が充填されている。A cathode block for an aluminum electrolytic cell based on carbon and / or graphite, the cathode block having at least one groove extending in the longitudinal direction of the cathode block, at least one of the at least one groove being The cathode block has various depths over the length of the cathode block, and at least one bus bar is provided in the at least one groove, and has at least one bus bar and various depths. The intermediate space between the walls bordering the at least one groove is at least partially filled with steel.
Description
本発明は、アルミニウム電解槽用のカソードブロック、その使用、並びにこれを含むカソードに関する。 The present invention relates to a cathode block for an aluminum electrolytic cell, its use, and a cathode comprising the same.
電解槽は、例えば、通常は工場でホール・エルー法に従って実施されるアルミニウムの電解精錬などに用いられる。このホール・エルー法では、アルミナと氷晶石から構成される融剤を電気分解する。この場合、氷晶石（Ｎａ３［ＡＩＦ６］）は、融点を純粋なアルミナの２０４５℃から、氷晶石、アルミナ及び添加物（フッ化アルミニウムとフッ化カルシウムなど）を含む混合物の約９５０℃まで低下させるために用いる。 The electrolytic cell is used, for example, for electrolytic refining of aluminum, which is usually carried out in a factory according to the Hall Elue method. In the Hall Elue method, a flux composed of alumina and cryolite is electrolyzed. In this case, cryolite (Na 3 [AIF 6 ]) has a melting point from 2045 ° C. of pure alumina to about 950 of a mixture containing cryolite, alumina and additives (such as aluminum fluoride and calcium fluoride). Used to lower to ° C.
この方法で使用される電解槽はカソード底面を有しており、このカソード底面は、例えば最大２８個の互いに隣接する多数のカソードブロックから構成されており、これらのカソードブロックによってカソードが形成されている。この場合、カソードブロック間の中間スペースには、電解槽の溶融成分の漏れに対してカソードを密閉し、かつ電解槽の使用開始中中に生じる機械的応力を補正するために、通常は炭素含有のラミング材が充填されている。カソードブロックは、電解槽の作動時に生じる熱的条件及び化学的条件に耐えるように、通常、グラファイトなどの炭素含有材料から構成されている。一般的に、カソードブロックの下面にはそれぞれ溝が設けられおり、それらの溝にはそれぞれ少なくとも１つ又は２つの母線（バスバー）が配置され、この母線を通ってアノードから供給される電流が送り出される。このとき、溝を境界づける個々のカソードブロック壁と母線との間の中間スペースには、しばしば鋳鉄が鋳込まれ、このことから母線の被覆が鋳鉄で製造されることにより、母線は電気的及び機械的にカソードブロックと接続される。カソード上面には、液体アルミニウムから成る、通常は高さが１５〜５０ｃｍの層があって、その層の約３〜５ｃｍ上方には、個別のアノードブロックから形成されたアノードが配置されており、このアノードとアルミニウム表面との間には、電解質、すなわちアルミナと氷晶石を含む融剤がある。約１０００℃で実施される電気分解においては、アルミニウムの密度が電解質の密度に比ベて大きいために、発生したアルミニウムが電解質層の下方に沈殿して、カソードの上面と電解質層との間の中間層として形成される。電気分解では、融剤の中で溶けたアルミナが電流によってアルミニウムと酸素に分解される。電気化学的には、液体アルミニウムから成る層が実際のカソードであり、その理由は、この層の表面でアルミニウムイオンが元素のアルミニウムに還元されるからである。しかし、以下では、カソードという用語は、電気化学的に見たカソード、すなわち液体アルミニウムから成る層を示すのではなく、電解槽の底面を形成する、例えば１つ以上のカソードブロックから構成された構成部品を示す。 The electrolytic cell used in this method has a cathode bottom surface, and this cathode bottom surface is composed of, for example, a maximum of 28 adjacent cathode blocks, and the cathode is formed by these cathode blocks. Yes. In this case, the intermediate space between the cathode blocks usually contains carbon to seal the cathode against leakage of molten components in the cell and to compensate for mechanical stresses that occur during the start of the cell. Of ramming material. The cathode block is typically constructed from a carbon-containing material such as graphite to withstand the thermal and chemical conditions that occur during operation of the electrolytic cell. Generally, grooves are provided on the lower surface of the cathode block, and at least one or two bus bars (bus bars) are arranged in each of the grooves, and current supplied from the anode is sent through the bus bars. It is. At this time, cast iron is often cast in the intermediate space between the individual cathode block walls and the bus bar that bound the groove, and thus the bus bar coating is made of cast iron, so that the bus bar is electrically and electrically Mechanically connected to the cathode block. On the top surface of the cathode, there is a layer of liquid aluminum, usually 15 to 50 cm in height, about 3 to 5 cm above that layer, an anode formed from individual anode blocks is arranged, Between this anode and the aluminum surface is a flux comprising electrolyte, namely alumina and cryolite. In the electrolysis performed at about 1000 ° C., since the density of aluminum is larger than the density of the electrolyte, the generated aluminum precipitates below the electrolyte layer, and between the upper surface of the cathode and the electrolyte layer. It is formed as an intermediate layer. In electrolysis, alumina dissolved in the flux is decomposed into aluminum and oxygen by electric current. Electrochemically, the layer made of liquid aluminum is the actual cathode, because the aluminum ions are reduced to elemental aluminum at the surface of this layer. However, in the following, the term cathode does not indicate an electrochemically viewed cathode, i.e. a layer made of liquid aluminum, but rather a configuration made up of, for example, one or more cathode blocks that form the bottom of the electrolytic cell. Indicates the part.
ホール・エルー法で使用されるカソード構造体の主な欠点は、耐摩耗性が比較的弱いことであり、この脆弱な耐摩耗性は、カソードブロック表面が電気分解中に削り取られることによって出現する。このとき、カソードブロック表面の除去は、カソードブロックの長さにわたって均等に行われるのではなく、カソードブロック内部に不均質な電流分布が生じることにより、カソードブロックの端部でより大規模に除去が行われるため、電気分解がある程度進行すると、カソードブロックの表面がＷ字形に変化する。カソードブロック表面の不均質な除去により、カソードブロックの使用期間は除去量のもっとも大きい箇所によって制限される。 The main drawback of the cathode structure used in the Hall Elle method is that it is relatively weak in wear resistance, and this brittle wear resistance is manifested by scraping the cathode block surface during electrolysis. . At this time, the removal of the surface of the cathode block is not performed uniformly over the length of the cathode block, but the removal is performed on a larger scale at the end of the cathode block due to a non-uniform current distribution inside the cathode block. Therefore, when the electrolysis proceeds to some extent, the surface of the cathode block changes to a W shape. Due to inhomogeneous removal of the surface of the cathode block, the period of use of the cathode block is limited by the location with the highest removal amount.
この問題に対処するため、特許文献１では、１つ以上の母線を収容するために規定された溝が、カソードブロック長さに関して、カソードブロックの中心部の深さが両端部の深さよりも深くなっているカソードブロックが提案されている。これにより、電解槽を作動した場合、カソードブロック長さにわたって、ほぼ均質な垂直の電流分布が達成され、それによって、カソードブロック端部の摩耗の増加が抑制され、カソードの寿命も向上する。このとき、１つ又は複数の母線は従来のように鋳鉄で覆われており、この被覆は、溝と１つ又は複数の母線との間の中間スペースに液状の鋳鉄を鋳込むことによって行われる。しかし、そのようなカソードブロックは欠点も伴っている。液状の鋳鉄を溝と１つ又は複数の母線との間の中間スペースに鋳込む間及びその後、カソードブロックを含む電解槽の使用開始中及びその後、ならびに電解槽の停止中及びその後、さらに再稼働中及びその後では、カソードブロックが比較的大きな温度変化に晒されており、そのことが、カソードブロックに対する鋳鉄及び母線の膨張又は収縮を引き起こす原因となる。この膨張作用又は収縮作用は、温度勾配の発生によって強化されるおそれがある。以下、「大きな温度変化」について言及する場合は、前述した作用、すなわち膨張／収縮又は温度勾配のうち１つ又は両方が存在していることを意味する。カソードブロック材料の熱膨張係数よりも、鋳鉄及び母線材料の熱膨張係数の方が高いことにより、温度が上昇すると鋳鉄及び母線はカソードブロックに対して膨張し、逆に、温度が低下するとカソードブロックに対して収縮する。これにより、とくに矩形の断面を備える一般的な溝では、母線、鋳鉄及びカソードブロック間の電気的接触が悪化して構造の電気抵抗が上昇するため、電気分解プロセスのエネルギー効率が悪化することになる。これとは別に、溝と１つ又は複数の母線との間にある中間スペースに液状の鋳鉄を鋳込むまでは、１つ又は複数の母線が垂直方向にも水平方向にも動くことができるため、液状の鋳鉄を鋳込む際、及びそれに続いて鋳鉄を冷却して凝固させている間、この母線が溝の中を制御不能に動くおそれがあり、このことが同様に、母線、鋳鉄及びカソードブロック間に不均一な電気的接触を発生させる原因となり得る。また、このことは、構造の電気抵抗を上昇させるため、電気分解プロセスのエネルギー効率も悪化させる。鋳鉄の代わりに、ラミング材を使用してもよい。ラミング材としては、無煙炭、グラファイト及びそれらの任意の混合物をベースにしたラミング材を使用することができる。好ましくは、グラファイトをベースにしたラミング材が使用される。 In order to cope with this problem, in Patent Document 1, a groove defined to accommodate one or more busbars is such that the depth of the central portion of the cathode block is deeper than the depth of both end portions with respect to the cathode block length. A cathode block has been proposed. Thus, when the electrolytic cell is operated, a substantially uniform vertical current distribution is achieved over the length of the cathode block, thereby suppressing an increase in wear at the end of the cathode block and improving the life of the cathode. At this time, the one or more bus bars are covered with cast iron as in the prior art, and this coating is performed by casting liquid cast iron into the intermediate space between the groove and the one or more bus bars. . However, such cathode blocks also have drawbacks. During and after casting liquid cast iron into the intermediate space between the groove and one or more bus bars, during and after the start of the electrolysis cell containing the cathode block, and during and after the electrolysis cell shutdown During and after, the cathode block is exposed to relatively large temperature changes, which causes the cast iron and bus bars to expand or contract with respect to the cathode block. This expansion or contraction action may be reinforced by the occurrence of a temperature gradient. Hereinafter, when referring to “large temperature change”, it means that one or both of the above-mentioned effects, ie expansion / contraction or temperature gradient, are present. Due to the higher coefficient of thermal expansion of the cast iron and bus material than the thermal expansion coefficient of the cathode block material, the cast iron and bus bar expand with respect to the cathode block when the temperature rises. Shrink against. As a result, particularly in a general groove having a rectangular cross section, the electrical contact between the bus bar, the cast iron and the cathode block deteriorates and the electrical resistance of the structure increases, so that the energy efficiency of the electrolysis process deteriorates. Become. Apart from this, one or more busbars can move both vertically and horizontally until liquid cast iron is cast into the intermediate space between the groove and one or more busbars. When casting liquid cast iron and subsequently cooling and solidifying the cast iron, this bus bar may move uncontrollably in the groove, which also applies to the bus bar, cast iron and cathode This can cause uneven electrical contact between the blocks. This also increases the electrical resistance of the structure, thus degrading the energy efficiency of the electrolysis process. A ramming material may be used instead of cast iron. As the ramming material, a ramming material based on anthracite, graphite and any mixture thereof can be used. Preferably, a ramming material based on graphite is used.
以下では、鋳鉄について言及する場合、その都度明確に説明を加えることなく、この鋳鉄はラミング材で代替可能であることを理解しなければならない。 In the following, when referring to cast iron, it has to be understood that this cast iron can be replaced by a ramming material without any explicit explanation each time.
従って、本発明の課題は、とくにアルミニウム電解槽の使用に適したカソードブロックを提供することであり、このカソードブロックによって、電解槽を作動した場合にカソードブロック長さにわたってほぼ均質な垂直の電流分布が達成され、さらに、温度変化が大きい場合にも、具体的には長時間にわたる電気分解においても、低い電気抵抗率及び母線とカソードブロックとの間の低い接触抵抗が持続的に保持され、また、温度変化が大きい場合にも、亀裂などの機械的損傷に対して安定している。 Accordingly, it is an object of the present invention to provide a cathode block that is particularly suitable for use with an aluminum electrolytic cell, which allows the vertical current distribution to be substantially uniform over the length of the cathode block when the electrolytic cell is operated. Furthermore, low electrical resistivity and low contact resistance between the bus bar and the cathode block are continuously maintained even when the temperature change is large and, in particular, during long-term electrolysis, and Even when the temperature change is large, it is stable against mechanical damage such as cracks.
本発明に基づき、この課題は、炭素及び／又はグラファイトをベースにしたアルミニウム電解槽用のカソードブロックによって解決され、このカソードブロックは、カソードブロックの長手方向に延伸する少なくとも１つの溝を有し、この少なくとも１つの溝の少なくとも１つが、カソードブロックの長さにわたって見て、多様な深さを有しており、この少なくとも１つの溝の中には少なくとも１つの母線が設けられており、少なくとも１つの母線と、多様な深さを持つ少なくとも１つの溝を境界づける壁との間の中間スペースには少なくとも部分的に鋼鉄が充填されている。本発明の観点から、鋼鉄の代わりに、例えばその他の金属（銅又は銀、合金など）、これらの金属素材による複合材料（銅コアを備える鋼ボディなど）、金属含浸処理したグラファイト又はカーボン材料などの複合材料、あるいは導電性材料といった別の適合材料も使用することができる。前述の金属含浸処理したグラファイト又はカーボン材料の金属としては、電解槽の作動温度より高い融点、例えば約１０００℃の融点を有する全ての金属が考えられる。従って、１０８０℃の融点を持つ銅は、好ましい金属となる。複合材料における金属の割合は、４０〜９０質量パーセントであってよい。複合材料内のカーボンは無煙炭であってよく、グラファイト複合材料はグラファイトとして黒鉛化カーボン又は黒鉛含有カーボンを含んでいてよい。この関連において、以下では、「鋼鉄」という概念をこれらの全ての材料と同義的に用いる。 In accordance with the invention, this problem is solved by a cathode block for an aluminum electrolytic cell based on carbon and / or graphite, the cathode block having at least one groove extending in the longitudinal direction of the cathode block, At least one of the at least one groove has various depths as viewed over the length of the cathode block, and at least one bus bar is provided in the at least one groove, and at least 1 The intermediate space between the two bus bars and the wall that borders at least one groove with varying depth is at least partially filled with steel. From the viewpoint of the present invention, instead of steel, for example, other metals (copper or silver, alloys, etc.), composite materials using these metal materials (steel bodies with a copper core, etc.), graphite or carbon materials treated with metal impregnation, etc. Other compatible materials such as composite materials or conductive materials can also be used. As the metal of the graphite or carbon material subjected to the above metal impregnation treatment, all metals having a melting point higher than the operating temperature of the electrolytic cell, for example, a melting point of about 1000 ° C. are conceivable. Accordingly, copper having a melting point of 1080 ° C. is a preferred metal. The proportion of metal in the composite material may be 40 to 90 weight percent. The carbon in the composite material may be anthracite and the graphite composite material may include graphitized carbon or graphite-containing carbon as graphite. In this connection, in the following the term “steel” is used synonymously with all these materials.
本発明に基づき、カソードブロックの長さにわたって見て、多様な深さを持つカソードブロックの溝に棒状の母線を挿入することで母線と多様な深さを持つ少なくとも１つの溝を境界づける壁との間にできる中間スペースに、少なくとも部分的に鋼鉄を充填することによって、カソード構造体を単純かつ低コストに製作できることが判明した。このカソード構造体は、多様な深さを持つ溝によって、カソード構造体の長さにわたってほぼ均質な垂直の電流分布が達成されていることを特徴とし、同時に、多様な深さを持つ溝にもかかわらず、低い電気抵抗率及び母線とカソードブロックとの間の低い接触抵抗を持続的に保持し、かつ、温度変化が大きい場合にも、亀裂などの機械的損傷に対して安定している。従来技術から知られているカソード構造体では、従来の棒状の母線を挿入する場合、溝の深さがカソードブロックの長さにわたって変化することで生じる中間スペースの追加容積が、全体的又は部分的に鋳鉄で満たされている。しかし、鋳鉄量の増加は、鋳鉄を鋳込む際の熱入力がたかまることを意味しており、このことが熱応力の増加を引き起こし、その結果、状況によっては電気分解の際にはじめてカソードブロックに亀裂が発生することがあり、このことが作動状態の悪化を招いたり、さらには全電解槽が早期に故障したりする原因となり得る。さらに、そのような大きな鋳鉄層により、母線とカソードブロックとの間の電気的接触が、それらの間にある鋳鉄によって悪化する。なぜなら、電解槽の作動温度は８５０〜９５０℃であり、鋳鉄の硬化温度である約１１５０℃よりも明らかに低いため、硬化時点から電解槽の作動までの間に鋳鉄層が純収縮するからである。この欠点は、特許文献１ですでに、中間スペースに少なくとも部分的に鋼鉄製のプレートを装填することや、形状を溝形に適合させた母線を使用することが提案されている。しかし、これらの解決方法は、プロセス技術面での複雑性を高める結果となる。これに加え、とくに、形状を溝形に適合させる母線の製造コストも高くなる。本発明に基づき、中間スペースに鋼鉄を充填する、すなわち従来の母線の材料である金属を充填することにより、温度変化が生じた場合、とくに急激な温度変化が生じた場合でも、この材料は母線と同じ状態であるので、純収縮が確実に回避され、それによって中間スペースにおける電気的接触の悪化も確実に防止される。中間スペースの充填は、鋼鉄から成る１つ又は複数の充填材によって実施することができ、充填材は、鋳造、延圧、フライス加工又はその他の適合する成形プロセスを用いて個別に製造可能である。これにより、本発明に基づく解決方法の準備及び適用が、とくに簡単、迅速かつ低コストに実現される。 In accordance with the present invention, a wall that borders at least one groove with various depths by inserting rod-shaped bus bars into the grooves of cathode blocks with various depths as viewed over the length of the cathode block; It has been found that the cathode structure can be manufactured simply and at low cost by at least partially filling the intermediate space formed between the two with steel. This cathode structure is characterized by a substantially uniform vertical current distribution over the length of the cathode structure by grooves with various depths, and at the same time, with grooves having various depths. Regardless, it maintains a low electrical resistivity and low contact resistance between the bus bar and the cathode block, and is stable against mechanical damage such as cracks even when the temperature change is large. In the cathode structure known from the prior art, when inserting a conventional bar-shaped busbar, the additional volume of the intermediate space resulting from the change of the groove depth over the length of the cathode block is totally or partially Filled with cast iron. However, an increase in the amount of cast iron means that the heat input when casting cast iron is accumulated, which causes an increase in thermal stress. Cracks may occur, which may cause deterioration of the operating state and may cause the entire electrolytic cell to fail at an early stage. Furthermore, such a large cast iron layer exacerbates the electrical contact between the bus bar and the cathode block due to the cast iron between them. This is because the operating temperature of the electrolytic cell is 850 to 950 ° C., which is clearly lower than the cast iron curing temperature of about 1150 ° C., so that the cast iron layer undergoes pure shrinkage between the time of curing and the operation of the electrolytic cell. is there. This drawback has already been proposed in US Pat. No. 6,057,086, in which an intermediate space is at least partially loaded with a steel plate or a busbar whose shape is adapted to the groove shape. However, these solutions result in increased process technology complexity. In addition to this, in particular, the manufacturing cost of the bus bar whose shape is adapted to the groove shape also increases. In accordance with the present invention, if the temperature change is caused by filling the middle space with steel, i.e. the metal which is the material of the conventional busbar, this material will be used even if a sudden temperature change occurs. Therefore, the net contraction is reliably avoided, thereby preventing the deterioration of the electrical contact in the intermediate space. The filling of the intermediate space can be carried out with one or more fillers made of steel, which can be produced individually using casting, rolling, milling or other suitable forming processes. . Thereby, the preparation and application of the solution according to the invention is realized in a particularly simple, quick and low cost manner.
本発明の好ましい実施形態によれば、中間スペースの少なくとも５０％、好ましくは少なくとも７５％、とくに好ましくは少なくとも９０％、とりわけ好ましくは少なくとも９５％、極めて好ましくは少なくとも９８％、もっとも好ましくは１００％に鋼鉄が充填される。 According to a preferred embodiment of the invention, at least 50%, preferably at least 75%, particularly preferably at least 90%, particularly preferably at least 95%, very particularly preferably at least 98%, most preferably 100% of the intermediate space. Filled with steel.
本発明の発展形態では、中間スペースに少なくとも部分的に充填される鋼鉄が、好ましくは、少なくとも１つの母線を構成している鋼鉄と同じであることが提案される。この場合、両方の材料の熱膨張係数は同じであるため、電解槽を加熱して作動温度に設定する際に、母線と、中間スペースに少なくとも部分的に充填されている鋼鉄との間で生じる機械的応力が確実に最小化される。 In a development of the invention, it is proposed that the steel which is at least partially filled in the intermediate space is preferably the same as the steel constituting the at least one busbar. In this case, the coefficient of thermal expansion of both materials is the same, so when heating the electrolytic cell to set the operating temperature, it occurs between the busbar and the steel that is at least partially filled in the intermediate space Mechanical stress is reliably minimized.
好ましくは、母線の材料及び中間スペースに充填する成形物の材料として、ここでは、非常に高い導電性を持つ鋼鉄が使用される。この鋼鉄は、例えば、０．１％未満の低い炭素含有量、０．１％未満のシリコン含有量、及び０．０５％未満のリン含有量によって特徴づけられる。 Preferably, steel having a very high conductivity is used here as the material for the busbars and the material for the molding filling the intermediate space. This steel is characterized, for example, by a low carbon content of less than 0.1%, a silicon content of less than 0.1% and a phosphorus content of less than 0.05%.
本発明のとくに好ましい実施形態によれば、中間スペースの少なくとも５０％、好ましくは少なくとも７５％、とくに好ましくは少なくとも９０％、とりわけ好ましくは少なくとも９５％、極めて好ましくは少なくとも９８％に鋼鉄が充填されており、この鋼鉄と、多様な深さを持つ少なくとも１つの溝を境界づける壁との間に鋳鉄が設けられている。この鋳鉄により、中間スペースに少なくとも部分的に充填されている鋼鉄及び少なくとも１つの母線が、有利にカソード構造体のカソードブロックと機械的に接続され、このとき、鋼鉄は、中間スペースの少なくとも５０％及び好ましくは少なくとも９０％に充填されていることから、必要な鋳鉄の量は比較的少ないため、鋳鉄による中間スペースの充填に関して前述した欠点は、少なくともほぼ克服される。 According to a particularly preferred embodiment of the invention, at least 50%, preferably at least 75%, particularly preferably at least 90%, particularly preferably at least 95%, very particularly preferably at least 98% of the intermediate space is filled with steel. And cast iron is provided between the steel and the wall bounding at least one groove of varying depth. With this cast iron, the steel and at least one busbar which are at least partially filled in the intermediate space are advantageously mechanically connected to the cathode block of the cathode structure, wherein the steel is at least 50% of the intermediate space And preferably because it is at least 90% full, the amount of cast iron required is relatively small, so that the disadvantages mentioned above for filling the intermediate space with cast iron are at least almost overcome.
本発明のもう１つの実施形態によれば、中間スペースの少なくとも５０％、好ましくは少なくとも７５％、とくに好ましくは少なくとも９０％に鋼鉄が充填されており、母線と、多様な深さを持つ少なくとも１つの溝を境界づける壁との間に、鋼鉄から成る１つ又は複数のプレート又は球体が設けられている。 According to another embodiment of the invention, at least 50%, preferably at least 75%, particularly preferably at least 90% of the intermediate space is filled with steel, the busbars and at least one of varying depths. One or more plates or spheres of steel are provided between the walls that bound the two grooves.
電気分解作動中に、カソードブロック表面にとくに均等な垂直の電流密度分布を達成するため、本発明の発展形態では、多様な深さを持つ少なくとも１つの溝の少なくとも１つ及び好ましくは全ての溝において、長手側の両端部の溝深さが中心部の溝深さよりも浅くなっている。このようにして、電気分解作動時に供給される電流を、カソードブロックの全長にわたって均等に分配することが可能になることから、カソードブロックの長手側端部における過度の電流密度が回避され、かつカソードブロックの端部における早期の摩耗が防止される。そのような均等な電流密度分布がカソードブロックの長さにわたって達成されることによって、さらに、電気分解時には電磁場の相互作用によって引き起こされるアルミニウム融剤内の動きも防止されることから、アルミニウム融剤の表面上の比較的低い高さにアノードを配置することが可能となる。これにより、アノードとアルミニウム融剤との間の電気抵抗が小さくなり、実施される溶融塩電解のエネルギー効率が上昇する。 In order to achieve a particularly uniform vertical current density distribution on the cathode block surface during electrolysis operation, in a development of the invention, at least one and preferably all of the at least one groove with various depths. The groove depth at both ends on the long side is shallower than the groove depth at the center. In this way, the current supplied during the electrolysis operation can be evenly distributed over the entire length of the cathode block, so that excessive current density at the longitudinal end of the cathode block is avoided, and the cathode Premature wear at the end of the block is prevented. By achieving such a uniform current density distribution over the length of the cathode block, it also prevents movement in the aluminum flux caused by electromagnetic field interactions during electrolysis, so It is possible to place the anode at a relatively low height above the surface. Thereby, the electrical resistance between an anode and an aluminum flux becomes small, and the energy efficiency of molten salt electrolysis performed increases.
好ましくは、少なくとも１つの溝のそれぞれが、少なくともほぼ矩形の断面、好ましくは矩形の断面を有している。 Preferably, each of the at least one groove has at least a substantially rectangular cross section, preferably a rectangular cross section.
同様に、好ましくは、少なくとも１つの母線が、少なくともほぼ直方体形状又は棒状、好ましくは直方体形状又は棒状に形成されている。 Similarly, preferably, at least one bus bar is formed in at least a substantially rectangular parallelepiped shape or rod shape, preferably a rectangular parallelepiped shape or rod shape.
本発明の好ましい実施形態によれば、カソードブロックの長さにわたって見て、多様な深さを持つ少なくとも１つの溝を備えたカソードブロックを準備し、この少なくとも１つの溝の中に少なくとも１つの好ましくは棒状の母線を挿入し、少なくとも１つの母線と、多様な深さを持つ少なくとも１つの溝を境界づける壁との間の中間スペースに１つ又は複数の鋼鉄製の成形物を少なくとも部分的に充填することによって本発明に基づくカソードブロックが得られ、また、このようにして本発明に基づくカソードブロックを得るのがとくに好ましい。 According to a preferred embodiment of the present invention, there is provided a cathode block with at least one groove having various depths as viewed over the length of the cathode block, and at least one preferably in the at least one groove. Inserts a bar-shaped busbar and at least partially forms one or more steel moldings in an intermediate space between at least one busbar and a wall that bounds at least one groove of varying depth By filling, a cathode block according to the invention is obtained, and it is particularly preferred to obtain a cathode block according to the invention in this way.
この実施形態では、前述した理由から、例えば中間スペースの少なくとも５０％、好ましくは少なくとも７５％、とくに好ましくは少なくとも９０％というように中間スペースの一部にのみ１つ又は複数の鋼鉄製の成形物を充填し、これらの成形物と、多様な深さを持つ少なくとも１つの溝を境界づけるカソードブロックの壁との間に鋳鉄融液を注入し、この鋳鉄融液を硬化させるのがとくに好ましい。 In this embodiment, for the reasons mentioned above, one or more steel moldings only in a part of the intermediate space, for example at least 50% of the intermediate space, preferably at least 75%, particularly preferably at least 90%. It is particularly preferred to cast a cast iron melt between these moldings and the walls of the cathode block bordering at least one groove with various depths and to cure the cast iron melt.
本発明のもう１つの対象は、少なくとも１つの前述したカソードブロックを備えるカソード構造体である。 Another subject of the present invention is a cathode structure comprising at least one cathode block as described above.
最後に、本発明は、金属を製造する溶融塩電解、好ましくはアルミニウムを製造する溶融塩電解を実施するための、前述したカソード構造体の使用にも関する。 Finally, the invention also relates to the use of the cathode structure described above for carrying out molten salt electrolysis for producing metals, preferably for producing aluminum.
以下に、例示のみで有利な実施形態を用いて、添付の図を参照しながら本発明を説明する。 In the following, the invention will be described by way of example and advantageous embodiment with reference to the accompanying drawings.
図１は、本発明の実施形態に基づくカソード構造体１２’の長手方向断面図であるが、上下が逆に示されている。このカソード構造体１２’は、底面に溝２６が設けられているカソードブロック２０を備え、この溝の深さは溝２６の長さにわたって変化しており、とくに、溝２６は、その中心部よりもその長手方向の両端部で深さがより浅くなっている。溝２６の長手方向の両端部の溝深さとカソードブロックの長手方向の中心部に当たる溝２６の溝深さとの違いは、本実施形態では約５ｃｍである。この場合、溝２６の長手方向両端部における溝２６の深さは約１６ｃｍであり、これに対してカソードブロックの長手方向の溝２６の中心部に当たる溝２６の深さは約２１ｃｍである。それぞれの溝２６の幅４４は、溝の全長にわたって約１５ｃｍでほぼ一定しており、これに対してカソードブロック２０の幅４６はそれぞれ約４２ｃｍである。溝２６の中には、棒状に形成された、矩形の長手方向断面を有する母線２８配置されており、母線２８と溝底面３４との間には、溝２６の中心部に向かって大きくなる中間スペース５６がある。本発明に基づき、この中間スペース５６には、少なくとも部分的に、及び図１に示されたケースでは全体に、母線２８と同じ鋼鉄が充填されている。
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a cathode structure 12 'according to an embodiment of the present invention, but upside down. The cathode structure 12 'includes a cathode block 20 having a
１２、１２’ カソード構造体
２０ カソードブロック
２６ 溝
２８ 母線
３４ 底面壁
５６ 中間スペース
12, 12 ′ Cathode structure 20
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