JP6799149B2 - 溝形状を有するカソードブロック - Google Patents

Description

本発明は、新規溝形状を有する炭素系カソードブロック、そのカソードブロックを備えるアルミニウム電解槽用のカソード底部、及びそのカソード底部を含む電解槽に関する。

アルミニウムは、一般的に、電解槽として知られているものの中での溶融塩電解によって生成される。電解槽は、一般的に、鉄板又は鋼鉄製のタンクを備え、そのタンクの底部の内側が断熱材で覆われる。そのタンク内において、炭素又はグラファイト製の最大２８個のカソードブロックが電流源の負極に接続されて、追加のタンクの底部を形成し、その壁は炭素、グラファイト又は炭化ケイ素の側部ブロックから成る。二つのカソードブロックの間にはそれぞれ空隙が形成される。カソードブロックと任意で充填された空隙との配置構成体は一般的にカソード底部として知られている。カソードブロック同士の間の空隙は従来、コールタール系炭素及び／又はグラファイトのラミングペースト材で充填される。これが、溶融物に対する封止を提供し、動作中の機械的張力を補償するように機能する。電流源の正極に接続された支持構造上の炭素ブロックがアノードとして機能する。

このような電解槽内において、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）と氷晶石（Ｎａ_３ＡｌＦ_６）との溶融混合物、好ましくは略２％から５％の酸化アルミニウムと、略８５％から８０％の氷晶石と、追加の添加剤とが、略９６０度の温度で溶融塩電解される。この場合、溶融した酸化アルミニウムが固体炭素アノードと反応して、液体のアルミニウムと気体の二酸化炭素とを形成する。溶融混合物が保護外殻で電解槽の側壁を覆う一方で、アルミニウムは、その密度が溶融物の密度と比較して高いため、溶融物の下方で電解槽の底に集まり、大気中の酸素や二酸化炭素による再酸化から保護される。このようにして生成されたアルミニウムが電解槽から定期的に取り出されて、更に処理される。

電解中にアノードが消耗する一方で、カソード底部は大部分が電解中に化学的に不活性なままである。従って、アノードが動作寿命中に交換されることの多い消耗品である一方で、カソード底部は長期使用に向けて設計される。しかしながら、現状のカソード底部は摩耗を受ける。アルミニウム層がカソード底部の上を移動する結果として、カソード表面の機械的摩耗が生じる。また、炭化アルミニウムの形成とナトリウムの取り込みとによって、カソード底部の（電気）化学的腐食が生じる。アルミニウム生成用の経済的な工場とするために、通常は１００から３００個の電解槽が直列に接続され、また、そのような工場は典型的には少なくとも４年から１０年にわたって使用されるので、このような工場における電解槽のカソードブロックの故障及び交換は高価なものとなり得て、複雑な修理を要し、工場の収益性を著しく損なう。

電解槽の動作について、各カソードブロックは、アノードを介して供給された電流を伝える少なくとも一つのカソードバーを収容するための少なくとも一つの溝を有する。ここで、カソードバーは、鋼、銅、他の導電性金属、合金、金属複合材から成り得て、好ましくは鋼から成る。溝を画定するカソードブロックの各壁とカソードバーとの間の中間空間には通常は鋳鉄が鋳込まれ、これによって、鋳鉄とカソードバーの結合体が生じる。この溝の充填によって、動作中にカソードバーがカソードブロックに電気的且つ機械的に接続されることが保証される。この鋳込み工程は「ロッディング（ｒｏｄｄｉｎｇ，ロッド化）」としても知られている。この工程に続いて、カソードバーと鋳鉄とカソードブロックとから成る組み立て体を１８０°回転させて、動作位置として知られている位置にして、槽内に設置する。本発明に関して、動作位置とは、カソードバー用の溝の開口が下向きであることを意味する。次いで、略９６０℃の動作温度にして、数年間にわたって連続的に動作させる。

動作位置に回転させる間や設置中にバスバーが落下する可能性に関して、溝の幾何学的形状でそれに対処することが知られている。蟻溝形状（図１ａ及び図１ｂを参照）を用いると、蟻溝によって、カソードバーと鋳鉄の結合体が溝内に固定されるので、鋳込み済みのカソードバーの落下が防止される。しかしながら、この場合、カソードブロックの熱膨張率（ＣＴＥ，ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）と比較して、カソードバーと鋳鉄の結合体のＣＴＥが略３〜５倍異なるので、ロッディング工程の冷却及び設置用の配置構成体の回転後には、カソードバーと鋳鉄の結合体とカソードブロックの溝の底との間には０．５ｍｍから１０．０ｍｍの空隙が生じる。熱膨張率（ＣＴＥ）は熱膨張を特徴付けるものであって、温度変化に対する寸法の変化についての物質の振る舞いを記述する。ＣＴＥは、２００５年７月１日付のＩＳＯ１４４２０に従って測定される。

動作温度への加熱の際に、カソードバーと鋳鉄の結合体の膨張が生じて、機械的圧力が、それほど強く膨張していないカソードブロックに働く。これは、溝の側壁に対して強く、カソードブロックの溝の底に対して弱く生じる。結果として、カソードブロックにひび割れが生じ得て、液体のアルミニウムや溶融物がブロック内に入り込み、最終的にはカソードブロックの寿命を短くし得る。

溝は典型的にはカソードブロックを画定する三つの壁を有する。勿論、矩形の溝の場合には、カソードブロックの動作側に平行に延伸する壁が溝の底と称される。カソードブロックの動作側とは、アルミニウム溶融物と接触することになるカソードブロックの側として理解されるものである。カソードの長側面に平行に延伸する溝の壁は側壁と称される。溝を画定する壁を溝の側壁と底と称することは、そのような区別が不可能である円形溝の場合を除いては、原理的には全ての溝形状に当てはまる。

側壁と比較して溝の底に対する接触圧が小さい結果として、溝の底に対する接触抵抗は、カソードブロックの側面における接触抵抗よりも常にはるかに高い。冷却状態で０．５ｍｍの空隙の場合、略２５０Ωｍｍ^２（８００℃から９５０℃の動作温度で測定）という溝の底に対する接触抵抗は、略１０Ωｍｍ^２というカソードブロックの溝の側壁に対するものの略２５倍である。接触抵抗とは、二つの相互に隣接する導体の間の電気抵抗として理解されるものであり、このような配置構成体における全抵抗と個々の抵抗の和との間の差として求めることができるものであり、各抵抗自体は電流電圧測定等の典型的な方法を用いて決定される。冷却状態における１．５ｍｍの空隙寸法は、動作中に継続的にみれば溝の底と接触していないとするのに十分なものである。槽のカソード抵抗は、接触している場合よりも溝の底に接触していない場合において略１０％高い。槽のカソード抵抗とは、カソードブロックの動作側から、カソードバーを介して端面の外に出て行くまで電流がカソードブロックを流れる際に生じる電気抵抗として理解されるものである。カソード抵抗が増大すると、それに応じてカソード電圧低下（ＣＶＤ，ｃａｔｈｏｄｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｄｒｏｐ）が最大で１０％大きくなる。カソード電圧低下は、使用されるカソードブロックの物質、カソードバーと鋳鉄の結合体、及び、これら二つの構成要素の間の接触抵抗によって決まる。ＣＶＤが大きくなると、槽電圧が高くなり、生成されるアルミニウムの質量当たりの比エネルギー消費も高くなる。

更なる欠点は、氷晶石（Ｎａ_３ＡｌＦ_６）の溶融物からの拡散の結果としてのカソード底部へのナトリウムの取り込みによって、カソードブロックの幾何学的形状が膨張することで、溝の幾何学的形状も膨張することである。この結果は、空隙が生じるか広がり、カソードバーと鋳鉄の結合体の接触圧が小さくなり、接触抵抗が高くなり、ＣＶＤが大きくなるというものである。

バスバー又は鋳鉄とカソードブロックとの間の電気抵抗を小さくし、輸送抵抗を小さくするため、特許文献１に開示されているカソードブロックでは、少なくとも一つの溝が特定の領域においてグラファイト箔で覆われ、少なくとも一つの溝の中に、少なくとも特定の領域において鋳鉄の覆いを有する少なくとも一つのバスバーが提供され、少なくとも一つの溝を画定するカソードブロックの壁に少なくとも一つの窪みが設けられ、鋳鉄の覆いが少なくとも一部において少なくとも一つの窪みに嵌まっている。この場合、鋳鉄で覆われたバスバーとカソードブロックとの間には確実な機械的接続が得られ、グラファイト箔で内側が覆われた溝からバスバーが落下することが防がれる。窪みは半円形、三角形、矩形、又は台形の断面を有し得て、台形の断面の場合、台形の長い方の底辺が溝の壁の表面上に位置する。

特許文献２に開示されているカソードブロックでは、バスバーに圧入部が設けられ、カソードブロックは溝の表面全体にわたる凸部を有する。凸部は三角形、矩形、正方形、台形、又はシヌソイダル型の断面を有し、台形の断面の場合、台形の長い方の底辺が溝の壁の表面上に位置する。このカソードブロックでは、圧入部を有するバスバーが配置されて、鋳鉄が使用されないので、バスバーとカソードブロックとの間の電気輸送抵抗が小さくなる。

独国特許出願公開第１０２０１１００４００９号明細書 スイス特許出願公開第６６３６２４号明細書 独国特許出願公開第１００３９２７号明細書

Ｗｉｌｋｅｎｉｎｇ、Ｃｏｔｅ、"Ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｔｕｂ‐Ａｎｏｄｅ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ"、Ｌｉｇｈｔ Ｍｅｔａｌｓ、２００７年、ｐ．８６５−８７３

従って、本発明の目的は、電解槽の動作中に、特に長期の電解期間にわたって継続的に低い電気抵抗を有し、また、カソードバー又は鋳鉄とカソードブロックとの間の低い接触抵抗を有するアルミニウム電解槽用の代替的なカソードブロックを提供することである。また、低い接触抵抗に起因して、カソードブロックは僅かなカソード電圧低下を有し、その結果として、槽のエネルギー損失と、生成されるアルミニウムの質量当たりの比エネルギー消費とが低くなる。

本目的は、アルミニウムを生成するための電解槽用の炭素系のカソードブロックによって達成され、そのカソードブロックは少なくとも一つのカソードバーを収容するための少なくとも一つの溝を有し、少なくとも一つの溝は、少なくとも部分的に溝の長手方向に延伸し少なくとも一つのアンダーカットを有する少なくとも一つの凹部を有する。

長手方向に延伸する凹部とは、カソードブロックの一方の短側面から他方の短側面へと延伸している、つまり端面として知られている面と面との間で延伸するものとして理解される（図１ａを参照）。少なくとも部分的に長手方向に延伸する凹部とは、凹部が必ずしもカソードブロックの全長にわたって延伸せずに、部分的にのみ存在してもよいことを意味する。有利には、カソードブロックは、カソード長さにわたって連続している少なくとも一つの凹部、及び／又は、二つから八つの凹部部分を有し、好ましくは二つから三つの凹部部分が存在する。凹部部分は、カソードブロックを流れる電流に目的通り局所的に影響を与えることができるという利点を有する。凹部部分の最大長さは有利には、二つの凹部部分の場合にはカソード長さの１／３であり、八つの凹部部分の場合にはカソード長さの少なくとも１／２０である。八つよりも多い凹部部分には、全長にわたる連続的な凹部と相違せず、また、八つよりも多い凹部部分の場合には、連続的な凹部を使用する方が技術的に容易である。

断面図で見た場合、つまりカソードブロックの端面を見た場合に、カソードブロックは少なくとも一つの凹部を有し、その凹部の数は凹部のサイズに依存し、二つの凹部間の間隔は有利には、隣接する凹部の円の半径の合計よりも少なくとも１０ｍｍ大きい。

本発明に関して、型（モールド）がアンダーカットを有する凹部とみなされるものであり、例えば、液体の鋳鉄を凹部に充填した後では、型を破壊せずに凝固した鋳鉄を凹部から取り出すことができないものである。この場合、カソードブロックの長手方向にずらすことによる取り出しは考慮されない。

以下、この点について、アンダーカットを有する凹部の例（図２を参照）を用いて、本発明を限定することなく説明する。図２の断面図のカソードブロックの実施形態によると、凹部（５、５’）は開口した円を有し、その直径は５０ｍｍであり、溝に向かう円の開口の幅は１０ｍｍである。従って、開口した円の直径は、開口した円の開口幅よりも大きい。流し込んだ鋳鉄が硬化すると、その凹部の形状に起因して、鋳鉄は凹部から落下することができず、また破壊せずに凹部から取り出すことができないものとなる。従って、凹部の形状の結果として、つまりアンダーカットが存在していることによって、硬化した鋳鉄が型の中に固定される。

アンダーカットを有する凹部によって、溝内のカソードバーの固定及び位置決めが改善され、ロッディング工程での冷却と動作位置へのカソードブロックの回転に続いて生じるカソードバーと鋳鉄の結合体とカソードブロックとの間の空隙が０．５ｍｍ未満に減少する。この減少は、電解槽の動作温度にカソードブロックを加熱した際に、溝の底での接触抵抗を１〜３Ωｍｍ^２に減少させ、これは８倍から２５倍の改善に相当する。この改善が今度は２０〜５０ｍＶの小さなカソード電圧降下（ＣＶＤ）をもたらす。カソード電圧低下が小さくなると、槽のエネルギー損失が１％から２％低くなり、つまり、生成されるアルミニウムの質量当たりの比エネルギー消費が１％から２％低くなる。

有利には、長手方向に延伸する少なくとも一つの凹部は、断面図において、溝に向けて開口している円の形状、又は溝に向けて開口している円と軸部との形状を有し、その開口は円の直径よりも小さくなるように構成される。断面図とは、長手軸に垂直に切断した物体の切断面を表すものとして理解されるものである。作用力は円形部分にわたって均一に分布して、全表面にわたって接触圧が印加されるので、凹部の円形部分は機械的張力を減少させる。

本発明の更なる好ましい実施形態によると、少なくとも一つの凹部の開口した円、又は、軸部を有する少なくとも一つの凹部の開口した円は、５ｍｍから６０ｍｍ、好ましくは１０ｍｍから４５ｍｍ、特に好ましくは１５ｍｍから３０ｍｍの幅を有する。軸部の幅が５ｍｍよりも大きいと、鋳鉄が凹部内に流れ込み易く、凹部を完全に充填することができる。軸部が６０ｍｍよりも大きな幅を有する場合には、アンダーカットを有する凹部が存在しなくなる。

有利には、少なくとも一つの凹部の軸部は３ｍｍから３０ｍｍ、好ましくは５ｍｍから２０ｍｍ、特に好ましくは１０ｍｍから１５ｍｍの深さを有する。本発明に関して、その深さとは、溝からカソードブロックの外側方向に向かう凹部の軸部の長さとみなされる。軸部の深さが３０ｍｍよりも大きいと、過度の引張応力が生じて、カソードブロックが裂け始める。軸部の深さが３ｍｍ未満であると、円の開口において過度の引張応力が生じて、カソードブロックが破断し始める。カソードブロックのひび割れは、カソードブロックの寿命を短くし、更には電解槽の完全な故障にもつながる。

有利には、断面図において、少なくとも一つの凹部の軸部の壁は、互いに平行であるか又は非平行であり、特に好ましくは平行である。

本発明の更なる好ましい実施形態によると、少なくとも一つの凹部の軸部は、円の開口から垂直に溝に向かって狭くなる又は広くなるように延伸する。狭くなるとは、円の開口から溝に向かって軸部の幅が小さくなることを意味し、広くなるとは、その幅が大きくなることを意味するものとして理解される。

本発明の更に他の好ましい実施形態によると、長手方向に延伸する少なくとも一つの凹部は、カソードブロック長さにわたって見た場合に、溝の底に対して変化している全深さを有し、少なくとも一つの凹部は、カソードブロックの中央よりもカソードブロックの長手方向端部において小さな全深さを有する。この変化している全深さは、溝の全容積を減らして、必要な鋳鉄を減らすという利点を有する。また、生じる熱応力が小さくなり、このことが今度は、カソードブロックに対する鋳鉄の小さな接触圧に起因してひび割れの危険性を減らす。

本発明の更に他の好ましい実施形態によると、長手方向に延伸する少なくとも一つの凹部は、５ｍｍから８０ｍｍ、好ましくは１０ｍｍから５０ｍｍ、特に好ましくは１５ｍｍから３５ｍｍの全深さを有する。５ｍｍから８０ｍｍという凹部の全深さは、凹部を鋳鉄で問題なく完全に充填することを可能にし、充填された凹部の機械的安定性を向上させる。８０ｍｍよりも大きな全深さでは、安定性を損なう引張応力が大きくなってくる。５ｍｍ未満の全深さでは、その表面の幾何学的形状が小さ過ぎて、有利な効果は生じない。

有利には、少なくとも一つの凹部は、溝の底に位置し、及び／又は、溝の溝角部（溝半径部，ｓｌｏｔ ｒａｄｉｕｓ）に位置し、及び／又は、溝の溝角部に接触する。

本発明において、溝角部とは、溝の側壁と溝の底との間の移行領域を意味するものとして用いられている。図１ｂに断面図で示される溝では、移行領域の（１１，１１’）がこの領域の始点を示し、（１２，１２’）が移行領域の終点を示している。移行領域を用いることで、そこに起因する応力とひび割れを最小にする。選択された凹部の配置構成を用いることで、溝の底にカソードバーと鋳鉄の結合体を最適に固定することができ、これによって、カソードバーと鋳鉄の結合体とカソードブロックとの間の接触が改善される。

有利には、開口した円同士の中心点と中心点との間の最小間隔は、隣接する凹部の円の半径の和よりも少なくとも１０ｍｍ大きい。開口した円同士の中心点と中心点との間の間隔が小さくなると、ひび割れが生じて、機械的安定性が損なわれる。

本発明の更なる好ましい実施形態によると、少なくとも一つの凹部は、鋳鉄で充填され、又は、導電性金属（好ましくは銅）と鋳鉄との組み合わせで充填される。導電性金属はカソードに沿った電流分布を均一にする。また、動作中における溝の底に対するカソードバーの接触圧が、カソードの炭素材に対して導電性金属が大きく膨張することによって、増大する。本発明に関して、鋼、銅、他の導電性金属、合金、金属複合材、好ましくは鋼又は銅がその導電性金属として検討される。

本発明の更に他の実施形態によると、鋳鉄は、２．０ｗｔ％よりも多い、好ましくは２．５ｗｔ％よりも多い、特に好ましくは３．０ｗｔ％よりも多い炭素含有量と、１．８ｗｔ％よりも多い、好ましくは２．０ｗｔ％よりも多い、特に好ましくは２．５ｗｔ％よりも多いケイ素含有量と、０．５ｗｔ％よりも多い、好ましくは０．８ｗｔ％よりも多い、特に好ましくは１．０ｗｔ％よりも多いリン含有量とを有する。非特許文献１によると、鋳鉄についての炭素飽和レベルＳｃは、Ｓｃ＝％Ｃ／（４．２３−０．３１２Ｓｉ−０．３３Ｐ＋０．０６６Ｍｎ）％によって与えられ、ここで、％Ｃは炭素含有量であり、Ｓｉ、Ｐ、Ｍｎはそれぞれ対応する元素の含有量である。特定の状況では、過共晶炭素濃度（過飽和）が可能であり、Ｓｃが１よりも大きくなり得る。

本発明に関して、有利には、少なくとも一つの凹部が、鋳鉄で少なくとも５０％充填され、好ましくは少なくとも８０％充填され、特に好ましくは少なくとも９０％充填され、最も好ましくは１００％充填される。５０％未満の充填の場合、空隙の形成と接触圧の消失とが生じ得て、カソードバーと鋳鉄の結合体とカソードブロックとの間の接触が損なわれる。

本発明の更に他の好ましい実施形態によると、少なくとも一つの凹部は、鋳鉄よりも高い導電率を有する導電性金属で最大１０％充填され、好ましくは最大２５％充填され、特に好ましくは最大５０％充填される。凹部の残りの未充填の部分は最大で１００％の充填レベルまで鋳鉄で充填される。導電性金属で充填することによって、カソードに沿った電流分布が均一になる。５０％を超えると、残りの空間を鋳鉄で充填することの著しい妨げとなる。導電性金属での凹部の充填が１０％未満の場合には、電流分布の均一化という効果が生じない。

好ましくは、充填材の導電性金属は箔又はロッドの形状のものである。ロッド又は箔を使用することで、導電性金属、例えば銅を注ぎ込む場合と比較して経済的で単純な製造方法を可能にする。

有利には、導電性金属箔は０．２ｍｍから３．０ｍｍ、好ましくは０．５ｍｍから２．０ｍｍ、特に好ましくは０．８ｍｍから１．５ｍｍの厚さを有する。

本発明の更なる好ましい実施形態によると、導電性金属ロッドは、矩形、三角形、円形、又は扇形の断面形状を有する。本発明に関して、扇形とは、円弧と弦とによって画定された円の部分領域として理解される。これには、例えば、半円の断面形状が含まれる。

本発明の更に他の好ましい実施形態によると、円形の導電性金属ロッドは、１０ｍｍから４０ｍｍ、好ましくは１５ｍｍから３０ｍｍ、特に好ましくは２０ｍｍから２５ｍｍの直径を有する。

好ましくは、カソードバーを収容するための少なくとも一つの溝は矩形又は蟻溝の断面形状のものであり、好ましくは蟻溝形状である。

有利には、カソードブロックの少なくとも一つの溝は変化している深さを有し、その溝は、カソードブロックの中央よりもカソードブロックの長手方向端部において小さな深さを有する。結果として、電解槽の動作中において、カソードブロックの長さにわたって均一な垂直電流分布が得られることによって、カソードブロック端部において大きくなる摩耗が減り、カソードの寿命が延びる。

本発明の更に好ましい実施形態によると、少なくとも一つの溝の内側は、カソードブロックの長手方向端部からカソード長さの１／３にわたって少なくとも部分的に、好ましくは全長にわたってグラファイト箔で覆われる。グラファイト箔は、グラファイト用接着剤、例えば、合成樹脂系のグラファイト充填接着剤で接着され、固定され、又は単純に置かれる。

グラファイト箔は、天然グラファイトと、人造グラファイトと、膨張グラファイトとから成る群から選択されたグラファイトを含み得る。膨張グラファイトは、例えば特許文献３に開示されているようにして得ることができるものである。

本発明の更なる好ましい実施形態によると、好ましくは、グラファイト箔は膨張グラファイトから成り、又は少なくとも部分的に膨張グラファイトを含む。このようなグラファイト箔の使用は、その圧縮性によって、カソードバーと鋳鉄の結合体とカソードブロックとの間の持続的な接触を可能にするので、カソードブロックに沿ったより均一な電流分布をもたらし、また、溝の機械的負荷を減らす。また、グラファイト箔を使用すると、カソードブロック及び鋳鉄層の表面構造にグラファイト箔が適合するので、有効接触面積が大きくなる。

有利には、グラファイト箔は０．２ｍｍから３．０ｍｍの間、好ましくは１．０ｍｍから３．０ｍｍの間、特に好ましくは１．５ｍｍから２．０ｍｍの間の厚さを有する。グラファイト箔が接触面積を広げるので、僅か０．２ｍｍ以上の厚さで接触抵抗が減る。３．０ｍｍよりも大きな厚さでは、展延性が制限されて、グラファイト箔の取り扱いが難しくなる。

本発明の更に他の好ましい実施形態によると、カソードブロックは、少なくとも５０ｗｔ％、好ましくは少なくとも７０ｗｔ％、特に好ましくは少なくとも９０ｗｔ％、最も好ましくは少なくとも９９ｗｔ％の炭素を含む物質製である。

この場合、炭素は、アモルファス炭素、グラファイト質炭素、グラファイト化炭素、又はこれら炭素材料のうち二種以上の所望の混合物から選択され得る。

本発明は、上述のようなカソードブロックを少なくとも一つ含むカソード底部に更に関する。好ましくは、カソード底部は上述のようなカソードブロックを８個から３６個含む。

更に、本発明は、上述のようなカソード底部を少なくとも一つ含むアルミニウム生成用の電解槽に関する。

以下、単に例として、添付図面を参照して有利な実施形態に基づいて、本発明を説明する。

鋳鉄が鋳込まれたカソードバーを有するカソードブロックの動作位置における斜視図を示す。 鋳鉄が鋳込まれたカソードバーを有するカソードブロックの動作位置における断面図（図１ａの線Ａに沿った断面図）を示す。 鋳鉄が鋳込まれたカソードバーを有するカソードブロックの動作位置における断面図を示す。 本発明に係る更なる実施形態の鋳鉄が鋳込まれたカソードバーを有するカソードブロックの動作位置における断面図を示す。 本発明に係る更なる実施形態の鋳鉄が鋳込まれたカソードバーを有するカソードブロックの動作位置における断面図を示す。 本発明に係る更なる実施形態の鋳鉄が鋳込まれたカソードバーを有するカソードブロックの動作位置における断面図を示す。 本発明に係る更なる実施形態の鋳鉄が鋳込まれたカソードバーを有するカソードブロックの動作位置における断面図を示す。 溝が変化していく深さを有し、溝がカソードブロックの中央よりもカソードブロックの長手方向端部において小さな深さを有しているカソードブロックの半分の動作位置における斜視図を示す。

図１ａは、鋳鉄が鋳込まれたカソードバーを有するカソードブロックの動作位置における斜視図を示す。

図１ｂは、鋳鉄が鋳込まれたカソードバー（３）を有するカソードブロック（１）の動作位置における断面図（図１ａの線Ａに沿った断面図）を示す。カソードバー（３）は、溝の側壁（６、６’）と溝の底（７）とによって形成された溝（２）の中に位置し、鋳鉄によって取り囲まれている。図示されている溝の形状は蟻溝である。溝角部の移行領域（１０、１０’）は、始点（１１、１１’）と終点（１２、１２’）との間で区切られた移行領域である。

図２は、鋳鉄が鋳込まれたカソードバー（３）を有するカソードブロック（１）の動作位置における断面図を示す。カソードバー（３）は、溝の側壁（６、６’）と溝の底（７）とによって形成された溝（２）の中に位置し、鋳鉄によって取り囲まれている。溝の底（７）には、グラファイト箔（４）と、アンダーカットを有する二つの凹部（５、５’）とが位置する。

図３は、鋳鉄が鋳込まれたカソードバー（３）を有するカソードブロック（１）の動作位置における断面図を示す。カソードバー（３）は、溝の側壁（６、６’）と溝の底（７）とによって形成された溝（２）の中に位置し、鋳鉄によって取り囲まれている。溝の底（７）にグラファイト箔（４）が位置する。アンダーカットと軸部とを有する二つの凹部（８）が、溝の底の溝角部に位置する。

図４は、鋳鉄が鋳込まれたカソードバー（３）を有するカソードブロック（１）の動作位置における断面図を示す。カソードバー（３）は、溝の側壁（６、６’）と溝の底（７）とによって形成された溝（２）の中に位置し、鋳鉄によって取り囲まれている。溝の底（７）にグラファイト箔（４）と、アンダーカットを有する二つの凹部（５、５’）が位置し、凹部は銅充填材（９、９’）を有する。銅充填材は液体で注ぎ込まれたものである。

図５は、鋳鉄が鋳込まれたカソードバー（３）を有するカソードブロック（１）の動作位置における断面図を示す。カソードバー（３）は、溝の側壁（６、６’）と溝の底（７）とによって形成された溝（２）の中に位置し、鋳鉄によって取り囲まれている。溝の底（７）にグラファイト箔（４）と、アンダーカットを有する二つの凹部（５、５’）が位置し、凹部は、断面図において円形のロッド（９、９’）を充填材として有する。

図６は、鋳鉄が鋳込まれたカソードバー（３）を有するカソードブロック（１）の動作位置における断面図を示す。カソードバー（３）は、溝の側壁（６、６’）と溝の底（７）とによって形成された溝（２）の中に位置し、鋳鉄によって取り囲まれている。溝の底（７）にグラファイト箔（４）と、アンダーカットと軸部とを有する三つの凹部（８）が位置する。

図７は、動作位置におけるカソードブロックの半分の斜視図を示し、溝は多様で変化している深さを有し、溝は、カソードブロックの中央よりもカソードブロックの長手方向端部において小さな深さを有する。カソードバー（３）は、溝の側壁（６、６’）と溝の底（７）とによって形成された溝（２）の中に位置し、鋳鉄によって取り囲まれている。アンダーカットと軸部とを有する二つの凹部（８）が、溝の底の溝角部、つまり、側壁（６、６’）と溝の底（７）との間の移行部に位置する。溝（２）は、カソードブロックの中央よりもカソードブロックの長手方向端部においてより小さな深さを有し、つまり、深さが変化している溝（１３）である。

以下、実施例に基づいて本発明を説明するが、実施例は本発明を限定するものではない。

［実施例１］
外寸５３０×４１０×３３６０ｍｍ^３（幅（Ｗ）×高さ（Ｈ）×長さ（Ｌ））のカソードブロックに、蟻溝を、溝の底と溝開口とで１８０ｍｍの幅を有し、溝の底と溝開口との間の半分の高さにおいて１６５ｍｍの幅に狭まり、半径２０ｍｍの溝角部を有するように削った。アンダーカットを有する二つの凹部を８０ｍｍの間隔で溝の底に対称に削った。このため、ボール直径３０ｍｍの球状カッターを使用し、ボールが深さ２５ｍｍだけ材料内に入り込むようにした。結果として、凹部の円形の開口はその直径よりも小さくなり、アンダーカットを形成した。厚さ２ｍｍのグラファイト箔を５０×３３６０ｍｍ^２（Ｗ×Ｌ）の寸法に切断し、長手方向端部からブロックの溝の底に敷設した。凹部をブロックの長手方向端部において１５０ｇのカソード材で閉じた。次いで、カソードバーを溝内に配置して、３５０ｋｇの鋳鉄で封止した。

［実施例２］
外寸５３０×４１０×３３６０ｍｍ^３（幅（Ｗ）×高さ（Ｈ）×長さ（Ｌ））のカソードブロックに、蟻溝を、溝の底と溝開口とで１８０ｍｍの幅を有し、溝の底と溝の開口との間の半分の高さにおいて１６５ｍｍの幅に狭まり、半径２０ｍｍの溝角部を有するように削った。カソードブロックの溝の底に、アンダーカットを有する二つの凹部を、二つの溝角部に対して４５°の角度で削った。この形状はボールノーズエンドミルを用いて形成され（ボールの直径１５ｍｍ、軸部の直径１０ｍｍ、凹部の全深さ１９ｍｍ）、掘削は一方の短側面（端面）から他方の短側面（端面）に向けて行われ、ミルのボールが材料内に完全に入り込むようにした。厚さ２ｍｍのグラファイト箔を１６５×３３６０ｍｍ^２（Ｗ×Ｌ）の寸法に切断し、長手方向端部からブロックの溝の底に敷設した。凹部をブロックの長手方向端部において１００ｇのカソード材で閉じた。次いで、カソードバーを溝内に配置して、３５０ｋｇの鋳鉄で封止した。

１ 短側面（端面）を示すカソードブロック
２ 鋳鉄で充填された溝
３ カソードバー
４ グラファイト箔
５、５’ アンダーカットを有する凹部
６、６’ 溝の側壁
７ 溝の底
８、８’、８” アンダーカット及び軸部を有する凹部
９ 銅
１０ 溝角部
１１、１１’ 移行領域の始点
１２、１２’ 移行領域の終点
１３ 深さが変化している溝

Claims (14)

1. アルミニウムを生成するための電解槽用の炭素系のカソードブロックであって、該カソードブロックが少なくとも一つのカソードバーを収容するための少なくとも一つの溝を有し、前記少なくとも一つの溝が少なくとも部分的に該溝の長手方向に延伸する少なくとも一つの凹部を有し、該凹部が少なくとも一つのアンダーカットを有し、前記アンダーカットを有する凹部は、少なくとも液体の鋳鉄を該凹部に充填した後では型を破壊せずに凝固した充填材を該凹部から取り出すことができない型であり、前記少なくとも一つの凹部が前記溝の底及び／又は前記溝の溝角部に位置する、カソードブロック。
2. 前記長手方向に延伸する少なくとも一つの凹部が、前記溝に向けて開口した円の断面形状、又は、前記溝に向けて開口した円及び軸部の断面形状を有し、前記円の開口が前記円の直径よりも小さくなるように構成されている、請求項１に記載のカソードブロック。
3. 断面図における前記少なくとも一つの凹部の軸部の壁が互いに平行である、請求項２に記載のカソードブロック。
4. 前記長手方向に延伸する少なくとも一つの凹部が前記カソードブロックの長さ方向に沿って前記溝の底に対して変化している全深さを有し、該少なくとも一つの凹部が前記カソードブロックの中央よりも前記カソードブロックの長手方向端部において小さな全深さを有する、請求項１又は２に記載のカソードブロック。
5. 前記長手方向に延伸する少なくとも一つの凹部が５ｍｍから８０ｍｍの全深さを有する、請求項１又は４に記載のカソードブロック。
6. 前記少なくとも一つの凹部が、導電性金属としての銅又は鋼と鋳鉄の組み合わせで充填されている、請求項１に記載のカソードブロック。
7. 前記少なくとも一つの凹部が鋳鉄で少なくとも５０％充填されている、請求項６に記載のカソードブロック。
8. 前記少なくとも一つの凹部が導電性金属で少なくとも１０％充填されている、請求項６に記載のカソードブロック。
9. 充填されている導電性金属が箔又はロッドの形状を有する、請求項６又は８に記載のカソードブロック。
10. 前記少なくとも一つの溝が変化している深さを有し、前記溝が前記カソードブロックの中央よりも前記カソードブロックの長手方向端部において小さな深さを有する、請求項１に記載のカソードブロック。
11. 前記少なくとも一つの溝の内側が前記カソードブロックの長手方向端部から前記カソードブロックの長さの１／３にわたってグラファイト箔で覆われている、請求項１に記載のカソードブロック。
12. 前記グラファイト箔が０．２ｍｍから３．０ｍｍの間の厚さを有する、請求項１１に記載のカソードブロック。
13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載のカソードブロックを少なくとも一つ含むカソード底部。
14. 請求項１３に記載のカソード底部を備える電解槽。

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