JPS6144192A - 低電圧降下型炭素陰極ブロツク及び炭素陰極 - 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。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明１１．ホール・エルー法に従い、浴融氷晶石中に
溶屏されたアルミナの電解によりアルミニウムを製造す
るための檜に使用される低電圧降下型陰極ブロックに係
る。本発明は更に、該モジュラー陰極ブロックから構成
された陰極に係る。

従来技術の説明 ホール・ニル−型電解槽の陰極は、下面に１個（又はし
ばしば２個）の開口溝を備える炭素ブロックアセンブリ
を並置し、正方形、長方形又は円形断面を有する鋼棒を
一般には鋳造により該層に封着し、列を形成する連続桁
間の接続導体な該層に連結することにより構成されてい
る。該ブロックは、一般に４電性が低く且つ厚さ数セン
チメートルのカーボンペースト、炭粒と粘土の混合物で
ある所絹ブラスクのペーストにより接合される。

該ペーストは、炭素ブロック上に電解により堆釈される
液体アルミニウムに対して耐漏洩性でなければならない
。その場合電流は液体アルミニウム層、炭素部分、棒・
ブａツク封着部、鋼棒を順に通り、接続導体を通って次
の檜に達する。

各材料配列は、接合条件及び印加表面に応じて接触過電
圧を生じる。この現！＆は、炭素封着接点。

即ち封着接点で特に顕著である。

この場合、総量圧降下は、炭素の電圧降下と。

封着部の電圧降下と、ｆｉｑ棒における電圧降下との主
要な３成分に分けられる。

この電圧降下を減少させるために、電気抵抗の低い炭先
ブロックを使用することが既知である。

現在、大部分の陰極ブロック製造＆者は、無煙炭の粒の
代わりにグラファイト粒を使用したカーボンペーストか
ら得られる「半グラファイト」ブロック、及び従米厘カ
ーボンペーストから得られろが、装入塊中でブロックを
部分的にグラファイト化するよう高温（）２０００℃）
で焼成した「半グラファイト化」ブロックを提案してい
る。

こうして実質的にブロックの導電率を増加させろ。

しかしながら、このようなブロックには、液体アルミニ
ウム中の電流線の勾配が大片いため、上部液体アルミニ
ウム層内の電流歪み？増加し、その結果、該層の磁気的
撹乱を増加し、？Ｅ解飼槽流体力学的安定性を低下させ
るという欠点がある・上記欠点を解消するためには、例
えば無煙炭粒を含むカーボンペーストから構成される部
分と、高導電件の半グラファイト型又は半グラファイト
化カーボンペーストから構成される部分とを含む「サン
ドイッチブロック」法を使用することができる、 又、陰極の活性表面を増加させるために、プラスクペー
スト（低導電性）でブロックを接合する代わり（、グラ
ファイトと熱硬化性樹脂とをベースとする心電性接着剤
で接層することも提案されている。この方法には、総導
電表１１ｉｌｉ績を増加し、２個の隣接ブロック間の導
電を可能にし、炭素シール配置におけるクールの放出を
減少させ、耐漏洩性を改良するという４つの長所がある
。

総量圧降下を減少させる方法として、著しく大正の熱漏
洩を避けるべ（、垂直即ち狭隘断面が槽の断熱材の外部
を横断するように注意しながら、少なくとも炭素封着ゾ
ーンにおける鋼棒の断面積を増加させるという方法も知
られている。

しかしながら、溝と溝との間のｎ部のカーボン厚λが檜
の作動時には炭素篩とその封着部との熱膨張による応力
に機械的に抵抗するに十分でなげればならないので、前
記方法は著しく制限されている６埋設部分の断面形状は
、任意に円形又は長方形であり得る。

電圧降下な低下させるために、２個の狭隘な溝を有する
炭素ブロックも使用されており、この方法には、ブロッ
クが電解槽の作動熱応力を受ける時に、ブロックを過度
に脆化させずに封着接触表面積を増加できるという長所
がある。この場合。

ブロック縁部と最近傍溝との間の距離ｔＸ：＠小にしな
ければならないので、鋼棒の可能な断面積は制限される
。

採用される方法の種類に関係な（、又、ブロックと該ブ
ロックに封着される鉄棒との形状及び寸法に関係なく、
陰極構造は常に、陰極出力端子（箱状体すなわちケーソ
ンの外部に突出し、且つ検量の連結導体を連結された鉄
棒端子）が常に槽の大ぎい辺に位置し、檜が列の軸に？
９って又は該軸の横断方向に配置されるように、ブロッ
クを金属ケーソンの小さい辺と平行に配置することによ
り形成される。

問題点の提示 現在アルミニウム製造業者は、特に収出を増加させ、投
資費用を低下させ、経領の全自動化を促進するために、
電解槽の単位出力の増加を追求している。２０００００
アンペアのレベルは既に大幅に越えているが、８０年代
の終わり迄には４００、　ＯＱ　Ｏアンペアに達すると
予測され得る。

これに平行し【１％に陰極内の抵抗降下を減少させるこ
とＫより檜のエネルギ消費量を減少させるために甚大な
努力が払われている。

このような出力の槽に使用される低電圧降下型陰極拾遺
１工、既存の方法のｊｌｉなる延長ではあり得ない新規
な方法を必要とする。冥際に、大部分の早期故障は、金
へと１′！２解液とが陰極下空間に浸透することに帰因
するので、槽の寿命は陰極品質に密接に依存する・ 発明の説明 本発明は、モジュール数を変えることによりモジュール
寸法の総和として任意の寸法の槽に適合できるという点
から「モジュール（ｍｏｄｕｌａＬｒｅ　）ｌと呼称し
得る新規な陰極概念に基づいている。

本発明の目的は、ホール・エルー法によるアルミニウム
製造の電解槽に用いる低電圧降下型炭素、陰極ブロック
を提供することにあり、核種は、液体アルミニウム層が
形成される陰極を収納支持する平行大面体形金属ケーノ
ンから構成されており。

該陰極は、平行大面体形炭素ブロックを、長軸の長さと
幅との比が少なくとも２に等しいような伸延形に並置し
、ブロックには少なくとも１個の溝を形成し、ケーソン
の小さい辺と平行に配置された鋼棒に該層に封着し、鉄
棒を少なくとも１＠の陰極集電器に連結することにより
溝底されており。

該ブロックは、封着溝が、それ自体ケーソンの大きい辺
と平行に配置されたブロックの長軸に岳直な方向に形成
されていることを特徴とする特大きい側面に接着するこ
とにより第１の陰極ブロックを第２のブロックに接合す
ることにより、陰極の幅の２分の１に対応する幅を有す
る半陰極モジュールが構成される。

２個の半モジュールを例えば接着により接合することに
より、陰極の幅に対応する幅を有する陰極モジュールが
構成される。

本発明の別の目的は、ホール・エルー法によるアルミｓ
クム製造用炭素陰極を提供することにあり、ｔｔ陰極は
、少なくとも２個の陰極モジエールを同一平面上で並置
することにより構成されることを特徴とし、５＆続モジ
ユ一ル間の結合は、例えばカーボンペーストのような既
知手段により確保される。

具体例の説明 第１図は、従来技術に従う電解槽の陰極の概略部分平面
図である。陰極ブロック１は１個槽の陰極を支持してい
る全屈ケーソンの小さい辺２に平行に配置されている。

該ブロックは、長軸ＡＡ’を有する伸延形の平行六面体
であり、高さｈ及び幅１１ニ一般に３００〜７００鎮の
オーダ、長さは２メートル以上のオーダである。長さと
幅との比は、殆んどの場合、２より犬であり、４〜８に
遠し得る。高さと幅との比は多くの場合、１前後である
。

第１図の場合、各ブロックｌは、多（の場合。

それぞれ実際には２個の中棒３人及び３Ｂ１３％ら構成
される２個の棒３な含んでおり、該中棒は、その中央部
分４において相互に接合され得るか又はされ得ない。外
側の端部５において、陰極棒は。

列の隣接槽のアノード枠に連結されたｌ又１工数個の側
部導体６に連結されている。鉄棒は、極めて多（の場合
、ブロックｌのｌ又１工２個の長手方向溝７に鋳造封着
されている。

連続陰極ブロックは、高温圧入されたプラスタのペース
トシール８により封着され、液体アルミニウム及び溶融
電解液の浸透に対する陰極アセンブリの耐月洩性、即ち
槽の寿命が厳密に依存する耐漏洩性を確保する。

本発明（第２図以降）によると、陰極ブロック１０は、
長軸ＡＡ’がケーソンの大きい辺１１及びケーソンの長
軸ＸＸ′に平行になるように配置される。陰極棒３と出
力部５．及び集電器６は、同一配置を維持するが、溝１
２は、陰極ブロックの小さい辺と平行、即ち長軸ＡＡ’
と垂直になるように、１ｆｌＩ３極ブロツクの横断方向
に形成される。

各「半陰極モジュール」は、接着剤９等の手段により予
め接合された２個のブロック１０人及び１０Ｂの結合に
より構成されており、陰極棒の配置及び封着は、鋳造又
はカーボンペーストによる封着のような一般的方法によ
り実施される。２個の等しい半モジュールを槽の長軸に
関して対称に並置することにより、第ｘｆ）陰極モジュ
ールが構成される。２ｍの半モジュールｌ０Ａ−１０Ｂ
及びｌ０ｃ−１０Ｄは、従米通り、プラスタペースト１
３．又１工好ましくは接着剤により接合される。

この接合は、ケーソン内配置以前又は以後に実施され得
る。次に、該第１の陰極モジュールは、檜の匿に従って
プラスタペースト８によりｎ個の同一−１ジユールを付
加される。例えばＩＦ１００ＯＯアンペアの槽で使用さ
れる陰極は、３個の連続モジュールから構成され得る。

以上、それぞれ２個のブロックから構成される半モジュ
ールについて記載したが１本発明はこの具体例に限定さ
れない。

幅の異なる２個のブロック、又は幅が等しいか又は！４
なる３個のブロックから構成された半製品が想到され得
るが、いずれの場合も高さと長さとは等しくなければな
らない。

この基本原理に基づいて１本発明の数ｍ類の具体例が可
能である。半陰極モジュールＩＯＡ及び１０Ｂを構成し
ている２＠のブロックの各々は。

同一の組へ、即ち同一のカーボンベース）ｎ・ら得られ
、Ｔｉ、いは、一方の半モジュールに固有の特性。

例えばＡなる熱又は電気伝導率を与えるよう（、！４な
る組成であり得る。

外側ブロックＩＯＡは１例えば９００℃における電気抵
抗が約４．４・１Ｏ−３Ω儂、熱伝導率λが約０．０　
コＷ／σ／℃であるような従来型（タール本無煙炭粒）
であり得、内側ブロックＩＯＢは、９００、℃における
電気抵抗が２．８・１０−３９σ、熱伝導率λが０．２
３　Ｗ／ｃｍ／”Ｃの「半グラファイト」河であり得る
。

第３図の変形例では、外側ブロックＩＯＡはそれ自体２
部分力・ら構成され得、外側部分ｔｏｇは。

炭素ブロックから外部に向かって排出される熱流束を減
少させ、従って電解槽の熱収支を改良するべ（熱伝導率
が比較的低い材料から形成される。

更に、封着溝１２の断面は丁べて同一幅であるか、或い
は一部の断面、特に端部の断面は、例えは陰極棒を突出
させるケーソン側壁の孔部間の距離を一定にするように
相互ＫＪ％なっている。

更に、陰極を構成している陰極ブロックの表面の少なく
とも一部に、ブロックを液体アルミニウムに対して浸潤
性Ｋｊる物ｒを配合できる。この配合は、表面上、又１
工陰極ブロツクの全体又は一部に実施され得る。

耐熱性化合物例えば／”ＲＩＭ”　（耐熱性硬質金ＪＩ
Ｊ　Ｒｓｆｒａｃｔｏｒｙ　Ｈａｒａ　Ｍ＠ｔａｘ８　
）　、及びより特定的には二硼化チタンＴｉＢ、が、液
体アルミニウムに浸潤性であり且つ９３０〜９６０℃で
は相対的に僅かしか該金属により侵食されない′とい５
事実は、特にケー・ビルオー及びエイチ・エイ・オイエ
による文献「アルミニウム」ユ亙、１９８０（Ｋ、ＢＩ
ＬＬＢＨＡＵＧ　　ａｔ　Ｈ，Ａ、ＯＹｌ］ｉ。

”ＡＬＵＭＩＮＩＵＭ＼Ｌ至、１９８０）、６４２〜６
４８頁（１９８０年４月）及び７１３〜７１８）Ｑ（１
９８０年１１月）から公知である。

従って、陰極ブロック表面の全部又は一部にプラスタ又
は純粋ＴｉＢ、もしくは少なくとも３０％のＴｉＢ、を
含むチタン混合物から成る他の成分を被覆すること、陰
極表面の全部又は一部に任意の既知手段によりＴｉＢ、
又はＴｉＢ、をベースとする混合物の堆積を形成するこ
と、或いは陰極ブロックを構成しているカーボンペース
ト、又は少なくとも液体アルミニウムと接触している陰
極ブロックの上部に、少なくとも３０％（浸潤効果を確
保てるのに必要な最１１＼値と認められている）のＴｉ
Ｂ。

及び／又はＲＨＭ化合物を導入することができる。

こうして液体アルミニウム層を安定化させ、陽極・陰極
間の距離、従って電解浴中の電圧降下を著しく減少させ
ることができ、その結果、アルミニウム生産量トン当た
りのキロワット時で表わされる比エネルギを相対的に減
少できる。

本発明の利点 本発明を使用することにより、以下に述べるような多数
の利点が得られる。

１、　幅３０〜４０ｍの低導電性のプラスタペーストシ
ールの代わりに、ミリメートルのオーダの非常に小さい
厚みの接着シールを使用するので、有効陰極表面が増加
する。

２　従来技術と異なり１本発明では大診い鋼断面と大ぎ
い炭素・銅接触表面とを両立できる。

従来技術Ａ及びＢと本発明Ｃとの陰極ブロックの組直断
面を約１／２０の縮尺で示した第５図から明らかなよう
に、所与の垂直断面について１人の場合には封着接触長
さ３６．８＋１１１１及び鋳鋼断面ｆＲ１７，１６ｄｍ
”、Ｂの場合には接触長さ２９．２　ａｍ及び断面ｆｉ
２６．４４ｍ　”　、ＣＬｆ）場合Ｋｌ！接触長さ４１
．６ｄｍ及び断面積２５．０８ａｍ”である、従って、
封着接触抵抗降下を著しく減少させ、それと同時に鋼に
おける抵抗降下を著しく減少させることができる。数１
０ミリボルトに等しいこの総利得は、カーボンブロック
を脆化させることなく得られ、プロツクＲ部１６、即ち
溝間又１工溝とブロック側との間の炭素部分１工同−寸
法を維持したという点ｉ（留意されたい。当条者には周
知のように。

１０ｍＶの利得は、エネルギ消消音をアルミニウム生ｎ
ｉ、−（トン当たり３０から３５　ＫＷｈ低下させる。

３、陰極ブロックの新規纏成１工、簡単且つ経済的−に
Ｌ鳥合（又は「サンドインチ」）ブロックを形成するこ
とができる。従来技術によると、ブロックｉ＆分割して
から陰極組立時に２部分（例えば無煙炭と半グラファイ
ト）を接合しなければならなり・つたが１本発明による
と、各混合ブロックｌ０Ａ−１０Ｂは、標準寸法の２個
のブロックの単純な接着とそのままの配置とによって得
られる。

４　配置に必要な操作が少ない。即ち、４個のブロック
（第１図）を配置する代わりに、２個の半モジュール（
第２図）又シエ接着により予め接合された１ｌＩＩ＋１
固のモジュールを配匹丁ればよい５　従来のブロック接
着シエ、長行程ジヤツキ１４により横断方向にブロック
１を推進させたが（第４図のＡ）、このような配置）工
平行関係の誤差を増すので実施し難い。これに対してモ
ジュール式組立（第４図のＢ）ｌ工、つ・なりの誤差が
あっても隣接モジュール間のブラスクペースト接合部ｌ
ｉＣより相殺されるので、満足できる。

更に、各陰極モジュールを形成するべく接着中に２個の
半モジュール（第５図のＣ）ｋ固定するためには、ケー
ソンの大きい辺に対向して配置された短行橿ジヤツキ１
５で十分である。

６　プラスクペーストシールの代わりに接着シー２１゛ の耐濤種の重要性は既述した通りである。

７、　更に１本発明は液体アルミニウムに対して浸潤性
の陰極表面の使用と両立可能である。

実施例 第５図のＣＫ合致する２個の「半グラファイト」をブロ
ックから成る半モジュールυ・ら陰極を構成することに
より、１８００００アンペアで作動する列の数個の槽に
ついて実施例を行った。

無煙炭ブロック式従来琶槽と本発明に従って変形された
ｍとについて、陰極システム内、封着接触部及び陰極棒
内の電圧降下を測定し、以下の結得られた最大利得１工
６１ｍＶであり、この値は。

アルミニウム生産量トン当たりほぼ２　ｏ　ｏ　ｋｗｂ
の低下罠対応する。この利得は、抵抗のより低い「半グ
ラファイト」型ブロックを使用すること。

及び本発明のモジュラ−陰極ブロックを使用することに
より得られた７

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術の説明図、第２図から第５図は本発明
の詳細な説明図である。 １．１０・・・ブロック、　　２・・・ケーソン。 ３・・・陰極棒、　　　　　　６・・・集電器、７１１
２・・・溝。 −ロ 二　　　　〜 ζり

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）ホール・エルー法によるアルミニウム製造の電解
   槽に用いる低電圧降下型炭素陰極ブロックであって、該
   槽が、液体アルミニウム層が形成される陰極を支持する
   平行六面体金属ケーソンから構成されており、該陰極が
   、平行六面体炭素ブロックを、長軸の長さと幅との比が
   少なくとも２に等しいような伸延形に並置し、該ブロッ
   クには少なくとも１個の溝を形成し、ケーソンの小さい
   辺に平行に配置された鋼棒を該溝に封着し、該棒の端部
   をケーソンの大きい辺に突出させ且つ少なくとも１個の
   陰極集電器に連結することにより構成されている該炭素
   陰極ブロックにおいて、封着溝が、それ自体ケーソンの
   大きい辺に平行に配設されているブロックの長軸ＡＡ′
   に垂直な方向に形成されていることを特徴とする炭素陰
   極ブロック。
2. （２）陰極の幅の２分の１に対応する幅を有する半陰極
   モジュールを構成するべく、大きい側面において少なく
   とも１個の第２のブロックに、接着により接合されてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の陰極
   ブロック。
3. （３）陰極の幅に対応する幅を有する陰極モジュールを
   構成するべく、２個の半モジュールを接着等の手段によ
   り接合することにより構成されていることを特徴とする
   特許請求の範囲第２項に記載の陰極ブロック。
4. （４）各半モジュールが、同一のカーボンペーストから
   形成されており且つ実質的に同一の熱及び／又は電気特
   性を有するブロックから構成されていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第２項に記載の炭素陰極ブロック。
5. （５）各半モジュールが、相互に異なる熱及び／又は電
   気特性を有するブロックから構成されていることを特徴
   とする特許請求の範囲第２項に記載の炭素陰極ブロック
   。
6. （６）全封着溝が同一幅であることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項に記載の炭素陰極ブロック。
7. （７）同一ブロックの封着溝のうちのいくつかが他と異
   なる幅を有することを特徴とする特許請求の範囲第１項
   に記載の炭素陰極ブロック。
8. （８）ホール・エルー法によるアルミニウム製造の電解
   用炭素陰極において、該陰極が、特許請求の範囲第３項
   に記載の少なくとも２個のモジュールを同一平面に並置
   し、カーボンペーストシールのような既知手段により連
   続モジュール間の結合を確保することにより構成されて
   いることを特徴とする炭素陰極。
9. （９）炭素陰極の上表面を液体アルミニウムに対して浸
   潤性にさせるために、液体アルミニウムに接触している
   該上表面の少なくとも一部に、少なくとも濃度３０％の
   二硼化チタンのような耐熱硬質性の化合物グループを任
   意の既知手段により配合したことを特徴とする特許請求
   の範囲第８項に記載の炭素陰極。