WO2017217225A1 - カソード - Google Patents

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WO2017217225A1
WO2017217225A1 PCT/JP2017/019946 JP2017019946W WO2017217225A1 WO 2017217225 A1 WO2017217225 A1 WO 2017217225A1 JP 2017019946 W JP2017019946 W JP 2017019946W WO 2017217225 A1 WO2017217225 A1 WO 2017217225A1
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WO
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cathode
cathode block
collector
collector bar
block
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Application number
PCT/JP2017/019946
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English (en)
French (fr)
Inventor
龍也 岡本
泰弘 小山
Original Assignee
Ｓｅｃカーボン株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ｓｅｃカーボン株式会社 filed Critical Ｓｅｃカーボン株式会社
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/08—Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/16—Electric current supply devices, e.g. bus bars
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C7/00—Constructional parts, or assemblies thereof, of cells; Servicing or operating of cells
    • C25C7/02—Electrodes; Connections thereof

Definitions

  • the present invention relates to a cathode, and more particularly to a cathode for metal smelting.
  • a cathode block made of carbon is used as a cathode of an electrolytic furnace for metal smelting represented by aluminum smelting.
  • the cathode block is installed in an iron box called a shell and constitutes the furnace bottom of the electrolytic furnace.
  • the cathode block also plays a role of supplying electrons to the electrolytic bath (see, for example, Japanese Patent Publication Nos. 2012-529567 and 2013-537940).
  • Electric power is supplied to the cathode block via an iron collector bar.
  • the cathode block and the collector bar are connected by casting iron. Specifically, a groove is formed on the bottom surface of the cathode block to fit the collector bar, and the melted iron is poured into the gap by heating to about 1300 ° C.
  • Canadian Patent No. 2846409 describes a method in which a pressure is applied to the collector bar using a compression device to eliminate the gap between the cathode block and the collector bar.
  • Canadian Patent No. 2838113 discloses a method of securing an electrical connection by inserting a metal conductor between a cathode block and a collector bar.
  • the method of casting the iron and connecting the cathode block and the collector bar as described above is costly because it requires equipment and energy to melt the iron, and there are concerns about safety when it is performed manually. is there. In addition, the quality is not constant, and the contact resistance may vary among individuals.
  • An object of the present invention is to provide a cathode that is easy to install while ensuring electrical conductivity.
  • the cathode disclosed here is a cathode for metal smelting, and includes a cathode block made of carbon and one or more collector bars made of carbon arranged so as to be in contact with the cathode block.
  • the bottom surface of the cathode block is a plane
  • the top surface of each collector bar is a plane
  • the cathode block is disposed so that the bottom surface of the cathode block and the top surface of each collector bar are in contact with each other. .
  • Another cathode disclosed herein is a metal smelting cathode comprising a carbon cathode block and one or more carbon collector bars, each arranged to contact the cathode block.
  • a metal smelting cathode comprising a carbon cathode block and one or more carbon collector bars, each arranged to contact the cathode block.
  • Grooves are formed on the bottom surface of the cathode block, and grooves along the grooves of the cathode block are formed on the upper surfaces of the collector bars.
  • the cathode block includes the bottom surface of the cathode block and the collector It arrange
  • cathode disclosed herein is a metal smelting cathode comprising a carbon cathode block and one or more carbon collector bars, each arranged to contact the cathode block. Prepare.
  • the cathode further includes a screw for fastening the cathode block and the collector bar.
  • Another cathode disclosed herein is a metal smelting cathode comprising a carbon cathode block and one or more carbon collector bars, each arranged to contact the cathode block.
  • the cathode block is formed with a male screw or a female screw, or a convex portion or a concave portion, and each of the collector bars has a female screw or a male screw fastened to the male screw or the female screw, or the convex portion or the concave portion.
  • a concave or convex portion that fits with is formed.
  • cathode disclosed herein is a metal smelting cathode comprising a carbon cathode block and one or more carbon collector bars, each arranged to contact the cathode block.
  • the cathode further includes a second cathode block, and at least one of the collector bars is in contact with both the cathode block and the second cathode block.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a metal smelting facility.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a part of the metal smelting equipment.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a method of connecting the collector bar and the bus bar.
  • FIG. 4 is a perspective view showing the configuration of the cathode according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a perspective view showing a configuration of a conventional general cathode. 6 is a cross-sectional view taken along line VI-VI in FIG.
  • FIG. 7A is a cross-sectional view perpendicular to the longitudinal direction of a model assuming a conventional cathode.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a metal smelting facility.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a part of the metal smelting equipment.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a method of connecting the collector bar
  • FIG. 7B is a cross-sectional view perpendicular to the width direction of a model assuming a conventional cathode.
  • FIG. 8A is a cross-sectional view perpendicular to the longitudinal direction of the model assuming the cathode according to the present embodiment.
  • FIG. 8B is a cross-sectional view perpendicular to the width direction of the model assuming the cathode according to the present embodiment.
  • FIG. 9 is a perspective view showing the configuration of the cathode according to the second embodiment.
  • FIG. 10 is a perspective view showing the configuration of the cathode according to the third embodiment.
  • FIG. 11 is a perspective view showing the configuration of the cathode according to the fourth embodiment.
  • FIG. 12 is a perspective view showing the configuration of the cathode according to the fifth embodiment.
  • FIG. 13 is a perspective view showing the configuration of the cathode according to the sixth embodiment.
  • FIG. 14 is a perspective view showing the configuration of the cathode according to the seventh embodiment.
  • FIG. 15 is a perspective view showing the configuration of the cathode according to the eighth embodiment.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a metal smelting facility 1000 including a cathode 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • the metal smelting equipment 1000 includes a plurality of cells 100.
  • Each of the cells 100 includes a plurality of cathodes 10, a plurality of anodes 20, and a furnace body 30.
  • an electrolytic bath 33 and a metal (for example, aluminum) pad 34 to be smelted are inserted.
  • Each cell 100 further includes a raw material supply device 35.
  • a raw material for example, alumina
  • a raw material is periodically supplied to the electrolytic bath 33 by the raw material supply device 35.
  • Each of the cathodes 10 includes a cathode block 11 and two collector bars 12 electrically connected to the cathode block 11.
  • FIG. 2 is a perspective view showing the cathode 10 (the cathode block 11 and the collector bar 12) and the furnace body 30 extracted from the configuration of the cell 100.
  • the cathode block 11 is spread on the bottom of the furnace body 30.
  • the collector bar 12 is drawn to the outside of the furnace body 30 through a slot 31 a formed in the furnace body 30.
  • the cathode block 11 and the collector bar 12 are preferably formed of a material that can withstand high temperatures and has high electrical conductivity.
  • both the cathode block 11 and the collector bar 12 are made of carbon. Detailed configurations of the cathode block 11 and the collector bar 12 will be described later.
  • Each of the anodes 20 includes an anode block 21 and a connection member 22 electrically connected to the anode block 21.
  • the anode block 21 and the connection member 22 are preferably made of a material that can withstand high temperatures and has high electrical conductivity.
  • the anode block 21 is made of, for example, carbon.
  • the connection member 22 is made of metal, for example.
  • the furnace body 30 includes a box-shaped shell 31 and a lining 32 arranged inside the shell 31.
  • the shell 31 is preferably formed of a highly rigid material.
  • the shell 31 is made of metal, for example.
  • the lining 32 insulates the members in the furnace and prevents the electrolytic bath 33 from leaking out.
  • the lining 32 is made of firebrick, for example.
  • the collector bar 12 drawn out of the furnace body 30 is electrically connected to the anode 20 of the adjacent cell 100 through a metal bus bar 36. With this configuration, the plurality of cells 100 are electrically connected in series.
  • the bus bar 36 is preferably made of a material having a low electrical resistivity.
  • the bus bar 36 is made of, for example, aluminum.
  • the collector bar 12 and the bus bar 36 are connected to each other at a relatively low temperature outside the furnace body 30. Therefore, the difference in thermal expansion coefficient between the collector bar 12 and the bus bar 36 is not a problem. The same applies to the bus bar 36 and the connection member 22.
  • FIG. 3 shows an example of a method for connecting the collector bar 12 and the bus bar 36.
  • the collector bar 12 and the bus bar 36 are connected by sandwiching the both sides of the collector bar 12 in the height direction with the bus bar 36 and fastening the bolt 37 and the nut 38.
  • the cathode 10 at one end and the anode 20 at the other end of the plurality of cells 100 (FIG. 1) connected in series are connected to a power supply device (not shown).
  • a voltage is applied between each cathode 10 and anode 20 of the cell 100 by the power supplied from the power supply device.
  • the raw material in the electrolytic bath 33 is reduced and deposited on the pad 34.
  • metal can be continuously produced.
  • the metal smelting equipment 1000 can be particularly suitably used for aluminum smelting.
  • FIG. 4 is a perspective view showing the configuration of the cathode 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • the cathode 10 includes the cathode block 11 and the two collector bars 12.
  • the cathode block 11 and the two collector bars 12 are all rectangular parallelepipeds.
  • the cathode block 11 is disposed on the upper surfaces of the two collector bars 12. When the bottom surface of the cathode block 11 and the top surfaces of the two collector bars 12 are in contact, the cathode block 11 and the two collector bars 12 are electrically connected.
  • a direction parallel to the longitudinal direction of the cathode 10 is referred to as a longitudinal direction
  • a vertical direction (z direction) is referred to as a height direction
  • a direction (y direction) perpendicular to both the longitudinal direction and the vertical direction is referred to as a width direction.
  • the dimensions of each member along the longitudinal direction, height direction, and width direction are referred to as length, height, and width, respectively.
  • the width w of the collector bar 12 is preferably larger.
  • the larger the width w the larger the contact area with the cathode block 11.
  • the cross-sectional area of the collector bar 12 becomes large and the electrical resistance of the collector bar 12 becomes low, so that the width w is large.
  • the width w of the collector bar 12 is equal to the width W of the cathode block 11.
  • the height h of the collector bar 12 is preferably large.
  • the two collector bars 12 are arranged along the longitudinal direction of the cathode block 11.
  • the two collector bars 12 are spaced apart by a distance sp.
  • the size of the interval sp is, for example, 15 to 50 cm.
  • the cathode block 11 and the collector bar 12 are both made of carbon.
  • the cathode block 11 and the collector bar 12 are preferably made of a material having a low electrical resistivity.
  • the cathode block 11 and the collector bar 12 are preferably made of graphite.
  • the collector bar 12 is preferably made of a material having a lower electrical resistivity than the cathode block 11.
  • FIG. 5 is a perspective view showing the configuration of the cathode 90.
  • 6 is a cross-sectional view taken along line VI-VI in FIG.
  • the cathode 90 includes a cathode block 91 and four collector bars 92.
  • the cathode block 91 is made of carbon and is typically made of graphite.
  • the collector bar 92 is made of metal and is typically made of iron.
  • Iron generally has a lower electrical resistivity (specific resistance) than carbon. Therefore, the iron collector bar 92 tends to reduce the electrical resistance. On the other hand, since the iron collector bar 92 has a different coefficient of thermal expansion from the carbon cathode block 91, it is difficult to keep it in close contact with the cathode block 91 at a high temperature, and the contact resistance tends to increase. Therefore, a device for reducing the contact resistance between the cathode block 91 and the collector bar 92 is required.
  • a groove is provided on the bottom surface of the cathode block 91, and the collector bar 92 is fitted in this groove. Further, cast iron 93 is poured into the gap between the cathode block 91 and the collector bar 92.
  • the cross-sectional area of the collector bar 92 greatly affects the electrical resistance. In order to reduce the electrical resistance, it is preferable to increase the cross-sectional area of the collector bar 92. However, if the cross-sectional area of the collector bar 92 is increased, the groove formed in the cathode block 91 needs to be increased. If the groove is too large, the strength of the cathode block 91 decreases, and a crack 91a called a wing crack may occur due to thermal stress or the like when the cast iron 93 is poured.
  • a paste made mainly of coke and coal tar pitch may be used instead of cast iron 93.
  • the paste since the paste has a high electric resistance, the energy loss increases.
  • the cathode block 11 and the collector bar 12 are both formed of carbon, there is no difference in thermal expansion coefficient between them. Therefore, the cathode block 11 and the collector bar 12 can be kept in close contact with each other even at a high temperature.
  • the carbon collector bar 12 has a lower thermal conductivity than the iron collector bar 92. Therefore, it is possible to make it difficult for the heat in the cell 100 to escape to the outside of the furnace.
  • the cathode blocks 11 and 91 are worn due to friction with the pad 34 (FIG. 1).
  • the cathode 90 if the cathode block 91 is worn to the position where the collector bar 92 is fitted, the iron collector bar 92 may come into contact with the electrolytic bath 33 (FIG. 1) and contaminate the electrolytic bath 33.
  • the cathode block 91 cannot be used. That is, the portion of the volume of the cathode block 91 where the collector bar 92 is fitted does not contribute to the life of the cathode 90.
  • the entire volume of the cathode block 11 contributes to the life of the cathode 10. Therefore, a longer-lifetime cathode can be manufactured from the same volume of material.
  • the cathode 10 According to the configuration of the cathode 10, it is not necessary to fix the collector bar 12 to the cathode block 11, and it is only necessary to place the cathode block 11 on the collector bar 12. A certain amount of pressure is applied to the interface between the cathode block 11 and the collector bar 12 due to the weight of the cathode block 11, the electrolytic bath 33, and the pad 34. Further, since the lining 32 and the like are thermally expanded, compressive stress is applied to the cathode block 11 and the collector bar 12. As a result, the cathode block 11 and the collector bar 12 can be kept in close contact with each other even at a high temperature.
  • Table 1 shows the parameters used in the calculation and the calculation results.
  • FIG. 7A to 8B are diagrams for explaining the model used for the calculation.
  • FIG. 7A is a cross-sectional view perpendicular to the longitudinal direction of a model (comparative example) assuming a conventional cathode 95.
  • FIG. 7B is a cross-sectional view perpendicular to the width direction of the model.
  • FIG. 8A is a cross-sectional view perpendicular to the longitudinal direction of a model (example) assuming the cathode 10 according to the present embodiment.
  • FIG. 8B is a cross-sectional view perpendicular to the width direction of the model.
  • W, H, and L are the width, height, and length of the cathode block 96 or 11, respectively.
  • w and h are the width and height of the collector bar 97 or 12, respectively.
  • L ′ is the length of the portion where the collector bar 12 or 97 protrudes from the cathode block 96 or 11. As shown in Table 1, the cross-sectional area of the collector bar 96 was 21 cm ⁇ 13 cm, and the cross-sectional area of the collector bar 12 was 50.5 cm ⁇ 15 cm.
  • N is twice the number of cathode blocks in the cell. This is a parameter used to calculate the resistance R cell per cell .
  • ⁇ B and ⁇ B ′ are the electrical resistivity (volume resistivity) of the collector bar at 1000 ° C. and 500 ° C., respectively.
  • the value of iron was used for the electrical resistivity of the collector bar of the comparative example.
  • the value of the nipple material of an artificial graphite electrode having a low electrical resistivity among the carbon materials was used.
  • [rho C is the electrical resistivity of the cathode block in 1000 ° C..
  • the same graphite values were used for both the examples and comparative examples.
  • ⁇ is the contact resistance at the unit contact area at the interface between the cathode block and the collector bar. Note that the contact resistance decreases as the contact area increases.
  • the ⁇ of the comparative example was obtained by back calculation from the actual measured value of R cell . In the example, it was assumed that ⁇ can be reduced to 1.0 ⁇ m 2 because there is no problem due to the difference in thermal expansion coefficient as in the case of an iron collector bar.
  • R ′ B is the resistance in the longitudinal direction of the collector bar at the portion protruding from the cathode block.
  • R ′ B is represented by the following formula.
  • the temperature of the collector bar actually has a distribution, and the electrical resistivity also varies depending on the location.
  • the collector bar temperature was calculated using the electrical resistivity at the central temperature of 500 ° C.
  • R ′ B ⁇ ′ B L ′ / wh
  • R B is, in a portion that overlaps the cathode blocks in a plan view, a longitudinal resistance of the collector bar.
  • R B is expressed by the following equation. The temperature of this part was calculated as being 1000 ° C.
  • R B ⁇ B L / wh
  • RC is the resistance in the height direction of the cathode block.
  • R C is represented by the following formula. The temperature of this part was calculated as being 1000 ° C.
  • R C ⁇ C H * / WL
  • R J is the resistance at the connection between the cathode block and the collector bar, and is represented by the following equation.
  • R J ⁇ / (2h + w) L (in the case of FIGS. 7A and 7B)
  • R J ⁇ / wL (in the case of FIGS. 8A and 8B)
  • the cell resistance R cell is obtained by the following equation.
  • both the cathode block 11 and the collector bar 12 are made of carbon. According to this configuration, since the difference in coefficient of thermal expansion between the cathode block 11 and the collector bar 12 is small, it is possible to keep them in close contact even at high temperatures. Therefore, the process for keeping both closely attached can be simplified. As a result, it is possible to obtain a cathode that is easy to install while ensuring electrical conductivity.
  • the bottom surface of the cathode block 11 is a flat surface
  • the upper surface of each collector bar 12 is a flat surface.
  • the cathode block 11 is disposed such that the bottom surface of the cathode block 11 and the top surface of each collector bar 12 are in contact with each other. According to this configuration, the processing of the cathode is particularly easy.
  • the cathode block 11 and the collector bar 12 are both cuboids.
  • the cathode block 11 only needs to have a flat bottom surface, and the shape of the other surface is arbitrary.
  • the collector bar 12 only needs to have a flat upper surface, and the shape of the other surfaces is arbitrary.
  • the bottom surface of the cathode block 11 and the top surface of the collector bar 12 are preferably highly smooth. The higher the smoothness of these surfaces, the larger the contact area between them, and the smaller the contact resistance.
  • collector bars 12 for one cathode block 11 In the present embodiment, the case where there are two collector bars 12 for one cathode block 11 has been described. However, the number of collector bars for one cathode block 11 may be one, or three or more.
  • the cathode 10 is preferably provided with two or more collector bars 12 for one cathode block 11. Thereby, even if one collector bar 12 is physically broken, another collector bar 12 can ensure electrical connection.
  • two collector bars 12 are arranged along the longitudinal direction of the cathode block 11, and the two collector bars 12 are arranged with an interval sp. According to this configuration, when the collector bar 12 is thermally expanded, the stress in the longitudinal direction of the collector bar 12 can be released. Thereby, it can suppress that the collector bar 12 deform
  • the collector bar 12 is preferably made of a carbon material having a lower electrical resistivity than the cathode block 11. Since the cathode block 11 is required to have characteristics other than electrical resistivity, such as reactivity with the electrolytic bath 33 (FIG. 1), the material selection is limited to some extent. Since the collector bar 12 does not have such a restriction, a material having a lower electrical resistivity can be used among the carbon materials. Thereby, the electrical conductivity of the cathode 10 can be improved.
  • a metal bus bar 36 may be connected to the collector bar 12.
  • the collector bar 12 and the bus bar 36 do not need to be connected in a high temperature furnace. Therefore, the difference in thermal expansion coefficient between them does not matter.
  • the metal bus bar 36 By connecting the metal bus bar 36, the electrical resistance of the entire equipment can be lowered.
  • FIG. 9 is a perspective view showing the configuration of the cathode 15 according to the second embodiment of the present invention.
  • the cathode 15 includes a cathode block 16 and two collector bars 17. Also in this embodiment, the cathode block 16 and the collector bar 17 are both made of carbon.
  • the cathode block 16 is disposed on the upper surfaces of the two collector bars 17.
  • the cathode block 16 and the two collector bars 17 are electrically connected to each other by contacting the bottom surface of the cathode block 16 and the upper surfaces of the two collector bars 17.
  • the bottom surface of the cathode block 11 and the top surface of each collector bar 12 are flat.
  • a groove 16 a is formed on the bottom surface of the cathode block 16, and a groove 17 a along the groove 16 a is formed on each upper surface of the collector bar 17.
  • the contact area between the cathode block 16 and the collector bar 17 can be increased. Further, when the cathode block 16 is installed on the collector bar 17, it becomes easy to align the positions. Further, the cathode block 16 and the collector bar 17 can be prevented from being displaced during operation.
  • the cathode 15 needs to form the groove 16a and the groove 17a, the number of processing steps increases as compared with the cathode 10 (FIG. 4). However, compared with the cathode 90 (FIG. 5), it is not necessary to pour cast iron and the process can still be simplified.
  • the cathode block 16 and the collector bar 17 are formed with angled grooves.
  • the number and shape of the grooves are arbitrary.
  • the groove may be sawtooth or curved.
  • FIG. 10 is a perspective view showing the configuration of the cathode 40 according to the third embodiment of the present invention.
  • the cathode 40 includes a collector bar 42 instead of the collector bar 12 of the cathode 10 (FIG. 4).
  • the collector bar 42 is made of carbon, similar to the collector bar 12.
  • the collector bar 42 has a different planar shape as compared with the collector bar 12.
  • the width of a portion of the collector bar 42 that does not overlap the cathode block 11 in plan view is narrower than the width of the portion that overlaps the cathode block 11.
  • the collector bar 42 is formed with a terminal portion 42a having a width smaller than that of the portion overlapping the cathode block 11 in a portion not overlapping the cathode block 11 in plan view.
  • the collector bar 42 can be pulled out of the furnace body 30.
  • the furnace body 30 constructed on the premise of the shape of the collector bar 92 of the cathode 90 (FIG. 5) can be used without changing the design.
  • the contact area with the cathode block 11 can be increased and the contact resistance can be reduced.
  • the resistance in the longitudinal direction can be reduced by increasing the cross-sectional area perpendicular to the longitudinal direction.
  • FIG. 11 is a perspective view showing the configuration of the cathode 45 according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the cathode 45 includes a cathode block 46 and two collector bars 47. Also in this embodiment, the cathode block 46 and the collector bar 47 are both made of carbon.
  • the cathode block 46 and the collector bar 47 are fastened by screws 48.
  • the cathode block 46 is formed with a female screw 46 a fastened to the screw 48, and the collector bar 47 is formed with a through hole 47 a through which the screw 48 is passed.
  • FIG. 12 is a perspective view showing the configuration of the cathode 50 according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the cathode 50 includes a cathode block 51 and two collector bars 52. Also in this embodiment, the cathode block 51 and the collector bar 52 are both made of carbon.
  • a female screw 51 a is formed on the side surface of the cathode block 51. At one end in the longitudinal direction of the collector bar 52, a male screw 52a to be fastened with the female screw 51a is formed. In the present embodiment, the cathode block 51 and the collector bar 52 are connected by fastening the male screw 52a and the female screw 51a.
  • the process can be simplified as compared with the cathode 90 (FIG. 5).
  • a female screw 51 a is formed on the cathode block 51, and a male screw 52 a is formed on the collector bar 52.
  • a male screw may be formed on the cathode block 51 and a female screw may be formed on the collector bar 52.
  • FIG. 13 is a perspective view showing the configuration of the cathode 55 according to the sixth embodiment of the present invention.
  • the cathode 55 includes a cathode block 56 and two collector bars 57. Also in this embodiment, the cathode block 56 and the collector bar 57 are both made of carbon.
  • a recess 56a is formed on the side surface of the cathode block 56.
  • a convex portion 57a that fits into the concave portion 56a is formed.
  • the cathode block 56 and the collector bar 57 are connected by fitting the convex portion 57a to the concave portion 56a.
  • the process can be simplified as compared with the cathode 90 (FIG. 5).
  • the cathode block 56 has a recess 56 a and the collector bar 57 has a protrusion 57 a.
  • a convex portion may be formed on the cathode block 56 and a concave portion may be formed on the collector bar 57.
  • FIG. 14 is a perspective view showing the configuration of the cathode 60 according to the seventh embodiment of the present invention.
  • the cathode block 61 and the collector bar 62 are integrally formed. That is, the cathode block 61 and the collector bar 62 are formed from a single material.
  • the cathode 60 in which the cathode block 61 and the collector bar 62 are integrally formed is made of carbon.
  • the contact resistance can be zero.
  • FIG. 15 is a perspective view showing the configuration of the cathode 65 according to the eighth embodiment of the present invention.
  • the cathode 65 includes a plurality of cathode blocks 11 and two collector bars 67. Also in this embodiment, the cathode block 11 and the collector bar 67 are made of carbon.
  • each of the two collector bars 67 is in contact with the plurality of cathode blocks 11. According to this configuration, since the cross-sectional area of the collector bar 67 can be increased, the electrical resistance can be reduced.
  • each of the two collector bars 67 is in contact with seven cathode blocks. However, if at least one of the collector bars 67 is in contact with a plurality of cathode blocks, the above effect can be obtained.
  • the number of cathode blocks may be two or more. That is, the cathode 65 includes at least two cathode blocks (a cathode block and a second cathode block) and one or more collector bars, and at least one of the collector bars is in contact with at least two cathode blocks. Good.

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Abstract

電気伝導性を確保しつつ、設置が容易なカソードを提供する。カソード１０は、金属製錬用のカソードであって、炭素製のカソードブロック１１と、各々がカソードブロック１１に接するように配置された、１つ以上の炭素製のコレクターバー１２とを備える。カソードブロック１１の底面は、平面であり、コレクターバー１２の各々の上面は、平面であり、カソードブロック１１は、カソードブロック１１の底面とコレクターバー１２の各々の上面とが接するように配置される。

Description

カソード
　本発明は、カソードに関し、より詳しくは、金属製錬用のカソードに関する。
　アルミニウム製錬に代表される金属製錬用の電解炉の陰極（カソード）には、炭素製のカソードブロックが使用される。カソードブロックは、シェルと呼ばれる鉄製の箱に設置され、電解炉の炉底を構成する。カソードブロックはまた、電解浴に電子を供給する役割を担っている（例えば、特表２０１２－５２９５６７号公報及び特表２０１３－５３７９４０号公報を参照。）。
　カソードブロックには、鉄製のコレクターバーを介して電力が供給される。カソードブロックとコレクターバーとの接続は、鉄を鋳込むことで行われる。具体的には、カソードブロックの底面に溝を形成してコレクターバーをはめ込み、その隙間に１３００℃程度に加熱して溶かした鉄を流し込むことでなされる。
　このように鉄を鋳込んでカソードブロックとコレクターバーとを接続しても、カソードブロック－鋳鉄－コレクターバー間に隙間が生じ、接触抵抗が増加することが報告されている。Richard Beeler, "BAR TO BLOCK CONTACT RESISTANCE IN ALUMINUM REDUTION CELL CATHODE ASSEMBLIES", Light Metals 2014, pp.507-510によれば、カソードブロック及びコレクターバーにおける電圧低下のうち、接触抵抗が占める割合は２５％程度で、アルミニウム製錬における電力消費量の少なくとも２％に相当する。
　上記の文献には、（１）鋳鉄の凝固挙動がコレクターバーの上下面で異なること、（２）コレクターバーがクリープ変形すること、（３）鉄の相転移に起因して不連続な熱膨張が起こること等によって、カソードブロックとコレクターバーとの間に隙間が生じることが記載されている。
　接触抵抗を小さくする方法として、加国特許第２８４６４０９号公報には、圧縮装置を使ってコレクターバーに圧力をかけて、カソードブロックとコレクターバーとの隙間をなくす方法が記載されている。また、加国特許第２８３８１１３号公報には、金属製導体をカソードブロックとコレクターバーとの間に挿入して、電気接続を確保する方法が開示されている。
　上述のような鉄を鋳込んでカソードブロックとコレクターバーとを接続する方法は、鉄を溶かすための設備・エネルギーが必要なためコストがかかり、人手で実施する場合には安全面にも懸念がある。また、品質が一定せず、個体間で接触抵抗にばらつきが生じる場合がある。
　本発明の目的は、電気伝導性を確保しつつ、設置が容易なカソードを提供することである。
　ここに開示するカソードは、金属製錬用のカソードであって、炭素製のカソードブロックと、各々が前記カソードブロックに接するように配置された、１つ以上の炭素製のコレクターバーとを備える。前記カソードブロックの底面は、平面であり、前記コレクターバーの各々の上面は、平面であり、前記カソードブロックは、前記カソードブロックの底面と前記コレクターバーの各々の上面とが接するように配置される。
　ここに開示する他のカソードは、金属製錬用のカソードであって、炭素製のカソードブロックと、各々が前記カソードブロックに接するように配置された、１つ以上の炭素製のコレクターバーとを備える。前記カソードブロックの底面に溝が形成されており、前記コレクターバーの各々の上面に、前記カソードブロックの溝に沿った溝が形成されており、前記カソードブロックは、前記カソードブロックの底面と前記コレクターバーの各々の上面とが接するように配置される。
　ここに開示する他のカソードは、金属製錬用のカソードであって、炭素製のカソードブロックと、各々が前記カソードブロックに接するように配置された、１つ以上の炭素製のコレクターバーとを備える。カソードは、前記カソードブロックと前記コレクターバーとを締結するネジをさらに備える。
　ここに開示する他のカソードは、金属製錬用のカソードであって、炭素製のカソードブロックと、各々が前記カソードブロックに接するように配置された、１つ以上の炭素製のコレクターバーとを備える。前記カソードブロックに雄ネジ若しくは雌ネジ、又は凸部若しくは凹部が形成されており、前記コレクターバーの各々に、前記雄ネジ若しくは雌ネジと締結される雌ネジ若しくは雄ネジ、又は前記凸部若しくは凹部と嵌合する凹部若しくは凸部が形成されている。
　ここに開示する他のカソードは、金属製錬用のカソードであって、炭素製のカソードブロックと、各々が前記カソードブロックに接するように配置された、１つ以上の炭素製のコレクターバーとを備える。カソードは、第２のカソードブロックをさらに備え、前記コレクターバーの少なくとも一つは、前記カソードブロック及び前記第２のカソードブロックの両方と接している。
　上記の構成によれば、カソードブロックとコレクターバーとの間の熱膨張率差が小さいので、高温でも両者を密着させておくことができる。そのため、両者を密着させておくための加工を簡素化できる。これによって、電気伝導性を確保しつつ、設置が容易なカソードが得られる。
図１は、金属製錬設備の構成を模式的に示す断面図である。 図２は、金属製錬設備の一部の構成を抜き出して示した斜視図である。 図３は、コレクターバーとブスバーとの接続方法の一例を示す図である。 図４は、第１の実施形態にかかるカソードの構成を示す斜視図である。 図５は、従来の一般的なカソードの構成を示す斜視図である。 図６は、図５のＶＩ－ＶＩ線に沿った断面図である。 図７Ａは、従来のカソードを想定したモデルの長手方向に垂直な断面図である。 図７Ｂは、従来のカソードを想定したモデルの幅方向に垂直な断面図である。 図８Ａは、本実施形態にかかるカソードを想定したモデルの長手方向に垂直な断面図である。 図８Ｂは、本実施形態にかかるカソードを想定したモデルの幅方向に垂直な断面図である。 図９は、第２の実施形態にかかるカソードの構成を示す斜視図である。 図１０は、第３の実施形態にかかるカソードの構成を示す斜視図である。 図１１は、第４の実施形態にかかるカソードの構成を示す斜視図である。 図１２は、第５の実施形態にかかるカソードの構成を示す斜視図である。 図１３は、第６の実施形態にかかるカソードの構成を示す斜視図である。 図１４は、第７の実施形態にかかるカソードの構成を示す斜視図である。 図１５は、第８の実施形態にかかるカソードの構成を示す斜視図である。
　以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。なお、説明を分かりやすくするために、以下で参照する図面においては、構成が簡略化又は模式化して示されたり、一部の構成部材が省略されたりしている。また、各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。
　［第１の実施形態］
　［全体の構成］
　図１は、本発明の第１の実施形態にかかるカソード１０を備えた、金属製錬設備１０００の構成を模式的に示す断面図である。金属製錬設備１０００は、複数のセル１００を備えている。セル１００の各々は、複数のカソード１０、複数のアノード２０、及び炉体３０を備えている。セル１００の内部には、電解浴３３と、製錬の対象となる金属（例えばアルミニウム）のパッド３４とが装入されている。
　セル１００の各々は、原料供給装置３５をさらに備えている。原料供給装置３５によって、原料（例えばアルミナ）が電解浴３３に定期的に供給される。
　カソード１０の各々は、カソードブロック１１と、カソードブロック１１に電気的に接続された２つのコレクターバー１２とを備えている。図２は、セル１００の構成から、カソード１０（カソードブロック１１及びコレクターバー１２）と炉体３０とを抜き出して示した斜視図である。図２に示すように、カソードブロック１１は、炉体３０の底部に敷き詰められている。コレクターバー１２は、炉体３０に形成されたスロット３１ａを介して、炉体３０の外側に引き出されている。
　カソードブロック１１及びコレクターバー１２は、高温に耐え、かつ電気伝導性の高い材料で形成されていることが好ましい。本実施形態では、カソードブロック１１及びコレクターバー１２の両方が、炭素製である。カソードブロック１１及びコレクターバー１２の詳しい構成は後述する。
　アノード２０（図１）の各々は、アノードブロック２１と、アノードブロック２１に電気的に接続された接続部材２２とを備えている。アノードブロック２１及び接続部材２２は、高温に耐え、かつ電気伝導性の高い材料で形成されていることが好ましい。アノードブロック２１は、例えば炭素製である。接続部材２２は、例えば金属製である。
　炉体３０は、箱形のシェル３１と、シェル３１の内部に配置されたライニング３２とを備えている。シェル３１は、ライニング３２の熱膨張に抗するため、剛性の高い材料で形成されていることが好ましい。シェル３１は、例えば金属製である。ライニング３２は、炉内の各部材間を絶縁するとともに、電解浴３３が漏出するのを防止する。ライニング３２は、例えば耐火レンガで形成されている。
　炉体３０の外側に引き出されたコレクターバー１２は、金属製のブスバー３６を介して、隣接するセル１００のアノード２０に電気的に接続されている。この構成によって、複数のセル１００が、電気的に直列に接続されている。
　ブスバー３６は、電気抵抗率の低い材料で形成されていることが好ましい。ブスバー３６は、例えばアルミニウム製である。コレクターバー１２とブスバー３６とは、炉体３０の外側の比較的温度の低い場所で接続されている。そのため、コレクターバー１２とブスバー３６との間の熱膨張率差は問題とならない。ブスバー３６と接続部材２２とについても同様である。
　コレクターバー１２とブスバー３６との接続方法は、特に限定されない。ただし、本実施形態ではコレクターバー１２が炭素製であるため、コレクターバー１２とブスバー３６とを溶接することはできない。図３に、コレクターバー１２とブスバー３６との接続方法の一例を示す。この例では、コレクターバー１２の高さ方向の両側をブスバー３６で挟み、ボルト３７とナット３８とを締結することで、コレクターバー１２とブスバー３６とを接続している。
　直列に接続された複数のセル１００（図１）の一方の終端のカソード１０と、他方の終端のアノード２０とは、図示しない電源装置に接続されている。電源装置から供給される電力によって、セル１００の各々のカソード１０とアノード２０との間に、電圧が印加される。これによって、電解浴３３中の原料が還元され、パッド３４上に堆積する。
　このように、金属製錬設備１０００によれば、金属を連続的に製造することができる。金属製錬設備１０００は、アルミニウムの製錬に特に好適に用いることができる。
　［カソードの構成］
　図４は、本発明の第１の実施形態にかかるカソード１０の構成を示す斜視図である。上述のとおり、カソード１０は、カソードブロック１１と、２つのコレクターバー１２とを備えている。カソードブロック１１及び２つのコレクターバー１２は、いずれも直方体である。カソードブロック１１は、２つのコレクターバー１２の上面に配置されている。カソードブロック１１の底面と２つのコレクターバー１２の上面とが接触することによって、カソードブロック１１と２つのコレクターバー１２とが電気的に接続されている。
　以下、説明の便宜のため、カソード１０の長手方向に平行な方向（ｘ方向）を長手方向と呼び、鉛直方向（ｚ方向）を高さ方向と呼ぶ。さらに、長手方向及び鉛直方向の両方に垂直な方向（ｙ方向）を幅方向と呼ぶ。また、長手方向、高さ方向、幅方向に沿った各部材の寸法をそれぞれ、長さ、高さ、幅と呼ぶ。
　コレクターバー１２の幅ｗは、大きい方が好ましい。幅ｗが大きいほど、カソードブロック１１との接触面積が大きくなる。また、幅ｗが大きいほど、コレクターバー１２の断面積が大きくなり、コレクターバー１２の電気抵抗が低くなる。コレクターバー１２の幅ｗは、カソードブロック１１の幅Ｗと等しくすることがより好ましい。また、コレクターバー１２の高さｈは、大きい方が好ましい。
　２つのコレクターバー１２は、カソードブロック１１の長手方向に沿って配置されている。２つのコレクターバー１２は、間隔ｓｐだけ離して配置されている。間隔ｓｐの大きさは、例えば１５～５０ｃｍである。
　本実施形態では、カソードブロック１１及びコレクターバー１２は、両方とも炭素製である。カソードブロック１１及びコレクターバー１２は、電気抵抗率の低い材料からなることが好ましい。カソードブロック１１及びコレクターバー１２は、好ましくは黒鉛製である。また、コレクターバー１２は、カソードブロック１１よりも、電気抵抗率の低い材料からなることが好ましい。
　［カソード１０の効果］
　カソード１０の効果を説明するため、従来の一般的なカソード９０の構成について説明する。図５は、カソード９０の構成を示す斜視図である。図６は、図５のＶＩ－ＶＩ線に沿った断面図である。
　カソード９０は、カソードブロック９１と、４本のコレクターバー９２とを備えている。カソードブロック９１は炭素製であり、典型的には黒鉛製である。コレクターバー９２は金属製であり、典型的には鉄製である。
　鉄は、一般的に炭素よりも電気抵抗率（固有抵抗）が低い。そのため、鉄製のコレクターバー９２は、電気抵抗を小さくしやすい。一方、鉄製のコレクターバー９２は、炭素製のカソードブロック９１と熱膨張率が異なるため、高温でカソードブロック９１と密着させておくことが困難であり、接触抵抗が大きくなりやすい。そのため、カソードブロック９１とコレクターバー９２との接触抵抗を低くするための工夫が必要となる。
　図６に示すように、カソードブロック９１の底面には溝が設けられており、コレクターバー９２は、この溝にはめ込まれている。さらに、カソードブロック９１とコレクターバー９２との隙間には、鋳鉄９３が流し込まれている。
　このような構造にするためには、加工に手間とコストがかかる。特に、鋳鉄９３を流し込む作業は負荷が大きく、人手で行う場合には安全性にも懸念がある。また、品質が一定せず、個体間で接触抵抗にばらつきが生じる場合がある。
　コレクターバー９２の断面積は電気抵抗に大きく影響する。電気抵抗を下げるため、コレクターバー９２の断面積を大きくすることが好ましい。しかし、コレクターバー９２の断面積を大きくすれば、カソードブロック９１に形成する溝も大きくする必要がある。溝が大きすぎると、カソードブロック９１の強度が低下し、鋳鉄９３を流し込む際の熱応力等によってウイングクラックと呼ばれる亀裂９１ａが発生する場合がある。
　鋳鉄９３に代えて、コークスとコールタールピッチを主原料とするペーストが使用される場合もある。しかし、ペーストは電気抵抗が高いため、エネルギーロスが大きくなる。
　鋳鉄９３を使用した場合であっても、背景技術の欄で説明したとおり、（１）鋳鉄の凝固挙動がコレクターバーの上下面で異なること、（２）コレクターバーがクリープ変形すること、（３）鉄の相転移に起因して不連続な熱膨張が起こることによって、カソードブロック９１とコレクターバー９２との間に隙間が生じる。そのため、カソードブロック９１とコレクターバー９２との間の接触抵抗は大きくなる。
　本実施形態によるカソード１０の構成によれば、カソードブロック１１とコレクターバー１２とがともに炭素で形成されているので、両者の間に熱膨張率差がない。そのため、高温でもカソードブロック１１とコレクターバー１２とを密着させておくことができる。
　これに伴って、カソードブロック１１の底面に溝を設けたり、カソードブロック１１とコレクターバー１２との隙間に鋳鉄を流し込んだりする必要がなくなる。そのため、加工の手間とコストを削減することができる。
　炭素製のコレクターバー１２は、鉄製のコレクターバー９２と比較して、熱伝導率が小さい。そのため、セル１００内の熱を炉外に逃がしにくくすることができる。
　カソードブロック１１及び９１は、パッド３４（図１）との摩擦等によって摩耗する。カソード９０の場合、コレクターバー９２がはめ込まれた位置までカソードブロック９１が摩耗すると、鉄製のコレクターバー９２が電解浴３３（図１）と接触して電解浴３３を汚染する可能性があるため、カソードブロック９１は使用できなくなる。すなわち、カソードブロック９１の体積のうち、コレクターバー９２がはめ込まれた部分は、カソード９０の寿命に寄与しない。これに対し、カソード１０の構成によれば、カソードブロック１１の体積の全体がカソード１０の寿命に寄与する。そのため、同一体積の材料から、より寿命の長いカソードを製造することができる。
　カソード１０の構成によれば、コレクターバー１２をカソードブロック１１に固定しておく必要はなく、コレクターバー１２の上にカソードブロック１１を乗せておくだけでよい。カソードブロック１１とコレクターバー１２との界面には、カソードブロック１１、電解浴３３、及びパッド３４の重さによって、ある程度の圧力が加わる。また、ライニング３２等が熱膨張するため、カソードブロック１１及びコレクターバー１２には圧縮応力が加わる。これによって、高温においても、カソードブロック１１とコレクターバー１２とを密着させておくことができる。
　［計算例］
　炭素製のコレクターバーであっても鉄製のコレクターバーと遜色のない電気伝導性が得られることを確認するため、モデル計算を実施した。モデル計算は、Richard Beeler, "AN ANALYTICAL MODEL FOR CATHODE VOLTAGE DROP IN ALUMINUM REDUTION CELLS", Light Metals 2003, pp.241-245に記載された方法で実施した。
　表１に、計算に用いたパラメータ、及び計算結果を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　図７Ａ～図８Ｂは、計算に用いたモデルを説明するための図である。図７Ａは、従来のカソード９５を想定したモデル（比較例）の長手方向に垂直な断面図である。図７Ｂは、同モデルの幅方向に垂直な断面図である。図８Ａは、本実施形態にかかるカソード１０を想定したモデル（実施例）の長手方向に垂直な断面図である。図８Ｂは、同モデルの幅方向に垂直な断面図である。
　図７Ａ～図８Ｂに示すように、Ｗ、Ｈ、及びＬはそれぞれ、カソードブロック９６又は１１の幅、高さ、及び長さである。ｗ及びｈはそれぞれ、コレクターバー９７又は１２の幅及び高さである。Ｌ’は、コレクターバー１２又は９７がカソードブロック９６又は１１から突出している部分の長さである。表１に示すように、コレクターバー９６の断面積は２１ｃｍ×１３ｃｍとし、コレクターバー１２の断面積は５０．５ｃｍ×１５ｃｍとした。
　Ｎは、セル内のカソードブロックの数を２倍したものである。これは、セルあたりの抵抗Ｒｃｅｌｌを計算するために用いるパラメータである。
　ρＢ、ρＢ’はそれぞれ、１０００℃及び５００℃におけるコレクターバーの電気抵抗率（体積抵抗率）である。比較例のコレクターバーの電気抵抗率は、鉄の値を用いた。実施例のコレクターバーの電気抵抗率は、炭素材料のなかでも電気抵抗率の低い人造黒鉛電極のニップル材料の値を用いた。
　ρＣは、１０００℃におけるカソードブロックの電気抵抗率である。実施例及び比較例のどちらにも同じ黒鉛の値を用いた。
　σは、カソードブロックとコレクターバーとの界面における、単位接触面積での接触抵抗である。なお、接触抵抗は接触面積が大きくなるほど小さくなる。比較例のσは、Ｒｃｅｌｌの実測値から逆算して求めた。実施例のσは、鉄製のコレクターバーの場合のような熱膨張率差による問題が生じないため、１．０μΩｍ２まで低減できると仮定した。
　Ｈ＊は有効高さであり、下記の式で表される。
　　Ｈ＊＝Ｈ－ｈ（ｈ＋ｗ）／（２ｈ＋ｗ）
　Ｒ’Ｂは、カソードブロックから突出した部分における、コレクターバーの長手方向の抵抗である。Ｒ’Ｂは、下記の式で表される。コレクターバーの温度は実際には分布を持ち、場所によって電気抵抗率も変化するが、ここでは簡単のため、中央温度の５００℃の電気抵抗率を用いて計算した。
　　Ｒ’Ｂ＝ρ’ＢＬ’／ｗｈ
　ＲＢは、カソードブロックと平面視で重なる部分における、コレクターバーの長手方向の抵抗である。ＲＢは、下記の式で表される。この部分の温度は１０００℃であるとして計算した。
　　ＲＢ＝ρＢＬ／ｗｈ
　ＲＣは、カソードブロックの高さ方向の抵抗である。ＲＣは、下記の式で表される。この部分の温度は１０００℃であるとして計算した。
　　ＲＣ＝ρＣＨ＊／ＷＬ
　ＲＪは、カソードブロックとコレクターバーの接続部の抵抗であり、下記の式で表される。
　　ＲＪ＝σ／（２ｈ＋ｗ）Ｌ　（図７Ａ及び図７Ｂの場合）
　　ＲＪ＝σ／ｗＬ　　　　　　（図８Ａ及び図８Ｂの場合）
　αは、高さ方向の抵抗に対する長手方向の抵抗の割合であり、下記の式で表される。
　　α２＝ＲＢ／（ＲＣ＋ＲＪ）
　セルの抵抗Ｒｃｅｌｌは、下記の式で求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　表１に示すとおり、炭素製のコレクターバーを用いても、金属製のコレクターバーと遜色のない電気伝導性が得られることを確認した。
　以上、本発明の第１の実施形態にかかるカソード１０の構成及び効果を説明した。本実施形態では、カソードブロック１１及びコレクターバー１２の両方が炭素製である。この構成によれば、カソードブロック１１とコレクターバー１２との間の熱膨張率差が小さいので、高温でも両者を密着させておくことができる。そのため、両者を密着させておくための加工を簡素化できる。これによって、電気伝導性を確保しつつ、設置が容易なカソードが得られる。
　本実施形態では、カソードブロック１１の底面が平面であり、コレクターバー１２の各々の上面が平面である。カソードブロック１１は、カソードブロック１１の底面とコレクターバー１２の各々の上面とが接するように配置される。この構成によれば、カソードの加工が特に容易である。
　図４では、カソードブロック１１及びコレクターバー１２が両方とも直方体である。しかし、カソードブロック１１は、底面が平面であればよく、他の面の形状は任意である。同様に、コレクターバー１２は、上面が平面であればよく、他の面の形状は任意である。カソードブロック１１の底面及びコレクターバー１２の上面は、平滑度が高いことが好ましい。これらの面の平滑度が高い程、両者の接触面積が大きくなり、接触抵抗を小さくできる。
　本実施形態では、一つのカソードブロック１１に対して２つのコレクターバー１２がある場合を説明した。しかし、一つのカソードブロック１１に対してコレクターバーは１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。
　カソード１０は、好ましくは、一つのカソードブロック１１に対し、２つ以上のコレクターバー１２を備える。これによって、一つのコレクターバー１２が物理的に破断しても、他のコレクターバー１２によって、電気的接続を確保することができる。
　本実施形態では、コレクターバー１２は、カソードブロック１１の長手方向に沿って２つ配置され、２つのコレクターバー１２は、間隔ｓｐを空けて配置される。この構成によれば、コレクターバー１２が熱膨張したとき、コレクターバー１２の長手方向の応力を逃がすことができる。これによって、コレクターバー１２が変形するのを抑制することができる。
　コレクターバー１２は、カソードブロック１１よりも、電気抵抗率の低い炭素材料からなることが好ましい。カソードブロック１１には、電解浴３３（図１）との反応性等、電気抵抗率以外の特性が要求されるため、材料の選択にある程度の制限を受ける。コレクターバー１２にはそのような制限がないので、炭素材料のなかでも、より電気抵抗率の低い材料を用いることができる。これによって、カソード１０の電気伝導性を向上させることができる。
　本実施形態では、コレクターバー１２に金属製のブスバー３６（図１）を接続してもよい。コレクターバー１２とブスバー３６とは、高温の炉内で接続する必要はない。そのため、両者間の熱膨張率差は問題とならない。金属製のブスバー３６を接続することによって、設備全体の電気抵抗を下げることができる。
　［第２の実施形態］
　図９は、本発明の第２の実施形態にかかるカソード１５の構成を示す斜視図である。カソード１５は、カソードブロック１６と、２つのコレクターバー１７とを備えている。本実施形態においても、カソードブロック１６及びコレクターバー１７は、両方とも炭素製である。
　カソードブロック１６は、２つのコレクターバー１７の上面に配置されている。カソードブロック１６の底面と２つのコレクターバー１７の各々の上面とが接触することによって、カソードブロック１６と２つのコレクターバー１７とが電気的に接続されている。
　第１の実施形態にかかるカソード１０（図４）では、カソードブロック１１の底面及びコレクターバー１２の各々の上面は平面である。これに対し、本実施形態にかかるカソード１５では、カソードブロック１６の底面に溝１６ａが形成されており、コレクターバー１７の各々の上面には、溝１６ａに沿った溝１７ａが形成されている。
　本実施形態によれば、カソードブロック１６とコレクターバー１７との接触面積を大きくすることができる。また、カソードブロック１６をコレクターバー１７の上に設置する際、位置合わせがしやすくなる。さらに、操業時にカソードブロック１６とコレクターバー１７とが位置ずれするのを抑制することができる。
　カソード１５は、溝１６ａ及び溝１７ａを形成する必要があるため、カソード１０（図４）と比較すれば加工の工程が増える。しかし、カソード９０（図５）と比較すれば、鋳鉄を流し込む等の必要がないため、依然として工程を簡略化することができる。
　図９では、カソードブロック１６及びコレクターバー１７には山形の溝が形成されている。しかし、溝の数や形状は任意である。溝は、鋸形であってもよいし、曲線であってもよい。
　［第３の実施形態］
　図１０は、本発明の第３の実施形態にかかるカソード４０の構成を示す斜視図である。カソード４０は、カソード１０（図４）のコレクターバー１２に代えて、コレクターバー４２を備えている。
　コレクターバー４２は、コレクターバー１２と同様に、炭素製である。コレクターバー４２は、コレクターバー１２と比較して、平面形状が異なっている。コレクターバー４２は、平面視でカソードブロック１１と重ならない部分の一部の幅が、カソードブロック１１と重なる部分の幅よりも狭くなっている。具体的には、コレクターバー４２は、平面視でカソードブロック１１と重ならない部分に、カソードブロック１１と重なる部分の幅よりも幅が狭い端子部４２ａが形成されている。
　本実施形態によれば、炉体３０（図２）のスロット３１ａの開口が小さい場合であっても、コレクターバー４２を炉体３０の外側に引き出すことができる。具体的には、カソード９０（図５）のコレクターバー９２の形状を前提として構築された炉体３０を、設計変更せずに使用することができる。
　一方、カソードブロック１１と重なる部分の幅を大きくしておくことによって、カソードブロック１１との接触面積を大きくし、接触抵抗を小さくすることができる。また、長手方向に垂直な断面積が大きくなることで、長手方向の抵抗を小さくすることができる。
　［第４の実施形態］
　図１１は、本発明の第４の実施形態にかかるカソード４５の構成を示す斜視図である。カソード４５は、カソードブロック４６と、２つのコレクターバー４７とを備えている。本実施形態においても、カソードブロック４６及びコレクターバー４７は、両方とも炭素製である。
　本実施形態では、カソードブロック４６とコレクターバー４７とが、ネジ４８によって締結されている。カソードブロック４６には、ネジ４８と締結される雌ねじ４６ａが形成され、コレクターバー４７には、ネジ４８を通すための貫通穴４７ａが形成されている。
　上述のとおり、カソードブロック４６をコレクターバー４７の上に乗せておくだけも、ライニング３２（図１）の熱膨張等によって、カソードブロック４６とコレクターバー４７との界面には圧力がかかる。しかし、炉の構造によっては十分な圧力がかからない場合がある。また、より強い圧力をかけたい場合がある。本実施形態のようにネジ４８で締結することによって、カソードブロック４６とコレクターバー４７との接触面圧を調整することができる。
　［第５の実施形態］
　図１２は、本発明の第５の実施形態にかかるカソード５０の構成を示す斜視図である。カソード５０は、カソードブロック５１と、２つのコレクターバー５２とを備えている。本実施形態においても、カソードブロック５１及びコレクターバー５２は、両方とも炭素製である。
　カソードブロック５１の側面には、雌ネジ５１ａが形成されている。コレクターバー５２の長手方向の一方の端部には、雌ネジ５１ａと締結される雄ネジ５２ａが形成されている。本実施形態では、雄ネジ５２ａと雌ネジ５１ａとを締結させることで、カソードブロック５１とコレクターバー５２とを接続する。
　本実施形態によっても、カソード９０（図５）と比較して、工程を簡略化することができる。
　図１２では、カソードブロック５１に雌ネジ５１ａが形成され、コレクターバー５２に雄ネジ５２ａが形成されている。しかし、カソードブロック５１に雄ネジが形成され、コレクターバー５２に雌ネジが形成されていてもよい。
　［第６の実施形態］
　図１３は、本発明の第６の実施形態にかかるカソード５５の構成を示す斜視図である。カソード５５は、カソードブロック５６と、２つのコレクターバー５７とを備えている。本実施形態においても、カソードブロック５６及びコレクターバー５７は、両方とも炭素製である。
　カソードブロック５６の側面には、凹部５６ａが形成されている。コレクターバー５７の長手方向の一方の端部には、凹部５６ａと嵌合する凸部５７ａが形成されている。本実施形態では、凸部５７ａを凹部５６ａに嵌合させることで、カソードブロック５６とコレクターバー５７とを接続する。
　本実施形態によっても、カソード９０（図５）と比較して、工程を簡略化することができる。
　図１３では、カソードブロック５６に凹部５６ａが形成され、コレクターバー５７に凸部５７ａが形成されている。しかし、カソードブロック５６に凸部が形成され、コレクターバー５７に凹部が形成されていてもよい。
　［第７の実施形態］
　図１４は、本発明の第７の実施形態にかかるカソード６０の構成を示す斜視図である。本実施形態では、カソードブロック６１とコレクターバー６２とが、一体的に形成されている。すなわち、カソードブロック６１とコレクターバー６２とは、一つの素材から加工されて形成されている。カソードブロック６１及びコレクターバー６２が一体的形成されたカソード６０は、炭素製である。
　本実施形態によれば、カソードブロック６１とコレクターバー６２とが一体的形成されているため、界面が存在しない。したがって、接触抵抗をゼロにできる。
　［第８の実施形態］
　図１５は、本発明の第８の実施形態にかかるカソード６５の構成を示す斜視図である。カソード６５は、複数のカソードブロック１１と、２つのコレクターバー６７とを備えている。本実施形態においても、カソードブロック１１及びコレクターバー６７は、炭素製である。
　本実施形態では、２つのコレクターバー６７のそれぞれが、複数のカソードブロック１１と接している。この構成によれば、コレクターバー６７の断面積を大きくできるので、電気抵抗を小さくすることができる。
　図１５では、２つのコレクターバー６７の各々が７つのカソードブロックと接している。しかし、コレクターバー６７の少なくとも一つが、複数のカソードブロックと接していれば、上記の効果は得られる。また、カソードブロックの数は、２つ以上であればよい。すなわち、カソード６５は、少なくとも２つのカソードブロック（カソードブロック及び第２のカソードブロック）と、１つ以上のコレクターバーとを備え、コレクターバーの少なくとも一つが、少なくとも２つのカソードブロックと接していればよい。
　以上、本発明についての実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態のみに限定されず、発明の範囲内で種々の変更が可能である。

Claims (8)

  1. 　金属製錬用のカソードであって、
    　炭素製のカソードブロックと、
    　各々が前記カソードブロックに接するように配置された、１つ以上の炭素製のコレクターバーとを備え、
    　前記カソードブロックの底面は、平面であり、
    　前記コレクターバーの各々の上面は、平面であり、
    　前記カソードブロックは、前記カソードブロックの底面と前記コレクターバーの各々の上面とが接するように配置される、カソード。
  2. 　金属製錬用のカソードであって、
    　炭素製のカソードブロックと、
    　各々が前記カソードブロックに接するように配置された、１つ以上の炭素製のコレクターバーとを備え、
    　前記カソードブロックの底面に溝が形成されており、
    　前記コレクターバーの各々の上面に、前記カソードブロックの溝に沿った溝が形成されており、
    　前記カソードブロックは、前記カソードブロックの底面と前記コレクターバーの各々の上面とが接するように配置される、カソード。
  3. 　請求項１又は２に記載のカソードであって、
    　前記コレクターバーは、前記カソードブロックの長手方向に沿って２つ配置され、
    　前記２つのコレクターバーは、間隔を空けて配置される、カソード。
  4. 　請求項１～３のいずれか一項に記載のカソードであって、
    　前記コレクターバーは、平面視で前記カソードブロックと重ならない部分の少なくとも一部の幅が、前記カソードブロックと重なる部分の幅よりも狭い、カソード。
  5. 　金属製錬用のカソードであって、
    　炭素製のカソードブロックと、
    　各々が前記カソードブロックに接するように配置された、１つ以上の炭素製のコレクターバーとを備え、
    　前記カソードブロックと前記コレクターバーとを締結するネジをさらに備える、カソード。
  6. 　金属製錬用のカソードであって、
    　炭素製のカソードブロックと、
    　各々が前記カソードブロックに接するように配置された、１つ以上の炭素製のコレクターバーとを備え、
    　前記カソードブロックに雄ネジ若しくは雌ネジ、又は凸部若しくは凹部が形成されており、
    　前記コレクターバーの各々に、前記雄ネジ若しくは雌ネジと締結される雌ネジ若しくは雄ネジ、又は前記凸部若しくは凹部と嵌合する凹部若しくは凸部が形成されている、カソード。
  7. 　請求項１～６のいずれか一項に記載のカソードであって、
    　前記コレクターバーは、前記カソードブロックよりも、電気抵抗率の低い炭素材料からなる、カソード。
  8. 　金属製錬用のカソードであって、
    　炭素製のカソードブロックと、
    　各々が前記カソードブロックに接するように配置された、１つ以上の炭素製のコレクターバーとを備え、
    　第２のカソードブロックをさらに備え、
    　前記コレクターバーの少なくとも一つは、前記カソードブロック及び前記第２のカソードブロックの両方と接している、カソード。
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