(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウムをその酸化物から生産するための電解セル用のカソード（１）であって、
上記カソード（１）は、下面（１ｇ）を有し、
上記カソード（１）には、電気供給のための複数のピン（１ｅ）が備えられ、
上記ピンは、作動時に下方からカソード（１）の下面（１ｇ）に電気を供給しながら接触しており、上記ピン（１ｅ）は、ねじ接続により、カソード（１）の下面（１ｇ）に挿入されていることを特徴とするカソード（１）。
【請求項２】
上記ピン（１ｅ）の少なくとも１つは、下面（１ｇ）の垂線に対して３０°より小さい角度で、特に、下面（１ｇ）に対して少なくとも基本的に垂直に、下面（１ｇ）に接触していることを特徴とする、請求項１に記載のカソード（１）。
【請求項３】
上記ねじ接続は、ピン（１ｅ）の下面（１ｇ）の側の端部に設けられているねじと、カソード（１）の下面（１ｇ）に設けられている相手ねじとから構成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のカソード（１）。
【請求項４】
少なくとも１つのピン（１ｅ）の一部分がカソード（１）の下面（１ｇ）の凹部に挿入され、上記ねじ接続はねじを有していて、該ねじは、ピン（１ｅ）の上記凹部に挿入された部分の雄ねじにより形成されていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載のカソード（１）。
【請求項５】
少なくとも１つのピン（１ｅ）は、ねじ付きピンとして形成されていて、電気炉を用いたスチール生産のためのグラファイト電極用のねじ付きニップルと同様の形状であることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載のカソード（１）。
【請求項６】
上記ピン（１ｅ）は、グラファイトから製造されていることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項に記載のカソード（１）。
【請求項７】
上記ピン（１ｅ）は、１００ｍｍと５００ｍｍとの間の長さを有することを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項に記載のカソード（１）。
【請求項８】
上記ピン（１ｅ）は、３０ｍｍと２００ｍｍとの間の直径を有することを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項に記載のカソード（１）。
【請求項９】
上記カソード（１）の１平方メートル当たりに、４と１００との間のピン（１ｅ）が備えられていることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項に記載のカソード（１）。
【請求項１０】
複数の上記ピン（１ｅ）は、いずれも、カソード（１）の反対側端部において、導体レール（３）に接続されていることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項に記載のカソード（１）。
【請求項１１】
上記導体レール（３）は、５０％を超える銅および／またはアルミニウムを含む材料から製造されていることを特徴とする、請求項１０に記載のカソード（１）。
【請求項１２】
上記カソード（１）の下面（１ｇ）は、台形の形に、下方に先細りになる台形の本体（１ｄ）の形で形成されていることを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１項に記載のカソード（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、融解電解によってアルミニウムを生産するための電解セル用のカソードに関する。
【０００２】
アルミニウムをその酸化物から工業的に生産するために、現在、いわゆる"ホール・エルー法"が用いられている。この方法は電解プロセスであり、当該電解プロセスにおいては、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を、融解した氷晶石（Ｎａ３［ＡｌＦ６］）に溶解し、さらに、これにより得られた混合物が、電解セルの電解液として用いられる。ホール・エルー法を実施するための、このような電解セルの原理的な構造は、図１ａから１ｃに模式的に示される。ここで、図１ａは、従来のセルの断面図を示し、図１ｂは外部から見たセルの側面図を示す。図１ｃは、電解セルの斜視図を示す。
【０００３】
参照符号１によりカソードが示され、当該カソードは、例えばグラファイト、無煙炭、またはその混合物から製造されうる。代替的に、コークスをベースとするグラファイト化されたカソードが用いられていてもよい。上記カソード１は、一般に、スチールおよび／または耐火性材料またはその類似の材料からなる枠体２にはめ込まれている。上記カソード１は、一体として構成されていてもよいし、複数のカソードブロックから構成されていてもよい。
【０００４】
セルの全長を超えて、上記カソード１の中に、複数の電気供給棒３が挿入され、ここで、図１ａの断面図では、１つの電気供給棒３のみが認められる。図１ｃにおいては、カソードブロック１つにつき、例えば、２つの電気供給棒が備えられていてもよいことが示されている。上記電気供給棒は、セルに電解プロセスに必要な電流を供給するために用いられる。上記カソード１に対向して、複数の典型的には直方体のアノード４が配置される。ここで、図１ａには、２つのアノード４が模式的に示される。図１ｃは、より詳しく、電解セル中のアノードの配置を示す。当該方法の実施においては、カソード１とアノード４との間に電圧を印加することにより、氷晶石の中に溶解している酸化アルミニウムは、電流流れにより、アルミニウムイオンと酸素イオンとに解離する。そのとき、当該アルミニウムイオンは、融解アルミニウム−電気化学的には本来のカソード−の方向に移動して、そこで電子を受け取る。より大きな密度のため、液相のアルミニウム５は、酸化アルミニウムと氷晶石とからなる融解物６の下方に集まる。上記酸素イオンは、アノードにおいて酸素に還元され、当該酸素が、アノードの炭素と反応する。
【０００５】
参照符号７および８により、電解プロセスに必要な電圧を提供する電源装置の負極または正極が模式的に示される。当該電圧の値は、例えば、約３．５Ｖと５Ｖとの間である。
【０００６】
図１ｂの側面図において認められるように、上記枠体２および、従って、電解セル全体は、縦長の形状であり、ここでは、多数の電気供給棒３が、枠体２の側壁を通って垂直に挿入されている。典型的には、現在用いられているセルの長手方向の長さは、約８ｍと１５ｍとの間であり、幅方向の長さは、約３ｍから４ｍまでである。図１ａに示されているカソードは、例えばＥＰ１８４５１７４に開示されている。
【０００７】
アルミニウムと酸素との間の高い結合エネルギー、ならびに熱損失および抵抗損失は、融解電解によるアルミニウム生産において、高いエネルギー需要を引き起こす。それに関連するエネルギーコストは、プロセスコストの大部分である。そのコストを減少させることは、融解電解の領域において、解決しなければならない基本的な課題の１つである。
【０００８】
低いエネルギー効率の１つの要因は、上述した電気供給棒である。当該電気供給棒は、融解電解時に発生する高い温度のため、従来は、スチールから製造されている。他の技術的用途で、低い温度において用いられうる他の電気伝導体、例えばアルミニウムおよび銅に比べて、スチールは、より高い比電気抵抗を有する。さらには、従来の、電気供給棒を用いる横からの水平方向の電気供給は、カソード内の不均一な電流分布を引き起こす。
【０００９】
従来技術では、さらに、特に、接続時に、すなわち、液体鋳鉄のいわゆる"鋳込み"の時に、カソードと電気供給棒との異なる熱膨張係数を考慮して、適切な対策を施さない場合には、カソードと電気供給棒との異なる熱膨張係数が、電解セルの起動および作動の時に問題を起こし得る。
【００１０】
それ故に、本発明の課題は、アルミニウムを生産するための電解セル用のカソードであって、当該カソードによって、従来技術の上記問題点を克服することができ、特に、従来の電解セルに比べて、エネルギー効率を向上し、且つ、カソードの均一な電流密度分布を達成することができるカソードを提供することにある。
【００１１】
本発明によれば、上記課題は、請求項１の特徴を有するカソードにより解決される。さらなる好ましい実施形態は従属請求項に規定される。
【００１２】
アルミニウムをその酸化物から生産するための電解セル用の、下面を有するカソードは、本発明の実施形態によれば、電気供給のための複数のピンを備えており、当該ピンが、作動時に下方からカソードの下面に電気を供給ながら接触している。
【００１３】
本発明の意図するところでは、"カソード"という概念は、一般的な意味に理解される。ここでは、例えば、−しかしこれに限定されるものではないが−、複数のカソードブロックにより構成される所謂カソード底部が挙げられ、それ故に、本発明に基づく中心的な局面−すなわち、上述した、カソードの下面の、下方からの複数のピンとの、電気を供給する接触−が、全体としてこのカソード底部によって実現される。カソードという概念により、しかし、このようなカソード底部を形成するカソードブロックという意味での部分構造もまた、論じられてもよい。"カソード"に関連して、本発明に寄与するすべての特徴は、以下に明示的に説明されなくても、同様に、"カソードブロック"に関しても、本発明に含まれる。
【００１４】
従来技術と違って、カソードへの電気供給は、下方から、上記ピンにより実現されている。一定の数のピンによる、下方からの供給により、従来、少ない電気供給棒により、横の方向からのカソード内への供給が可能であったのと比べて、カソードへの電気供給を、より均一に行うことが出来る。
【００１５】
例えばカソード下面が平らである場合、上記均一な電流分布は、例えば、所望される電流流れに応じて上記ピンが設計（例えば、その断面に関して）および配置されることにより、とりわけ均一な生産を達成することができる。例えば、上記ピンは、規則的に、および／または隣のピンに対してそれぞれ等間隔で配置されていてもよい。ピンは、しかし、また、カソード内の不均一な電流分布を防ぐために、目的に合致するように、図案または分布図にならって配置されていてもよい。上記配置は、例えば、カソードの周辺領域において有利であり得る。
【００１６】
その上、一定の数のピンを用いる上記配置により、融解電解プロセスの実施においてカソードの上に溜まる液体アルミニウム中の波発生の減少も達成することができる。その理由は、上記波発生が、知られているように、カソードの不均一な電流分布によって起こる液体アルミニウム内の水平の流れ、およびその流れと磁場との相互作用により生じることにある。上記ピンの断面、数、および分布を決定することにより行われる電気的および磁気的な設計により、好ましくない上記相互作用は、減少されるあるいは最小化されることが可能になる。
【００１７】
本発明の好ましい実施形態によれば、ピンの少なくとも１つ、特に、すべてのピンが、下面の垂線に対して３０°より小さい角度で、特に、基本的に垂直に、下面に接触する。このような配置は、技術的にとりわけ容易に、従って、費用効果的に実施することができ、荷重の配分および機械的設計に関してもとりわけ簡単である。
【００１８】
本発明のカソードの好適な実施形態において、ピンは、カソードの中まで達している。これは、それぞれのピンの、カソードまたはカソードの下面の側の端部が、取付けた状態で、部分的にカソードの中にあることを意味する。これによって、カソードに対するピンのとりわけ好適な電気的接触が達成される。
【００１９】
しかし、代替的に、同様に本発明に含まれる他の接触の変形例も考えられる。これは、例えば、カソードがピンの上に載置され、ピンがカソードの中まで達しない配置を含み得る。その場合、炭素含有化合物または金属化合物、例えば炭化したピッチ、導電性接着剤、または炭素塊により、ピンとカソードの下面との電気的接触は向上されうる。
【００２０】
本発明のとりわけ好適な実施形態によれば、上記ピンは、ねじ接続により、カソードの下面に挿入されている。これは、例えば、カソードが電解セルに装入される前に、そのカソードに、ピンを予め据え付けることを可能にする。さらには、とりわけ安定した固定、および、必要に応じて、整備または新しいものと取り替えるために、複雑ではない取外しが保証されている。
【００２１】
とりわけ有利には、上記ねじ接続は、ピンのカソードの下面側の端部に設けられたねじと、カソードの下面に設けられた相手ねじとによって構成される。この変形例では、さらなるねじ装置が不要であり、ピン自体がねじ装置であるために、とりわけ簡単で、材料節減が可能なねじ装置が実現されている。
【００２２】
好ましくは、上記のようなねじ付きピンは、その形状に関して、電気炉を用いるスチール生産のためのグラファイト電極用のねじ付きニップルと同様の形状とすることが可能である。電流分布、機械的強度、およびねじ込むことができる点に関しては、上記形状は、とりわけ有利であることが実証されている。
【００２３】
熱的および電気的視点から見れば、ねじ付きピンをカソードと同じ材料から製造することは、とりわけ有利である。これにより、機械的応力および接触抵抗は最小化される。
【００２４】
本発明の好ましい一実施形態によれば、上記ピンはグラファイトから製造される。これによって、ピンの高い熱的安定性および低い電気抵抗が達成され、その結果、融解電解の実施における、エネルギー効率が向上する。
【００２５】
上記ピンが長ければ長いほど、当該ピンに電流を供給する電気供給棒は、カソード、従って、高いプロセス温度の領域からの距離が離れている。さらに、増大する距離と共に、塊状の導体レールの内部の電流流れにより発生する電磁場の強さが減少し、その減少は、融解アルミニウム内の上述した波発生を回避することに有利である。これに関して、上記ピンが約１００ｍｍと５００ｍｍとの間の長さであることが、とりわけ好適であることが保証された。
【００２６】
カソード内の電流分布に影響を及ぼす方法は、ピンの断面の選択である。一方では、より多くのピンが用いられて、そのピンがより細くなるほど、電流分布はより均一になる。最小限度は、複数のピンの使用のコストおよび労力により規定される。この点に関しては、実際に、約３０ｍｍと２００ｍｍとの間の直径を有するピンが、特に好適であることが証明された。ここで、補足すべきことは、個別的選択を、そのそれぞれのカソードの形の構成上の特徴に合わせる必要があり、従って、場合によっては、別の寸法のピンを用いることが有利であり得ることである。
【００２７】
上述したように、本発明の実施形態によるカソードの有利な点は、より高い均一性を達成するために、カソード内の電流流れに影響を及ぼし得ることである。そのための方法は、ピンをできるだけ密に配置することである。例えば、カソードの底壁の１平方メートル当たりに、約４と約１００との間のピンが配置されることが、好適であることが見出された。
【００２８】
上記ピンを電源装置に接続するために、一実施形態においては、それぞれ複数のピンが、そのカソードの反対側の端部において、例えば、ねじ接続またはクランプ接続により、共有の導体レールに接続されている。従って、上述したように、上記導体レールは、ねじ部以外のピンの長さに一致する距離で、カソードから離れている。ここで、考慮すべきことは、導体レールの材料（金属）の熱膨張のために、上記ねじ接続は、ピンに過度に大きい機械的応力がかからないように、構成されていることである。ピンと導体レールとの間のこのような金属の螺合は、接続技術分野の専門家により簡単に実現されうるため、ここでは、詳細については、より詳しく取り上げない。
【００２９】
本発明の一実施形態によるカソードでは、導体レールが、当該カソード自体から隔たって備えられているため、上記導体レールが、熱的にとりわけ安定した材料から製造されている必要がない。従って、上記導体レールは、鉄、スチール、または類似の材料から製造されなくてもよい。寧ろ、共用の導体レールは、５０％を超える銅またはアルミニウムを含む材料から製造されていてもよい。銅およびアルミニウムは、鉄またはスチールより低い比電気抵抗を有するため、電解融解のエネルギー効率は向上されうる。勿論、上記導体レールは、純粋な銅または純粋なアルミニウム、あるいは僅かに他の金属を含む銅合金またはアルミニウム合金から製造されていてもよい。例えば、銅棒が、導体レールとして用いられている場合、比電気抵抗は、これまでに用いたスチールに比べて、約４分の１に減少されうる。
【００３０】
さらなる実施形態によれば、カソードの下面は、下方に先細りになる台形の本体の形で形成されている。この形により、下方から供給された電流は、均一、且つ、一様にカソードに供給される。カソードが複数の個々のカソードブロックからなるカソードの構造の場合、好ましくは、カソードの少なくともいくつかのカソードブロックが、下方に先細りになる上述した台形の本体を有し、ここで、当該本体は好適に互いに平行に延びる。上記台形の本体は、例えば、カソードの長手方向またはその垂直の方向に延びる。
【００３１】
このようにして、作動時に、カソード槽の領域に比べて、導体レールの領域の温度がはるかに低くなるように、熱いカソード槽あるいはカソードと導体レールとの間の間隔を、さらに大きくすることができる。
【００３２】
本発明は、次に、より詳しく、添付した図面に基づいて、限定されない実施例により説明される。図面は以下の事項を示す：
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１ａ】アルミニウムを酸化アルミニウムから生産するための従来技術による電解セルを、断面図により示す。
【図１ｂ】図１ａの電解セルを、外部から見た縦面図により示す。
【図１ｃ】アルミニウムを酸化アルミニウムから生産するための従来技術による電解セルを、部分断面斜視図により示す。
【図２ａ】本発明の一実施形態に係るカソードの斜視図を示す。
【図２ｂ】図２ａのカソードの図面を、９０°回転した視点により示す。
【図３】本発明の電解セルのねじ接続の断面図を示す。
【００３４】
図面においては、異なる図面における同一または対応する要素を示すために、同一の参照番号が用いられている。
【００３５】
図２ａおよび２ｂでは、本発明の一実施形態に係るカソードを有する電解セルが、それぞれ異なる視点から示されている。示されているカソードは、上述したホール・エルー法による酸化アルミニウムからのアルミニウム生産における使用に適する。カソード１の上に側壁１ａが配置されている。上記側壁１ａは、カソード１と一体として形成されていてもよいし、またはカソード１と接続されていてもよく、ここに示されている例では、カソード１の長手方向の側面に沿って延びる。この例では、上記側壁１ａは、複数の個々の側壁ブロック１ａ１から構成されている。同様に、この例では、上記カソード１は、複数の個々のカソードブロック１ｂ１から構成されている。
【００３６】
槽１ｃは、上記側壁１ａおよびカソード１によって囲まれてなり、当該槽１ｃの中には、当該カソードを融解電解プロセスに使用する時に、電解液および生成した融解アルミニウムが収容される。図面において認められるように、上記カソード１の下面１ｇは、カソードの幅ｂに沿って互いに平行に延びる、下方に先細りになる台形の本体１ｄにより、台形の形で構成されている。上記台形の本体は、ここで、底が平らに形成されている。上記台形の本体１ｄの底部において、ピン１ｅは、その台形の底部の中に固定されている。この実施形態では、図３において模式的に示されているように、上記ピンは、電気炉を用いるスチール生産のためのグラファイト電極の接続用のねじ付きニップルに類似したねじ付きピンとして形成されている。
【００３７】
しかしながら、代替的な実施形態では、他の接続手段、例えば、クランプ接続が選択されていてもよい。
【００３８】
上記ねじ付きピン１ｅは、ここで、円形の断面を有し、当該円形の断面が、電流密度の均一性の視点から見ると、有利である。上記ピン１ｅは、図２ｂにおいて認められるように、その分布に関して、例えば、僅かなジグザグ形状を有する。これに関連して補足すべきことは、下面１ｇに台形の本体１ｄを有するカソード１の形がここに示されているにもかかわらず、この形状は必須ではないということである。寧ろ、カソード１の下面１ｇは、カソード１の上面と同様に、平らに形成されていてもよい。このような形状では、上記ピン１ｅは、下面において、任意の形で配置されうる。
【００３９】
図２ａに示されているように、上記ピンは、例えば一列に並んで配置されていてもよい。勿論、複数の、このように一列に並んで配置されたピンが、互いに平行に配置されていてもよい。
【００４０】
台形の本体１ｄに沿って配置された、それぞれすべてのピン１ｅは、その下面、すなわち、カソード１の反対側において、共有の導体レール３に、例えば、螺合により接続されている。図３には、導体レール３との、上記ピン１ｅの可能な螺合の１つが示されている。この螺合には、導体レール３の方向から、２つのねじが、１つのピン１ｅの下面に挿入されている。
【００４１】
図面により明らかなことは、導体レール３が、カソード１の槽１ｃ、そしてこれにより作動時において高温度領域から離れて備えられているため、その導体レール３が耐えるべき温度は、図１ａから１ｃによる従来技術の実施形態にある温度より非常に低い。すなわち、ここで、上記導体レール３は、高温度領域の外に配置され、従って、スチールより、熱耐性のより低い、しかし、例えば、電気伝導性のより高い材料から製造されうる。
【００４２】
この実施形態では、上記導体レール３は、アルミニウム合金から構成されている。代替的に、公知の銅合金が用いられていてもよい。上述した台形の本体１ｄも、カソード１の槽１ｃと導体レール３との間隔を大きくするために作用する。
【００４３】
電気伝導性だけではなく熱伝導性も高い金属の、場合によって、あまりに大きい放熱には、好ましくは、適合した配置、特に、幾何学的配置により対処することができる。
【００４４】
図面により認められるように、複数の導体レール３（ここには、３つの導体レール３）は、いずれも（図示されていない）電源装置に続く、共有の集電レール１０に接続されている。集電レール１０および導体レール３は、例えば、同じ材料から製造されていてもよい。代替的に、一体として形成する実施形態も可能である。
【００４５】
カソード１の下面の形状によって、ピン１ｅの異なる配置が可能である。下面が平らに形成された場合には、上記ピン１ｅが、例えば、規則的な格子状に、下面に固定されうる。この配置は、電気供給の上述した均一性にとりわけ有利である。
【００４６】
カソードの材料としては、アルミニウムをその酸化物から電解のための、専門家に公知の、適合するすべての材料が用いられていてもよい。適合する材料は、例えば、ＤＥ１０２６１７４５に挙げられており、当該ＤＥ１０２６１７４５のこれに関する事項は、ここに、参照により組み入れられる。上記ピン１ｅは、特に、カソード１と同じ材料から製造されていてもよい。これに関して、グラファイトは、その耐熱性および低い比電気抵抗のため、とりわけ好適であることが判明した。
【符号の説明】
【００４７】
１  カソード
１ｂ１  カソードブロック
１ａ  側壁
１ａ１  側壁ブロック
１ｃ  槽
１ｄ  台形の本体
１ｅ  ピン
１ｇ  カソードの下面
２  枠体
３  導体レール
４  アノード
５  アルミニウム
６  混合物（酸化アルミニウム、氷晶石）
７  負極  電源装置
８  正極  電源装置
１０  集電レール
【図１ａ】
0005635196.tif 000002
【図１ｂ】
0005635196.tif 000003
【図１ｃ】
0005635196.tif 000004
【図２ａ】
0005635196.tif 000005
【図２ｂ】
0005635196.tif 000006
【図３】
0005635196.tif 000007