(57)【要約】  本発明は、融解物に基づく金属生産のためのカソード（１０）および装置（１００）を創造し、当該カソード（１０）および装置（１００）の使用を提供する。本発明の中心的な局面は、上記カソード（１０）を、少なくとも二層、すなわち、耐摩耗性処理材料（１２’）からなるかまたはそれを含む処理側の処理層（１２）と、導電性を有し、特に、低抵抗の電流伝達材料（１１’）からなるかまたはそれを含む電流伝達層（１１）とを有するように構成することにあり、ここで、さらに、処理側面（１０ｏ）は、凹部（１０ａ、１２ａ）および／または凸部（１０ｅ、１２ｅ）、または、複数の凹部（１０ａ、１２ａ）および／または凸部（１０ｅ、１２ｅ）により表面テクスチャー化されて形成される。
2013536321.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解浴中で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（１０）であって、
上記カソード（１０）は、作動時に電解浴（２０’）に向いた処理側面（１０ｏ）を備えており、
上記カソード（１０）は、処理材料（１２’）を含有する処理層（１２）と、電流伝達材料（１１’）を含有する電流伝達層（１１）とを備えた層構造を有し、上記処理層は、カソード（１０）の処理側面（１０ｏ）を部分的または全体的に形成し、
上記処理材料（１２’）は、上記電流伝達材料（１１’）よりも耐摩耗性が高く、
上記電流伝達材料（１１’）は、上記処理材料（１２’）よりも導電性が高く、
上記処理側面（１０ｏ）は、１つまたは複数の凹部（１０ａ）および／または凸部（１０ｅ）によって、表面テクスチャー化されて形成されているカソード（１０）。
【請求項２】
上記処理層（１２）および、特に、処理材料（１２’）が、アモルファスで形成され、特に、炭素材料を含むか、それからなるか、またはそれに基づいておよび／またはか焼された無煙炭に基づいて形成され、好ましくは、室温で約２３Ω・μｍから約４０Ω・μｍまでの範囲、より好ましくは、約２５Ω・μｍから約３５Ω・μｍまでの範囲の、垂直の比電気抵抗を有する、請求項１に記載のカソード（１０）。
【請求項３】
上記電流伝達層（１１）および、特に、電流伝達材料（１１’）が、炭素材料を含むか、それからなるか、またはそれに基づいて形成され、特に、グラファイトおよび／またはグラファイト材料を含むかまたはそれからなるグラファイト型に形成され、好ましくは、室温で約１４Ω・μｍから約２０Ω・μｍまでの範囲、より好ましくは、約１６Ω・μｍから約１８Ω・μｍまでの範囲の、垂直の比電気抵抗を有する、請求項１または２に記載のカソード（１０）。
【請求項４】
凹部（１０ａ）が、処理側面（１０ｏ）の中または処理側面（１０ｏ）上において、処理層（１２）および、特に、処理材料（１２’）にある凹部（１２ａ）によって形成され、および／または、
凸部（１０ｅ）が、処理側面（１０ｏ）の中または処理側面（１０ｏ）上において、処理層（１２）および、特に、処理材料（１２’）にある凸部（１２ｅ）によって形成されている、請求項１から３までのいずれか１項に記載のカソード（１０）。
【請求項５】
上記処理側面（１０ｏ）は、部分的に平面であり、特に、上記凹部（１０ａ）および／または上記凸部（１０ｅ）が、断面において基本的に、長方形、正方形、弓形形状、円の一部の形状、台形形状、または三角形に形成されている、請求項１から４までのいずれか１項に記載のカソード（１０）。
【請求項６】
上記処理層（１２）が、電流伝達層（１１）の上に直接配置され、特に、当該処理層（１２）と電流伝達層（１１）との間の境界面、すなわち処理層（１２）の下面（１２ｕ）および電流伝達層（１１）の上面（１１ｏ）が、平面状に形成されている、請求項１から５までのいずれか１項に記載のカソード（１０）。
【請求項７】
凹部（１０ａ、１２ａ）の深さｔａと凹部（１０ａ、１２ａ）の幅ｂａとが、約１：３から約１：１の範囲の比を有する値、より好ましくは、約１：２から約１：１の範囲の比を有する値になり、その結果、
ほぼ、下記関係（１）
１：３≦ｔａ：ｂａ≦１：１            （１）
および、特に、下記関係（１’）
１：２≦ｔａ：ｂａ≦１：１            （１’）
を満たし、
凸部（１０ｅ、１２ｅ）の高さｈｅと凸部（１０ｅ、１２ｅ）の幅ｂｅとが、約１：２から約２：１の範囲の比を有する値、より好ましくは、約１：１の範囲の比を有する値であるかまたは値になり、その結果、
ほぼ、下記関係（２）
１：２≦ｈｅ：ｂｅ≦２：１            （２）
および、特に、下記関係（２’）
ｈｅ：ｂｅ≒１：１            （２’）
を満たし、
および／または凹部（１０ａ、１２ａ）の幅ｂａと凸部（１０ｅ、１２ｅ）の幅ｂｅとが、約１：１から約４：１の範囲の比を有する値になり、その結果、
ほぼ、下記関係（３）
１：１≦ｂａ：ｂｅ≦４：１            （３）
を満たす、請求項１から６までのいずれか１項に記載のカソード（１０）。
【請求項８】
凹部（１０ａ、１２ａ）の深さ（ｔａ）が、約１００ｍｍから約２５０ｍｍまでの範囲にある値、より好ましくは、約１００ｍｍの範囲にある値であって、
凹部（１０ａ、１２ａ）の幅（ｂａ）が、約１４０ｍｍから約２００ｍｍまでの範囲にある値であって、
凸部（１０ｅ、１２ｅ）の高さ（ｈｅ）が、約１００ｍｍから約２５０ｍｍまでの範囲にある値、より好ましくは、約１００ｍｍの範囲にある値であって、
および／または
凸部（１０ｅ、１２ｅ）の幅（ｂｅ）が、約１００ｍｍから約２００ｍｍまでの範囲にある値、より好ましくは、約１００ｍｍの範囲にある値である、請求項１から７までのいずれか１項に記載のカソード（１０）。
【請求項９】
上記カソードは、複数のカソードブロック（１０’）を含み、特に、複数のカソードブロック（１０’）から構成され、
当該カソードブロック（１０’）が、特に、幾何学的および／または構造的に同一に、または同様に作動するように構成され、および／または処理側面（１０ｏ）および／または集電側面（１０ｕ）は互いに側面が隣接するように配置されている、請求項１から８までのいずれかに１項に記載のカソード（１０）。
【請求項１０】
少なくとも１つのカソードブロック（１０’）、特に、すべてのカソードブロック（１０’）の処理側面（１０ｏ）は、１つまたは複数の凹部（１０ａ）および／または凸部（１０ｅ）によって表面テクスチャー化されて形成されている、請求項９に記載のカソード（１０）。
【請求項１１】
互いに直接隣接するカソードブロック（１０’）が、当該カソードブロック（１０’）の間に、接触領域および調整領域（４０）を有し、
当該接触領域および調整領域（４０）は、機械的な分離、特に、熱機械応力の受け入れのために、特に、それぞれ、突き固めた継ぎ目（４０’）のように形成されて、設けられている、請求項９または１０に記載のカソード（１０）。
【請求項１２】
上記処理側面（１０ｏ）の上に、および、特に、処理層（１２）および処理材料（１２’）の中に形成されている凸部（１０ｅ、１２ｅ）は、フィン、リッジ、またはブリッジ（１２ｆ）として形成されており、特に、断面が基本的には長方形の形状であり、凸面の領域として、波形の領域として、プリズム形、特に、三角形または台形の底面を有するプリズム形の領域として、および／またはこれらの組み合わせとして形成されている、請求項１から１１までのいずれか１項に記載のカソード（１０）。
【請求項１３】
上記凸部（１０ｅ、１２ｅ）および／または凹部（１０ａ、１２ａ）は、長手方向に沿って、変化する断面、特に、変化する高さ（ｈｅ）または深さ（ｔａ）を示す、請求項１から１２までのいずれか１項に記載のカソード（１０）。
【請求項１４】
融解電解に基づくアルミニウム生産のための装置（１００）であって、
アノード構造（３０）、
請求項１から１３までのいずれか１項に記載のカソード（１０）、および、
当該アノード構造（３０）と当該カソード（１０）との間にある融解空間および反応空間（２０）を備えた装置（１００）。
【請求項１５】
上記カソード（１０）とアノード構造（３０）との間の間隔（Ｄ）が、約２０ｍｍから２００ｍｍまでの範囲にある値、より好ましくは、約４０ｍｍから７０ｍｍまでの範囲にある値であるかまたは値になり、その結果、
ほぼ、下記関係（４）
２０ｍｍ≦Ｄ≦１００ｍｍ            （４）
および、特に、ほぼ、下記関係（４’）
４０ｍｍ≦Ｄ≦７０ｍｍ              （４’）
を満たす、請求項１４に記載の装置（１００）。
【請求項１６】
融解物に基づく金属生産および、特に、アルミニウム生産の方法、より好ましくは、ホール・エルー法による、氷晶石浴の融解電解の枠内の方法およびそのための装置における、請求項１から１３までのいずれか１項に記載のカソード（１０）の使用。
【請求項１７】
融解物に基づく金属生産および、特に、アルミニウム生産の方法、より好ましくは、ホール・エルー法による、氷晶石浴の融解電解の枠内の方法における、請求項１４または１５に記載の装置（１００）の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属、特に、アルミニウム生産のためのカソード、および金属、特に、アルミニウム生産のための装置、ならびに、金属、特に、アルミニウム生産のための上記カソードおよび上記装置の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属の生産、特にアルミニウム生産においては、所謂融解電解に基づく方法がしばしば用いられる。
【０００３】
アルミニウム生産においては、ホール・エルー法と呼ばれる方法が古くから用いられている。この方法においては、融解電解の枠内で、酸化アルミニウムＡｌ２Ｏ３が、氷晶石Ｎａ３［ＡｌＦ６］を含む融解物中で処理されて溶かされ、還元過程において純粋なアルミニウムが分離される。この方法の中心思想は、本来の電解工程の前に、酸化アルミニウムの、溶媒としての氷晶石との混合が行われ、それにより融解温度が下がる、すなわち、純粋な酸化アルミニウムの場合の約２０４５℃から、混合物の場合の約９５０℃の領域へと下がることにある。
【０００４】
このとき、酸化アルミニウムから純粋なアルミニウムへの還元は、
２Ａｌ２Ｏ３→４Ａｌ＋３Ｏ２
のプロセスにほぼ従って行われる。
【０００５】
生成した還元液体アルミニウムは、酸化アルミニウムと氷晶石とから得られる融解物より大きな密度を有し、例えば吸引管などを介して、適切な装置において底部融解物として取り出すことができる。
【０００６】
同様にして発生した酸素は、アノードの炭素と反応する。
【０００７】
このような方法、および適切な装置の構成および使用において問題となるのは、一方では、用いられるカソードが摩耗しやすいことであり、ならびに、酸化還元反応を可能にするための大きな特殊なエネルギー需要であり、さらに、例えば抵抗損失によりエネルギー効率が低下することである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、特に簡易な手段で、摩耗からカソード表面を保護して摩耗過程を減速でき、他方では、本来のアルミニウム生産をより高いエネルギー効率で行うことができる、融解電解を用いたアルミニウム生産のためのカソードおよび装置、ならびにそれらの使用を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の根底にある課題は、本発明に基づき、独立請求項１の特徴を有する融解物に基づくアルミニウム生産のためのカソードによって解決される。本発明の根底にある課題は、さらに、本発明に基づき、独立請求項１４の特徴を有する融解物に基づくアルミニウム生産のための装置によって解決される。上記課題は、さらに、独立請求項１６および１７に基づき、融解物に基づくアルミニウム生産における、本発明のカソードおよび本発明の装置の使用によって解決される。有利なさらなる構成は従属請求項の各対象である。
【００１０】
本発明は、そのために、電解浴中で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を創造し、上記カソードは、作動時に電解浴に向いた処理側面を備えており、上記カソードは、処理材料を含有する処理層と、電流伝達材料を含有する電流伝達層とを備えた層構造を有し、当該処理層はカソードの処理側面を部分的または全体的に形成する。上記処理材料は上記電流伝達材料よりも耐摩耗性が高く、上記電流伝達材料は、上記処理材料よりも導電性が高く、上記処理側面は、１つまたは複数の凹部および／または凸部によって表面テクスチャー化されて形成されている。上述した耐摩耗性および比電気伝導率の相対的な違いは、実際の電解条件の下におけるものである。耐摩耗性および比電気伝導率がそれぞれ比較される好ましい測定温度は、約９５０℃である。
【００１１】
本発明のカソードにおける中心的な局面は、一方では、カソードの多層構造、すなわち、少なくとも、融解物浴に組み込まれ、作動時に融解物浴に向いた、耐摩耗性の処理材料からなるかまたはそれを含む１つの処理層と、作動時に融解物浴の反対側を向いた、特に伝導性の電流伝達材料からなるかまたはそれを含む１つの電流伝達層からなる多層構造であり、また、他方では、１つの凹部および／または凸部、あるいは複数の凹部および／または凸部によってカソードの処理側面が表面テクスチャー化されていることである。
【００１２】
カソードに耐摩耗性処理材料を用いることによって、融解物浴の成分の、処理側面上のカソード表面への作用と、これに伴って起こる摩耗が、低減または阻止される。
【００１３】
１つまたは複数の凹部および／または凸部に基づく、表面テクスチャー化を行うことにより、摩耗がさらに低減される。これは、いわばくぼみまたは流路の形成によって、融解物浴の成分の流動、特に、液体アルミニウムの流動が、電磁相互作用によって減少するからである。
【００１４】
本発明によれば、高いエネルギー効率も達成される。これは、すなわち、一方では、融解物浴の成分の流動の減少によって、作動時に組み入れられるアノード構造とカソード構造との間隔Ｄ、より厳密には、アノードの下面と融解した液体アルミニウムの表面または境界面との間隔δを、減らすことができ、これが、抵抗損失の減少に匹敵することにより、他方では、最下層ｄとして抵抗の低い材料を用いることができることによる。ここでは、融解物浴の成分間の直接の接触は考慮する必要がないため、エネルギー効率増大の視点のみが考慮されなければならない。
【００１５】
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、−しかしこれのみを意味するものではないが−、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る。これにより、本発明に基づく中心的な局面、−すなわち、一方では上述した層構造、他方では表面テクスチャー化すること−が、全体としてこのカソード底部によって実現される。
【００１６】
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、論じられてもよく、これにより、本発明に基づく中心的な局面、−すなわち、一方では上述した層構造、他方では表面テクスチャー化すること−は、さらにカソードブロック−またはさらにその全体−によって実現される。
【００１７】
処理層および特に処理材料は、アモルファスで形成することができ、特に、炭素材料を含み、炭素材料からなりまたは炭素材料に基づいて、および／またはか焼された無煙炭に基づいて形成することができる。これらは、好ましくは、室温で約２３Ω・μｍから約４０Ω・μｍまでの範囲、より好ましくは、約２５Ω・μｍから約３５Ω・μｍまでの範囲の、垂直の比電気抵抗を有する。垂直の比電気抵抗とは、ここでは、電解セルの配置状況におけるカソードに垂直に、つまり、例えば、カソードブロックの長手方向軸に垂直に測定された電気抵抗と理解される。通常の処理温度である９５０℃においては、垂直の電気抵抗は、約２０Ω・μｍから約３２Ω・μｍまでの範囲にあり、より好ましくは、約２２Ω・μｍから約２８Ω・μｍまでの範囲にある。
【００１８】
電流伝達層および特に電流伝達材料は、炭素材料を含み、炭素材料からなり、または炭素材料に基づいて形成することができ、特に、グラファイトおよび／またはグラファイト材料を含み、またはグラファイトおよび／またはグラファイト材料からなるグラファイト型に形成することができる。これらは、好ましくは、室温で約１４Ω・μｍから約２０Ω・μｍまでの範囲、より好ましくは、約１６Ω・μｍから約１８Ω・μｍまでの範囲の、垂直の比電気抵抗を有する。通常の処理温度である９５０℃においては、垂直の電気抵抗は、約１３Ω・μｍから約１８Ω・μｍまでの範囲にあり、より好ましくは、約１４Ω・μｍから約１６Ω・μｍまでの範囲にある。
【００１９】
ここでは、ベースとして、それぞれ炭素材料を挙げているが、より有利には、例えば不反応性の金属の混合物またはその類似物のような、他の材料区分の混合物を用いることもできる。
【００２０】
処理側面の中または処理側面上の凹部は、処理層および／または電流伝達層の中、および、特に処理材料の中の凹部により形成されうる。
【００２１】
処理側面の中または処理側面上の凸部は、処理層の中、および、特に処理材料の中の凸部により形成されうる。凸部は、ブリッジ、リッジまたはフィンとしても理解されうる。
【００２２】
処理側面は、部分的に平面に形成することができる。特に、凹部および／または凸部は、断面において、基本的に正方形に形成することができる。
【００２３】
凹部および／または凸部は、しかし、断面において、および長手方向に、基本的に任意の形でありうる。それらは、例えば、任意に構成された凸面または凹面の領域または部分から形成することができる。長方形または正方形の形状への固定は、たとえこれらが幾何学的に特に容易であるとしても、必須ではない。基本的に、ここでは、かかる凹部および凸部の特に容易な製造の観点も考慮に入れることができる。例えば、弓形形状、円の一部の形状、台形形状、または三角形の形状も考えられる。
【００２４】
処理層は、電流伝達層の上に直接配置することができる。特に、処理層と電流伝達層との間の境界面、すなわち、処理層の下面と、電流伝達層の上面とは、平面状に形成されうる。本発明の実現のためには、電極本体は二層構造で足りるが、例えば、熱機械応力を傾斜システムの構成により軽減するために、複数の層を備えることもできる。
【００２５】
凹部の深さｔａと凹部の幅ｂａとは、約１：３から約１：１の範囲の比、より好ましくは、約１：２から約１：１の範囲の比を有する値であるかまたは値になり、それにより、関係（１）をほぼ満たし、
１：３≦ｔａ：ｂａ≦１：１            （１）
特に、関係（１’）を満たす。
１：２≦ｔａ：ｂａ≦１：１            （１’）
【００２６】
凸部の高さｈｅと凸部の幅ｂｅとは、約１：２から約２：１の範囲の比、より好ましくは、約１：１の範囲の比を有する値であるかまたは値になり、それにより、関係（２）をほぼ満たし、
１：２≦ｈｅ：ｂｅ≦２：１            （２）
特に、関係（２’）を満たす。
ｈｅ：ｂｅ≒１：１            （２’）
【００２７】
凹部の幅ｂａと凸部の幅ｂｅとは、約１：１から約４：１の範囲の比を有する値であるかまたは値になり、それにより、関係（３）をほぼ満たす。
１：１≦ｂａ：ｂｅ≦４：１            （３）
【００２８】
凹部の深さｔａは、特に、約１００ｍｍから約２５０ｍｍまでの範囲、より好ましくは、約１００ｍｍの範囲の値であるかまたは値になる。
【００２９】
凹部の幅ｂａは、特に、約１４０ｍｍから約２００ｍｍまでの範囲の値であるかまたは値になる。
【００３０】
凸部の高さｈｅは、特に、約１００ｍｍから約２５０ｍｍまでの範囲、より好ましくは、約１００ｍｍの範囲の値であるかまたは値になる。
【００３１】
凸部の幅ｂｅは、特に、約１００ｍｍから約２００ｍｍまでの範囲、より好ましくは、約１００ｍｍの範囲の値であるかまたは値になる。
【００３２】
電極構造の配置の形成における基本的な局面は、酸化アルミニウム、アルミニウムおよび氷晶石からなる融解物浴の特性に基づいて、例えば、カソードとアノード構造との間の間隔Ｄ、より厳密には、融解した液体アルミニウムの表面からアノード構造までの間隔δとの関連で、一定の周辺条件が決まり、これにより、電解セルを、高いエネルギー効率で稼働させることができることである。こうして、アルミニウムとアノード構造との間の間隔δが、稼働中に、５０ｍｍから８０ｍｍまでの範囲の値を超えるべきではないということが示された。当該範囲を超えると、抵抗損失が、製造方法を非効率にすると考えられる。
【００３３】
カソードは、より好ましくは、複数のカソードブロックから、特に、カソード底部のように、構成することができ、ここで、カソードブロックは、特に、幾何学的および／または構造的に同一に、または同様に作動するように構成され、および／または、処理側面、および／または、集電側面は、側面が互いに隣接するように配置され、および／または、１つ、複数または全部のカソードブロックが、個々に層構造を有し、表面テクスチャー化されるように構成される。
【００３４】
これは、特に、この場合に、１つ、複数または全部のカソードブロックによって、本発明に基づく中心的な局面、すなわち、一方では、耐摩耗性を有する上部の処理層と導電性を有する下部の電流伝達層とを備えたカソードの層構造、他方では、１つまたは複数の凹部および／または凸部を有する処理側面の表面テクスチャー化された形態が、すでに個々に実現されていることを意味する。
【００３５】
その場合に、互いに直接隣接するカソードブロックは、それぞれのカソードブロックの間に、接触領域および調整領域を有していてもよく、この領域は、機械的な分離のために、特に、熱機械応力の受け入れのために、特に、それぞれ、突き固めた継ぎ目または突き固めた塊の継ぎ目のように、形成されて設けられる。
【００３６】
複数のカソードブロックからなるカソードの構成は、まさに調整エレメントとしての所謂突き固めた継ぎ目の使用によっても、熱機械的な負荷を減らす。
【００３７】
処理側面上、および、特に、処理層および処理材料の中に形成された凸部は、フィン、リッジまたはブリッジとして形成することができ、特に、断面が基本的には長方形の形状で、凸面の領域として、波形の領域として、プリズム形、特に、三角形または台形の底面を有するプリズム形の領域として、および／または、これらの組み合わせとして形成することができる。
【００３８】
形成された凸部および／または凹部は、長手方向に沿って、変化する断面、特に、変化する高さｈｅまたは深さｔａを有していてもよい。
【００３９】
すでに上述したように、凸部または凹部、および特にフィンの形成において、正方形または長方形の基本的構造は、必須ではない。
【００４０】
さらに、長手方向に、凹部または凸部、特にフィンが、断面において一定に伸びることも必須ではない。むしろ、これらは、その高さまたは深さ、しかし幅においても、変化してもよく、ここで、その幾何形状は、特に、効率的で、それにもかかわらず製造技術的に容易な方法で、融解物浴の成分の流動をさらに制限することができるように、選ぶことができる。
【００４１】
本発明のさらなる局面に基づけば、アノード構造を備え、本発明に係るカソードを備え、且つ、アノード構造とカソードとの間に融解空間および反応空間を備えた、融解物に基づくアルミニウム生産のための装置が意図される。
【００４２】
ここで、カソードとアノード構造の間の間隔Ｄは、約２０ｍｍから約２００ｍｍまでの範囲、より好ましくは、約４０ｍｍから約７０ｍｍまでの範囲の値であるかまたは値になり、それにより、関係（４）をほぼ満たし、
２０ｍｍ≦Ｄ≦２００ｍｍ            （４）
特に、関係（４’）を満たし、
４０ｍｍ≦Ｄ≦７０ｍｍ              （４’）
それにより、装置の作動時に、アノード構造と融解した液体アルミニウムの表面または境界面との間の間隔δは、約１５ｍｍから約４５ｍｍまでの範囲、より好ましくは約３０ｍｍの範囲の値に調整することができ、それにより、関係（５）をほぼ満たし、
１５ｍｍ≦δ≦４５ｍｍ            （５）
特に、関係（５’）をほぼ満たす。
δ≒３０ｍｍ                      （５’）
【００４３】
本発明に係るカソードは、融解物に基づく金属生産、特にアルミニウム生産のための、より好ましくは、ホール・エルー法による氷晶石浴の融解電解の枠内における方法、および、そのための装置において、用いることができる。
【００４４】
本発明に係る装置は、融解物に基づく金属生産、特にアルミニウム生産のための、より好ましくは、ホール・エルー法による氷晶石浴の融解電解の枠内における方法において、用いることができる。
【００４５】
この、およびさらなる局面は、添付の図面に基づいて例示的に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】図１Ａ‐Ｄは、模式的および部分的断面図により、本発明の第１の実施形態のカソードを用いて、融解電解に基づいてアルミニウムを生産する本発明の装置の第１の実施形態を示す。
【図２】図２Ａ‐Ｄは、模式的および部分的断面図により、本発明の第２の実施形態のカソードを用いて、融解電解に基づいてアルミニウムを生産する本発明の装置の第２の実施形態を示す。
【図３】図３Ａ‐Ｅは、模式的および断面側面図により、本発明の実施形態に係るカソードの処理側面に施される、表面テクスチャー化された形状の様々な実施形態を示す。
【図４】図４は、模式的平面図により、複数のブロックからなるカソードおよびアノード構造の幾何学的配置を示す。
【図５】図５は、模式的および部分的断面側面図により、本発明のさらなる実施形態のカソードを用いて、融解電解に基づいてアルミニウムを生産する本発明の装置のさらなる実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
以下に、本発明の実施形態について説明する。本発明のすべての実施形態およびその技術的な特徴と性質とは、個々に分離され、または自由に選択されて編成され、相互に任意かつ制限無く組み合わされうる。
【００４８】
構造的および／または機能的に同一、類似または同様の効果を奏する特徴または構成要素は、以下、図面との関連において、同一の符号により示される。すべての場合に、これらの特徴または構成要素の詳細な説明を繰り返すことは行わない。
【００４９】
図面は、本発明を、実施形態により模範的に、および模式的方法により示し、且つ、断り書きがなければ、縮尺どおりではない。
【００５０】
まず、図に基づいて説明する。
【００５１】
本発明は、とりわけ融解物に基づいてアルミニウムを生産する装置１００および方法に用いるための、特に、表面テクスチャー化された表面１０ｏを備えた複合カソード１０に関する。
【００５２】
工業規模では、アルミニウムは、ホール・エルー法を用いて、酸化アルミニウムの融解氷晶石２１中での電気分解処理により生産される。上記方法の特定の実施形態は、例えば導電性を有する下層１１および耐摩耗性を有する上層１２を備える、層構造のカソードブロック１０’を用いる。ここで、上層の表面について様々な形態が用いられてもよい。
【００５３】
ホール・エルー法において、電気分解による一次アルミニウム生産の過程は、非常にエネルギー集約的である。酸化アルミニウムをアルミニウムに還元するために必要な電気化学的エネルギーの他に、投入された電気エネルギーの大部分は、氷晶石浴２１の層において、熱に変換される。
【００５４】
電流によって誘導された強い磁場との相互作用などにより発生する、液体アルミニウムの流動のゆえに、短絡および好ましくない逆反応‐例えば既に生成したアルミニウムの再酸化‐を防ぐためには、アルミニウムの表面とアノードの表面との間に、３０ｍｍから５０ｍｍまでの間隔は最小でも確保されなければならない。
【００５５】
表面テクスチャー化された表面１０ｏ、すなわち、凹部１０ａ、１２ａおよび／または凸部１０ｅ、１２ｅが形成された表面によって、上記作用および、特に、アルミニウムの流動を減少させることができる。あるいは、回避することさえ可能である。しかし、これによっては、摩耗力を生み出す現存の電流密度の不均一性は回避されない。
【００５６】
それ故に、カソード表面１０ｏ、１２ｏに、例えば無煙炭のような、耐摩耗性材料１２’を用いる本発明の構成は、上記の摩耗を減少させることまたは回避することに関してとりわけ有利に働く。
【００５７】
しかしながら、上記構成単独では、電気抵抗の増加を招き、そのため、エネルギー効率向上の目的に反してしまう。
【００５８】
他方で、下層としての導電性を有するグラファイト層１１と耐摩耗性を有するアモルファスの上層１２とからなる、層状に構成された平面カソードブロック１０’は、カソードの抵抗を減らすことにより、上述のエネルギー効率の向上を可能にする。
【００５９】
しかしながら、上記のカソードブロック単独では、金属の流動、およびこれに伴う摩耗の問題点を防ぐことができない。
【００６０】
本発明の中心的思想は、出願人および発明者の上記予備思考および予備調査に基づいて、層状のカソードの形態が、カソードブロックの表面テクスチャー化された表面と組み合わされた、本発明に係る組み合わせを紹介することである。これによって、摩耗力に耐えることが可能となる一方で、他方では、カソードの抵抗を減らしてエネルギー効率を向上させることも可能となる。
【００６１】
それ故に、流動する融解物浴の成分との関係で耐摩耗性を保ちつつ、比較的高いエネルギー効率を実現するために、基層としての導電性を有する下層１１と、例えばアモルファスのおよび／または無煙炭の層としての、耐摩耗性を有する上層１２とが組み合わされた構想が提案される。
【００６２】
表面１０ｏに表面テクスチャー化するために、最上層１２において、凹部１０ａ、１２ａおよび／または凸部１０ｅ、１２ｅが形成される。当該凹部および凸部は、金属の流動および、融解物浴２０’の成分一般の流動を減らす。これにより、摩耗力を減らし、アノード３０とカソード１０との間隔、すなわちアノード３０と金属２０’との間隔Ｄを、エネルギー効率のさらなる向上ために、短くすることができる。
【００６３】
このような、場合によって発生する漏えい電流による電解セルの不安定性を防ぐために、凸部１０ｅ、１２ｅまたはフィン１２ｆの上の、融解したアルミニウム２２の層の指定された厚さは、指定された限界を超えたり、または下回ったりしてはいけない。
【００６４】
本発明に基づいて形成される層状のカソード１０は、振動締固めプロセスにより形成されてもよい。
【００６５】
処理側面の、上記アモルファスまたは無煙炭の材料は、例えば、電気か焼された無煙炭の部分が約７０％、グラファイトの部分が約３０％である固体材料であってもよい。電流伝達側面のための低い比電気抵抗を有する、基本となるグラファイト状の上記材料は、例えば、１００％合成グラファイトの固体材料であってもよい。
【００６６】
下層および上層の厚さ、すなわち電流伝達層および処理層の厚さは、層厚比が５０：５０であってもよい。
【００６７】
処理側面１０ｏにおいて形成された凹部１０ａ、１２ａは、例えばほぼ中心にある凹部１０ａｚ、１２ａｚが完全にカソードブロック１０’に含まれるように形成され、且つ、周辺にある２つの凹部１０ａｐ、１２ａｐが、左側および右側にある隣接するカソードブロック１０’と、端において共有されるように形成されていてもよい。
【００６８】
中央または中心にある凹部１０ａｚ、１２ａｚは、幅が２００ｍｍの範囲、深さが１００ｍｍの範囲であってもよい。角または稜は、厳格に直角でなくてもよく、しかしながら、稜は、例えば、ｒ＝２０ｍｍの曲率半径で角を丸くして形成されていてもよい。共有されている周辺の凹部１０ａｐ、１２ａｐは、端において、５０ｍｍの幅および、中心の凹部と同じく１００ｍｍの深さを有してもよい。ここでも、稜は、厳密に直角の形状でなくてもよく、例えば、ｒ＝２０ｍｍの曲率半径で、丸い角または稜を有していてもよい。
【００６９】
作動時、アルミニウム層全体の高さは、約１５０ｍｍであってもよく、例えば凸部１０ｅ、１２ｅより約３０ｍｍ上方であってもよい。従って、融解した液体アルミニウム２２の表面または境界面からアノード構造３０までの間隔δを、運転に有利である約３０ｍｍとすることができる。
【００７０】
次に、図について詳細に説明する。
【００７１】
図１Ａから１Ｄは、本発明の一実施形態のカソード１０を用いて、融解物に基づいてアルミニウムを生産する本発明の装置１００について、第１の実施形態の様々な模式的および部分的断面図を示す。
【００７２】
図１Ａから１Ｄには、それぞれ断面および平面または線Ａ‐Ａ、Ｂ‐Ｂ、Ｃ‐Ｃ、およびＤ‐Ｄが記入され、当該図または線が、それぞれの他の視点を示し、それぞれ用いられた文字との関係で、それぞれの図１Ａから１Ｄに当てはめられる。
【００７３】
図１Ａから１Ｄに提案されている、融解物に基づくアルミニウム生産のための装置１００は、カソードブロック１０’を有する本発明のカソード構造１０に基づいている。当該カソード構造は、最も下に設けられた電流伝達層１１および当該電流伝達層の上に設けられ、処理空間２０に晒された処理層１２を有する。上記処理空間２０は、融解した液体アルミニウム２２からなる融解物電解浴２０’と、当該融解物電解浴の上にある、氷晶石と酸化アルミニウムとの混合物が存在する領域２１とを有する。
【００７４】
上記電流伝達層１１は、上面１１ｏおよび下面１１ｕを有して形成され、当該下面１１ｕが、同時に、カソード１０の電流伝達側面１０ｕでもある。上記電流伝達層１１は、電流伝達材料１１’を含んで形成、または、当該電流伝達材料１１’から形成されている。当該電流伝達材料は、‐その上に備えられた処理層１２に比べて‐より低いかまたは極めて低い抵抗を有し、従って、低抵抗と称することができる。上記電流伝達材料１１’は、例えば天然グラファイトまたは合成グラファイトに基づいて構成されるか、あるいは、天然グラファイトまたは合成グラファイトからなり、特に、室温において、約１４Ωμｍから約２０Ωμｍまでの範囲、より好ましくは、約１６Ωμｍから約１８μｍまでの範囲の比電気抵抗を有しうる。
【００７５】
最も下の層である上記電流伝達層１１に、耐摩耗性の形式の処理材料１２’を有する処理層１２が直接続き、これによって、当該処理層１２の下面１２ｕおよび上面１２ｏが形成され、当該上面１２ｏが、同時に、カソード１０の処理側面１０ｏを形成する。
【００７６】
電流伝達層１１と処理層１２との間の境界面は、電流伝達層１１の上面１１ｏおよび処理層１２の下面１２ｕから形成され、ここでは、平面として形成される。しかしながら、必ずしも平面である必要はない。寧ろ、上記境界面１１ｏ、１２ｕは、装置１００の全体構造の形状の要求に対応して、選ばれて形成されていてもよい。
【００７７】
上記電流伝達層１１の電流伝達材料１１’に埋め込まれるようにして、集電器または集電体１３が、例えば棒鋼の形で備えられ、当該棒鋼には、電流伝達材料１１’に向かって鋳鉄被覆１４が備えられている。
【００７８】
上記カソード１０の上面１０ｏまたは処理側面１０ｏ、すなわち処理層１２または処理材料１２’の上面１２ｏの領域には、凹部１０ａ、１２ａおよび凸部１０ｅ、１２ｅ（ここでは、いわゆるフィン１０ｆ、１２ｆ）からなる、適した表面テクスチャー化が施されている。
【００７９】
図１Ａから１Ｄによる構造において、上記カソード１０は複数のカソードブロック１０’から形成される。これによって、各ブロック１０’が、処理側面１０ｏにおいて、中心の１つの凹部１２ａｚおよび周辺にある２つの凹部１２ａｐ、および、従って、当該中心の凹部１２ａｚと周辺にある凹部１２ａｐとの境界をなす２つの凸部１２ｅまたはフィン１２ｆを有する。
【００８０】
横に隣接して、且つ、周辺にある凹部１２ａｐの下方に、いわゆる、突き固めた継ぎ目４０が設けられる。当該突き固めた継ぎ目４０は、カソード１０の隣接するカソードブロック１０’への隣接関係を実現し、これにより、装置１００、特に、カソード１０が室温から通常１０００℃までの運転温度の領域へと加熱される際に、当該突き固めた継ぎ目４０の機械的特質により熱機械応力を受け入れて無力化する。
【００８１】
図１Ａから１Ｄに示されている寸法は、説明のみに用いられ、必須ではない。寧ろ、説明の中で提示された寸法の範囲もまた、層の厚さ、間隔などの解釈に用いられる。
【００８２】
図２Ａから２Ｄは、図１Ａから１Ｄに対応する方法で、本発明の装置１００および本発明のカソード１０の異なる一実施形態を示す。
【００８３】
すなわち、図１Ａから１Ｄによる実施形態では、フィン１２ｆまたは凸部１０ｅ、１２ｅが、当該図面１Ａから１Ｄに概略的に示されている全長またはｙ方向に延び、一定の高さｈｅを有しているのに対して、図２Ａから２Ｄによる実施形態では、フィン１２ｆまたは凸部１０ｅ、１２ｅが、長手方向またはｙ方向に一定の高さｈｅで形成されるのではなく、互いに異なる第１および第２の高さで段差がつくように形成されている。ここで、各凸部１０ｅ、１２ｅは、ｙ方向に延びる全長の第１の半分では、第１の高さを有し、第２の半分では、第２の高さを有する。ここで、カソード１０のブロック１０’の並び、すなわち、図２Ａから２Ｄにおけるｘ方向に沿っては、交互に入れ替わる構造となっている。これにより、融解物浴の材料の流動を減らすために、それぞれの凸部１０ｅ、１２ｅは、交互にまたは市松模様のように異なる高さで形成されている。
【００８４】
基本的に、別の段差の形状も考えられる。その形状とは、フィン１２ｆに用いられた、複数のさらなる高さまたは高さの連続的な移行、すなわち斜めの形などである。
【００８５】
図３Ａから３Ｂは、処理側面１０ｏの表面テクスチャー化の形状、すなわち、最後に、凹部１０ａ、１２ａおよび凸部１０ｅ、１２ｅあるいはフィン１２ｆの形状または断面形状の様々な実施形態を示す。
【００８６】
図３Ａに示す実施形態では、図１Ａから１Ｄおよび２Ａから２Ｄにも再現された断面の形、すなわち、凹部１０ａ、１２ａおよび凸部１０ｅ、１２ｅの断面が基本的に長方形として形成された構造が再び用いられる。
【００８７】
図３Ｂに示す実施形態では、凹部１０ａ、１２ａおよび凸部１０ｅ、１２ｅは、角を丸くした、すなわち直角ではない角の形状を有する。
【００８８】
図３Ｃに示す実施形態では、凹部１０ａ、１２ａおよび凸部１０ｅ、１２ｅには、三角形の断面の形状が設けられる。すなわちプリズムの形である。
【００８９】
図３Ｄに示す構造では、凸部１０ｅ、１２ｅとして、凸面の領域が円筒の一部のような形で設けられている。
【００９０】
図３Ｅに示す構造では、凹部１０ａ、１２ａおよび凸部１０ｅ、１２ｅが連続して、波形の形状、場合によって、正弦曲線をなす。
【００９１】
図４は、模式的平面図により、複数のブロック１０’からなるカソード１０およびアノード構造３０の幾何学的配置を示す。アノード構造３０の１つのブロックは、横のｘ方向にカソード１０の２つのブロック１０’を覆い、しかしながら、ｙ方向にはカソード１０のブロック１０’の広さの半分のみを覆う。それ故に、ｙ方向には、カソードブロック１０’を完全に覆うために、アノード構造３０のブロックが２列必要となる。
【００９２】
図５は、模式的および部分的断面側面図により、本発明のさらなる実施形態のカソード１０を用いて、融解電解に基づいてアルミニウムを生産する本発明の装置１００のさらなる実施形態を示す。
【００９３】
図１Ａから１Ｄの装置１００と比較して、他は類似する構造であるが、図５における突き固めた継ぎ目４０、４０’は、凹部１０ａ、１２ａまたは穴１０ａ、１２ａの範囲ではなく、凸部１０ｅ、１２ｅの各々の範囲において設けられる。
【符号の説明】
【００９４】
１０  本発明のカソード
１０’  カソードブロック
１０ａ  凹部
１０ｅ  凸部、ブリッジ、リッジ
１０ｏ  処理側面、上面
１０ｕ  電流伝達側面、下面
１１  電流伝達層
１１’  電流伝達材料
１１ｏ  電流伝達層１１の上面、境界面
１１ｕ  電流伝達層１１の下面
１２  処理層
１２’  処理材料
１２ａ  凹部
１２ａｚ  中心の凹部
１２ａｐ  周辺の凹部
１２ｅ  凸部、ブリッジ、リッジ
１２ｆ  フィン、リッジ
１２ｏ  処理層１２の上面
１２ｕ  処理層１２の下面、境界面
１３  集電器、鋼鉄ビーム、集電体
１４  鉄被覆
２０  処理空間
２０’  融解物浴、融解物
２１  氷晶石および酸化アルミニウムからなる融解物
２２  アルミニウムからなる融解物
３０  アノード構造、アノード
４０  接触エレメントおよび調整エレメント
４０’  突き固めた継ぎ目、突き固めた塊の継ぎ目
１００  本発明の装置
ｂａ  凹部の幅
ｂｅ  凸部の幅
ｈｅ  凸部の高さ
Ｄ  カソード１０とアノード構造３０との最小の間隔
Ｄ’  高さが低い凸部の領域における、カソード１０とアノード構造３０との間隔
δ  アノード構造３０とアルミニウムからなる融解物２２との間隔
ｔａ  凹部の深さ
【図１Ａ】
2013536321.tif 000003
【図１Ｂ】
2013536321.tif 000004
【図１Ｃ】
2013536321.tif 000005
【図１Ｄ】
2013536321.tif 000006
【図２Ａ】
2013536321.tif 000007
【図２Ｂ】
2013536321.tif 000008
【図２Ｃ】
2013536321.tif 000009
【図２Ｄ】
2013536321.tif 000010
【図３Ａ】
2013536321.tif 000011
【図３Ｂ】
2013536321.tif 000012
【図３Ｃ】
2013536321.tif 000013
【図３Ｄ】
2013536321.tif 000014
【図３Ｅ】
2013536321.tif 000015
【図４】
2013536321.tif 000016
【図５】
2013536321.tif 000017
【国際調査報告】
2013536321.tif 000018
2013536321.tif 000019
2013536321.tif 000020
2013536321.tif 000021
2013536321.tif 000022
2013536321.tif 000023