(57)【要約】  本発明は、特に炭素および／またはグラファイトをベースとするアルミニウム電解セル用カソードブロックに関し、該カソードブロックには、バスバーを収容するための、カソードブロックの少なくとも１つの面に配置されるとともにカソードブロックの長手方向に延びる溝が設けられており、該少なくとも１つの溝を有する面の反対側のカソードブロック面の表面の少なくとも１つの部分は、カソードブロックの横断面で見たときに、アーチ形に外側へ曲がっており、該アーチ形に外側へ曲がっている少なくとも１つの部分の頂点が、カソードブロックの横断面において、少なくとも１つの溝を有する面に垂直に延びる方向に沿って、少なくとも１つの溝の上方に配置されている。さらに、本発明は、特に炭素および／またはグラファイトをベースとするアルミニウム電解セル用カソードブロックに関し、該カソードブロックは、カソードブロックの長手方向断面で見たときに、槽形状の表面を有し、該槽は、２つの縁領域と、カソードブロックの長手方向に見たときに、縁領域の間に配置され、縁領域に対して低くなっている少なくとも１つの底領域とを有し、該２つの縁領域と底領域との間に該当する縁領域と底領域とを接続するそれぞれの側壁領域が設けられ、該縁領域と側壁領域との間の２つの接続領域の少なくとも１つおよび／または底領域と側壁領域との間の２つの接続領域の少なくとも１つがアーチ形に曲がって形成され、該アーチ形に曲がっている少なくとも１つの部分の長さが２ｃｍを超える。【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム電解セルのためのカソードブロックであって、
該カソードブロックには、バスバーを収容するための、カソードブロックの面（１０、１４）のうち１つの面に配置されるとともにカソードブロックの長手方向（ｙ）に延びる少なくとも１つの溝（１２、１２’）が設けられており、
該少なくとも１つの溝（１２、１２’）を有する面（１０）の反対側のカソードブロック面（１４）の表面（１６）の少なくとも１つの部分（２０、２０’）は、カソードブロックの横断面で見たときに、アーチ形に外側へ曲がっており、
該アーチ形に外側へ曲がっている少なくとも１つの部分（２０、２０’）の頂点（２２、２２’）が、カソードブロックの横断面において、前記少なくとも１つの溝（１２、１２’）を有する面（１０）に対し垂直に延びる方向（ｚ）で、前記少なくとも１つの溝（１２、１２’）の上方に配置されているカソードブロック。
【請求項２】
前記カソードブロックは、少なくとも３０重量％、好ましくは少なくとも４０重量％、特に好ましくは少なくとも５０重量％、さらに特に好ましくは少なくとも６０重量％、最も好ましくは全部が、炭素および／またはグラファイトから構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のカソードブロック。
【請求項３】
前記カソードブロックの表面（１６）の、アーチ形に外側へ曲がっている少なくとも１つの部分（２０、２０’）の頂点（２２、２２’）は、カソードブロックの横断面において、前記少なくとも１つの溝（１２、１２’）を有する面（１０）に対し垂直に延びる方向（ｚ）で、少なくとも１つの溝（１２、１２’）の領域の上方に配置され、該領域は、前記少なくとも１つの溝（１２、１２’）の幅（Ｂ1）の２０％以上８０％以下、好ましくは前記少なくとも１つの溝（１２、１２’）の幅（Ｂ1）の４０％以上６０％以下に広がり、特に好ましくは前記少なくとも１つの溝（１２、１２’）の中心点の上方に配置されていることを特徴とする、請求項１または２に記載のカソードブロック。
【請求項４】
カソードブロックの表面（１６）の、アーチ形に外側へ曲がっている前記少なくとも１つの領域（２０、２０’）は、前記カソードブロックの横断面において、前記少なくとも１つの溝（１２、１２’）を有する面（１０）に対して垂直に延びる方向（ｚ）で、前記溝（１２、１２’）の幅（Ｂ1）の上方に位置する領域（２４、２４’）の少なくとも２０％を超えて、好ましくは少なくとも４０％を超えて、特に好ましくは少なくとも６０％を超えて、さらに特に好ましくは少なくとも８０％を超えて、最も好ましくは１００％に広がることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のカソードブロック。
【請求項５】
アーチ形に外側へ曲がっている前記少なくとも１つの部分（２０、２０’）は、楕円の一部の形状を有し、該楕円の一部の極座標の角の区間幅は１０°以上１８０°以下、好ましくは３０°以上１６０°以下、特に好ましくは５０°以上１４０°以下、さらに特に好ましくは７０°以上１２０°以下であり、および／または
アーチ形に外側へ曲がっている前記少なくとも１つの部分（２０、２０’）は、コサイン曲線の形状を有し、該コサイン曲線の角の区間幅は１０°以上１８０°以下、好ましくは３０°以上１６０°以下、特に好ましくは５０°以上１４０°以下、さらに特に好ましくは７０°以上１２０°以下であり、および／または
アーチ形に外側へ曲がっている前記少なくとも１つの部分（２０、２０’）は、円弧の形状を有し、該円弧の中心角の区間幅は１０°以上１８０°以下、好ましくは３０°以上１６０°以下、特に好ましくは５０°以上１４０°以下、さらに特に好ましくは７０°以上１２０°以下、および／または
アーチ形に外側へ曲がっている前記少なくとも１つの部分（２０、２０’）は、ガウス正規分布の形状を有し、ガウス正規分布の半値幅と前記少なくとも１つの溝の幅との比が０．５以上１．５以下、好ましくは０．６以上１．４以下、特に好ましくは０．７以上１．３以下、さらに特に好ましくは０．８以上１．２以下、最も好ましくは０．９以上１．１以下であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載のカソードブロック。
【請求項６】
前記カソードブロックの表面（１６）のアーチ形に外側へ曲がっている前記少なくとも１つの部分（２０、２０’）の頂点（２２、２２’）から溝（１２、１２’）の最下点までの距離（ｈ1）と、少なくとも１つの溝（１２、１２’）を有する面（１０）の反対側のカソードブロック面（１４）の最下点から溝（１２、１２’）の最下点までの距離（ｈ2）との比は、１：１を超え最大で２：１であって、好ましくは１．０以上１．５以下、特に好ましくは１．０以上１．３以下、さらに特に好ましくは１．０以上１．２以下であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載のカソードブロック。
【請求項７】
横断面が好ましくは長方形であるように形成されている前記少なくとも１つの溝（１２、１２’）は、その長さ方向にわたって深さが変化し、該少なくとも１つの溝（１２、１２’）は、特に好ましくは、その長手方向末端の深さが、溝（１２、１２’）の中央に比べて小さいことを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載のカソードブロック。
【請求項８】
アルミニウム電解セルのためのカソードブロックであって、カソードブロックの長手方向断面で見たときに、槽形状の表面（１６）を有し、
該槽は、２つの縁領域（２６、２６’）と、カソードブロックの長手方向（ｙ）に見たときに、縁領域（２６、２６’）の間に配置され、縁領域（２６、２６’）に対して低くなっている少なくとも１つの底領域（２８）とを有し、
該２つの縁領域（２６、２６’）と底領域（２８）との間に、該当する縁領域（２６、２６’）と底領域（２８）とを接続するそれぞれの側壁領域（３０、３０’）が設けられ、
該縁領域（２６、２６’）と側壁領域（３０、３０’）との間の２つの接続領域（３２、３２’）の少なくとも１つおよび／または底領域（２８）と側壁領域（３０、３０’）との間の２つの接続領域（３６、３６’）の少なくとも１つが、アーチ形に曲がって形成され、
該アーチ形に曲がっている少なくとも１つの部分（３４、３４’）の長さ（Ｌ1）が２ｃｍを超え１００ｃｍ以下、好ましくは３ｃｍ以上５０ｃｍ以下、とりわけ好ましくは４ｃｍ以上３０ｃｍ以下、特に好ましくは５ｃｍ以上２０ｃｍ以下、さらに特に好ましくは７ｃｍ以上１５ｃｍ以下、最も好ましくは１０ｃｍであるカソードブロック。
【請求項９】
前記カソードブロックは、少なくとも３０重量％、好ましくは少なくとも４０重量％、特に好ましくは少なくとも５０重量％、さらに特に好ましくは少なくとも６０重量％、最も好ましくは全部が炭素および／またはグラファイトから構成されていることを特徴とする、請求項８に記載のカソードブロック。
【請求項１０】
底領域（２８）と側壁領域（３０、３０’）との間の前記２つの接続領域（３６、３６’）の少なくとも１つおよび、好ましくは、底領域（２８）と側壁領域（３０、３０’）との間の接続領域（３６、３６’）の両方は、カソードブロックの長手方向断面で見たときにカソードブロックに対して内側へアーチ形に曲がって形成されていることを特徴とする、請求項８または９に記載のカソードブロック。
【請求項１１】
縁領域（２６、２６’）と側壁領域（３０、３０’）との間の前記２つの接続領域（３２、３２’）の少なくとも１つおよび、好ましくは、縁領域（２６、２６’）と側壁領域（３０、３０’）との間の接続領域（３２、３２’）の両方は、カソードブロックの長手方向断面で見たときにカソードブロックに対して外側へアーチ形に曲がって形成されていることを特徴とする、請求項８から１０のいずれか１項に記載のカソードブロック。
【請求項１２】
長手方向（ｙ）に広がる横断面において、カソードブロックの縁領域（２６、２６’）の最大高さ（ｈ3）とカソードブロックの底領域（２８）の最小高さ（ｈ4）との比は、１．１と４との間、好ましくは１．１と２．５との間、特に好ましくは１．１と２．１との間であることを特徴とする、請求項８から１１のいずれか１項に記載のカソードブロック。
【請求項１３】
前記カソードブロックは、カソードブロックの長手方向（ｙ）に見たときに、材料組成が変化し、好ましくは両方の縁領域（２６、２６’）の材料はカソードブロックの底領域（２８）の材料に比べて比電気抵抗がより高いことを特徴とする、請求項８から１２のいずれか１項に記載のカソードブロック。
【請求項１４】
前記カソードブロックは、２つの縁領域（２６、２６’）において５重量％以上５０重量％以下、好ましくは１０重量％以上３０重量％以下のアセチレンコークスを含むことを特徴とする、請求項１３に記載のカソードブロック。
【請求項１５】
前記カソードブロックは、底領域（２８）において５重量％以上５０重量％以下、好ましくは１０重量％以上４０重量％以下の二ホウ化チタン、酸化ケイ素および／または酸化クロムを含むことを特徴とする、請求項１３または１４に記載のカソードブロック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム生産用電解セルにおける使用に特に適したカソードブロックに関する。
【背景技術】
【０００２】
電解セルは、例えば電解によるアルミニウム生産に用いられ、電解によるアルミニウム生産は、通常工業的にはホール・エルー法により実施される。ホール・エルー法では、酸化アルミニウムと氷晶石とからなる溶融物が電解される。このとき、上記氷晶石Ｎａ3［ＡｌＦ6］は、融点を純粋な酸化アルミニウムの融点である２０４５℃から、氷晶石、酸化アルミニウム、および添加物、例えば、フッ化アルミニウムおよびフッ化カルシウム、を含む混合物の融点である約９５０℃まで下げることに用いられる。
【０００３】
該方法に用いられる電解セルはカソード底部を有し、該カソード底部は、カソードを形成する、複数の互いに接するカソードブロックから構成されうる。セルの運転時の熱的および化学的条件に耐えるために、上記カソードは通常炭素含有材料から構成されている。カソードの下面には、通常それぞれ溝が設けられ、その溝の内部にそれぞれ少なくとも１つのバスバーないしは電流レールが配置され、そのバスバーを経由して、アノードを通って供給された電流が流される。上記カソードの上側にある、高さが通常１５ｃｍ以上５０ｃｍ以下である液体アルミニウム層から約３ｃｍから５ｃｍ上方に、特に単独のアノードブロックから構成されているアノードが配置され、該アノードとアルミニウムの表面との間に電解質、すなわち、酸化アルミニウムおよび氷晶石を含む溶融物がある。約１０００℃で実施される電解の間に、生成したアルミニウムは電解質に比べてより大きい密度を有するため、電解質層の下に、すなわち、上記カソードの上側と電解質層との間の中間層として沈殿する。電解では、溶融物に溶解している酸化アルミニウムが電流を流すことによりアルミニウムと酸素とに分解される。電気化学的には、液体アルミニウム層は、その溶融液体アルミニウム層の表面においてアルミニウムイオンが単体アルミニウムに還元されるので、本来のカソードである。それにもかかわらず、以下においては、カソードの概念は、電気化学的に見たカソード、すなわち液体アルミニウム層ではなく、電解セル底部を形成する、例えば、１つまたは複数のカソードブロックから構成されている部材として理解される。
【０００４】
ホール・エルー法の主な欠点は、この方法が非常にエネルギー集約的であることである。１ｋｇのアルミニウムを生産するために、約１２ｋＷｈから１５ｋＷｈまでの電力量が必要であり、その電力量は生産費の約４０％までを占める。その生産費を下げることを可能とするために、この方法のエネルギー原単位をできるだけ減少させることが望まれる。
【０００５】
特に液体アルミニウム層およびカソード材料に比べて比較的高い、溶融物の電気抵抗のため、特に溶融物の中で、比較的高い抵抗損失がジュール散逸として生じる。溶融物における比較的高い物質固有の損失に鑑み、溶融物層の厚さ、およびそれゆえにアノードと液体アルミニウム層との間隔をできるだけ小さくするための努力がなされている。しかし、電解における電磁相互作用とその電磁相互作用により液体アルミニウム層に生じる波発生とのため、溶融物層の厚さが小さすぎる場合には、液体アルミニウム層がアノードに接触する危険があり、この接触は、電解セルの短絡、生成したアルミニウムの望ましくない再酸化、および電解運転の電気不安定、さらには特にセル電圧の変動を結果としてもたらし得る。発生する短絡は、さらに、高度の摩耗、およびそれゆえに電解セルの耐用期間の減少を結果としてもたらす。それゆえ、アノードと液体アルミニウム層との間隔を任意に小さくすることはできない。
【０００６】
液体アルミニウム層における波発生の原動力となるのは、カソードの表面上での電流密度および磁束密度の不均一な分布であり、その不均一な分布が、液体アルミニウム層において波発生を促進させるローレンツ力密度の分布を結果としてもたらす。ここで、ローレンツ力密度は、所定の位置における電流密度とその位置における磁束密度とのベクトル積として定義される。一方では、カソード上面における電流密度および磁束密度の不均一な分布の原因は、とりわけ、カソードおよびアルミニウム浴において電流が優先的に電気抵抗の最も小さい経路をたどることにある。それゆえ、カソードを通って流れる電流は、典型的には、特にカソードとそのカソードに接触するバスバーとの接続が行われる、カソードの側方の縁領域に集中する。なぜなら、縁領域を経由してカソード表面まで電流が流れる場合、結果として生じる電気抵抗が、カソードの中央部を経由してカソード表面まで電流が流れる場合に比べてより小さいからである。後者の場合には、縁領域を経由してカソード表面まで電流が流れる場合に比べてより長い経路または電路を流れなければならない。
【０００７】
液体アルミニウム層における増強された波発生の他に、上記不均一な電流密度分布と、特に、カソードの横方向に見た時にカソードの側方の縁領域においてカソード中央部における電流密度に比べて高くなっている電流密度は、カソードの側方の縁領域において、増大した摩耗をもたらし、その結果、電解セルの長い運転の後、典型的には、カソードの横断面において特徴的なＷ字形のカソードの摩耗形状が生じる。
【０００８】
電解セルのエネルギー原単位を低減するために、近年電解セルにおいてテクスチャー化された表面を有するカソード、すなわち、例えばカソードの横断面で見たときにその上面がＶ字形の槽の形で形成されているようなカソードを用いることが提案されている。ここで、カソード表面においてＶ字形の槽の形で形成されている窪みは、カソードの側方の縁領域における電流密度を小さくし、これによりその領域における波発生の可能性および摩耗が減少する。ＷＯ２０１１／１４８３４７では、上面が、低くなっている中央領域を有するカソードが用いられ、その低くなっている領域はある程度の体積Ａを有し得る。これらの窪みは、傾斜した表面を有する。すなわち、これらの窪みは槽の形である。しかし、これらのカソードおよびこれらのカソードを構成するカソードブロックは、波発生の問題および摩耗の問題を満足に解決しない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
それゆえ、本発明の課題は、電解セルでの溶融電解に用いられたときに、低減されたエネルギー原単位をもたらすとともに、耐用期間がより長いカソードブロックを提供することである。特に、電解セルにおいてアルミニウムとアノードとの間の溶融物層の厚さを減らすことを、これにより高められた波発生傾向により液体アルミニウム層において、例えば短絡、生成したアルミニウムの再酸化、または電解セル電圧の変動のような不安定性を生じることなく可能にするカソードブロックが提供される。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の局面によれば、上記課題は、特にアルミニウム電解セルのための、請求項１の特徴を有するカソードブロックにより解決される。該カソードブロックには、バスバーを収容するための、カソードブロックの面のうち少なくとも１つの面に配置されるとともにカソードブロックの長手方向に延びる少なくとも１つの溝が設けられており、該少なくとも１つの溝を有する面の反対側のカソードブロック面の表面の少なくとも１つの部分は、カソードブロックの横断面で見たときに、アーチ形に外側へ曲がっており、該アーチ形に外側へ曲がっている少なくとも１つの部分の頂点が、カソードブロックの横断面において、少なくとも１つの溝を有する面に対し垂直に延びる方向で、少なくとも１つの溝の上方に配置されている。
【００１１】
本発明では、カソードブロックの横断面で見たときに、上記少なくとも１つの溝を有する面の反対側のカソードブロック面が外側へ曲がっている形態により、すなわち、上記カソードブロックを電解セルのカソードにおいて使用する場合にカソードブロックの上面がアーチ形に曲がっている形態により、カソードブロックの表面において電流密度および磁束密度の均一化が達成されることが認められた。これは、アーチ形に外側へ曲がっているカソードブロック上面の形態により、上記溝の上端とその鉛直上方に位置するカソードブロック上面の部分との距離が、上記溝の横に延びるカソードブロック下面とその鉛直上方に位置するカソードブロック上面の部分との距離と一様化され、それゆえ、溝の上端から溝の垂直上方に位置するカソードブロック上面の領域まで延びる、抵抗が最も小さい電気経路の長さが、溝を囲むカソードブロック下面の部分の横のカソードブロック下端からカソードブロック上面まで延びる、抵抗がより大きい電気経路の長さと一様化されることによる。カソードブロックが通常の長方形の形態である場合は、カソードブロック下面の中央に掘られた長方形の断面を有する溝の上端とその上方に位置するカソードブロック上面の部分との間の電気経路の長さは、溝の側面からカソードブロックの上面まで延びる電気経路の長さよりかなり短い。電流はカソードブロック内において最も電気抵抗が小さい経路をたどるため、上述したカソードブロック内において、電流は主に溝の上端とその垂直上方に位置するカソードブロック上面の部分との間の領域に流れ、これに反して、該領域に隣接するカソードブロックの部分における電流は大きく減少する。これによりカソードブロックの表面において不均一な電流密度が生じ、この不均一な電流密度により、電解セルの運転時に、ブロックの継ぎ目に比べて溝の上方においてより大きい摩耗が発生する。これにより、カソードブロック表面は波形の形状となり、その形状に起因して、カソードブロックの上に配置されている液体アルミニウム層の中の波発生が促進されうる。カソードブロック表面の本発明による形態により、溝の上面とカソード表面との間の電気経路が長くし、溝の側面とカソード表面との間の電気経路を短くする。これにより、溝の直接上方の電流は、横方向に押しのけられ、よってカソードブロックの表面において電流密度が均一となり、これにより上記カソードブロックを含む電解セルの運転時にカソードブロックの上に配置されている、液体アルミニウム層の中の波発生が低減されるとともに、カソードブロックの摩耗はその表面において均一となる。それゆえ、全体的に、本発明のカソードブロックを含む電解セルの運転時において、液体アルミニウム層の中の波発生が効果的に防止され、高いエネルギー効率とともに電解運転の高い安定性および信頼性が達成される。カソードブロックの上方に配置されている液体アルミニウム層の中の波発生を減らすことにより、アノードと液体アルミニウム層との間の間隔を小さくすることができ、これは、上記カソードブロックを含む電解セルの運転時におけるさらなるエネルギー節約につながる。ここで特に有利な点は、カソード上面における電流密度を均一化するための上述した措置、すなわち、少なくとも１つのアーチ形に外側へ曲がっている部分を設けることは、アノードと液体アルミニウム層との間の間隔が小さい場合でも従来のカソードを使用する場合と同様の浴容量が得られるように、本発明のカソードブロックを電解セル内に組み込むことで簡単に見積もることができることである。
【００１２】
カソードブロックの横断面で見たときにカソードブロックの表面がアーチ形に外側へ曲がっているとは、本発明の枠内において、カソードブロックの横断面においてカソード表面により定義される交差曲線が、カソードブロック内部に対して外側へ向かう凸状に延びる湾曲を有することと理解される。ここで、曲がっている部分とは、方向が連続的に変化するが、曲がっている領域において角若しくはへりがある方向変化または角ばった方向変化がない交差曲線の部分と理解される。
【００１３】
さらに、曲がっている部分の「頂点」という概念は、本発明の枠内において、カソードブロックの下面から垂直に見たときに、曲がっている部分の最も離れている点を示す。
【００１４】
好ましくは、上記カソードブロックは炭素および／またはグラファイトをベースとして構成され、ここでとりわけ好ましくは、該カソードブロックは、少なくとも３０重量％、さらに好ましくは少なくとも４０重量％、特に好ましくは少なくとも５０重量％、さらに特に好ましくは少なくとも６０重量％、最も好ましくは全部が炭素および／またはグラファイトから構成されている。
【００１５】
好ましくは、上記炭素は無定形炭素であり、上記グラファイトは、好ましくは、黒鉛状炭素または黒鉛化炭素である。また、好ましくは、無定形炭素および黒鉛状炭素からなる混合物、無定形炭素および黒鉛化炭素からなる混合物、無定形炭素、黒鉛状炭素および黒鉛化炭素からなる混合物、または、黒鉛状炭素および黒鉛化炭素からなる混合物が用いられる。
【００１６】
本発明の第１の局面による好ましい一実施形態によれば、上記カソードブロックは１以上のバスバー、好ましくは１つのバスバーを収容するための、横断面が長方形である単一の溝を有する。ここで、好ましくは、少なくとも、溝を有する面の反対側のカソードブロック面の、カソードブロックの横断面において溝を有する面に垂直に延びる方向に沿って溝の上方に位置する部分がアーチ形に外側へ曲がっている。それゆえ、上述したように、溝の上端と、一方では、溝の鉛直上方に位置するカソードブロック表面の領域との間、他方では、その横に位置するカソードブロック表面の領域との間の電気経路の長さが統一されるので、上記カソードブロックが電解セル内で使用された時に、その表面における電流密度が均一となる。
【００１７】
上述した実施形態に代えて、上記カソードブロックはバスバーを収容するための２つの溝を有していてもよく、好ましくは該溝はそれぞれ１つのバスバーを収容し、それぞれ長方形の横断面を有し、ここで、少なくとも、溝を有する面の反対側のカソードブロック面の、カソードブロックの横断面において溝を有する面に垂直に延びる方向（ｚ）に沿って溝の上方に位置する部分が、一回アーチ形に外側へ曲がっている。あるいは、ここで、２つの溝を有する面の反対側のカソードブロック面の、カソードブロックの横断面において２つの溝を有する面に垂直に延びる方向に沿って溝の上方に位置する２つの部分の両方が、アーチ形に外側へ曲がっており、この場合、アーチ形に外側へ曲がっている２つの部分のそれぞれの頂点は、カソードブロックの横断面において上記２つの溝を有する面に垂直に延びる方向に沿って上記２つの溝のそれぞれの上方に配置される。このようにして、２つの溝を有するカソードブロックの場合に、それぞれの溝の上端と、一方では、その鉛直上方に位置するカソードブロック表面の領域との間、他方では、その横に位置するカソードブロック表面の領域との間の電気経路の長さが統一されるので、上記カソードブロックが電解セル内で使用された時に、その表面における電流密度が均一となる。
【００１８】
代替的に、上記カソードブロックはバスバーを収容するための２つの溝を有していてもよく、好ましくは該溝はそれぞれ１つのバスバーを収容し、それぞれ長方形の横断面を有し、ここで、好ましくは、少なくとも、溝を有する面の反対側のカソードブロック面の、カソードブロックの横断面において２つの溝を有する面に垂直に延びる方向に沿って２つの溝の上方に位置する部分は、一回アーチ形に外側へ曲がっている。すなわち、カソード上面には、両方の溝を覆っている、アーチ形に外側へ曲っている１つの部分がある。
【００１９】
上記カソードブロックの表面の、アーチ形に外側へ曲っている少なくとも１つの部分の頂点は、カソードブロックの横断面において少なくとも１つの溝を有する面に垂直に延びる方向に沿って、その少なくとも１つの溝の領域の上方に配置され、該領域はその少なくとも１つの溝の幅の２０％以上８０％以下、好ましくは４０％以上６０％以下に広がり、特に好ましくはその少なくとも１つの溝の中心点の上方に配置されていると、上記カソードブロックを電解セル内で使用する場合にカソードブロック表面上の電流密度分布の均一性に関して良い結果が得られる。その場合、溝の幅の２０％以上８０％以下の領域は、カソードブロックの横断面で見たときに、溝の１つの側方末端からカソードブロックの幅方向に測った溝長さの２０％に始まり、溝のこの同じ側方末端からカソードブロックの幅方向に測った上記溝長さの８０％に終わる溝部分を指す。これに関連して溝の中心点とは、カソードブロックの横断面で見たときに溝の中央にある点、すなわち、溝の１つの側方末端からカソードブロックの幅方向に測った溝長さの５０％に位置する点と理解される。
【００２０】
カソードブロックの溝幅の鉛直上方に位置するカソードブロック領域のできるだけ全体において電流密度の均一な分布を達成するために、本発明の思想のさらなる形態では、カソードブロック表面の、アーチ形に外側へ曲っている少なくとも１つの領域が、カソードブロックの横断面において、上記少なくとも１つの溝を有する面に垂直に延びる方向に沿って、溝幅の上方に位置する領域の少なくとも２０％を超えて、好ましくは少なくとも４０％を超えて、特に好ましくは少なくとも６０％を超えて、特に好ましくは少なくとも８０％を超えて、最も好ましくは１００％に広がることが提案される。
【００２１】
上記カソードブロックを電解セル内で使用する場合にカソードブロック表面の全体にわたって電流密度の分布を均一にするという観点から、カソードブロックの表面の、アーチ形に外側へ曲っている少なくとも１つの領域が、カソードブロックの横断面で見たときに、上記少なくとも１つの溝を有する面の反対側のカソードブロック面の少なくとも２０％、好ましくは少なくとも４０％、特に好ましくは少なくとも６０％、最も好ましくは１００％に広がることが特に好ましい。
【００２２】
上記カソードブロックがバスバーを収容するための単一の溝を有する場合、カソードブロック表面は、カソードブロックの横断面で見たときに、上述のカソードブロックの幅に関して説明された数値を満足する、好ましくは、単一の曲がっている領域を有する。上記カソードブロックがそれぞれ１つのバスバーを収容するための２つの溝を有する場合、カソードブロック表面は、カソードブロックの横断面で見たときに、好ましくは、上述のカソードブロックの幅に関して挙げられた数値を満足する、好ましくは、上記２つの溝を覆って曲がっている１つの領域を有するか、または、上述のカソードブロックの幅に関して挙げられた数値を合わせて満足する２つの曲がっている領域を有する。
【００２３】
本発明の枠内において、特にアーチ形に外側へ曲っている少なくとも１つのカソードブロック表面の領域が、カソードブロック長さの、例えば、少なくとも６０％を超えて、好ましくは少なくとも８０％を超えて、特に好ましくは少なくとも９０％を超えて、最も好ましくは少なくとも１００％に広がっているときに、電流密度分布の全面的な均一化が達成される。
【００２４】
カソードブロックを電解セル内で使用する場合、該カソードブロック内の電流の状況に特に適合するカソードブロック表面は、本発明の第１の局面のさらなる一実施形態によれば、アーチ形に外側へ曲っているカソードブロック表面の上記少なくとも１つの部分が、カソードブロックの横断面において、長円の部分の形状、特に円弧の形状、コサイン形状、ガウス正規分布の形状、楕円の部分の形状、ベジェ曲線の形状、放物線の部分の形状または高次のコサイン曲線の形状に曲がっていることにより得られる。
【００２５】
カソードブロックを電解セル内で使用する場合の、該カソードブロック内の典型的には対称的なの電流の状況に相応して、アーチ形に外側へ曲っているカソードブロック表面の上記少なくとも１つの部分が、カソードブロックの横断面において、上記少なくとも１つの溝の中央垂直面に対称的に形成されていることが好ましい。これにより、さらに、カソードブロックを簡単に製造することができるとともに、電解セル内へのカソードブロックの自在な組み込みが可能となる。
【００２６】
本発明のカソードブロックを電解セル内で使用する場合に、カソードブロック表面において電流密度の特に均一な分布を達成し、それにより、カソードブロックの上方に配置されている液体アルミニウム層の波発生を特に効果的に低減するために、本発明の思想のさらなる形態では、アーチ形に外側へ曲がっている少なくとも１つの部分が、楕円の部分の形状を有し、該楕円の部分の極座標の角の区間幅が１０°以上１８０°以下、好ましくは３０°以上１６０°以下、特に好ましくは５０°以上１４０°以下、さらに特に好ましくは７０°以上１２０°以下であり、および／または、アーチ形に外側へ曲がっている少なくとも１つの部分が、コサイン曲線の形状を有し、該コサイン曲線の角の区間幅が１０°以上１８０°以下、好ましくは３０°以上１６０°以下、特に好ましくは５０°以上１４０°以下、さらに特に好ましくは７０°以上１２０°以下であり、および／または、アーチ形に外側へ曲がっている少なくとも１つの部分が、円弧の形状を有し、該円弧の中心角の区間幅が１０°以上１８０°以下、好ましくは３０°以上１６０°以下、特に好ましくは５０°以上１４０°以下、さらに特に好ましくは７０°以上１２０°以下、および／または、アーチ形に外側へ曲がっている少なくとも１つの部分が、ガウス正規分布の形状を有し、ガウス正規分布の半値幅と上記少なくとも１つの溝の幅との比が０．５以上１．５以下、好ましくは０．６以上１．４以下、特に好ましくは０．７以上１．３以下、さらに特に好ましくは０．８以上１．２以下、最も好ましくは０．９以上１．１以下であるようにカソードブロック表面を形成することが提案される。
【００２７】
本発明のさらなる好ましい一実施形態によれば、上記カソードブロックの表面のアーチ形に外側へ曲がっている少なくとも１つの部分の頂点から溝の最下点までの距離と、少なくとも１つの溝を有する面の反対側のカソードブロック面の最下点から溝の最下点までの距離との比は、１：１を超え最大で２：１であって、好ましくは１．０以上１．５以下、特に好ましくは１．０以上１．３以下、さらに特に好ましくは１．０以上１．２以下であることが好ましいと認められた。
【００２８】
電解に使用可能なカソードブロック表面を最大化するために、上記少なくとも１つの溝は、カソードブロックの全長の少なくとも４０％を超えて、好ましくは少なくとも６０％を超えて、特に好ましくは８０％を超えて、さらに特に好ましくは少なくとも９０％を超えて、最も好ましくはカソードブロックの全長に広がることが好ましい。
【００２９】
カソードブロック表面における電流密度分布の実現可能な均一化をさらに向上させるために、本発明の思想のさらなる形態では、横断面が特に長方形であるように形成されている少なくとも１つの溝は、その長さにわたって深さが変化し、該少なくとも１つの溝は、特に好ましくは、その長手方向末端の深さが、溝の中央に比べて小さいことが提案される。かかる場合、溝は、特にカソードブロックの長手方向断面においてほぼ三角形に延びることが可能である。このような形態によって、通常、溝の長手方向末端における、該溝に収容されているバスバーの接触に起因する、カソード表面の長手方向の末端領域における電流密度の、内部により近い表面領域に比べた増大を、効果的に回避することができる。
【００３０】
カソードブロックを電解セル内で使用する場合に、カソードブロックの横方向および長手方向において同時にカソードブロック表面における均一な電流密度分布を達成するために、上記少なくとも１つの溝を有する面の反対側の面の表面が、カソードブロックの長手方向断面で見たときに、槽の形状に形成されていることが好ましい。かかる場合、槽形状の表面を有するカソードブロックは、後述する本発明の第２の局面に従って形成されていることが特に好ましい。その限りにおいて、以下に本発明の第２の局面に関連して説明されている有利な実施形態および有利な点は、相当する本発明の第１の局面にも適用される。
【００３１】
本発明の第２の局面によれば、冒頭に挙げられた課題は、アルミニウム電解セルのためのカソードブロックであって、カソードブロックの長手方向断面で見たときに、槽形状の表面を有し、該槽が、２つの縁領域と、カソードブロックの長手方向に見たときに、縁領域の間に配置され、縁領域に対して低くなっている少なくとも１つの底領域とを有し、該２つの縁領域と底領域との間に、該当する縁領域と底領域とを接続するそれぞれの側壁領域が設けられ、該縁領域と側壁領域との間の２つの接続領域の少なくとも１つおよび／または底領域と側壁領域との間の２つの接続領域の少なくとも１つがアーチ形に曲がって形成され、該アーチ形に曲がっている少なくとも１つの部分の長さが２ｃｍを超える、カソードブロックを提供することにより解決される。
【００３２】
ここで、上記カソードブロックは炭素および／またはグラファイトをベースとして構成されていることが好ましく、特に好ましくは、該カソードブロックは、少なくとも３０重量％、好ましくは少なくとも４０重量％、特に好ましくは少なくとも５０重量％、さらに特に好ましくは少なくとも６０重量％、最も好ましくは全部が炭素および／またはグラファイトから構成されている。
【００３３】
好ましくは、上記炭素は無定形炭素であり、上記グラファイトは、好ましくは、黒鉛状炭素または黒鉛化炭素である。また、好ましくは、無定形炭素および黒鉛状炭素からなる混合物、無定形炭素および黒鉛化炭素からなる混合物、無定形炭素、黒鉛状炭素および黒鉛化炭素からなる混合物、または、黒鉛状炭素および黒鉛化炭素からなる混合物が用いられる。
【００３４】
好ましくは、上記槽形状表面は、バスバー、好ましくは、それぞれ１つのバスバーを収容する上記少なくとも１つの溝を有するカソードブロック面の反対側に配置されているカソードブロック表面である。言い換えれば、本発明のカソードブロックの槽形状の表面は、本カソードブロックを電解セル内で使用することを考慮して、カソードブロックの上面、すなわち、その上に液体アルミニウム層が設けられるカソードブロック面に存在する。
【００３５】
本発明では、槽形状に形成されているカソードブロックの少なくとも１つの接続領域のアーチ形に曲がっている形態、すなわち、縁領域と側壁領域との間および底領域と側壁領域との間に設けられている接続領域の少なくともいずれかのアーチ形に曲がっている形態により、上記カソードブロックを電解セル内で使用する場合に電流密度および磁束密度が均一化されることが認められた。これは、カソードブロックが槽形状の形態である場合には、電流は、直方体形のカソードブロックとは対照的に、主としてカソードブロックの横の縁領域に流れるのではなく、上述したように実現された槽形状の形態においては、底領域の高さに比べて縁領域の高さがより大きいため、縁領域の電気抵抗は、カソードブロックの底領域の電気抵抗に対して高くなっていることから、電流がカソードブロックの表面にわたって均一に分布されているためである。また、これは、電流がカソードブロック内の電気抵抗が最も小さい経路をたどるという事実の結果である。さらに、上記接続領域の少なくとも１つの、アーチ形に曲がっている形態により、従来技術により知られている槽形状の形態では角がある形状を持つ、少なくとも１つの接続領域の範囲内においても不均一な電流密度分布が生じないことが達成される。寧ろ、アーチ形に曲がっている形態により、上記カソードブロックを電解セル内で使用する場合、カソードブロック表面に発生する電流密度分布は、角がある形態を有するカソードブロックに比べて特に接続領域において均一化され、そのため、電解セル運転時に、液体アルミニウム層内の波発生、およびこれに伴う、電解セル運転の不安定性が回避される。これは、上記接続領域の少なくとも１つがアーチ形に曲がっている形態により、接続領域に角がある形態と異なり、該領域においてカソードブロック表面を通って流れる電流密度のピークおよびディップが回避されることによる。そのようなピークおよびディップは、接続領域に角がある形態の場合に、電流が電気抵抗が最も小さい経路をたどる事実の結果生じる。それゆえ、全体的に、本発明のカソードブロックを含む電解セルの運転時において、液体アルミニウム層の中の波発生が効果的に防止され、高いエネルギー効率とともに電解運転の高い安定性および信頼性が達成される。カソードブロックの上方に配置されている液体アルミニウム層の中の波発生を減らすことにより、アノードと液体アルミニウム層との間の間隔を小さくすることができ、これは、上記カソードブロックを含む電解セルの運転時におけるさらなるエネルギー節約につながる。
【００３６】
本発明の第１の局面と同様に、アーチ形に曲がっている部分とは、カソードブロックの横断面においてカソードブロック表面により定義される交差曲線が、カソードブロック内部に対して凸状に延びる湾曲を有することと理解される。ここで、曲がっている部分とは、方向が連続的に変化するが、曲がっている領域において角ばった方向変化がない交差曲線の部分と理解される。
【００３７】
ここで、アーチ形に曲がっている部分の長さとは、本発明の意図するところでは、アーチ形に曲がっている部分の始めから終わりまでを、カソードブロックの長手方向に測った、その長さを指す。始めから終わりまでとは、すなわち、好ましくは直線的に形成されている縁領域がアーチ形に曲がっている接続領域に移行する点から、その接続領域が好ましくは直線的な側壁領域の部分に移行する点まで、または、好ましくは直線的な側壁領域の部分がアーチ形に曲がっている接続領域に移行する点から、その接続領域が好ましくは直線的に形成されている底領域に移行する点までのことである。
【００３８】
特に、上記少なくとも１つのアーチ形に曲がっている部分の長さが２ｃｍを超え１００ｃｍ以下、好ましくは３ｃｍ以上５０ｃｍ以下、とりわけ好ましくは４ｃｍ以上３０ｃｍ以下、特に好ましくは５ｃｍ以上２０ｃｍ以下、さらに特に好ましくは７ｃｍ以上１５ｃｍ以下、最も好ましくは１０ｃｍである場合に電流密度の均一化に関して良い結果が得られる。曲がっている部分がこのようなサイズであることにより、その曲っている部分の上方の電流密度のピークおよびディップが確実に回避されるからである。
【００３９】
上記アーチ形に曲がっている部分が槽形状のカソードブロック表面の底領域と側壁領域との間の接続領域の少なくとも１つに設けられている場合に、アーチ形に曲がっている部分は、好ましくは、カソードブロックの長手方向断面で見たときにそのカソードブロックに対して、内側へアーチ形に曲がっているように形成されているが、上記部分が槽形状のカソードブロック表面の縁領域と側壁領域との間の接続領域の少なくとも１つに設けられている場合には、好ましくは、外側へ曲っているように形成されている。本発明の好ましい一実施形態によれば、それゆえ、底領域と側壁領域との間の２つの接続領域の少なくとも１つおよび、好ましくは、底領域と側壁領域との間の接続領域の両方は、カソードブロックの長手方向断面で見たときにカソードブロックに対して内側へアーチ形に曲がって形成されている。これに代替的にまたは加えて、縁領域と側壁領域との間の２つの接続領域の少なくとも１つおよび、好ましくは、縁領域と側壁領域との間の接続領域の両方は、カソードブロックの長手方向断面で見たときにカソードブロックに対して外側へアーチ形に曲がって形成されている。
【００４０】
電流密度の非常に均一な分布という観点から、本発明の第２の局面によるカソードブロックの特に有利な実施形態では、底領域と側壁領域との間の２つの接続領域が、カソードブロックの長手方向面で見たときにカソードブロックに対して、内側へアーチ形に曲がっているように形成されるとともに、縁領域と側壁領域との間の２つの接続領域が、カソードブロックの長手方向面で見たときにカソードブロックに対して、外側へアーチ形に曲がっているように形成されている。
【００４１】
本発明の思想のさらなる形態では、少なくとも１つのアーチ形に曲がっている部分の最小曲率半径が少なくとも２ｃｍ、好ましくは少なくとも１０ｃｍ、特に好ましくは少なくとも２０ｃｍであることが提案される。これによりカソードブロック表面の曲がっている部分においてとりわけ緩やかな形状を達成することができ、それゆえ、上記カソードブロックを電解セル内で使用する時にとりわけ均一な電流密度分布が達成される。
【００４２】
本発明の第２の局面によるさらなる好ましい一実施形態では、アーチ形に外側へ曲っている少なくとも１つの部分が、カソードブロックの長手方向断面において、長円の部分の形状、特に円弧の形状、コサインの形状、ガウス正規分布の形状、楕円の部分の形状、またはベジェ曲線の形状で形成されている。
【００４３】
本発明の第２の局面により得られる、上述の効果の観点から、長手方向に広がる横断面においてカソードブロックの縁領域の最大高さとカソードブロックの底領域の最小高さとの比を、１．１と４との間、好ましくは１．１と２．５との間、特に好ましくは１．１と２．１との間に調整することが特に有利であることが判った。ここで、長手方向に広がる横断面とは、カソードブロックの幅方向に垂直に、且つ、カソードブロックの長手方向に平行に延びる垂直面を指す。
【００４４】
さらに、本発明のカソードブロックの少なくとも１つの接続領域の一方の末端と他方の末端との間の角の角度が９５°以上１７５°以上、好ましくは１１０°以上１６０°以下、特に好ましくは１２５°以上１５０°以下である場合に、カソードブロック表面における電流密度分布の観点からとりわけ良い結果が得られる。曲がっている部分の上記２つの末端の間の角とは、該部分の２つの末端で始まり、カソードブロックの長手方向断面で見たときに、それぞれ曲がっている部分の接線として延びる２つの仮想直線が成す２つの角の大きい方を指す。
【００４５】
特にカソードブロックの縁領域において均一な電流密度分布を得るために、本発明の思想のさらなる形態では、２つの縁領域の少なくとも１つ、好ましくは両方が、カソードブロックの長手方向断面で見たときに、カソードブロックの長手方向にカソードブロックの中央に向かって下方に傾斜するように広がることが提案され、ここで、上記１つの縁領域または２つの縁領域の傾斜角は、この平面に関して好ましくは１°以上３０°以下、特に好ましくは２°以上１５°以下、さらに特に好ましくは３°以上１０°以下である。
【００４６】
本実施形態では、上記２つの縁領域の１つ、好ましくは、両方が、カソードブロックの長手方向に測った１つの縁領域または２つの縁領域の長さの少なくとも３０％、好ましくは少なくとも５０％、特に好ましくは少なくとも７５％、さらに特に好ましくは１００％にわたって、カソードブロックの長手方向断面で見たときにカソードブロックの長手方向に、カソードブロックの中央に向かって下方に傾斜するように広がることが好ましい。
【００４７】
本発明の第２の局面のさらなる好ましい一実施形態では、上記底領域が少なくとも一部分において直線的に広がり、該底領域の表面は長手方向に対して−２０°以上２０°以下、好ましくは−１０°以上１０°以下、特に好ましくは０°の角度をなす。
【００４８】
本発明のカソードブロックを電解セル内で使用する場合に、カソードブロック表面に亘る均一な電流密度は、特に上記２つの縁領域のそれぞれがカソードブロックの長さの５％以上４０％以下、好ましくは１０％以上３５％以下、特に好ましくは１５％以上３０％以下に広がる場合および／または上記底領域がカソードブロックの長さの１０％以上９０％以下、好ましくは２０％以上７０％以下、特に好ましくは３０％以上６０％以下に広がる場合に達成される。
【００４９】
カソード表面の形態に関して適応性を高めるために、本発明の思想のさらなる形態では、上記カソードブロックは、カソードブロックの長手方向に見たときに、材料組成が変化し、好ましくは両方の縁領域の材料はカソードブロックの底領域の材料に比べて比抵抗がより高いことが提案される。このようにして、カソードブロックに用いられている材料だけでも、カソードブロックの中央において縁領域に電流が流れることが促進されるので、カソードブロック表面の縁領域と底領域とにおける高さの差を、カソードブロック表面に亘る電流の均一化を達成するために、比較的小さくしてもよい。
【００５０】
本実施形態では、上記カソードブロックが２つの縁領域において５重量％以上５０重量％以下、好ましくは１０重量％以上３０重量％以下のアセチレンコークスを含む場合に良い結果が得られる。アセチレンコークスは、カソードブロック製造時に行われる黒鉛化工程においてその電気特性が変化しないか、またはほとんど変化しないので、カソードブロックの縁領域は、黒鉛化度がより低く、従って、アセチレンコークスを添加せずに黒鉛化を行う場合に比べて比電気抵抗がより大きいグラファイトを含む。
【００５１】
さらに上記カソードブロックは、底領域において５重量％以上５０重量％以下、好ましくは１０重量％以上４０重量％以下の二ホウ化チタン、酸化ケイ素および／または酸化クロムを含むことが好ましい。二ホウ化チタン、酸化ケイ素または酸化クロムは、カソードブロック製造時に行われる黒鉛化工程においてグラファイト構造の生成を促進する。そのため、カソードブロックの底領域は、黒鉛化度がより高く、従って、二ホウ化チタン、酸化ケイ素または酸化クロムを添加せずに黒鉛化を行う場合に比べて比電気抵抗がより小さいグラファイトを含む。
【００５２】
本発明の第２の局面は本発明の第１の局面と組み合わせてもよい。すなわち、本発明の特に好ましい一致実施形態では、カソードブロックは、本発明の第１の局面に関して説明された特徴および本発明の第２の局面に関して説明された特徴を有する。
【００５３】
本発明のさらなる対象は、カソード構造、特にアルミニウム電解セルのためのカソード構造に関し、該カソード構造は、少なくとも２つの、上述したように形成されているカソードブロックを含む。
【００５４】
さらに、本発明は電解セル、特にアルミニウム生産のための電解セルに関し、該電解セルは、上述したカソード構造、該カソード構造の上面に配置されている液体アルミニウム層、該アルミニウム層の上に電解物層および該電解物層の上方にアノードを含む。
【００５５】
以下、本発明を、有利な実施形態に基づき、添付図面と関連付けて、純粋に例示として説明する。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】図１は、従来技術によるカソードブロックの切断斜視図を示す。
【図２】図２は、本発明の第１の局面の一実施形態によるカソードブロックの切断斜視図を示す。
【図３】図２に示されているカソードブロックの一部分の正面図を示す。
【図４】本発明の第１の局面のさらなる一実施形態によるカソードブロックの横断面図を示す。
【図５】本発明の第１の局面の様々な実施形態によるカソードブロックのアーチ形に外側へ曲がっている部分の可能な形態の図を示す。
【図６】従来技術によるカソードブロックの長手方向の断面図を示す。
【図７】図７は、本発明の第２の局面の一実施形態によるカソードブロックの長手方向の断面図を示す。
【図８】本発明の第２の局面のさらなる一実施形態によるカソードブロックの長手方向の断面図を示す。
【図９】図９ａ−ｅは、様々なカソードブロックを電解セル内で使用する時に各カソードブロックの表面に発生する電流密度分布の模式図を示す。
【図１０】図１０は、図６に示されている従来技術によるカソードブロックの斜視図を示す。
【図１１】本発明の第２の局面の一実施形態によるカソードブロックの斜視図を示す。
【図１２】本発明の第２の局面のさらなる一実施形態によるカソードブロックの斜視図を示す。
【図１３】図１３は、本発明の第２の局面のさらなる一実施形態によるカソードブロックの斜視図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００５７】
図１は、従来技術によるカソードブロックの切断斜視図を示す。該カソードブロックは、バスバーを収容するための、カソードブロックの一つの面１０ａに配置されるとともに、カソードブロックの長手方向ｙに延びている溝１２ａを有する。該カソードブロックは、さらに、溝１２ａを有する面１０ａの反対側にある面１４ａを有し、面１４ａは、該カソードブロックを電解セル内で使用する時に、カソードブロックの上方に配置されている液体アルミニウム層に向かう表面１６ａを有する。図１に示されているカソードブロックの形態では、表面１６ａは平面に形成されている。このようなカソードブロックを電解セル内で運転する時には、表面１６ａにおいて、特にカソードブロックの幅方向ｘに見たときに、電流密度の不均一な分布が生じ、この不均一な分布によって、表面１６ａの上方に位置する、液体アルミニウム層内の波発生が促進される。図１には、従来技術に関する他の図面と同様に、これらの参照番号と、これらに相当する、本発明を示す図面の参照番号とを区別するために、添え字ａを有する参照番号が付されている。
【００５８】
図２は、本発明の第１の局面の一実施形態によるカソードブックの切断斜視図を示す。図２に示されているカソードブロックの、幅方向ｘに沿って測定した幅Ｂ1は約４２ｃｍであり、溝１２の幅Ｂ2は約２０ｃｍである。長手方向ｙに沿って測定した、カソードブロックの長さＬは、例えば、２．５ｍ以上４．０ｍ以下でありうる。図２に示されているカソードブロックは、カソードブロックの、少なくとも１つの溝１２を有する面１０の反対側の面１４の表面１６の一部分が、カソードブロックの横断面で見たときに、アーチ形に外側へ曲がっている点で、図１に示されているカソードブロックと異なる。カソードブロックの横断面に生じる、表面１６の交差曲線には、図２において参照番号１８が付されている。この交差曲線１８は、幅方向ｘに測った幅Ｂ1の全長においてアーチ形に形成され、従って、横断面で見た表面１６の、アーチ形に曲がっている部分２０である。さらに、図２に示されているように、アーチ形に外側に曲がっている部分２０の頂点２２は、カソードブロックの横断面において少なくとも１つの溝１２を有する面１０に垂直に延びる方向ｚに沿って、溝１２の鉛直上方に配置されている。ｚ方向に溝１２の上方に配置されている、表面１６の領域には、図２において参照番号２４が付されている。表面１６のアーチ形形態により、該カソードブロックを電解セル内で使用する時の電流密度分布は、図１に示されているカソードブロックに比べて均一化され、これにより、カソードブロックの上方に位置する液体アルミニウム層内の波発生は低減される。
【００５９】
図３には、図２に示されているカソードブロックの一部分の横断面が示されている。図３に示されるように、曲がっている部分２０の頂点２２から溝１２の最下点までの距離ｈ1と、溝１２を有する面１０の反対側の面１４の最下点から溝１２の最下点までの距離ｈ2との比は、本実施形態では、１．４：１である。
【００６０】
図４には、本発明の第１の局面のさらなる一実施形態によるカソードブロックの横断面が示されている。図４に示されているカソードブロックは、それぞれ１つのバスバーを収容するための２つの溝１２、１２’を有し、カソードブロックの表面１６が、横断面で見たときに、２つの、アーチ形に外側へ曲がっている部分２０、２０’を有し、ここで、アーチ形に外側へ曲がっている部分２０、２０’のそれぞれの頂点２２、２２’は、溝１２、１２’を有する面１０に垂直に延びる方向ｚに沿って、相当する溝１２、１２’の上方に配置されている。このようにして、２つの溝１２、１２’を有するカソードブロックの場合でも、このカソードブロックを電解セル内で使用する時に、カソードブロックの全幅Ｂにわたって、カソードブロックの表面１６における電流密度の均一な分布が達成される。
【００６１】
図５は、本発明の第１の局面の様々な実施形態によるカソードブロックのアーチ形に外側へ曲がっている部分の可能な形態の図を示す。詳細には、図５は、アーチ形に曲がっているカソードブロック表面の部分が、カソードブロックの横断面において形成できる、可能な交差曲線１８ａ−ｅを示す。ここで、ｘ値は、カソードブロック幅の（−０．５）倍からカソードブロック幅の０．５倍までの範囲であり、ｙ値は、仮想平均水平面に対するカソード表面の高さを示す。ここで、交差曲線１８ａは半円形状であり、交差曲線１８ｂは放物線の部分の形状であり、交差曲線１８ｃは半楕円形状であり、交差曲線１８ｄはコサイン曲線の形状であり、交差曲線１８ｅはコサイン４乗の曲線、すなわち、関数ｃｏｓ4（ｘ）の形である。
【００６２】
図６には、従来技術によるカソードブロックの一部分が長手方向断面図により示されている。図６によるカソードブロックは、カソードブロックの長手方向断面で見たときに槽形状の表面１６ａを有し、この表面１６ａは、上記カソードブロックを電解セル内で使用する時に、カソードブロックの上方に配置されてカソードブロックに支えられている液体アルミニウム層に向かっている。ここで、槽は、その１つのみが図６の切断図に示されている、２つの縁領域２６ａと、カソードブロックの長手方向ｙに見たときに縁領域２６ａの間に配置され、縁領域２６ａに対して低くなっている底領域２８ａとを含み、ここで、両方の縁領域２６ａと底領域２８ａの間に、相当する１つの縁領域２６ａとび底領域２８ａとを接続するそれぞれ１つの側壁領域３０ａが設けられている。図６に示されているように、ここで、縁領域２６ａおよび底領域２８ａは、それぞれ角がある移行領域を介して側壁領域３０ａに移行する。ここで、上記カソードブロックを電解セル内で使用する場合、電流密度分布のディップが、縁領域２６ａ’とそれに相当する、表面１６ａの側壁領域３０ａとの間の、角がある移行領域の領域において発生し、電流密度分布のピークが、底領域２８ａとそれに相当する側壁領域３０ａとの間の、角がある移行領域の領域において発生する。このピークおよびディップは、カソード表面にわたって不均一な電流密度分布を発生させ、それにより、カソード表面の上に配置されている、液体アルミニウム層内の、望まれない波発生を生じさせる。
【００６３】
図７には、本発明の第２の局面の一実施形態によるカソードブロックの一部分の長手方向断面が示されている。図７に示されているカソードブロックは、カソードブロックの長手方向断面で見たときに縁領域２６と側壁領域３０との間の接続領域３２がアーチ形に外側へ曲って形成されているとともに、カソードブロックの長手方向ｙに沿って測定した、アーチ形に外側へ曲がっている部分３４の長さＬ1が２ｃｍを超える点で、図６に示されているカソードブロックと異なる。縁領域２６と側壁領域３０との間の曲がっている上記移行領域により、上記カソードブロックを電解セル内で使用する場合、カソードブロック表面１６のこの領域における電流密度のディップを回避することができ、従って、液体アルミニウム層内の波発生が低減される。図７に示されているカソードブロックでは、縁領域２６の最大高さｈ3とカソードブロックの底領域２８の最小高さｈ4との比は約２：１である。さらに、アーチ形に曲がっている部分３４の一方の末端と他方の末端とがなす角度αは約１２０°である。
【００６４】
図８は、本発明の第２の局面のさらなる一実施形態によるカソードブロックの一部分の長手方向断面を示す。図８に示されているカソードブロックは、カソードブロックの長手方向断面で見たときに、縁領域２６と側壁領域３０との間の接続領域３２の代わりに、側壁領域３０と底領域２８との間の接続領域３６がアーチ形に内側へ曲がっている部分３４として形成されているとともに、カソードブロックの長手方向ｙに沿って測定した、アーチ形に曲がっている部分３４の長さＬ1が２ｃｍを超える点で、図７に示されているカソードブロックと異なる。側壁領域３０と底領域２８との間にある上記移行領域により、上記カソードブロックを電解セル内で使用する場合、カソードブロック表面１６のこの領域における電流密度のピークを回避することができ、従って、液体アルミニウム層内の波発生はさらに低減される。
【００６５】
図７および図８に示されている実施形態は、縁領域２６と側壁領域３０との間の２つの移行領域および側壁領域３０と底領域２８との間の２つの移行領域がアーチ形に曲がって形成されているように組み合わせられうる。これにより、液体アルミニウム層内の波発生に関して、カソードブロックの表面１６においてとりわけ均一な電流密度分布が達成される。
【００６６】
図９ａ−ｅは、様々なカソードブロックを電解セル内で使用する時に各カソードブロックの表面に発生する電流密度分布の模式図を示す。詳細には、図９ａ−ｅは、電解セル運転時にそれぞれのカソードブロックの表面において発生する電流密度の、水平面に投影されたそれぞれの分布を示す。図９ａ−ｅに示されている説明３８は、図９ａ−ｅにおいてどのハッチングがどの電流密度に相当するかを示す。
【００６７】
図９ａに、図６および図１０に示されている、従来技術による槽形状のカソードブロックを使用する時の電流密度分布を示す。
【００６８】
図９ｂには、図２に示されているように、外側へ曲がっている表面１６（図２参照）を有し、それ以外では形態が図１０によるカソードブロックと同じである、本発明の第１の局面によるカソードブロックを使用する時の電流密度分布が示されている。図９ｂにおいて破線の囲み４０で強調されているように、カソードブロック表面の湾曲により、特にカソードブロックの長手方向ｙに見たときに中央の領域において、図９ａに示されているカソードブロックに比べて、カソードブロックの幅（ｘ−方向）において、遥かにより均一な電流密度分布が生じる。
【００６９】
図９ｃには、図１１に示されているように、本発明の第１の局面に応じて形成されていると同時に、本発明の第２の局面に応じて形成されているカソードブロックを用いる時の電流密度分布が示されている。詳細には、本発明の第２の局面によるカソードブロックの表面１６は、長手方向断面で見たときに槽形状の表面１６（図１１参照）を有し、その槽は、２つの縁領域２６、２６’と、カソードブロックの長手方向ｙに見たときに２つの縁領域２６、２６’の間に配置されている、縁領域２６、２６’に対して低くなっている１つの底領域２８を有し、縁領域２６、２６’と底領域２８との間に、相当する縁領域２６、２６’と底領域２８とを接続するそれぞれ１つの側壁領域３０、３０’が設けられている。図１１に示されている実施形態では、カソードブロックの長手方向断面で見たときに、縁領域２６、２６’と側壁領域３０、３０’との間の２つの接続領域３２、３２’、および底領域２８と２つの側壁領域３０、３０’との間の２つの接続領域３６、３６’がアーチ形に曲がって形成されており、ここで、アーチ形に曲がっている両方の部分３４、３４’の長さは２ｃｍを超える。ここで、縁領域２６、２６’と側壁領域３０、３０’との間の接続領域３２、３２’はアーチ形に外側へ曲がって形成され、底領域２８と側壁領域３０、３０’との間の接続領域３６、３６’はアーチ形に内側へ曲がって形成されている。加えて、図１１に示されている実施形態では、図１１では簡潔さのために示されていないが、カソードブロックの横断面で見たときに表面１６が外側へ向かって曲がっている。図９ｃから明らかであるように、図１１に示されている、カソードブロック表面１６の形態により、特に図９ｃに記入されている破線の囲み４０の範囲内において、電流密度分布のさらなる均一化が達成される。
【００７０】
図９ｄは、図１２に示されているようなカソードブロックを使用する時の電流密度分布を示す。図１２に示されているカソードブロックは、図１１に示されている実施形態と大体のところは一致するが、図１２では平坦に形成されている縁領域２６、２６’が、カソードの長手方向断面で見たときに、水平面と角βを成してカソードブロックの中央へ傾斜しながら広がる。図９ｄから明らかであるように、これにより電流密度分布は、囲い４０の範囲内、すなわちカソードブロックの長手方向の末端においてさらに明確に均一化される。
【００７１】
図９ｅは、図１３に示されているようなカソードブロックを使用する時の電流密度分布を示す。図１３に示されているカソードブロックは、図１２に示されている実施形態と大体のところは一致するが、図１３に示されているカソードブロックでは場所によって材料組成が異なり、具体的には、縁領域２６、２６’の下方に位置するカソードブロック部分４２、４２’、すなわち、単一ハッチングで示されているカソードブロックの領域４２、４２’には、アセチレンコークスが添加され、底領域２８の下方に位置する、図１３中二重ハッチングで示されているカソードブロックの領域４４には、二ホウ化チタンが添加されている。図９ｅに示されているように、上記方法により、囲い４０で示されているカソード表面の中央領域内の電流密度分布は、図９ｄに示されている分布に比べてさらに加えて均一化される。
【符号の説明】
【００７２】
１０、１０ａ  カソードブロックの（下）面
１２、１２’、１２ａ  溝
１４、１４ａ  カソードブロックの（上）面
１６、１６ａ  カソードブロックの表面
１８  交差曲線
２０、２０’  アーチ形に曲がっている部分
２２、２２’  アーチ形に曲がっている部分の頂点
２４、２４’  溝の上方に配置されている領域
２６、２６’、２６ａ  縁領域
２８、２８ａ  底領域
３０、３０’、３０ａ  側壁領域
３２、３２’  接続領域
３４、３４’  アーチ形に曲がっている部分
３６、３６’  接続領域
３８  説明
４０  囲い
４２、４２’  アセチレンコークスが加えられた領域
４４  二ホウ化チタンが加えられた領域
Ｂ、Ｂ1  幅
ｈ1−ｈ4  距離、高さ
Ｌ、Ｌ1  長さ
ｘ、ｙ、ｚ  幅方向、長手方向、高さ方向
α、β  角
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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