(57)【要約】還元アーク炉で消耗される自焼成電極を作製するために使用される電極ケース、並びにそれから作製された電極が記載される。電極ケースは、外側スリーブと、複数のフィンとを備える。外側スリーブは、第１の金属から作製された複数のスリーブ区分に分割されて、各スリーブ区分が外面及び内面を有し、複数のスリーブ区分が外側スリーブを形成するように共に積層されることが可能であるようにする。複数のフィンは、第２の金属から作製された複数のフィン区分に分割されて、各フィン区分が１つのスリーブ区分の内面にその長さに沿って機械的に結合され、その幅に沿ってそこから半径方向に突出するようにする。各フィン区分は、上部界面領域と、中央支持領域と、下部界面領域とを有し、上部、中央、及び下部支持領域は、少なくとも１０％の開放区域を有する格子構造を有する。各フィン区分は、単位長さ当たり定量の第２の金属を示し、１つのフィン区分の上部界面領域が別のフィン区分の下部界面領域と重複することが可能である。
2015520477.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気還元炉で使用するための自焼成電極であって、前記電極が、
外側スリーブであって、前記外側スリーブが、第１の金属から作製された複数のスリーブ区分に分割されて、各スリーブ区分が外面及び内面を有し、前記複数のスリーブ区分が、前記外側スリーブを形成するように共に積層されることが可能であるようにした、外側スリーブと、
複数のフィンであって、前記フィンが、第２の金属から作製された複数のフィン区分に分割されて、各フィン区分が１つのスリーブ区分の前記内面にその長さに沿って機械的に結合されるようにし、各フィン区分が、上部界面領域と、中央支持領域と、下部界面領域とを有し、前記上部界面領域、中央支持領域、及び下部界面領域が、各フィン区分が単位長さ当たり定量の前記第２の金属を示すように分散された少なくとも１０％の開放区域を有する格子構造を有し、１つのフィン区分の前記上部界面領域が、別のフィン区分の前記下部界面領域と重複することが可能であり、任意に、各フィン区分の少なくとも前記中央領域が、既定の幅及び長さの第１及び第２のサイドバーを含む、複数のフィンと、
電極カーボンペーストであって、前記外側スリーブ内に限定され、前記複数のフィンと接触している、電極カーボンペーストと、を備える、電極。
【請求項２】
各フィン区分の少なくとも前記中央支持領域が、３０％を超える開放区域を有する格子構造を備える、請求項１に記載の電極。
【請求項３】
各スリーブ区分内の前記第１の金属及び各フィン区分内の前記第２の金属が独立して、アルミニウム、炭素鋼、ステンレス鋼、及び銅の群からの１つとして選択される、請求項１又は２に記載の電極。
【請求項４】
前記第１の金属及び前記第２の金属が、異なる金属であるように選択される、請求項３に記載の電極。
【請求項５】
各スリーブ区分が、２〜２５個のフィン区分を備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電極。
【請求項６】
前記第１のサイドバーが、前記スリーブ区分の前記内面に接触し、そこに締結される、請求項１に記載の電極。
【請求項７】
１つのフィン区分の前記下部界面領域と別のフィン区分の前記上部界面領域との間の重複の量が、前記フィン区分が共に締結される必要がないように、前記電極にある程度の構造的一体性を提供するように既定される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電極。
【請求項８】
１つのフィン区分の前記下部界面領域及び別のフィン区分の前記上部界面領域が共に締結される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電極。
【請求項９】
各フィン区分がその幅に沿って、直線状又は曲げられた形状のいずれかであり、前記スリーブ区分の前記内面から半径方向に突出する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の電極。
【請求項１０】
前記複数のスリーブ区分のうちの少なくとも１つが、溶接又は滑り継手のいずれかによって別のスリーブ区分に結合される、請求項１〜９のいずれか一項に記載の電極。
【請求項１１】
還元アーク炉で消耗される自焼成電極を作製するために使用される電極ケースであって、前記電極ケースが、
外側スリーブであって、前記外側スリーブが、第１の金属から作製された複数のスリーブ区分に分割されて、各スリーブ区分が外面及び内面を有し、前記複数のスリーブ区分が、前記外側スリーブを形成するように共に積層されることが可能であるようにした、外側スリーブと、
複数のフィンであって、前記フィンが、第２の金属から作製された複数のフィン区分に分割されて、各フィン区分が１つのスリーブ区分の前記内面にその長さに沿って機械的に結合されるようにし、各フィン区分が、上部界面領域と、中央支持領域と、下部界面領域とを有し、前記上部界面領域、中央支持領域、及び下部界面領域が、各フィン区分が単位長さ当たり定量の前記第２の金属を示すように前記幅に沿って対称的に位置決めされた少なくとも１０％の開放区域を有する格子構造を有し、１つのフィン区分の前記上部界面領域が、別のフィン区分の前記下部界面領域と重複することが可能であり、任意に、各フィン区分の少なくとも前記中央領域が、既定の幅及び長さの第１及び第２のサイドバーを含む、複数のフィンと、を備える、電極ケース。
【請求項１２】
各フィン区分の少なくとも前記中央支持領域が、３０％を超える開放区域を有する格子構造を備える、請求項１１に記載の電極ケース。
【請求項１３】
前記第１の金属及び前記第２の金属が、異なる金属である、請求項１１又は１２に記載の電極ケース。
【請求項１４】
各スリーブ区分が、２〜２５個のフィン区分を備える、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の電極ケース。
【請求項１５】
前記第１のサイドバーが、前記スリーブ区分の前記内面に接触し、そこに締結される、請求項１１に記載の電極ケース。
【請求項１６】
１つのフィン区分の前記下部界面領域と別のフィン区分の前記上部界面領域との間の重複の量が、前記フィン区分が共に締結される必要がないように、前記電極にある程度の構造的一体性を提供するように既定される、請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の電極ケース。
【請求項１７】
１つのフィン区分の前記下部界面領域及び別のフィン区分の前記上部界面領域が共に締結される、請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の電極ケース。
【請求項１８】
前記複数のスリーブ区分のうちの少なくとも１つが、溶接又は滑り継手のいずれかによって別のスリーブ区分に結合される、請求項１１〜１７のいずれか一項に記載の電極ケース。
【請求項１９】
前記複数のフィン内の開放区域の量は、支持される電極の１キログラム当たりケースの０．００４２ｃｍ２毎鉛直センチメートル以上である、請求項１１〜１８のいずれか一項に記載の電極ケース。
【請求項２０】
還元アーク炉で消耗される自焼成電極を作製するために使用される電極ケースであって、前記電極ケースが、
外側スリーブであって、前記外側スリーブが、第１の金属から作製された複数のスリーブ区分に分割されて、各スリーブ区分が外面及び内面を有し、前記複数のスリーブ区分が、前記外側スリーブを形成するように共に積層されることが可能であるようにした、外側スリーブと、
複数のフィンであって、前記フィンが、第２の金属から作製された複数のフィン区分に分割されて、各フィン区分が１つのスリーブ区分の前記内面にその長さに沿って機械的に結合されるようにし、各フィン区分が、各フィン区分が単位長さ当たり定量の前記第２の金属を示すように、上部界面領域と、中央支持領域と、下部界面領域とを有する固体バー及びシリンダを備え、１つのフィン区分の前記上部界面領域が、別のフィン区分の前記下部界面領域と重複することが可能である、複数のフィンと、を備える、電極ケース。
【請求項２１】
各スリーブ区分内の前記第１の金属及び各フィン区分内の前記第２の金属が独立して、アルミニウム、炭素鋼、ステンレス鋼、及び銅の群からの１つとして選択される、請求項２０に記載の電極ケース。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、還元炉で使用するための自焼成電極に関する。より具体的には、本開示は、自焼成電極を形成するために使用される電極ケースの設計、並びにそれから自焼成電極を作製する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ソダーバーグ電極技術は、サブマージアーク炉で広く使用されている。この技術では、電極を流れる電流からの熱を使用して、通常の炉運転中に失われた電極の長さを交換するように炉の中に供給され得る追加の電極材料を焼成する。この技術は、内部金属支持構造体を有する外部金属ケースを使用して、電極を形成するために使用される原料を含有し、電極として材料を焼成する形状を提供し、必要な構造的支持体を提供する。動作中、金属ケース及び内部支持構造体の区分は、消耗電極が連続的に形成されることを可能にするために、互いの上に連続的に積層される。ソダーバーグ電極技術は、（ｉ）消耗されている電極の上に予め形成され、予め焼成された電極の区分を追加すること、又は（ｉｉ）新しい電極で焼灼した電極全体を交換することを含む、以前に使用された方法に勝るコスト及び信頼性の利点を有する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、ソダーバーグ電極技術は、異なる産業で使用される時に限界がある。例えば、この技術が化学用シリコンの製造で使用される時、生成される最終製品で必要とされる厳密な低い鉄及び他の不純物レベルにより限界が存在する。結果として、標準的な炭素鋼からなる金属ケース及び支持構造体は、この産業で使用することができない。シリコンの生成の場合、外部金属ケース及び内部支持構造体は、別の金属から作製されなければならない。典型的に、ステンレス鋼又はアルミニウムのいずれかが金属ケースとして使用するために選択され、ステンレス鋼は、その強度により、内部支持構造体を作製するために使用される。ケース及び支持構造体におけるステンレス鋼及び／又はアルミニウムの使用は、ソダーバーグ技術をこの用途に対して実現可能にするが、多くの問題が依然として存在する。シリコン製品と関連付けられる高純度要件により、金属支持構造体は、最小限にされなければならず、これは、堅牢ではなく、かつ常に破壊又は崩壊の危険にある設計をもたらす。加えて、構造的支持体を改良するために、この設計は、積層体に追加される各ケース区分の内部構造が、積層体内の以前のケースの内部構造に溶接されることを必要とする。ステンレス鋼の溶接は、溶接プロセス中に形成される六価クロム化合物への作業者曝露の潜在的な問題を導入する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
関連技術の列挙された欠点及び他の制限を克服することにおいて、本発明は、還元型の炉で消耗される自焼成電極を作製するために使用される電極ケース、そこから調製された電極、並びにその調製方法を提供する。
【０００５】
本開示の一態様によれば、自焼成電極は、外側スリーブと、複数のフィンと、外側スリーブ内に限定され、かつ複数のフィンと接触している電極ペーストとを備える。外側スリーブは、第１の金属から作製された複数のスリーブ区分に分割されて、各スリーブ区分が外面及び内面を有するようにする。複数のスリーブ区分は、外側スリーブを形成するように、共に積層されることが可能である。任意に、複数のスリーブ区分のうちの少なくとも１つは、溶接又は滑り継手のいずれかによって、別のスリーブ区分に結合され得る。
【０００６】
フィンは、第２の金属から作製された複数のフィン区分に分割されて、各フィン区分が１つのスリーブ区分の内面に機械的に結合されるようにする。各フィン区分は、上部界面領域、中央支持領域、及び下部界面領域によって更に画定される。上部界面領域、中央支持領域、及び下部界面領域は、各フィン区分が単位長さ当たり定量の第２の金属を示すように分散された少なくとも１０％の開放区域、あるいは３０％を超える開放区域を有する格子構造を有する。１つのフィン区分の上部界面領域は、別のフィン区分の下部界面領域と重複されることが可能である。
【０００７】
本開示の別の態様によれば、第１の金属及び第２の金属は独立して、アルミニウム、炭素鋼、ステンレス鋼、及び銅の群からの１つとして選択される。あるいは、第１の金属及び第２の金属は、異なる金属である。
【０００８】
各スリーブ区分は、２〜２５個のフィン区分を備え、これは、それらの長さに沿って、直線状又は曲げられた形状のいずれかであり得る。各フィン区分は、既定の角度αでスリーブ区分の内面から突出することができるか、あるいは、フィン区分は、その幅に沿ってスリーブ区分から半径方向に突出することができる。各フィン区分の中央支持領域、並びに任意に上部界面領域及び下部界面領域は、フィン区分の長手方向の縁部に沿って位置する既定の幅及び長さの第１及び第２のサイドバーを更に備えることができる。第１のサイドバーは、スリーブ区分の内面に接触し、そこに締結される。第１及び第２のサイドバーは、幅が類似であるか、又はサイドバーのうちの一方が他方より広くなり得るかのいずれかであり得る。サイドバーの長さ及び幅は、当業者が格子構造に提供することを所望する構造的支持又は一体性の量に基づいて既定され得る。
【０００９】
１つのフィン区分の下部界面領域と別のフィン区分の上部界面領域との間の重複の量は、フィン区分が共に締結される必要がないように、電極にある程度の構造的一体性を提供するように既定される。あるいは、１つのフィン区分の下部界面領域及び別のフィン区分の上部界面領域は共に締結される。望ましい場合、フィン区分は、リベット、ボルト、ピン、又はねじを使用して共に機械的に締結される。
【００１０】
本開示の別の態様によれば、還元アーク炉で消耗される自焼成電極を作製するために使用される電極ケースは、本明細書に上述され、かつ更に定義されるように、外側スリーブと、複数のフィンとを備える。複数のフィン内の開放区域の量は、支持される電極の１キログラム当たりケースの０．００４２ｃｍ２毎鉛直センチメートル以上である。
【００１１】
本開示の更に別の態様によれば、電極ケースは、第１の金属で作製された複数のスリーブ区分に分割された外側スリーブと、第２の金属で作製された複数のフィン区分に分割された複数のフィンとを備えることができ、各フィン区分が単位長さ当たり定量の第２の金属を示すように、各フィン区分が固体バー又はシリンダである。各スリーブ区分内の第１の金属及び各フィン区分内の第２の金属は独立して、アルミニウム、炭素鋼、ステンレス鋼、及び銅の群からの１つとして選択される。
【００１２】
本発明を適用する別の分野は、本明細書において提供される詳細な説明から明かになるであろう。詳細な説明及び特定の実施例は、単なる例示を目的とするものであり、本開示の範囲を限定することを意図するものではないことを理解するべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
本明細書に記載の図面は、説明目的のみであり、本開示の範囲をいかようにも限定することを意図するものではない。
【図１】還元炉で使用される際の自焼成電極の概略図である。
【図２ａ】ケースの２つの区分の結合における本開示の教示に従って調製された図１の自焼成電極の断面図である。
【図２ｂ】スリーブ区分内のフィン区分のための代替的な構成を示す図１の自焼成電極で使用されるスリーブ区分の断面図である。
【図２ｃ】スリーブ区分内のフィン区分のための別の代替的な構成を示す図１の自焼成電極で使用されるスリーブ区分の断面図である。
【図２ｄ】スリーブ区分内のフィン区分のための更に別の代替的な構成を示す図１の自焼成電極で使用されるスリーブ区分の断面図である。
【図２ｅ】スリーブ区分内のフィン区分のための更に別の代替的な構成を示す図１の自焼成電極で使用されるスリーブ区分の断面図である。
【図３】図２の自焼成電極で使用される際の第１のフィン区分の上部界面領域と第２のフィン区分の下部界面領域との間の重複の概略図である。
【図４】（Ａ〜Ｉ）は、本開示の異なる態様に従う、電極ケーシングで使用されるフィン区分と関連付けられた格子構造の様々な幾何学的形状の概略図である。
【図５】（Ａ〜Ｂ）は、本開示の教示に従って調製されたフィンの形状の概略図である。
【図６】（Ａ〜Ｂ）は、本開示の異なる態様に従う、電極ケースで使用される外側スリーブへのフィン区分の結合の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下の記載は、本質的に単なる例示であり、決して本開示、その用途、又は使用を限定することを意図したものではない。説明を通して、対応する参照番号は、同様の又は対応する部分及び特徴を示すことを理解するべきである。
【００１５】
本開示は、概して、還元炉で消耗される自焼成電極を作製するために使用される電極ケース又はスリーブ、並びにこのようなスリーブ及びその調製方法を使用して調製された電極に関する。本明細書に含まれる教示に従って作製され、使用される電極ケース又はスリーブは、この概念をより完全に示すためにシリコン及びシリコン合金の製造と共に本開示にわたって記載される。このような電極スリーブの組み込み及び使用は、とりわけ、鉄金属、合金鉄、非鉄金属、及びＣａＣ２を生成し得るサブマージアーク炉及び電気溶鉱炉を含むが、これらに限定されない、他のタイプの還元と共に、本開示の範囲内であることが企図される。
【００１６】
以下の特定の実施形態は、本開示の教示に従う、電極ケースの設計及び使用を示すように記載され、本開示の範囲を限定するように解釈されるべきではない。当業者は、本開示を考慮すれば、本明細書に開示される特定の実施形態において、本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく若しくはそれらを超えることなく、多くの変更がなされ、依然として同様の又は類似の結果を得ることができることを理解されよう。当業者は、本明細書に報告されるいずれの特性も、複数の異なる方法によって定期的に測定され、かつそれによって得られ得る特性を表すことを更に理解されよう。そのような一方法及び他の方法を示す本明細書に記載の方法は、本開示の範囲から超えることなく利用されてもよい。
【００１７】
図１を参照すると、還元型の炉２０で使用される自焼成電極１が提供される。自焼成電極１は、概して、互いに垂直に積層されるｎ個の複数のスリーブ区分５（１→ｎ）に分割される電極ケース３からなる。炉２０内の電極１５の部分が消耗されるにつれて、スリーブ区分５（１→ｎ）は、連続的に下方に移動する。この下方運動は、新しい電極スリーブ区分５（ｎ）が積層体の上に構築及び配置されることを可能にする。新しい電極スリーブ区分５（ｎ）は、スリーブ区分を共に締結することによって、その下でスリーブ区分５（ｎ→１）に固定され得る。共に積層された電極スリーブ区分の数５（１）→５（ｎ）は、炉が構築される建造物の天井に近接して電極ケース３の上部が位置する場合であっても、任意の望ましい高さであり得る。動作中、第１の電極スリーブ区分５（１）は、スリーブ区分５（１）を融解させ、そのスリーブ区分内に含有されたカーボンペーストを焼成させるのに温度が十分に高い電気等の電力を印加することによって加熱された熱帯域１０に供され、電極１５を形成する。このように調製された自焼成電極１５は、シリコン合金又は他の材料の生成に使用される時、炉２０内で続けて消耗される。
【００１８】
本開示の一態様によれば、鋼鉄がアルミニウムと部分的又は完全に交換される「ソダーバーグ」ペースト電極１のためのスリーブ区分５の使用は、シリコン合金の生成に望ましい。アルミニウムは、シリコン合金にも通常含まれる元素であるが、鋼鉄とは異なり、カルシウムとアルミニウムの酸化物がスラグとして除去される後続の精製操作で実質的に除去され得る。スリーブ区分５の製造におけるアルミニウムの使用は、そのより低い機械的強度及び低融点を補うために、より要求の多い動作条件を課す。換言すれば、動作中、電極の伸長は、可能な最も連続的な手法で行われなければならず、ペースト焼成領域内の等温線の位置は、制御されなければならない。あるいは、ステンレス鋼のスリーブ区分は、スリーブ区分５がシリコン合金に寄与する鉄の量を制限するためにスリーブ区分５の厚さが減少される場合、シリコン合金の生成に使用されてもよい。
【００１９】
ここで図２ａを参照すると、各電極スリーブ区分５（ｎ）は、導電性材料で作製された内面５２及び外面を有する外側スリーブ５０を備え、複数のフィン区分５５が外側スリーブ５０の内面５２に垂直に取り付けられる。各電極スリーブ区分５（ｎ）の外側スリーブ５０は、両端部で開放される。外側スリーブ５０の幾何学的形状は、炉の構築中に既定され、とりわけ、円形又は円筒形、並びに正方形を含む、任意の望ましい形状であってもよい。複数の電極スリーブ区分５（１→ｎ）の積層体は、電極ペースト６０が加工していない未焼成形態で最初に追加され、かつ外側スリーブ５０の内面５２及びフィン区分５５の両方と接触することを可能にする容器を形成する。ペーストを通る電流の通過に伴って、それは焼成され、固体電極１５に形成される。１つのスリーブ区分５（ｎ）と関連付けられたフィン区分５５（ｎ）は、フィン区分５５が重複することを許可されるように、隣接するスリーブ区分５（ｎ−１）と関連付けられたフィン区分５５（ｎ−１）からわずかにオフセットされてもよい。更に、図２を参照すると、スリーブ区分５内に位置する各フィン区分５５は、外側スリーブ５０の内面にその長さに沿って機械的に結合され、その幅（ｗ）に沿ってそこから半径方向に突出する。
【００２０】
ここで図２ｂ〜２ｅを参照すると、スリーブ区分５（ｎ）内のフィン区分５５（ｎ）のための代替的な構成が記載される。図２ａと同様に、電極スリーブ区分５（ｎ）は、導電性材料で作製された内面５２及び外面を有する外側スリーブ５０を備え、複数のフィン区分５５が外側スリーブ５０の内面５２に垂直に取り付けられる。各電極スリーブ区分５（ｎ）の外側スリーブ５０は、両端部で開放される。図２ｂでは、各フィン区分５５は、外側スリーブ５０の内面５２から半径方向に突出せず、むしろ既定の角度αで突出する。各フィン区分５５と関連付けられた既定の角度αは、約１０°〜約１７０°、あるいは、約２０°〜約１５０°の範囲内であるように独立して選択される。図２ｃでは、フィン区分５５の少なくとも２つの縁部が外側スリーブ５０の内面５２に垂直に取り付けられる、フィン区分５５のための別の幾何学的構成が示される。図２ｄでは、フィン区分５５の１つの縁部がループ５８を備えるフィン区分５５のための更に別の幾何学的構成が示される。最後に、図２ｅでは、フィン区分５５が固体バー又はシリンダであるフィン区分５５のための別の幾何学的構成が示される。
【００２１】
本開示の一態様によれば、各スリーブ区分５（ｎ）の外側スリーブ５０は、第１の金属から作製されてもよいが、複数のフィン区分５５は、第２の金属から作製される。あるいは、第１の金属及び第２の金属は、同じ金属である。各スリーブ区分５（ｎ）内の第１の金属及び各フィン区分５５内の第２の金属は独立して、アルミニウム、炭素鋼、ステンレス鋼、及び銅の群からの１つとして選択されてもよい。あるいは、第１の金属及び第２の金属は、異なる金属であるように選択される。あるいは、第１の金属はアルミニウムであり、第２の金属はステンレス鋼である。ステンレス鋼及びアルミニウムは、３０４ステンレス又はアルミニウム５０５２−Ｈ３２（アルミニウム−マグネシウム合金）等の任意の既知の等級又は関連した合金を含むことができる。
【００２２】
各外側スリーブ５０に位置するフィン区分５５の数は、焼成された電極１５によって誘発された重量又は応力を支持するのに所望される機械的特性のレベル又は規模に応じて独立して選択される。あるいは、フィン区分５５の数は、２〜２５個、あるいは、４〜１９個であるように選択される。図２ａでは、外側スリーブ５０は、８つのフィン区分５５を組み込む特定の実施例として示される。図２ｂ、２ｃ、２ｄ、及び２ｅでは、１０、６、４、及び８個のフィン区分５５を有する外側スリーブ５０の実施例がそれぞれ記載される。
【００２３】
ここで図３を参照すると、本開示の一態様によれば、各フィン区分５５は、上部界面領域７０と、中央支持領域７５と、下部界面領域８０とを備える。上部界面領域７０、中央支持領域７５、及び下部界面領域８０は、少なくとも１０％の開放区域、約３０％以上の開放区域、あるいは、約９９．２％未満の開放区域を有する格子構造９０を含む。格子構造は、各フィン区分５５が単位長さ（Ｌ）当たり定量の第２の金属を示すように対称的に設計される。１つのフィン区分５５（１）の上部界面領域７０は、別のフィン区分５５（２）の下部界面領域８０で重複されること１００が可能である。１つのフィン区分５５（２）の下部界面領域８０は、概して、第２の外側スリーブ５０（１）内のフィン区分５５（１）の上部区域７０との重複１００を可能にするために、対応する外側スリーブ５０（２）の端部を越えて延在する。あるいは、１つのフィン区分５５（１）の上部界面領域７０は、第２の外側スリーブ５０（２）内のフィン区分５５（２）の下部区域８０との重複１００を可能にするために、対応する外側スリーブ５０（１）の端部を越えて延在することができる。フィン区分５５（１、２）の重複は、外側スリーブ５０（２）、フィン区分５５（２）、及び電極を介して電極ケースに追加されている更なる重量を支持するのに必要な強度を提供するのに役立つことができる。下部界面領域８０又は上部界面領域７０が外側スリーブ５０の端部を越えて延在する範囲は様々であってもよく、あるいは、下部界面領域８０又は上部界面領域７０は、約２０ｍｍ以上、約２０ｍｍ〜外側スリーブ５０の約半分の高さ、あるいは、外側スリーブ５０の約半分未満の高さ、外側スリーブ５０の端部を越えて延在する。格子構造における開放区域の量は、支持される電極の１キログラム当たりフィン区分の０．００２５ｃｍ２／鉛直センチメートル超、支持される電極の１キログラム当たりフィン区分の０．００３２ｃｍ２／鉛直センチメートル超、あるいは、支持される電極の１キログラム当たりフィン区分の０．００４２ｃｍ２／鉛直センチメートル以上である。
【００２４】
本開示の別の態様によれば、フィン区分５５が開放格子の状況で記載されるが、当業者は、固体、中空シリンダ、又はバーであるフィン区分５５の使用が、本開示の範囲を超えることなく利用され得ることを理解するであろう。このようなフィン区分５５の実施例が、図２ｅに提供される。図３と同様に、固体、中空シリンダ、又はバーからなるフィン区分５５（１）はまた、別のフィン区分５５（２）の下部界面領域８０と重複されること１００が可能である、上部界面領域７０を含むことができる。シリンダ又はバーは、各フィン区分５５が単位長さ（Ｌ）当たり定量の第２の金属を示すように設計される。
【００２５】
更に、図３を参照すると、各フィン区分５５（１、２）は、締結具１１０を使用して対応する外側スリーブ５０（１、２）の内面に直接固定されるか、又はそこに溶接される。このような締結具１１０としては、リベット、ボルト、ピン、又はねじが挙げられ得るが、これらに限定されない。任意に、内部フィンは、ブラケット等の使用によって、上述又は別の方法で当業者に既知の類似の方法を使用してフィンとブラケットとの間、かつブラケットと外側シェルとの間の締結方法で、間接的に外側シェルに取り付けられてもよい。
【００２６】
１つのフィン区分５５（２）の下部界面領域８０と別のフィン区分５５（１）の上部領域７０との重複１００はまた、このような締結具１１１を使用して外側スリーブ区分５０に固定されてもよい。しかしながら、当業者は、重複１００が物理的に共に接続される必要がないか、又は外側シェルにも接続される必要がないことを理解するであろう。図３に示される特定の実施例では、重複１００は、物理的に共に接続され、外側シェルに締結され、それによって更なる機械的連続性をもたらす。しかしながら、重複１００に物理的に接続させることが望ましい時、重複するフィンを共に締結する方法は、張力を受ける継手を提供するように行われてもよい。外側スリーブ区分５０の外面は、ノッチ、折り目、又は必要不可欠若しくは望ましいと決定されるような他の構造を含むことができる。
【００２７】
各フィン区分５５を対応する外側スリーブ５０の内面に固定する締結具１１０の使用は、フィン区分５５を外側スリーブ５０に溶接する必要性を排除する。フィン区分５５を外側スリーブ区分５０に溶接する必要性を排除することは、製造コスト（複数可）の削減、並びに危険な状態への潜在的な作業者曝露の減少につながり得る。例えば、フィン区分５５がステンレス鋼からなる時、締結具の使用は、フィン区分５５を外側スリーブ区分５０に溶接する必要性を排除し、それによって溶接プロセス中に形成される六価クロム化合物への潜在的な作業者の曝露を排除する。
【００２８】
外側スリーブ５０は、漏れのない継手を提供するために共に溶接されてもよい。外側スリーブのこのような溶接は、それが２つのスリーブ区分の間の接点に近接して位置するように外側スリーブ５０の外面の周囲に配置された裏材プレート又はリング（図示せず）の使用によって支援され得る。漏れのない継手１２０はまた、外側スリーブ５０のうちの１つを加熱し、それによって金属を膨張させ、かつ加熱されていなかった別の外側スリーブの縁部上に加熱された外側スリーブの縁部を配置することによって達成されてもよい。加熱された外側スリーブを冷却すると、他方の外側スリーブ内の金属表面に対するそのスリーブ内の金属の収縮は、漏れのないシール又は滑り継手１２０の形成をもたらす。更に、図３を参照すると、このような漏れのないシール又は滑り継手１２０が示される。この特定の場合、外側スリーブ５０（１）は、約１００℃〜約２５０℃、あるいは、約１００℃〜約１５０℃の温度まで加熱されて、スリーブ内の金属を膨張させる。次に、第２の外側スリーブ５０（２）の縁部は、第２の外側スリーブ５０（２）の下縁１１５が第１の外側スリーブ５０（１）の内面に接触するように第１の外側スリーブ５０（１）の中に配置される。冷却すると、漏れのない圧縮シール１２０が、外側スリーブ５０（１、２）の間に形成される。あるいは、冷却又は加熱と冷却との組み合わせは、一方の外側スリーブを他方の中に摺動するのに必要とされる直径の変化を引き起こすのに十分な２つの外側スリーブ間に必要とされる温度差動を達成するために使用され得る。
【００２９】
ステンレス鋼からなるフィン区分５５は、低い鉄含量が望ましいシリコン合金の生成のために選択されてもよい。低い鉄含量を有することに加えて、ステンレス鋼はまた、その機械的強度、即ち、高温でのその引張強度により選択され、電極カラムによって誘発された重量及び応力に耐えることが可能である。典型的に、約０．３５重量％未満の鉄含量を有するシリコン合金が生成され得る。各フィン区分５５と関連付けられた寸法は、フィン区分５５が電極カラムに必要な機械的支持を提供するように既定される。ステンレス鋼フィン区分５５の使用はまた、アルミニウム等の光材料が外側スリーブ５０の構築に使用されることを可能にする。
【００３０】
各フィン区分５５の単位区域長当たり定量の金属は、本明細書で使用される時、ほぼ同じ又は一定であるフィン区分５５の幅と交差する任意の長手方向断面で存在する金属の量を指す。各長手方向断面における金属の量は、電極の構造的強度に影響を与え得る。本開示に使用されるフィン区分５５は、フィン区分５５内の金属の断面積がフィン区分５５の全長にわたって一定又はほぼ一定であるように対称な設計を維持する。これは、格子構造及び穴と関連付けられるパターン又は幾何学的形状のタイプによって、達成され得る。より具体的には、これらのパターンとしては、格子、並びに穿孔プレート、回折格子パターン、及び他のエキスパンドメタルパターンが挙げられる。当業者は、格子構造が、フラットシーツパターン設計に限定されないことを理解するであろう。むしろ、格子構造はまた、使用されるロッド又は管のタイプに限定しないロッド、管、又は円筒構造的設計によって具体化され得る。本開示のフィン区分５５で使用するための任意の所定の格子構造を選択する望ましさは、使用される金属の垂直面及び有効性率における構造の全断面積の一貫性によって決定される。
【００３１】
格子構造内の開放区域の量は、未焼成カーボンペーストが格子支持構造体と一体化されることを可能にする。換言すれば、カーボンペーストは、格子構造内の開放区域を占有し、焼成すると電極内のフィン区分５５内に金属を固定し、それによって電極のための内部支持構造体を提供するのを支援する。フィン設計の有効性は、最小残留断面積と平均残留断面積との比率によって測定され得る。従来のフィン設計では、各設計の有効性は典型的に、３０〜５０％の範囲内で有効である。比較すると、本開示におけるフィンと関連付けられた構造のための設計は、フィン区分を重複することによって意図的に導入されるいずれの非効率性も伴うことなく、使用される金属の効率性をほぼ１００％まで増加させる。設計の効率性の増加は、フィン区分内の重複が精錬作業の最終製品のための厳密な純度要件によって必要とされる同じ全体のフィン金属効率性を達成することを可能にする。フィン区分の重複は、ステンレス鋼を溶接する必要性を排除し、従業員が六価クロム化合物に曝露される可能性を排除する。
【００３２】
ここで図４（Ａ〜Ｉ）を参照すると、フィン区分５５内の格子構造２００と関連付けられた様々な幾何学的形状が記載される。電極ケース３に使用するのに選択されたフィン区分５５の特定の幾何学的形状は、とりわけ、炉の温度、高さによって引き起こされた誘発応力の量、幅、及び電極によって示された得られる量又は荷重、各所望の用途に特有の動作基準を使用して既定される。フィン区分５５と関連付けられた様々な設計変数は、動作基準に適合するか、又はそれを満たすために変更され得る。より具体的には、これらの設計変数としては、いくつか挙げると、フィンの幅、フィンの厚さ、フィンの開放区域率、縁部ストリップの幅、及び格子構造２００内の金属成分と関連付けられた角度（φ）が挙げられる。格子構造２００内の金属成分があまりにも薄いように選択される場合、フィン区分５５は薄弱になり、電極の荷重で損なわれ、それによって電極構造に不十分な支持を提供する。格子構造２００内の金属成分があまりにも厚いように選択した場合、炉の高温下の金属の膨張は電極を亀裂させ得る。図４（Ａ〜Ｄ）は、フィン区分５５と関連付けられた開放区域の量の変化を示す特定の実施例を提供する。図４（Ｂ、Ｅ、及びＦ）に示される格子構造の比較は、格子構造２００内の金属成分と関連付けられた角度（φ）の変化を示す。
【００３３】
他の幾何学的形状よりも格子構造２００を使用することにより、電極が焼成し得る構造内のより大きい開放区域が可能になる。区域にわたる焼成の増加は、電極内の支持構造体を完全に固定することを必要とされる最小焼成高さを減少させる。それはまた、全体のより強い電極及びより低い消費率をもたらす炉内部のフィン線に沿って消耗される電極の性質を減少させる。格子構造２００はまた、焼成及びカーボン電極から電極ケース５への荷重の移動中にフィン区分５５にかけられた平均機械的かつ熱的応力のより均等な分布を提供する。図４（Ａ〜Ｉ）の各々では、単位長さ当たり定量の金属は、異なる格子構造２００の各々に示される。
【００３４】
図３及び４（Ａ〜Ｉ）に示されるように、フィン区分５５の格子構造２００は任意に、各フィン区分の少なくとも中央領域内に金属の固体ストリップ又は固体サイドバー２１０を含むことができる。あるいは、サイドバーは、上部界面領域、中央支持領域、及び下部界面領域の長手方向縁部に沿って含まれる。サイドバー２１０は、本開示の範囲を超えることなく、図４（Ａ〜Ｅ）に示されるようなフィン区分５５の両方の長手方向縁部上、図４Ｆに示されるような縁部の代わりに格子構造の内部に沿って、図４Ｇに記載されるような幅方向縁部に沿って、又は図４Ｉに示されるような長手方向位置と幅方向位置との組み合わせで位置決めされて使用されてもよい。本開示の一態様によれば、固体サイドバーは、図４（Ａ〜Ｅ）に示されるようなフィン区分５５の長手方向縁部の全長に沿って位置してもよい。サイドバー２１０は、幅が類似であるか、又はサイドバーのうちの一方が他方より広くなり得るかのいずれかであり得る。サイドバー２１０の長さ及び幅は、当業者が格子構造２００に提供することを望む構造的支持又は一体性の量に基づいて既定されてもよい。任意に、サイドバー２１０はまた、フィン区分５５の幅（Ｗ）に沿って位置してもよい。
【００３５】
ここで図５（Ａ〜Ｂ）を参照すると、サイドバーのうちの１つは、外側スリーブ区分５０の内面５２に接触することが可能であり、フィン区分５５をそこに締結するために使用され得る。外側スリーブ区分５０の内面５２と接触するサイドバー２１０は、フィン区分５５で垂直であるように曲げられてもよく、それによってサイドバー２１０の一部分が外側スリーブ５０の内面５２と同一平面になることを可能にする。これは、フィン区分５５が前述のような締結具３００を使用して外側スリーブに締結されることを可能にする。図５（Ａ）は、格子構造２００（ｉ）がその幅に沿って線形的に成形されるフィン区分５５を示すが、本開示の別の態様によれば、フィン区分５５はまた、図５（Ｂ）に示されるようにその幅に沿った波形形状を有する格子構造２００（ｉｉ）を備えることができる。当業者は、本開示の範囲を超えることなく、格子構造２００の形状がまた、任意の数の屈曲を有する別の屈曲又は非線形の幾何学的形状を備えることができ、各屈曲が任意の半径であることを理解するであろう。
【００３６】
曲げられたサイドバー２１０はまた、電極の調製中に更なる構造的支持及び電気的連続性を任意に提供することができる。ここで図６（Ａ〜Ｂ）を参照すると、曲げられたサイドバー２１０はまた、１つのフィン区分５５（１）の下部界面領域を外側スリーブ５０（１）の内面５２に固定された接触継手３２５に結合するために使用され得る。図６Ａに示されるように、フィン区分５５（１）は、接触継手３２５と重複して、フィン区分５５（１）が接触継手３２５からオフセットされ、外側スリーブ５０の内面５２と同一平面になるようにする。とりわけ、ボルト又はリベット等の締結具３１５を通じた、接触継手３２５とのフィン区分５５（１）内の１つ以上の穴の整列は、２つを共に結合するために使用され得る。フィン区分５５（１）を重複継手３２５と共に物理的に締結することは、消耗電極の形成中に更なる構造的支持及び電気的連続性を提供する。図６（Ｂ）では、フィン区分５５（１）の重複は、フィン区分５５（１）の下部区分が締結具３１５を使用して接触継手３２５と結合されるために、外側スリーブ５０（１）の内面５２と同一平面になることが必ずしも必要ではないように示される。
【００３７】
ここで図６（Ｃ〜Ｄ）を参照すると、曲げられたサイドバー２１０はまた、１つのフィン区分５５（１）の下部界面領域を外側スリーブ５０（２）の内面５２に固定された別のフィン区分５５（２）の上部界面領域に結合するために使用され得る。図６Ｃに示されるように、フィン区分５５（１）は、他方のフィン区分５５（２）と重複して、フィン区分５５（１）が他方のフィン区分５５（２）からオフセットされ、外側スリーブ５０（２）の内面５２と同一平面になるようにする。とりわけ、ボルト又はリベット等の締結具３１５を通じた、他方のフィン区分５５（２）とのフィン区分５５（１）内の１つ以上の穴の整列は、２つを共に結合するために使用され得る。重複におけるフィン区分５５（１、２）を共に物理的に締結することは、消耗電極の形成中に更なる構造的支持及び電気的連続性を提供する。図６（Ｄ）では、フィン区分５５（１、２）の重複は、フィン区分５５（１）の下部区分が他方のフィン区分５５（２）に結合されるために、外側スリーブ５０（２）の内面５２と同一平面になることが必ずしも必要ではないように示される。
【００３８】
本開示の電極ケースは、従来の技術に勝る複数の利益を提供する。本開示の電極ケース５は、フィン区分５５を外側スリーブ区分５０に溶接することを必要とせず、それによって生産性を向上させ、製造コストを減少させる。ステンレス鋼がフィン区分５５内に使用される時、溶接の除外は、六価クロム化合物の形成への潜在的な作業者曝露を減少させる。単位長さ当たり定量の金属を維持するフィン区分５５の格子構造２００の能力は、フィン区分５５がより高い可搬重量を支持し、かつ電極によって誘発されたより高い応力に抵抗することを可能にする。格子構造２００はまた、フィン区分５５内に相当量の開放区域を可能にし、それによってカーボンペースト６０と関連付けられたことによる焼成の量の増加を可能にし、より大きい伝熱、熱応力に対するより大きい抵抗、及び故障線又は亀裂伝播の形成の減少をもたらす。したがって、格子構造２００は、形成されている電極のための十分な構造的支持を維持しながら、フィン区分５５の数が減少されることを可能にする。
【００３９】
前述した本発明の様々な実施形態の記載は、説明及び記述を目的として提示されている。この記載は網羅的なものではなく、又は開示した実施形態そのものに本発明を限定することを意図するものではない。上記の教示を踏まえて、多くの改変又は変更が可能である。論じられた実施形態は、本発明の原理及びその実際的な適用の最良の説明を提供するよう選択及び記載され、それにより当業者は、想定される特定の使用に適した様々な修正と共に、本発明を様々な実施形態で利用することが可能となる。そのような修正及び変更の全ては、それらが公正に、法律的に、かつ公平に権利を与えられた広さに従って解釈された場合、添付の特許請求の範囲により決定される本発明の範囲内に含まれる。
【図１】
2015520477.tif 000003
【図２ａ】
2015520477.tif 000004
【図２ｂ】
2015520477.tif 000005
【図２ｃ】
2015520477.tif 000006
【図２ｄ】
2015520477.tif 000007
【図２ｅ】
2015520477.tif 000008
【図３】
2015520477.tif 000009
【図４】
2015520477.tif 000010
【図５（Ａ）】
2015520477.tif 000011
【図５（Ｂ）】
2015520477.tif 000012
【図６（Ａ）】
2015520477.tif 000013
【図６（Ｂ）】
2015520477.tif 000014
【図６（Ｃ）】
2015520477.tif 000015
【図６（Ｄ）】
2015520477.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成26年12月2日(2014.12.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気還元炉で使用するための自焼成電極であって、前記電極が、
外側スリーブであって、前記外側スリーブが、第１の金属から作製された複数のスリーブ区分に分割されて、各スリーブ区分が外面及び内面を有し、前記複数のスリーブ区分が、前記外側スリーブを形成するように共に積層されることが可能であるようにした、外側スリーブと、
複数のフィンであって、前記フィンが、第２の金属から作製された複数のフィン区分に分割されて、各フィン区分が１つのスリーブ区分の前記内面にその長さに沿って機械的に結合されるようにし、各フィン区分が、上部界面領域と、中央支持領域と、下部界面領域とを有し、前記上部界面領域、中央支持領域、及び下部界面領域が、各フィン区分が単位長さ当たり定量の前記第２の金属を示すように分散された少なくとも１０％の開放区域を有する格子構造を有し、１つのフィン区分の前記上部界面領域が、別のフィン区分の前記下部界面領域と重複することが可能であり、任意に、各フィン区分の少なくとも前記中央領域が、既定の幅及び長さの第１及び第２のサイドバーを含む、複数のフィンと、
電極カーボンペーストであって、前記外側スリーブ内に限定され、前記複数のフィンと接触している、電極カーボンペーストと、を備える、電極。
【請求項２】
各フィン区分の少なくとも前記中央支持領域が、３０％を超える開放区域を有する格子構造を備える、請求項１に記載の電極。
【請求項３】
前記第１のサイドバーが、前記スリーブ区分の前記内面に接触し、そこに締結される、請求項１に記載の電極。
【請求項４】
１つのフィン区分の前記下部界面領域と別のフィン区分の前記上部界面領域との間の重複の量が、前記フィン区分が共に締結される必要がないように、前記電極にある程度の構造的一体性を提供するように既定される、請求項１〜２のいずれか一項に記載の電極。
【請求項５】
１つのフィン区分の前記下部界面領域及び別のフィン区分の前記上部界面領域が共に締結される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電極。
【請求項６】
各フィン区分がその幅に沿って、直線状又は曲げられた形状のいずれかであり、前記スリーブ区分の前記内面から半径方向に突出する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電極。
【請求項７】
還元アーク炉で消耗される自焼成電極を作製するために使用される電極ケースであって、前記電極ケースが、
外側スリーブであって、前記外側スリーブが、第１の金属から作製された複数のスリーブ区分に分割されて、各スリーブ区分が外面及び内面を有し、前記複数のスリーブ区分が、前記外側スリーブを形成するように共に積層されることが可能であるようにした、外側スリーブと、
複数のフィンであって、前記フィンが、第２の金属から作製された複数のフィン区分に分割されて、各フィン区分が１つのスリーブ区分の前記内面にその長さに沿って機械的に結合されるようにし、各フィン区分が、上部界面領域と、中央支持領域と、下部界面領域とを有し、前記上部界面領域、中央支持領域、及び下部界面領域が、各フィン区分が単位長さ当たり定量の前記第２の金属を示すように前記幅に沿って対称的に位置決めされた少なくとも１０％の開放区域を有する格子構造を有し、１つのフィン区分の前記上部界面領域が、別のフィン区分の前記下部界面領域と重複することが可能であり、任意に、各フィン区分の少なくとも前記中央領域が、既定の幅及び長さの第１及び第２のサイドバーを含む、複数のフィンと、を備える、電極ケース。
【請求項８】
各フィン区分の少なくとも前記中央支持領域が、３０％を超える開放区域を有する格子構造を備える、請求項７に記載の電極ケース。
【請求項９】
前記第１のサイドバーが、前記スリーブ区分の前記内面に接触し、そこに締結される、請求項７に記載の電極ケース。
【請求項１０】
１つのフィン区分の前記下部界面領域と別のフィン区分の前記上部界面領域との間の重複の量が、前記フィン区分が共に締結される必要がないように、前記電極にある程度の構造的一体性を提供するように既定される、請求項７または８に記載の電極ケース。
【請求項１１】
１つのフィン区分の前記下部界面領域及び別のフィン区分の前記上部界面領域が共に締結される、請求項７または８に記載の電極ケース。
【請求項１２】
前記複数のフィン内の開放区域の量は、支持される電極の１キログラム当たりケースの０．００４２ｃｍ２毎鉛直センチメートル以上である、請求項７または８に記載の電極ケース。
【請求項１３】
還元アーク炉で消耗される自焼成電極を作製するために使用される電極ケースであって、前記電極ケースが、
外側スリーブであって、前記外側スリーブが、第１の金属から作製された複数のスリーブ区分に分割されて、各スリーブ区分が外面及び内面を有し、前記複数のスリーブ区分が、前記外側スリーブを形成するように共に積層されることが可能であるようにした、外側スリーブと、
複数のフィンであって、前記フィンが、第２の金属から作製された複数のフィン区分に分割されて、各フィン区分が１つのスリーブ区分の前記内面にその長さに沿って機械的に結合されるようにし、各フィン区分が、各フィン区分が単位長さ当たり定量の前記第２の金属を示すように、上部界面領域と、中央支持領域と、下部界面領域とを有する固体バー及びシリンダを備え、１つのフィン区分の前記上部界面領域が、別のフィン区分の前記下部界面領域と重複することが可能である、複数のフィンと、を備える、電極ケース。
【請求項１４】
自焼成電極を作製するために請求項７〜１３のいずれか一項に記載の電極ケースを使用するステップ、を含み、
化学用シリコンの製造で前記自焼成電極を使用するステップ、を更に含む方法。
【請求項１５】
化学用シリコンの製造で請求項１〜６のいずれか一項に記載の電極を使用するステップ、を含む方法。
【国際調査報告】
2015520477.tif 000017
2015520477.tif 000018
2015520477.tif 000019