(57)【要約】【課題】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。【解決手段】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。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項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る、カソード。
【請求項２】
請求項１に記載のカソードであって、
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。
【請求項３】
請求項１に記載のカソードであって、
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。
【請求項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、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。
【請求項５】
請求項１〜４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。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載のカソードであって、
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。
【請求項７】
請求項１に記載のカソードであって、
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。
【請求項８】
請求項１〜７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。
【請求項９】
請求項１に記載のカソードであって、
前記カソードブロックと前記コレクターバーとが一体的に形成されている、カソード。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載のカソードであって、
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。）。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２０１２−５２９５６７号公報
【特許文献２】特表２０１３−５３７９４０号公報
【特許文献３】加国特許第２８４６４０９号公報
【特許文献４】加国特許第２８３８１１３号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Richard Beeler, "BAR TO BLOCK CONTACT RESISTANCE IN ALUMINUM REDUTION CELL CATHODE ASSEMBLIES", Light Metals 2014, pp.507-510
【非特許文献２】Richard Beeler, "AN ANALYTICAL MODEL FOR CATHODE VOLTAGE DROP IN ALUMINUM REDUTION CELLS", Light Metals 2003, pp.241-245
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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。
【発明の効果】
【００１２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】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】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】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】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】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】図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。
【図７Ａ】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
［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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
［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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
［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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
［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。
【００４５】
表１に、計算に用いたパラメータ、及び計算結果を示す。
【００４６】
【表１】
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【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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）
【００５４】
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
【００５５】
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
【００５６】
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
【００５７】
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）
【００５８】
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）
【００５９】
セルの抵抗Ｒｃｅｌｌは、下記の式で求められる。
【数１】
2017222914.tif 000004
【００６０】
表２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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
［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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
［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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
［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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
［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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
［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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
［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。
【００９１】
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。
【００９２】
［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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【符号の説明】
【００９６】
１０００  金属製錬設備
１００  セル
１０，１５，４０，４５，５０，５５，６０，６５，９０，９５  カソード
１１，１６，４６，５１，５６，６１，９１，９６  カソードブロック
１２，１７，４２，２７，５２，５７，６２，６７，９２，９７  コレクターバー
２０  アノード
２１  アノードブロック
２２  接続部材
３０  炉体
３１  シェル
３２  ライニング
３３  電解浴
３４  パッド
３５  原料供給装置
３６  ブスバー
【図１】
2017222914.tif 000005
【図２】
2017222914.tif 000006
【図３】
2017222914.tif 000007
【図４】
2017222914.tif 000008
【図５】
2017222914.tif 000009
【図６】
2017222914.tif 000010
【図７Ａ】
2017222914.tif 000011
【図７Ｂ】
2017222914.tif 000012
【図８Ａ】
2017222914.tif 000013
【図８Ｂ】
2017222914.tif 000014
【図９】
2017222914.tif 000015
【図１０】
2017222914.tif 000016
【図１１】
2017222914.tif 000017
【図１２】
2017222914.tif 000018
【図１３】
2017222914.tif 000019
【図１４】
2017222914.tif 000020
【図１５】
2017222914.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成28年11月25日(2016.11.25)
【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】
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。
【請求項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。
【請求項３】
請求項１又は２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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。