(57)【要約】  炭素及び／又はグラファイトをベースにしたアルミニウム電解槽用のカソードブロックが、少なくとも１つの母線を収容するカソードブロックの長手方向に延伸する少なくとも１つの溝を有し、この少なくとも１つの溝が、カソードブロックの長さに沿って、多様な深さを有し、この多様な深さを持つ少なくとも１つの溝を境界づけるカソードブロックの壁の中には少なくとも１つの窪みが設けられ、この窪みがカソードブロックの長手方向に水平に延伸する。他の例では、炭素及び／又はグラファイトをベースにしたアルミニウム電解槽用のカソードブロックが、少なくとも１つの母線を収容するための、カソードブロックの長手方向に延伸する少なくとも１つの溝を有しており、少なくとも１つの溝が、カソードブロックの長さに沿って、多様な深さを有しており、この溝が壁によって境界づけられ、この壁には、溝の中まで延伸する少なくとも１つの突出部が設けられている。【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素及び／又はグラファイトをベースにしたアルミニウム電解槽用のカソードブロック（２０）であり、該カソードブロック（２０）は、少なくとも１つの母線（２８）を収容するための、前記カソードブロック（２０）の長手方向に延伸する少なくとも１つの溝（２６）を有し、前記少なくとも１つの溝（２６）のうち少なくとも１つが、前記カソードブロック（２０）の長手方向に沿って、多様な深さを有しており、前記多様な深さを持つ少なくとも１つの溝（２６）を境界づける前記カソードブロック（２０）の壁（３２、３４）の中には少なくとも１つの窪み（３６、３６’）が設けられており、該窪みが前記カソードブロック（２０）の長手方向に水平に延伸している、カソードブロック（２０）。
【請求項２】
前記多様な深さを持つ少なくとも１つの溝（２６）のうち少なくとも１つが、その中心部よりもその長手方向の両端部で深さがより浅くなっ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（２０）。
【請求項３】
前記多様な深さを持つ少なくとも１つの溝（２６）を境界づける前記壁（３２、３４）が、１つの底面壁（３４）及び２つの側壁（３２）を有しており、各側壁（３２）には、前記カソードブロック（２０）の長手方向に水平に延伸する窪み（３６、３６’）が少なくとも１つずつ設けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のカソードブロック（２０）。
【請求項４】
前記少なくとも１つの窪み（３６、３６’）のうち少なくとも１つが、前記少なくとも１つの溝（２６）の全長の少なくとも６０％にわたって延伸していることを特徴とする、請求項３に記載のカソードブロック（２０）。
【請求項５】
前記少なくとも１つの窪み（３６、３６’）のうち少なくとも１つが、０．５ｍｍ〜４０ｍｍの深さを有していることを特徴とする、請求項４に記載のカソードブロック（２０）。
【請求項６】
前記少なくとも１つの窪み（３６、３６’）のうち少なくとも１つが、前記カソードブロック（２０）の高さに関係する２ｍｍ〜４０ｍｍの開口幅を有していることを特徴とする、請求項５に記載のカソードブロック（２０）。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の少なくとも１つのカソードブロック（２０）を含むカソード構造体であり、前記少なくとも１つのカソードブロック（２０）の、前記多様な深さを持つ少なくとも１つの溝（２６）のうち少なくとも１つに、少なくとも１つの母線（２８）が設けられており、該母線は、少なくとも部分的に、鋳鉄又はラミング材から成る被覆（３９）を有し、該被覆の少なくとも一部が、前記少なくとも１つの窪み（３６、３６’）と係合している、カソード構造体。
【請求項８】
炭素及び／又はグラファイトをベースにしたアルミニウム電解槽用のカソードブロック（２０）であり、該カソードブロックは、少なくとも１つの母線（２８）を収容するための、前記カソードブロック（２０）の長手方向に延伸する少なくとも１つの溝（２６）を有しており、前記少なくとも１つの溝（２６）のうち少なくとも１つが、前記カソードブロック（２０）の長手方向に沿って、多様な深さを有しており、この溝（２６）が壁（３２、３４）によって境界づけられていて、前記壁（３２、３４）には、前記溝（２６）の中まで延伸する少なくとも１つの突出部（５０）が設けられていることを特徴とする、カソードブロック（２０）。
【請求項９】
前記壁（３２、３４）が、１つの底面壁（３４）及び２つの側壁（３２）を有しており、前記底面壁（３４）には、前記溝（２６）の中まで延伸している少なくとも１つの突出部（５０）が設けられており、好ましくは該突出部は前記少なくとも１つの溝（２６）の中に垂直に延伸し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（２０）。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの突出部（５０）が、底面壁（３４）に向かい合う突出部の側面に、少なくとも１つの母線（２８）のための少なくとも１つの接触面を有しており、該接触面の少なくとも一部は、前記溝（２６）に向かい合う前記カソードブロック（２０）の側面に対してほぼ平行に延伸していることを特徴とする、請求項８又は９に記載のカソードブロック（２０）。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの突出部（５０）の、前記底面壁（３４）に向かい合う側面が、前記カソードブロックの長手方向に沿って、２つの外側部分（５２、５２’）及びその間に配置されている中心部分（５４）を備える面によって境界づけられていて、
前記２つの外側部分（５２、５２’）は、それぞれが母線（２８）用の接触面を形成しており、それぞれ平面的で、少なくともほぼ矩形であり、かつ前記溝（２６）に向かい合う前記カソードブロック（２０）の側面に対して平行に延伸するように形成されており、前記溝（２６）の深さに関して同じ高さにあり、
前記中心部分（５４）は、前記２つの外側部分（５２、５２’）とは異なり、前記底面壁（３４）から見て、前記溝（２６）の中まで突出するように形成されていることを特徴とする、請求項１０に記載のカソードブロック（２０）。
【請求項１２】
前記中心部分（５４）が、前記カソードブロック（２０）の長手方向の断面で見て、矩形に形成されていて、前記２つの外側部分（５２、５２’）と前記中心部分（５４）との間には、それぞれ段が形成されていることを特徴とする、請求項１１に記載のカソードブロック（２０）。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの突出部（５０）が、前記カソードブロック（２０）の長手方向に関して、前記溝（２６）が最大深さを有している箇所に配置されていることを特徴とする、請求項１１に記載のカソードブロック（２０）。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの突出部（５０）が、前記カソードブロック（２０）の残りの部分と同じ材料から構成されていることを特徴とする、請求項１３に記載のカソードブロック（２０）。
【請求項１５】
金属を製造する溶融塩電解、好ましくはアルミニウムを製造する溶融塩電解を実施するための、請求項１〜６又は８〜１４のいずれか一項に記載のカソードブロック（２０）、あるいは請求項７に記載のカソード構造体（１２）の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム電解槽用のカソードブロック、その使用、並びにこれを含むカソードに関する。
【背景技術】
【０００２】
電解槽は、例えば、通常は工場でホール・エルー法に従って実施されるアルミニウムの電解精錬などに用いられる。このホール・エルー法では、アルミナと氷晶石から構成される融剤を電気分解する。この場合、氷晶石（Ｎａ３［ＡＩＦ６］）は、融点を純粋なアルミナの２，０４５℃から、氷晶石、アルミナ及び添加物（フッ化アルミニウムとフッ化カルシウムなど）を含む混合物の約９５０℃まで低下させるために用いる。
【０００３】
この方法で使用される電解槽はカソード底面を有しており、このカソード底面は、例えば最大２８個の互いに隣接する多数のカソードブロックから構成されており、これらのカソードブロックによってカソードが形成されている。この場合、カソードブロック間の中間スペースには、電解槽の溶融成分の漏れに対してカソードを密閉し、かつ電解槽の使用開始中に生じる機械的応力を補正するために、通常は炭素含有のラミング材が充填されている。カソードブロックは、電解槽の作動時に生じる熱的条件及び化学的条件に耐えるように、通常、グラファイトなどの炭素含有材料から構成されている。一般的に、カソードブロックの下面にはそれぞれ溝が設けられおり、それらの溝にはそれぞれ少なくとも１つ又は２つの母線（バスバー）が配置され、この母線を通ってアノードから供給される電流が送り出される。このとき、溝を境界づける個々のカソードブロック壁と母線との間の中間スペースには、しばしば鋳鉄が鋳込まれ、このことから母線の被覆が鋳鉄で製造されることにより、母線は電気的及び機械的にカソードブロックと接続される。カソード上面には、液体アルミニウムから成る、通常は高さが１５〜５０ｃｍの層があって、その層の約３〜５ｃｍ上方には、個別のアノードブロックから形成されたアノードが配置されており、このアノードとアルミニウム表面との間には、電解質、すなわちアルミナと氷晶石を含む融剤がある。約１０００℃で実施される電気分解においては、アルミニウムの密度が電解質の密度に比ベて大きいために、発生したアルミニウムが電解質層の下方に沈殿して、カソードの上面と電解質層との間の中間層として形成される。電気分解では、融剤の中で溶けたアルミナが電流によってアルミニウムと酸素に分解される。電気化学的には、液体アルミニウムから成る層が実際のカソードであり、その理由は、この層の表面でアルミニウムイオンが元素のアルミニウムに還元されるからである。しかし、以下では、カソードという用語は、電気化学的に見たカソード、すなわち液体アルミニウムから成る層を示すのではなく、電解槽の底面を形成する、例えば１つ以上のカソードブロックから構成された構成部品を示す。
【０００４】
ホール・エルー法で使用されるカソード構造体の主な欠点は、耐摩耗性が比較的弱いことであり、この脆弱な耐摩耗性は、カソードブロック表面が電気分解中に削り取られることによって出現する。このとき、カソードブロック表面の除去は、カソードブロックの長さにわたって均等に行われるのではなく、カソードブロック内部に不均質な電流分布が生じることにより、カソードブロックの端部でより大規模に除去が行われるため、電気分解がある程度進行すると、カソードブロックの表面がＷ字形に変化する。カソードブロック表面の不均質な除去により、カソードブロックの使用期間は除去量のもっとも大きい箇所によって制限される。この問題に対処するため、特許文献１では、１つ以上の母線を収容するために規定された溝が、カソードブロック長さに関して、カソードブロックの中心部の深さが両端部の深さよりも深くなっているカソードブロックが提案されている。これにより、電解槽を作動した場合、カソードブロック長さにわたって、ほぼ均質な垂直の電流分布が達成され、それによって、カソードブロック端部の摩耗の増加が抑制され、カソードの寿命も向上する。このとき、１つ又は複数の母線は従来のように鋳鉄で覆われており、この被覆は、溝と１つ又は複数の母線との間の中間スペースに液状の鋳鉄を鋳込むことによって行われる。しかし、そのようなカソードブロックは欠点も伴っている。液状の鋳鉄を溝と１つ又は複数の母線との間の中間スペースに鋳込む間及びその後、カソードブロックを含む電解槽の使用開始中及びその後、ならびに電解槽の停止中及びその後、さらに再稼働中及びその後では、カソードブロックが比較的大きな温度変化に晒されており、そのことが、カソードブロックに対する鋳鉄及び母線の膨張又は収縮を引き起こす原因となる。この膨張作用又は収縮作用は、温度勾配の発生によって強化されるおそれがある。以下、「大きな温度変化」について言及する場合は、前述した作用、すなわち膨張／収縮又は温度勾配のうち１つ又は両方が存在していることを意味する。カソードブロック材料の熱膨張係数よりも、鋳鉄及び母線材料の熱膨張係数の方が高いことにより、温度が上昇すると鋳鉄及び母線はカソードブロックに対して膨張し、逆に、温度が低下するとカソードブロックに対して収縮する。これにより、とくに矩形の断面を備える一般的な溝では、母線、鋳鉄及びカソードブロック間の電気的接触が悪化して構造の電気抵抗が上昇するため、電気分解プロセスのエネルギー効率が悪化することになる。これとは別に、溝と１つ又は複数の母線との間にある中間スペースに液状の鋳鉄を鋳込むまでは、１つ又は複数の母線が垂直方向にも水平方向にも動くことができるため、液状の鋳鉄を鋳込む際、及びそれに続いて鋳鉄を冷却して凝固させている間、この母線が溝の中を制御不能に動くおそれがあり、このことが同様に、母線、鋳鉄及びカソードブロック間に不均一な電気的接触を発生させる原因となり得る。また、このことは、構造の電気抵抗を上昇させるため、電気分解プロセスのエネルギー効率も悪化させる。鋳鉄の代わりに、ラミング材を使用してもよい。ラミング材としては、無煙炭、グラファイト及びそれらの任意の混合物をベースにしたラミング材を使用することができる。好ましくは、グラファイトをベースにしたラミング材が使用される。
【０００５】
カソードブロックの溝内での母線のずれを防止する又は少なくとも弱めるため、特許文献２では、グラファイトシートで内張りしたカソードブロックの溝を境界づける壁の中に、少なくとも１つの窪みを設けること、及び母線を溝の中に挿入した後、溝と１つ又は複数の母線との間に形成される中間スペースを液状の鋳鉄で満たして、その際、凝固した鋳鉄が少なくとも１つの窪みと係合するようにすることが提案されている。カソードブロックの長さにわたって見て、溝が多様な深さを有している場合に、母線を必ず溝底面に対して平行に移動させるためには、少なくとも１つの窪みが、溝底面に対して平行に通っていること、すなわち水平方向に対して傾斜していること、すなわち溝の底面壁まで一定の間隔を有していることが必要である。しかしながら、このことは、鋳鉄と母線材料との熱膨張係数がカソードブロックの材料と比べて高いこと、カソードブロックの溝と１つ又は複数の母線との間に形成される中間スペースに液状の鋳鉄を鋳込む間及びその後に生じる温度変化、ならびにカソードブロックを含む電解槽の使用開始中及び停止中、さらには再稼働中に発生する温度変化によって、一方では鋳鉄と１つ又は複数の母線との間で、他方では鋳鉄とカソードブロックとの間でせん断応力が生じ、このせん断応力は、例えばカソードブロック内の亀裂という形でカソードブロック機能に悪影響を与えるカソードブロックの損傷又はカソードブロックの破壊を引き起こすおそれがある。そのような損傷は、母線又は鋳鉄とカソードブロックとの間の導電性及び構造安定性の低下や、さらには全構造の機能停止にもつながる。前述したように、ここでは、鋳鉄の代わりにラミング材を使用することもできる。
【０００６】
以下では、鋳鉄について言及する場合、その都度明確に説明を加えることなく、この鋳鉄はラミング材で代替可能であることを理解しなければならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２００７／１１８５１０号
【特許文献２】国際公開第２０１２／１０７４１２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、本発明の課題は、とくにアルミニウム電解槽の使用に適したカソードブロックを提供することであり、このカソードブロックによって、電解槽を作動した場合にカソードブロック長さにわたってほぼ均質な垂直の電流分布が達成され、さらにこのカソードブロックは、温度変化が大きい場合にも、母線が挿入されかつ鋳鉄で被覆された状態で、とくに長い作動時間にわたって持続する低い電気抵抗率と、鋳鉄で被覆された母線とカソードブロックとの間の低い接触抵抗とを有し、また、温度変化が大きい場合にも、母線が挿入されかつ鋳鉄で被覆された状態で、亀裂などの機械的損傷に対して安定している。また、鋳鉄の代わりに、ラミング材を使用してもよい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に基づき、この課題は、炭素及び／又はグラファイトをベースにしたアルミニウム電解槽用のカソードブロックによって解決され、このカソードブロックは、少なくとも１つの母線を収容するための、カソードブロックの長手方向に延伸する少なくとも１つの溝を有し、この少なくとも１つの溝の少なくとも１つが、カソードブロックの長さにわたって見て、多様な深さを有しており、この多様な深さを持つ少なくとも１つの溝を境界づけるカソードブロックの壁の中には少なくとも１つの窪みが設けられており、この窪みがカソードブロックの長手方向に水平に延伸している。
【００１０】
本発明において、カソードブロックの長手方向に水平に延伸する窪みとは、この窪みがカソードブロックの長手面に対して平行に延伸していることを意味する。この場合、平行な延伸とは、この窪みがそれぞれの箇所で、カソードブロックの長手面に対して、８°よりも小さい角度、好ましくは５°よりも小さい角度、とくに好ましくは２°よりも小さい角度、さらに好ましくは１°よりも小さい角度、極めて好ましくは０．５°よりも小さい角度、もっとも好ましくは０．１°よりも小さい角度を有することを意味している。この関連において、長手面とは、カソードブロックの長手軸方向に延伸し、かつ溝に向かい合うカソードブロック側の表面に対して平行に通る面を意味している。
【００１１】
さらに、本発明において、窪みとは、単なる表面の粗さとは異なり、溝を境界づける壁の表面に対して少なくとも０．５ｍｍ及び好ましくは少なくとも２ｍｍの深さを有する凹部を意味する。
【００１２】
本発明に基づき、カソードブロックの長手方向に水平に延伸する少なくとも１つの窪みを、カソードブロックの溝を境界づける壁の中に、とくに好ましくは両方の側壁の中に設けることによって、とくに多様な深さを持つ溝をカソードブロックの中に形成する場合でも、母線が溝に挿入されかつ鋳鉄で被覆された状態で、低い電気抵抗と低い接触抵抗とを有するカソードブロックができることが明らかとなった。これとは別に、カソードブロックの長手方向に水平に延伸する窪みを、カソードブロックの溝を境界づける壁の中に設けることにより、大きな温度変化が生じたとしても、母線が溝の中に挿入されかつ鋳鉄で被覆された状態で、例えばカソードブロックの亀裂など、カソードブロックの機械的損傷が確実に防止される。１つには、カソードブロックの長手方向に多様な深さを持つ溝を設けることによって、カソードブロック表面に均等な電流密度分布が実現されるため、このカソードブロックを備える電解槽を作動した場合は、カソードブロックの長手方向に同じ溝深さを備えるカソードブロックを使用することによって局所的に高い電流密度が生じると考えられる領域においても、カソードブロック材料が過度に除去されるのを有効に防止する。溝深さを適切に適合させることにより、電流密度分布を広い範囲で修正し、均一化することができる。カソードブロックがその溝の中にカソードブロックの長手方向に水平に延伸する窪みを有することによって、鋳鉄で被覆された母線はカソードブロックの溝の中に垂直に固定されるが、カソードブロックの水平方向への運動はある程度許容される。鋳鉄で被覆された母線のこの水平運動により、とくに、カソードブロックを含む電解槽の使用開始中及びその後、又は停止中に急激な温度変化が生じても、鋳鉄で被覆された母線とカソードブロックとの間に発生するせん断応力は確実に防止される。このようなせん断応力は、窪みが斜めに配置されている場合、カソードブロック材料の熱膨張係数に比べ鋳鉄と母線材料の熱膨張係数が高いことにより、カソードブロックに対する鋳鉄と母線の膨張又は収縮がより大きくなるために発生すると考えられる。これにより、電解槽が長時間作動している間でも、例えば亀裂などのカソードブロックの損傷又はカソードブロックの破壊が確実に防止され、同時に母線又は鋳鉄とカソードブロックとの間の優れた導電性も確保される。鋳鉄で被覆された母線はカソードブロックの溝の中に垂直に固定されているので、使用開始中にカソードブロックに対してカソードバー／鋳鉄構造が熱膨張することによって、溝底面へのカソードバー／鋳鉄構造の有利な接触圧力が生じる。このことで電気的接触が改善され、電気抵抗が小さくなり、それによってエネルギー効率が上昇する。特許文献２から知られているカソードブロックに対してもう１つの有利な点は、カソードブロックの溝をコストのかかる高価なグラファイトシートで内張りしていなくても、これらの優れた特性が達成されることである。これにより、大きな温度変化が生じても、全体として、鋳鉄、母線及びカソードブロックの熱膨張係数が異なることによって生じる引張応力、せん断応力及び圧縮応力をコントロールすることが可能になり、カソードブロックの優れた導電性と機械的安定性が、母線が溝の中に挿入されかつ鋳鉄で被覆された状態でも確保される。
【００１３】
電気分解作動中に、カソードブロック表面にとくに均等な垂直の電流密度分布を達成するため、本発明の発展形態では、多様な深さを持つ少なくとも１つの溝の少なくとも１つ及び好ましくは全ての溝において、長手側の両端部の溝深さが中心部の溝深さよりも浅くなっている。このようにして、電気分解作動時に供給される電流を、カソードブロックの全長にわたって均等に分配することが可能になることから、カソードブロックの長手側端部における過度の電流密度が回避され、かつカソードブロックの端部における早期の摩耗が防止される。そのような均等な電流密度分布がカソードブロックの長さにわたって達成されることによって、さらに、電気分解時には電磁場の相互作用によって引き起こされるアルミニウム融剤内の動きも防止されることから、アルミニウム融剤の表面上の比較的低い高さにアノードを配置することが可能となる。これにより、アノードとアルミニウム融剤との間の電気抵抗が小さくなり、実施される溶融塩電解のエネルギー効率が上昇する。この実施基形態のもう１つの特別な利点は、溝を形成する際に、溝の窪みの中に設けられている、必要に応じて鋳鉄で被覆された母線が、電解槽の使用開始の際に温度が上昇している間及び温度上昇後に水平方向に膨張し、その結果、この箇所で溝を境界づけているカソードブロックの底面壁にそれぞれ母線が押し付けられ、それによって、鋳鉄で被覆された母線とカソードブロックとの間の接触抵抗が小さくなることである。
【００１４】
前述の実施形態では、多様な深さを持つ少なくとも１つの溝の少なくとも１つの深さについて、カソードブロックの長手方向に見て、好ましくはカソードブロックの一方の長手側端部から中心部までの少なくともほぼ均一に増加し、カソードブロックの中心部から他方の長手側端部までの少なくともほぼ均一に減少しているため、カソードブロックの長手方向断面で見ると、少なくともほぼ三角形の溝が生じる。これにより、前述した利点が、さらに強化された形で達成される。
【００１５】
本発明のもう１つの好ましい実施形態によれば、多様な深さを持つ少なくとも１つの溝を境界づける壁が、１つの底面壁及び２つの側壁を備えており、２つの側壁のそれぞれには、カソードブロックの長手方向に水平に延伸する窪みが少なくとも１つずつ設けられている。このようにして、母線の水平方向への十分な運動と同時に、溝の中でのとくに有利な母線の垂直固定が達成されることから、大きな温度変化が生じても、鋳鉄、母線及びカソードブロックの熱膨張係数が異なることによって生じるせん断応力が確実に防止される。
【００１６】
好ましくは、多様な深さを持つ少なくとも１つの溝を境界づける壁が、１つの底面壁及び２つの側壁を備えており、各側壁には、カソードブロックの長手方向に水平に延伸する窪みが正確に１つずつ設けられている。このようにして、比較的少ない製造コストで、母線の水平方向への十分な運動と同時に、溝の中でのとくに有利な母線の垂直固定が達成されることから、大きな温度変化が生じても、鋳鉄、母線及びカソードブロックの熱膨張係数が異なることによって生じるせん断応力が確実に防止される。
【００１７】
同様に、好ましくは、多様な深さを持つ少なくとも１つの溝を境界づける壁が１つの底面壁及び２つの側壁を備えており、各側壁には、カソードブロックの長手方向にそれぞれ水平に延伸する窪みが２つずつ設けられている。このようにして、個々の窪みの深さが比較的浅い場合でも、母線の水平方向への十分な運動と同時に、溝の中でのとくに有利な母線の垂直固定が達成される。
【００１８】
この場合、カソードブロックは、カソードブロックの同一側面に配置されている溝を２つ有していてもよく、２つの溝は同じ寸法を有し、これらの溝を境界づける壁が、それぞれ１つの底面壁及び２つの側壁を備えており、各側壁には、カソードブロックの長手方向に水平に延伸する窪みが１つずつ設けられているか、又は各側壁には、カソードブロックの長手方向に水平に延伸する窪みが２つずつ設けられている。これにより、２つの溝を有するカソードブロックについて、比較的少ない製造コストで、母線の水平方向への十分な運動と同時に、溝の中でのとくに有利な２本の母線の垂直固定が達成されることから、大きな温度変化が生じても、鋳鉄、母線及びカソードブロックの熱膨張係数が異なることによって生じるせん断応力が確実に防止される。
【００１９】
前述の実施形態の代替として、カソードブロックは溝を１つだけ備えていてもよい。
【００２０】
基本的に、少なくとも１つの溝は、周知のあらゆる断面形状を有していてもよいが、少なくとも１つの溝の少なくとも１つ及び好ましくは少なくとも１つの溝のそれぞれが、少なくともほぼ矩形の、好ましくは矩形の断面を有している場合は、とくに有利な結果が得られる。
【００２１】
母線の水平方向への十分な運動と同時に、必要に応じて鋳鉄で被覆された母線のとくに有利な垂直固定を溝の中で確保するため、本発明の発展形態では、少なくとも１つの窪みの少なくとも１つ及びとくに好ましくは少なくとも１つの窪みのそれぞれが、少なくとも１つの溝の全長の少なくとも６０％にわたって、好ましくは少なくとも８０％にわたって、とくに好ましくは少なくとも９０％にわたって、極めて好ましくは少なくとも９５％にわたって、もっとも好ましくは少なくともほぼ全長にわたって、連続して延伸していることが提案される。
【００２２】
同じ理由から、少なくとも１つの窪みの少なくとも１つ及びとくに好ましくは少なくとも１つの窪みのそれぞれが、０．５ｍｍ〜４０ｍｍ、好ましくは２ｍｍ〜３０ｍｍ、とくに好ましくは５ｍｍ〜２０ｍｍの深さを有していることが好ましい。
【００２３】
さらに同じ理由から、少なくとも１つの窪みの少なくとも１つ及びとくに好ましくは少なくとも１つの窪みのそれぞれが、カソードブロックの高さに関係する２ｍｍ〜４０ｍｍ、好ましくは５ｍｍ〜３０ｍｍ、とくに好ましくは１０ｍｍ〜２０ｍｍの開口幅を有していることが好ましい。
【００２４】
基本的に、少なくとも１つの窪みは、それぞれ多角形又は湾曲した断面を有していてよい。少なくとも１つの窪みへの鋳鉄被覆の有利な係合に関して、また同時に、鋳込む際に確実かつ正常に鋳鉄を窪みに充填することに関して、少なくとも１つの窪みの少なくとも１つ及びとくに好ましくは少なくとも１つの窪みのそれぞれが、少なくともほぼ半円形、三角形、矩形又は台形の断面、好ましくは半円形、三角形、矩形又は台形の断面を有している場合は、とくに有利な結果が得られる。
【００２５】
本発明のもう１つの好ましい実施形態によれば、少なくとも１つの窪みが、少なくともほぼ垂直に、好ましくは垂直に、少なくとも１つの溝を境界づけるカソードブロックの壁の中まで延伸している。
【００２６】
本発明によれば、少なくとも１つの窪みが、溝の深さ方向に見て、窪みのそれぞれの端部で、窪みとそれに隣接する溝壁部分との間にある移行部によって境界づけられている。この移行部が角度をつけて形成されている場合、隣接する溝壁部分と窪みの壁との間の角度は、カソードブロック内側から見て、少なくとも９０°〜１６０°、とくに好ましくは９０°〜１３５°、極めて好ましくは１００°〜１２０°である。
【００２７】
この移行部が湾曲した状態で形成されているケースでは、場合によっては必ずしも理想的に円形状に湾曲している必要はないが、移行部の湾曲半径は、好ましくは最大５０ｍｍ、とくに好ましくは最大２０ｍｍ、もっとも好ましくは最大５ｍｍである。
【００２８】
さらに本発明はカソードブロックの構造にも関し、この構造は、少なくとも１つの前述したカソードブロックを含み、少なくとも１つのカソードブロックの、多様な深さを持つ少なくとも１つの溝の少なくとも１つに、少なくとも１つの母線が設けられており、この母線は、少なくとも部分的に、鋳鉄から成る被覆を有し、この被覆の少なくとも一部が、少なくとも１つの窪みと係合している。
【００２９】
本発明の好ましい実施形態によれば、少なくとも１つの窪みと係合している、鋳鉄から成る被覆部分は、窪みに対して相補的に形成されている。このようにして、鋳鉄から成る被覆が窪みととくに有利なポジティブ結合（オス結合）によって係合することで、鋳鉄被覆と、この被覆に結合している母線とがカソードブロックにとりわけ効果的に機械的に固定され、さらに、大きな温度変化によって生じる、鋳鉄、母線及びカソードブロック間のせん断応力を回避するために十分な、水平方向への母線の運動も可能である。
【００３０】
好ましくは、鋳鉄から成る被覆が、その全長の少なくとも５０％にわたって、さらに好ましくは少なくとも８０％にわたって、とくに好ましくは少なくとも９０％にわたって、極めて好ましくは少なくとも９５％にわたって、もっとも好ましくは少なくともほぼ全長にわたって、少なくとも１つの窪みと係合している。これにより、前述した利点が、とくに高いレベルで達成される。
【００３１】
同じ理由から、本発明のもう１つの好ましい実施形態によれば、少なくとも１つの窪みと係合する被覆部分及び必要に応じて被覆によって覆われている母線は、窪みの少なくとも７０％、好ましくは少なくとも８０％、とくに好ましくは少なくとも９０％、極めて好ましくは少なくとも９５％、もっとも好ましくは１００％を占めるようになっている。これにより、カソードブロックの垂直方向への母線の好ましくないずれと、とくに溝からの母線の落下とを、とりわけ確実に回避することができる。
【００３２】
本発明の発展形態では、カソード構造体のカソードブロックが、少なくともほぼ矩形の、好ましくは矩形の断面を備える溝を有しており、この溝の中に１本又は互いにに隣接する２本の母線が挿入され、溝と母線との間にある中間スペースに鋳鉄を詰めて、この鋳鉄が少なくともほぼその全長にわたって、少なくとも１つの窪みと係合するようにすることが提案される。
【００３３】
本発明のもう１つの対象は、少なくとも１つの前述したカソードブロック又は少なくとも１つの前述したカソード構造体を備えるカソードである。
【００３４】
さらに、本発明は、金属を製造する溶融塩電解、とくに好ましくはアルミニウムを製造する溶融塩電解を実施するための、前述したカソードブロック、前述したカソード構造体又は前述したカソードの使用にも関する。
【００３５】
本発明のもう１つの対象は、炭素及び／又はグラファイトをベースにしたアルミニウム電解槽用のカソードブロックであり、詳細には少なくとも１つの母線を収容するための、カソードブロックの長手方向に延伸する少なくとも１つの溝を有する前述したカソードブロックであって、少なくとも１つの溝の少なくとも１つが、カソードブロックの長さにわたって見て、多様な深さを有しており、この溝が壁によって境界づけられており、この壁には、溝の中まで延伸する少なくとも１つの突出部が設けられている。
【００３６】
本発明に基づき、母線又はその鋳鉄被覆の端部の接触面として働く、溝の中まで延伸する少なくとも１つの突出部を設けることにより、とくに、多様な深さを持つ溝をカソードブロックの中に形成する場合にも、溝の中に挿入されている母線は、詳細にはカソードブロックの長さに対してそれぞれ半分の長さを備える、互いに隣接して溝の中に取り付けられている２本の母線についても、突出部の形態に応じて、垂直方向及び／又は水平方向に固定されるため、カソードブロックと、その溝の中に挿入されかつ鋳鉄で被覆されている母線とを備えるカソード構造体の製造時に溝と母線との間にある中間スペースの中に液状の鋳鉄を鋳込む際や、詳細にはそれに続く鋳鉄の冷却及び凝固の進行中においても、一般的に鋳鉄と母線材料の熱膨張がカソードブロック材料の熱膨張に比べて高いとしても、母線、鋳鉄及びカソードブロック間の電気的接触の悪化や不均一を引き起こすおそれのある制御できない母線の動き又はずれを確実に回避するカソードブロックが作られる。従って、溝の中まで延伸する少なくとも１つの突出部は、１本の母線の１個のエンドピース又は２本の母線の２個のエンドピースが接触するサポートラグ又はサポートタブである。そのことに基づいて、挿入されている母線又は挿入されかつ鋳鉄で被覆された母線を備えたカソードブロックから作られるカソード構造体は、大きな温度変化が生じても、低い電気抵抗率ならびに鋳鉄で被覆された母線とカソードブロックとの間の低い接触抵抗を有し、詳細には持続的に低い電気抵抗率ならびに鋳鉄で被覆された母線とカソードブロックとの間の低い接触抵抗も有している。従って、本発明に基づくカソードブロックは、とくにカソードブロックの長さに対してそれぞれ半分の長さを備える、互いに隣接して溝の中に取り付けられている２本の母線を収容するのに適しており、この場合、突出部は、好ましくはカソードブロックの中央に設けられているため、２本の母線のそれぞれ片方の端部が、突出部によって形成されている接触面に接触することができる。さらに、本発明に基づくカソードブロックは、とくに断面が矩形に形成された母線にも適している。具体的にはカソードブロックの溝壁に、カソードブロックの長手方向に水平に延伸する窪みが追加的に設けられている場合、カソードブロックの溝を境界づける壁の中では、大きな温度変化が生じても、母線が溝の中に挿入されかつ鋳鉄で被覆された状態で、例えばカソードブロックの亀裂など、カソードブロックの機械的損傷が確実に防止される。この場合、カソードブロックの長手方向に多様な深さを持つ溝を使用することによって、カソードブロック表面に均等な電流密度分布が実現されるため、このカソードブロックを含む電解槽を作動した場合は、カソードブロックの長手方向に同じ溝深さを備えるカソードブロックを使用することによって局所的に高い電流密度が生じると考えられる領域においても、カソードブロック材料が過度に除去されるのを有効に防止する。溝深さを適切に適合させることにより、電流密度分布を広い範囲で修正し、均一化することができる。これにより、大きな又は急激な温度変化が生じても、全体として、鋳鉄、母線及びカソードブロックの熱膨張係数が異なることによって生じる引張応力、せん断応力及び圧縮応力をコントロールすることが可能になり、カソードブロックの優れた導電性と機械的安定性が、母線が溝の中に挿入されかつ鋳鉄で被覆された状態でも確保される。
【００３７】
電気分解作動中に、カソードブロック表面にとくに均等な垂直の電流密度分布を達成するため、本発明の発展形態では、多様な深さを持つ少なくとも１つの溝の少なくとも１つ及び好ましくは全ての溝において、長手側の両端部の溝深さが中心部の溝深さよりも浅くなっている。このようにして、電気分解作動時に供給される電流を、カソードブロックの全長にわたって均等に分配することが可能になることから、カソードブロックの長手側端部における過度の電流密度が回避され、かつカソードブロックの端部における早期の摩耗が防止される。そのような均等な電流密度分布がカソードブロックの長さにわたって達成されることによって、さらに、電気分解時には電磁場の相互作用によって引き起こされるアルミニウム融剤内の動きも防止されることから、アルミニウム融剤の表面上の比較的低い高さにアノードを配置することが可能となる。これにより、アノードとアルミニウム融剤との間の電気抵抗が小さくなり、実施される溶融塩電解のエネルギー効率が上昇する。この実施基形態のもう１つの特別な利点は、これを形成する際に、少なくとも１つの突出部によって固定される、必要に応じて鋳鉄で被覆された母線が、電解槽の使用開始の際に温度が上昇している間及び温度上昇後に水平方向に膨張し、その結果、この箇所で溝を境界づけているカソードブロック溝の底面壁にそれぞれ母線が押し付けられ、それによって、鋳鉄で被覆された母線とカソードブロックとの間の接触抵抗が小さくなることである。
【００３８】
前述の実施形態では、多様な深さを持つ少なくとも１つの溝の少なくとも１つの深さについて、カソードブロックの長手方向に見て、好ましくはカソードブロックの一方の長手側端部から中心部までの少なくとも大部分がほぼ均一に増加し、カソードブロックの中心部から他方の長手側端部までの少なくとも大部分がほぼ均一に減少しているため、カソードブロックの長手方向断面で見ると、少なくともほぼ三角形の溝が生じる。これにより、前述した利点が、さらに強化された形で達成される。
【００３９】
本発明のもう１つの好ましい実施形態によれば、多様な深さを持つ少なくとも１つの溝を境界づける壁が、１つの底面壁及び２つの側壁を備えており、底面壁には、溝の中まで延伸している少なくとも１つの突出部が設けられており、この突出部は、少なくとも１つの溝の中に好ましくは垂直に延伸している。このようにして、とくに母線の水平方向への十分な運動と同時に、溝の中でのとくに有利な母線の垂直固定が達成できることから、大きな温度変化が生じても、鋳鉄、母線及びカソードブロックの熱膨張係数が異なることによって生じるせん断応力が確実に防止される。
【００４０】
本発明のもう１つの好ましい実施形態によれば、前述した実施形態での少なくとも１つの突出部が、底面壁に向かい合う突出部側に、少なくとも１つの母線のための少なくとも１つの接触面を有しており、この接触面の少なくとも一部は、溝に向かい合うカソードブロック側の表面に対して少なくともほぼ平行に、好ましくは平行に、すなわちカソードブロックの溝を境界づける壁の側壁の下端部に対して垂直に通っている。そのような接触面は、１本又は２本の母線をサポートするのにとりわけよく適している。
【００４１】
これに関しては、少なくとも１つの突出部の少なくとも１つの接触面の少なくとも１つが、平面的で、好ましくは少なくともほぼ矩形であり、かつ溝に向かい合うカソードブロック側の表面に対して少なくともほぼ平行に通るように、とくに好ましくは矩形であり、かつ溝に向かい合うカソードブロック側の表面に対して平行に通るように形成されている。
【００４２】
具体的には２本の母線の２つの隣接するエンドピースに対しても十分に広い接触面を得るため、本発明の発展形態では、底面壁に向かい合う少なくとも１つの突出部の側が接触面によって境界づけられ、この接触面は完全に平面的で、好ましくは少なくともほぼ矩形であり、かつ溝に向かい合うカソードブロック側の表面に対して少なくともほぼ平行に通るように、とくに好ましくは矩形であり、かつ溝に向かい合うカソードブロック側の表面に対して平行に通るように形成されている。従って、この実施形態では、カソードブロックの底面壁に向かい合う突出部の面全体が、１本又は２本の母線の１つ又は２つのエンドピース用の接触面として形成されている。
【００４３】
前述の実施形態は、例えば、少なくとも１つの突出部が、カソードブロックの長手方向の断面で見て、突出部の高さ全体にわたって少なくともほぼ矩形又は台形に、好ましくは矩形又は台形に形成されており、底面壁に向かい合う少なくとも１つの突出部の側が接触面によって境界づけられ、平面的で、少なくともほぼ矩形であり、かつ溝に向かい合うカソードブロック側の表面に対して少なくともほぼ平行に通るように、好ましくは矩形であり、かつ溝に向かい合うカソードブロック側の表面に対して平行に通るように形成されている。
【００４４】
カソードブロックの長手方向を通る、矩形の接触面の範囲は、好ましくは２０〜６００ｍｍであり、とくに好ましくは５０〜４００ｍｍ、極めて好ましくは１００〜３００ｍｍ、もっとも好ましくは１５０〜２５０ｍｍ、例えば２００ｍｍなどであり、これに対して、カソードブロックの横幅方向に通る、矩形の接触面の範囲は、矩形の接触面の平面で測定して、溝の幅の好ましくは少なくとも５０％、さらに好ましくは少なくとも８０％、とくに好ましくは少なくとも９０％、極めて好ましくは１００％である。
【００４５】
前述の実施形態の代替の、本発明のとくに好ましい実施形態によれば、底面壁に向かい合う、少なくなくとも１つの突出部の側が、カソードブロックの長手方向に見て、２つの外側部分及びそれらの間に配置されている中心部分を有している面によって境界づけられ、２つの外側部分は、それぞれが母線用の接触面を形成しており、それぞれ平面的で、好ましくは少なくともほぼ矩形であり、かつ溝に向かい合うカソードブロック側の表面に対して少なくともほぼ平行に通るように、とくに好ましくは矩形であり、かつ溝に向かい合うカソードブロック側の表面に対して平行に通るように形成されており、溝の深さに関して、同じ高さにあり、これに対して中心部分は、底面壁から見て、２つの外側部分に対して溝の中まで突出するように形成されている。この実施形態は、とくに、カソードブロックの長さに対してほぼ半分の長さを備える２本の母線を収容するために形成されているカソードブロックにとって好ましい。すなわちこれは、突出部の中心部分に設けられている突起を境に、それぞれが母線のエンドピース用の接触面を形成している、突出部の隣接する２つの外側部分が、溝の深さ方向に延伸する隔壁によって互いに分離されるため、２本の母線のエンドピースがそれぞれに向かい合う隔壁側面に接触し、それによって２本の母線は垂直方向に固定されるだけではなく、これらの２つのエンドピースで水平方向にも固定されるからである。これにより、２本の母線は、温度上昇によって膨張する場合、決まった方向に、すなわちカソードブロックの方向に膨張する。このことから、必要に応じて鋳鉄で被覆された２本の母線が、電解槽の使用開始の際に温度が上昇している間及び温度上昇後にカソードブロック方向へ膨張する結果、水平方向に膨張し、この箇所で溝を境界づけているカソードブロックの底面壁にそれぞれ母線が押し付けられ、それによって、鋳鉄で被覆された母線とカソードブロックとの間の接触抵抗が小さくなる。
【００４６】
前述した利点をとりわけ高いレベルで達成するため、好ましくは、突出部の中心部分が、カソードブロックの長手方向の断面で見て、矩形に、すなわち矩形のラグの形に形成されていることにより、２つの外側部分と中心部分との間にそれぞれ段が形成されている。この段は、接触面から突起への移行部分が直角になっていてもよく、あるいは丸みが付けられていてもよい。
【００４７】
具体的には、この段の高さが１０〜１００ｍｍ、好ましくは４０〜８０ｍｍ、とくに好ましくは５０〜７０ｍｍであり、これに対して、カソードブロックの横幅方向に通る段の範囲が、溝の幅の好ましくは少なくとも５０％、さらに好ましくは少なくとも８０％、とくに好ましくは９０％、極めて好ましくは１００％である場合は、良好な結果が得られる。
【００４８】
前述の実施形態は、例えば、少なくとも１つの突出部が、カソードブロックの長手方向の断面で見て、突出部の高さの２０％〜８０％にわたって、好ましくは３０％〜５０％にわたって、少なくともほぼ矩形又は台形に、好ましくは矩形又は台形に形成されており、底面壁に向かい合う、突出部のこの部分の側面には、カソードブロックの長手方向に見て中央に配置された突起又はラグが設けられ、これが突出部の残りの高さにわたって延伸している。
【００４９】
本発明のもう１つの好ましい実施形態によれば、少なくとも１つの突出部が、カソードブロックの長手方向に関して、溝が突出部自体を無視した場合に最大深さを有している箇所に配置されている。前述したように、とくに好ましいのは、多様な深さを持つ溝が、その長手側の中心部よりもその両端部で深さが浅くなっており、詳細には溝の深さが、カソードブロックの長手方向に見て、カソードブロックの長手側の一方の端部から中心部まで少なくともほぼ連続して増加し、カソードブロックの中心部から他方の長手側の端部までは少なくともほぼ均一に減少している場合に、少なくとも１つの突出部が、カソードブロックの長手方向に関して、好ましくは中央に配置されていることである。
【００５０】
さらに、少なくとも１つの突出部が、溝の全幅の少なくとも５０％にわたって、好ましくは少なくとも８０％にわたって、とくに好ましくは少なくとも９０％にわたって、極めて好ましくは全幅にわたって延伸しているのが有利であると判明した。これにより、一方では突出部の十分な機械的安定性が達成され、他方では母線のエンドピースが、少なくとも大部分又はその全幅にわたり、突出部によって形成されている接触面に接触することができる。
【００５１】
基本的に、少なくとも１つの突出部は、例えば金属など、あらゆる任意の材料から構成されていてよい。しかし、少なくとも１つの突出部は、残りのカソードブロックの材料と同じ熱膨張係数を有する材料から構成されているのが好ましい。とくに好ましくは、少なくとも１つの突出部が、カソードブロックの残りの部分と同じ材料から構成されている。
【００５２】
本発明に基づき、カソードブロックは、炭素及び／又はグラファイトをベースにして構成されている。十分な導電性と耐摩耗性に関して、具体的には、少なくとも１つの突出部及びカソードブロックのその他の部分が、アモルファス、グラファイト及び／又は黒鉛化カーボンから構成されている場合は、良好な結果が得られる。
【００５３】
本発明の発展形態では、少なくとも１つの突出部とカソードブロックの残りが、モノリシックに、すなわち一体形成になっていることが提案される。これにより、カソードブロックの残りの部分に対する突出部の接続の機械的安定性がとくに高められる。
【００５４】
この代替として、少なくとも１つの突出部が、カソードブロックの底面壁で接続手段と接続されていてもよい。このことは、例えば、樹脂、セメント、タール等の物質又はこれらの物質を任意に混ぜた混合物などの接着剤を用いて、少なくとも１つの突出部をカソードブロックの残りの部分に接着することによって、あるいは固定手段を使ってカソードブロックの残りの部分と機械的に接続することによって達成することができる。
【００５５】
さらに本発明はカソードブロックの構造にも関し、この構造は、少なくとも１つの前述したカソードブロックを含み、少なくとも１つのカソードブロックの、多様な深さを持つ少なくとも１つの溝の少なくとも１つに、少なくとも１つの母線が設けられており、この母線は、好ましくは少なくとも部分的に、鋳鉄から成る被覆を有し、必要に応じて鋳鉄で被覆された母線は、少なくとも１つの突出部の少なくとも一部に接触している。
【００５６】
好ましくは、このカソード構造体が、少なくとも１つのカソードブロックを有しており、少なくとも１つのカソードブロックの、多様な深さを持つ少なくとも１つの溝の少なくとも１つの中に、好ましくは少なくとも部分的に鋳鉄から成る被覆を有する２本の母線が設けられており、これらの母線はそれぞれ、そのエンドピースによって少なくとも１つの突出部の少なくとも一部に接触している。
【００５７】
本発明のもう１つの好ましい実施基形態によれば、少なくとも１つの母線が、少なくとも部分的に、及びとくに好ましくは完全に鋳鉄によって覆われている。
【００５８】
本発明のもう１つの対象は、少なくとも１つの前述したカソードブロック又は少なくとも１つの前述したカソード構造体を備えるカソード構造体である。
【００５９】
さらに、本発明は、金属を製造する溶融塩電解、好ましくはアルミニウムを製造する溶融塩電解を実施するための、前述したカソードブロック、前述したカソード構造体又は前述したカソードの使用にも関する。
【００６０】
以下に、例示のみで有利な実施形態を用いて、添付の図を参照しながら本発明を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の第１の実施形態に基づくカソード構造体を備えるアルミニウム電解槽の部分的な横断面図である。
【図２】図１に示したアルミニウム電解槽のカソード構造体の長手方向断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に基づくカソード構造体を備えるアルミニウム電解槽の長手方向部分断面図である。
【図４】図３に示したアルミニウム電解槽のカソード構造体の断面図である。
【図５】本発明に基づくカソードブロックの溝の中に設けられている窪みの横断面図の例である。
【図６】本発明の第３の実施形態に基づくカソードブロックの長手方向断面図である。
【図７】本発明の第４の実施形態に基づくカソードブロックの長手方向断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００６２】
図１は、カソード構造体１２を備えるアルミニウム電解槽１０の部分的な横断面図であり、このカソード構造体は、同時に、電解槽１０の作動中に生成されるアルミニウム融剤１４とアルミニウム融剤１４の上部にある氷晶石アルミナ融剤１６のための容器の底面を形成している。氷晶石アルミナ融剤１６とアノード１８は接触している。アルミニウム電解槽１０の下部によって形成されている容器は、側面が炭素及び／又はグラファイトから成る内張り（図１に図示されていない）によって境界づけられる。
【００６３】
カソード構造体１２は多数のカソードブロック２０を備えており、それぞれがカソードブロック２０の間に配置されているラミング材継ぎ目２２の中に挿入されているラミング材２４によって互いに接続されている。この場合、カソードブロック２０の下面には、直角の、すなわちほぼ矩形の断面を備える２つの溝２６が配置されており、それぞれの溝２６の中には同様に直角の断面を備える鋼鉄製の母線２８が１本ずつ収容されている。
【００６４】
これらの溝２６はそれぞれ、カソードブロック２０の側壁３２及び底面壁３４によって境界づけられ、各側壁３２においては、ほぼ半円形の断面を備える窪み３６がほぼ垂直に側壁３２の中まで延伸している。各窪み３６は、カソードブロック２０の上部及び下部の移行部分３７によってそれぞれ境界づけられる。本実施形態の移行部分３７は、隣接する溝壁部分と窪みの壁との間の角度αが９０度で形成されている。この場合、母線２８と溝２６との間の中間スペースは、それぞれ鋳鉄３８が鋳込まれている。このとき、鋳鉄３８は母線２８の被覆３９を形成しており、母線２８と接着接合している。
【００６５】
さらに、窪み３６の中に収容されている鋳鉄３８は、窪み３６を境界づけるカソードブロック２０の材料とそれぞれポジティブ結合を形成し、これによって、鋳鉄３８と接続している母線２８の矢印方向４０への移動が阻止される。
【００６６】
図１では、カソードブロック２０の長手方向端部におけるカソード構造体１２の断面が具体的に示されている。カソードブロック２０の溝２６の深さは、溝２６の長さにわたって変化している。カソードブロックの長手方向の中心部分に当たる溝２６の断面が、図１において点線４２で示されている。溝２６の長手側両端部の溝深さとカソードブロックの長手方向の中心部に当たる溝２６の溝深さとの違いは、本実施形態では約５ｃｍである。この場合、溝２６の長手方向両端部における溝２６の深さは約１６ｃｍであり、これに対してカソードブロックの長手方向の溝２６の中心部に当たる溝２６の深さは約２１ｃｍである。それぞれの溝２６の幅４４は、溝の全長にわたって約１５ｃｍでほぼ一定しており、これに対してカソードブロック２０の幅４６はそれぞれ約４２ｃｍである。
【００６７】
本実施形態において、多数のアノード１８と多数のカソードブロック２０とは、各アノード１８の幅が、並んで配置されている２つのカソードブロック２０をカバーし、各アノードの長さがカソードブロック２０の半分をカバーするように、互いに重なり合って配置されており、並んで配置されている２つのアノード１８は、それぞれカソードブロック２０の長さに重なるように設けられている。
【００６８】
図２は、図１に示したカソードブロック２０の長手方向断面図である。図２から明らかなように、長手方向断面図に見られる溝２６は、カソードブロックの中心部へ向かって三角形の形に通り、それによって、カソードの全長にかけてほぼ均等な垂直電流密度が確保される。このとき、窪み３６は、図２の該当する線によって示されているように、水平方向に、すなわち溝２６に向かい合うカソードブロック２０側の表面に対して平行に通っている。見やすくするために図２では図示されていない母線２８は、本実施形態において棒状に形成されており、矩形の長手方向断面を有しているため、母線と溝底面３４との間には、溝２６の中心へ向かって大きくなっている中間スペースがあり、この中間スペースには、鋳鉄３８又は追加的に母線２８に接続されている金属プレートのいずれかを詰めることができる。
【００６９】
本発明の第２の実施形態に従って、図３及び４に長手方向断面図と横断面図で示されているカソード構造体とカソードブロックは、カソードブロック２０内に、２つの窪み３６、３６’を有する溝２６が１つだけ設けられている点が、図１及び２とは異なっている。
【００７０】
さらに、図５ａ〜ｄでは、本発明に基づくカソードブロック２０の溝２６に設けられている窪み３６の例が横断面図で示されている。この場合、窪み３６はそれぞれ、ほぼ半円形の断面（図５ａ）、ほぼ台形の断面（図５ｂ）又はほぼ三角形の断面（図５ｃ）を有している。窪み３６の壁と、隣接する溝壁３２の部分との間の移行部分３７にできる角度αは、カソードブロック２０の内側から見て、この場合、図５ａで約９０度、図５ｂで約１２０度、図５ｃで約１２５度である。図５ｄは、挿入する母線２８を確実に保持するために、図５ｃで示したような三角形の断面を持つ多数の窪み３６が、溝２６の深さ方向に順番に配置されている実施形態を示している。この場合、互いに隣接する２つの窪み３６の間の移行部分４８は、互いに隣接する２つの窪み３６の壁と壁の間に、カソードブロック２０の内側から見て、約７０度の角度βを有している。図５ａ〜ｄに示されている窪み３６は、それぞれが溝２６を境界づけるカソードブロック２０の側壁３２の中まで垂直に延伸しているため、窪み３６に収容されている鋳鉄と共に固定部を形成しており、これが溝２６の深さ方向に有効に作用し、母線２８に鋳鉄３８を鋳込んだ後で、母線２８が意図せずに溝２６の深さ方向に対して平行に動くのを阻止するが、例えば、大きな温度変化によって鋳鉄で被覆された母線が膨張すると、鋳鉄で被覆された母線の水平方向への動きは許される。
【００７１】
図６は、本発明の第３の実施形態に基づくカソードブロック２０の長手方向断面図を示しているが、とくに、電解槽における後の取付けに関して、液状の鋳鉄を鋳込む間の配置を示すために、図１〜４に示されたものとは異なり上下が逆になっている。このカソードブロック２０は、溝２６を境界づける壁の中に窪みを有さないという点が、図１〜４とは異なっている。その代わり、このカソードブロック２０は、溝２６の中に突出部５０を有し、この突出部は、カソードブロック２０の長手方向の中心部に配置されており、カソードブロックの長手方向の断面で見て、台形に形成されている。このとき、カソードブロック２０の底面壁３４に向かい合う突出部５０の側を境界づける面は、平面的で、矩形であり、かつ溝に向かい合うカソードブロック側の表面に対して平行に通るように形成され、それによって２つの母線２８のエンドピース用の接触面を形成している。もちろん、溝２６を境界づけるカソードブロック２０の側壁の少なくとも１つ又は両方にそれぞれ、図１及び２に示されているような１つの窪み、又は図３及び４に示されているような２つの窪みが設けられていてもよい。
【００７２】
さらに、図７には、本発明の第４の実施形態に基づくカソードブロック２０の長手方向断面図が示されており、とくに図１〜４に示されたものとは異なり上下が逆になっている。このカソードブロック２０は、この図に斜線で示されている突出部５０が、カソードブロックの長手方向の断面で見て、台形に形成されているのではなく、その下部が矩形に形成されている点で図６とは異なっており、カソードブロック２０の底面壁３４に向かい合う、突出部のこの部分の側面に、カソードブロック２０の長手方向で見て中央に配置されているラグ５４が設けられており、このラグは、突出部５０の残りの高さにわたって延伸している。言い換えると、少なくとも１つの突出部５０の、底面壁３４に向かい合う側は、カソードブロックの長手方向に見て、２つの外側部分５２、５２’及びその間に配置されている中心部分５４を備える面によって境界づけられており、２つの外側部分５２、５２’は、それぞれが母線２８用の接触面を形成しており、それぞれ平面的で、矩形であり、かつ溝に向かい合うカソードブロック２０側の表面に対して平行に通るように形成されており、溝２６の深さに関して、同じ高さにあり、これに対して中心部分５４は、底面壁３４から見て、２つの外側部分５２、５２’に対して溝２６の中まで突出するように形成されている。このとき、中心部分５４は、カソードブロック２０の長手方向の断面で見て、矩形に形成されているため、２つの外側部分５２、５２’と中心部分５４との間には、それぞれ段が形成されている。もちろん、溝２６を境界づけるカソードブロック２０の側壁の少なくとも１つ又は両方にそれぞれ、図１及び２に示されているような１つの窪み、又は図３及び４に示されているような２つの窪みが設けられていてもよい。
【符号の説明】
【００７３】
１０  アルミニウム電解槽
１２、１２’  カソード構造体
１４  アルミニウム融剤
１６  氷晶水アルミナ融剤
１８  アノード
２０  カソードブロック
２２  ラミング材継ぎ目
２４  ラミング材
２６  溝
２８  母線
３２  側壁
３４  底面壁
３６、３６’  窪み
３７  窪みの壁と、隣接する溝壁の部分との間の移行部分
３８  鋳鉄
３９  被覆
４０  矢印
４２  点線
４４  溝２６の幅
４６  カソードブロック２０の幅
４８  互いに隣接する２つの窪みの移行部分
５０  突出部
５２、５２’  突出部の外側部分
５４  突出部／ラグの中心部分
α  窪みの壁と、隣接する溝壁の部分との間の角度
β  互いに隣接する窪みの壁の間の角度
【図１】
2016516905.tif 000002
【図２】
2016516905.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５ａ）】
2016516905.tif 000006
【図５ｂ）】
2016516905.tif 000007
【図５ｃ）】
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【図５ｄ）】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
2016516905.tif 000012
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