JPS6256958B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はアルミニウム製造用電解還元槽に関
し、さらに詳しくは、そのような還元槽における
カソード集電についての問題に関する。このよう
な電解還元槽は、電解液がアルミナAl₂O₃を溶解
して含む溶融氷晶石Na₃AlF₆からなり、そして電
解を電解液中に懸架されたアノードと槽の底のカ
ソードとの間で行なうタイプのものである。慣用
の槽においては、槽の底は、外部電源に接続され
た鋼部材を埋め込んだ炭素から構成されている。
その炭素ポツトライニング材は電流を鋼接続部材
へ伝えるが、炭素はどちらかというと不良電導体
であり、その結果として槽電圧が、もし一層良好
なカソード集電体を用いた場合には用いられるで
あろう槽電圧よりも、高い値である。

従来の技術 米国特許第3093570号（デウエイ）及び英国特
許第2065174号（オデク）の両明細書には、外部
電源への接続用のアルミニウム製スラブに装着さ
れた二硼化チタン（TiB₂）のカソードが開示され
ている。TiB₂は炭素よりも良好な電導体である
が、高価であり、成形が困難であり、機械的強度
が低く、熱膨張係数が炭素、アルミナまたはその
他のポツトライニング用材料の熱膨張係数よりも
非常に大きい。

必然的に起こる電解液による滲透に一部起因し
て、普通、槽のライニング材は寸法安定性がな
い。槽の就役中に、ライニング材が普通膨張する
が、その膨張は一様ではない。その結果として、
槽底埋設カソード集電体及び壁面は予想しえない
態様で圧縮力及び剪断力に付される。一体的（モ
ノリス）TiB₂集電体はそれらの力の作用で破壊
され、その電流通過性が著しく損われる。これら
のすべての理由によつて、固体TiB₂カソードは
今までに何らの有意義な商業的成功を収めていな
い。

アルミニウム金属のカソード集電体を用いるこ
とは、便宜でありかつ安価であろう。しかしなが
ら、アルミニウムが通常の槽運転温度（950〜980
℃）よりもはをかに低温（660℃）で溶融すると
いう事実は、そのようなアルミニウム製集電体の
高温側の端部が流動化してしまうであろうが、原
理的にはそのような集電体を不適当にすることは
ないことを、意味するものである。しかしながら
実際上は、熱対流及び磁気的効果が溶融金属の効
果的な撹拌を引き起こすことが見出されている。
これは固体―液体境界の下方への移行をもたら
し、また熱移動の望ましくない増加をもたらす。
またアルミナ、氷晶石及びその他の相の凝固がそ
の溶融金属中で生じることもある。これらの理由
のために、そのような集電体は、特別な注意を払
わない限り、使用できない。

米国特許第3607685号（ジヨンソン）明細書に
は、これらの問題を克服するように意図された
種々のタイプのカソード集電体が開示されてい
る。一つのタイプのものは、多数の平行に空隙を
もつて配列された棒体または繊維を溶融アルミニ
ウムで包囲したものを収納した耐火性外管よりな
るものであり、溶融金属の循環を拘束するように
意図されたそれらの棒体または繊維はアルミニウ
ム金属で湿潤される材料から作られるか、または
そのような材料で被覆されているものであつてよ
い。もう一つのタイプのものは、市販一次アルミ
ニウムよりも高い融点及び高い粘度を有するアル
ミニウム合金を使用するものである。さらに別の
タイプのものは、複数の導電アセンブリイを用い
るものあり、各アセンブリイが耐火管とアルミニ
ウムコア導電体とからなり、各アセンブリイの高
温側端部が槽ポツトライニング中のボウル形凹所
の底に位置されるようになつている。

上記ジヨンソンの米国特許明細書に開示された
すべてのタイプは、溶融アルミカソード（「パツ
ド」）と接しているカソード集電体の部分が溶融
されて、パツドと混合されることによつて特徴付
けられるものである。我々は、このように集電体
の上方部分における導電材として溶融アルミニウ
ムを使用すると、集電体の設計及び配置に著しい
制限を課することを発見した。この種の集電体
は、相伴なう磁界が可及的に低い水準に維持され
る場合にのみ横断面が低い水準に保たれないなら
ば、磁気による撹拌が高速の溶融金属を生じさ
せ、前記の問題をもたらす。

発明が解決しようとする問題点 上記米国特許第（ジヨンソン）明細書では、磁
気撹拌を妨げるために溶融金属内で耐火性棒体ま
たは繊維（複数）を用いることが示唆され、また
顆粒状耐火物を使用することはその目的のために
は効果的でないと記載されている。しかしなが
ら、我々は磁気撹拌を妨げるのに充分な（非電導
性）耐火物材料を含むと同時に充分な電導性を与
えるに足る溶融金属をも合せて含むカソード集電
体を設計することは実際には困難であることを発
見した。

問題点を解決するための手段 本発明は上記の問題を解決するために電導性で
ありかつ集電体の主要容積部分を占める耐火性物
質を溶融金属と組合せて使用することを目的とす
るものである。かかる新規な組合せ構成の利点を
もたらすいくつかの設計例を本明細書で以下説明
する。

かくて本発明は、ポツトライニング材とそれに
埋め込まれた少なくとも一つのカソード集電体と
を有するアルミニウム製造用電解還元槽であつ
て；容積の主要部分をなす不連続の、電導性、か
つアルミニウム金属で湿潤されうる複数の物体片
を、アルミニウム含有金属で接合し、または包み
込むことによつて構成された部分（セクシヨン）
をカソード集電体が有し；かつ電解還元槽が運転
されているときにはそのアルミニウム含有金属が
少なくとも部分的に流動性となるようにその部分
（セクシヨン）が配置されている；上記電解還元
槽が提供される。

その金属湿潤性物体片の容積比率は、槽中の集
電体のデザイン及び意図された設置位置との関連
において、磁気撹拌からもたらされる急速な金属
の運動を実質的に防ぐのに足る比率であるよう
に、選定されるべきである。普通、該部分（セク
シヨン）は少なくとも60容量％、そしてしばしば
80容量％以上の金属湿潤性物体片と、残りの容積
を占める金属と、からなる。普通（しかし必ずで
はないが）、金属湿潤性物体片は少なくとも30
％、そしてしばしば50％以上の電流を導き、従つ
て溶融金属は少比率の電流を導くにすぎないこと
が多い。このような状況下では、溶融金属は、相
隣れる金属湿潤性物体片同志の間の電気接続を与
える柔軟点接続部と見做すことができる。運転の
場合、そのような集電体は、耐火性物質の一体的
（モノリス）バーよりも、ポツトライニングにお
ける寸法変化によつて引き起される損傷を受けに
くい。

金属湿潤性物体片は、密充填整列状態で（すな
わち各物体片が隣の物体片と相接して）存在する
のが好ましい。物体片は、粉体、または顆粒、ま
たは不揃いな形の小片の形体であつてよい。ある
いは物体片は、集電体の横断面と同じ面積の板ま
たは円板の形であつてもよく、一緒に積み重ねら
れることにより集電体を形成するようなものであ
つてよい。

好ましくは、集電体の横断面よりも小さい横断
面を有する規則的形状であつて、溶融金属の磁気
撹拌によつて容易には位置移動されない大きさの
成形体を用いる。従つて、集電体の横断面をラン
ダムに採つた場合には、横に並んだ数個、例えば
２〜８個の成形体の横断面が含まれるのが普通で
ある。そのような成形体は製造を容易にするため
に球状であつてよいが、種々の操作上の理由によ
つて、成形体は立方体状または直方体状であるの
が好ましく、殊に成形体はいくつかの面を集電体
の縦軸と平行に、また他の面をその軸に直角にな
るように配列されるのが好ましい。成形体が直方
体状であるときには、普通、それらの長い寸法部
分を集電体の縦軸と並列に整列するのが好まし
い。

立方体または直方体状の成形体を（前記の金属
湿潤性物体片として）使用する場合にもたらされ
る一利点は、それらが一緒に良好に充填して、集
電体のその部分（セクシヨン）の容積の主要部
（ほとんど100％近い）を占めることである。成形
体同志の間の隙間で、金属は主として薄膜の形で
存在する。成形体が埋め込まれた（あるいは、包
み込まれた）この金属は、槽の運転中には溶融さ
れるけれども、その小さな容積は、従来は問題を
引き起こした対流や磁気撹拌の影響効果を最小化
する。

別の一利点は、例えばその縦軸に平行及び直角
に配列され、Al含有金属中に埋め込まれた立方
体または直方体状の成形体（複数）から構成され
た円筒形の集電体は、半径方向の圧縮力に著しく
耐えうることである。そのような配列は容易には
押し潰されず、軸方向に容易には引き伸ばされな
い（成形体が例えば球状であるときにはそのよう
な変形が生じうる）。他方、そのような配列は、
剪断力（殊に集電体の縦軸に直角な方向の剪断
力）には非常に弱い。そのような配列が剪断力に
降伏したときには、流体金属が電流の伝導を維持
する。物体片または成形体は、溶融Al及び溶融
電解質の両者による侵食に耐える電導性の、Al
湿潤性の材料によつて作られる。適当な材料の一
例は二硼化チタン（TiB₂）であり、別の一例は
TiB₂／Al複合体であつて、運転の主要条件下で
固体のままであるのに充分に低い割合のAlを含
むものである（例えば殴州特許第115688号明細書
に記載されているものである）。さらに別の一例
はTiB₂／Al₂O₃／Al材料で適切な電導率を有する
に足る高割合のTiB₂を含むものである（例えば
殴州特許第116809号明細書参照）。これらの場合
に、Al含有金属は、成形体（または物体片）を
腐食から保護するというもう一つの機能をも果
す。高温度においては、これらの材料、すなわち
溶融Al；TiB₂／Alサーメツト；TiB₂；TiB₂／
Al₂O₃複合体；の電気抵抗値は、それぞれ、約25
マイクロオーム・cm；約50マイクロオーム・cm；
約60〜70マイクロオーム・cm及び約100マイクロ
オーム・cm以上である。

図面により本発明をさらに説明する。

第１図において、電解還元槽はアノード１０、
溶融氷晶石をベースにした電解液１２、カソード
をなす溶融アルミニウム層１４、槽ポツトライニ
ング材１６を有し、その全体がアルミニウム金属
のスラブ１８上に乗つている。ポツトライニング
中に埋め込まれたカソード集電体は、アルミニウ
ムによつて包み込まれた立方体状の成形体２２の
整列体からなる上方部分（セクシヨン）を含んで
いる。そのアルミニウムは、槽が運転中には少な
くとも部分的に流動状になる。またカソード集電
体は、アルミニウム金属の固体棒２４から構成さ
れる下方部分（セクシヨン）も含んでいる。成形
体２２は、溶融アルミニウム及び電解液の両者に
耐える電導性、金属湿潤性（溶融金属で湿潤され
うる）の耐火材料、例えば二硼化チタンから作ら
れる。その上方部分（セクシヨン）は５cm×５cm
平方の横断面を有し、４個の立方体からなる層を
複数含んでいる。この部分（セクシヨン）は、立
方体の整列体を溶融アルミニウムで真空含浸する
ことによつて作ることができる。

第２及び３図においては、槽ライニング材１６
中に埋め込まれたカソード集電体は、垂直に配置
され、アルミニウム（これは槽の運転中に少なく
とも部分的に流動性となる）によつて接合された
３枚の板２６から構成された上方部分（セクシヨ
ン）と、アルミニウム金属の固体棒２４から構成
された下方部分（セクシヨン）と、からなつてい
る。板２６の頂部縁は、２８で槽中の溶融アルミ
ニウム金属層１４と接触し；そしてポツトライニ
ング材１６中に形成され、金属湿潤性固体球３４
（例えばTiB₂製またはTiB₂で被覆された球）で満
たされそれらの球の隙間に溶融金属が介在してい
る凹所３６内に配置されている。各板２６は上方
部分（セクシヨン）の長さに相当する長さと、上
方部分（セクシヨン）の巾の半分に相当する巾を
有しており、それらの長さ及び巾は厚さと比較し
て大きいので集電体は矩形の横断面である。これ
らの板はTiB₂／Al複合体から作られるのが好ま
しい。

第４図において、槽ライニング材１６中に埋め
込まれたカソード集電体は、槽の溶融内容物と接
触している固体キヤツプ２０（これは省略でき
る）、TiB₂の４層の板３０の積層体から構成され
る上方部分（セクシヨン）、及びアルミニウム金
属の固体棒２４から構成される下方部分（セクシ
ヨン）からなつている。板３０はアルミニウム金
属で接合され、包み込まれている。そのアルミニ
ウム金属は槽が運転されているときには少なくと
も部分的に流動状態になる。運転中にポツトライ
ニング材が動いて、その結果としてカソード集電
体が変形されてしまつている。２枚の板３０が３
２で破壊されてしまつているが、それらのギヤツ
プは溶融金属で満たされてしまつているので、電
導性は実質的に不変である。

第５図において、金属パツド１４は、金属湿潤
性固体球３４の単層で安定化されていることが示
されている。カソード集電体の頂端部３８は、ポ
ツトライニング材中の凹所３６の底端部に配置さ
れている。集電体バーは、Al₂O₃の管４２内に積
み重ねられたTiB₂／Al複合材製の複数の板４０
の積重体よりなつている。個の板はホツトプレス
法で作ることができる。これらの板の積重体は
Al₂O₃管内で電気接続を与えるためのアルミニウ
ム金属中に鋳込まれている。

第６図では、槽は金属で湿潤されたパツキン３
４で安定化された溶融金属パツド１４を有するよ
うに示されているが、溶融金属パツドが必らずし
もそのように安定される必要がないことは了解さ
れるべきである。凹所３６は金属で湿潤されたパ
ツキンで満たされており、それらのパツキンの間
隙には溶融金属が入り込んでいる。パツキンの間
隙の寸法は電解質及びスラツジが侵入し得ないよ
うな寸法である。そのカソード集電体の頂部は凹
所の底に配置されており、TiB₂の固体ブロツク
またはキヤツプ２０から構成されている。集電体
の上方部分（セクシヨン）はアルミニウム金属の
マトリツクス中に含まれた粉体または顆粒のバー
４４であり、このバーは950℃と550℃の等温線の
間の区域にわたつて延在している。その粉体また
は顆粒はTiB₂またはTiB₂／Al₂O₃であつてよい
が、好ましくは殴州第116809号明細書に記載され
る如きTiB₂／Al₂O₃材から作つたものである。そ
のバーは、粉体及び顆粒の骨材を所要の形状に押
し固め、それを溶融アルミニウムで真空含浸し、
それを冷却することにより作ることができる。

一例においては骨材床は三つの異なる寸法範囲
の物体片（すなわち直径19mm以下の球体、寸法２
〜３mmの顆粒、及び75ミクロン以下の粉体）から
構成した。バー中の固体物質の高割合（80容量％
以上）の結果として、この材料は電流の大部分を
伝えた。さらには、固体が分散された溶融金属を
介しての曲折した通路を電流が流れなくてもよか
つた（そのような溶融金属の通路は磁気に基く流
動力を生じさせるおそれがある）。従つて磁気撹
拌とそれに原因する固体物質の位置変動の結果と
しての溶融金属の急速な移動は効果的に低減され
た。

バー１４の下端部は４６において固体アルミニ
ウム棒２４へ溶接されている。槽は、鋼製外殻４
８を有しており、棒２４はその殻を貫通して、ア
ルミナ鋳造性コンパウンドまたは耐火性繊維ロー
プ製の気密シール５２を経てアルミニウム製母線
５０まで伸びている。棒２４及び母線５０の寸法
は、接合部４６の温度を約500℃に維持するに足
る熱を集電体から引き出すような寸法とされる。
ポツトライニング材は２層の形で示されており、
その内層１６は板状アルミナ骨材の層であり、外
層５４は冶金用品位のアルミナ粉末の層である。

上記の各デザインには、以下説明するように
種々の変更が可能である。

本発明の電解還元槽において、アノード、電解
質（電解液）及びカソードの種類は要件ではな
く、従来の槽で用いられたものであつてよい。殊
に、カソードは、槽の底床の上の溶融金属溜で構
成されてよい。磁気による流動力学的乱流が金属
の渦巻き及び波を形成することがあること、及び
これは金属溜中にバツフルまたは固体障害物を設
けることによつて低減しうることは、公知であ
る。別法として、カソードを溶融金属／電解液の
界面の水準よりも高い位置に上昇してもよい。あ
るいは、溶融金属が形成されると同時にそれを取
出用溝に流すことによつて、槽がほとんど溶融金
属を保留しない状態で、固体カソードを用いて槽
を運転することもできる。

本発明のカソード集電体がアルミナのような非
電導性ライニング材の使用を可能とすることは、
本発明の一利点である。従つて、槽のキヤビテイ
のほとんどに、粉末Al₂O₃を可及的に良く押し固
めて満たし、その上面には高密度の板状アルミナ
骨材またはレンガを設けるようにすることができ
る。慣用の炭素ライニング材の場合にも、そのよ
うな炭素の低い電導度に依存するよりも、本発明
のカソード集電体を有利に使用できる。

本発明の電解還元槽のその他の特徴としては、
殊に、集電体の高温側の端部を槽の底床中の凹所
の底に位置させうることである。その凹所は円形
であつても、あるいは槽内の溶融金属溜中の磁場
に直角な方向に延びて溝を形成するようになつて
いてもよい。凹所は金属湿潤性物体片で満たされ
ていてもよく、それらの片の間の間隙は、槽の運
転中には、溶融金属で満たされ、そして電解質ス
ラツジの侵入を防ぐような寸法としてもよい。

カソード集電体は、電解液または槽の底床上の
溶融Al溜と接している高温端部から、槽の外殻
または外部母線へ接続される低温端部まで、延在
している。集電体、及びそれが埋め込まれたライ
ニング材は、槽の運転中に、槽内の950〜980℃か
ら外側のおそらく200℃程度までの温度勾配を生
じさせる。ライニング材への電解質（電解液）の
滲入は、滲入電解質がその固相線温度に達するま
で継続する。そのような固相線温度は、ライニン
グ材の種類に依存して、650〜880℃の範囲内とな
ろう。電解液によるライニング材への滲入及びそ
れによるライニング材の膨張または変形が生じ易
いところでは、金属中に埋め込まれた成形体の整
列体からなる集電体の部分（セクシヨン）が特に
有用である。その高温端部において、この部分
（セクシヨン）は槽内の液体成分と電気的及び熱
的に直接に接触するようにできる。別法として、
集電体の高温端部は、TiB₂のような耐火性材料
の一体的（モノリス）ブロツクから構成して、そ
のブロツクの低温側に、金属内に埋め込まれた成
形体の整列体を配置してもよい。その部分（セク
シヨン）は低温端部で固体金属線、例えばアルミ
ニウム棒に接合されていてよい（但しその接合部
が500℃以下の温度であることを条件とする）。

カソード集電体の部分（セクシヨン）は、金属
湿潤性成形体をアルミニウム含有金属中に鋳込む
ことによつても製造できる。一つの問題は、比較
的短い鋳込み時間中に成形体が必ずしも金属によ
つて充分に湿潤されないことである。金属が槽の
運転中に再溶融されるならば、これは問題とはな
らない。しかし、その部分（セクシヨン）の一部
が槽の運転中にその金属の融点以下（典型的には
約660℃以下）にとどまるならば、成形体が金属
によつて良く湿潤されないことによつて、電気抵
抗が高くなることがありうる。

この問題の一解決方法は、成形体が埋め込まれ
ているそのAl含有金属が槽の運転中には、その
部分（セクシヨン）の全長にわたつて流動体化す
るように、その部分（セクシヨン）を配置するこ
とである。従つてその部分（セクシヨン）は、運
転中に溶融されるような部位にのみ配置される成
形体を鋳込んだ棒体からなるようにすることがで
きる。そのような部分（セクシヨン）をもつ集電
体を作るために便宜な一方法は、小さい下方部分
と大きい上方部分とを有する金型を用いることで
ある。そのような金型での鋳造物を、上下逆さに
すれば、集電体とすることができる。溶融アルミ
ニウムを注ぎ込む前に、成形体の整列体を下方部
分中に、（上下逆にした鋳造物を槽に組み込むと
きに）成形体が固体アルミニウム／液体アルミニ
ウム界面のすぐ上になるような、高さまで詰める
のである。液体金属よりも成形体が高密度である
ならば、槽の運転中に界面まで少し沈下するであ
ろう。鋳造物の凝固中に収縮による成形体の表面
の周囲の亀裂は、この場合には問題にならない。
なんとなればその領域は槽の運転中に再溶融する
からである。この界面より下方には導線へ例えば
溶融により容易に溶接できる固体金属棒が設けら
れる。TiB₂及び欧州特許第115688号明細書に記
載されたTiB₂／Alサーメツトのような電導性、
金属湿潤性材料は、ホツトプレス加工によつて容
易に薄いシートの形にすることができ、これは次
いでアルミニウム金属と積層してサンドイツチ構
造とすることができる。

これらのシートは0.5〜５cmの厚さの矩形片と
して製造するのが好都合である。そのようなシー
ト片の巾は特に要件ではなく、集電体バーの当該
部分（セクシヨン）の設計巾であるのが適当であ
ろう。

一体に積層されるそのようなシートの枚数は、
集電体バーにおける所望の電流密度によつて決定
され、シートの巾と逆比例関係で変化する。一体
に積層されるシートの巾と枚数は、ホツトプレス
用ダイの制限及び個々のシートの機械的強度を考
慮して、ホツトプレス工程数を限定するように選
定できる。集電体バーの巾は２〜12.5cm、普通は
３〜６cmの範囲となろう。従つて一体に積層され
るシートの枚数はそれに対応して、６〜１枚、普
通は４〜２枚となろう。

積層体の製造はアルミニウムに鋳込むことによ
つて行うことができる。別の方法は、Alで予め
湿潤した一束のシートを形成し、次いで集電体バ
ーに沿つて点状または連続的にアルミニウムで溶
接することである。別の一方法は、シートの間に
アルミニウム箔をはさみ込んで束状として、これ
を不活性雰囲気中または真空炉中でアルミニウム
の融点以上に加熱することであり、その束を冷却
すれば一体となつた単位ができる。

集電体バーはアノードシヤドウの下で一様に変
形されてもよく、あるいは磁場不均衡を打消すよ
うに幾分か位置がずらされてもよい。集電体バー
の数は、各個の電流負荷値によつて左右される。
これは普通は集電体１個当り１〜10KA、好まし
くは３〜6KAの範囲であろう。集電体バーの最
適数は、磁気の影響、経済性、そして（実用の場
合には）現存している母線の配置によつて左右さ
れる。従つて最小電流値は、経済性（すなわち多
数の母線のコスト）及び母線の機械的一体性によ
つて制限される。最大電流値は局部的な磁気的な
流動力学効果によつて制限される。

例えば、175KAの電解還元槽は18個の集電体
バーを２列にして有し、各集電体バーが4.9KAの
電流を流がす。22m²の全アノード面積について
は、集電体バー１個当り0.6m²となろう。これに
よれば0.8A／m²のアノード電流密度が推定され
る。

カソード集電体の上方部分（セクシヨン）の横
断面積はほとんどの場合に５〜75cm²の範囲で選定
される。これにはいくつかの因子が寄与する。そ
の横断面積が可成り小さいならば、比表面積は可
成り大きくなり、これはポツトライニング材との
望ましくない熱交換及び腐食に結び付く。もし横
断面積が可成り大きければ、非常なコストダウン
及び熱損失低減を集電体バーにもたらすであろ
う。横断面積は、過度の電圧降下なしに所望の電
流を流がすのにほぼ必要な最小値であるのが好ま
しい。これは高価な耐火物材料の使用を最小化す
るのみならず、抵抗発熱が集電体の温度を高く保
持し、集電体が槽から過度の熱を引き出さないよ
うにする。集電体設計のこれらの原理のいくつか
は、インターサイエンス・パブリツシヤー発行
（1963）C.Gerand編「Extractive Metallurgy of
Aluminium」第２巻、第131頁にG.C.Seagerによ
つて検討されている。

この集電体の上方部分の横断面の形状は、必須
要件ではない。比表面積を最小化するためには矩
形（正方形）または円形の断面を用いるのが便宜
である。しかし、集電体の頂端部が槽底床中の溝
の底に位置されている場合は、上方断面が溝の方
向に引き伸ばされている集電体を用いるのが好ま
しいであろう。

カソード集電体の頂端部は、溶融アルミニウム
の侵食に耐える電導性耐火材料の固体ブロツクま
たはキヤツプによつて構成されていてよい。適当
な材料の一例はTiB₂であり、別の一例は運転条
件下で固体のままであるように充分に低比率の
Alを含むTiB₂／Al複合体である。

そのような固体ブロツクまたはキヤツプは三つ
の目的に役立ちうる。それは磁気に起因する流動
力学的効果による集電体からの小さい骨材粒子の
移動脱出を防ぎうる。それは集電体の下方部分
（セクシヨン）からの合金元素（使用される場
合）の拡散の速度を低減させる。またそれは、平
行棒体の整列体中に形成されるような溝（チヤネ
ル）を閉めて、溝の間での溶融金属の循環を低減
させる。固体ブロツクまたはキヤツプの位置は、
電流の密度及び方向の変化が磁気圧力勾配を生じ
させるところであり、もしそのような勾配が固体
物体内で生じれば、その勾配は金属を駆動させえ
ない。しかし固体ブロツクまたはキヤツプは任意
であり、これらの考え方が良好でなければ省略で
きる。

第５図に示した別のデザインでは、固体物質の
規則的整列体は耐火生物体片の積重体から構成さ
れてもよく、その耐火性物体片は板の形状である
のが適当でありうる。板状体は一方の面に凹部、
他方の面に対応する凸部を有して、積み重ねの時
の整列を助長するようにできる。板状体の「厚
さ：直径」の比率は要件ではなく、製造上の経済
的及び技術的制限に応じて最適化できるが、その
幾何学的形態はホツト・プレス法による製造に特
に採用できる。

個々の板状体同志間の電気的接触は、積重体全
体をアルミニウム中に鋳込むことによつて確保さ
れる。積重体は、金型として作用する一端部を閉
じたアルミナの大きな直径の管内に置くことがで
きる。また真空鋳造法も使用できる。

前述のように、規則的な成形体であつて、集電
体の横断面よりも小さな横断面を有する成形体を
用いるのが好ましい。正方形や矩形体以外にも、
その他の成形体、例えばその横断面がいくつか一
緒になつて集電体バーの全横断面を実質的に占め
うるような成形体を使用できる。三角形、五角
形、六角形及び複雑なジグソウタイプの成形体を
例として挙げることができる。

別のデザインでは複数の棒体または繊維を相互
に平行にかつ集電体軸に平行にした束の形で使用
する、それらの間の空隙はアルミニウム含有金属
で充填される。普通は、密充填状態の棒体または
繊維の集合体を用いることが必要であろう。均等
な直径の密充填状態の円筒状棒体の集合体は全容
積の78％を占めるが、いろいろな直径の棒体及び
繊維を用いることによつてさらに高い占有率を達
成できる。

このデザインのものは、例えばアルミナまたは
Al₂O₃鋳造可能コンパウンドの大きな直径の耐火
性管を用いることによつて作ることができ、その
ような管は、金属を棒体または繊維の周囲に注ぎ
込むときに金型として作用し、そして集電体が運
転中に作用するときはその外表面として働く。モ
ールド組立体は平行な棒体の整列体を用いること
により、または大きな直径の管内で作ることがで
き、（その全体を底で閉じて）金属を注ぎ込み、
凝固させる。その底端部及び頂部の収縮空洞を切
除した後には、そのモールド組立体はカソード集
電体の一部分（セクシヨン）として使用できる状
態にある。集電体のこの部分（セクシヨン）の別
のデザインにおいては大直径の耐火物管を用いる
こともできる。すべての場合に大直径管の内面は
電解質よりも優先して溶融金属によつて湿潤され
るものであるべきである。もしこの内面が電解質
によつて優先的に湿潤されるならば、溶融電解質
は管の内面に沿つて侵入することができ、金属を
追い出し、それにより電気抵抗を増大させる。

他方、大直径管の外面は電解質により優先的に
湿潤されるものであるべきである。その管の外側
では、電解質の多少の滲出は問題とはならない
が、溶融金属の滲出は問題を生じさせることがあ
る。

これらの集電体部分（セクシヨン）を予め鋳造
する場合には、溶融アルミニウム（市販品位また
はそれよりも高純度のもの）を使用しうる。これ
は相対的に高い電導度の利点及び可成り高い流動
性を低い融点との欠点を有する。もし後者の欠点
が重要であるならば、低流動性及び／または高融
点をもつ合金を用いるのが好ましいであろう。適
当なものはアルミニウムと、鉄、チタンまたはモ
リブデンとの合金であり、後者の二つの合金は、
液体アルミニウム中でのそれらの金属間化合物の
溶解度が普通は低いので好ましい。特に好ましい
ものは、そのような合金で硼素をも含むものであ
り、例えば市販品としては10％のTi及び１％の
Ｂを含む「TIBOR」（商標）がある。これらのア
ルミニウム合金は分散状態のTiB₂の粒子と板状
構造のTiAl₃をも含み、これらの金属間化合物は
金属が流動性状態にあるときにその対流効果を著
しく低減する。

この種の合金の溶融物のキヤステイングにおい
て起こる可能性がある問題を回避するために、合
金をその場で形成させることが可能である。従つ
て、金型内に平行な耐火物棒体を組込むときに、
それらの棒の間に例えばチタンまたはモリブデン
の棒または繊維を配置することができ、溶融アル
ミニウムを金型内に注ぎ込むとそれが上記チタン
またはモリブデンと反応して所望の金属間化合物
を所要のところに形成させることができる。

集電体の下端部は、固棒電導体であり、普通
は、金属棒であり、銅または鋼の棒であつてよい
が、好ましくはアルミニウム棒である。この棒の
頂部（高温側の端部）は、不連続の、電導性、金
属湿潤性の物体片を含む部分（セクシヨン）の底
部（低温側の端部）に接続される。該部分（セク
シヨン）が固体材料の周囲にアルミニウムをキヤ
ステイングすることによつて作られる場合には、
それと同時に一体のアルミニウム棒状を鋳造して
その棒を集電体の下方端部として作用させるよう
にするのが便宜である。別法として二つの部分
（セクシヨン）を溶接により接続することもでき
る。

好ましい態様においては、その金属棒の下端部
を、槽を支持するのに充分な厚さのスラブに固定
する。このスラブは槽の基部を形成するものであ
り、槽温度を制御するための空冷用フインまたは
強制冷却用のその他の装置を有しうる。このスラ
ブは母線（電流母線）として働き、直列状態に隣
の槽のアノードに電気的に接続されている。槽の
底床がアルミニウム製であるときには、外壁はア
ルミニウムまたは鋼であつてよい。あるいは、槽
の外殻全体が鋼であつてよく、集電体の下方端部
をその外殻にボルト止めしても、またはその外殻
を貫通させて母線系へ接続させてもよい。

本明細書では、カソード集電体が垂直であると
仮定して、カソード集電体の「頂部（高温）端部
（または上方セクシヨン）」及び「底部（低温）端
部（または下方セクシヨン）」と称している。実
際にはカソード集電体は垂直であることも、ある
いは水平で槽の側壁面を貫通して延在することも
ある。あるいは垂直な高温端部が水平な金属棒へ
接続されることもある。普通は、集電体の高温端
部が槽から垂直に下方に延在するのが好ましく、
その理由は水平方向の電流及び磁場が低減され、
そして溶融金属パツド内での磁気による流動力学
的撹乱が低減するからである。

カソード集電体に沿つて、その高温端部におけ
る約950℃から低温端部におけるおそらく200℃程
度までの、温度勾配が必然的に生じる。TiB₂は
比較的高価な材料であるから、それを含む部分
（セクシヨン）の長さを短縮することは望まし
い。しかし、下方端部における金属棒がアルミニ
ウムであるならば、それが機械的強度を失なうよ
うな温度に曝されるべきではなく、従つて、金属
湿潤性物体片を含む上方部分（セクシヨン）とそ
の金属棒との間の接合部は500℃を越えてはなら
ない。熱制御を改善するために金属棒の横断面積
をその接合部から下方へ向けて大きくすることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるカソード集電体の一例を
有するアルミニウム製造用電解還元槽の部分縦断
面図である。第２図は別の構造のカソード集電体
を有する槽の部分縦断面図である。第３図は第２
図における線３―３に沿つた断面図である。第
４，５及び６図は本発明によるその他のカソード
集電体の例を示す縦断面図である。 １０：アノード、１２：電解質（電解液）、１
４：カソード、１６：ポツトライニング材、２
２：電導性、金属湿潤性物体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ポツトライニング材とそれに埋め込まれた少
   なくとも一つのカソード集電体とを有するアルミ
   ニウム製造用電解還元槽であつて：容積の主要部
   分をなす不連続の、電導性、かつアルミニウム金
   属で湿潤されうる複数の物体片を、アルミニウム
   含有金属で接合し、または包み込むことによつて
   構成された部分をカソード集電体が有し；かつ電
   解還元槽が運転されているときには、そのアルミ
   ニウム含有金属が少なくとも部分的に流動性とな
   るようにその集電体部分が配置されている；上記
   電解還元槽。 ２ 金属湿潤性物体片がその集電体部分中に密充
   填配列状態で存在する特許請求の範囲第１項に記
   載の電解還元槽。 ３ 金属湿潤性物体片のそれぞれが一様の寸法及
   び形状を有し、一つの物体片の横断面が集電体部
   分の横断面よりも小さい、特許請求の範囲第１ま
   たは２項に記載の電解還元槽。 ４ 金属湿潤性物体が立方または直方体形であ
   り、相隣れる物体片の面同志を相互に平行に配置
   されている特許請求の範囲第３項に記載の電解還
   元槽。 ５ 金属湿潤性物体片が板または薄いスラブ状で
   あり、それらの主要面を相互にまた集電体部分の
   軸に対して平行に整列されている特許請求の範囲
   第３または４項に記載の電解還元槽。 ６ 集電体部分が埋め込まれているポツトライニ
   ング材の一部が電解液による滲透を受ける特許請
   求の範囲第１〜５項のいずれかに記載の電解還元
   槽。 ７ 金属湿潤性物体片を接合または包み込んでい
   るアルミニウム含有金属が、電解還元槽の運転中
   に集電体部分の全長にわたつて流動性となるよう
   に、集電体部分を配置した特許請求の範囲第１〜
   ６項のいずれかに記載の電解還元槽。 ８ 集電体部分が、アルミニウム含有金属によつ
   て接合または包み込まれた複数の金属湿潤性の板
   の積重体よりなる特許請求の範囲第１または２項
   に記載の電解還元槽。 ９ 集電体部分が、金属湿潤性の粒子または顆粒
   充填床をアルミニウム含有金属で含浸したものか
   らなる特許請求の範囲第１または２項に記載の電
   解還元槽。 １０ 集電体の頂端部が固体耐火性、電導性物質
   のキヤツプから構成されている特許請求の範囲第
   １〜９項のいずれかに記載の電解還元槽。 １１ 電解液よりも優先して金属によつて湿潤さ
   れる内面と金属よりも優先して電解液によつて湿
   潤される外面とを有する耐火物管内に、集電体部
   分が収納されている特許請求の範囲第１〜１０項
   のいずれかに記載の電解還元槽。 １２ ポツトライニング材の材質がアルミナをベ
   ースにしたものである特許請求の範囲第１〜１１
   項のいずれかに記載の電解還元槽。 １３ 複数のカソード集電体を備え、かつ各集電
   体が横断面積で５〜75cm²の集電断面を有しそして
   １〜10KAの電流を通過させるように設計されて
   いる、特許請求の範囲第１〜１２項のいずれかに
   記載の電解還元槽。