WO2023119802A1

WO2023119802A1 - カソードアセンブリ

Info

Publication number: WO2023119802A1
Application number: PCT/JP2022/038136
Authority: WO
Inventors: 涼秋田; 泰弘小山; 拓也津田; キルジュ、ジェレミー; モレナール、デイビッド
Original assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO; SEC Carbon Ltd
Current assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO; SEC Carbon Ltd
Priority date: 2021-12-23
Filing date: 2022-10-13
Publication date: 2023-06-29
Anticipated expiration: 2024-06-23
Also published as: ZA202404420B; EP4455372B1; EP4455372A1; EP4455372A4; CN118401710A; CA3240141A1; AU2022421364A1

Abstract

カソードブロックとコレクターバーとの接続作業を簡素化することができるカソードアセンブリを提供する。カソードアセンブリ（１００）は、アルミニウム製錬用の電解炉で使用されるカソードアセンブリであって、溝（１０ａ）が設けられた炭素製のカソードブロック（１０）と、溝（１０ａ）に挿入されたコレクターバーユニット（２０）と、を備え、コレクターバーユニット（２０）は、各々が溝（１０ａ）と同じ方向に延びた形状を有し、溝（１０ａ）の幅方向に並んで配置された、金属製の二つのコレクターバー（２１）、（２２）と、二つのコレクターバー（２１）、（２２）の間隔を調整する間隔調整部材（２３）と、を含み、間隔調整部材（２３）は、ねじによって二つのコレクターバー（２１）、（２２）の間隔を調整する機構を含む。

Description

カソードアセンブリ

　本発明は、カソードアセンブリに関する。

　アルミニウム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。

　カソードブロックには、金属製のコレクターバーを介して電子が供給される。以下、本明細書では、カソードブロックにコレクターバーを接続した組立体を「カソードアセンブリ」と呼ぶ。

　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、その隙間に約１２５０℃に加熱して溶かした鉄を流し込むことで行われる。

　国際公開第２０１８／１３４７５４号には、炭素質材料からなるカソード本体と、金属材料からなる少なくとも一つのカソードコレクターバーとを備えるカソードアセンブリが開示されている。このカソードコレクターバーは、二つのバーエレメントを備えている。二つのバーエレメントの各々は、カソード本体のスロットの側面と接触する主側面と、テーパー面とを備えている。二つのテーパー面は、二つのバーエレメント間で接触ラインを形成する。

　特表２０１７－５３４７７０号公報には、炭素カソード内に組み立てられたカソード集電体アセンブリが開示されている。このカソード集電体アセンブリは、炭素カソードの下に配置される高導電性金属の集電バーを備える。この集電バーは、炭素カソードとの界面に、導電性のフレキシブルなフォイル又はシートを有する。

　米国特許第７７７６１９０号には、アルミニウム電解セルに用いられるカソードが開示されている。このカソードは、炭素カソードブロック又は黒鉛カソードブロックから選択され、内部にコレクターバースロットを有するカソードブロックと、コレクターバースロットに配置される鉄製のコレクターバーと、コレクターバースロットに内張りされる膨張黒鉛とを備える。同公報の図１０には、カソードスロット（溝）に膨張黒鉛のフォイルを配置することで、接触抵抗を低くできることが示されている。

国際公開第２０１８／１３４７５４号特表２０１７－５３４７７０号公報米国特許第７７７６１９０号

　上述した鉄を鋳込む方法は、作業負荷が大きいことに加え、鉄を溶かすための加熱や、カソードブロック及びコレクターバーの予熱にエネルギーコストがかかる。また、予熱温度が高すぎるとカソードブロックが酸化するため、予熱温度は４００～５００℃までにしか上げることができず、溶かした鉄を流し込む際にヒートショックによってカソードブロックが割れるリスクがある。

　電気炉のスタートアップは、一般的には、レジスターベーキングと言われる、抵抗熱によって昇温する手法で実施される。そのレジスターベーキングでは、電解炉に直流電流を流し、抵抗熱によって炉を昇温する。そのスタートアップにおいて、例えば、一部のカソードブロックとコレクターバーとの接触圧力にバラツキがある場合、接触圧力が高い一部のカソードアセンブリに電流が集中し、そのカソードアセンブリにおいて異常昇温が発生する。異常昇温が発生したカソードアセンブリでは、コレクターバーの熱膨張が大きくなり、カソードブロックとコレクターバーとが更に強く接触する。つまり、そのカソードアセンブリにおいて接触抵抗がより低下し、さらに電流が集中することになる。このメカニズムによるヒートショックでカソードブロックが割れるリスクがある。

　本発明の目的は、カソードブロックとコレクターバーとの接続作業を簡素化することができるカソードアセンブリを提供することである。本発明の他の目的は、電解炉の昇温時に生じる接触抵抗のバラツキを抑制することができるカソードアセンブリを提供することである。

　本発明の一実施形態によるカソードアセンブリは、アルミニウム製錬用の電解炉で使用されるカソードアセンブリであって、溝が設けられた炭素製のカソードブロックと、前記溝に挿入されたコレクターバーユニットと、を備え、前記コレクターバーユニットは、各々が前記溝と同じ方向に延びた形状を有し、前記溝の幅方向に並んで配置された、金属製の二つのコレクターバーと、前記二つのコレクターバーの間隔を調整する間隔調整部材と、を含み、前記間隔調整部材は、ねじによって前記二つのコレクターバーの間隔を調整する機構を含む。

　本発明によれば、カソードブロックとコレクターバーとの接続作業を簡素化することができる。本発明によればまた、電解炉の昇温時に生じるカソードブロックとコレクターバーとの接触抵抗のバラツキを抑制することができる。

図１は、アルミニウム製錬用の電解炉の一例の全体の構成を模式的に示す断面図である。図２は、本発明の第１の実施形態によるカソードアセンブリの構成を模式的に示す斜視図である。図３は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図である。図４は、図２のカソードアセンブリが備えるコレクターバーユニットの構成を模式的に示す分解斜視図である。図５は、本発明の第２の実施形態によるカソードアセンブリが備えるコレクターバーユニットの構成を模式的に示す分解斜視図である。図６は、本発明の第３の実施形態によるカソードアセンブリが備えるコレクターバーユニットの構成を模式的に示す分解斜視図である。図７は、図６のコレクターバーユニットが備える間隔調整部材の構成を模式的に示す断面図である。図８は、導電部材の配置の一例を示す模式的断面図である。図９は、導電部材の配置の一例を示す模式的断面図である。図１０は、導電部材の配置の一例を示す模式的断面図である。図１１は、コレクターバーの一例の構成を模式的に示す斜視図である。図１２は、コレクターバーの他の例の構成を模式的に示す斜視図である。図１３は、本発明の第６の実施形態によるカソードアセンブリの構成を模式的に示す断面図である。図１４は、ダブルスロット型のカソードブロックを備えるカソードアセンブリの一例の構成を模式的に示す断面図である。図１５は、本発明の第７の実施形態によるカソードアセンブリの構成を模式的に示す断面図である。図１６は、熱膨張によって生じる接触圧力の変化の測定に使用した試験装置の構成を模式的に示す断面図である。図１７は、試験装置の写真である。図１８は、温度と荷重との関係を示すグラフである。

　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。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。

　［第１の実施形態］
　［全体の構成］
　図１は、アルミニウム製錬用の電解炉の一例である電解炉１の全体の構成を模式的に示す断面図である。

　電解炉１は、本発明の第１の実施形態によるカソードアセンブリ１００を備えている。カソードアセンブリ１００は、図１の奥行き方向（ｙ方向）に複数並べて配置されている。カソードアセンブリ１００の各々は、炭素製のカソードブロック１０と、二つのコレクターバーユニット２０とを備えている。カソードブロック１０は、電解炉１の炉底を構成している。コレクターバーユニット２０の各々は、詳しい構成は後述するが、金属製のコレクターバーを備えており、このコレクターバーによってカソードブロック１０と電気的に接続されている。コレクターバーユニット２０の各々は、一方の端部が電解炉１の外側に引き出されている。

　電解炉１は、カソードアセンブリ１００に加えて、アノード９１、シェル９２、ライニング９３等を備えている。電解炉１の内部には、酸化アルミニウムを含む融液９４が収容されている。コレクターバーユニット２０及びアノード９１は、図示しない電源装置に電気的に接続されている。電源装置によって、カソードブロック１０とアノード９１との間に電圧が印加される。これによって融液９４中の酸化アルミニウムが還元され、アルミニウム９５が生成する。

　［カソードアセンブリ１００の構成］
　図２及び図３を参照して、カソードアセンブリ１００の構成を詳述する。図２は、カソードアセンブリ１００の構成を模式的に示す斜視図である。図３は図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図である。

　カソードアセンブリ１００は、既述のとおり、カソードブロック１０と、二つのコレクターバーユニット２０とを備えている。

　カソードブロック１０は、炭素製である。「炭素製のカソードブロック」には、ＴｉＢ_２やＴｉＣ等と炭素との複合材からなるカソードブロックも含まれる。カソードブロック１０は、好ましくは黒鉛製である。カソードブロック１０は、直方体形状であり、底面に溝１０ａを有している。溝１０ａは、カソードブロック１０の底面に加えて、カソードブロック１０の側面（図２のｘ方向に垂直な面）においても開口している。溝１０ａには、二つのコレクターバーユニット２０が挿入されている。

　コレクターバーユニット２０の各々は、二つのコレクターバー（コレクターバー２１及びコレクターバー２２）と、複数の間隔調整部材２３（図３）とを備えている。

　コレクターバー２１及びコレクターバー２２の各々は、金属製であり、好ましくは鉄製である。コレクターバー２１及びコレクターバー２２の各々は、溝１０ａと同じ方向（図２のｘ方向）に延びた形状を有している。コレクターバー２１とコレクターバー２２とは、溝１０ａ内に、溝１０ａの幅方向に並んで配置されている。溝１０ａの幅方向とは、より具体的には、溝１０ａが延びる方向（図２のｘ方向）及び鉛直方向（図２のｚ方向）の両方に垂直な方向（図２のｙ方向）である。

　間隔調整部材２３（図３）は、コレクターバー２１とコレクターバー２２との間に配置され、コレクターバー２１とコレクターバー２２との間隔ｓを調整する。間隔調整部材２３の詳しい構成、及び間隔ｓの調整方法は後述する。

　コレクターバー２１及びコレクターバー２２の各々は、溝１０ａの側面と接触する面２１１及び面２２１（図３）を有している。面２１１及び面２２１の各々は、各々が接触する溝１０ａの側面にぴったりと沿った面であることが好ましい。

　図２及び図３では、カソードブロック１０の溝１０ａが、溝１０ａが延びる方向と垂直な断面（図３のｙｚ断面）において、底面に近づくほど開口が小さくなる台形の断面形状を有する場合を図示している。この断面形状は、コレクターバーユニット２０が底面から脱落するのを抑制できるため、好ましい形状である。もっとも、溝１０ａの断面形状は任意である。溝１０ａの断面形状は例えば、矩形であってもよい。

　コレクターバー２１及びコレクターバー２２の断面形状も同様に任意である。ただし上述のとおり、溝１０ａの側面と接触する面である面２１１及び面２２１の各々は、各々が接触する溝１０ａの側面にぴったりと沿った面であることが好ましい。

　図示していないが、コレクターバー２１とコレクターバー２２との隙間には、充填材が充填されていることが好ましい。充填材は、例えばセメントである。

　同じく図示していないが、コレクターバー２１とコレクターバー２２との間等に、熱可塑性樹脂又は融点が７００℃以下の金属若しくは合金のスぺーサーが配置されていることが好ましい。具体的には、コレクターバー２１とコレクターバー２２との間（上述した充填材を充填する場合には、コレクターバー２１と充填材との間及びコレクターバー２２と充填材との間の少なくとも一方）、コレクターバー２１と溝１０ａの側面との間、及び、コレクターバー２２と溝１０ａの側面との間の少なくとも一つに、熱可塑性樹脂又は融点が７００℃以下の金属若しくは合金のスペーサーが配置されていることが好ましい。融点が７００℃以下の金属は例えば、アルミニウムである。スペーサーは、より好ましくはシート形状である。

　次に、図４を参照して、間隔調整部材２３の詳しい構成、及び、コレクターバー２１とコレクターバー２２との間隔ｓ（図３）の調整方法を説明する。図４は、コレクターバーユニット２０の構成を模式的に示す分解斜視図である。既述のとおり、コレクターバーユニット２０は、コレクターバー２１及びコレクターバー２２と、複数の間隔調整部材２３とを備えている。

　間隔調整部材２３は、コレクターバー２１とコレクターバー２２との間に、コレクターバー２１とコレクターバー２２との長さ方向に沿って、概ね等間隔で配置されている。間隔調整部材２３は、コレクターバーユニット２０がカソードブロック１０の溝１０ａ（図２）に挿入されたとき、カソードブロック１０の内側となる部分にだけ配置され、カソードブロック１０の外側となる部分には配置されていない。

　間隔調整部材２３の導電性は高くても低くてもよい。間隔調整部材２３は、例えば金属製である。

　間隔調整部材２３の各々は、一方の端部にねじ部２３ａを有し、他方の端部にねじ部２３ｂを有している。コレクターバー２１には、ねじ部２３ａと締結されるねじ穴２１ａが形成されている。コレクターバー２２には、ねじ部２３ｂと締結されるねじ穴２２ａが形成されている。この構成によれば、ねじ部２３ａとねじ穴２１ａとの締結度合、及び、ねじ部２３ｂとねじ穴２２ａとの締結度合を変えることで、コレクターバー２１とコレクターバー２２との間隔ｓ（図３）を調整することができる。

　本実施形態では、ねじ部２３ａ及びねじ部２３ｂには、互いに逆方向のねじが形成されている。すなわち、ねじ部２３ａが右ねじの場合、ねじ部２３ｂは左ねじである。ねじ部２３ａが左ねじの場合、ねじ部２３ｂは右ねじである。この構成によれば、間隔調整部材２３を一方向に回転させたとき、ねじ部２３ａ及びねじ部２３ｂが共に締まる（あるいは共に緩む）方向に移動させることができる。これによって、コレクターバー２１とコレクターバー２２とを均等に移動させることができる。

　［カソードアセンブリ１００の効果］
　本実施形態によるカソードアセンブリ１００の構成によれば、コレクターバーユニット２０は、溝１０ａの幅方向に並べて配置されたコレクターバー２１及びコレクターバー２２を備えている。コレクターバーユニット２０はさらに、コレクターバー２１とコレクターバー２２との間隔ｓ（図３）を調整する間隔調整部材２３を備えている。

　面２１１及び面２２１の各々が溝１０ａの側面と接触した状態から、さらに間隔ｓが大きくなる方向に間隔調整部材２３を回転させることで、コレクターバー２１及びコレクターバー２２の各々とカソードブロック１０との接触圧力を大きくすることができる。反対に、間隔ｓが小さくなる方向に間隔調整部材２３を回転させることで、コレクターバー２１及びコレクターバー２２の各々とカソードブロック１０との接触圧力を小さくすることができる。

　すなわち、本実施形態によれば、コレクターバー２１及びコレクターバー２２の各々とカソードブロック１０との接触圧力を調整することができる。これによって、コレクターバー２１及びコレクターバー２２の各々とカソードブロック１０との接触抵抗を調整することができる。

　コレクターバーを単純に溝１０ａに配置しただけの構成の場合、加工のバラツキにより、コレクターバーと溝１０ａとの隙間にバラツキが生じる場合がある。これによって、特に低温域（例えば室温から５００℃程度までの温度域）において、接触抵抗にバラツキが生じる可能性がある。電解炉１（図１）では、複数のカソードアセンブリ１００が使用される場合がある。電解炉１は一般的に、電気抵抗加熱（Ｒｅｓｉｓｔｏｒ－Ｂａｋｅ）によって室温から操業温度（例えば９６０℃程度）付近まで昇温される。複数のカソードアセンブリ１００の間で接触抵抗にバラツキがあると、昇温時に接触抵抗の低いカソードアセンブリ１００に電流が集中し、局所的な温度上昇が起こる可能性がある。操業中においても、接触抵抗の低いカソードアセンブリ１００に電流が集中することによる局所的なカソード電解面の損耗や、偏った熱バランスによる操業の不安定化といった不具合の原因となる。

　従来、コレクターバーと溝１０ａとの隙間を埋めるため、溶かした鉄を流し込むことが行われている。しかし、この鉄を鋳込む方法は、作業負荷が大きい。本実施形態によれば、鉄を鋳込む方法と比較して、カソードブロックとコレクターバーとの接続作業を簡素化することができる。また、鉄を溶かすための加熱や、カソードブロック及びコレクターバーの予熱にかかるエネルギーコストを削減することができる。さらに、ヒートショックによる割れのリスクがないため、製造費用を削減することができる。

　本実施形態によればさらに、以下に説明するように、電解炉１の昇温時のカソードブロック１０とコレクターバー２１及びコレクターバー２２との接触抵抗のバラツキを低減できるという効果も得られる。

　電解炉１の昇温時、カソードブロック１０、コレクターバー２１及びコレクターバー２２が熱膨張することによって、コレクターバー２１及びコレクターバー２２の各々とカソードブロック１０との接触圧力が変動する。昇温中、電解炉１内には温度勾配が発生する場合があり、熱膨張が電解炉内で不均一になる場合がある。

　米国特許第７７７６１９０号の図１０には、カソードスロット（溝）に膨張黒鉛のフォイルを配置することで、接触抵抗を低くできることが示されている。一方、同図から、接触圧力が２Ｎ／ｍｍ^２以下の領域では、接触圧力の増加に伴って接触抵抗が１００ｍΩ・ｃｍ^２以上の値から約２５ｍΩ・ｃｍ^２付近の値にまで急激に変動することが分かる。

　不均一な熱膨張に伴って接触圧力が不均一になると、接触抵抗も不均一になり、偏流が生じる可能性がある。偏流の程度が大きければ、部分的な急昇温が発生し、カソードブロック１０が部分酸化したり割れたりする可能性がある。

　本実施形態によれば、間隔調整部材２３によって、室温の段階で接触圧力を予め所定の大きさ（例えば２Ｎ/ｍｍ^２）以上に調整しておくことができる。これによって、昇温時に熱膨張によって接触抵抗が大きく変動することを抑制できる。特に本実施形態では、間隔調整部材２３はねじによって間隔ｓを調整する機構を含むため、接触圧力を細かく制御できる。また、コレクターバー２１及びコレクターバー２２の長さ方向に沿って複数の間隔調整部材２３が配置されているため、コレクターバー２１及びコレクターバー２２の長さ方向の全体にわたって接触圧力を調整することができる。

　間隔調整部材２３によって接触圧力を調整した後、コレクターバー２１とコレクターバー２２との隙間に充填材を充填しておくことが好ましい。カソードアセンブリ１００は、操業時に高温（例えば９６０℃）に加熱される。コレクターバー２１及びコレクターバー２２の熱膨張によって、間隔調整部材２３が変形する可能性がある。コレクターバー２１とコレクターバー２２との隙間に充填材を充填して強度を高めておくことで、高温度時の接触圧力を維持することができる。

　また、コレクターバー２１とコレクターバー２２との間等に、熱可塑性樹脂又は融点が７００℃以下の金属若しくは合金のスぺーサーを配置しておくことが好ましい。熱可塑性樹脂又は融点が７００℃以下の金属若しくは合金のスペーサーを配置しておくことで、コレクターバー２１及びコレクターバー２２の熱膨張による応力を緩和し、カソードブロック１０の破損を抑制することができる。

　図４では、コレクターバーユニット２０が六つの間隔調整部材２３を備えている場合を図示しているが、間隔調整部材２３の数は任意である。間隔調整部材２３の数は、一つであってもよい。もっとも、間隔調整部材２３をコレクターバー２１及びコレクターバー２２の長さ方向に沿って複数配置すれば、コレクターバー２１及びコレクターバー２２の長さ方向にわたってカソードブロック１０との接触圧力を調整できるため好ましい。間隔調整部材２３を複数配置する場合、間隔調整部材２３を配置する間隔は、等間隔でなくてもよい。また、カソードブロック１０の内側となる部分に加えて、カソードブロック１０の外側となる部分にも間隔調整部材２３を配置してもよい。

　間隔調整部材２３をコレクターバー２１及びコレクターバー２２の長さ方向に沿って複数配置する場合、コレクターバー２１及びコレクターバー２２の長さ方向の位置に応じて、コレクターバー２１及びコレクターバー２２の各々とカソードブロック１０との接触圧力が変化するように調整することもできる。

　例えば、コレクターバー２１及びコレクターバー２２の各々とカソードブロック１０との接触圧力が、コレクターバー２１及びコレクターバー２２の長さ方向において、カソードブロック１０の端部側よりもカソードブロック１０の中央側で大きくなるように調整することができる。この場合、コレクターバー２１及びコレクターバー２２の長さ方向において、カソードブロック１０の中央側よりもカソードブロック１０の端部側の接触抵抗が高くなる。

　一般的なカソードアセンブリでは、カソードブロックの端部付近に電流が集中する傾向がある。上記のように、コレクターバー２１及びコレクターバー２２の長さ方向において、カソードブロック１０の端部側の接触抵抗を高くすることで、カソードブロック１０に流れる電流の分布を均一にすることができる。これによって、全体的な効率の低下や、局所的な損耗を抑制することができる。

　以上、本発明の第１の実施形態によるカソードアセンブリ１００を説明した。本実施形態によれば、カソードブロックとコレクターバーとの接続作業を簡素化することができる。

　上記の実施形態では、カソードアセンブリ１００が二つのコレクターバーユニット２０を備えている場合を説明した。すなわち、一つのカソードブロック１０に二つのコレクターバーユニット２０が接続されている場合を説明した。しかし、カソードブロック１０に接続されるコレクターバーユニット２０は一つであってもよいし、三つ以上であってもよい。また、上記の実施形態では、カソードブロック１０の両側からコレクターバーユニット２０を挿入する場合を説明したが、カソードブロック１０を貫通するようにコレクターバーユニット２０を配置してもよい。

　［第２の実施形態］
　以下に説明する第２～第３の実施形態によるカソードアセンブリは、カソードアセンブリ１００（図２）と比較して、コレクターバーユニットの構成だけが異なっている。具体的には、第２～第３の実施形態によるカソードアセンブリは、コレクターバーユニット２０（図４）に代えて、コレクターバーユニット３０（図５）、及びコレクターバーユニット５０（図６）をそれぞれ備えている。

　図５は、本発明の第２の実施形態によるカソードアセンブリが備えるコレクターバーユニット３０の構成を模式的に示す分解斜視図である。コレクターバーユニット３０は、コレクターバー３１及びコレクターバー３２と、複数の間隔調整部材３３とを備えている。

　間隔調整部材３３は、ねじ部３３ａを有している。コレクターバー３１には、ねじ部３３ａと締結されるねじ穴３１ａが形成されている。コレクターバー３２にも同様に、ねじ部３３ａと締結されるねじ穴３２ａが形成されている。コレクターバー３１及びコレクターバー３２の他の構成は、コレクターバー２１及びコレクターバー２２（図４）と同様である。

　コレクターバーユニット２０の間隔調整部材２３（図４）では、両方の端部にねじ部が形成されているが、間隔調整部材３３では、一方の端部にのみねじ部３３ａが形成されている。本実施形態では、ねじ部３３ａをコレクターバー３１及びコレクターバー３２の一方のねじ穴（ねじ穴３１ａ又はねじ穴３２ａ）に締結し、ねじ部３３ａが形成されていない側の端部を他方に当接させることによって、コレクターバー３１とコレクターバー３２との間隔を調整する。

　本実施形態によっても、第１の実施形態と同様に、コレクターバーとカソードブロックとの間の接触抵抗を調整することができる。これによって、カソードブロックとコレクターバーとの接続作業を簡素化することができる。

　図５では、コレクターバー３１及びコレクターバー３２の長さ方向に沿って、ねじ穴３１ａとねじ穴３２ａとを交互に配置した場合を図示しているが、ねじ穴３１ａとねじ穴３２ａとを配置する方法は任意である。例えば、ねじ穴３１ａを配置せずに、ねじ穴３２ａだけを配置してもよい。

　［第３の実施形態］
　図６は、本発明の第３の実施形態によるカソードアセンブリが備えるコレクターバーユニット５０の構成を模式的に示す分解斜視図である。図６は、図４及び図５と異なり、コレクターバーユニット５０をカソードブロックの底面側から見た図である。

　コレクターバーユニット５０は、コレクターバー５１及びコレクターバー５２と、複数の間隔調整部材５３とを備えている。

　コレクターバー５１及びコレクターバー５２には、コレクターバー５１とコレクターバー５２とを並べて配置したときに円柱形状の窪みとなるような、半円柱形状の溝５１ａ及び溝５２ａが形成されている。間隔調整部材５３は、溝５１ａと溝５２ａとによって形成される窪みに配置される。コレクターバー５１及びコレクターバー５２の他の構成は、コレクターバー２１及びコレクターバー２２（図４）と同様である。

　図７は、間隔調整部材５３の構成を模式的に示す断面図である。間隔調整部材５３は、ボルト５３１と、スリーブ５３２と、ベース５３３とを備えている。

　ベース５３３には、ボルト５３１と締結されるねじ穴５３３ａが形成されている。ベース５３３は、ねじ穴５３３ａが形成された面から離れるにしたがって外径が大きくなるテーパー形状を有している。

　スリーブ５３２は、筒状の形状を有しており、ボルト５３１の頭部とベース５３３との間に、ボルト５３１の軸の周りを囲むように配置されている。スリーブ５３２には、ベース５３３側の端部に開いたスリット５３２ａ（図６）が形成されている。

　ボルト５３１をベース５３３のねじ穴５３３ａに締め込むと、ボルト５３１の頭部に押されて、スリーブ５３２もベース５３３側に移動する。このとき、ベース５３３がテーパー形状を有しているため、スリーブ５３２は外側に広がる方向に応力を受ける。この応力によってスリット５３２ａが広がり、スリーブ５３２の下端部が外側に広がる。

　図６に示すように、間隔調整部材５３は、溝５１ａと溝５２ａとによって形成された窪みに配置されている。スリーブ５３２の下端部が外側に広がると、これに押されて、コレクターバー５１とコレクターバー５２との間隔が広がる。

　すなわち、ボルト５３１を締め込むことによって、コレクターバー５１とコレクターバー５２との間隔を広げることができる。このとき、ボルト５３１の締め込み具合によって、コレクターバー５１とコレクターバー５２との間隔を調整することができる。

　間隔調整部材５３は、何らかの操作によって外径が大きくなる構造であればよい。例えば、ボルトを締め付けるのに代えて、ナットを締め付けることで外径が大きくなるような構造であってもよい。

　以上、本発明の第１～第３の実施形態によるカソードアセンブリを説明した。これらの実施形態から分かるとおり、間隔調整部材は、二つのコレクターバーの間隔をねじ機構により調整できるものであればよく、具体的な構造は様々なものを取り得る。

　間隔調整部材は、ねじによって二つのコレクターバーの間隔を調整する機構を含む。ねじ機構により、二つのコレクターバーの各々とカソードブロックとの接触圧力をより細かく調整できる。

　［第４の実施形態］
　本発明の第４の実施形態によるカソードアセンブリも、カソードアセンブリ１００（図２）と比較して、コレクターバーユニットの構成だけが異なっている。本実施形態によるカソードアセンブリのコレクターバーユニットは、コレクターバーユニット２０（図３）が備える構成に加えて、コレクターバー２１及びコレクターバー２２よりも導電性の高い金属からなる導電部材をさらに備えている。導電部材は、例えば銅製の部材である。

　図８～図１０に、導電部材の配置方法の例を示す。

　図８のコレクターバーユニット２０Ａは、コレクターバーユニット２０（図３）が備える構成に加えて、導電部材２４をさらに備えている。図８では、間隔調整部材２３の図示を省略している。図９及び図１０においても同様である。導電部材２４は、コレクターバー２１及びコレクターバー２２の上面と、溝１０ａの底面との間に配置されている。導電部材２４は、溝１０ａが延びる方向の全体に配置してもよいし、断続的に配置してもよい。

　図９のコレクターバーユニット２０Ｂは、コレクターバーユニット２０（図３）が備える構成に加えて、導電部材２５をさらに備えている。導電部材２５は、コレクターバー２１及びコレクターバー２２の各々の、コレクターバー２１とコレクターバー２２とが向かい合う側の面に配置されている。

　図１０のコレクターバーユニット２０Ｃは、コレクターバーユニット２０（図３）が備える構成に加えて、導電部材２６をさらに備えている。導電部材２６は、コレクターバー２１及びコレクターバー２２の内部に埋め込まれている。

　コレクターバーユニットが、コレクターバー２１及びコレクターバー２２よりも導電性の高い金属からなる導電部材をさらに備えることによって、ＣＶＤ（Ｃａｔｈｏｄｅ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｄｒｏｐ）を小さくすることができる。

　図８～図１０で示した導電部材の配置方法は例示であり、導電部材の配置方法はこれらに限定されない。また、上記の実施形態では、第１の実施形態で説明したコレクターバーユニット２０を基準として、コレクターバーユニット２０がさらに導電部材を備える構成を説明したが、第２～第３の実施形態で説明したコレクターバーユニットに導電部材を組み合わせることも可能である。

　［第５の実施形態］
　本発明の第５の実施形態によるカソードアセンブリは、第１～第４の実施形態によるカソードアセンブリと比較して、コレクターバーユニットに含まれるコレクターバーの形状が異なっている。具体的には、本実施形態によるカソードアセンブリのコレクターバーの各々には、表面に突起が設けられている。

　図１１は、本実施形態によるカソードアセンブリが備えるコレクターバーの一例であるコレクターバー２１Ａの構成を模式的に示す斜視図である。コレクターバー２１Ａの上面には、複数のドット状の突起２１Ａａが設けられている。突起２１Ａａは、コレクターバーを切削加工して形成したものであってもよいし、別の金属製の部品をコレクターバーに溶接して形成したものであってもよい。突起２１Ａａは、これに限定されないが、コレクターバーユニットがカソードブロックの溝に挿入されたとき、カソードブロックの内側となる部分にだけ設けられていることが好ましい。

　コレクターバー２１Ａには、カソードブロック１０（図１）の荷重や、融液９４、アルミニウム９５の荷重が加わる。突起２１Ａａを設けることによって、コレクターバー２１Ａとカソードブロック１０との接触面積が小さくなる。これによって接触圧力が大きくなり、コレクターバー２１Ａとカソードブロック１０との接触抵抗を小さくすることができる。また、コレクターバー２１Ａの上面と溝１０ａの底面との間に導電部材２４（図９）を配置した場合には、コレクターバー２１Ａと導電部材２４との接触抵抗を小さくすることができる。

　図１２は、本実施形態によるカソードアセンブリが備えるコレクターバーの他の例であるコレクターバー２１Ｂの構成を模式的に示す斜視図である。コレクターバー２１Ｂの上面には、複数のライン状の突起２１Ｂａが設けられている。コレクターバー２１Ｂの構成によっても、コレクターバー２１Ａの場合と同様に、コレクターバー２１Ｂとカソードブロック１０（図１）との接触抵抗、又はコレクターバー２１Ｂと導電部材２４（図８）との接触抵抗を小さくすることができる。

　図１１及び図１２で示した突起２１Ａａ及び突起２１Ｂａの形状や配置は例示であり、突起の形状や配置はこれらに限定されない。

　［第６の実施形態］
　図１３は、本発明の第６の実施形態によるカソードアセンブリ１０１の構成を模式的に示す断面図である。カソードアセンブリ１０１は、カソードアセンブリ１００（図３）と比較して、カソードブロックのサイズが異なっている。カソードアセンブリ１０１は、カソードアセンブリ１００のカソードブロック１０（図３）に代えて、カソードブロック１１を備えている。

　カソードアセンブリ１０１は、ダブルスロット型と呼ばれるカソードブロックを備えるカソードアセンブリを代替するものとして好適に使用することができる。図１４は、ダブルスロット型のカソードブロックを備えるカソードアセンブリの一例であるカソードアセンブリ９００の構成を模式的に示す断面図である。カソードアセンブリ９００は、カソードブロック９１０と、二つのコレクターバー９２０とを備えている。カソードブロック９１０には、二つの溝９１０ａが形成されており、溝９１０ａの各々にコレクターバー９２０が挿入されている。

　カソードアセンブリ１０１（図１３）のカソードブロック１１は、カソードブロック９１０（図１４）の二つの溝９１０ａに代えて、一つの幅の広い溝１１ａを形成したものである。カソードアセンブリ１０１では、この溝１１ａにコレクターバーユニット２０が挿入されている。

　コレクターバーユニット２０では、コレクターバー２１とコレクターバー２２との間に隙間が形成される。そのため、カソードブロックの溝の断面積が一定の場合、単一のコレクターバーを配置する場合と比較して、僅かではあるが、コレクターバー全体の断面積が小さくなる。一方、ダブルスロット型のカソードブロックを備えるカソードアセンブリを置き換える場合、図１３及び図１４に示すように、カソードブロックの溝の断面積を広くすることができるため、コレクターバー２１とコレクターバー２２との間に隙間を設けても、コレクターバー全体の断面積が小さくなることはない。また、置き換える前よりもコレクターバー全体の断面積を大きくすることも可能である。これによって、ＣＶＤを小さくすることができる。

　［第７の実施形態］
　図１５は、本発明の第７の実施形態によるカソードアセンブリ１０２の構成を模式的に示す断面図である。カソードアセンブリ１０２は、カソードアセンブリ１００（図３）の構成に加えて、コレクターバー２１とコレクターバー２２との間に配置された充填材６１、並びに、二つのコレクターバー２１及びコレクターバー２２の各々と充填材６１との間に配置されたスペーサー６２を備えている。

　充填材６１は、導電性を有していても有していなくてもよい。充填材６１は、例えば、アルミナセメント等のセメント、ラミングペースト、セラミックス、スチールショット、コークス粒等である。

　スペーサー６２は、熱可塑性樹脂又は融点が７００℃以下の金属若しくは合金である。融点が７００℃以下の金属は例えば、アルミニウムである。スペーサーは、より好ましくはシート形状である。スペーサー６２は、導電性を有していても有していなくてもよい。スペーサー６２は、好ましくは熱可塑性樹脂である。

　スペーサー６２は、コレクターバー２１及びコレクターバー２２の各々と充填材６１との間に配置されていることが好ましいが、コレクターバー２１及びコレクターバー２２の一方と充填材６１との間にだけ配置されていてもよい。すなわち、スペーサー６２は、コレクターバー２１及びコレクターバー２２の少なくとも一方と充填材６１との間に配置されていればよい。

　カソードアセンブリ１０２は、操業時に高温（例えば９６０℃）に加熱される。コレクターバー２１及びコレクターバー２２の熱膨張によって、間隔調整部材２３が変形する可能性がある。本実施形態によれば、コレクターバー２１とコレクターバー２２との隙間に充填材６１を充填して強度を高めておくことで、高温度時の接触圧力を維持することができる。

　また、スペーサー６２を配置しておくことで、コレクターバー２１及びコレクターバー２２の熱膨張による応力を緩和し、カソードブロック１０の破損を抑制することができる。さらにスペーサー６２が軟化することで、昇温中の接触圧力の変化を緩やかにすることができる。

　以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。本発明はこれらの実施例に限定されない。

　上述した第７の実施形態のカソードアセンブリの構成を模擬した試験装置によって、熱膨張によって生じる接触圧力の変化を測定した。図１６は、この測定に使用した試験装置７０の構成を模式的に示す断面図である。図１７に試験装置７０の写真を示す。

　図１６の部品７１及び７２はそれぞれ、図１５のコレクターバー２１及びコレクターバー２２に相当する鉄製の円柱である。部品７３は間隔調整部材２３に相当する部品であって、間隔調整部材２３と同様に両端にねじ部が形成されている。部品７４は充填材６１に相当するアルミナセメントであり、部品７５はスペーサー６２に相当する熱可塑性樹脂のシートである。

　部品７１及び部品７２は、部品７１の上端７１ａと部品７２の下端７２ａとの間の距離Ｄが一定となるように固定されている。部品７３を操作して部品７１及び部品７２に約２０ｋＮの初期荷重を加えた状態で、二つの部品７５の間にアルミナセメントを充填して部品７４を形成した。部品７１及び部品７２を図示しない加熱装置によって加熱し、部品７１及び部品７２等が熱膨張することによる荷重の変化を測定した。

　図１８は、この試験によって得られた温度と荷重との関係を示すグラフである。室温から約１００℃までの間に荷重が初期の２０ｋＮから約３０ｋＮまで増加した後、約４００℃まで荷重が３０ｋＮ付近に保たれている。１００℃付近で一旦荷重が低下しているのは、この温度域で熱可塑性樹脂の部品７５が軟化したことによると考えられる。また、２５０℃付近で一旦荷重が低下しているのは、この温度域で鉄製の部品７１及び７２が軟化したことによると考えられる。結果として、約１００℃から約４００℃までの間において荷重が３０ｋＮ付近で安定し、変動が小さくなっている。

　なおこの試験では、距離Ｄ（図１６）を一定にしているが、実際のカソードアセンブリでは、カソードブロックの熱膨張によって、溝の幅（距離Ｄに相当）も温度の上昇とともに大きくなると考えられる。そのため、実際のカソードアセンブリにおける荷重の温度変化は、図１８のものよりも緩やかになると考えられ、５００℃程度までの温度域で荷重の変動を小さくできると推測できる。

　本実施形態によるカソードアセンブリの構成によれば、室温の段階で予め接触圧力を所定の大きさ（例えば２Ｎ/ｍｍ^２）以上に調整しておくことで、昇温時に熱膨張によって接触抵抗が大きく変動することを抑制できる。これに加えて、炉内温度分布にバラツキが生じやすい室温～５００℃の温度域において、接触圧力の変動を小さくできる。

　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。

１　電解炉
１００、１０１、１０２、９００　カソードアセンブリ
１０、１１、９１０　カソードブロック
１０ａ、１１ａ、９１０ａ　溝
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、３０、５０　コレクターバーユニット
２１、２２、３１、３２、５１、５２、２１Ａ、２２Ａ、９２０　コレクターバー
２３、３３、４３、５３　間隔調整部材
６１　充填材
６２　スペーサー
２４、２５、２６　導電部材
９１　アノード
９２　シェル
９３　ライニング
９４　融液
９５　アルミニウム

Claims

　アルミニウム製錬用の電解炉で使用されるカソードアセンブリであって、
　溝が設けられた炭素製のカソードブロックと、
　前記溝に挿入されたコレクターバーユニットと、を備え、
　前記コレクターバーユニットは、
　各々が前記溝と同じ方向に延びた形状を有し、前記溝の幅方向に並んで配置された、金属製の二つのコレクターバーと、
　前記二つのコレクターバーの間隔を調整する間隔調整部材と、を含み、
　前記間隔調整部材は、ねじによって前記二つのコレクターバーの間隔を調整する機構を含む、カソードアセンブリ。
　請求項１に記載のカソードアセンブリであって、
　前記コレクターバーユニットは、前記間隔調整部材を複数含み、
　前記複数の間隔調整部材が、前記二つのコレクターバーの長さ方向に沿って配置されている、カソードアセンブリ。
　請求項１又は２に記載のカソードアセンブリであって、
　前記コレクターバーユニットは、前記二つのコレクターバーよりも導電性の高い金属からなる導電部材をさらに含む、カソードアセンブリ。
　請求項１又は２に記載のカソードアセンブリであって、
　前記二つのコレクターバーの間に配置された充填材と、
　前記二つのコレクターバーの少なくとも一方と前記充填材との間に配置された、熱可塑性樹脂又は融点が７００℃以下の金属若しくは合金のスペーサーと、をさらに備える、カソードアセンブリ。