WO2023119772A1 - 電極アセンブリ - Google Patents

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WO2023119772A1
WO2023119772A1 PCT/JP2022/035647 JP2022035647W WO2023119772A1 WO 2023119772 A1 WO2023119772 A1 WO 2023119772A1 JP 2022035647 W JP2022035647 W JP 2022035647W WO 2023119772 A1 WO2023119772 A1 WO 2023119772A1
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WO
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cathode
block
collector bar
assembly
hole
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PCT/JP2022/035647
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English (en)
French (fr)
Inventor
涼 秋田
泰弘 小山
拓也 津田
Original Assignee
Ｓｅｃカーボン株式会社
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B21/00—Obtaining aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/08—Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/08—Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes
    • C25C3/12—Anodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/16—Electric current supply devices, e.g. bus bars
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C7/00—Constructional parts, or assemblies thereof, of cells; Servicing or operating of cells
    • C25C7/02—Electrodes; Connections thereof
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B3/00—Hearth-type furnaces, e.g. of reverberatory type; Tank furnaces
    • F27B3/08—Hearth-type furnaces, e.g. of reverberatory type; Tank furnaces heated electrically, with or without any other source of heat

Definitions

  • the present invention relates to electrode assemblies.
  • Electrode blocks (cathode block and anode block) made of carbon are used for the electrodes (cathode and anode) of the electrolytic furnace for aluminum smelting.
  • Electrons are supplied to the electrode block via a metal conductive bar (the one connected to the cathode block is called a “collector bar” and the one connected to the anode block is called a “stub”).
  • a metal conductive bar the one connected to the cathode block
  • the collector bar is connected to the cathode block
  • the stub is connected to the anode block
  • An assembly in which a conductive rod is connected to an electrode block is called an "electrode assembly” without distinguishing between a cathode and an anode.
  • connection between the electrode block and the conductive rod is made by casting iron. Specifically, a groove or hole is formed in the electrode block, a conductive rod is fitted therein, and molten iron heated to about 1250° C. is poured into the gap.
  • US Pat. No. 3,390,071 describes an electrolytic reduction cell for aluminum production.
  • the electrolytic reduction cell includes a graphite cathode block and an oxygen-free copper collector pin electrically connected to the cathode block.
  • a socket is formed in the cathode block for receiving the collector pin.
  • Swiss Patent No. 663624 describes a cathode element comprising a cathode block having a groove formed along its length and a cathode bar made of iron inserted into the groove so as to fit at room temperature. It is The grooves of the cathode block are regularly provided with fine projections over the entire surface so as to support or fix the cathode bar.
  • the method of casting iron described above has a large workload, and energy costs are required for heating to melt the iron and preheating the electrode block and conductive rod.
  • the preheating temperature is too high, the electrode block will oxidize, so the preheating temperature can only be raised to 400 to 500°C, and there is a risk that the electrode block will crack due to heat shock when molten iron is poured.
  • An object of the present invention is to provide an electrode assembly capable of simplifying the connection work between the electrode block and the conductive rod.
  • An electrode assembly according to one embodiment of the present invention is an electrode assembly used in an electrolytic furnace for aluminum smelting, comprising a carbon electrode block having a cylindrical hole and a cylindrical a metal conductive rod, the conductive rod having at least a tip end thereof a blade portion having a shape obtained by cutting a part of the conductive rod into a groove.
  • connection work between the electrode block and the conductive rod can be simplified.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the overall configuration of an example of an electrolytic furnace for aluminum smelting.
  • FIG. 2 is a perspective view schematically showing the configuration of the cathode assembly (electrode assembly) according to the first embodiment of the invention.
  • 3 is a cross-sectional view taken along line III-III of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV of FIG. 2.
  • FIG. 5 is a side view near the tip of a collector bar of the cathode assembly of FIG. 2;
  • FIG. 6 is a front view of the collector bar of FIG. 5 viewed from the tip side.
  • FIG. 7 is a schematic diagram for explaining the manufacturing method of the cathode assembly.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the overall configuration of an example of an electrolytic furnace for aluminum smelting.
  • FIG. 2 is a perspective view schematically showing the configuration of the cathode assembly (electrode assembly
  • FIG. 8 is a schematic diagram for explaining the manufacturing method of the cathode assembly.
  • FIG. 9 is a schematic diagram for explaining the manufacturing method of the cathode assembly.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing the construction of a cathode assembly (electrode assembly) according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing the construction of a cathode assembly (electrode assembly) according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view schematically showing the construction of a cathode assembly (electrode assembly) according to a fourth embodiment of the invention.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing the construction of a cathode assembly (electrode assembly) according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing the construction of a cathode assembly (electrode assembly) according to a third
  • FIG. 13 is a cross-sectional view schematically showing the construction of a cathode assembly (electrode assembly) according to a fifth embodiment of the invention.
  • 14 is a side view near the tip of the collector bar of the cathode assembly of FIG. 13;
  • FIG. 15 is a front view of the collector bar of FIG. 14 viewed from the tip side.
  • FIG. FIG. 16 is a perspective view schematically showing the configuration of an anode assembly (electrode assembly) according to a sixth embodiment of the invention.
  • 17 is a side view near the tip of the stub of the anode assembly of FIG. 16;
  • FIG. 18 is a schematic diagram for explaining the manufacturing method of the anode assembly.
  • FIG. 19 is a schematic diagram for explaining the manufacturing method of the anode assembly.
  • FIG. 20 is a schematic diagram for explaining the manufacturing method of the anode assembly.
  • FIG. 21 is a perspective view schematically showing the configuration of an anode assembly (electrode assembly) according to a seventh embodiment of the invention.
  • FIG. 22 is an exploded perspective view schematically showing the configuration of the anode assembly (electrode assembly) of FIG. 21 during manufacture.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the overall configuration of an electrolytic furnace 1, which is an example of an electrolytic furnace for aluminum smelting.
  • the electrolytic furnace 1 comprises a cathode assembly 10, which is an electrode assembly according to the first embodiment of the invention.
  • a plurality of cathode assemblies 10 are arranged side by side in the depth direction (y direction) of FIG.
  • Each cathode assembly 10 comprises a carbon cathode block (electrode block) 11 and two metal collector bars (conducting bars) 12 each connected to the cathode block 11 .
  • the cathode block 11 constitutes the furnace bottom of the electrolytic furnace 1 .
  • One end of each of the two collector bars 12 is pulled out of the electrolytic furnace 1 .
  • the electrolytic furnace 1 includes, in addition to the cathode assembly 10, an anode assembly 91, a shell 92, a lining 93 and the like. Inside the electrolytic furnace 1, a melt 94 containing aluminum oxide is accommodated.
  • the collector bar 12 and anode assembly 91 are electrically connected to a power supply (not shown).
  • a power supply applies a voltage between the cathode block 11 and the anode block of the anode assembly 91 .
  • the aluminum oxide in the melt 94 is reduced to produce aluminum 95 .
  • FIG. 2 is a perspective view schematically showing the configuration of the cathode assembly 10. As shown in FIG. 3 is a cross-sectional view along line III-III of FIG. 2, and FIG. 4 is a cross-sectional view along line IV-IV of FIG.
  • the cathode assembly 10 includes a cathode block 11 and two collector bars 12, as described above.
  • Cathode block 11 is made of carbon, preferably graphite.
  • the collector bar 12 is made of metal, preferably iron.
  • the cathode block 11 has a rectangular parallelepiped shape and has a cylindrical hole 11a on each of a pair of opposing side surfaces.
  • Each collector bar 12 has a cylindrical shape and is inserted into a hole 11 a of the cathode block 11 .
  • a male thread 121 (FIG. 4) is formed on the outer peripheral surface of each collector bar 12 . More specifically, the male thread 121 is formed from the tip of the collector bar 12 to the vicinity of the portion located inside the hole 11a of the cathode block 11 in the axial direction of the collector bar 12 (x direction in FIG. 4). It is The inner peripheral surface of each hole 11 a of the cathode block 11 is formed with a female thread to be fastened with the male thread 121 of the collector bar 12 . Cathode block 11 and collector bar 12 are connected by fastening female threads of cathode block 11 and male threads 121 of collector bar 12 . Thereby, the outer peripheral surface of the collector bar 12 and the inner peripheral surface of the hole 11a are in contact with each other.
  • a female thread formed on the inner peripheral surface of the hole 11a of the cathode block 11 is machined by the collector bar 12, as will be described later.
  • the cathode block 11 has an opening 11b that is continuous with the hole 11a and that opens to the bottom surface of the cathode block 11 .
  • a slit 121b (Fig. 4) is formed in each screw thread of the male screw 121 of the collector bar 12. More specifically, the slits 121b are formed in the threads of the male thread 121 excluding some threads near the tip of the collector bar 12 .
  • FIG. 5 is a side view of the vicinity of the tip of the collector bar 12.
  • FIG. FIG. 6 is a front view of the collector bar 12 viewed from the tip side.
  • the collector bar 12 has a shape called a grooved tapping screw or a thread cutting screw.
  • the collector bar 12 has, at least at its tip, a blade portion 12a having a shape obtained by cutting a portion of the collector bar 12 into a groove.
  • the blade portion 12a has, for example, a shape in which a quarter region of the collector bar 12 in the circumferential direction is cut into a groove shape, as shown in FIG.
  • the width of the groove forming the blade portion 12a may be smaller or larger than this.
  • the collector bar 12 may have a plurality of blade portions 12a.
  • the grooves forming the blade portion 12a need not be parallel to the axial direction of the collector bar 12 (the x direction in FIG. 5), and may be spiral, for example. It is preferable that the grooves forming the blade portion 12 a cross the thread grooves of the male threads 121 of the collector bar 12 .
  • the blade portion 12 a may be formed not only at the tip of the collector bar 12 but also over the entire length of the collector bar 12 .
  • the collector bar 12 also preferably has a tapered shape in which the outer diameter decreases toward the tip.
  • the taper angle ⁇ (FIG. 5) is, but not limited to, 0 to 60°, for example.
  • the lower limit of the taper angle ⁇ is preferably 1°, more preferably 3°.
  • the upper limit of the taper angle ⁇ is preferably 45°, more preferably 40°.
  • the cathode block 11 is formed with a prepared hole 11c having an outer diameter slightly smaller than the outer diameter of the collector bar 12, and an opening 11b.
  • a female thread may not be formed on the inner peripheral surface of the pilot hole 11c.
  • the collector bar 12 is screwed into the pilot hole 11c.
  • the pilot hole 11c of the cathode block 11 is machined by the collector bar 12, the diameter thereof is expanded, and a female thread is formed on the inner peripheral surface.
  • the cathode block 11 is formed with a hole 11a having an internal thread on its inner peripheral surface, and the collector bar 12 is connected to the cathode block 11.
  • the other collector bar 12 is also connected to the cathode block 11 in the same manner. This produces a cathode assembly 10 (FIG. 2) with two collector bars 12 connected to the cathode block 11 .
  • the cathode block 11 and each of the collector bars 12 are connected by fastening the female threads of the cathode block 11 and the male threads 121 of the collector bars 12 .
  • the connection work between the cathode block and the collector bar can be simplified compared to the case of pouring molten iron. Also, energy costs for heating for melting iron and preheating the cathode block and collector bar can be reduced. Furthermore, since there is no risk of cracking due to heat shock, manufacturing costs can be reduced.
  • Each of the cathode block 11 and the collector bar 12 is in contact with the female threaded portion of the cathode block 11 and the male threaded portion 121 of the collector bar 12 . Since this increases the contact area, the contact resistance can be reduced, and CVD (Cathode Voltage Drop) can be reduced.
  • the gap between the female thread of the cathode block 11 and the male thread 121 of the collector bar 12 will vary due to variations in processing.
  • contact resistance may vary, particularly in a low temperature range (for example, a temperature range from room temperature to about 500° C.).
  • Multiple cathode assemblies 10 may be used in the electrolysis furnace 1 (FIG. 1).
  • the temperature of the electrolytic furnace 1 is generally raised from room temperature to near the operating temperature (eg, about 960° C.) by electrical resistance heating (resistor-bake).
  • the current may concentrate in the cathode assembly 10 with low contact resistance during temperature rise, resulting in a local temperature rise. Even during operation, current concentration on the cathode assembly 10 with low contact resistance causes local wear on the cathode electrolysis surface, and uneven heat balance causes problems such as destabilization of operation.
  • the internal threads formed on the inner peripheral surface of the hole 11a of the cathode block 11 are machined by the collector bar 12 .
  • the variation in the gap between the female thread of the cathode block 11 and the male thread 121 of the collector bar 12 is reduced compared to the case where the female thread of the cathode block 11 and the male thread 121 of the collector bar 12 are machined separately. be able to. This can reduce overall efficiency loss and localized wear and tear.
  • the collector bar 12 has a blade portion 12a. According to this configuration, the blade portion 12a functions as a cutting blade, and the cathode block 11 can be processed with a small torque. Further, when the tip of the collector bar 12 is tapered, the collector bar 12 can be better bited into the pilot hole 11c (FIG. 8), and the cathode block 11 can be processed more efficiently.
  • the cathode block 11 has an opening 11b that is continuous with the hole 11a and that opens to the bottom surface of the cathode block 11 (surface other than the surface in which the hole 11a is formed). According to this configuration, it is possible to efficiently discharge cutting dust generated when the cathode block 11 is processed by the collector bar 12 .
  • the cathode assembly 10 is heated to a high temperature (eg 960°C) during operation. Since the coefficient of thermal expansion of the collector bar 12 made of metal is larger than that of the cathode block 11 made of carbon, the thread of the internal thread of the cathode block 11 may be destroyed by the expansion of the collector bar 12 .
  • each of the threads of the external threads 121 of the collector bar 12 is formed with a slit 121b (FIG. 4). When the temperature is high, the stress is relieved by closing the slit 121b. As a result, it is possible to prevent the thread of the internal thread of the cathode block 11 from breaking due to thermal expansion.
  • cathode assembly 10 An example of the cathode assembly 10 and the manufacturing method thereof according to the first embodiment of the present invention has been described above. According to this embodiment, it is possible to simplify the connection work between the cathode block (electrode block) and the collector bar (conductive bar).
  • the cathode assembly 10 has two collector bars 12 . That is, the case where two collector bars 12 are connected to one cathode block 11 has been described. However, the number of collector bars 12 connected to the cathode block 11 may be one, or three or more. Also, in the above embodiment, the case where the collector bars 12 are inserted from both sides of the cathode block 11 has been described, but the collector bars 12 may be arranged so as to pass through the cathode block 11 .
  • FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing the construction of a cathode assembly 20, which is an electrode assembly according to a second embodiment of the invention.
  • Cathode assembly 20 includes a collector bar 22 in place of collector bar 12 of cathode assembly 10 (FIG. 4).
  • the collector bar 22 further includes a conductive member 221 inserted into the core of the collector bar 22 and made of a metal having higher conductivity than the main body of the collector bar 22 .
  • Conductive member 221 is, for example, a bar made of copper.
  • the electrical resistance of the entire collector bar 22 can be lowered. This makes it possible to reduce CVD.
  • the conductive member 221 is arranged only in the center side portion of the cathode block 11 in the axial direction of the collector bar 22 (x direction in FIG. 10). According to this configuration, in the axial direction of the collector bar 22, the electrical resistance of the portion where the conductive member 221 is arranged, that is, the portion on the central side of the cathode block 11 is relatively low.
  • the conductive member 221 may be arranged over the entire axial direction of the collector bar 22 .
  • FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a cathode assembly 30, which is an electrode assembly according to a third embodiment of the invention.
  • Cathode assembly 30 includes a collector bar 32 in place of collector bar 12 of cathode assembly 10 (FIG. 4).
  • a male thread 321 is formed in a portion up to halfway on the tip end side in the axial direction, and a male thread 321 is formed in the remaining portion in the axial direction. is not threaded.
  • the rest of the configuration of collector bar 32 is similar to collector bar 12 (FIG. 4).
  • the non-threaded portion of the collector bar 32 has a smaller binding force from the cathode block 11 than the threaded portion. Therefore, the unthreaded portion of the collector bar 32 can expand more freely in the axial direction (x direction in FIG. 11) than the threaded portion. Therefore, stress is relieved more than when threads are formed on the entire outer peripheral surface. As a result, it is possible to prevent the thread of the internal thread of the cathode block 11 from breaking due to thermal expansion.
  • the non-threaded portion of the collector bar 32 has a smaller contact area with the cathode block 11 than the threaded portion. Therefore, in the axial direction of the collector bar 32, the electrical resistance of the end portion of the cathode block 11 is relatively high.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view schematically showing the construction of a cathode assembly 40, which is an electrode assembly according to a fourth embodiment of the invention.
  • Cathode assembly 40 includes a collector bar 42 in place of collector bar 12 of cathode assembly 10 (FIG. 4).
  • the collector bar 42 further has a hole 42a formed in a direction intersecting with the axial direction of the collector bar 42 (x direction in Fig. 12).
  • FIG. 12 illustrates a case where five holes 42a are formed, the number of holes 42a is arbitrary. The number of holes 42a may be one. Hole 42a may or may not pass through collector bar 42 .
  • the stress is relieved by contraction of the holes 42a at high temperatures.
  • it is possible to prevent the thread of the internal thread of the cathode block 11 from breaking due to thermal expansion.
  • the holes 42a are arranged only at the ends of the cathode block 11 in the axial direction of the collector bar 42 . According to this configuration, in the axial direction of the collector bar 42, the electrical resistance of the portion where the hole 42a is arranged, that is, the portion on the end side of the cathode block 11 becomes relatively high.
  • the holes 42a may be arranged throughout the collector bar 42 in the axial direction.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view schematically showing the construction of a cathode assembly 50, which is an electrode assembly according to a fifth embodiment of the invention.
  • Cathode assembly 50 comprises cathode block 51 and collector bar 52 .
  • the cathode block 51 has a cylindrical hole 51a for connecting the collector bar 52, like the cathode block 11 (FIG. 4). Unlike the hole 11a of the cathode block 11, the hole 51a is not threaded on the inner peripheral surface. Similarly to the cathode block 11, the cathode block 51 also has an opening 51b that is continuous with the hole 51a and opens to the bottom surface of the cathode block 51. As shown in FIG.
  • the collector bar 52 has a columnar shape like the collector bar 12 (Fig. 4), but does not have threads formed on its outer peripheral surface.
  • Cathode block 11 and collector bar 52 are connected by inserting collector bar 52 into hole 51 a of cathode block 51 . More specifically, the collector bar 52 is inserted so that the outer peripheral surface of the collector bar 52 is in contact with the inner peripheral surface of the hole 51a. It is preferable that the outer diameter of the collector bar 52 is as close as possible to the outer diameter of the hole 51a at room temperature without exceeding the outer diameter of the hole 51a. Holes 51a of cathode block 51 are formed by collector bars 52, as will be described later.
  • FIG. 14 is a side view of the vicinity of the tip of the collector bar 52.
  • FIG. FIG. 15 is a front view of the collector bar 52 viewed from the tip side.
  • the collector bar 52 has, at least at its tip, a blade portion 52a having a shape obtained by cutting a portion of the collector bar 52 into a groove.
  • the collector bar 52 preferably has a tapered shape in which the outer diameter decreases toward the tip.
  • a preferred range for the taper angle ⁇ is the same as for the collector bar 12 .
  • the cathode assembly 50 can be manufactured similarly to the cathode assembly 10. First, the cathode block 51 is formed with a prepared hole having an outer diameter slightly smaller than the outer diameter of the collector bar 52 and an opening 51b. Next, the collector bar 52 is screwed into the pilot hole. At this time, the pilot hole of the cathode block 51 is machined by the collector bar 52 .
  • the blade portion 52a of the collector bar 52 functions as a cutting blade, and the pilot hole of the cathode block 51 can be enlarged.
  • the opening 51b formed in the cathode block 51 can efficiently discharge cutting dust.
  • a hole 51 a is formed in the cathode block 51 and the collector bar 52 is connected to the cathode block 51 .
  • This embodiment also simplifies the connection work between the cathode block (electrode block) and the collector bar (conductive rod).
  • the cathode block electrode block
  • the collector bar conductive rod
  • FIG. 16 is a perspective view schematically showing the configuration of an anode assembly 60, which is an electrode assembly according to the sixth embodiment of the present invention.
  • the anode assembly 60 comprises an anode block (electrode block) 61 and three stubs (conductive bars) 62 .
  • Anode block 61 is made of carbon.
  • the stub 62 is made of metal, preferably iron.
  • Anode assembly 60 further comprises yoke 63 and rod 64 connected with stub 62 .
  • the yoke 63 is made of metal, preferably iron.
  • Rod 64 is made of metal, preferably aluminum.
  • FIG. 16 illustrates the case where the rod 64 is directly connected to one of the stubs 62 , the rod 64 may be connected to the stub 62 via the yoke 63 .
  • the anode block 61 has a substantially rectangular parallelepiped shape and has three cylindrical holes 61a.
  • Each of the stubs 62 has a cylindrical shape and is inserted into a hole 61 a of the anode block 61 .
  • FIG. 17 is a side view of the vicinity of the tip of the stub 62.
  • FIG. A male thread 621 is formed on the outer peripheral surface of each stub 62 . More specifically, the male thread 621 extends from the tip of the stub 62 in the axial direction of the stub 62 (direction z in FIG. 17) to the vicinity of the portion located inside the hole 61a of the anode block 61 (FIG. 16). is formed in A female thread that is fastened to the male thread 621 of the stub 62 is formed on the inner peripheral surface of each of the holes 61 a of the anode block 61 .
  • Each of the anode block 61 and the stub 62 is connected by fastening the female thread of the anode block 61 and the male thread 621 of the stub 62 . Thereby, the outer peripheral surface of the stub 62 and the inner peripheral surface of the hole 61a are in contact with each other.
  • a female thread formed on the inner peripheral surface of the hole 61a of the anode block 61 is machined by a stub 62, as will be described later.
  • a slit 621a is formed in each screw thread of the male screw 621 of the stub 62 . More specifically, the slit 621 a is formed in the male thread 621 except for some threads near the tip of the stub 62 .
  • the stub 62 has, at least at its tip, a blade portion 62a having a shape obtained by cutting a part of the stub 62 into a groove, like the collector bar 12 (FIG. 5) in the first embodiment.
  • the stub 62 also preferably has a tapered shape with an outer diameter that decreases toward the tip.
  • a preferred range for the taper angle ⁇ is the same as for the collector bar 12 .
  • the anode block 61 is formed with a prepared hole 61b having an outer diameter slightly smaller than the outer diameter of the stub 62 .
  • a female thread may not be formed on the inner peripheral surface of the pilot hole 61b.
  • the stub 62 is screwed into the pilot hole 61b.
  • the pilot hole 61b of the anode block 61 is machined by the stub 62 to expand its diameter and form a female thread on its inner peripheral surface.
  • the anode block 61 is formed with a hole 61a having a female thread on its inner peripheral surface, and the stub 62 is connected to the anode block 61.
  • the stub 62 is connected to the anode block 61.
  • other stubs 62 are similarly connected to the anode block 61 .
  • Yoke 63 (FIG. 16) is then connected to stub 62, for example by resistance welding, and rod 64 (FIG. 16) is connected to stub 62 or yoke 63, for example by resistance welding. This produces the anode assembly 60 (FIG. 16).
  • the anode assembly 60 it is possible to simplify the connection work between the anode block (electrode block) and the stub (conductive rod).
  • the hole 61a with the stub 62, the gap between the female thread of the anode block 61 and the male thread 621 of the stub 62 is reduced compared to the case where the female thread of the anode block 61 and the male thread 621 of the stub 62 are processed separately. variation can be reduced.
  • the case where the anode assembly 60 has three stubs 62 has been described. That is, the case where three stubs 62 are connected to one anode block 61 has been described.
  • the number of stubs 62 connected to the anode block 61 may be one, two, or four or more.
  • FIG. 21 is a perspective view schematically showing the configuration of an anode assembly 70, which is an electrode assembly according to a seventh embodiment of the invention.
  • FIG. 22 is an exploded perspective view schematically showing the configuration of the anode assembly 70 during manufacture.
  • the anode assembly 70 includes two anode blocks (electrode blocks) 71 , four stubs (conductive rods) 72 , four yokes 73 and rods 74 .
  • two stubs 72 are connected to each of two anode blocks 71
  • a total of four stubs 72 are connected to rods 74 via yokes 73 .
  • Each of the anode blocks 71 is similar to the anode blocks 61 of the anode assembly 60 (FIG. 16) except that the number of holes 71a is two.
  • Each of the stubs 72 is similar to the stubs 62 (FIG. 17) except that the ratio of the length of the external thread 721 (FIG. 22) to the outer peripheral surface is different.
  • the male thread 721 is formed on substantially the entire outer peripheral surface of the stub 72 .
  • Rod 74 is similar to rod 64 of anode assembly 60 (FIG. 16).
  • the shape of the yoke 73 is significantly different from the yoke 63 of the anode assembly 60 (FIG. 16).
  • a yoke 73 is provided corresponding to each of the four stubs 72.
  • Each yoke 73 includes a socket portion 731 having a through hole 731a (FIG. 22), a socket portion 731 and a rod 74. and a connecting portion 732 for connecting the .
  • a female thread that is fastened to the male thread 721 of the stub 72 is formed on the inner peripheral surface of the through hole 731 a of the socket portion 731 .
  • the stub 72 and the yoke 73 are connected by fastening the male thread 721 and the female thread of the socket portion 731 .
  • Each of the stubs 72 passes through the socket portion 731 and is inserted into the hole 71 a of the anode block 71 .
  • the inner peripheral surface of each of the holes 71 a of the anode block 71 is formed with a female thread to be fastened with the male thread 721 of the stub 72 .
  • Each of the anode block 71 and the stub 72 is connected by fastening the female thread of the anode block 71 and the male thread 721 of the stub 72 . Thereby, the outer peripheral surface of the stub 72 and the inner peripheral surface of the hole 71a are in contact with each other.
  • the female thread formed on the inner peripheral surface of the hole 71a of the anode block 71 is processed by the stub 72.
  • the stub 72 has, at least at its tip, a blade portion 72a having a shape obtained by cutting a part of the stub 72 into a groove, similarly to the stub 62 (FIG. 17).
  • the anode block 71 is formed with a pilot hole 71 b having an outer diameter slightly smaller than the outer diameter of the stub 72 .
  • a female thread may not be formed on the inner peripheral surface of the pilot hole 71b.
  • the stub 72 is screwed into the through hole 731a of the socket portion 731 of the yoke 73. After screwing the stub 72 through the socket portion 731 , the stub 72 is further screwed into the prepared hole 71 b of the anode block 71 . At this time, the pilot hole 71b of the anode block 71 is machined by the stub 72 to expand its diameter and form a female thread on its inner peripheral surface.
  • a hole 71 a ( FIG. 21 ) having a female thread formed on the inner peripheral surface is formed in the anode block 71 and the stub 72 is connected to the anode block 71 .
  • the stub 72 is also connected to the yoke 73 .
  • the yoke 73 and the rod 74 may be connected in advance before the stub 72 is connected, or may be connected after the stub 72 is connected.
  • the yoke 73 and the rod 74 can be connected by resistance welding, for example, but not limited to this. Anode assembly 70 is thereby manufactured.
  • This embodiment also simplifies the connection work between the anode block (electrode block) and the stub (conductive rod).
  • the anode assembly 70 includes two anode blocks 71 and two stubs 72 are connected to each of the two anode blocks 71 has been described.
  • the number of anode blocks 71 may be one, or three or more.
  • the number of stubs 72 connected to each anode block 71 may be one, or three or more.
  • the second to fourth embodiments can be implemented in any combination.
  • the collector bar 52 (FIG. 13) explained in the fifth embodiment may be combined with the conductive member 221 (FIG. 10) explained in the second embodiment, or the hole 42a (FIG. 10) explained in the fourth embodiment may be combined. 12) may be combined, or both of these may be combined.
  • the stub described in the sixth and seventh embodiments may be provided with the conductive member described in the second embodiment.

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Abstract

電極ブロックと導電棒との接続作業を簡素化することができる電極アセンブリを提供する。電極アセンブリ（１０）は、アルミニウム製錬用の電解炉で使用される電極アセンブリであって、円柱形状の穴（１１ａ）を有する炭素製の電極ブロック（１１）と、穴（１１ａ）に挿入された円柱形状の金属製の導電棒（１２）と、を備え、導電棒（１２）は、少なくとも先端に、導電棒（１２）の一部が溝状に切り取られた形状を有する刃部（１２ａ）を有する。

Description

電極アセンブリ
　本発明は、電極アセンブリに関する。
　アルミニウム製錬用の電解炉の電極（カソード及びアノード）には、炭素製の電極ブロック（カソードブロック及びアノードブロック）が使用される。
　電極ブロックには、金属製の導電棒（カソードブロックに接続されるものは「コレクターバー」と呼ばれ、アノードブロックに接続されるものは「スタブ」と呼ばれる。）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」と呼び、アノードブロックにスタブを接続した組立体を「アノードアセンブリ」と呼ぶ。また、カソードとアノードとを区別せず、電極ブロックに導電棒を接続した組立体を「電極アセンブリ」と呼ぶ。
　電極ブロックと導電棒との接続は、鉄を鋳込むことで行われる。具体的には、電極ブロックに溝又は穴を形成して導電棒をはめ込み、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。
　米国特許第３３９００７１号明細書には、アルミニウム製造用の電解還元セルが記載されている。この電解還元セルは、黒鉛製のカソードブロックと、カソードブロックに電気的に接続された無酸素銅製のコレクターピンとを備えている。カソードブロックには、コレクターピンを受け入れるためのソケットが形成されている。
　スイス特許第６６３６２４号明細書には、長さ方向に沿って形成された溝を有するカソードブロックと、この溝に室温においてフィットするように挿入された鉄製のカソードバーとを備えたカソードエレメントが記載されている。このカソードブロックの溝には、カソードバーを支持又は固定するように、表面の全体にわたって規則的に微細な突起が設けられている。
米国特許第３３９００７１号明細書 スイス特許第６６３６２４号明細書
　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、電極ブロック及び導電棒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電極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電極ブロックが割れるリスクがある。
　本発明の目的は、電極ブロックと導電棒との接続作業を簡素化することができる電極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電極アセンブリは、アルミニウム製錬用の電解炉で使用される電極アセンブリであって、円柱形状の穴を有する炭素製の電極ブロックと、前記穴に挿入された円柱形状の金属製の導電棒と、を備え、前記導電棒は、少なくとも先端に、前記導電棒の一部が溝状に切り取られた形状を有する刃部を有する。
　本発明によれば、電極ブロックと導電棒との接続作業を簡素化することができる。
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（電極アセンブリ）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ＩＶ－ＩＶ線に沿った断面図である。 図５は、図２のカソードアセンブリのコレクターバーの先端近傍の側面図である。 図６は、図５のコレクターバーを先端側から見た正面図である。 図７は、カソードアセンブリの製造方法を説明するための模式図である。 図８は、カソードアセンブリの製造方法を説明するための模式図である。 図９は、カソードアセンブリの製造方法を説明するための模式図である。 図１０は、本発明の第２の実施形態によるカソードアセンブリ（電極アセンブリ）の構成を模式的に示す断面図である。 図１１は、本発明の第３の実施形態によるカソードアセンブリ（電極アセンブリ）の構成を模式的に示す断面図である。 図１２は、本発明の第４の実施形態によるカソードアセンブリ（電極アセンブリ）の構成を模式的に示す断面図である。 図１３は、本発明の第５の実施形態によるカソードアセンブリ（電極アセンブリ）の構成を模式的に示す断面図である。 図１４は、図１３のカソードアセンブリのコレクターバーの先端近傍の側面図である。 図１５は、図１４のコレクターバーを先端側から見た正面図である。 図１６は、本発明の第６の実施形態によるアノードアセンブリ（電極アセンブリ）の構成を模式的に示す斜視図である。 図１７は、図１６のアノードアセンブリのスタブの先端近傍の側面図である。 図１８は、アノードアセンブリの製造方法を説明するための模式図である。 図１９は、アノードアセンブリの製造方法を説明するための模式図である。 図２０は、アノードアセンブリの製造方法を説明するための模式図である。 図２１は、本発明の第７の実施形態によるアノードアセンブリ（電極アセンブリ）の構成を模式的に示す斜視図である。 図２２は、図２１のアノードアセンブリ（電極アセンブリ）の製造途中の構成を模式的に示す分解斜視図である。
　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］
　まず、本発明による電極アセンブリをカソードアセンブリに適用する場合を説明する。
　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の実施形態による電極アセンブリであるカソードアセンブリ１０を備えている。カソードアセンブリ１０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１０の各々は、炭素製のカソードブロック（電極ブロック）１１と、各々がカソードブロック１１に接続された２本の金属製のコレクターバー（導電棒）１２とを備えている。カソードブロック１１は、電解炉１の炉底を構成している。２本のコレクターバー１２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１０に加えて、アノードアセンブリ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１２及びアノードアセンブリ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１１とアノードアセンブリ９１のアノードブロック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１０の構成］
　図２～図４を参照して、カソードアセンブリ１０の構成を詳述する。図２は、カソードアセンブリ１０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り、図４は図２のＩＶ－ＩＶ線に沿った断面図である。
　カソードアセンブリ１０は、既述のとおり、カソードブロック１１と２本のコレクターバー１２とを備えている。カソードブロック１１は炭素製であり、好ましくは黒鉛製である。コレクターバー１２は金属製であり、好ましくは鉄製である。
　カソードブロック１１は、直方体形状であり、対向する一対の側面の各々に円柱形状の穴１１ａを有している。コレクターバー１２の各々は、円柱形状であり、カソードブロック１１の穴１１ａに挿入されている。
　コレクターバー１２の各々の外周面には、雄ねじ１２１（図４）が形成されている。雄ねじ１２１は、より具体的には、コレクターバー１２の軸方向（図４のｘ方法）のうち、コレクターバー１２の先端から、カソードブロック１１の穴１１ａの内部に位置する部分の近傍までに形成されている。カソードブロック１１の穴１１ａの各々の内周面には、コレクターバー１２の雄ねじ１２１と締結される雌ねじが形成されている。カソードブロック１１とコレクターバー１２の各々とは、カソードブロック１１の雌ねじとコレクターバー１２の雄ねじ１２１とを締結することによって接続されている。これによって、コレクターバー１２の外周面と穴１１ａの内周面とが接している。
　カソードブロック１１の穴１１ａの内周面に形成された雌ねじは、後述するように、コレクターバー１２によって加工されたものである。
　カソードブロック１１は、穴１１ａに連続して形成され、カソードブロック１１の底面に開口した開口部１１ｂを有している。
　コレクターバー１２の雄ねじ１２１のねじ山の各々には、スリット１２１ｂ（図４）が形成されている。スリット１２１ｂは、より具体的には、雄ねじ１２１のうち、コレクターバー１２の先端近傍の幾つかのねじ山を除いたねじ山に形成されている。
　図５は、コレクターバー１２の先端近傍の側面図である。図６は、コレクターバー１２を先端側から見た正面図である。コレクターバー１２は、溝付きタッピングねじ、又はねじ切りねじ（Ｔｈｒｅａｄ　Ｃｕｔｔｉｎｇ　Ｓｃｒｅｗ）と呼ばれる形状を有している。コレクターバー１２は具体的には、少なくとも先端に、コレクターバー１２の一部が溝状に切り取られた形状を有する刃部１２ａを有している。
　刃部１２ａは、これに限定されないが、例えば図６に示すように、コレクターバー１２の周方向の１／４の領域が溝状に切り取られた形状を有する。刃部１２ａを構成する溝の幅は、これよりも小さくても大きくてもよい。また、コレクターバー１２が複数の刃部１２ａを有していてもよい。刃部１２ａを構成する溝は、コレクターバー１２の軸方向（図５のｘ方向）と平行である必要はなく、例えばらせん状であってもよい。刃部１２ａを構成する溝は、コレクターバー１２の雄ねじ１２１のねじ溝と交差していることが好ましい。また、刃部１２ａは、コレクターバー１２の先端だけでなく、コレクターバー１２の全長にわたって形成されていてもよい。
　コレクターバー１２はまた、先端に向かって外径が小さくなるテーパー形状を有していることが好ましい。テーパー角α（図５）は、これに限定されないが、例えば０～６０°である。テーパー角αの下限は、好ましくは１°であり、さらに好ましくは３°である。テーパー角αの上限は、好ましくは４５°であり、さらに好ましくは４０°である。
　［カソードアセンブリ１０の製造方法］
　次に、図７～図９を参照して、カソードアセンブリ１０の製造方法の一例を説明する。
　まず、図７に示すように、カソードブロック１１に、コレクターバー１２の外径よりも少し小さい外径を有する下穴１１ｃと、開口部１１ｂとを形成する。下穴１１ｃの内周面には、雌ねじは形成しなくてもよい。
　次に、図８に示すように、コレクターバー１２を下穴１１ｃにねじ込む。このとき、カソードブロック１１の下穴１１ｃは、コレクターバー１２によって加工され、拡径されるとともに内周面に雌ねじが形成される。
　その結果、図９に示すように、内周面に雌ねじが形成された穴１１ａがカソードブロック１１に形成されるとともに、コレクターバー１２がカソードブロック１１に接続される。図示は省略するが、他方のコレクターバー１２も同様にしてカソードブロック１１に接続する。これによって、２本のコレクターバー１２がカソードブロック１１に接続されたカソードアセンブリ１０（図２）が製造される。
　［カソードアセンブリ１０の効果］
　本実施形態によるカソードアセンブリ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の各々とは、カソードブロック１１の雌ねじとコレクターバー１２の雄ねじ１２１とを締結することによって接続される。この構成によれば、溶かした鉄を流し込む場合と比較して、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。
　カソードブロック１１とコレクターバー１２の各々とは、カソードブロック１１の雌ねじの部分と、コレクターバー１２の雄ねじ１２１の部分とで接触する。これによって、接触面積が大きくなるため、接触抵抗を小さくすることができ、ＣＶＤ（Ｃａｔｈｏｄｅ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｄｒｏｐ）を小さくすることができる。
　カソードブロック１１の雌ねじとコレクターバー１２の雄ねじ１２１とを別々に加工した場合、加工のバラツキにより、カソードブロック１１の雌ねじとコレクターバー１２の雄ねじ１２１とのギャップにバラツキが生じる可能性がある。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１０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１０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１０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１０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。
　本実施形態によるカソードアセンブリ１０の構成によれば、カソードブロック１１の穴１１ａの内周面に形成された雌ねじは、コレクターバー１２によって加工されたものである。この構成によれば、カソードブロック１１の雌ねじとコレクターバー１２の雄ねじ１２１とを別々に加工した場合と比較して、カソードブロック１１の雌ねじとコレクターバー１２の雄ねじ１２１とのギャップのバラツキを小さくすることができる。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。
　コレクターバー１２は、刃部１２ａを有している。この構成によれば、刃部１２ａが切削刃として機能し、小さいトルクでカソードブロック１１を加工することができる。また、コレクターバー１２の先端がテーパー形状である場合、下穴１１ｃ（図８）へのコレクターバー１２の食いつきがよくなり、カソードブロック１１の加工をより効率的に行うことができる。
　カソードブロック１１は、穴１１ａに連続して形成され、カソードブロック１１の底面（穴１１ａが形成された面以外の面）に開口した開口部１１ｂを有している。この構成によれば、コレクターバー１２によってカソードブロック１１を加工する際に発生する切削粉の排出を効率よく行うことができる。
　カソードアセンブリ１０は、操業時に高温（例えば９６０℃）に加熱される。金属製のコレクターバー１２の熱膨張率は炭素製のカソードブロック１１の熱膨張率よりも大きいため、カソードブロック１１の雌ねじのねじ山がコレクターバー１２の膨張によって破壊される可能性がある。カソードアセンブリ１０の構成によれば、コレクターバー１２の雄ねじ１２１のねじ山の各々に、スリット１２１ｂ（図４）が形成されている。高温時、スリット１２１ｂが閉じることで、応力が緩和される。これによって、熱膨張によってカソードブロック１１の雌ねじのねじ山が破壊されるの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１０及びその製造方法の一例を説明した。本実施形態によれば、カソードブロック（電極ブロック）とコレクターバー（導電棒）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１０が２本のコレクターバー１２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１１に２本のコレクターバー１２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１１に接続されるコレクターバー１２は１本であってもよいし、３本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１１の両側からコレクターバー１２を挿入する場合を説明したが、カソードブロック１１を貫通するようにコレクターバー１２を配置してもよい。
　上記の実施形態では、カソードブロック１１が開口部１１ｂを有し、コレクターバー１２の雄ねじ１２１のねじ山の各々にスリット１２１ｂが形成されている場合を説明した。しかし電極ブロックと導電棒との接続作業を簡素化するという課題の解決の観点からはこれらの構成は必須ではなく、省略することも可能である。
　［第２の実施形態］
　図１０は、本発明の第２の実施形態による電極アセンブリであるカソードアセンブリ２０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２０は、カソードアセンブリ１０（図４）のコレクターバー１２に代えて、コレクターバー２２を備えている。
　コレクターバー２２は、コレクターバー１２の構成に加えて、コレクターバー２２の芯部に挿入され、コレクターバー２２の本体よりも導電性の高い金属からなる導電部材２２１をさらに備えている。導電部材２２１は、例えば銅製の棒である。
　コレクターバー２２の本体よりも導電性の高い導電部材２２１をコレクターバー２２に挿入することで、コレクターバー２２の全体の電気抵抗を低くすることができる。これによって、ＣＶＤを小さくすることができる。
　本実施形態では、導電部材２２１は、コレクターバー２２の軸方向（図１０のｘ方向）において、カソードブロック１１の中央側の部分にのみ配置されている。この構成によれば、コレクターバー２２の軸方向において、導電部材２２１が配置された部分、すなわち、カソードブロック１１の中央側の部分の電気抵抗が相対的に低くなる。
　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。本実施形態によるカソードアセンブリ２０の構成によれば、コレクターバー２２の軸方向において、カソードブロック１１の中央側の部分の電気抵抗を低くすることで、カソードブロック１１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。
　もっとも、導電部材２２１は、コレクターバー２２の軸方向の全体に配置してもよい。
　［第３の実施形態］
　図１１は、本発明の第３の実施形態による電極アセンブリであるカソードアセンブリ３０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３０は、カソードアセンブリ１０（図４）のコレクターバー１２に代えて、コレクターバー３２を備えている。
　本実施形態では、カソードブロック１１の穴１１ａの内部に位置するコレクターバー３２の外周面のうち、一部にのみ雄ねじ３２１が形成され、残りの部分にはねじが形成されていない。より具体的には、カソードブロック１１の穴１１ａの内部に位置するコレクターバー３２の外周面のうち、軸方向の先端側の途中までの部分に雄ねじ３２１が形成され、軸方向の残りの部分にはねじが形成されていない。コレクターバー３２の他の構成は、コレクターバー１２（図４）と同様である。
　コレクターバー３２のねじが形成されていない部分は、ねじが形成されている部分と比較して、カソードブロック１１からの拘束力が小さい。そのため、コレクターバー３２のねじが形成されていない部分は、ねじが形成されている部分と比較して、軸方向（図１１のｘ方向）に自由に膨張することができる。そのため、外周面の全体にねじを形成した場合よりも応力が緩和される。これによって、熱膨張によってカソードブロック１１の雌ねじのねじ山が破壊されるのを抑制することができる。
　また、コレクターバー３２のねじが形成されていない部分は、ねじが形成されている部分と比較して、カソードブロック１１との接触面積が小さくなる。そのため、コレクターバー３２の軸方向において、カソードブロック１１の端部側の部分の電気抵抗が相対的に高くなる。
　上述のとおり、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。本実施形態によるカソードアセンブリ３０の構成によれば、コレクターバー３２の軸方向において、カソードブロック１１の端部側の部分の電気抵抗を高くすることで、カソードブロック１１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。
　［第４の実施形態］
　図１２は、本発明の第４の実施形態による電極アセンブリであるカソードアセンブリ４０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４０は、カソードアセンブリ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。
　コレクターバー４２は、コレクターバー１２（図４）の構成に加えて、コレクターバー４２の軸方向（図１２のｘ方向）と交差する方向に形成された穴４２ａをさらに有している。図１２では、穴４２ａが五つ形成されている場合を図示しているが、穴４２ａの数は任意である。穴４２ａは、一つであってもよい。穴４２ａは、コレクターバー４２を貫通していてもよいし、貫通していなくてもよい。
　本実施形態によるカソードアセンブリ４０の構成によれば、高温時、穴４２ａが縮むことによって応力が緩和される。これによって、熱膨張によってカソードブロック１１の雌ねじのねじ山が破壊されるのを抑制することができる。
　本実施形態では、穴４２ａは、コレクターバー４２の軸方向において、カソードブロック１１の端部側の部分にのみ配置されている。この構成によれば、コレクターバー４２の軸方向において、穴４２ａが配置された部分、すなわち、カソードブロック１１の端部側の部分の電気抵抗が相対的に高くなる。
　上述のとおり、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。本実施形態によるカソードアセンブリ４０の構成によれば、コレクターバー４２の軸方向において、カソードブロック１１の端部側の部分の電気抵抗を高くすることで、カソードブロック１１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。
　もっとも、穴４２ａは、コレクターバー４２の軸方向の全体に配置してもよい。
　［第５の実施形態］
　図１３は、本発明の第５の実施形態による電極アセンブリであるカソードアセンブリ５０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５０は、カソードブロック５１及びコレクターバー５２を備えている。
　カソードブロック５１は、カソードブロック１１（図４）と同様に、コレクターバー５２を接続するための円柱形状の穴５１ａを有している。穴５１ａは、カソードブロック１１の穴１１ａと異なり、内周面にねじが形成されていない。カソードブロック５１はまた、カソードブロック１１と同様に、穴５１ａに連続して形成され、カソードブロック５１の底面に開口した開口部５１ｂを有している。
　コレクターバー５２は、コレクターバー１２（図４）と同様に円柱形状であるが、外周面にねじが形成されていない。カソードブロック１１とコレクターバー５２とは、カソードブロック５１の穴５１ａにコレクターバー５２を挿入することによって接続されている。コレクターバー５２は、より具体的には、コレクターバー５２の外周面が穴５１ａの内周面に接するように挿入されている。コレクターバー５２の外径は、室温において、穴５１ａの外径を超えない範囲で穴５１ａの外径にできるだけ近い大きさであることが好ましい。カソードブロック５１の穴５１ａは、後述するように、コレクターバー５２によって加工されたものである。
　図１４は、コレクターバー５２の先端近傍の側面図である。図１５は、コレクターバー５２を先端側から見た正面図である。コレクターバー５２は、コレクターバー１２（図５）と同様に、少なくとも先端に、コレクターバー５２の一部が溝状に切り取られた形状を有する刃部５２ａを有している。
　コレクターバー５２はまた、コレクターバー１２と同様に、先端に向かって外径が小さくなるテーパー形状を有していることが好ましい。テーパー角αの好ましい範囲は、コレクターバー１２の場合と同様である。
　カソードアセンブリ５０は、カソードアセンブリ１０と同様に製造することができる。まず、カソードブロック５１に、コレクターバー５２の外径よりも少し小さい外径を有する下穴と、開口部５１ｂとを形成する。次に、コレクターバー５２を下穴にねじ込む。このとき、カソードブロック５１の下穴は、コレクターバー５２によって加工される。
　具体的には、コレクターバー５２の刃部５２ａが切削刃として機能し、カソードブロック５１の下穴を拡径することができる。また、カソードブロック５１に形成された開口部５１ｂによって、切削粉の排出を効率よく行うことができる。
　これによって、穴５１ａがカソードブロック５１に形成されるとともに、コレクターバー５２がカソードブロック５１に接続される。
　本実施形態によっても、カソードブロック（電極ブロック）とコレクターバー（導電棒）との接続作業を簡素化することができる。また、コレクターバー５２によって穴５１ａを形成することで、カソードブロックに穴５１ａを直接形成する場合と比較して、カソードブロック１１の穴５１ａとコレクターバー５２とのギャップのバラツキを小さくすることができる。
　［第６の実施形態］
　第１～第５の実施形態では、本発明による電極アセンブリをカソードアセンブリに適用する場合を説明した。次に、本発明による電極アセンブリをアノードアセンブリに適用する場合を説明する。
　図１６は、本発明の第６の実施形態による電極アセンブリであるアノードアセンブリ６０の構成を模式的に示す斜視図である。アノードアセンブリ６０は、アノードブロック（電極ブロック）６１と、３本のスタブ（導電棒）６２とを備えている。アノードブロック６１は炭素製である。スタブ６２は金属製であり、好ましくは鉄製である。
　アノードアセンブリ６０はさらに、スタブ６２と接続されたヨーク６３及びロッド６４を備えている。ヨーク６３は金属製であり、好ましくは鉄製である。ロッド６４は金属製であり、好ましくはアルミニウム製である。図１６では、ロッド６４がスタブ６２の一つと直接接続されている場合を図示しているが、ロッド６４は、ヨーク６３を介してスタブ６２と接続されていてもよい。
　アノードブロック６１は、概略直方体形状であり、円柱形状の穴６１ａを三つ有している。スタブ６２の各々は、円柱形状であり、アノードブロック６１の穴６１ａに挿入されている。
　図１７は、スタブ６２の先端近傍の側面図である。スタブ６２の各々の外周面には、雄ねじ６２１が形成されている。雄ねじ６２１は、より具体的には、スタブ６２の軸方向（図１７のｚ方法）のうち、スタブ６２の先端から、アノードブロック６１（図１６）の穴６１ａの内部に位置する部分の近傍までに形成されている。アノードブロック６１の穴６１ａの各々の内周面には、スタブ６２の雄ねじ６２１と締結される雌ねじが形成されている。アノードブロック６１とスタブ６２の各々とは、アノードブロック６１の雌ねじとスタブ６２の雄ねじ６２１とを締結することによって接続されている。これによって、スタブ６２の外周面と穴６１ａの内周面とが接している。
　アノードブロック６１の穴６１ａの内周面に形成された雌ねじは、後述するように、スタブ６２によって加工されたものである。
　スタブ６２の雄ねじ６２１のねじ山の各々には、スリット６２１ａが形成されている。スリット６２１ａは、より具体的には、雄ねじ６２１のうち、スタブ６２の先端近傍の幾つかのねじ山を除いたねじ山に形成されている。
　スタブ６２は、第１の実施形態におけるコレクターバー１２（図５）と同様に、少なくとも先端に、スタブ６２の一部が溝状に切り取られた形状を有する刃部６２ａを有している。スタブ６２はまた、コレクターバー１２と同様に、先端に向かって外径が小さくなるテーパー形状を有していることが好ましい。テーパー角αの好ましい範囲は、コレクターバー１２の場合と同様である。
　［アノードアセンブリ６０の製造方法］
　次に、図１８～図２０を参照して、アノードアセンブリ６０の製造方法の一例を説明する。
　まず、図１８に示すように、アノードブロック６１に、スタブ６２の外径よりも少し小さい外径を有する下穴６１ｂを形成する。下穴６１ｂの内周面には、雌ねじは形成しなくてもよい。
　次に、図１９に示すように、スタブ６２を下穴６１ｂにねじ込む。このとき、アノードブロック６１の下穴６１ｂは、スタブ６２によって加工され、拡径されるとともに内周面に雌ねじが形成される。
　その結果、図２０に示すように、内周面に雌ねじが形成された穴６１ａがアノードブロック６１に形成されるとともに、スタブ６２がアノードブロック６１に接続される。図示は省略するが、他のスタブ６２も同様にしてアノードブロック６１に接続する。その後、ヨーク６３（図１６）を例えば抵抗溶接によってスタブ６２に接続し、ロッド６４（図１６）を例えば抵抗溶接によってスタブ６２又はヨーク６３に接続する。これによって、アノードアセンブリ６０（図１６）が製造される。
　本実施形態によるアノードアセンブリ６０の構成によれば、アノードブロック（電極ブロック）とスタブ（導電棒）との接続作業を簡素化することができる。また、スタブ６２によって穴６１ａを形成することで、アノードブロック６１の雌ねじとスタブ６２の雄ねじ６２１とを別々に加工した場合と比較して、アノードブロック６１の雌ねじとスタブ６２の雄ねじ６２１とのギャップのバラツキを小さくすることができる。
　上記の実施形態では、アノードアセンブリ６０が３本のスタブ６２を備えている場合を説明した。すなわち、一つのアノードブロック６１に３本のスタブ６２が接続されている場合を説明した。しかし、アノードブロック６１に接続されるスタブ６２は１本又は２本であってもよいし、４本以上であってもよい。
　上記の実施形態では、スタブ６２の雄ねじ６２１のねじ山の各々にスリット６２１ａが形成されている場合を説明した。しかし電極ブロックと導電棒との接続作業を簡素化するという課題の解決の観点からはこの構成は必須ではなく、省略することも可能である。
　［第７の実施形態］
　図２１は、本発明の第７の実施形態による電極アセンブリであるアノードアセンブリ７０の構成を模式的に示す斜視図である。図２２は、アノードアセンブリ７０の製造途中の構成を模式的に示す分解斜視図である。アノードアセンブリ７０は、二つのアノードブロック（電極ブロック）７１と、４本のスタブ（導電棒）７２と、四つのヨーク７３と、ロッド７４とを備えている。アノードアセンブリ７０では、二つのアノードブロック７１の各々に２本のスタブ７２が接続され、合計４本のスタブ７２がヨーク７３を介してロッド７４に接続されている。
　アノードブロック７１の各々は、穴７１ａの数が二つであること以外は、アノードアセンブリ６０（図１６）のアノードブロック６１と同様である。スタブ７２の各々は、外周面に占める雄ねじ７２１（図２２）の長さの割合いが異なる以外は、スタブ６２（図１７）と同様である。雄ねじ７２１は、スタブ７２の外周面のほぼ全体に形成されている。
　ロッド７４は、アノードアセンブリ６０（図１６）のロッド６４と同様である。本実施形態では、ヨーク７３の形態が、アノードアセンブリ６０のヨーク６３（図１６）と大きく異なっている。本実施形態では、４本のスタブ７２の各々に対応してヨーク７３が設けられており、ヨーク７３の各々は、貫通孔７３１ａ（図２２）を有するソケット部７３１と、ソケット部７３１とロッド７４とを接続する接続部７３２とを備えている。
　ソケット部７３１の貫通孔７３１ａの内周面には、スタブ７２の雄ねじ７２１と締結される雌ねじが形成されている。本実施形態では、スタブ７２とヨーク７３とは、雄ねじ７２１とソケット部７３１の雌ねじとを締結することによって接続されている。
　スタブ７２の各々は、ソケット部７３１を貫通し、アノードブロック７１の穴７１ａに挿入されている。本実施形態においても、アノードブロック７１の穴７１ａの各々の内周面には、スタブ７２の雄ねじ７２１と締結される雌ねじが形成されている。アノードブロック７１とスタブ７２の各々とは、アノードブロック７１の雌ねじとスタブ７２の雄ねじ７２１とを締結することによって接続されている。これによって、スタブ７２の外周面と穴７１ａの内周面とが接している。
　本実施形態においても、アノードブロック７１の穴７１ａの内周面に形成された雌ねじは、スタブ７２によって加工されたものである。また、スタブ７２は、スタブ６２（図１７）と同様に、少なくとも先端に、スタブ７２の一部が溝状に切り取られた形状を有する刃部７２ａを有している。
　［アノードアセンブリ７０の製造方法］
　次に、図２２を参照して、アノードアセンブリ７０の製造方法の一例を説明する。まず、アノードブロック７１に、スタブ７２の外径よりも少し小さい外径を有する下穴７１ｂを形成する。下穴７１ｂの内周面には、雌ねじは形成しなくてもよい。
　次に、スタブ７２をヨーク７３のソケット部７３１の貫通孔７３１ａにねじ込む。スタブ７２がソケット部７３１を貫通するまでねじ込んだ後、さらにスタブ７２をアノードブロック７１の下穴７１ｂにねじ込む。このとき、アノードブロック７１の下穴７１ｂは、スタブ７２によって加工され、拡径されるとともに内周面に雌ねじが形成される。
　その結果、内周面に雌ねじが形成された穴７１ａ（図２１）がアノードブロック７１に形成されるとともに、スタブ７２がアノードブロック７１に接続される。このとき、スタブ７２はヨーク７３とも接続される。
　これらの工程を、４本のスタブ７２の各々について行う。ヨーク７３とロッド７４とは、スタブ７２を接続する前に予め接続しておいてもよいし、スタブ７２を接続した後に接続してもよい。ヨーク７３とロッド７４とは、これに限定されないが、例えば抵抗溶接によって接続することができる。これによって、アノードアセンブリ７０が製造される。
　本実施形態によっても、アノードブロック（電極ブロック）とスタブ（導電棒）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、アノードアセンブリ７０が二つのアノードブロック７１を備え、さらに、二つのアノードブロック７１の各々に２本のスタブ７２が接続されている場合を説明した。しかし、アノードブロック７１の数は一つであってもよいし、三つ以上であってもよい。また、各々のアノードブロック７１に接続されるスタブ７２は１本であってもよいし、３本以上であってもよい。
　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。
　例えば、第２～第４の実施形態は、任意に組み合わせて実施することが可能である。また、第５の実施形態で説明したコレクターバー５２（図１３）に、第２の実施形態で説明した導電部材２２１（図１０）を組み合わせたり、第４の実施形態で説明した穴４２ａ（図１２）を組み合わせたり、これらの両方を組み合わせたりしてもよい。
　また、第６及び第７の実施形態で説明したスタブに、第２の実施形態で説明した導電部材を設けてもよい。
１　電解炉
１０、２０、３０、４０、５０　カソードアセンブリ（電極アセンブリ）
１１、５１　カソードブロック（電極ブロック）
１１ａ、５１ａ　穴
１１ｂ、５１ｂ　開口部
１２、２２、３２、４２、５２　コレクターバー（導電棒）
１２１、３２１　雄ねじ
１２ａ、５２ａ　刃部
１２１ｂ　スリット
６０、７０　アノードアセンブリ（電極アセンブリ）
６１、７１　アノードブロック（電極ブロック）
６１ａ、６１ａ　穴
６２、７２　スタブ（導電棒）
６２１、７２１　雄ねじ
６２１ａ　スリット
６２ａ、７２ａ　刃部
６３、７３　ヨーク
７３１　ソケット部
７３２　接続部
６４、７４　ロッド
９１　アノードアセンブリ
９２　シェル
９３　ライニング
９４　融液
９５　アルミニウム

Claims (5)

  1. 　アルミニウム製錬用の電解炉で使用される電極アセンブリであって、
    　円柱形状の穴を有する炭素製の電極ブロックと、
    　前記穴に挿入された円柱形状の金属製の導電棒と、を備え、
    　前記導電棒は、少なくとも先端に、前記導電棒の一部が溝状に切り取られた形状を有する刃部を有する、電極アセンブリ。
  2. 　請求項１に記載の電極アセンブリであって、
    　前記導電棒の外周面に雄ねじが形成されており、
    　前記穴の内周面に前記雄ねじと締結される雌ねじが形成されている、電極アセンブリ。
  3. 　請求項２に記載の電極アセンブリであって、
    　前記雄ねじのねじ山にスリットが形成されている、電極アセンブリ。
  4. 　請求項１に記載の電極アセンブリであって、
    　前記穴の内周面及び前記導電棒の外周面にねじが形成されていない、電極アセンブリ。
  5. 　請求項１～４のいずれか一項に記載の電極アセンブリであって、
    　前記電極ブロックは、前記穴に連続して形成され、前記電極ブロックの前記穴が形成された面以外の面に開口した開口部を有する、電極アセンブリ。
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