WO2023119772A1 - 電極アセンブリ - Google Patents
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- 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
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。
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。
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。
[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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、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
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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021209434A JP2023094140A (ja) | 2021-12-23 | 2021-12-23 | 電極アセンブリ |
JP2021-209434 | 2021-12-23 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
WO2023119772A1 true WO2023119772A1 (ja) | 2023-06-29 |
Family
ID=86901850
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
PCT/JP2022/035647 WO2023119772A1 (ja) | 2021-12-23 | 2022-09-26 | 電極アセンブリ |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2023094140A (ja) |
WO (1) | WO2023119772A1 (ja) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3390071A (en) * | 1964-10-26 | 1968-06-25 | Reynolds Metals Co | Cathode construction for aluminum reduction cell |
JP2017222914A (ja) * | 2016-06-16 | 2017-12-21 | Secカーボン株式会社 | カソード |
CN108396335A (zh) * | 2018-04-09 | 2018-08-14 | 东北大学 | 铝电解用金属陶瓷基惰性阳极与导杆连接结构及制备方法 |
-
2021
- 2021-12-23 JP JP2021209434A patent/JP2023094140A/ja active Pending
-
2022
- 2022-09-26 WO PCT/JP2022/035647 patent/WO2023119772A1/ja unknown
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US3390071A (en) * | 1964-10-26 | 1968-06-25 | Reynolds Metals Co | Cathode construction for aluminum reduction cell |
JP2017222914A (ja) * | 2016-06-16 | 2017-12-21 | Secカーボン株式会社 | カソード |
CN108396335A (zh) * | 2018-04-09 | 2018-08-14 | 东北大学 | 铝电解用金属陶瓷基惰性阳极与导杆连接结构及制备方法 |
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JP2023094140A (ja) | 2023-07-05 |
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