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JP7588655B2 - Cathode assembly in a Hall-Hellou cell for aluminum production and method for making same - Google Patents
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JP7588655B2 - Cathode assembly in a Hall-Hellou cell for aluminum production and method for making same - Google Patents

Cathode assembly in a Hall-Hellou cell for aluminum production and method for making same Download PDF

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Description

本発明は、アルミニウムの電解製造のためのホール・エルーセル(Hall--Heroult cell)におけるカソードブロックに関する。特に、本発明は、表面層の選択された領域又は部分において耐摩耗性複合材料を含むカソードブロックを有するカソード液に関し、この場合、カソードブロックの高さが結果として低減され得る。カソードロッド加工(cathode rodding)の原理に基づいて、カソードブロックの高さが更に低減され得る。次いでまた、本発明は、このようなカソード液を作製するための方法に関する。 The present invention relates to a cathode block in a Hall-Heroult cell for the electrolytic production of aluminum. In particular, the present invention relates to a catholyte having a cathode block comprising a wear-resistant composite material in selected areas or parts of the surface layer, in which case the height of the cathode block can be reduced as a result. Based on the principle of cathode rodding, the height of the cathode block can be further reduced. The present invention then also relates to a method for producing such a catholyte.

アルミニウム製造セルにおける従来のカソードブロックは、コークス凝集体とピッチバインダーを混合することによって調製される。次いで、この混合物を振動成形型(vibromold)において押し出し又はプレスし、そして焼成し、その後黒鉛化(graphitization)する。このようなブロックは、一般的に黒鉛化カソードブロックと呼ばれている。 Conventional cathode blocks in aluminum production cells are prepared by mixing coke aggregates with a pitch binder. This mixture is then extruded or pressed in a vibromold and calcined, after which it is graphitized. Such blocks are commonly called graphitized cathode blocks.

その黒鉛化カソードブロックの底部には溝/スロットが加工されており、コレクタバーなどの電流リードをカソードブロックに挿入し接合することができ、カソードロッド加工と呼ばれる手順である。カソードロッド加工の間、スロットの壁とコレクタバーとの間のスペースは、前記コレクタバーを固定するために、溶融した鋳鉄又は接着用のペースト若しくは接着剤で一般的に充填されることができる。 The graphitized cathode block has grooves/slots machined into its bottom so that current leads such as collector bars can be inserted and bonded to the cathode block, a procedure called cathode rod machining. During cathode rod machining, the space between the walls of the slot and the collector bar can typically be filled with molten cast iron or an adhesive paste or glue to secure the collector bar.

コレクタプレートでのロッド加工は、コレクタプレートに取り付けられたカソードブロックにおける溝と溝との間のスペースにスチールショット(steel shots)が充填されることができる他の一代替方法である。また、別の代替方法は、従来のスチールコレクタバーの代わりに、カソードブロックにおいて加工された穴に挿入された丸いCuロッドを使用することである。 Rod machining in the collector plate is another alternative where steel shots can be filled into the spaces between the grooves in the cathode block attached to the collector plate. Another alternative is to use round Cu rods inserted into holes machined in the cathode block instead of the traditional steel collector bars.

カソードブロックアセンブリは、カソードブロックと、ロッド加工プロセス後にカソードブロックに接続されたカソードバー、プレート、又はロッドとからなる。 The cathode block assembly consists of a cathode block and a cathode bar, plate, or rod that is connected to the cathode block after the rod fabrication process.

幾つかのカソードブロックアセンブリが、セル内に設置され、カソードパネルをともに形成する。 Several cathode block assemblies are placed within a cell and together form a cathode panel.

一般的に、ホール・エルーセルは、主として比較的高い摩耗率(wear rate)(典型的には、50~70mm/年)により、又はナトリウムの浸透、膨張、又は亀裂により、カソードの再ライニングが必要になるまで、典型的には5~7年間作動される。カソードブロックの高さは、比較的高い摩耗率のため、セルの寿命を十分に確保するために、典型的には450~500mmの範囲にある。 In general, Hall-Helous cells are typically operated for 5-7 years before the cathode requires relining, primarily due to the relatively high wear rate (typically 50-70 mm/year) or due to sodium penetration, swelling, or cracking. The height of the cathode block is typically in the range of 450-500 mm to ensure adequate cell life due to the relatively high wear rate.

一般的に作動する350kAセルでは、1つのセルのカソードプレート内のカソードブロックの質量は、25~30トンの重量に相当する。所定の数のセル、例えば700のセルの電解槽列(pot line)において、各セルの6年ごとの再ライニング作動で、再ライニングされたカソードブロック材料の質量は、年間3000~3600トンに達する。 For a typically operating 350 kA cell, the mass of the cathode block in the cathode plate of one cell corresponds to a weight of 25-30 tonnes. For a given number of cells, say a pot line of 700 cells, with a relining operation of each cell every 6 years, the mass of relined cathode block material amounts to 3000-3600 tonnes per year.

出願人自身の(特許文献1)によると、電極における電流導体(electric conductive particles)と炭素質材料の本体との間の充填材料として導電性粒子が適用されている。硬化型マトリックスを用いない導電性粒子の使用は、例えば、熱膨張のために幾何形状が経時的に変化する場合、電流のための導電性粒子の移動性を促進する。このような粒子を適用したカソード要素における電気抵抗は、一般的に使用される接着ペースト又は溶融した鋳鉄に関して改善されることが認められている。前記(特許文献1)の図9には、その下部に凹部(recesses)又はスロットを有するカソードブロックの端面図が開示されている。スロットの中にはコレクタバーが配列されており、残りのスペースは、導電性粒子で満たされている。コレクタバーは、電流を収集するコレクタプレートに固定され、カソード要素の安定性を更に保証し、更なる接着領域を与える。 According to the applicant's own patent EP 1 239 636, the conductive particles are applied as a filler material between the current conductor (electric conductive particles) and the body of carbonaceous material in the electrode. The use of the conductive particles without a hardening matrix promotes the mobility of the conductive particles for the electric current when the geometry changes over time, for example due to thermal expansion. It has been found that the electrical resistance in the cathode element with such particles applied is improved with respect to the commonly used adhesive paste or molten cast iron. In FIG. 9 of the patent EP 1 239 636, an end view of a cathode block having recesses or slots in its lower part is disclosed. In the slots, collector bars are arranged and the remaining space is filled with conductive particles. The collector bars are fixed to a collector plate that collects the current, further ensuring the stability of the cathode element and providing an additional adhesion area.

他の従来技術から、電気分解によるアルミニウム製造のための還元セルで使用されるカソードブロックの炭素と混合されたTiB粒子(「C-TiB複合材料」)の使用に関する様々な特許及び特許出願が知られている。この場合、C-TiB複合材料は、カソードブロックの上部の層として、又はカソードブロックの全高さに渡り存在することができる。このようなカソードブロックは、湿潤性カソード(wettable cathode)として知られており、電解セルの底部に金属プールがない、いわゆるドレインセルに適用されることが意図される。 From other prior art, various patents and patent applications are known that relate to the use of TiB2 particles mixed with carbon ("C- TiB2 composite") in cathode blocks used in reduction cells for the production of aluminum by electrolysis. In this case, the C- TiB2 composite can be present as a layer on the top of the cathode block or over the entire height of the cathode block. Such cathode blocks are known as wettable cathodes and are intended to be applied in so-called drain cells, where there is no metal pool at the bottom of the electrolytic cell.

(特許文献2)は、二硼化チタン-炭素共晶からブロック又は形状体を製造するカソードの製造を開示している。 (Patent Document 2) discloses the manufacture of cathodes by producing blocks or shapes from titanium diboride-carbon eutectic.

(特許文献3)は、幾つかの層を有するカソードを製造する方法に関する。少なくとも1つの金属硼化物含有層が、グラファイト層の上に重なっている。金属硼化物に加え、層は、炭素を含む。耐酸化性及び耐侵食性を改善させることができる。 (US Pat. No. 5,399,633) relates to a method for producing a cathode having several layers, in which at least one metal boride-containing layer overlies a graphite layer. In addition to the metal boride, the layer contains carbon. Oxidation and erosion resistance can be improved.

国際公開第2009/099335A1号パンフレットInternational Publication No. 2009/099335A1 米国特許第4,544,524号明細書U.S. Pat. No. 4,544,524 国際公開第00/36187号パンフレットInternational Publication No. 00/36187

このような湿潤性カソードブロックの1つの欠点は、C-TiB複合材料のコストが高くなることであり、これらのブロックの高いコストを支持するために、作動中のエネルギー消費をかなり低減させる必要がある。湿潤性カソードを有するドレインセルは、理論的にはエネルギー消費を大幅に低減できるが、このような電解セルの潜在能力を活用するためには、電解セルの設計の変更及び他の新技術要素が必要である(例えば、不活性側壁及び不活性アノード)。従って、アルミニウム電解用のドレインセルは、今日に至るまで、成功裏に実施されていない。 One drawback of such wettable cathode blocks is the high cost of the C- TiB2 composite material, which requires a significant reduction in energy consumption during operation to support the high cost of these blocks. Although drain cells with wettable cathodes could theoretically reduce energy consumption significantly, changes in the design of the electrolysis cells and other new technological elements are required to exploit the potential of such electrolysis cells (e.g., inert side walls and inert anodes). Thus, drain cells for aluminum electrolysis have not been successfully implemented to date.

本発明は、ドレインセルで使用するための湿潤性カソードブロックではなく、従来のホール・エルーセルのための意図される耐摩耗性カソードブロックと称される概念について説明する。両方の型のブロックがC-TiB複合材料を利用することができるが、ブロックの設計、複合材料の組成及び特性並びにコストは、全く異なるであろうことから、この場合に示される耐摩耗性カソードブロック液は、ドレインセルの湿潤性カソードとして使用することはできないであろう。例えば、ドレインセルにおける湿潤性カソードの表面全体は、湿潤性複合材料(例えば、C-TiB)で被覆されなければならないが、本発明によれば、耐摩耗性カソードブロックの表面の選択された部分のみが、耐摩耗性複合材料(例えば、C-TiB)で被覆されることが必要である。 The present invention describes a concept referred to as a wear-resistant cathode block intended for conventional Hall-Helou cells, rather than a wettable cathode block for use in drain cells. Although both types of blocks can utilize C- TiB2 composites, the block design, composite composition and properties, and cost would be quite different, so the wear-resistant cathode block solution presented in this case would not be usable as a wettable cathode in a drain cell. For example, the entire surface of a wettable cathode in a drain cell must be coated with a wettable composite material (e.g., C- TiB2 ), whereas in accordance with the present invention, only selected portions of the surface of the wear-resistant cathode block need be coated with the wear-resistant composite material (e.g., C- TiB2 ).

耐摩耗性カソードブロックの表面の選択された領域に使用される耐摩耗性複合材料は、炭素と、5~80重量%の、TiB、HfB、ZrB、CrB、若しくはWBなどの他の硬質材料耐火性金属硼化物粉末、又はSiC、Cr、BC、TiC、若しくはAlなどの耐火性金属炭化物粉末、又はこれらの任意の適切な組み合わせとからなり得る。 The wear-resistant composite material used on selected areas of the surface of the wear-resistant cathode block may consist of carbon and 5-80% by weight of other hard material refractory metal boride powders such as TiB 2 , HfB 2 , ZrB 2 , CrB 2 , or WB 2 , or refractory metal carbide powders such as SiC, Cr 3 C 2 , B 4 C, TiC, or Al 2 O 3 , or any suitable combination thereof.

カソードブロックは、幾つかの方法で製造することができ、例えば、未乾燥の(green)カソードブロックは、カソードブロック製造における従来の振動成形型の底部において従来のカソードペーストを加えることによって調製されることができ、次いで、レーキ(rake)(又は他の別の同様のツール)で均された後、同じレーキを使用して表面の選択された領域においてピットを調製し、これらのピットに耐摩耗性複合材料が充填された後に振動成形が行われる。次いで、未乾燥の耐摩耗性カソードブロックは、従来のカソードブロックと同様の方法で熱処理(即ち、焼成及び黒鉛化)される。 Cathode blocks can be manufactured in several ways, for example, green cathode blocks can be prepared by adding a conventional cathode paste at the bottom of a conventional vibroforming mold in cathode block manufacturing, then leveled with a rake (or other similar tool), followed by using the same rake to prepare pits in selected areas of the surface, which are filled with a wear-resistant composite material before vibroforming. The green wear-resistant cathode blocks are then heat treated (i.e., calcined and graphitized) in the same manner as conventional cathode blocks.

或いは、未乾燥のカソードブロックは、カソードブロック製造用の従来の振動成形型の底部の選択された領域において複合材料を加えた後、上部において従来のカソードペーストを加えることによって調製されることができ、次いでレーキ(又は同様のツール)で均され、次いで振動成形される。このように、耐摩耗性カソードブロックは、上下逆さまに調製される。次いで、従来のカソードブロックと同様の方法で、未乾燥の耐摩耗性カソードブロックは、熱処理(即ち、焼成及び黒鉛化)される。 Alternatively, the green cathode blocks can be prepared by adding the composite material in selected areas at the bottom of a conventional vibratory mold for producing cathode blocks, followed by adding a conventional cathode paste at the top, which is then smoothed with a rake (or similar tool) and then vibratory molded. Thus, the wear-resistant cathode blocks are prepared upside down. The green wear-resistant cathode blocks are then heat treated (i.e., calcined and graphitized) in a manner similar to that of conventional cathode blocks.

本発明の1つの態様によれば、耐摩耗性複合材料から作製されたカソードブロックの表面の選択された領域又は部分は、カソードブロックの全表面の100%未満に相当し、第2の態様では、耐摩耗性複合材料から作製されたカソードブロックの表面の選択された領域又は部分は、カソードブロックの全表面の50%未満に相当し、第3の態様では、耐摩耗性複合材料から作製されたカソードブロックの表面の選択された領域又は部分は、カソードブロックの全表面の30%未満に相当する。本発明の第4の態様では、耐摩耗性複合材料から作製されたカソードブロックの表面の選択された領域又は部分は、カソードブロックの全表面の10%未満に相当する。 According to one aspect of the invention, the selected area or portion of the surface of the cathode block made from the wear-resistant composite material represents less than 100% of the total surface of the cathode block, in a second aspect, the selected area or portion of the surface of the cathode block made from the wear-resistant composite material represents less than 50% of the total surface of the cathode block, and in a third aspect, the selected area or portion of the surface of the cathode block made from the wear-resistant composite material represents less than 30% of the total surface of the cathode block. In a fourth aspect of the invention, the selected area or portion of the surface of the cathode block made from the wear-resistant composite material represents less than 10% of the total surface of the cathode block.

本発明の更なる態様によれば、耐摩耗性複合材料は、3~10cmの間の厚さを有する。本発明の別の態様によれば、耐摩耗性複合材料は、カソードの摩耗率が高く、モデル化によって予測されることができる、又は検視によって決定されることができるカソード表面の選択された領域に配列される。 According to a further aspect of the invention, the wear-resistant composite has a thickness between 3 and 10 cm. According to another aspect of the invention, the wear-resistant composite is arranged in selected areas of the cathode surface where the wear rate of the cathode is high and can be predicted by modeling or determined by autopsy.

本発明の更なる態様によれば、耐摩耗性複合材料は、カソードブロックの端部に向かう領域(即ち、カソードブロックの端部から0~80cmの領域)に配置される。 According to a further aspect of the invention, the wear-resistant composite material is disposed in a region toward the end of the cathode block (i.e., in the region 0-80 cm from the end of the cathode block).

好ましい実施形態では、出願人自身の国際公開第2009/099335A1号パンフレット及びノルウェー国特許出願公開第20180369号明細書の幾つかの原理を組み合わせることによって、従来から、カソードブロックとフレキシブル(flexible)との間のコネクタとして使用されていたスチールカソードバーの代わりに、スチール及びCu挿入物を有するコレクタプレート構造体をバスバーシステムに有利に適用することができる。 In a preferred embodiment, by combining some principles of the applicant's own WO 2009/099335 A1 and NO 20180369, a collector plate structure with steel and Cu inserts can be advantageously applied to the busbar system instead of the steel cathode bars traditionally used as connectors between the cathode block and the flexible.

更に、これらのコレクタプレートをスチール球などの金属粒子及び熱膨張力によってカソードブロックに接続し、カソードブロックの特定の領域に耐摩耗性複合材料を利用することによって、カソードブロックの高さを典型的な450~500mmの高さから80~230mmの高さに大幅に低減することができ、依然として同じセル寿命を維持する又はセル寿命を延ばすことさえする。これにより、所定の電解槽列において、カソード材料の年間消費量を45~85%以上低減することができる。更に、カソードブロックの特定の領域に耐摩耗性複合材料を適用することのみで、コストのかかる耐摩耗性材料の使用を最小限に抑えることができる。本発明は、アルミニウム金属製造における従来の電解セルにて使用されるので、カソードブロックの表面全体が例えばTiB-炭素複合材料で被覆されなければならないドレインセルにおける湿潤性カソードと比較して、表面の一部のみが耐摩耗性複合材料で被覆されるカソードブロック設計を有することができる。 Furthermore, by connecting these collector plates to the cathode block by metal particles such as steel balls and thermal expansion forces, and utilizing wear-resistant composites on specific areas of the cathode block, the height of the cathode block can be significantly reduced from a typical height of 450-500 mm to a height of 80-230 mm, and still maintain the same cell life or even extend the cell life. This can reduce the annual consumption of cathode material by 45-85% or more for a given electrolyzer train. Furthermore, by only applying wear-resistant composites on specific areas of the cathode block, the use of costly wear-resistant materials can be minimized. As the present invention is used in conventional electrolysis cells in aluminum metal production, it is possible to have a cathode block design where only a portion of the surface is coated with wear-resistant composites, compared to wet cathodes in drain cells where the entire surface of the cathode block must be coated with, for example, TiB 2 -carbon composites.

代替実施形態として、従来のカソードバーの代わりに丸いCuロッドを使用することにより、カソードブロックの高さを130~280mmの高さに低減することができ、カソードブロックの特定の領域に耐摩耗性複合材料を用いた特別に設計されたカソードブロックを利用することによって可能になる。これにより、所定の電解槽列において、カソード材料の消費量を年間約45~75%以上低減することができる。 In an alternative embodiment, the height of the cathode block can be reduced to a height of 130-280 mm by using round Cu rods instead of conventional cathode bars, and is made possible by utilizing specially designed cathode blocks with wear resistant composite materials in certain areas of the cathode block. This can reduce the consumption of cathode material by approximately 45-75% or more per year for a given electrolyzer train.

更に別の代替実施形態として、従来のカソードバーを使用し鋳鉄でロッド加工することにより、カソードブロックの高さを170~370mmの高さに低減することができ、カソードブロックの特定の領域における耐摩耗性複合材料を用いた特別に設計されたカソードブロックを適用することによって可能になる。これにより、所定の電解槽列において、カソード材料の消費量を年間約25~65%以上低減することができる。 As yet another alternative embodiment, the height of the cathode block can be reduced to a height of 170-370 mm by using conventional cathode bars and rodding them with cast iron, and by applying specially designed cathode blocks with wear resistant composite materials in certain areas of the cathode block. This can reduce the consumption of cathode material by about 25-65% or more per year for a given electrolyzer train.

以下の2つの要素を組み合わせることにより、1つの好ましい実施形態を実現することができる:
i)カソードブロックの特定の領域における耐摩耗性複合材料電極材料、
ii)カソードブロックとバスバーシステムに接続するカソードフレキシブルとの間の接続部としてのコレクタプレート。
One preferred embodiment can be realized by combining the following two elements:
i) wear-resistant composite electrode material in specific regions of the cathode block;
ii) Collector plate as the connection between the cathode block and the cathode flexible which connects to the busbar system.

以下の2つの要素を組み合わせることにより、Cuロッドを用いた代替実施形態を実現することができる:
i)カソードブロックの特定の領域における耐摩耗性複合材料電極材料、
i)カソードブロックとバスバーシステムに接続するカソードフレキシブルとの間の接続部としてのCuロッド。
An alternative embodiment using Cu rods can be realized by combining the following two elements:
i) wear-resistant composite electrode material in specific regions of the cathode block;
i) Cu rods as connections between the cathode block and the cathode flexible that connect to the busbar system.

以下の2つの要素を組み合わせることにより、従来のスチールコレクタバーを用いた代替実施形態を実現することができる:
i)カソードブロックの特定の領域における耐摩耗性複合材料電極材料、
i)カソードブロックとバスバーシステムに接続するカソードフレキシブルとの間の接続部としてのカソードバー。
An alternative embodiment using conventional steel collector bars can be realized by combining the following two elements:
i) wear-resistant composite electrode material in specific regions of the cathode block;
i) Cathode bars as the connection between the cathode block and the cathode flexible which connects to the busbar system.

この本発明の実現が、以下によって可能となった:
i)耐摩耗性複合材料で経験される低い侵食率により、十分なカソードの寿命を確保するために従来の高さ(典型的には450~500mm)のカソードブロックを有する必要性を回避する。従来のカソードブロックの最大摩耗率が年間50~70mmの範囲であり得るのに対し、耐摩耗性複合材料の最大摩耗率は、大幅に低くなる(典型的には10~30mmの範囲であるが、更に低くなることもある)。更に、カソード表面の摩耗率は、表面に渡り均一に分布していない(即ち、幾つかの場所は、他の場所よりも著しく高い摩耗率を有する)。この摩耗の正確なメカニズムは、完全には解明されていないが、電流密度の増加及び磁気的に誘導された金属流によってカソード表面において摩耗率が増加すると考えられている。カソード表面のカソード摩耗率は、セルを停止して検査したときの経験によって決定することができ、この検査の結果は、セルの再ライニングのための耐摩耗性カソードブロックのモデル化と設計のための情報として使用することができる。高コストのため、耐摩耗性複合材料は、摩耗率が高い選択された領域、典型的には、これに限定されるものではないが、カソードブロックの端部に向かってのみ使用されるべきである。
ii)好ましい実施形態である、コレクタプレートの幾何形状、又は代替実施形態である、Cuロッドは、従来のカソードバーの周りに15~18cmの炭素を有する必要性を回避し、カソード要素の建築高さを更に低くすることを可能にする。
This realization of the invention has been made possible by:
i) The low erosion rate experienced with the wear-resistant composite material avoids the need to have cathode blocks of conventional height (typically 450-500 mm) to ensure sufficient cathode life. Whereas the maximum wear rate of conventional cathode blocks can be in the range of 50-70 mm per year, the maximum wear rate of the wear-resistant composite material is significantly lower (typically in the range of 10-30 mm, but can be even lower). Furthermore, the wear rate of the cathode surface is not uniformly distributed across the surface (i.e., some locations have significantly higher wear rates than others). The exact mechanism of this wear is not fully understood, but it is believed that the wear rate increases at the cathode surface due to the increased current density and magnetically induced metal flow. The cathode wear rate of the cathode surface can be determined empirically when the cell is shut down and inspected, and the results of this inspection can be used as information for modeling and designing wear-resistant cathode blocks for cell relining. Due to their high cost, wear resistant composite materials should only be used in selected areas where wear rates are high, typically, but not limited to, towards the ends of the cathode block.
ii) The collector plate geometry, which is the preferred embodiment, or the Cu rods, which is the alternative embodiment, avoids the need to have 15-18 cm of carbon around the conventional cathode bar, allowing for an even lower build height of the cathode element.

本発明は、カソードブロックのカソードブロックアセンブリ製造プロセスの機械的設計、カソードブロックとコレクタプレート又はCuロッドとの間の接合プロセス、及びカソードバーアセンブリを含むカソードシェル-カソードライニング全体の熱電的/熱機械的設計を実施することによって実現される。 The present invention is realized by implementing the mechanical design of the cathode block assembly manufacturing process of the cathode block, the joining process between the cathode block and the collector plate or Cu rod, and the thermoelectric/thermo-mechanical design of the entire cathode shell-cathode lining including the cathode bar assembly.

それは、過去に実現されたものとは異なるカソードの設計である。当業者の先入観に基づく慣例的な考え方は、タップアウトの危険性、Naの膨潤、安定性の理由などから、カソードブロックは一定の高さでなければならないというものである。 It is a different cathode design than has been realized in the past. The conventional thinking based on the preconceptions of those skilled in the art is that the cathode block must be a certain height due to the risk of tapping out, sodium swelling, stability reasons, etc.

本発明は、好ましい実施形態では、コレクタプレートに基づくカソード液、又は代替実施形態ではCuロッド又は従来のコレクタバーに基づくカソード液に関し、両方とも導電体を有し、この場合、その構造において、特に高さの低減のため、幾つかの新規の及び発明的特徴が含まれる。幾つかの主要な要素は、以下に関する:
i)カソードのコスト低減(一般にカソード材料がより少なく、特に高価なカソード材料は、カソードの選択的領域又は部分のみに適用されるため、使用量がより少ない)、
ii)エネルギー消費を低減するカソードによるmV損失低減(高さがより低いため電流経路がより少ない)、
iii)断熱のためにカソードブロックの下のスペースをより大きくし、エネルギー消費を低減すること、
iv)カソードブロックの上の空洞を増加させ、より高い従ってより長持ちするアノード、より少ないアノード消費、より少ないアノード処理、より良好なアノード被覆、金属及び槽の高さに関してより柔軟であること、基礎部でのアノード被覆材料のこぼれがより少ないこと、などの幾つかの作動上の利点をもたらすこと。
The present invention relates in a preferred embodiment to a catholyte based on collector plates, or in an alternative embodiment to a catholyte based on Cu rods or conventional collector bars, both with electrical conductors, in which in its structure, in particular for the reduction of the height, some new and inventive features are included. Some main elements relate to:
i) reduced cost of the cathode (less cathode material in general, and less of the expensive cathode material is used, since it is applied only to selective areas or portions of the cathode);
ii) reduced mV losses through the cathode (less current paths due to lower height) which reduces energy consumption;
iii) More space under the cathode block for insulation, reducing energy consumption;
iv) Increasing the cavity above the cathode block resulting in several operational advantages such as taller and therefore longer lasting anodes, less anode consumption, less anode treatment, better anode coating, more flexibility in terms of metal and cell height, less spillage of anode coating material at the base etc.

これら及び更なる利点は、添付の特許請求の範囲に定義される本発明によって達成される。 These and further advantages are achieved by the present invention as defined in the appended claims.

本発明は、以下において、図及び実施例によって更に説明される。 The invention is further illustrated below with reference to the figures and examples.

ホール・エルーセルの主要部分を断面図で示す主な概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing the main parts of a Hall-Hellueux cell in cross-section. カソードバー用の2つのスロットを有する従来のカソードブロックの端面図を開示している。1 shows an end view of a conventional cathode block having two slots for cathode bars. 図2のものと同様のカソードブロックの側面図を開示している。3 discloses a side view of a cathode block similar to that of FIG. 2. カソードバー用の2つのスロットを有するカソードブロックの端面図を開示しており、この場合、カソードブロックは、本発明に従って、その上部層の選択された領域において、より低い高さ及び耐摩耗性複合材料を用いた特別な設計を有する。1 discloses an end view of a cathode block having two slots for cathode bars, where the cathode block has a special design with a lower height and wear-resistant composite material in selected areas of its top layer in accordance with the present invention. 図4のものと同様のカソードブロックの側面図を開示しており、耐摩耗性複合材料は、カソードブロックの端部に向かう選択された領域に配置される。5 discloses a side view of a cathode block similar to that of FIG. 4, with wear-resistant composite material disposed in selected areas toward the ends of the cathode block. 2つのCuバーでロッド加工されたカソードブロックの端面図を開示しており、この場合、カソードブロックは、本発明に従って、その上部層の選択された領域において、より低い高さ及び耐摩耗性複合材料を用いた特別な設計を有する。1 discloses an end view of a cathode block rodded with two Cu bars, where the cathode block has a special design with a lower height and wear-resistant composite material in selected areas of its top layer in accordance with the present invention. 図6のものと同様のカソードブロックの側面図を開示しており、この場合、耐摩耗性複合材料は、カソードブロックの端部に向かう選択された領域に配置される。7 discloses a side view of a cathode block similar to that of FIG. 6, where the wear-resistant composite material is disposed in selected areas toward the ends of the cathode block. コレクタプレートロッドにロッド加工されたカソードブロックの端面図を開示しており、この場合、カソードブロックは、本発明に従って、その上部層の選択された領域において、より低い高さ及び耐摩耗性複合材料を用いた特別な設計を有する。1 discloses an end view of a cathode block machined to a collector plate rod, where the cathode block has a special design with a lower height and wear resistant composite material in selected areas of its top layer in accordance with the present invention. 図8のものと同様のカソードブロックの側面図を開示しており、この場合、耐摩耗性複合材料は、カソードブロックの端部に向かう選択された領域に配置される。10 discloses a side view of a cathode block similar to that of FIG. 8, where the wear-resistant composite material is disposed in selected areas toward the ends of the cathode block.

図1より、従来のホール・エルーセルの主要部分の断面図がわかる。この図は、アルミナ/フッ化物ホッパー、アノードスタブ、バスバー、及び供給装置を含む上部構造を示している。更に、クラスト(crust)で部分的に被覆された一対のアノードが液体槽に浸されている。液体槽の下には、液体アルミニウムの層が示されている。カソードは、液体アルミニウムの下に配列されている。カソードには、各端部から内側に2つのコレクタバーが埋め込まれている。 In Figure 1, a cross-sectional view of the main parts of a conventional Hall-Hellou cell can be seen. The figure shows the upper structure including the alumina/fluoride hopper, anode stub, busbars, and feeders. In addition, a pair of anodes partially covered with crust are immersed in the liquid bath. Below the liquid bath, a layer of liquid aluminum is shown. A cathode is arranged below the liquid aluminum. The cathode has two collector bars embedded inward from each end.

図2は、従来のカソードブロック24の端面図を開示しており、鋳鉄21、21’によって凹部においてロッド加工された2つのカソードバー22、22’を有する。カソードブロックの幅は、40~60cmの範囲にあり得、高さは、40~60cmの範囲にあり得る。 Figure 2 shows an end view of a conventional cathode block 24, with two cathode bars 22, 22' recessed and rod-machined with cast iron 21, 21'. The width of the cathode block can range from 40 to 60 cm, and the height can range from 40 to 60 cm.

図3は、図2のものと同様の従来のカソードブロック24の側面図を開示している。ブロックの長さは、250~350cmの範囲にあり得、高さは、40~60cmの範囲にあり得る。 Figure 3 discloses a side view of a conventional cathode block 24 similar to that of Figure 2. The length of the block may range from 250 to 350 cm, and the height may range from 40 to 60 cm.

図4は、カソードバー22、22’用の2つのスロットを有するカソードブロックの端面図を開示しており、この場合、カソードブロック24は、本発明に従って、その上部層25の選択された領域において、より低い高さ及び耐摩耗性複合材料を用いた特別な設計を有する。この実施形態における上部層は、5~10cmの厚さであり得、一方、カソードブロックは、25~35cmの厚さであり得る。幅は、40~60cmの範囲にあり得る。 Figure 4 discloses an end view of a cathode block with two slots for cathode bars 22, 22', where the cathode block 24 has a special design with a lower height and wear-resistant composite material in selected areas of its top layer 25 according to the present invention. The top layer in this embodiment can be 5-10 cm thick, while the cathode block can be 25-35 cm thick. The width can be in the range of 40-60 cm.

図5は、カソードブロック24の側面図を開示しており、この場合、カソードブロック24は、図4のものと同様に、本発明に従って、その上部層25、25’の選択された領域において、より低い高さ及び耐摩耗性複合材料を用いた特別な設計を有する。前記領域は、この実施形態では、カソードブロックの端部領域に配列され、5~10cmの厚さである。 Figure 5 discloses a side view of a cathode block 24, similar to that of Figure 4, which in this case has a special design with a lower height and wear-resistant composite material in selected areas of its upper layers 25, 25' according to the present invention. Said areas are arranged in the end areas of the cathode block in this embodiment and are 5-10 cm thick.

図6は、端面図において、2つのCuロッド50、50’でロッド加工されたカソードブロックを開示しており、この場合、カソードブロック24は、本発明に従って、その上部層25の選択された領域において、より低い高さ及び耐摩耗性複合材料を用いた特別な設計を有する。耐摩耗性上部層の厚さは、5~10cmであり得、一方、カソードブロックの全高さは、13~28cmであり得る。 Figure 6 discloses, in end view, a cathode block rodded with two Cu rods 50, 50', where the cathode block 24 has a lower height and a special design with wear-resistant composite material in selected areas of its top layer 25 according to the present invention. The thickness of the wear-resistant top layer can be 5-10 cm, while the total height of the cathode block can be 13-28 cm.

図7は、図6のものに対応するカソードブロックの側面図を開示しており、この場合、カソードブロック24は、本発明に従って、その上部層の選択された領域25、25’において、より低い高さ及び耐摩耗性複合材料を用いた特別な設計を有する。カソードブロックの長さは、300~350cmの範囲にあり得る。 Figure 7 discloses a side view of a cathode block corresponding to that of Figure 6, where the cathode block 24 has a special design with a lower height and wear-resistant composite material in selected areas 25, 25' of its upper layer according to the present invention. The length of the cathode block can be in the range of 300-350 cm.

図8は、端面図において、コレクタプレート20にロッド加工されたカソードブロック24を開示している。コレクタプレート20は、この例では、コレクタプレート20と電気的に接触している5つのコレクタ要素、30、30’、30’’、30’’’、30’’’’を備える。好ましくは、これらの部品は、容易に溶接できるスチール品質で作製され、好ましくは、部品は一緒に溶接される。カソードブロックは、国際公開第2009/099335A1号パンフレットに開示されているのと同様の方法で、コレクタ要素にロッド加工されることができ、この場合、その液は、導電性金属粒子を伴うことができる。コレクタプレートにおけるコレクタ要素の数は、示されるような5つと異なり得、例えば1~7つ、或いは全くなくてもよく、この場合、ロッド加工材料は、プレートとカソードブロックとの間の層として配列される。カソードブロック24は、本発明に従って、その上部層の選択された領域25において、より低い高さ及び耐摩耗性複合材料を用いた特別な設計を有する。この材料の厚さは、5~10cmであり得、一方、カソードブロックの全高さは、8~28cmの範囲にあり得る。耐摩耗性複合材料を有するカソードブロックにコレクタ要素を有するコレクタプレートをロッド加工することの組み合わせは、特に低いカソードブロックの高さを可能にし、本発明の好ましい実施形態と考えられる。 8 discloses in an end view a cathode block 24 rodded to a collector plate 20. The collector plate 20 comprises, in this example, five collector elements 30, 30', 30'', 30''', 30'''' in electrical contact with the collector plate 20. Preferably, these parts are made of easily weldable steel quality and preferably the parts are welded together. The cathode block can be rodded to the collector elements in a similar manner as disclosed in WO 2009/099335 A1, in which case the liquid can be accompanied by conductive metal particles. The number of collector elements in the collector plate can be different from five as shown, for example 1 to 7 or even none at all, in which case the rodding material is arranged as a layer between the plate and the cathode block. The cathode block 24 has a special design with a lower height and wear-resistant composite material in selected areas 25 of its upper layer according to the invention. The thickness of this material can be 5-10 cm, while the total height of the cathode block can be in the range of 8-28 cm. The combination of rod-machining the collector plate with the collector elements to the cathode block with wear-resistant composite material allows for a particularly low cathode block height and is considered a preferred embodiment of the invention.

図9は、図8のものと同様のカソードブロックの側面図を開示しており、この場合、カソードブロック24は、本発明に従って、コレクタプレート20にロッド加工される、その上部層の選択された領域25、25’において、より低い高さ及び耐摩耗性複合材料を用いた特別な設計を有する。 Figure 9 discloses a side view of a cathode block similar to that of Figure 8, where the cathode block 24 has a special design with a lower height and wear-resistant composite material in selected areas 25, 25' of its upper layer that is rodded to the collector plate 20 in accordance with the present invention.

適切なコレクタプレートは、少なくとも1つの側に少なくとも1つの水平電流アウトレット(current outlet)、及び/又はコレクタプレートに接続された少なくとも1つの垂直金属電流アウトレットを含むことができる。 A suitable collector plate may include at least one horizontal current outlet on at least one side and/or at least one vertical metallic current outlet connected to the collector plate.

一実施形態では、少なくとも1つの熱電対(TC)がコレクタプレートの内側又はその下の金属部品に挿入され、その位置で温度を監視することができる。 In one embodiment, at least one thermocouple (TC) is inserted into a metal part inside or below the collector plate to monitor the temperature at that location.

更なる実施形態では、コレクタプレートと一体化された各端部において少なくとも1つの水平電流アウトレットを含む。 A further embodiment includes at least one horizontal current outlet at each end integral with the collector plate.

一実施形態では、カソードブロックとは反対側のコレクタプレートにおいて少なくとも1つの垂直電流アウトレットが配列される。 In one embodiment, at least one vertical current outlet is arranged on the collector plate opposite the cathode block.

他の一実施形態では、少なくとも1つの金属コレクタ要素が、金属コレクタプレートの上側に配列され、前記コレクタ要素は、カソードブロックの底部における対応する凹部に埋め込まれ、凹部は、コレクタ要素より広く、導電性粒子を含む導電性材料で充填されている。 In another embodiment, at least one metal collector element is arranged on the top side of the metal collector plate, said collector element being embedded in a corresponding recess in the bottom of the cathode block, the recess being wider than the collector element and being filled with a conductive material including conductive particles.

別の実施形態では、1つ以上のコレクタ要素が存在し、好ましくは3つ~7つが、典型的には50mm~150mmの距離で分離されている。 In another embodiment, there are one or more collector elements, preferably 3 to 7, typically separated by a distance of 50 mm to 150 mm.

更に別の実施形態では、少なくとも1つのコレクタ要素は、カソードブロックと同じ長さ又はそれよりも短い長さである。 In yet another embodiment, at least one collector element is the same length as or shorter than the cathode block.

有利には、コレクタプレートは、銅のようなより高い導電率を有する材料の1つ~5つの挿入を有することができる。 Advantageously, the collector plate may have one to five insertions of a material with higher electrical conductivity, such as copper.

本カソード設計は、それが設置されたセルの磁気流体力学的安定性に関して有利であり、作動において寿命サイクルが改善され得、使用スペースが少なくなり得、従来のカソード設計に関してカソード電圧降下が低いことも示す。 The cathode design is advantageous in terms of magnetohydrodynamic stability of the cell in which it is installed, may provide improved life cycle in operation, may use less space, and also exhibits lower cathode voltage drop with respect to conventional cathode designs.

コレクタプレート20の端部には、水平電流アウトレット(図示せず)を配列することができる。水平電流アウトレットは、銅又は銅合金のような良好な導電性材料の導体から作製することができ、更に、少なくともそのアウトレット端で、好ましくはスチールなどの金属から作製されるシート材料で被覆されている。その対応する導体を有する水平電流アウトレットは、コレクタプレート20に作製されたスロットに組み込まれることができる。この組み込みは、圧入公差又は予熱されたプレート区域に基づき、熱膨張を使用してぴったりと適合することができる。しかしながら、溶接を含む任意の適切な固定が適用され得る。スロット内の導電性材料は、上側と下側において保護的なスチールプレートで被覆されることができる。 At the ends of the collector plate 20, horizontal current outlets (not shown) can be arranged. The horizontal current outlets can be made of conductors of a good conductive material such as copper or a copper alloy and are further covered, at least at their outlet ends, with a sheet material, preferably made of a metal such as steel. The horizontal current outlets with their corresponding conductors can be fitted into slots made in the collector plate 20. This fitting can be based on press-fit tolerances or on a preheated plate area, and can be fitted using thermal expansion. However, any suitable fixing can be applied, including welding. The conductive material in the slots can be covered on the upper and lower sides with protective steel plates.

有利なことに、カソードブロック24及びコレクタプレート20を有するアセンブリ全体は、粒子の充填手順中に幾分傾けられ、粒子が凹部を滑らかに且つ完全に充填できるようにする。更に、粒子で均一に充填するために、プレート又はプレート区域に幾らか振動を加えることができる。 Advantageously, the entire assembly with the cathode block 24 and the collector plate 20 is tilted somewhat during the particle filling procedure to allow the particles to fill the recesses smoothly and completely. Furthermore, some vibration can be applied to the plate or plate area to ensure uniform filling with particles.

カソードブロックの底部の凹部又はスロットは、一般的に使用される技術によって炭素質体の未乾燥の状態で、又は一般的に入手可能なプロセス装置によって焼成又は黒鉛化された状態で作製することができる。スロットの幾何形状は、プレートを適合する必要がある。 The recesses or slots in the bottom of the cathode block can be made in the green state of the carbonaceous body by commonly used techniques, or in the sintered or graphitized state by commonly available process equipment. The geometry of the slots needs to accommodate the plates.

導電性固体又は粒子は、スチール、鉄、銅、アルミニウムなど、又はこれらの合金などの任意の適切な金属であり得ることが理解されるべきである。更に、固体の形状は、球形、楕円形又は長円形、フレーク状であり得る、又は任意の適切な形状を有することができる。サイズ及び粒子分布は、変動し得る。最大サイズは、一般に、充填されるスペースの幅によって制限される。粒子サイズの不均一な分布は、粒子間のスペースがほとんどない、可能な限りコンパクトな充填を得るのに都合よくあり得る。 It should be understood that the conductive solids or particles can be any suitable metal, such as steel, iron, copper, aluminum, etc., or alloys thereof. Furthermore, the shape of the solids can be spherical, elliptical or oblong, flaky, or have any suitable shape. The size and particle distribution can vary. The maximum size is generally limited by the width of the space to be filled. A non-uniform distribution of particle sizes can be advantageous to obtain the most compact packing possible, with little space between the particles.

適用される材料は、良好な導電特性を有するだけでなく、良好な機械的特性(破砕特性)を有し、高温に耐えることができる必要がある。後述するように、磁気特性が有利であり得る。 The materials applied must have good conductive properties, as well as good mechanical properties (fracture properties) and be able to withstand high temperatures. As will be seen later, magnetic properties can be advantageous.

更に、前記固体のサイズは、0.1ミリメートルから、炭素質体と導体プレートとの間の最小開口部に近いものであり得る。一般的に、サイズは、最大2mmであり得る。 Furthermore, the size of the solid can be from 0.1 millimeters to close to the smallest opening between the carbonaceous body and the conductor plate. Typically, the size can be up to 2 mm.

好ましくは、カソード内の温度を監視するために、カソードプレートに取り付けられた又はカソードプレートに挿入された幾つかの熱電対が存在し得る。例えば、熱電対を受け入れるための適切な位置で、カソードプレートの中心までの穴をカソードプレートに開けることができる。スチールプレートは、作動中の化学的攻撃環境に耐えられるように、熱電対のための保護的な筺体をもたらす。 Preferably, there may be several thermocouples attached to or inserted into the cathode plate to monitor the temperature within the cathode. For example, holes may be drilled in the cathode plate to the center at appropriate locations to receive the thermocouples. The steel plate provides a protective housing for the thermocouples to withstand the chemically aggressive environment during operation.

水平アウトレットの挿入の長さは、好ましくは、カソードプレートの中央部分を被覆しないように制限されることができる。挿入の長さは、例えば、そのプレート内の垂直アウトレットの存在、及び導体を介した次のセルへの電流の経路長を反映するように設計されることができる。並んで配列されたセルでは、挿入の長さを上流側でより長くして、よりバランスが取られるようカソードブロックでの電流ピックアップのバランスを取ることができる。 The length of the horizontal outlet insertion can preferably be limited so as not to cover the central portion of the cathode plate. The length of the insertion can be designed, for example, to reflect the presence of vertical outlets in that plate and the path length of the current through the conductor to the next cell. For side-by-side cells, the insertion length can be longer upstream to balance the current pickup at the cathode block for a more balanced arrangement.

各カソード要素には、例えば端から端まで配列されたセルの場合にのみ、若しくはセルの下にバスバーにおけるスペースがない場合にのみ水平アウトレットを、又は幾つかの水平アウトレット及び1つの垂直アウトレットを取り付けることができる。磁場を最適化するために、1つ又は2つの垂直アウトレットのみを有し水平アウトレットを有さない構成も、カソードパネルの一部の選択されたカソードブロックに対して可能であり得る。 Each cathode element may be fitted with a horizontal outlet, for example only in the case of end-to-end cells, or only when there is no space in the busbar below the cell, or with several horizontal outlets and one vertical outlet. To optimise the magnetic field, a configuration with only one or two vertical outlets and no horizontal outlet may also be possible for some selected cathode blocks of the cathode panel.

異なるコレクタプレートの構成の組み合わせを1つのセルに適用して、電流分布から有利な磁場を生成する、又は、例えば、角が近くにあるため、より冷たくなる傾向があるセルの短い端部において、熱損失が望ましくないアウトレットの数を減らしてセルの熱特性を強化することができる。一部のコレクタプレートのみに取り付けられた垂直アウトレットは、電流の流れ及び磁場を最適化するのに役立ち得る。これにより、セルの電流分布及び磁気流体力学的安定性が十分である場合、設置のコストが低減されることもできる。 A combination of different collector plate configurations can be applied to one cell to generate favorable magnetic fields from the current distribution, or to enhance the thermal properties of the cell by reducing the number of outlets where heat loss is undesirable, for example at the short ends of the cell, which tend to be cooler due to the proximity of the corners. Vertical outlets attached to only some of the collector plates can help to optimize the current flow and magnetic field. This can also reduce the cost of installation if the current distribution and magnetohydrodynamic stability of the cell are sufficient.

非常に低い高さのカソードブロックを有する特許請求されるコレクタプレートカソードは、コレクタバーが埋め込まれた炭素質体を含む慣例的な設計と比較して、複数の利点を有する:
-好ましい実施形態では、ブロックは著しく低くなり、TiB-炭素複合材料の浸食速度が著しく低いため、寿命は依然として長くなる。
-カソードブロックの高さが低いこと、アウトレットの数、材料の電気的特性、粒子の初期移動性によるより良好な電気接触、接触抵抗の全表面、及び垂直アウトレットの存在によるより短い電流経路により、カソード電圧降下(CVD)が大幅に低くなる(150mV程度低い)。
-プレートの幾何形状、挿入のコンダクタンス、及び垂直アウトレットの存在により、上部カソードブロック表面への電流分布は、より均一になり、従ってカソードブロック表面の上の液体アルミニウムパッドにおいて水平電流を引き起こす望ましくない不安定性を回避する。セルのより高い安定性を使用して、セル電圧及びエネルギー消費を更に低減することができる又はアンペア数及び製造量を増加させることができる。
-上記のより良好な電流分布により、炭素質材料の浸食がより均一になり、従ってセルの寿命が長くなる。
-配列の垂直スペースの使用は、従来の設計よりも少なく、従ってカソードシェルをより低くすることができる、又は、-シェルの高さが保たれている場合、余分なスペースを使用して底部の断熱をより良好にし、アノードブロックをより高くしより長持ちさせ、又は液体アルミニウム又は槽における高さをより上げる。
-設計は、高い電流密度及び熱流の最も重要な場所で導電率と熱伝導率のより良好な比を有し、従ってセルのエネルギー効率が向上する(熱損失がより少なくなり、カソード電圧降下CVDがより低くなる)。
-既存のセル設計に後取り付けされる場合、特許請求の範囲に記載の垂直アウトレットは、アンペア数を上げることができ、従ってセルあたりの製造を増加させることができる。
-カソード表面への電流分布がより良好になり、MHDの安定性が向上し、従ってACDを低減する、又はアンペア数レベルを最大15%増加させる選択肢という改善がもたらされる。
-特にエネルギー消費を低減するために技術が使用されている場合、底部が凍結する冷たいカソードを回避するHOとVOの断面積及び露出された表面がより小さいため熱損失がより少ない。
-鋳鉄が存在しない実施形態ではロッド加工のコストがより低い。
-鋳込みコレクタバー(鋳鉄)を使用しない実施形態では、炭素ブロックが割れるリスクがない。
-カソードブロックをライニングに配置した後のVOの柔軟な設置。
-上流/下流/底側への電流の流れのバランスをより良好にして、MHDの安定性をより良好にする。
-アセンブリの全高を大幅に低くすることで、底部の断熱をより増加させる又は空洞をより大きくするためのスペースを与える。その差は最大300mmであり得るであろう。
-コレクタバーにおいてよりも穴開けの深さが浅いため、プレート内に熱電対を容易に設置する、又は底面から直接アクセスする。
-従来のカソード材料の量を低減すると、一般にコストが節約されるが、カソードの表面の摩耗が最も過度であると予想される選択された領域のみに複合材料を配列することで、従来の設計と比較して高価な耐摩耗性材料の量を低減する。
The claimed collector plate cathode with its very low height cathode block has several advantages over conventional designs that include carbonaceous bodies with embedded collector bars:
In the preferred embodiment, the block is significantly lower and the life is still longer due to the significantly lower erosion rate of the TiB 2 -carbon composite.
- The cathode voltage drop (CVD) is significantly lower (around 150 mV lower) due to the lower height of the cathode block, the number of outlets, the electrical properties of the material, better electrical contact due to the initial mobility of the particles, the full surface of the contact resistance, and the shorter current path due to the presence of vertical outlets.
- Due to the plate geometry, the conductance of the insertion, and the presence of the vertical outlet, the current distribution to the upper cathode block surface becomes more uniform, thus avoiding undesirable instabilities that cause horizontal currents in the liquid aluminum pad above the cathode block surface. The higher stability of the cell can be used to further reduce the cell voltage and energy consumption or to increase the amperage and production.
- The better current distribution leads to more uniform erosion of the carbonaceous material and therefore longer cell life.
- the array uses less vertical space than conventional designs, so the cathode shell can be lower, or - if the shell height is maintained, the extra space can be used for better bottom insulation, for taller and longer lasting anode blocks, or for higher height in the liquid aluminum or bath.
- The design has a better ratio of electrical and thermal conductivity at high current density and where heat flow is most critical, thus improving the energy efficiency of the cell (less heat loss, lower cathode voltage drop CVD).
- When retrofitted onto existing cell designs, the claimed vertical outlets can increase amperage and therefore production per cell.
- Better current distribution to the cathode surface, improving MHD stability and therefore the option to reduce ACD or increase amperage levels by up to 15%.
- Less heat loss due to smaller cross-sectional area and exposed surface of HO and VO avoiding cold cathodes that freeze at the bottom, especially when techniques are used to reduce energy consumption.
- Lower rod machining costs in embodiments where no cast iron is present.
In embodiments without cast collector bars (cast iron), there is no risk of the carbon block cracking.
- Flexible installation of VO after placing the cathode block on the lining.
- Better balance of upstream/downstream/bottomside current flow leading to better MHD stability.
- The overall height of the assembly is significantly reduced, giving space for more insulation or a larger cavity at the bottom. The difference could be up to 300mm.
- The drilling depth is shallower than in the collector bar, making it easier to place thermocouples in the plate or directly access them from the bottom.
- Reducing the amount of traditional cathode material generally saves costs, but by arranging the composite material only in selected areas of the cathode surface where wear is expected to be most excessive, the amount of expensive wear-resistant material is reduced compared to traditional designs.

Claims (9)

スチールコレクタバー、Cuロッド又は金属コレクタプレートにロッド加工された導電性材料の黒鉛化カソードブロックを含む、アルミニウムを製造するためのホール・エルーセル型の電解セル用のカソードアセンブリを作製する方法であって、
前記カソードブロックの表面の選択された領域又は部分は、炭素質材料とともに、5~80重量%の、TiB2、HfB2、ZrB2、CrB2若しくはWB2 耐火性金属硼化物粉末、又はSiC、Cr32、B4C、TiC、若しくはAl23 耐火性金属炭化物粉末を含む耐摩耗性複合材料から作製され、前記カソードブロックの残りは、黒鉛化カソード材料を含み、
前記耐摩耗性複合材料は、前記カソードブロックの端部に向かう領域に配置され、
前記耐摩耗性複合材料から作製された前記カソードブロックの表面の前記選択された領域又は部分は、前記カソードブロックの全表面の100%未満に相当し、
前記カソードアセンブリは、
(i)未乾燥のカソードブロックは、カソードブロック製造用の振動成形型の底部においてカソードペーストを加えることによって調製され、次いで前記表面の選択された領域においてピットを調製する前に、レーキで均され、前記耐摩耗性複合材料は、これらのピットに充填され、振動成形が行われ、その後前記未乾燥のカソードブロックの焼結又は黒鉛化熱処理が行われる方法、
又は、
(ii)未乾燥のカソードブロックは、上部においてカソードペーストを加える前に、カソードブロック製造用の振動成形型の底部の選択された領域において前記耐摩耗性複合材料を加えることによって調製され、次いでレーキで均され、次いで振動成形され、その後前記未乾燥のカソードブロックの焼結又は黒鉛化熱処理が行われる方法
のいずれかの方法により得られる、カソードアセンブリを作製する方法。
1. A method of making a cathode assembly for an electrolytic cell of the Hall-Hellou cell type for producing aluminum, comprising a graphitized cathode block of conductive material rodded onto a steel collector bar, Cu rod or metal collector plate, comprising:
selected areas or portions of the surface of the cathode block are made from a wear-resistant composite material comprising 5-80 weight percent of a refractory metal boride powder of TiB2 , HfB2, ZrB2 , CrB2 , or WB2 , or a refractory metal carbide powder of SiC , Cr3C2 , B4C , TiC, or Al2O3 , along with a carbonaceous material, and the remainder of the cathode block comprises a graphitized cathode material ;
the wear-resistant composite material is disposed in an area toward an end of the cathode block;
the selected area or portion of the surface of the cathode block made from the wear-resistant composite material represents less than 100% of the total surface of the cathode block;
The cathode assembly comprises:
(i) a green cathode block is prepared by adding cathode paste at the bottom of a vibro- molding mould for producing the cathode block, which is then levelled with a rake before preparing pits in selected areas of the surface, the wear-resistant composite material is filled into these pits and vibro-molded , followed by a sintering or graphitisation heat treatment of the green cathode block;
Or,
(ii) A method for making a cathode assembly, wherein a green cathode block is prepared by adding said wear-resistant composite material at a selected area at the bottom of a vibro- molding mould for making a cathode block before adding cathode paste at the top, then levelling with a rake , then vibro-molding , followed by a heat treatment of sintering or graphitization of said green cathode block.
前記耐摩耗性複合材料は、3~10cmの間の厚さを有する、請求項1に記載のカソードアセンブリを作製する方法。 The method of making a cathode assembly according to claim 1, wherein the wear-resistant composite material has a thickness between 3 and 10 cm. 前記耐摩耗性複合材料から作製された前記カソードブロックの表面の選択された領域又は部分は、前記カソードブロックの全表面の50%未満に相当する、請求項1に記載のカソードアセンブリを作製する方法。 The method of making a cathode assembly according to claim 1, wherein the selected area or portion of the surface of the cathode block made from the wear-resistant composite material represents less than 50% of the total surface of the cathode block. 前記耐摩耗性複合材料から作製された前記カソードブロックの表面の選択された領域又は部分は、前記カソードブロックの全表面の30%未満に相当する、請求項1に記載のカソードアセンブリを作製する方法。 The method of making a cathode assembly according to claim 1, wherein the selected area or portion of the surface of the cathode block made from the wear-resistant composite material represents less than 30% of the total surface of the cathode block. 前記耐摩耗性複合材料から作製された前記カソードブロックの表面の選択された領域又は部分は、前記カソードブロックの全表面の10%未満に相当する、請求項1に記載のカソードアセンブリを作製する方法。 The method of making a cathode assembly according to claim 1, wherein the selected area or portion of the surface of the cathode block made from the wear-resistant composite material represents less than 10% of the total surface of the cathode block. 黒鉛化後の前記カソードブロックは、前記カソードブロックの全高さが25~35cmの間であるスチールコレクタバーにロッド加工される、請求項1~5のいずれか一項に記載のカソードアセンブリを作製する方法。 The method for making a cathode assembly according to any one of claims 1 to 5, wherein the cathode block after graphitization is rodded into a steel collector bar having a total height of the cathode block between 25 and 35 cm. 黒鉛化後の前記カソードブロックは、前記カソードブロックの全高さが13~28cmの間であるCuロッドにロッド加工される、請求項1~5のいずれか一項に記載のカソードアセンブリを作製する方法。 The method for making a cathode assembly according to any one of claims 1 to 5, wherein the cathode block after graphitization is rodded into a Cu rod having a total height of the cathode block between 13 and 28 cm. 黒鉛化後の前記カソードブロックは、前記カソードブロックの全高さが8~28cmの間である金属コレクタプレートにロッド加工される、請求項1~5のいずれか一項に記載のカソードアセンブリを作製する方法。 The method for making the cathode assembly of any one of claims 1 to 5, wherein the cathode block after graphitization is rodded onto a metal collector plate such that the total height of the cathode block is between 8 and 28 cm. スチールコレクタバー、Cuロッド又は金属コレクタプレートにロッド加工された導電性材料の黒鉛化カソードブロックを含む、アルミニウムを製造するためのホール・エルーセル型の電解セル用のカソードアセンブリであって、
前記カソードブロックの表面の選択された領域又は部分は、炭素質材料とともに、5~80重量%の、TiB2、HfB2、ZrB2、CrB2若しくはWB2 耐火性金属硼化物粉末、又はSiC、Cr32、B4C、TiC、若しくはAl23 耐火性金属炭化物粉末を含む耐摩耗性複合材料から作製され、前記カソードブロックの残りは、黒鉛化カソード材料を含み、
前記耐摩耗性複合材料は、前記カソードブロックの端部に向かう領域に配置され、
前記耐摩耗性複合材料から作製された前記カソードブロックの表面の前記選択された領域又は部分は、前記カソードブロックの全表面の100%未満に相当し、
前記カソードアセンブリは、
(i)前記カソードブロックは、カソードブロック製造用の振動成形型の底部に配置されたカソードペーストと、前記カソードペーストの選択された領域に形成されたピットに充填され、振動成形された、前記耐摩耗性複合材料を有し、前記カソードブロックは熱処理品であって、
又は、
(ii)前記カソードブロックは、カソードブロック製造用の振動成形型の底部の選択された領域に配置され、振動成形された前記耐摩耗性複合材料とその上部に配置されたカソードペーストとを有し、前記カソードブロックは熱処理品である
1. A cathode assembly for an electrolytic cell of the Hall-Hellou cell type for producing aluminum, comprising a graphitized cathode block of conductive material rodded on a steel collector bar, Cu rod or metal collector plate,
selected areas or portions of the surface of the cathode block are made from a wear-resistant composite material comprising 5-80 weight percent of a refractory metal boride powder of TiB2 , HfB2, ZrB2 , CrB2 , or WB2 , or a refractory metal carbide powder of SiC , Cr3C2 , B4C , TiC, or Al2O3 , along with a carbonaceous material, and the remainder of the cathode block comprises a graphitized cathode material ;
the wear-resistant composite material is disposed in an area toward an end of the cathode block;
the selected area or portion of the surface of the cathode block made from the wear-resistant composite material represents less than 100% of the total surface of the cathode block;
The cathode assembly comprises:
(i) the cathode block comprises a cathode paste placed at the bottom of a vibro- molding mold for producing the cathode block , and the wear-resistant composite material filled into pits formed in selected areas of the cathode paste and vibro-molded, the cathode block being a heat-treated product;
Or,
(ii) The cathode block is placed in a selected area of the bottom of a cathode block manufacturing vibration mold , the wear-resistant composite material being vibration molded and the cathode paste being placed thereon, and the cathode block is heat treated.
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