DE102010039638A1

DE102010039638A1 - Kathode, Vorrichtung zur Aluminiumgewinnung und Verwendung der Kathode bei der Aluminiumgewinnung

Info

Publication number: DE102010039638A1
Application number: DE201010039638
Authority: DE
Inventors: Dr. Hiltmann Frank
Original assignee: SGL Carbon SE
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 2010-08-23
Filing date: 2010-08-23
Publication date: 2012-02-23
Anticipated expiration: 2030-08-24
Also published as: EP2609230A1; WO2012025498A1; CA2808243A1; RU2013112862A; JP2013536321A; DE102010039638B4; CN103140609A

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Kathode (10) und eine Vorrichtung (100) zur schmelzflussbasierten Metallgewinnung und gibt Verwendungen für die Kathode (10) und die Vorrichtung (100) an. Ein Kernaspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Kathode (10) mindestens zweischichtig auszubilden, nämlich mit einer prozessseitigen Prozessschicht (12) aus oder mit einem abrasionsresistenten Prozessmaterial (12') und einer Stromübertragungsschicht (11) mit oder aus einem elektrisch leitfähigen und insbesondere niederohmigem Stromübertragungsmaterial (11'), wobei darüber hinaus die Prozessseite (10o) mit einer Ausnehmung (10a, 12a) und/oder Erhebung (10e, 12e) oder einer Mehrzahl von Ausnehmungen (10a, 12a) und/oder Erhebungen (10e, 12e) profiliert ausgebildet ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kathode zur Metall- und insbesondere zur Aluminiumgewinnung, eine Vorrichtung zur Metall- und insbesondere zur Aluminiumgewinnung sowie eine Verwendung der Kathode und der Vorrichtung zur Metall- und insbesondere zur Aluminiumgewinnung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bei der Gewinnung von Metallen und insbesondere bei der Gewinnung von Aluminium werden häufig Verfahren auf der Grundlage der so genannten Schmelzflusselektrolyse verwendet.
Bei der Aluminiumgewinnung wird klassischerweise häufig der so genannte Hall-Héroult-Prozess eingesetzt. Bei diesem Vorgang wird im Rahmen der Schmelzflusselektrolyse Aluminiumoxid Al₂O₃ in einer Schmelze mit Kryolith Na₃[AlF₆] behandelt und gelöst, wobei dann in einem Reduktionsvorgang das reine Aluminium abgeschieden wird. Kernidee dieses Vorgehens ist, dass vor dem eigentlichen Arbeitsschritt der Elektrolyse die Mischung des Aluminiumoxids mit dem Kryolith als Lösungsmittel stattfindet, um dadurch die Schmelztemperatur zu senken, nämlich von etwa 2045°C für das reine Aluminiumoxid in einen Bereich von etwa 950°C für die Mischung.
Die Reduktion von Aluminiumoxid zu reinem Aluminium erfolgt dann in etwa gemäß dem Prozess 2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂.
Das entstehende reduzierte flüssige Aluminium besitzt eine größere Dichte als die Schmelze aus Aluminiumoxid und Kryolith und kann daher als Bodenschmelze in einer entsprechenden Anlage abgenommen werden, z. B. über ein Saugrohr oder dergleichen.
Der ebenfalls entstehende Sauerstoff reagiert mit dem Kohlenstoff der Anoden.
Problematisch bei einem derartigen Vorgehen und beim Aufbau und der Verwendung entsprechender Anlagen sind einerseits die Verschleißanfälligkeit der verwendeten Kathoden, sowie der große spezifische Energiebedarf zur Ermöglichung der Redoxreaktion, zusätzlich wird der energetische Wirkungsgrad z. B. durch ohmsche Verluste vermindert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Kathode und eine Vorrichtung für die Aluminiumgewinnung mittels Schmelzflusselektrolyse sowie deren Verwendungen anzugeben, bei welchen mit besonders einfachen Mitteln die Kathodenoberflächen gegenüber Verschleiß geschützt und damit die Verschleißprozesse verlangsamt werden und andererseits die eigentliche Aluminiumgewinnung mit höheren Energieeffizienz durchgeführt werden können.
Die der Erfindung zu Grunde liegenden Aufgaben werden bei einer Kathode zur schmelzflussbasierten Aluminiumgewinnung erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die der Erfindung zu Grunde liegenden Aufgaben werden des Weiteren bei einer Vorrichtung zur schmelzflussbasierten Aluminiumgewinnung erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 14 gelöst. Die Aufgaben werden ferner durch Verwendungen der erfindungsgemäßen Kathode und der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei der schmelzflussbasierten Aluminiumgewinnung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen 16 und 17 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung schafft dazu eine Kathode für eine Elektrolysezelle zur Gewinnung von Aluminium aus seinem Oxid in einem Elektrolysebad wobei die Kathode eine Prozessseite aufweist, die im Betrieb dem Elektrolysebad zugewandt ist, wobei die Kathode geschichtet aufgebaut ist, mit einer ein Prozessmaterial enthaltenden Prozessschicht, welche die Prozessseite der Kathode teilweise oder vollständig bildet, und mit einer ein Stromübertragungsmaterial enthaltenden Stromübertragungsschicht, wobei das Prozessmaterial abrasionsresistenter als das Stromübertragungsmaterial ist, wobei das Stromübertragungsmaterial elektrisch leitfähiger als das Prozessmaterial ist und wobei die Prozessseite durch eine oder mehrere Ausnehmungen und/oder Erhebungen profiliert ausgebildet ist. Der relative Unterschied der Abrasionsresistenz und der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit liegt dabei unter realen Elektrolysebedingungen vor. Bevorzugte Messtemperatur, bei der Abrasionsresistenz und spezifische elektrische Leitfähigkeit jeweils verglichen werden, sind reale Prozesstemperaturen, wie etwa 950°C.
Kernaspekte der erfindungsgemäßen Kathode sind also einerseits der mehrschichtige Aufbau der Kathode, nämlich aus mindestens einer dem Schmelzflussbad zugeordneten und im Betrieb zugewandten Prozessschicht mit oder aus einem abrasionsresistenten Prozessmaterial und einer dem Schmelzflussbad im Betrieb abgewandten Stromübertragungsschicht mit oder aus einem elektrisch besonders leitfähigen Stromübertragungsmaterial und andererseits die Profilierung der Prozessseite der Kathode mit einer Ausnehmung und/oder Erhebung oder einer Mehrzahl von Ausnehmungen und/oder Erhebungen.
Durch das Vorsehen eines abrasionsresistenten Prozessmaterials an der Kathode werden das Einwirken der Bestandteile des Schmelzflussbades auf die Kathodenoberfläche auf der Prozessseite und die damit einhergehende Abrasion verringert oder verhindert.
Die Ausbildung der Profilierung auf der Grundlage einer oder mehreren Ausnehmungen und/oder Erhebungen vermindert die Abrasion weiter, weil quasi durch eine Kavernen- oder Kanalbildung die Bewegung der Bestandteile des Schmelzflussbades vermindert wird, insbesondere des flüssigen Aluminiums durch elektromagnetische Wechselwirkungen.
Erfindungsgemäß wird auch eine erhöhte Energieeffizienz erreicht, nämlich einerseits dadurch, dass aufgrund der verminderten Bewegung der Bestandteile des Schmelzflussbades der Abstand D der Kathodenanordnung zu einer im Betrieb vorgesehenen Anodenanordnung, genauer der Abstand δ der Anodenunterseite von der Oberfläche oder Grenzfläche des geschmolzenen flüssigen Aluminiums, verringert werden kann, was einer Reduktion der ohmschen Verluste gleichkommt, und andererseits auch dadurch, dass als unterste Schicht d ein niederohmiges Material verwendet werden kann, wobei hier ausschließlich Aspekte der Energieeffizienzsteigerung berücksichtigt werden müssen, weil ein direkter Kontakt zwischen Bestandteilen des Schmelzflussbades nicht zu berücksichtigen ist.
Im Sinne der Erfindung wird der Begriff Kathode ganz allgemein aufgefasst. Es kann sich dabei z. B. – aber nicht ausschließlich um einen so genannten Kathodenboden handeln, der aus einer Mehrzahl von Kathodenblöcken aufgebaut ist, so dass die erfindungsgemäßen Kernaspekte – nämlich der oben beschriebene geschichtete Aufbau einerseits und die Profilierung andererseits – von diesem Kathodenboden als Ganzes realisiert werden.
Mit dem Begriff Kathode sollen aber auch die einen solchen Kathodenboden bildenden Teilstrukturen im Sinne von Kathodenblöcken angesprochen sein, so dass die erfindungsgemäßen Kernaspekte – nämlich der oben beschriebene geschichtete Aufbau einerseits und die Profilierung andererseits – auch von Kathodenblöcken – oder auch von deren Gesamtheit – realisiert sein können.
Die Prozessschicht und insbesondere das Prozessmaterial können amorph ausgebildet sein, insbesondere mit, aus oder auf der Grundlage eines Kohlenstoffmaterials und/oder auf der Grundlage kalzinierten Anthrazits, vorzugsweise mit einem vertikalen spezifischen elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur im Bereich von etwa 23 Ω·μm bis etwa 40 Ω·μm, vorzugsweise im Bereich von etwa 25 Ω·μm bis etwa 35 Ω·μm. Unter einem vertikalen spezifischen elektrischen Widerstand ist hier der elektrische Widerstand senkrecht zu einer Kathode in einer Einbausituation einer Elektrolysezelle, also beispielsweise senkrecht zur Längsachse eines Kathodenblocks gemessen zu verstehen. Bei üblichen Prozesstemperaturen von 950°C liegt der vertikale elektrische Widerstand im Bereich von etwa 20 Ω·μm bis etwa 32 Ω·μm, vorzugsweise im Bereich von etwa 22 Ω·μm bis etwa 28 Ω·μm.
Die Stromübertragungsschicht und insbesondere das Stromübertragungsmaterial können mit, aus oder auf der Grundlage eines Kohlenstoffmaterials ausgebildet ist, insbesondere in graphitischer Form mit oder aus einem Graphit und/oder Graphitmaterial, vorzugsweise mit einem vertikalen spezifischen elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur im Bereich von etwa 14 Ω·μm bis etwa 20 Ω·μm, vorzugsweise im Bereich von etwa 16 Ω·μm bis etwa 18 Ω·μm. Bei üblichen Prozesstemperaturen von 950°C liegt der vertikale elektrische Widerstand im Bereich von etwa 13 Ω·μm bis etwa 18 Ω·μm, vorzugsweise im Bereich von etwa 14 Ω·μm bis etwa 16 Ω·μm.
Zwar ist hier als Grundlage jeweils ein Kohlenstoffmaterial genannt, jedoch können in vorteilhafter Weise auch Beimischungen aus anderen Materialklassen vorgesehen sein, z. B. refraktärmetallische Beimischungen oder dergleichen.
Vorgesehene Ausnehmungen in oder auf der Prozessseite können gebildet werden von Ausnehmungen in der Prozessschicht und/oder der Stromübertragungsschicht und insbesondere im Prozessmaterial.
Vorgesehene Erhebungen in oder auf der Prozessseite können gebildet werden von Erhebungen in der Prozessschicht und insbesondere im Prozessmaterial. Die Erhebungen können auch als Stege, Grate oder Finnen aufgefasst werden.
Die Prozessseite kann abschnittsweise planar ausgebildet sein. Insbesondere können die Ausnehmungen und/oder Erhebungen im Querschnitt im Wesentlichen quadratisch ausgebildet sein.
Die Ausnehmungen und/oder die Erhebungen können aber querschnittsmäßig und in ihrer Längserstreckungsrichtung grundsätzlich beliebige Formen aufweisen. Sie können z. B. aus beliebig strukturierten konvexen bzw. konkaven Bereichen oder Abschnitten gebildet sein. Eine Fixierung auf rechteckige oder quadratische Formen ist nicht notwendig, auch wenn diese geometrisch besonders einfach sind. Grundsätzlich können hier auch Aspekte der besonders einfachen Herstellung derartiger Ausnehmungen und Erhebungen berücksichtigt werden. Denkbar sind beispielweise auch bogenförmige, kreisabschnittförmige, trapezförmige oder dreieckige Formen.
Die Prozessschicht kann direkt auf der Stromübertragungsschicht angeordnet sein. Insbesondere kann die Grenzfläche zwischen der Prozessschicht und der Stromübertragungsschicht, also eine Unterseite der Prozessschicht und eine Oberseite der Stromübertragungsschicht planar ausgebildet sein. Zwar ist für die Realisierung der vorliegenden Erfindung ein zweischichtiger Aufbau des Elektrodenkörpers ausreichend, jedoch kann auch eine Mehrzahl von Schichten vorgesehen sein, um z. B. thermo-mechanische Spannungen durch Aufbau eines Gradientensystems zu reduzieren.
Die Tiefe ta einer Ausnehmung und die Breite ba einer Ausnehmung können Werte mit einem Verhältnis im Bereich von etwa 1:3 bis etwa 1:1 und vorzugsweise mit einem Verhältnis im Bereich von etwa 1:2 bis etwa 1:1 aufweisen oder annehmen, so dass in etwa die Beziehung (1) 1:3 ≤ ta:ba ≤ 1:1 (1) und insbesondere die Beziehung (1') 1:2 ≤ ta:ba ≤ 1:1 (1') erfüllt ist.
Die Höhe he einer Erhebung und die Breite be einer Erhebung können Werte mit einem Verhältnis im Bereich von etwa 1:2 bis etwa 2:1 und vorzugsweise mit einem Verhältnis im Bereich von etwa 1:1 aufweisen oder annehmen, so dass in etwa die Beziehung (2) 1:2 ≤ he:be ≤ 2:1 (2) und insbesondere die Beziehung (2') he:be ≈ 1:1 (2') erfüllt ist.
Die Breite ba einer Ausnehmung und die Breite be einer Erhebung können Werte mit einem Verhältnis im Bereich von etwa 1:1 bis etwa 4:1 aufweisen oder annehmen, so dass in etwa die Beziehung (3) 1:1 ≤ ba:be ≤ 4:1 (3) erfüllt ist.
Die Tiefe ta einer Ausnehmung kann insbesondere Werte im Bereich von etwa 100 mm bis etwa 250 mm, vorzugsweise im Bereich von etwa 100 mm aufweisen oder annehmen.
Die Breite ba einer Ausnehmung kann insbesondere Werte im Bereich von etwa 140 mm bis etwa 200 mm aufweisen oder annehmen.
Die Höhe he einer Erhebung kann insbesondere Werte im Bereich von etwa 100 mm bis etwa 250 mm, vorzugsweise im Bereich von etwa 100 mm aufweisen oder annehmen.
Die Breite be einer Erhebung kann insbesondere Werte im Werte im Bereich von etwa 100 mm bis etwa 200 mm, vorzugsweise im Bereich von etwa. 100 mm aufweisen oder annehmen.
Ein wesentlicher Aspekt beim Ausbilden der Geometrie der Elektrodenanordnungen ist, dass aufgrund der Eigenschaften des aus Aluminiumoxid, Aluminium und Kryolith bestehenden Schmelzflussbades sich bestimmte Randbedingungen, z. B. in Bezug auf den Abstand D zwischen der Kathode und der Anodenanordnung, genauer des Abstandes δ der Anodenanordnung von der Oberfläche des geschmolzenen flüssigen Aluminiums ergeben, damit die Elektrolysezelle energetisch effizient betrieben werden kann. So hat sich gezeigt, dass der Abstand δ zwischen dem Aluminium und der Anodenanordnung im Betrieb einen Wert von 50 mm bis 80 mm nicht überschreiten sollte, da sonst die ohmschen Verluste das Herstellungsverfahren ineffizient machen würden.
Die Kathode kann bevorzugt aus einer Mehrzahl von Kathodenblöcken aufgebaut sein, insbesondere nach Art eines Kathodenbodens, wobei die Kathodenblöcke insbesondere geometrisch und/oder strukturell gleich oder gleich wirkend aufgebaut sind und/oder in Bezug auf die Prozessseite und/oder die Stromabnahmeseite lateral zueinander benachbart angeordnet sind und/oder wobei ein, mehrere oder sämtliche Kathodenblöcke einzeln geschichtet und profiliert aufgebaut sind.
Das bedeutet insbesondere, dass in diesem Fall durch ein, mehrere oder sämtliche Kathodenblöcke die erfindungsgemäßen Kernaspekte, nämlich einerseits der geschichtete Aufbau der Kathode mit einer abrasionsresistenteren oberen Prozessschicht und einer elektrisch leitfähigeren unteren Stromübertragungsschicht und andererseits der profilierten Ausgestaltung der Prozessseite mit einer oder mehreren Erhebungen und/oder Ausnehmungen – bereits einzeln realisiert sind.
Dabei können zueinander direkt benachbarte Kathodenblöcke einen Kontakt- und Ausgleichsbereich zwischen sich aufweisen, welcher zur mechanischen Trennung, insbesondere zur Aufnahme thermo-mechanischer Spannungen ausgebildet und vorgesehen ist, insbesondere jeweils nach Art einer Stampffuge oder Stampfmassenfuge.
Der Aufbau der Kathode aus einer Mehrzahl von Kathodenblöcken verringert thermo-mechanische Belastungen, gerade auch bei Verwendung so genannter Stampffugen als Ausgleichelemente.
Vorgesehene Erhebungen auf der Prozessseite und insbesondere in der Prozessschicht und dem Prozessmaterial können als Finnen, Grate oder Stege ausgebildet sein, insbesondere in im Querschnitt im Wesentlichen rechteckiger Art und Weise, als konvexe Bereiche, als Undulationsbereiche, als Bereiche mit Prismenform, insbesondere mit dreieckiger oder trapezförmiger Grundfläche und/oder als deren Kombinationen.
Vorgesehene Erhebungen und/oder Ausnehmungen können entlang ihrer Längserstreckungsrichtung einen variierenden Querschnitt aufweisen, insbesondere eine variierende Höhe he bzw. Tiefe ta.
Wie oben bereits erwähnt wurde, ist die quadratische oder rechteckige Grundstruktur bei der Ausgestaltung der Erhebungen oder Ausnehmungen und also insbesondere der Finnen nicht obligatorisch.
Auch ist es nicht notwendig, dass in Längsrichtung die Ausnehmungen oder Erhebungen, also insbesondere die Finnen, im Querschnitt konstant verlaufen. Vielmehr können sie sich in ihrer Höhe oder Tiefe aber auch in der Breite ändern, wobei die Geometrie so gewählt werden kann, dass auf besonders effiziente und herstellungstechnisch gleichwohl einfache Art und Weise die Bewegung der Bestandteile des Schmelzflussbades weiter eingeschränkt werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur schmelzflussbasierten Aluminiumgewinnung mit einer Anodenanordnung, mit einer erfindungsgemäßen Kathode und mit einem Schmelz- und Reaktionsraum zwischen der Anodenanordnung und der Kathode vorgesehen.
Dabei kann der Abstand D zwischen der Kathode und der Anodenanordnung einen Wert im Bereich von etwa 20 mm bis etwa 200 mm, vorzugsweise im Bereich von etwa 40 mm bis etwa 70 mm aufweisen oder annehmen, so dass in etwa die Beziehung (4) 20 mm ≤ D ≤ 200 mm (4) und insbesondere die Beziehung (4') 40 mm ≤ D ≤ 70 mm (4') erfüllt ist, so dass im Betrieb der Vorrichtung der Abstand δ zwischen der Anodenanordnung der Oberfläche oder Grenzfläche des geschmolzenen und flüssigen Aluminiums auf einen Wert im Bereich von etwa 15 mm bis etwa 45 mm, vorzugsweise im Bereich von etwa 30 mm eingestellt werden kann, so dass in etwa die Beziehung (5) 15 mm ≤ δ ≤ 45 mm (5) und insbesondere in etwa die Beziehung (5') δ ≈ 30 mm (5') erfüllt ist.
Die erfindungsgemäße Kathode kann bei einem Verfahren zur schmelzflussbasierten Metall- und insbesondere Aluminiumgewinnung, vorzugsweise im Rahmen einer Schmelzflusselektrolyse eines Kryolithbades nach einem Hall-Héroult-Prozess und einer Vorrichtung dafür verwendet werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann bei einem Verfahren zur schmelzflussbasierten Metall- und insbesondere Aluminiumgewinnung, vorzugsweise im Rahmen einer Schmelzflusselektrolyse eines Kryolithbades nach einem Hall-Héroult-Prozess verwendet werden.
Diese und weitere Aspekte werden beispielhaft auf der Grundlage der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
1A–D zeigen in schematischen und teilweise geschnittenen Ansichten eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur schmelzflusselektrolysebasierten Aluminiumgewinnung unter Verwendung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kathode.
2A–D zeigen in schematischen und teilweise geschnittenen Ansichten eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur schmelzflusselektrolysebasierten Aluminiumgewinnung unter Verwendung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kathode.
3A–E zeigen in schematischer und geschnittener Seitenansicht verschiedene Ausgestaltungsformen von Profilierungen für die Prozessseite von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kathode.
4 zeigt in schematischer Draufsicht die geometrische Zuordnung aus mehreren Blöcken bestehender Kathoden und Anodenanordnungen.
5 zeigt in schematischer und teilweise geschnittener Seitenansicht eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur schmelzflusselektrolysebasierten Aluminiumgewinnung unter Verwendung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kathode.
DETAILBESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Sämtliche Ausführungsformen der Erfindung und auch ihre technischen Merkmale und Eigenschaften können einzeln isoliert oder wahlfrei zusammengestellt, somit miteinander beliebig und ohne Einschränkung kombiniert werden.
Strukturell und/oder funktionell gleiche, ähnliche oder gleich wirkende Merkmale oder Elemente werden nachfolgend im Zusammenhang mit den Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall wird eine detaillierte Beschreibung dieser Merkmale oder Elemente wiederholt.
Die Figuren beschreiben die Erfindung exemplarisch anhand von Ausführungsbeispielen und in schematischer Art und Weise und sind nicht maßstabsgetreu, solange nichts anderes gesagt ist.
Zunächst wird auf die Zeichnungen im allgemeinen Bezug genommen.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere auch eine Kompositkathode 10 mit profilierter Oberfläche 10o, insbesondere zur Verwendung bei einer Vorrichtung 100 und einem Verfahren zur schmelzflussbasierten Aluminiumgewinnung.
Im industriellen Maßstab wird Aluminium unter anderem über einen Prozess der Elektrolyse von Aluminiumoxid in einer kryolithischen Schmelze 21 mittels eines Hall-Héroult-Verfahrens gewonnen. Spezifische Ausgestaltungsformen eines derartigen Vorgehens verwenden beschichtete Kathodenblöcke 10, z. B. mit einer elektrisch leitfähigen unteren Schicht 11 und einer abrasionsresistenten oberen Schicht 12. Dabei können unterschiedliche Ausgestaltungsformen der Oberfläche der oberen Schicht verwendet werden.
Der Vorgang des Erzeugens primären Aluminiums über die Elektrolyse in einem Hall-Héroult-Prozess ist sehr energieintensiv. Neben der aufzubringenden elektrochemischen Energie zur Reduktion des Aluminiumoxids zu Aluminium wird ein großer Anteil der eingebrachten elektrischen Energie in der Schicht des kryolithischen Bades 21 in Wärme umgewandelt.
Aufgrund der Bewegung des flüssigen Aluminiums, welche unter anderem durch die Wechselwirkung mit den durch elektrischen Strom induzierten starken magnetischen Feldern hervorgerufen wird, muss ein minimaler Abstand von 30 bis 50 mm zwischen der Aluminiumoberfläche und der Anodenoberfläche eingehalten werden, um einen Kurzschluss und eine nicht gewünschte Rückreaktion – z. B. eine Re-oxidation des bereits geformten Aluminiums – zu vermeiden.
Profilierte Oberflächen 10o, d. h. Oberflächen mit vorgesehenen Ausnehmungen 10a, 12a und/oder Erhebungen 10e, 12e, können diese Effekte und insbesondere die Bewegung des Aluminiums reduzieren oder gar vermeiden. Dabei können jedoch vorliegende Stromdichteinhomogenitäten, welche zu Abrasionskräften führen können, nicht vermieden werden.
Daher ist das erfindungsgemäße Vorsehen eines abrasionsresistenten Materials 12' für die Kathodenoberfläche 10o, 12o, z. B. in anthrazitischer Form, von besonderem Vorteil, um eine derartige Abrasion zu reduzieren oder zu vermeiden.
Dies allein würde jedoch zu einer Erhöhung des elektrischen Widerstands führen und damit der Zielrichtung der Energieeffizienzsteigerung widersprechen.
Andererseits können schichtartig aufgebaute ebene Kathodenblöcke 10' aus einer elektrisch leitfähigen Graphitschicht 11 als unterer Schicht und einer abrasionsresistenten amorphen oberen Schicht 12 derartige Energieeffizienzsteigerungen ermöglichen, indem sie nämlich den Kathodenwiderstand herabsetzen.
Dies allein würde jedoch die Bewegung des Metalls und damit die Abrasionsproblematik nicht vermeiden.
Kernidee der vorliegenden Erfindung ist, auf der Grundlage dieser Vorüberlegungen und -untersuchungen durch die Anmelderin und die Erfinder erfindungsgemäß eine Kombination vorzustellen, bei welcher eine schichtartige Kathodenausgestaltung mit einer profilierten Oberfläche des Kathodenblocks kombiniert wird. Dadurch ist einerseits eine Resistenz gegen Abrasionskräfte möglich, andererseits jedoch auch eine Energieeffizienzsteigerung auf der Grundlage des Absenkens des Kathodenwiderstands möglich.
Es wird daher ein Design vorgeschlagen, bei welchem eine leitfähige untere Schicht 11 als Basisschicht und eine abrasionsresistente obere Schicht 12, z. B. in Form einer amorphen und/oder anthrazitischen Schicht kombiniert werden, um nämlich dadurch einen vergleichsweise hohen energetischen Wirkungsgrad mit einer entsprechenden Abrasionsresistenz in Bezug auf die sich bewegenden Schmelzbadkomponenten zu bewirken.
Zur Profilierung der Oberfläche 10o werden in der obersten Schicht 12 Ausnehmungen 10a, 12a und/oder Erhebungen 10e, 12e vorgesehen, die die Metallbewegung und die Bewegung der Anteile des Schmelzflussbades 20' im Allgemeinen reduzieren, um dadurch die abrasiven Kräfte zu senken und die Möglichkeit zu schaffen, den Abstand zwischen der Anode 30 und der Kathode 10, also den Abstand D zwischen der Anode 30 und dem Metall 20' mit der Zielsetzung einer weiteren Energieeffizienzsteigerung abzusenken.
Um die Instabilität einer derartigen elektrolytischen Zelle zu vermeiden, nämlich wegen möglicherweise auftretender Streuströme, darf eine bestimmte Schichtstärke an geschmolzenem Aluminium 22 oberhalb der Erhebungen 10e, 12e oder Finnen 12f in bestimmten Grenzen nicht über- oder unterschritten werden.
Erfindungsgemäß ausgestaltete geschichtete Kathode 10 können durch einen Vibrationsformprozess ausgebildet werden.
Das amorphe oder anthrazitische Material auf der Prozessseite kann z. B. auf einem Material basieren mit einem Anteil von etwa 70% elektrisch kalzinierten Anthrazits und 30% Graphit im Feststoff. Das zu Grunde liegende graphitische Material mit einem niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand für die Stromübertragungsseite kann z. B. ein Material mit einem Anteil von 100% synthetischem Graphit im Feststoff sein.
Die Schichtstärken für die untere und die obere Schicht, d. h. also für die Stromübertragungsschicht und die Prozessschicht können ein Schichtstärkenverhältnis von 50:50 aufweisen.
Ausgebildete Ausnehmungen 10a, 12a auf der Prozessseite 10o können z. B. so ausgestaltet sein, dass eine in etwa zentrale Ausnehmung 10az, 12az vollständig einem Kathodenblock 10' zugeordnet ist und zwei periphere Ausnehmungen 10ap, 12ap am Rande mit benachbarten Kathodenblöcken 10' rechts und links davon geteilt benutzt werden.
Die mittige oder zentrale Ausnehmung 10az, 12az kann eine Weite im Bereich von 200 mm und eine Tiefe im Bereich von 100 mm aufweisen. Die Ecken oder Kanten müssen nicht strikt rechtwinklig sein, sondern könnten abgerundete Kanten bilden mit einem Krümmungsradius von beispielsweise r = 20 mm. Die geteilten peripheren Ausnehmungen 10ap, 12ap könnten am Rand eine Weite von 50 mm und ebenfalls eine Tiefe von 100 mm aufweisen. Auch hier sind die Kantenverläufe nicht strikt auf rechtwinklige Geometrien festgelegt, sondern können runde Ecken oder Kanten aufweisen mit einem Krümmungsradius von beispielsweise r = 20 mm.
Im Betrieb kann die Höhe der gesamten Aluminiumschicht etwa 150 mm betragen, z. B. auch 30 mm oberhalb der Erhebungen 10e, 12e und somit kann auch ein Wert von etwa 30 mm für den Abstand δ von der Oberfläche oder Grenzfläche des geschmolzenen und flüssigen Aluminiums 22 zur Anodenanordnung 30 erreicht werden, die im Betrieb als vorteilhaft vorzusehen ist.
Nun wird im Detail auf die Zeichnungen Bezug genommen.
Die 1A bis 1D zeigen verschiedene schematische und teilweise geschnittene Ansichten einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zur schmelzflussbasierten Aluminiumgewinnung unter Verwendung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kathode 10.
In den 1A bis 1D sind jeweils Schnitt- und Ansichtsebenen oder -linien A-A, B-B, C-C sowie D-D eingezeichnet, die die jeweils anderen Ansichten markieren und sich in Bezug auf den jeweils verwendeten Buchstaben auf die jeweilige 1A bis 1D beziehen.
Die in diesen 1A bis 1D vorgeschlagene Vorrichtung 100 zur schmelzflussbasierten Aluminiumgewinnung beruht auf einer erfindungsgemäßen Kathodenanordnung 10 mit einem Kathodenblock 10' mit einer zuunterst angeordneten Stromübertragungsschicht 11 und einer darüber liegenden und dem Prozessraum 20 – mit dem Schmelzflusselektrolysebad 20' aus dem geschmolzenen und flüssigen Aluminium 22 und dem darüber liegenden Bereich 21 mit dem Gemisch aus Kryolith und Aluminiumoxid – ausgesetzten Prozessschicht 12.
Die Stromübertragungsschicht 11 ist mit einer Oberseite 11o und einer Unterseite 11u ausgebildet, die gleichzeitig die Stromübertragungsseite 10u der Kathode 10 bildet. Die Stromübertragungsschicht 11 ist mit oder aus einem Stromübertragungsmaterial 11' ausgebildet, welches – im Vergleich zu der darüber vorgesehenen Prozessschicht 12 – einen niedrigeren oder besonders geringen elektrischen Widerstand aufweist und mithin als niederohmig bezeichnet werden kann. Dieses Stromübertragungsmaterial 11 kann z. B. auf einem natürlichen oder synthetischen Graphit basieren oder aus diesem gebildet sein und insbesondere einen spezifischen elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur im Bereich von etwa 14 Ωμm bis etwa 20 Ωμm und vorzugsweise im Bereich von etwa 16 Ωμm bis etwa 18 Ωμm aufweisen.
An die Stromübertragungsschicht 11 als unterste Schicht schließt sich direkt die Prozessschicht 12 mit dem Prozessmaterial 12' in abrasionsresistenter Form an, wodurch deren Unterseite 12u und Oberseite 12o gebildet werden, wobei letztere gleichzeitig die Prozessseite 10o der Kathode 10 bildet.
Die Grenzfläche zwischen der Stromübertragungsschicht 11 und der Prozessschicht 12 wird gebildet von der Oberseite 11o der Stromübertragungsschicht 11 und der Unterseite 12u der Prozessschicht 12 und ist in diesem Fall planar ausgebildet. Dies ist jedoch nicht zwingend. Vielmehr kann die Grenzfläche 11o, 12u entsprechend den geometrischen Notwendigkeiten der Gesamtanordnung der Vorrichtung 100 gewählt und ausgebildet werden.
In das Stromübertragungsmaterial 11' der Stromübertragungsschicht 11 eingebettet ist noch eine Stromabnahme oder ein Stromsammelelement 13, z. B. in Form eines Stahlbarrens vorgesehen, der mit einer Gusseisenummantelung 14 zum Stromübertragungsmaterial 11' hin ausgebildet ist.
An der Oberseite 10o oder Prozessseite 10o der Kathode 10, also im Bereich der Oberseite 12o der Prozessschicht 12 oder des Prozessmaterials 12' ist eine entsprechende Profilierung aus Ausnehmungen 10a, 12a und Erhebungen 10e, 12e, hier in Form so genannter Finnen 10f, 12f, ausgebildet.
In der Anordnung gemäß den 1A bis 1D ist die Kathode 10 in Form einer Mehrzahl von Kathodenblöcken 10' ausgebildet, so dass jeder der Blöcke 10' auf der Prozessseite 10o eine zentrale Ausnehmung 12az und zwei periphere Ausnehmungen 12ap und mithin zwei diese zentralen und peripheren Ausnehmungen 12az und 12ap begrenzenden Erhebungen 12e oder Finnen 12f aufweist.
Lateral benachbart und unterhalb der peripheren Ausnehmungen 12ap sind die so genannten Stampffugen 40 angeordnet, die die Nachbarschaft zu benachbarten Kathodenblöcken 10 der Kathode 10 realisieren und dabei aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften thermo-mechanische Spannungen aufnehmen und kompensieren, wenn nämlich die Vorrichtung 100 und insbesondere die Kathode 10 von Raumtemperatur auf die Betriebstemperatur im Bereich von üblicherweise bis zu 1000°C aufgeheizt wird.
Die in den 1A bis 1D angegebenen Bemaßungen dienen ausschließlich der Illustration und sind nicht zwingend. Vielmehr können auch die im Rahmen der Beschreibung gegebenen Bemaßungsbereiche für die Auslegung der Schichtdicken, Abstände und dergleichen verwendet werden.
Die 2A bis 2D zeigen in analoger Art und Weise zu den 1A bis 1D eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 und der erfindungsgemäßen Kathode 10.
Während nämlich bei der Ausführungsform der 1A und 1D sich die Finnen 12f oder Erhebungen 10e, 12e in der gesamten Länge oder der y-Richtung, die in den Zeichnungen angedeutet ist, erstrecken und dort eine konstante Höhe he aufweisen, sind die Finnen 12f oder Erhebungen 10e, 12e bei der Ausführungsform der 2A bis 2D in der Längsrichtung oder y-Richtung nicht mit einer konstanten Höhe he ausgebildet, sondern in gestufter Art und Weise mit einer ersten und mit einer zweiten Höhe, die voneinander verschieden sind. Dabei hat also jede Erhebung 10e, 12e entlang der ersten Hälfte der Gesamtlänge in y-Richtung eine erste Höhe und entlang der zweiten Hälfte eine zweite Höhe. Dabei ist in der Abfolge der Blöcke 10' in der Kathode 10, also entlang der x-Richtung in den 2A bis 2D darüber hinaus eine Alternierung vorgesehen, so dass wechselweise oder schachbrettartig unterschiedliche Höhenverläufe für die einzelnen Erhebungen 10e, 12e ausgebildet sind, um so die Bewegung des Materials des Schmelzflussbades zu reduzieren.
Grundsätzlich sind auch andere Höhenprofilierungen denkbar, nämlich mit einer Mehrzahl weiterer Höhen für die Finnen 12f oder auch mit kontinuierlichen Höhenverläufen, also in abgeschrägter Form oder dergleichen.
Die 3A bis 3B zeigen unterschiedliche Ausgestaltungsformen für die Profilierung der Prozessseite 10o, also letztlich für die geometrische Ausgestaltungsform oder Querschnittsform der Ausnehmungen 10a, 12a und der Erhebungen 10e, 12e oder Finnen 12f.
Bei der Ausführungsform der 3A findet sich der Querschnittsverlauf wieder, der auch in den 1A bis 1D sowie 2A bis 2D wiedergegeben ist, also eine Anordnung, bei welcher die Ausnehmungen 10a, 12a und die Erhebungen 10e, 12e in Querschnitt im Wesentlichen rechteckig ausgebildet sind.
Bei der Ausführungsform der 3B besitzen die Ausnehmungen 10a, 12a und die Erhebungen 10e, 12e, abgerundete, also nicht rechtwinklige Kantenverläufe.
Bei der Ausführungsform der 3C sind für die Ausnehmungen 10a, 12a und die Erhebungen 10e, 12e dreieckförmige Querschnittsverläufe vorgesehen, insgesamt also prismenförmig.
Bei der Anordnung gemäß der 3D werden als Erhebungen 10e, 12e konvexe Bereiche, quasi in Form von Zylinderabschnitten vorgesehen.
Bei der Anordnung der 3E zeigt die Abfolge aus Ausnehmungen 10a, 12a und Erhebungen 10e, 12e einen wellenartigen Verlauf, gegebenenfalls in Sinusform.
4 zeigt in schematischer Draufsicht die geometrische Zuordnung aus mehreren Blöcken 10' bestehender Kathoden 10 und Anodenanordnungen 30. Lateral in x-Richtung deckt ein Block der Anodenanordnung 30 zwei Blöcke 10' der Kathode 10 ab, jedoch in y-Richtung nur bis zur Hälfte der Ausdehnung der Blöcke 10' der Kathode 10, so dass in y-Richtung zwei Reihen an Blöcken der Anodenanordnung 30 zur vollständigen Abdeckung des Kathodenblocks 10' notwendig sind.
5 zeigt in schematischer und teilweise geschnittener Seitenansicht eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zur schmelzflusselektrolysebasierten Aluminiumgewinnung unter Verwendung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kathode 10.
Bei ansonsten analogem Aufbau im Vergleich zu der Vorrichtung 100 gemäß den 1A bis 1D sind hier die Stampffugen 40, 40' nicht im Bereich einer Ausnehmung 10a, 12a oder Aussparung 10a, 12a, sondern jeweils im Bereich einer Erhebung 10e, 12e vorgesehen.
Bezugszeichenliste

10: erfindungsgemäße Kathode
10': Kathodenblock
10a: Ausnehmung
10e: Erhebung, Steg, Grat
10o: Prozessseite, Oberseite
10u: Stromübertragungsseite, Unterseite
11: Stromübertragungsschicht
11': Stromübertragungsmaterial
11o: Oberseite der Stromübertragungsschicht 11, Grenzfläche
11u: Unterseite der Stromübertragungsschicht 11
12: Prozessschicht
12': Prozessmaterial
12a: Ausnehmung
12az: zentrale Ausnehmung
12ap: periphere Ausnehmung
12e: Erhebung, Steg, Grat
12f: Finne, Grat
12o: Oberseite der Prozessschicht 12
12u: Unterseite der Prozessschicht 12, Grenzfläche
13: Stromabnahme, Stahlträger, Stromsammelelement
14: Eisenmantel
20: Prozessraum
20': Schmelzbad, Schmelze
21: Schmelze aus Kryolith und Aluminiumoxid
22: Schmelze aus Aluminium
30: Anodenanordnung, Anode
40: Kontakt- und Ausgleichselement
40': Stampffuge, Stampfmassenfuge
100: erfindungsgemäße Vorrichtung
ba: Breite einer Ausnehmung
be: Breite einer Erhebung
he: Höhe einer Erhebung
D: minimaler Abstand Kathode 10 zur Anodenanordnung 30
D': Abstand Kathode 10 zur Anodenanordnung 30 im Bereich einer Erhebung mit geringerer Höhe
δ: Abstand Anodenanordnung 30 zur Schmelze 22 aus Aluminium
ta: Tiefe einer Ausnehmung

Claims

Kathode (10) für eine Elektrolysezelle zur Gewinnung von Aluminium aus seinem Oxid in einem Elektrolysebad, mit einer Prozessseite (10o), die im Betrieb dem Elektrolysebad (20') zugewandt ist, wobei die Kathode (10) geschichtet aufgebaut ist, mit einer ein Prozessmaterial (12') enthaltenden Prozessschicht (12), welche die Prozessseite (10o) der Kathode (10) teilweise oder vollständig bildet, und mit einer ein Stromübertragungsmaterial (11') enthaltenden Stromübertragungsschicht (11), wobei das Prozessmaterial (12') abrasionsresistenter als das Stromübertragungsmaterial (11') ist, wobei das Stromübertragungsmaterial (11') elektrisch leitfähiger als das Prozessmaterial (12') ist und wobei die Prozessseite (10o) durch eine oder mehrere Ausnehmungen (10a) und/oder Erhebungen (10e) profiliert ausgebildet ist.
Kathode (10) nach Anspruch 1, wobei die Prozessschicht (12) und insbesondere das Prozessmaterial (12') amorph ausgebildet ist, insbesondere mit oder aus oder auf der Grundlage eines Kohlenstoffmaterials und/oder auf der Grundlage kalzinierten Anthrazits, vorzugsweise mit einem vertikalen spezifischen elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur im Bereich von etwa 23 Ω·μm bis etwa 40 Ω·μm, weiter vorzugsweise im Bereich von etwa 25 Ω·μm bis etwa 35 Ω·μm.
Kathode (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Stromübertragungsschicht (11) und insbesondere das Stromübertragungsmaterial (11') mit, aus oder auf der Grundlage eines Kohlenstoffmaterials ausgebildet ist, insbesondere in graphitischer Form mit oder aus einem Graphit und/oder Graphitmaterial, vorzugsweise mit einem vertikalen spezifischen elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur, im Bereich von etwa 14 Ω·μm bis etwa 20 Ω·μm, weiter vorzugsweise im Bereich von etwa 16 Ω·μm bis etwa 18 Ω·μm.
Kathode (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Ausnehmungen (10a) in oder auf der Prozessseite (10o) gebildet werden von Ausnehmungen (12a) in der Prozessschicht (12) und insbesondere im Prozessmaterial (12') und/oder wobei Erhebungen (10e) in oder auf der Prozessseite (10o) gebildet werden von Erhebungen (12e) in der Prozessschicht (12) und insbesondere im Prozessmaterial (12').
Kathode (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Prozessseite (10o) abschnittsweise planar und insbesondere die Ausnehmungen (10a) und/oder Erhebungen (10e) im Querschnitt im Wesentlichen rechteckig, quadratisch, bogenförmig, kreisabschnittförmig, trapezförmig oder dreieckig ausgebildet sind.
Kathode (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Prozessschicht (12) direkt auf der Stromübertragungsschicht (11) angeordnet ist und insbesondere die Grenzfläche zwischen der Prozessschicht (12) und der Stromübertragungsschicht (11), also eine Unterseite (12u) der Prozessschicht (12) und eine Oberseite (11o) der Stromübertragungsschicht (11) planar ausgebildet sind.
Kathode (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Tiefe ta einer Ausnehmung (10a, 12a) und die Breite ba einer Ausnehmung (10a, 12a) Werte mit einem Verhältnis im Bereich von etwa 1:3 bis etwa 1:1 und vorzugsweise mit einem Verhältnis im Bereich von etwa 1:2 bis etwa 1:1 annehmen, so dass in etwa die Beziehung (1) 1:3 ≤ ta:ba ≤ 1:1 (1) und insbesondere die Beziehung (1') 1:2 ≤ ta:ba ≤ 1:1 (1') erfüllt ist, wobei die Höhe he einer Erhebung (10e, 12e) und die Breite be einer Erhebung (10e, 12e) Werte mit einem Verhältnis im Bereich von etwa 1:2 bis etwa 2:1 und vorzugsweise mit einem Verhältnis im Bereich von etwa 1:1 aufweisen oder annehmen, so dass in etwa die Beziehung (2) 1:2 ≤ he:be ≤ 2:1 (2) und insbesondere die Beziehung (2') he:be ≈ 1:1 (2') erfüllt ist, und/oder wobei die Breite ba einer Ausnehmung (10a, 12a) und die Breite be einer Erhebung (10e, 12e) Werte mit einem Verhältnis im Bereich von etwa 1:1 bis etwa 4:1 annehmen, so dass in etwa die Beziehung (3) 1:1 ≤ ba:be ≤ 4:3 (3) erfüllt ist.
Kathode (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Tiefe (ta) einer Ausnehmung (10a, 12a) Werte im Bereich von etwa 100 mm bis etwa 250 mm, vorzugsweise im Bereich von etwa 100 mm, die Breite (ba) einer Ausnehmung (10a, 12a) Werte im Bereich von etwa 140 mm bis etwa 200 mm, die Höhe (he) einer Erhebung (10e, 12e) Werte im Bereich von etwa 100 mm bis etwa 250 mm, vorzugsweise im Bereich von etwa 100 mm, und/oder die Breite (be) einer Erhebung (10e, 12e) Werte im Werte im Bereich von etwa 100 mm bis etwa 200 mm, vorzugsweise im Bereich von etwa 100 mm aufweisen.
Kathode (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kathode eine Mehrzahl von Kathodenblöcken (10') umfasst, insbesondere aus einer Mehrzahl von Kathodenblöcken (10') aufgebaut ist, wobei die Kathodenblöcke (10') insbesondere geometrisch und/oder strukturell gleich oder gleich wirkend aufgebaut sind und/oder in Bezug auf die Prozessseite (10o) und/oder die Stromabnahmeseite (10u) lateral zueinander benachbart angeordnet sind.
Kathode (10) nach Anspruch 9, wobei die Prozessseite (10o) zumindest eines Kathodenblocks (10'), insbesondere sämtlicher Kathodenblöcke (10'), durch eine oder mehrere Ausnehmungen (10a) und/oder Erhebungen (10e) profiliert ausgebildet ist.
Kathode (10) nach Anspruch 9 oder 10, wobei zueinander direkt benachbarte Kathodenblöcke (10') einen Kontakt- und Ausgleichsbereich (40) zwischen sich aufweisen, welcher zur mechanischen Trennung, insbesondere zur Aufnahme thermo-mechanischer Spannungen ausgebildet und vorgesehen ist, insbesondere jeweils nach Art einer Stampffuge (40').
Kathode (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Erhebungen (10e, 12e) auf der Prozessseite (10o) und insbesondere in der Prozessschicht (12) und dem Prozessmaterial (12') als Finnen, Grate oder Stege (12f) ausgebildet sind, insbesondere in im Querschnitt im Wesentlichen rechteckiger Art und Weise, als konvexe Bereiche, als Undulationsbereiche, als Bereiche mit Prismenform, insbesondere mit dreieckiger oder trapezförmiger Grundfläche und/oder als deren Kombinationen.
Kathode (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei vorgesehene Erhebungen (10e, 12e) und/oder Ausnehmungen (10a, 12a) entlang ihrer Längserstreckungsrichtung einen variierenden Querschnitt aufweisen, insbesondere eine variierende Höhe (he) bzw. Tiefe (ta).
Vorrichtung (100) zur schmelzflusselektrolysebasierten Aluminiumgewinnung, mit einer Anodenanordnung (30), mit einer Kathode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und mit einem Schmelz- und Reaktionsraum (20) zwischen der Anodenanordnung (30) und der Kathode (10).
Vorrichtung (100) nach Anspruch 14, wobei der Abstand (D) zwischen der Kathode (10) und der Anodenanordnung (30) einen Wert im Bereich von etwa 20 mm bis etwa 200 mm, vorzugsweise im Bereich von etwa 40 mm bis etwa 70 mm aufweist oder annimmt, so dass in etwa die Beziehung (4) 20 mm ≤ D ≤ 100 mm (4) und insbesondere in etwa die Beziehung (4') 40 mm ≤ D ≤ 70 mm (4') erfüllt ist.
Verwendung einer Kathode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 bei einem Verfahren zur schmelzflussbasierten Metall- und insbesondere Aluminiumgewinnung, vorzugsweise im Rahmen einer Schmelzflusselektrolyse eines Kryolithbades nach einem Hall-Héroult-Prozess und einer Vorrichtung dafür.
Verwendung einer Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 14 oder 15 bei einem Verfahren zur schmelzflussbasierten Metall- und insbesondere Aluminiumgewinnung, vorzugsweise im Rahmen einer Schmelzflusselektrolyse eines Kryolithbades nach einem Hall-Héroult-Prozess.