DE102010041083A1

DE102010041083A1 - Electrolysis cell for the production of aluminum

Info

Publication number: DE102010041083A1
Application number: DE201010041083
Authority: DE
Inventors: Christian Bruch; Dr. Hiltmann Frank; Dr. Daimer Johann; Manfred Banek
Original assignee: SGL Carbon SE
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 2010-09-20
Filing date: 2010-09-20
Publication date: 2012-03-22
Also published as: JP2013537939A; WO2012038426A1; EP2619351A1; CA2811553A1; RU2013118273A; CN103154325A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle zur Gewinnung von Aluminium aus seinem Oxid, aufweisend eine Kathode (1) und mindestens eine Seitenwand (1a), welche zusammen ein Becken (1c) begrenzen, wobei im Inneren des Beckens (1c) mindestens eine Erhebung (1d) ausgebildet ist, die sich von der Kathode (1) oder einer Seitenwand (1a) in das Becken (1c) hinein erstreckt.The invention relates to an electrolysis cell for extracting aluminum from its oxide, comprising a cathode (1) and at least one side wall (1a), which together delimit a basin (1c), with at least one elevation (1d) inside the basin (1c). is formed, which extends from the cathode (1) or a side wall (1a) into the basin (1c).

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle zur Gewinnung von Aluminium. durch Schmelzflusselektrolyse.The invention relates to an electrolytic cell for the production of aluminum. by fused-salt electrolysis.

Für die industrielle Gewinnung von Aluminium aus seinem Oxid wird gegenwärtig das so genannte ”Hall-Héroult-Verfahren” eingesetzt. Hierbei handelt es sich um ein Elektrolyseverfahren, bei dem Aluminiumoxid (Al₂O₃) in geschmolzenem Kryolith (Na₃[AlF₆]) gelöst wird und das so erzeugte Gemisch als Flüssigelektrolyt einer Elektrolysezelle dient. Der prinzipielle Aufbau einer solchen Elektrolysezelle zur Durchführung des Hall-Héroult-Verfahrens ist schematisch in den 1a bis 1c dargestellt, wobei 1a einen Querschnitt durch eine herkömmliche Zelle zeigt, während 1b eine Seitenansicht der Zelle von außen ist. 1c zeigt eine perspektivische Ansicht einer Elektrolysezelle.For the industrial extraction of aluminum from its oxide is currently the so-called "Hall-Héroult process" used. This is an electrolysis process in which aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ) is dissolved in molten cryolite (Na ₃ [AlF ₆ ]) and the mixture thus produced serves as the liquid electrolyte of an electrolysis cell. The basic structure of such an electrolytic cell for carrying out the Hall-Héroult process is schematically in the 1a to 1c shown, where 1a shows a cross section through a conventional cell while 1b is a side view of the cell from the outside. 1c shows a perspective view of an electrolytic cell.

Mit dem Bezugszeichen 1 ist eine Kathode bezeichnet, welche beispielsweise aus Graphit, Anthrazit oder einer Mischung daraus aufgebaut sein kann. Alternativ dazu können auch graphitierte Kathoden auf Koksbasis eingesetzt werden. Die Kathode 1 ist im Allgemeinen in eine Einfassung 2 aus Stahl und/oder Feuerfestmaterial oder dergleichen eingebettet. Die Kathode 1 kann sowohl einstückig als auch aus einzelnen Kathodenblöcken aufgebaut sein.With the reference number 1 is a cathode referred to, which may be constructed for example of graphite, anthracite or a mixture thereof. Alternatively, graphitized coke-based cathodes can also be used. The cathode 1 is generally in a mount 2 embedded steel and / or refractory material or the like. The cathode 1 can be constructed both in one piece and from individual cathode blocks.

Über die Länge der Zelle hinweg ist in die Kathode 1 eine Anzahl an Stromzuführungsbarren 3 eingeführt, wobei in der Querschnittansicht der 1a nur ein einziger Stromzuführungsbarren 3 zu erkennen ist. In 1c ist zu sehen, dass je Kathodenblock beispielsweise zwei Stromzuführungsbarren vorgesehen sein können. Die Stromzuführungsbarren dienen dazu, der Zelle den für den Elektrolyseprozess benötigten Strom zuzuführen. Der Kathode 1 gegenüber befinden sich mehrere typischerweise quaderförmige Anoden 4, wobei in 1a zwei Anoden 4 schematisch dargestellt sind. 1c zeigt eine detailliertere Anordnung der Anoden in einer Elektrolysezelle. Bei der Durchführung des Verfahrens wird durch Anlegen einer Spannung zwischen der Kathode 1 und den Anoden 4 das in Kryolith gelöste Aluminiumoxid in Aluminium- und Sauerstoffionen aufgespaltet, wobei sich die Aluminiumionen zum geschmolzenen Aluminium – elektrochemisch gesehen der eigentlichen Kathode – bewegen, um dort Elektronen aufzunehmen. Wegen der höheren Dichte sammelt sich Aluminium 5 in flüssiger Phase unterhalb des geschmolzenen Gemisches 6 aus Aluminiumoxid und Kryolith an. Die Sauerstoffionen werden an der Anode zu Sauerstoff reduziert, der mit dem Kohlenstoff der Anoden reagiert.Across the length of the cell is into the cathode 1 a number of power supply bars 3 introduced, wherein in the cross-sectional view of 1a only a single power supply bar 3 can be seen. In 1c It can be seen that each cathode block, for example, two power supply bars can be provided. The power supply bars serve to supply the cell with the electricity needed for the electrolysis process. The cathode 1 opposite there are several typically cuboid anodes 4 , where in 1a two anodes 4 are shown schematically. 1c shows a more detailed arrangement of the anodes in an electrolytic cell. In carrying out the process is by applying a voltage between the cathode 1 and the anodes 4 the aluminum oxide dissolved in cryolite is split into aluminum and oxygen ions, the aluminum ions moving toward the molten aluminum - seen electrochemically as the actual cathode - in order to absorb electrons there. Because of the higher density aluminum accumulates 5 in the liquid phase below the molten mixture 6 made of aluminum oxide and cryolite. The oxygen ions are reduced at the anode to oxygen, which reacts with the carbon of the anodes.

Mit den Bezugszeichen 7 und 8 sind schematisch die negativen bzw. positiven Pole einer Spannungsquelle für die Zufuhr der bei dem Elektrolyseprozess benötigten Spannung, deren Wert zwischen beispielsweise etwa 3,5 und 5 V liegt, bezeichnet.With the reference numerals 7 and 8th schematically denote the negative and positive poles of a voltage source for the supply of the voltage required in the electrolysis process, the value of which is between, for example, about 3.5 and 5V.

Wie in der Seitenansicht der 1b zu erkennen ist, weist die Einfassung 2 und somit die gesamte Elektrolysezelle eine längliche Form auf, wobei zahlreiche Stromzuführungsbarren 3 waagerecht durch die Seitenwände der Einfassung 2 geführt sind. Typischerweise liegt die Längsausdehnung gegenwärtig im Einsatz befindlicher Zellen zwischen etwa 8 und 15 m, während die Breitenausdehnung etwa 3 bis 4 m beträgt. Eine Kathode, wie sie hier in 1a gezeigt ist, ist beispielsweise in der EP 1845174 offenbart.As in the side view of 1b can be seen, the enclosure points 2 and thus the entire electrolysis cell has an elongated shape, with numerous power supply bars 3 horizontally through the side walls of the mount 2 are guided. Typically, the longitudinal extent of currently deployed cells is between about 8 and 15 meters, while the width dimension is about 3 to 4 meters. A cathode like this one in here 1a is shown, for example, in the EP 1845174 disclosed.

Die bei dem Elektrolyseverfahren verwendeten Stromstärken von heutzutage bis zu 600 kA bedingen einen hohen Energiebedarf. Die damit verbundenen Kosten stellen einen Großteil der Verfahrenskosten der beschriebenen Schmelzflusselektrolyse dar. Diese Kosten zu reduzieren, bildet eine der wesentlichen Aufgaben, welche im Bereich der Schmelzflusselektrolyse zu bewältigen sind.The current strengths of up to 600 kA used in the electrolysis process require a high energy requirement. The associated costs represent a large part of the process costs of the fused-salt electrolysis described. Reducing these costs is one of the essential tasks to be accomplished in the field of fused-salt electrolysis.

Einen Faktor, der für den Energieverbrauch bestimmend ist, stellt der notwendige Abstand zwischen den Oberflächen der Anoden und des flüssigen Aluminiums in der Elektrolysezelle dar. Die Anode bzw. die Anoden müssen von der Oberfläche des Aluminiums ausreichend beabstandet sein, um einen Kurzschluss zwischen den Anoden und den Kathodenblöcken über das Aluminium zu vermeiden. Die Anoden können theoretisch sehr nahe an die Oberfläche des flüssigen Aluminiums herangefahren werden, wenn dieses in Ruhe ist. Aufgrund der bei der Schmelzflusselektrolyse über die Stromzuführungsbarren in die Kathode eingeleiteten hohen Ströme werden jedoch elektromagnetische Felder hervorgerufen, welche durch ihre Wechselwirkungen in das flüssige Aluminium Strömungen und Wellenbewegungen induzieren.One factor that determines energy consumption is the necessary spacing between the surfaces of the anodes and the liquid aluminum in the electrolytic cell. The anode or anodes must be sufficiently spaced from the surface of the aluminum to provide a short circuit between the anodes and to avoid the cathode blocks over the aluminum. The anodes can theoretically be moved very close to the surface of the liquid aluminum, when it is at rest. However, due to the high currents introduced in the fused-salt electrolysis via the power supply bars, electromagnetic fields are produced which induce currents and wave motions through their interactions in the liquid aluminum.

Diese Wellenbewegungen bedingen, dass ein im Vergleich zu einer ruhenden Aluminiumoberfläche erhöhter Sicherheitsabstand der Anode(n) eingehalten werden muss, um Kurzschlüsse und die unerwünschte Rückreaktion (Oxidation) des Aluminiums zu Aluminiumoxid zu vermeiden. Zudem verursachen die Wellenbewegungen lokal verstärkten Verschleiß der Kathode, wodurch die Lebensdauer der gesamten Elektrolysezelle verringert wird.These wave motions require that an increased safety distance of the anode (s) must be maintained in comparison to a resting aluminum surface in order to avoid short circuits and the undesired back reaction (oxidation) of the aluminum to aluminum oxide. In addition, the wave motions cause locally increased wear of the cathode, whereby the life of the entire electrolysis cell is reduced.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Elektrolysezelle zur Gewinnung von Aluminium anzugeben, mit der sich die beschriebene Wellenbildung bei der Schmelzflusselektrolyse reduzieren lässt.It is therefore an object of the invention to provide an electrolysis cell for the production of aluminum, with which the wave formation described can be reduced in the melt flow electrolysis.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Elektrolysezelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. This object is achieved by an electrolytic cell having the features of claim 1. Preferred embodiments are specified in the subclaims.

Gemäß den Ausführungsformen der Erfindung weist eine Elektrolysezelle zur Gewinnung von Aluminium aus seinem Oxid eine Kathode und mindestens eine Seitenwand auf, welche zusammen ein Becken begrenzen, wobei im Inneren des Beckens mindestens eine Erhebung ausgebildet ist, die sich von der Kathode oder einer Seitenwand in das Becken hinein erstreckt.According to embodiments of the invention, an electrolytic cell for recovering aluminum from its oxide has a cathode and at least one sidewall which together define a basin, wherein at least one protrusion is formed in the interior of the basin extending from the cathode or sidewall into the basin Cymbal extends into it.

Im Sinne der Erfindung wird der Begriff „Kathode” ganz allgemein aufgefasst. Es kann sich dabei z. B. – aber nicht ausschließlich – um einen sogenannten Kathodenboden handeln, der aus einer Mehrzahl von Kathodenblöcken aufgebaut ist, so dass die erfindungsgemäßen Kernaspekte – nämlich die oben beschriebene Ausbildung von Erhebungen – 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. Alle Merkmale, die in Verbindung mit einer „Kathode” zur Erfindung beitragen können, tun dieses in derselben Weise in Verbindung mit einem „Kathodenblock”, ohne dass dies im Folgenden jeweils ausdrücklich erläutert werden müsste.For the purposes of the invention, the term "cathode" is understood in general terms. It may be z. B. - but not exclusively - to act a so-called cathode bottom, which is composed of a plurality of cathode blocks, so that the core aspects of the invention - namely the above-described formation of surveys - are realized by this cathode bottom as a whole. The term cathode, however, is also intended to refer to the substructures forming such a cathode bottom in the sense of cathode blocks. All the features which may contribute to the invention in connection with a "cathode" do so in the same way in connection with a "cathode block", without this having to be explicitly explained in the following.

Die mindestens eine Erhebung fungiert dabei als eine Art Wellenbrecher, der die Wellenbewegung reduziert und damit zu einer Beruhigung der Oberfläche des flüssigen Aluminiums beiträgt. Mit anderen Worten stellt die mindestens eine Erhebung ein bewusst eingesetztes Hindernis dar, um die Flüssigkeitsströmung im Inneren des Beckens der Kathode im Sinne einer Dämpfung bzw. Hemmung zu beeinflussen.The at least one survey acts as a kind of breakwater, which reduces the wave motion and thus contributes to a calming of the surface of the liquid aluminum. In other words, the at least one elevation represents a consciously used obstacle in order to influence the liquid flow in the interior of the basin of the cathode in the sense of damping or inhibition.

Da mittels der Erhebung(en) das schmelzflüssige Aluminium im Inneren des Kathodenbeckens beruhigt werden kann, ist es möglich, die Anode einer Elektrolysezelle, die nach den Ausführungsformen der Erfindung ausgebildet ist, näher an die Oberfläche des flüssigen Aluminiums heranzuführen, wodurch sich die energetische Effizienz der Elektrolysezelle steigern lässt. Hierdurch lassen sich die spezifischen Energiekosten deutlich reduzieren. Die Reduzierung des Anoden-Kathoden-Abstandes, genauer des Abstandes der Anoden zum flüssigen Aluminium, kann auch genutzt werden, um die Stromstärke zu erhöhen und so die Produktivität der Elektrolysezelle zu erhöhen. Zudem wird der Abtrag von Kathodenmaterial durch mechanische Einflüsse (Abrasion), welche durch die Flüssigkeitsbewegung bedingt ist, gemindert. Hierdurch kann eine erhöhte Standzeit der Kathode erreicht werden.As by means of the collection (s), the molten aluminum inside the cathode basin can be calmed, it is possible to bring the anode of an electrolytic cell, which is formed according to the embodiments of the invention, closer to the surface of the liquid aluminum, thereby increasing the energy efficiency to increase the electrolysis cell. As a result, the specific energy costs can be significantly reduced. The reduction of the anode-cathode distance, more specifically the distance of the anodes to the liquid aluminum, can also be used to increase the current intensity and thus to increase the productivity of the electrolytic cell. In addition, the removal of cathode material by mechanical influences (abrasion), which is due to the liquid movement, reduced. As a result, an increased service life of the cathode can be achieved.

Was die Größe sowie die Lage der Erhebung bzw. der Erhebungen betrifft, so ist diese zumindest teilweise von der konkreten Geometrie des Beckens der Elektrolysezelle sowie von der Art der Stromzuführung zur Kathode der Elektrolysezelle abhängig. Für eine gegenwärtig übliche Zelle mit einer Länge zwischen etwa 8 und 15 m und einer Breite von etwa 3 bis 4 m hat es sich als geeignet herausgestellt, wenn die mindestens eine Erhebung etwa 5 cm und 50 cm über die herkömmliche Kathodenoberfläche herausragt.As far as the size and location of the survey or elevations is concerned, this is at least partially dependent on the specific geometry of the basin of the electrolysis cell and on the type of power supply to the cathode of the electrolysis cell. For a presently common cell having a length of between about 8 and 15 meters and a width of about 3 to 4 meters, it has been found suitable for the at least one protrusion to protrude about 5 cm and 50 cm beyond the conventional cathode surface.

Bei einer beispielhaften Ausgestaltung der Elektrolysezelle sind mehrere Erhebungen vorhanden, welche in Abständen zueinander angeordnet sind. Auf diese Weise kann die Aufgabe der Strömungsunterbrechung auf mehrere Erhebungen verteilt werden, so dass eine größere Homogenität der Flüssigkeit bezüglich ihrer Bewegung erzielt wird.In an exemplary embodiment of the electrolysis cell, a plurality of elevations are present, which are arranged at intervals to one another. In this way, the task of flow interruption can be distributed over several surveys, so that a greater homogeneity of the liquid is achieved with respect to their movement.

Generell können die Erhebungen von der Kathode oder von der mindestens einen Seitenwand aus in Richtung des Zentrums der Elektrolysezelle verlaufen, bzw. in das Becken hineinragen. Eine Verankerung im Bereich einer der beiden Wände kann vorteilhaft sein. Im Hinblick auf die zuverlässige Unterdrückung von Wellenbewegungen in dem flüssigen Aluminium hat es sich als günstig erwiesen, wenn sich die mindestens eine Erhebung von einer Seite aus in das Innere des Beckens hinein erstreckt.In general, the elevations can extend from the cathode or from the at least one side wall in the direction of the center of the electrolysis cell, or protrude into the basin. An anchoring in the region of one of the two walls can be advantageous. In view of the reliable suppression of wave motions in the liquid aluminum, it has proved to be advantageous if the at least one elevation extends from one side into the interior of the basin.

Bei den gegenwärtig üblichen Elektrolysezellen, bei denen das Becken in Draufsicht eine Rechteckform mit je einer Seitenwand an jeder Seite aufweist, sind vorzugsweise Erhebungen an beiden Seitenwänden vorgesehen, die in das Innere des Beckens ragen. Eine Symmetrie der Anordnung bezüglich der Längsachse der Elektrolysezelle wirkt im Hinblick auf die Homogenität innerhalb der Flüssigkeit positiv. Weiter ist es möglich, die Erhebungen so auszubilden, dass sie mit einer Unterkante, also derjenigen Kante, welche der Kathode am nächsten ist, von der Kathode beabstandet ist.In the currently customary electrolysis cells, in which the basin in plan view has a rectangular shape, each with a side wall on each side, preferably elevations on both side walls are provided, which protrude into the interior of the basin. Symmetry of the arrangement with respect to the longitudinal axis of the electrolysis cell is positive in terms of homogeneity within the liquid. It is also possible to form the elevations in such a way that they are spaced from the cathode by a lower edge, that is to say that edge which is closest to the cathode.

Häufig ist die Kathode und/oder die mindestens eine Seitenwand nicht aus einem einzigen Block geformt, sondern setzt sich aus mehreren Bauteilen zusammen, die über Stampfmasse oder Kleber miteinander verbunden sind. So kann die mindestens eine Seitenwand aus mehreren Seitenwandblöcken zusammengesetzt sein, die Kathode aus mehreren Kathodenblöcken. Zwischen den Kathodenblöcken und/oder Seitenwandblöcken erstrecken sich bei dieser Ausführung beispielsweise Klebe- oder Stampffugen. Die Stampfmassen sind im allgemeinen aus einer Mischung aus Kohlenstoffkörnern und Steinkohlenteer oder Steinkohlenteerpech hergestellt, welche durch Stampfung hoch verdichtet zwischen die Blöcke eingebracht werden, um die Zwischenräume abzudichten.Often, the cathode and / or the at least one side wall is not formed from a single block, but is composed of several components which are connected to each other via ramming mass or adhesive. Thus, the at least one side wall may be composed of a plurality of side wall blocks, the cathode of a plurality of cathode blocks. Between the cathode blocks and / or side wall blocks extend in this embodiment, for example, adhesive or stamping joints. The ramming masses are generally made from a mixture of carbon granules and coal tar or coal tar pitch, which are highly compressed by stamping between the blocks to seal the gaps.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung können die Stampfmassen der Halterung der Erhebung(en) an der Kathode und/oder Seitenwand dienen. Dazu ist die mindestens eine Erhebung mit einem Ende über die Stampfmasse in einer Stampffuge aufgenommen. Diese Ausgestaltung ist insbesondere im Hinblick auf Fertigungsgesichtspunkte von Vorteil, da die Erhebungen beim Arbeitsschritt der Fugenabdichtung integriert werden können. Es ist in diesem Fall keine zusätzliche Halterung bzw. kein zusätzliches Haftmittel zur Befestigung der Erhebung an der Kathode und/oder Seitenwand nötig. According to one embodiment of the invention, the ramming masses of the support of the survey (s) serve at the cathode and / or side wall. For this purpose, the at least one survey is taken with one end on the ramming mass in a tamping. This embodiment is particularly advantageous with regard to manufacturing aspects, since the elevations can be integrated during the step of the joint seal. It is in this case no additional support or no additional adhesive for attaching the survey on the cathode and / or side wall necessary.

Im Sinne der bereits erwähnten Symmetrie und Homogenität ist es bei der vorgenannten Ausführungsform günstig, wenn in jeder der Fugen zwischen den Seitenwandblöcken und/oder Kathodenblöcken eine Erhebung aufgenommen ist.In terms of the already mentioned symmetry and homogeneity, it is favorable in the aforementioned embodiment if a survey is taken in each of the joints between the side wall blocks and / or cathode blocks.

Was die weiteren Abmessungen der mindestens einen Erhebung betrifft, so kann sich diese beispielsweise vorteilhaft zwischen etwa 5 cm und etwa 50 cm tief in das Innere des Beckens erstrecken, insbesondere zwischen etwa 10 und 20 cm. Der Ausdruck ”tief” bezieht sich im Rahmen der Erfindung auf eine Dimension senkrecht zu derjenigen Seitenwand, von der aus sich die Erhebung erstreckt, und parallel zur Bodenwand. Bei einer Elektrolysezelle mit rechteckigem Becken ist dies die Richtung von der Seitenwand auf die Längsachse bzw. die Breitenachse der Kathode zu, bei einer kreisförmigen Elektrolysezelle entsprechend die Radialrichtung. Der genannte Tiefenbereich hat sich als hinreichend für die zuverlässige Dämpfung der Wellenbewegung in einem Kathodenbecken der vorstehend genannten Größe erwiesen.As regards the further dimensions of the at least one elevation, it may, for example, advantageously extend between about 5 cm and about 50 cm deep into the interior of the basin, in particular between about 10 and 20 cm. The term "deep" in the context of the invention refers to a dimension perpendicular to the side wall from which the elevation extends, and parallel to the bottom wall. In the case of an electrolytic cell with a rectangular basin, this is the direction from the side wall to the longitudinal axis or the width axis of the cathode, and in the case of a circular electrolytic cell, the radial direction. The said depth range has proven to be sufficient for the reliable damping of the wave motion in a cathode basin of the aforementioned size.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann die mindestens eine Erhebung im Querschnitt eine Rechteckform mit abgerundeten Kanten aufweisen. Die abgerundeten Kanten sind dabei im Hinblick auf die Unterdrückung der Entstehung von Wirbeln in dem flüssigen Aluminium hilfreich. Alternativ kann die Ausführung in abgeschrägter Form ausgeführt werden, um entstehende Wellen „auflaufen” zu lassen. (s. 4) According to one embodiment of the invention, the at least one elevation in cross section may have a rectangular shape with rounded edges. The rounded edges are helpful in terms of suppressing the formation of vortices in the liquid aluminum. Alternatively, the embodiment may be performed in a tapered shape to allow emerging waves to "run up". (S. 4 )

Die mindestens eine Erhebung kann beispielsweise aus Kohlenstoff oder Graphit hergestellt sein. Vorteilhaft können auch Materialkombinationen, insbesondere graphit- oder kohlenstoffhaltige Verbundwerkstoffe, wie etwa CFC-Materialen (carbon fiber reinforced carbon), oder Platten bzw. Folien aus komprimiertem oder teilkomprimiertem expandiertem Graphit sein. Dies bedeutet, dass das Material der mindestens einen Erhebung demjenigen der Kathode selbst ähnlich ist. Auf diese Weise wird nicht in den Vorgang der Schmelzflusselektrolyse bzw. in die chemischen Verhältnisse im Inneren der Kathode eingegriffen. Vorteilhaft kann im Hinblick darauf, den Stromverlauf in der Kathode möglichst wenig zu beeinflussen, die mindestens eine Erhebung eine niedrigere elektrische Leitfähigkeit aufweisen als die Kathode und/oder Seitenwände.The at least one survey can be made for example of carbon or graphite. Also advantageous may be material combinations, in particular graphite- or carbon-containing composite materials, such as CFC (carbon fiber reinforced carbon) materials, or sheets or films of compressed or partially compressed expanded graphite. This means that the material of the at least one elevation is similar to that of the cathode itself. In this way, it does not intervene in the process of melt electrolysis or in the chemical conditions in the interior of the cathode. Advantageously, with regard to influencing the current flow in the cathode as little as possible, the at least one survey have a lower electrical conductivity than the cathode and / or side walls.

Es kann vorteilhaft sein, dass die Erhebungen einen Schichtaufbau aufweisen. Ein derartiger Schichtaufbau kann beispielsweise mit den oben genannten Materialien bewerkstelligt sein. Insbesondere kann eine mittlere Schicht ein CFC-Material enthalten oder daraus aufgebaut sein, und können äußere Schichten komprimierten expandierten Graphit enthalten. Durch derartige Materialkombinationen kann mechanischen Spannungen und chemischen Beanspruchungen besonders gut begegnet werden.It may be advantageous for the elevations to have a layer structure. Such a layer structure can be accomplished, for example, with the above-mentioned materials. In particular, a middle layer may include or be comprised of a CFC material and may include outer layers of compressed expanded graphite. By such combinations of materials, mechanical stresses and chemical stresses can be counteracted particularly well.

Es kann des Weiteren vorteilhaft sein, dass die äußeren Schichten nicht oder kaum über die Fuge hinausragen, so dass die in das Innere des Beckens hineinragende Erhebung zumindest im Wesentlichen aus einer mittleren Schicht gebildet ist, während die äußeren Schichten die Aufgabe übernehmen, die mittlere Schicht in der Fuge zu halten. So kann eine CFC-Schicht, die in das Innere des Beckens hineinragt, von komprimiertem expandiertem Graphit oder kohlenstoffhaltiger Stampfmasse als äußeren Schichten in der Fuge gehalten werden.It may further be advantageous that the outer layers do not or hardly protrude beyond the joint, so that the protruding into the interior of the basin survey is at least substantially formed of a middle layer, while the outer layers take over the task, the middle layer to keep in the joint. Thus, a CFC layer projecting into the interior of the basin may be held by compressed expanded graphite or carbonaceous ramming mass as outer layers in the joint.

Die Erfindung wird nunmehr detaillierter mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung anhand eines nicht beschränkenden Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen: The invention will now be explained in more detail with reference to the accompanying drawings with reference to a non-limiting embodiment. In the drawing show:

1a eine Elektrolysezelle für die Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid nach dem Stand der Technik im Querschnitt, 1a an electrolytic cell for the extraction of aluminum from alumina according to the prior art in cross-section,

1b die Elektrolysezelle von 1a in einer Längsansicht von außen, 1b the electrolytic cell of 1a in a longitudinal view from the outside,

1c eine Elektrolysezelle für die Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid nach dem Stand der Technik in perspektivischer Ansicht, teilgeschnitten 1c an electrolytic cell for the production of aluminum from alumina according to the prior art in a perspective view, partially cut

2 eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts einer Elektrolysezelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, 2 a perspective view of a section of an electrolytic cell according to an embodiment of the invention,

3 eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts einer Elektrolysezelle gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, 3 a perspective view of a section of an electrolytic cell according to an alternative embodiment of the invention,

4 den Querschnitt erfindungsgemäßer Erhebungen. 4 the cross section of surveys according to the invention.

In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen dazu eingesetzt, gleiche oder entsprechende Elemente in den verschiedenen Darstellungen zu kennzeichnen.In the figures, like reference numerals are used to designate like or corresponding elements throughout the several views.

Mit Bezug auf 2 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle, die in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 100 gekennzeichnet ist, in perspektivischer Darstellung abgebildet. Die hier gezeigte Kathode 1 und Seitenwand 1a sind dafür geeignet, in einer Elektrolysezelle, wie sie in den 1a bis 1c dargestellt ist, anstelle der dort gezeigten Kathode 1 und Seitenwand 1a eingesetzt zu werden. Regarding 2 is an embodiment of an electrolytic cell according to the invention, in its entirety by the reference numeral 100 is marked, shown in perspective view. The cathode shown here 1 and sidewall 1a are suitable for use in an electrolytic cell, as in the 1a to 1c is shown, instead of the cathode shown there 1 and sidewall 1a to be used.

Wie dies zu erkennen ist, ist die Seitenwand 1a in diesem Ausführungsbeispiel nicht einstückig aufgebaut, sondern umfasst zwei sich parallel zueinander erstreckende Seitenwände 1a, die aus einzelnen Seitenwandblöcken 1a1 gebildet sind. Auf ähnliche Weise ist eine Kathode 1 aus mehreren Kathodenblöcken 1b1 zusammengesetzt. Die Seitenwände 1a und die Kathode 1 begrenzen zusammen ein Becken 1c. Seitenwände an Schmalseiten des Beckens (parallel zur Bildebene der 2) sind in der Figur nicht dargestellt. Dieser Beckenaufbau entspricht dem gegenwärtig üblichen Aufbau einer Kathode. Die hier gezeigte Ausgestaltung der Elektrolysezelle 100 ist jedoch nicht zwingend. Ebenso kann die Form des Kathodenbeckens beispielsweise rund oder quadratisch sein.As you can see, the sidewall is 1a not integrally constructed in this embodiment, but comprises two mutually parallel side walls 1a made up of single sidewall blocks 1a1 are formed. Similarly, a cathode 1 from several cathode blocks 1b1 composed. The side walls 1a and the cathode 1 limit a pool together 1c , Side walls on narrow sides of the basin (parallel to the image plane of the 2 ) are not shown in the figure. This pool construction corresponds to the current construction of a cathode. The embodiment of the electrolysis cell shown here 100 is not mandatory. Likewise, the shape of the cathode basin may be, for example, round or square.

Wesentlich im Rahmen der Erfindung ist, dass in das Becken 1c der Elektrolysezelle 100 Erhebungen 1d hineinragen, die sich von der Kathode 1 und/oder von der Seitenwand 1a oder den Seitenwänden 1a aus erstrecken können. In der gezeigten Ausführungsform sind mehrere Erhebungen 1d vorhanden, die in Längsrichtung der Kathode 1 (senkrecht zur Bildebene der 2) in gleichen Abständen zueinander angebracht sind. Obgleich in der Darstellung nur drei Erhebungen 1d an der linken Seitenwand 1a gezeigt sind, ist anzumerken, dass es aus Symmetriegründen günstig ist, die Erhebungen 1d an beiden Seitenwänden auszubilden. Im gezeigten Beispiel wurde auf die Darstellung der rechtsseitigen Erhebungen lediglich zugunsten der Deutlichkeit der Figur verzichtet.Essential in the context of the invention is that in the basin 1c the electrolysis cell 100 surveys 1d protrude, extending from the cathode 1 and / or from the sidewall 1a or the side walls 1a can extend out. In the embodiment shown are several surveys 1d present, in the longitudinal direction of the cathode 1 (perpendicular to the image plane of the 2 ) are mounted at equal distances from each other. Although in the presentation only three surveys 1d on the left side wall 1a are shown, it is favorable for reasons of symmetry, the surveys 1d to train on both side walls. In the example shown, the representation of the right elevations was omitted only in favor of the clarity of the figure.

Wie dies zu erkennen ist, sind die Erhebungen 1d jeweils im Bereich von Fugen, so genannten ”Stampffugen” 1e positioniert, welche so genannt werden, weil bei der Zusammenfügung der Kathode 1 aus den Kathodenblöcken 1a1 und der Seitenwand 1a aus den Seitenwandblöcken 1a1 diese Fugen durch Stampfung mit einer Masse abgedichtet werden, welche analog als Stampfmasse 1f bezeichnet wird. Die Stampfmasse 1f wirkt im gezeigten Beispiel nicht nur als Dichtungsmittel, sondern dient gleichzeitig der Befestigung der Erhebungen 1d im Bereich der Seitenwände 1a. Bei der Herstellung der Kathode 1 können die Erhebungen 1d von der Oberseite her zusammen mit der Stampfmasse 1f in die Stampffugen 1e so eingestampft werden, dass sie, wie gezeigt, mit einem Ende in der jeweiligen Fuge 1e aufgenommen sind, während ein zweites Ende in das Innere des Beckens 1c hineinragt. Im gezeigten Beispiel sind die Erhebungen 1d von der jeweiligen Seitenwand 1a aus zur Längsachse L der Kathode hin gerichtet. Werden, wie herkömmlich üblich, die Seitenwandblöcke nicht durch Stampfen verbunden, werden die Erhebungen beispielsweise durch Stampfmasse oder Kleber in den Fugen zwischen den Seitenwandblöcken fixiert.As you can see, the surveys are 1d each in the area of joints, so-called "stamping joints" 1e positioned, which are so called, because in the assembly of the cathode 1 from the cathode blocks 1a1 and the side wall 1a from the sidewall blocks 1a1 These joints are sealed by stamping with a mass, which analog as a ramming mass 1f referred to as. The ramming mass 1f acts in the example shown not only as a sealant, but also serves to attach the surveys 1d in the area of the side walls 1a , In the production of the cathode 1 can the surveys 1d from the top together with the ramming mass 1f in the peat joints 1e be tamped so that, as shown, with one end in the respective joint 1e are added while a second end to the interior of the basin 1c protrudes. In the example shown are the surveys 1d from the respective side wall 1a directed towards the longitudinal axis L of the cathode. If, as conventionally customary, the side wall blocks are not connected by pounding, the elevations are fixed, for example, by ramming mass or adhesive in the joints between the side wall blocks.

Wie dies weiter zu erkennen ist, erstreckt sich eine Unterkante 1d1 der jeweiligen Erhebungen 1d dabei nicht parallel zur Kathode 1, sondern ist gegenüber derselben gekippt. Auf diese Weise besteht zwischen der Kathode 1 und der Erhebung 1d ein keilförmiger Spalt, der bewirkt, dass beim Einsatz flüssiges Aluminium auch unter der Erhebung 1d hindurch fließen kann. Dies kann unter Strömungsgesichtspunkten von Vorteil sein.As will be seen further, a lower edge extends 1d1 the respective surveys 1d not parallel to the cathode 1 but is tilted opposite to it. In this way, there is between the cathode 1 and the survey 1d a wedge-shaped gap that causes liquid aluminum to also fall under the bump 1d can flow through it. This can be advantageous from a flow point of view.

In 3 ist eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels dargestellt, bei der Erhebungen 1d statt von der Seitenwand 1a von den Kathodenblöcken 1b1 in das Innere des Beckens 1c hineinragen. In dieser Variante sind die Erhebungen 1d paarweise gegeneinander versetzt angeordnet, was zu einer gezielten Beeinflussung von Strömungsverhältnissen vorteilhaft sein kann.In 3 is a modification of the embodiment shown in the surveys 1d instead of the side wall 1a from the cathode blocks 1b1 in the interior of the basin 1c protrude. In this variant, the surveys 1d arranged in pairs offset from each other, which can be advantageous for a targeted influencing of flow conditions.

Bei den Erhebungen 1d kann es sich um Formkörper handeln, die vorzugsweise aus Anthrazit, Graphit oder einem sonstigen Kohlenstoffmaterial bestehen. Vorteilhafterweise besitzt das Material der Erhebungen 1d eine geringere elektrische Leitfähigkeit als dasjenige der Kathode 1 oder Seitenwände 1a. Zudem ist vorteilhaft, wenn das Material eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischem Abtrag (Abrasion) aufweist, so dass die Erhebungen 1d vorzugsweise mindestens dieselbe Lebensdauer wie die Kathode 1 selbst aufweisen, damit sie nicht häufiger erneuert werden müssen als die Kathode 1 und/oder Seitenwände 1a der Elektrolysezelle. Alternativ können für die Erhebungen 1d beispielsweise CFC-Materialen oder Platten bzw. Folien aus komprimiertem expandiertem Graphit verwendet werden.At the surveys 1d it may be shaped articles, which preferably consist of anthracite, graphite or other carbon material. Advantageously, the material has the elevations 1d a lower electrical conductivity than that of the cathode 1 or side walls 1a , In addition, it is advantageous if the material has a high resistance to mechanical abrasion (abrasion), so that the elevations 1d preferably at least the same life as the cathode 1 themselves, so they do not have to be replaced more often than the cathode 1 and / or side walls 1a the electrolysis cell. Alternatively, for the surveys 1d For example, CFC materials or sheets of compressed expanded graphite sheets can be used.

Es kann des Weiteren vorteilhaft sein, dass die äußeren Schichten nicht oder kaum über die Fuge hinausragen, so dass die in das Innere des Beckens hineinragende Erhebung zumindest im Wesentlichen aus einer mittleren Schicht gebildet ist, während die äußeren Schichten die Aufgabe übernehmen, die mittlere Schicht in der Fuge zu halten. So kann eine CFC-Schicht, die in das Innere des Beckens hineinragt, von komprimiertem expandiertem Graphit oder kohlenstoffhaltiger Stampfmasse als äußeren Schichten in der Fuge gehalten werden.It may further be advantageous that the outer layers do not or hardly protrude beyond the joint, so that in the interior of the Basin protruding elevation is formed at least substantially from a middle layer, while the outer layers take over the task of keeping the middle layer in the joint. Thus, a CFC layer projecting into the interior of the basin may be held by compressed expanded graphite or carbonaceous ramming mass as outer layers in the joint.

Die hier gezeigte Anordnung und Form der Erhebungen ist lediglich als nicht beschränkendes Beispiel zu verstehen. Es handelt sich hierbei um eine Kathode, die im Zusammenhang mit der in den 1a bis 1c gezeigten Elektrolysezelle einsetzbar ist, bei welcher die Stromleitung im Kathodenbereich über die Stromzuführungsbarren 3 parallel den Kathodenblöcken 1b1 der Kathode 1 erfolgt. Grundsätzlich sind jedoch auch Ausführungsformen denkbar, bei denen die Stromführung in Vertikalrichtung senkrecht zu einer Unterseite der Kathode 1 erfolgt. Die am besten geeignete Anordnung der Erhebungen der Kathode bei jeder spezifischen Ausführungsform von Elektrolysezellen kann auf einfache Weise dadurch ermittelt werden, dass die Hauptbereiche erhöhter Abnutzung der jeweiligen Kathode betrachtet werden. Der Fachmann kann dann ohne weiteres unter Berücksichtigung der Strömungslehre geeignete Positionen sowie Formen für die Erhebungen 1d ermitteln. Beispiele vorteilhafter Erhebungen sind in 4 im Querschnitt dargestellt.The arrangement and form of the surveys shown here is only to be understood as a non-limiting example. This is a cathode, in connection with in the 1a to 1c can be used, in which the power line in the cathode region via the power supply bar 3 parallel to the cathode blocks 1b1 the cathode 1 he follows. Basically, however, embodiments are conceivable in which the current flow in the vertical direction perpendicular to a bottom of the cathode 1 he follows. The most suitable arrangement of the elevations of the cathode in each specific embodiment of electrolysis cells can be easily determined by considering the major areas of increased wear of the respective cathode. The person skilled in the art can then readily, taking into account the fluid dynamics, suitable positions and shapes for the surveys 1d determine. Examples of advantageous surveys are in 4 shown in cross section.

Was die Materialien für Kathode betrifft, so können alle dem Fachmann bekannten und geeigneten Materialien für die Elektrolyse von Aluminium aus seinem Oxid eingesetzt werden. Geeignete Materialien sind beispielsweise in der DE 10261745 angegeben, deren diesbezüglicher Inhalt hier durch Bezugnahme integriert sein soll. Als besonders günstig hat sich in diesem Zusammenhang Graphit aufgrund seiner Temperaturbeständigkeit sowie aufgrund seines geringen spezifischen elektrischen Widerstandes erwiesen.As far as the materials for cathode are concerned, all materials known and suitable to the person skilled in the art for the electrolysis of aluminum from its oxide can be used. Suitable materials are for example in the DE 10261745 the content of which is hereby incorporated by reference. Graphite has proved to be particularly favorable in this context due to its temperature resistance and because of its low electrical resistivity.

Mit einer Elektrolysezelle gemäß den Ausführungsformen der Erfindung lässt sich die Verlustleistung an derselben bei der Durchführung einer Schmelzflusselektrolyse zur Gewinnung von Aluminium durch Unterdrückung der Wellenbildung in der erzeugten Aluminiumschmelze deutlich reduzieren. Darüber hinaus reduziert sich auch der mechanische Verschleiß der Kathode, da die Flüssigkeitsbewegungen des Aluminiums reduziert werden.With an electrolytic cell according to the embodiments of the invention, the power loss thereof can be significantly reduced by performing fused-salt electrolysis to recover aluminum by suppressing the wave formation in the produced molten aluminum. In addition, the mechanical wear of the cathode is reduced, since the liquid movements of the aluminum are reduced.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Kathodecathode
1a1a: SeitenwandSide wall
1a11a1: SeitenwandblockSidewall block
1b11b1: Kathodenblockcathode block
1c1c: Beckenpool
1d1d: Erhebungsurvey
1e1e: Stampffugenpounding joints
1f1f: Stampfmasseramming mix
22: Einfassungmount
33: StromzuführungsbarrenCurrent supply bars
44: Anodeanode
55: Aluminiumaluminum
66: Gemisch (Aluminiumoxid, Kryolith)Mixture (alumina, cryolite)
6a6a: Kruste aus erstarrtem Gemisch 6 Crust of solidified mixture 6
77: negativer Pol Spannungsquellenegative pole voltage source
88th: positiver Pol Spannungsquellepositive pole voltage source
100100: Elektrolysezelleelectrolysis cell

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 1845174 [0006]
DE 10261745 [0046]

Claims

Electrolysis cell for recovering aluminum from its oxide, comprising a cathode ( 1 ) and at least one side wall ( 1a ), which together form a basin ( 1c ), characterized in that inside the basin ( 1c ) at least one survey ( 1d ) formed by the cathode ( 1 ) or a side wall ( 1a ) in the basin ( 1c ) extends into it.

Electrolysis cell according to claim 1, characterized in that the at least one survey ( 1d ) between about 5 cm and 50 cm above the cathode ( 1 ) and / or the wall ( 1a ) stands out.

Electrolysis cell according to claim 1 or 2, characterized in that a plurality of elevations ( 1d ) are present, which are arranged at regular or irregular intervals to each other.

Electrolysis cell according to claim 3, characterized in that the basin ( 1c ) in plan view a rectangular shape, each with a side wall ( 1a ) on each longitudinal side, wherein from both side walls ( 1a ) from surveys ( 1d ) into the interior of the basin ( 1c ) protrude.

Electrolysis cell according to claim 3 or 4, characterized in that the at least one side wall ( 1a ) Sidewall blocks ( 1a1 ).

Electrolysis cell according to one or more of the preceding claims, characterized in that the cathode ( 1 ) a plurality of cathode blocks ( 1b1 ).

An electrolytic cell according to claim 5 or 6, characterized in that between sidewall blocks ( 1a1 ) and / or cathode blocks ( 1b1 ) with ramming mass ( 1f ) filled pug joints ( 1e ), the at least one survey ( 1d ) with one end over the ramming mass ( 1f ) in a tamping plane ( 1e ) is recorded.

An electrolytic cell according to claim 7, characterized in that in each of the ramming joints ( 1e ) between the sidewall blocks ( 1a1 ) a survey ( 1d ) is recorded.

Electrolysis cell according to one or more of the preceding claims, characterized in that the at least one survey ( 1d ) has a rectangular shape with rounded edges in cross-section.

Electrolysis cell according to one or more of the preceding claims, characterized in that the at least one survey ( 1d ) is made with anthracite, carbon or graphite.

Electrolysis cell according to one or more of the preceding claims, characterized in that the at least one survey ( 1d ) is made of CFC material and / or at least partially compressed expanded graphite.

Electrolysis cell according to one or more of the preceding claims, characterized in that the at least one survey ( 1d ) has a layer structure.

Electrolysis cell according to claim 12, characterized in that a middle layer of the layer structure via the cathode ( 1 ) and / or side wall ( 1a protrudes and outer layers in the joint ( 1e ) are included.

Electrolysis cell according to claim 12 or 13, characterized in that the middle layer comprises CFC material and / or the outer layers at least partially compressed expanded graphite and / or ramming mass.

Electrolysis cell according to one or more of the preceding claims, characterized in that the at least one survey ( 1d ) has a lower specific electrical conductivity than the cathode ( 1 ) and / or the side walls ( 1a ) of the electrolytic cell.