DE102011004009A1

DE102011004009A1 - Kathodenanordnung und Kathodenblock mit einer eine Führungsvertiefung aufweisenden Nut

Info

Publication number: DE102011004009A1
Application number: DE201110004009
Authority: DE
Inventors: Frank Hiltmann
Original assignee: SGL Carbon SE
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 2011-02-11
Filing date: 2011-02-11
Publication date: 2012-08-16
Also published as: CA2825785A1; CN103429792A; US20130319853A1; BR112013020197A2; EP2673400A2; WO2012107412A2; AU2012215568A1; WO2012107412A3; RU2013141549A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kathodenanordnung für eine Aluminium-Elektrolysezelle mit wenigstens einem Kathodenblock auf Basis von Kohlenstoff und/oder Graphit, der wenigstens eine zumindest bereichsweise mit einer Graphitfolie ausgekleidete Nut aufweist, wobei in der wenigstens einen Nut wenigstens eine Stromschiene vorgesehen ist, welche zumindest bereichsweise eine Umhüllung aus Gusseisen aufweist, wobei in der die wenigstens eine Nut begrenzenden Wand des Kathodenblocks wenigstens eine Vertiefung vorgesehen ist und die Umhüllung aus Gusseisen zumindest abschnittsweise in die wenigstens eine Vertiefung eingreift. Die Erfindung betrifft ferner einen Kathodenblock für eine solche Kathodenanordnung und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Kathodenanordnung für eine Aluminium-Elektrolysezelle.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kathodenanordnung für eine Aluminium-Elektrolysezelle, einen Kathodenblock für eine solche Kathodenanordnung und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Kathodenanordnung.
Derartige Elektrolysezellen werden zur elektrolytischen Herstellung von Aluminium, welche industriell üblicherweise nach dem Hall-Héroult-Verfahren durchgeführt wird, eingesetzt. Bei dem Hall-Héroult-Verfahren wird eine aus Aluminiumoxid und Kryolith zusammengesetzte Schmelze elektrolysiert. Dabei dient der Kryolith, Na₃[AlF₆], dazu, den Schmelzpunkt von 2.045°C für reines Aluminiumoxid auf ca. 950°C für eine Kryolith, Aluminiumoxid und Zusatzstoffe, wie Aluminiumfluorid und Calciumfluorid, enthaltende Mischung zu senken.
Die bei diesem Verfahren eingesetzte Elektrolysezelle weist einen Boden auf, der aus einer Vielzahl von aneinander angrenzenden, die Kathode ausbildenden Kathodenblöcken zusammengesetzt ist. Um den bei dem Betrieb der Zelle herrschenden thermischen und chemischen Bedingungen standzuhalten, sind die Kathodenblöcke üblicherweise aus einem kohlenstoffhaltigen Material zusammengesetzt. An den Unterseiten der Kathodenblöcke sind jeweils Nuten vorgesehen, in denen jeweils wenigstens eine Stromschiene angeordnet ist, durch welche der über die Anoden zugeführte Strom abgeführt wird. Dabei sind die Zwischenräume zwischen den einzelnen die Nuten begrenzenden Wänden der Kathodenblöcke und den Stromschienen häufig mit Gusseisen ausgegossen, um durch die dadurch hergestellte Umhüllung der Stromschienen mit Gusseisen die Stromschienen elektrisch und mechanisch mit den Kathodenblöcken zu verbinden. Etwa 3 bis 5 cm oberhalb der auf der Kathodenoberseite befindlichen Schicht aus schmelzflüssigem Aluminium ist eine aus einzelnen Anodenblöcken ausgebildete Anode angeordnet, zwischen der und der Oberfläche des Aluminiums sich der Elektrolyt, also die Aluminiumoxid und Kryolith enthaltende Schmelze, befindet. Während der bei etwa 1.000°C durchgeführten Elektrolyse setzt sich das gebildete Aluminium aufgrund seiner im Vergleich zu der des Elektrolyten größeren Dichte unterhalb der Elektrolytschicht ab, also als Zwischenschicht zwischen der Oberseite der Kathodenblöcke und der Elektrolytschicht. Bei der Elektrolyse wird das in der Kryolithschmelze gelöste Aluminiumoxid durch elektrischen Stromfluss zu Aluminium und Sauerstoff aufgespalten. Elektrochemisch gesehen handelt es sich bei der Schicht aus schmelzflüssigem Aluminium um die eigentliche Kathode, da an dessen Oberfläche Aluminiumionen zu elementarem Aluminium reduziert werden. Nichtsdestotrotz wird nachfolgend unter dem Begriff Kathode nicht die Kathode aus elektrochemischer Sicht, also die Schicht aus schmelzflüssigem Aluminium verstanden, sondern das den Elektrolysezellenboden ausbildende, aus einem oder mehreren Kathodenblöcken zusammengesetzte Bauteil.
Ein wesentlicher Nachteil der bei dem Hall-Héroult-Verfahren eingesetzten Kathodenanordnungen ist deren vergleichsweise geringe Verschleißbeständigkeit, welche sich durch einen Abtrag der Kathodenblockoberflächen während der Elektrolyse manifestiert. Dabei erfolgt der Abtrag der Kathodenblockoberflächen aufgrund einer inhomogenen Stromverteilung innerhalb der Kathodenblöcke nicht gleichmäßig über die Länge der Kathodenblöcke, sondern in erhöhtem Ausmaß an den Kathodenblockenden, so dass sich die Oberflächen der Kathodenblöcke nach einer gewissen Elektrolysedauer zu einem W-förmigen Profil verändern. Durch den ungleichmäßigen Abtrag der Kathodenblockoberflächen wird die Nutzungsdauer der Kathodenblöcke durch die Stellen mit dem größten Abtrag begrenzt.
Um diesem Problem zu begegnen, wird in der WO 2007/118510 A2 ein Kathodenblock vorgeschlagen, dessen zur Aufnahme einer Stromschiene bestimmte Nut, bezogen auf die Kathodenblocklänge, in der Mitte eine größere Tiefe aufweist als an den Kathodenblockenden. Dadurch wird bei dem Betrieb der Elektrolysezelle über die Kathodenblocklänge eine im Wesentlichen homogene vertikale Stromverteilung erreicht, wodurch der erhöhte Verschleiß an den Kathodenblockenden verringert wird und so die Lebensdauer der Kathode erhöht wird.
Ein weiterer Nachteil der bei dem Hall-Héroult-Verfahren eingesetzten Kathodenanordnung ist ihr vergleichsweise hoher elektrischer Widerstand. Einer von mehreren Gründen für den vergleichsweise hohen elektrischen Widerstand ist es, dass der Übergangswiderstand zwischen den Stromschienen und den Kathodenblöcken der Kathode vergleichsweise hoch ist und dieser Übergangswiderstand zudem mit zunehmender Betriebsdauer der Kathode zunimmt. Ursächlich hierfür ist zum einen, dass während der Elektrolyse unerwünscht Schmelzebestandteile in die Kathodenblöcke diffundieren, was zu der Ausbildung von isolierenden Schichten aus beispielsweise β-Aluminiumoxid führt, und zum anderen, dass der Stahl der Stromschienen, das Gusseisen und der Kohlenstoff der Kathodenblöcke nach längerer Beanspruchung anfangen, zu kriechen, d. h. sich der Stahl der Stromschienen, das Gusseisen und der Kohlenstoff der Kathodenblöcke nach längerer Beanspruchung irreversibel verformen.
Um den elektrischen Übergangswiderstand zwischen den Stromschienen und den Kathodenblöcken zu verringern und somit die Energieeffizienz des Elektrolyseprozesses zu steigern, ist es in der WO 2007/071392 A2 vorgeschlagen worden, die Nut eines kohlenstoff- oder graphitbasierten Kathodenblocks zumindest bereichsweise mit einer Graphitfolie auszukleiden. Abgesehen davon, dass die Graphitfolie aufgrund ihres guten beidseitigen Formschlusses den elektrischen Übergangswiderstand zwischen der Stromschiene bzw. der sie umhüllenden Schicht aus erstarrtem Gusseisen und dem Kathodenblock verringert, reduziert die Graphitfolie aufgrund ihrer Elastizität insbesondere auch die Zunahme dieses Übergangswiderstandes mit zunehmender Betriebsdauer der Kathode, weil die Graphitfolie die sich während des Kriechens des Stahls der Stromschiene und des Kohlenstoffs des Kathodenblocks ausbildenden Spalten zwischen den die Nut des Kathodenblocks begrenzenden Wänden und der Stromschiene ausfüllt.
Allerdings weisen Graphitfolien eine glatte und sehr gleitfähige Oberfläche auf. Daher besteht bei einem Kathodenblock, dessen Nut mit einer Graphitfolie ausgekleidet ist, die Gefahr, dass sich die darin aufgenommene Stromschiene, die üblicherweise mehrere Meter lang und mehrere hundert Kilogramm schwer ist, in der Nut nachträglich unkontrolliert in der Tiefenrichtung der Nutöffnung verschiebt oder sogar aus der Nut herausfällt, wenn der Kathodenblock zum Beispiel während seiner Montage angehoben oder aus einem anderen Grund bewegt wird. Diese Gefahr besteht insbesondere bei einer im Querschnitt rechtwinklig ausgestalteten Nut, welche praktisch die einzig anwendbare Form für die Nut eines Kathodenblocks mit über dessen Länge variabler Nuttiefe ist. Zudem geht durch ein Verrutschen der Stromschiene in der Nut der passgenaue Kontakt zwischen der Nut und dem Gusseisen verloren, was zu einem schlechteren Stromübergang von der Stromschiene zu dem Kathodenblock und somit zu einer Abnahme der Energieeffizienz führt. Schließlich ist Graphitfolie nicht bzw. nur in sehr geringem Ausmaß mit Gusseisen verbindbar, so dass ein Ausgießen des Spalts zwischen Stromschiene und Graphitfolie mit flüssigem Gusseisen und ein anschließendes Aushärten bzw. Erstarren des Gusseisens nicht zu einer Verbindung der Graphitfolie mit dem Gusseisen, sondern nur zu einer Umhüllung der Stromschiene mit Gusseisen führt.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kathodenanordnung für eine Aluminium-Elektrolysezelle der eingangs genannten Art zu schaffen, welche einen niedrigen und insbesondere auch über einen ausgedehnten Elektrolysezeitraum dauerhaft niedrigen elektrischen Widerstand und insbesondere auch niedrigen Übergangswiderstand zwischen Stromschiene und Kathodenblock aufweist, und bei der eine ungewollte nachträgliche Verschiebung der Stromschiene in der Nut des Kathodenblocks senkrecht zu der Längsrichtung des Kathodenblocks, also in der Tiefenrichtung der Nut, und insbesondere ein Herausfallen der Stromschiene aus der Nut zuverlässig verhindert wird, und zwar insbesondere auch bei einer Nut mit einem rechtwinkligen Querschnitt, wie diese in Kathodenblöcken mit über die Kathodenblocklänge variierender Nuttiefe üblicherweise eingesetzt wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Kathodenanordnung für eine Aluminium-Elektrolysezelle mit wenigstens einem Kathodenblock auf Basis von Kohlenstoff und/oder Graphit, der wenigstens eine zumindest bereichsweise mit einer Graphitfolie ausgekleidete Nut aufweist, wobei in der wenigstens einen Nut wenigstens eine Stromschiene vorgesehen ist, welche zumindest bereichsweise eine Umhüllung aus Gusseisen aufweist, wobei in der die wenigstens eine Nut begrenzenden Wand des Kathodenblocks wenigstens eine Vertiefung vorgesehen ist und die Umhüllung aus Gusseisen zumindest abschnittsweise in die wenigstens eine Vertiefung eingreift.
Diese Lösung basiert auf der Erkenntnis, dass eine passgenaue und in der Richtung senkrecht zu der Längsrichtung des Kathodenblocks verschiebungsfeste Formschlussverbindung einer Stromschiene mit einem eine mit Graphitfolie ausgekleidete Nut aufweisenden Kathodenblock erreicht wird, wenn in wenigstens einer die Nut begrenzenden Wand des Kathodenblocks wenigstens eine Vertiefung vorgesehen wird und eine zumindest bereichsweise mit Gusseisen umhüllte Stromschiene so in die Nut eingebracht wird, dass die Umhüllung aus Gusseisen zumindest abschnittsweise in die Vertiefung eingreift. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass auf diese Weise unabhängig von der hohen Gleitfähigkeit der verwendeten Graphitfolie eine feste mechanische Verbindung zwischen der mit Gusseisen umhüllten Stromschiene und dem Kathodenblock senkrecht zu der Längsrichtung des Kathodenblocks erreicht wird, die einer ungewollten Verschiebung der Stromschiene in dieser Richtung und insbesondere einem Herausfallen der Stromschiene aus der mit Graphitfolie ausgekleideten Nut entgegenwirkt, und zwar insbesondere auch bei einer Nut mit einer rechtwinkligen Querschnittsform, wie diese für Kathodenblöcke mit einer über die Kathodenblocklänge variierende Nuttiefe bevorzugt ist. Somit weist die erfindungsgemäße Kathodenanordnung den aufgrund der elektrischen und mechanischen Eigenschaften von Graphitfolie mit der Auskleidung der Nut mit Graphitfolie verbundenen Vorteil eines verbesserten Stromübergangs zwischen der Stromschiene und dem Kathodenblock und somit einer verbesserten Energieeffizienz auf, unter gleichzeitiger Vermeidung des mit der hohen Gleitfähigkeit von Graphit verbundenen Nachteils einer unkontrollierten Beweglichkeit der Stromschiene in der Nut in der Richtung senkrecht zu der Längsrichtung des Kathodenblocks und einer damit einhergehenden möglichen Beeinträchtigung der elektrischen Verbindung zwischen der Stromschiene und dem Kathodenblock bei längerem Betrieb der Elektrolysezelle.
Zudem ermöglicht es die vorliegende Erfindung, die gleitfähigen Eigenschaften der Graphitfolie gezielt dazu zu nutzen, selektiv eine Längsverschiebbarkeit der Stromschiene in der Nut, speziell bei durch Temperaturwechsel während der Inbetriebnahme hervorgerufenen Bewegungen, zu gewährleisten.
Die erfindungsgemäße Kathodenanordnung mit den vorstehend beschriebenen Vorteilen ist darüber hinaus mit äußerst geringem Aufwand und ohne aufwendige zusätzliche Prozessschritte herstellbar. So kann die vorgesehene mechanische Verbindung zwischen der Stromschiene und dem Kathodenblock einfach dadurch erreicht werden, dass eine Vertiefung des Kathodenblocks im Zuge des ohnehin erforderlichen Vergießens der Stromschiene mit dem Gusseisen zumindest teilweise mit dem Gusseisen ausgefüllt wird. Dadurch wird ein sehr inniger Kontakt zwischen der Stromschiene, der Umhüllung aus Gusseisen, der Graphitfolie und dem Kathodenblock erreicht, was zu einem besonders niedrigen elektrischen Übergangswiderstand zwischen der Stromschiene und dem Kathodenblock beiträgt. Zudem nimmt die Graphitfolie den bei dem Betrieb der Kathodenanordnung auftretenden mechanischen Druck senkrecht zu der Folienebene auf.
Unter einer Vertiefung wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung in Abgrenzung zu einer bloßen Oberflächenrauigkeit eine Aussparung verstanden, welche bezogen auf die Oberfläche der die Nut begrenzenden Wand eine Tiefe von mindestens 0,05 mm und bevorzugt von 0,5 mm aufweist.
Zudem wird unter einer Graphitfolie im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht nur dünnes Graphitblatt verstanden, sondern insbesondere auch ein teilkomprimierter Vorpressling oder eine flexible Platte aus expandiertem Graphit.
Unter einer Kathodenanordnung wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein wenigstens eine Nut aufweisender Kathodenblock verstanden, wobei in jeder der wenigstens einen Nut wenigstens eine ggf. eine Gusseisenumhüllung aufweisende Stromschiene aufgenommen ist. Ebenso bezeichnet dieser Begriff eine Anordnung aus mehreren, jeweils wenigstens eine Nut aufweisenden Kathodenblöcken, wobei in jeder der wenigstens einen Nut wenigstens eine ggf. eine Gusseisenumhüllung aufweisende Stromschiene aufgenommen ist.
Prinzipiell kann die Umhüllung aus Gusseisen zumindest in dem Bereich der Vertiefung direkt mit der Graphitfolie oder mit dem Kathodenblock selbst in Kontakt stehen. Obwohl dies gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt ist, ist dies aber nicht zwingend erforderlich. Zur Herstellung der gewünschten mechanischen Verbindung zwischen der Stromschiene und dem Kathodenblock kommt es vielmehr vornehmlich darauf an, dass die Umhüllung aus Gusseisen zumindest abschnittsweise in die wenigstens eine Vertiefung eingreift, also den durch die wenigstens eine Vertiefung gebildeten Hohlraum zumindest bereichsweise ausfüllt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der in die wenigstens eine Vertiefung eingreifende Abschnitt der Umhüllung aus Gusseisen komplementär zu der Vertiefung ausgestaltet. Auf diese Weise kann ein besonders guter formschlüssiger Eingriff der Umhüllung aus Gusseisen in die Vertiefung und somit eine besonders wirksame mechanische Befestigung der Gusseisenumhüllung und der damit verbundenen Stromschiene an dem Kathodenblock erreicht werden.
Um einen besonders guten Formschluss zwischen der Gusseisenumhüllung und dem Kathodenblock zu erreichen, wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, dass der in die wenigstens eine Vertiefung eingreifende Abschnitt der Umhüllung und ggf. die davon umhüllte Stromschiene wenigstens 70%, bevorzugt wenigstens 80%, besonders bevorzugt wenigstens 90%, ganz besonders bevorzugt wenigstens 95% und höchst bevorzugt 100% der Vertiefung ausfüllt. Dadurch kann eine ungewollte Verschiebung der Stromschiene in der Richtung senkrecht zu der Längsrichtung des Kathodenblocks und insbesondere ein Herausfallen der Stromschiene aus der Nut besonders zuverlässig vermieden werden.
Vorteilhafterweise erstreckt sich jede der wenigstens einen Vertiefung durchgehend über wenigstens 20%, bevorzugt über wenigstens 40%, besonders bevorzugt über wenigstens 60%, ganz besonders bevorzugt über wenigstens 80% und höchst bevorzugt zumindest annähernd über die gesamte Länge der Nut. Auf diese Weise kann während der Montage ein mögliches Herausrutschen der Stromschiene aus der Nut verhindert werden. Außerdem kann, wenn sich die Vertiefung wie vorstehend beschrieben über einen beträchtlichen Teil der Nutlänge erstreckt, eine gute Verschiebbarkeit der Stromschiene in der Längsrichtung der Nut gewährleistet werden, wobei nach wie vor zuverlässig eine ungewollte Verschiebung der Stromschiene parallel zur Tiefenrichtung der Nut verhindert wird.
Prinzipiell kann der Kathodenblock auch eine Vielzahl von in Längsrichtung der Nut aufeinander folgenden Vertiefungen aufweisen, die untereinander durch vertiefungsfreie Abschnitte der Nut getrennt sind. Diese Ausführungsform ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn eine Längsverschiebbarkeit der Stromschiene in dem Kathodenblock nicht gewünscht ist.
Um eine zuverlässige Verankerung der Gusseisenumhüllung und der Stromschiene in dem Kathodenblock zu gewährleisten, weist die wenigstens eine Vertiefung bevorzugt eine Tiefe von 2 mm bis 40 mm, besonders bevorzugt von 5 mm bis 30 mm und ganz besonders bevorzugt von 10 mm bis 20 mm auf.
Aus dem gleichen Grund weist die wenigstens eine Vertiefung bevorzugt eine auf die Höhe des Kathodenblocks bezogene Öffnungsbreite von 2 mm bis 40 mm, besonders bevorzugt von 5 mm bis 30 mm und ganz besonders bevorzugt von 10 mm bis 20 mm auf.
Daraus ergibt sich, dass die wenigstens eine Vertiefung im Querschnitt bevorzugt eine Fläche von 1,5 mm² bis 1.600 mm², besonders bevorzugt von 10 mm² bis 900 mm² und ganz besonders bevorzugt von 40 mm² bis 400 mm² aufweist. Diese Werte sind insbesondere für Vertiefungen mit einem polygonalen und besonders mit einem rechteckigen Querschnitt bevorzugt. Wenn die wenigstens eine Vertiefung einen gekrümmten Querschnitt, wie beispielsweise einen im Wesentlichen halbkreisförmigen Querschnitt aufweist, weist die wenigstens eine Vertiefung im Querschnitt bevorzugt eine Fläche von 1,5 mm² bis 630 mm², besonders bevorzugt von 10 mm² bis 350 mm² und ganz besonders bevorzugt von 40 mm² bis 160 mm² auf.
Grundsätzlich kann die wenigstens eine Vertiefung jeden polygonalen oder gebogenen Querschnitt aufweisen. Gute Ergebnisse im Hinblick auf einen guten formschlüssigen Eingriff der Gusseisenumhüllung in die wenigstens eine Vertiefung und gleichzeitig im Hinblick auf eine zuverlässige und unproblematische Füllbarkeit der Vertiefung mit Gusseisen beim Vergießen werden insbesondere erreicht, wenn die wenigstens eine Vertiefung einen zumindest im Wesentlichen halbkreisförmigen, dreieckigen, rechteckigen oder trapezförmigen Querschnitt aufweist.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass sich die wenigstens eine Vertiefung im Wesentlichen senkrecht in die die Nut begrenzende Wand des Kathodenblocks hinein erstreckt. Auf diese Weise wird eine besonders zuverlässige Fixierwirkung in der Tiefenrichtung der Nut bewirkt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die wenigstens eine Vertiefung – in der Tiefenrichtung der Nut betrachtet – an jedem ihrer Enden durch einen Übergangsbereich zwischen der Vertiefung und einem daran angrenzenden Abschnitt der Nutwand begrenzt. Wenn dieser Übergangsbereich winklig ausgestaltet ist, beträgt der Winkel zwischen dem angrenzenden Abschnitt der Nutwand und der Wand der Vertiefung, von der Kathodenblockinnenseite aus gesehen, vorzugsweise 90 Grad bis 160 Grad, besonders bevorzugt 90 Grad bis 135 Grad und ganz besonders bevorzugt 100 Grad bis 120 Grad. In dem Fall, dass dieser Übergangsbereich gekrümmt, möglicherweise, aber nicht notwendigerweise ideal kreisförmig gekrümmt, ausgestaltet ist, beträgt der Krümmungsradius des Übergangsbereichs bevorzugt maximal 50 mm, besonders bevorzugt maximal 20 mm und höchst bevorzugt maximal 5 mm.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die die Nut begrenzende Wand eine Bodenwand und zwei Seitenwände, wobei jede Seitenwand jeweils wenigstens eine, vorzugsweise eine sich senkrecht zu der Oberfläche der jeweiligen Seitenwand erstreckende, Vertiefung aufweist. Auf diese Weise wird eine beidseitige Halterung der Stromschiene in der Nut erreicht, wodurch die Stromschiene besonders wirksam in der gewünschten Position festlegbar ist. Grundsätzlich können in einer oder in beiden der Seitenwände auch mehrere, zum Beispiel pro Seitenwand wenigstens 1, wenigstens 2, wenigstens 3 oder wenigstens 4 Vertiefungen vorgesehen sein, in welche jeweils die Umhüllung der Stromschiene aus Gusseisen zumindest abschnittsweise eingreift. Dadurch wird eine besonders starke Verbindung zwischen der Stromschiene und dem Kathodenblock erreicht. Vorzugsweise ist die Tiefe und/oder das Volumen der einzelnen Vertiefungen umso geringer, desto mehr Vertiefungen in der Nut vorgesehen sind.
Vorzugsweise weist die wenigstens eine Vertiefung über ihre Länge einen zumindest im Wesentlichen konstanten Abstand zu der Bodenwand der Nut auf und verläuft parallel zu dieser. Bei einer solchen Ausgestaltung wird eine Verschiebbarkeit der Stromschiene parallel zu dem Nutboden gewährleistet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist jede der wenigstens einen Vertiefung zumindest bereichsweise und bevorzugt vollumfänglich mit der Graphitfolie ausgekleidet, wobei selbstverständlich vorzugsweise auch die restlichen Bereiche der Nut vollumfänglich mit der Graphitfolie ausgekleidet sind. Dadurch ergibt sich auch in dem Bereich der Vertiefungen ein besonders niedriger elektrischer Übergangswiderstand zwischen dem Gusseisen und dem Kathodenblock. Außerdem kann aufgrund der gleitfähigen Eigenschaften der Graphitfolie eine wie vorstehend beschriebene Verschiebbarkeit der Stromschiene in der Längsrichtung der wenigstens einen Vertiefung und damit in der Längsrichtung des Kathodenblocks gewährleistet werden, wenn ein Großteil der Oberfläche und bevorzugt zumindest annähernd die gesamte Oberfläche der die Nut begrenzenden Wand mit Graphitfolie ausgekleidet ist. Die Graphitfolie kann dabei durch die Umhüllung der Stromschiene aus Gusseisen gegen die Begrenzung der Vertiefung gepresst werden, um sowohl einen besonders guten elektrischen Kontakt als auch einen besonders wirksamen Formschluss zu bewirken. Dieser Effekt kommt besonders beim Aufheizen der Elektrolysezelle zur Inbetriebnahme zum Tragen, da die spezifische thermische Ausdehnung von Stahl oder Eisen etwa das dreifache der spezifischen thermischen Ausdehnung konventioneller Kathodenmaterialien beträgt.
Die Auskleidung der wenigstens einen Vertiefung der Nut mit der Graphiffolie kann bei der Herstellung der Kathodenanordnung in einfacher Weise dadurch erreicht werden, dass die Graphiffolie so in die Nut eingelegt wird, dass sie die Vertiefung ausfüllt, und anschließend das Gusseisen derart in die Nut eingegossen wird, dass die Graphiffolie in die Vertiefung gepresst und dort insbesondere direkt an das die Vertiefung begrenzende Kathodenblockmaterial gepresst wird.
Um eine über die Kathodenblocklänge gleichmäßige vertikale Stromdichteverteilung zu erreichen, wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, dass die wenigstens eine Nut eine über ihre Länge bzw. die Länge des Kathodenblocks variierende Tiefe aufweist, wobei es insbesondere bevorzugt ist, dass diese, bezogen auf die Längsrichtung, in ihrer Mitte eine größere Tiefe aufweist als an ihren beiden längsseitigen Enden. Auf diese Weise wird eine gleichmäßige Verteilung des über die Kathodenanordnung zugeführten elektrischen Stroms über die gesamte Länge des Kathodenblocks erreicht, wodurch eine übermäßige elektrische Stromdichte an den längsseitigen Enden des Kathodenblocks und so ein vorzeitiger Verschleiß an den Enden des Kathodenblocks vermieden wird. Bei dieser Ausführungsform ist die praktisch einzig anwendbare Querschnittsform für die Nut rechtwinklig, weswegen der Effekt der vorliegenden Erfindung, nämlich ein zuverlässiges Vermeiden des Herausfallens der Stromschiene aus der Nutöffnung, hier besonders ausgeprägt ist.
Durch eine solche gleichmäßige Stromdichteverteilung über die Länge des Kathodenblocks werden durch Wechselwirkung elektromagnetischer Felder hervorgerufene Bewegungen in der Aluminiumschmelze vermieden, wodurch es möglich wird, die Anode in einer geringeren Höhe über der Oberfläche der Aluminiumschmelze anzuordnen. Dadurch wird der elektrische Widerstand zwischen Anode und Aluminiumschmelze verringert und die Energieeffizienz der durchgeführten Schmelzflusselektrolyse erhöht.
Auch bei der vorstehend beschrieben Ausführungsform, bei welcher der Kathodenblock eine Nut mit variierender Tiefe aufweist, ist die wenigstens eine Vertiefung des Kathodenblocks vorzugsweise so ausgebildet, dass diese über die Länge der Nut einen im Wesentlichen konstanten Abstand von dem Boden der Nut aufweist, um so die Stromschiene bei Bedarf entlang der Längsrichtung des Kathodenblocks verschieben zu können.
Die erfindungsgemäße Kathodenanordnung eignet sich insbesondere auch problemlos für den Einsatz von herkömmlichen Nut- und/oder Stromschienengeometrien. So können beispielsweise die Nut und/oder die Stromschiene in herkömmlicher Weise einen im Wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt aufweisen. Dies ist insbesondere bevorzugt, wenn die Nut eine in Längsrichtung variierende Tiefe aufweist. Die Stromschiene kann insbesondere auch in herkömmlicher Weise aus Stahl bestehen.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass die die Nut zumindest bereichsweise auskleidende Graphitfolie expandierten Graphit und insbesondere bevorzugt komprimierten expandierten Graphit enthält, welcher besonders bevorzugt bindemittelfrei ist. Ganz besonders bevorzugt besteht die die Nut zumindest bereichsweise auskleidende Graphitfolie aus expandiertem Graphit und insbesondere bevorzugt aus komprimiertem bindemittelfreiem expandiertem Graphit. Wie vorstehend dargelegt kann die Folie grundsätzlich auch durch einen im Wesentlichen plattenförmigen Vorpressling gebildet sein, der expandierten Graphit enthält und dabei eine ausreichende Elastizität aufweist, um elastisch so verformt zu werden, dass er die vorstehend beschriebene Ausfüllung der Vertiefung durch die Gusseisenumhüllung zulässt und sich dabei in die Vertiefung zwischen das Gusseisen und die die Nut begrenzende Wand einfügen lässt.
Vorzugsweise beträgt der Graphitanteil der Graphitfolie wenigstens 60%, weiter bevorzugt wenigstens 70%, insbesondere bevorzugt wenigstens 80%, besonders bevorzugt wenigstens 90% und ganz besonders bevorzugt zumindest annähernd 100%.
Gute Ergebnisse im Hinblick auf eine optimale Ausnutzung der mechanischen und elektrischen Eigenschaften des Graphits werden insbesondere erreicht, wenn die Graphitfolie eine Dicke zwischen 0,2 mm und 3 mm, bevorzugt zwischen 0,2 mm und 1 mm und besonders bevorzugt zwischen 0,3 mm und 0,5 mm aufweist.
In Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschaften kann die Graphitfolie in die Nut eingelegt oder eingeklebt sein. Ein Einkleben der Graphitfolie in die Nut ist insbesondere bevorzugt, wenn die Graphitfolie an die Oberfläche der Vertiefung nur vergleichsweise wenig angepresst ist oder wenn eine auch noch so geringe Verschiebung der Graphitfolie in Längsrichtung des Kathodenblocks vermieden werden soll.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Kathodenblock eine oder zwei Nuten zur Aufnahme jeweils wenigstens einer Stromschiene auf. Grundsätzlich kann im Rahmen der Erfindung eine Nut des Kathodenblocks genau eine Stromschiene aufnehmen, insbesondere aber auch zwei Stromschienen, die in verschiedene Längenabschnitte der Nut eingesetzt sind. Die Stromschienen können dabei einander stirnseitig gegenüberliegend angeordnet sein.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Kathodenblock für eine Kathodenanordnung einer Aluminium-Elektrolysezelle auf Basis von Kohlenstoff und/oder Graphit, der wenigstens eine Nut zur Aufnahme einer Stromschiene aufweist, wobei in der die wenigstens eine Nut begrenzenden Wand des Kathodenblocks wenigstens eine Vertiefung vorgesehen ist. Ein solcher Kathodenblock kann mit Vorteil als Bestandteil der zuvor beschriebenen Kathodenanordnung eingesetzt werden. Dabei kann der Kathodenblock auf Basis von amorphen Kohlenstoff, graphitischem Kohlenstoff, graphitiertem Kohlenstoff oder einer beliebigen Mischung der vorstehenden Kohlenstoffe aufgebaut sein.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Kathodenanordnung für eine Aluminium-Elektrolysezelle, welches die nachfolgenden Schritte umfasst:

– Bereitstellen eines Kathodenblocks auf Basis von Kohlenstoff und/oder Graphit, der wenigstens eine Nut zur Aufnahme einer Stromschiene aufweist, wobei in der die wenigstens eine Nut begrenzenden Wand des Kathodenblocks wenigstens eine Vertiefung vorgesehen ist,
– Auskleiden zumindest eines Bereichs der wenigstens einen Nut mit einer Graphitfolie,
– Einsetzen einer Stromschiene in die wenigstens eine Nut,
– Einfüllen von flüssigem Gusseisen in zumindest einen Abschnitt der wenigstens einen Vertiefung zwischen die Graphitfolie und die Stromschiene und
– Erstarrenlassen des Gusseisens.

Durch den statischen Druck der Gusseisensäule wird die in der Nut befindliche Graphitfolie in die wenigstens eine Vertiefung gedrängt und dort insbesondere an den die wenigstens eine Vertiefung begrenzenden Kathodenblock angepresst. Auf diese Weise lässt sich besonders einfach eine Kathodenanordnung mit einer durch die Graphitfolie teilweise oder vollständig ausgekleideten Vertiefung herstellen, die einen besonders geringen elektrischen Übergangswiderstand zwischen Stromschiene und Kathodenblock aufweist. Beim Aufheizen der Elektrolysezelle zur Inbetriebnahme wird durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen von Stahl oder Eisen und Kathodenmaterial ein besonders inniger Kontakt erreicht.
Die Graphitfolie kann vor dem Einsetzen der Stromschiene in die Nut eingelegt und/oder eingeklebt werden. Ein lockeres Einlegen der Graphitfolie in der Nut kann als Vorfixierung ausreichend sein, da die Graphitfolie bei dem Vergießen bevorzugt durch das Gusseisen an die wenigstens eine die Nut begrenzende Wand des Kathodenblocks angepresst wird.
Zur Herstellung des Kathodenblocks kann ein kohlenstoff- oder graphithaltiges Ausgangsmaterial oder eine Mischung mehrerer solcher Materialien in eine Form gebracht und anschließend zu einem Grünkörper verdichtet werden. Die Ausgangsmaterialien liegen dabei bevorzugt in partikelförmiger oder granularer Form vor. Anschließend kann der Grünkörper erhitzt und dabei carbonisiert und gegebenenfalls graphitiert werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können sowohl carbonisierte Kathodenblöcke verwendet werden, worunter solche Kathodenblöcke verstanden werden, die bei ihrer Herstellung einer Temperaturbehandlung von bis zu maximal 1.500°C und vorzugsweise zwischen 800 und 1.200°C unterworfen worden sind und einen hohen Anteil von amorphem Kohlenstoff aufweisen, als auch graphitierte Kathodenblöcke, worunter solche Kathodenblöcke verstanden werden, die bei ihrer Herstellung einer Temperaturbehandlung von mehr als 2.000°C und vorzugsweise zwischen 2.300 und 2.700°C unterworfen worden sind und einen hohen Anteil von graphitförmigem Kohlenstoff aufweisen. Schließlich können Kathodenblöcke auf Basis von graphitischem Kohlenstoff verwendet werden, also solche, die nicht graphitiert worden sind, sondern denen Graphit als Ausgangsmaterial zugesetzt worden ist.
Als Ausgangsstoffe für carbonisierte Kathodenblöcke wird beispielsweise eine Mischung aus kalziniertem Anthrazit, Graphit und Steinkohlen- und/oder Petroleumpech eingesetzt, wohingegen graphitische Kathodenblöcke beispielsweise aus einer Graphit und Steinkohlen- und/oder Petroleumpech enthaltenden Mischung hergestellt werden. Graphit bezeichnet hier sowohl Natur- als auch synthetischen Graphit.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird bei der Herstellung des Kathodenblocks das Kohlenstoff und/oder Graphit enthaltende Ausgangsmaterial in eine Form eingebracht wird, die einen zu der wenigstens einen Vertiefung komplementär ausgebildeten Vorsprung aufweist.
Ebenso kann die wenigstens eine Vertiefung durch nachträgliches Entfernen und/oder Verdrängen von Kathodenblockmaterial der wenigstens einen die Nut begrenzenden Wand des Kathodenblocks hergestellt werden. Insbesondere kann die Vertiefung nachträglich durch einen Fräsprozess eingebracht werden, wobei ein zum Einbringen der Vertiefung verwendeter Fräskopf vorzugsweise einen der Vertiefung entsprechenden Querschnitt aufweist.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Kathodenanordnung, die nach einem wie vorstehend beschriebenen Verfahren erhältlich ist.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Dabei zeigen:
1 einen Querschnitt eines Ausschnitts einer Aluminium-Elektrolysezelle mit einer Kathodenanordnung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
2 einen Längsschnitt der Kathodenanordnung der in 1 gezeigten Aluminium-Elektrolysezelle und
3a–d beispielhafte Querschnitte von Vertiefungen, die in einer Nut eines erfindungsgemäßen Kathodenblocks vorgesehen sind.
In der 1 ist im Querschnitt ein Ausschnitt einer Aluminium-Elektrolysezelle 10 mit einer Kathodenanordnung 12 gezeigt, die gleichzeitig den Boden einer Wanne für eine während des Betriebs der Elektrolysezelle 10 erzeugte Aluminiumschmelze 14 und für eine oberhalb der Aluminiumschmelze 14 befindliche Kryolith-Aluminiumoxid-Schmelze 16 bildet. Mit der Kryolith-Aluminiumoxid-Schmelze 16 steht eine Anode 18 in Kontakt. Seitlich wird die durch den unteren Teil der Aluminium-Elektrolysezelle 10 gebildete Wanne durch eine in der 1 nicht dargestellte Auskleidung aus Kohlenstoff und/oder Graphit begrenzt.
Die Kathodenanordnung 12 umfasst mehrere Kathodenblöcke 20, die jeweils über eine in eine zwischen den Kathodenblöcken 20 angeordnete Stampfmassenfuge 22 eingefügte Stampfmasse 24 miteinander verbunden sind. Ein Kathodenblock 20 umfasst dabei zwei an seiner Unterseite angeordnete Nuten 26 mit einem rechtwinkligen, nämlich im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt, wobei in jeder Nut 26 jeweils eine Stromschiene 28 aus Stahl mit ebenfalls rechtwinkligem Querschnitt aufgenommen ist. Jede die Nut 26 begrenzende Wand 32, 34 ist dabei durch eine in der 1 gestrichelt dargestellte Graphitfolie 30 ausgekleidet.
Die Nuten 26 werden jeweils durch zwei Seitenwände 32 und eine Bodenwand 34 des Kathodenblocks 20 begrenzt, wobei in jeder der Seitenwände 32 eine sich im Wesentlichen senkrecht in die Seitenwand 32 hinein erstreckende Vertiefung 36 mit annähernd halbkreisförmigem Querschnitt vorgesehen ist. Jede Vertiefung 36 wird jeweils durch einen oberen und einen unteren Übergangsbereich 37 des Kathodenblocks 20 begrenzt. Die Übergangsbereiche 37 sind in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel winklig mit einem Winkel α zwischen dem angrenzenden Abschnitt der Nutwand und der Wand der Vertiefung von 90 Grad ausgebildet. Der Zwischenraum zwischen der Stromschiene 28 und der mit der Graphitfolie 30 ausgekleideten Nut 26 ist dabei jeweils mit Gusseisen 38 ausgegossen, so dass die Graphitfolie 30 zwischen dem Gusseisen 38 und dem Kathodenblock 20 fixiert ist. Dabei wird die Graphitfolie 30 durch das Gusseisen 38 gegen die die jeweilige Nut 26 begrenzenden Wände 32, 34 gepresst. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind auch die Vertiefungen 36 jeweils durch die Graphitfolie 30 ausgekleidet, wobei das Gusseisen 38 die ausgekleideten Vertiefungen 36 formschlüssig ausfüllt und die Graphitfolie 30 gegen den die Vertiefung 36 begrenzenden Kathodenblock 20 presst. Auf diese Weise wird über den gesamten Querschnitt der Nut. 26 ein geringer elektrischer Übergangswiderstand zwischen der Stromschiene 28 und dem Kathodenblock 20 gewährleistet. Das Gusseisen 38 bildet eine Umhüllung 39 für die Stromschiene 28 und steht mit der Stromschiene 28 in stoffschlüssiger Verbindung.
Darüber hinaus bildet das in den Vertiefungen 36 aufgenommene Gusseisen 38 mit dem die Vertiefung 36 begrenzenden Material des Kathodenblocks 20 jeweils eine formschlüssige Verbindung, die eine Bewegung der mit dem Gusseisen 38 verbundenen Stromschiene 28 in Richtung des Pfeils 40 verhindert. Eine ungewollte Bewegung der Stromschiene 28 in Tiefenrichtung der Nut 26 oder gar ein Herausfallen der Stromschiene 28 aus der Nut 26 werden dadurch verhindert.
In der 1 ist konkret der Querschnitt der Kathodenanordnung 10 an einem längsseitigen Ende des Kathodenblocks 20 gezeigt. Die Tiefe der Nuten 26 des Kathodenblocks 20 variiert dabei über die Länge der Nuten 26. Der Nutquerschnitt im Bereich der Mitte der Nut 26 ist in der 1 durch eine gestrichelte Linie 42 angedeutet. Der Unterschied zwischen der Nuttiefe an den längsseitigen Enden der Nut 26 und in der Mitte der Nut 26 beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel etwa 10 cm. Die Breite 44 jeder Nut 26 ist über die gesamte Nutlänge im Wesentlichen konstant und beträgt etwa 15 cm, wohingegen die Breite 46 der Kathodenblöcke 20 jeweils etwa 65 cm beträgt.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind mehrere Anoden 18 und mehrere Kathodenblöcke 20 derart übereinander angeordnet, dass jede Anode 18 in der Breite zwei nebeneinander angeordnete Kathodenblöcke 20 abdeckt und in der Länge die Hälfte eines Kathodenblockes 20 abdeckt, wobei jeweils zwei nebeneinander angeordnete Anoden 18 die Länge eines Kathodenblockes 20 überdecken.
Die 2 zeigt den in der 1 dargestellten Kathodenblock 20 im Längsschnitt. Wie aus der 2 ersichtlich, läuft die in ihrem Längsschnitt betrachtete Nut 26 zur Mitte des Kathodenblocks 20 hin in der Form eines Dreiecks zu, wodurch eine im Wesentlichen gleichmäßige elektrische vertikale Stromdichte über die gesamte Kathodenlänge hinweg gewährleistet wird. Die Vertiefungen 36 verlaufen dabei wie in der 2 durch eine gestrichelte Linie angedeutet parallel zu dem Nutboden 34 und weisen über die Länge der Nut 26 einen konstanten Abstand von dem Nutboden 34 auf. Die in der 2 der besseren Übersichtlichkeit halber nicht dargestellte Stromschiene 28 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel barrenförmig ausgebildet und weist einen rechtwinkligen Längsschnitt auf, so dass zwischen der Stromschiene und dem Nutboden 34 ein zur Mitte der Nut 26 hin größer werdender Zwischenraum besteht, der entweder durch Gusseisen 38 oder durch zusätzliche mit der Stromschiene 28 verbundene Metallplatten ausgefüllt sein kann. Ebenso könnte auch eine Stromschiene 28 verwendet werden, die in ihrem Längsschnitt an den dreieckförmigen Verlauf der Nut 26 angepasst ist.
Schließlich zeigen die 3a bis d beispielhafte Vertiefungen 36, die in einer Nut eines erfindungsgemäßen Kathodenblocks 20 vorgesehen sind, im Querschnitt. Dabei weisen die Vertiefungen 36 jeweils einen im. Wesentlichen halbkreisförmigen Querschnitt (3a), einen im Wesentlichen trapezförmigen Querschnitt (3b) oder einen im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt (3c) auf. Der Winkel α der Übergangsbereiche 37 zwischen der Wand der Vertiefung 36 und dem angrenzenden Abschnitt der Nutwand 32, von der Innenseite des Kathodenblocks 20 aus gesehen, beträgt dabei in 3a etwa 90 Grad, in der 3b etwa 120 Grad und in der 3c etwa 125 Grad. Die 3d zeigt eine Ausgestaltung, bei der mehrere wie in der 3c gezeigte Vertiefungen 36 mit dreieckigem Querschnitt in Tiefenrichtung der Nut 26 aufeinander folgend angeordnet sind, um eine besonders zuverlässige Halterung einer eingesetzten Stromschiene 28 zu bewirken. Die Übergangsbereiche 48 zwischen zwei aneinander angrenzenden Vertiefungen 36 weisen dabei zwischen den Wänden von zwei aneinander angrenzenden Vertiefungen 36, von der Innenseite des Kathodenblocks 20 aus gesehen, einen Winkel β von etwa 70 Grad auf. Die in den 3a bis d gezeigten Vertiefungen 36 erstrecken sich jeweils senkrecht in die die Nut 26 begrenzende Seitenwand 32 des Kathodenblocks 20, so dass sie mit in den Vertiefungen 36 aufgenommenem Gusseisen eine Fixierung bilden, die in Tiefenrichtung der Nut 26 wirksam ist und eine ungewollte Bewegung der Stromschiene 28 parallel zu der Tiefenrichtung der Nut 26 nach dem Vergießen der Stromschiene 28 mit Gusseisen 38 verhindert.
Bezugszeichenliste

10: Aluminium-Elektrolysezelle
12: Kathodenanordnung
14: Aluminiumschmelze
16: Kryolith-Aluminiumoxid-Schmelze
18: Anode
20: Kathodenblock
22: Stampfmassenfuge
24: Stampfmasse
26: Nut
28: Stromschiene
30: Graphitfolie
32: Seitenwand
34: Bodenwand
36: Vertiefung
37: Übergangsbereich zwischen der Wand der Vertiefung und dem angrenzenden Abschnitt der Nutwand
38: Gusseisen
39: Umhüllung
40: Pfeil
42: gestrichelte Linie
44: Breite der Nut 26
46: Breite des Kathodenblocks 20
48: Übergangsbereich zwischen zwei aneinander angrenzenden Vertiefungen
α: Winkel zwischen der Wand der Vertiefung und dem angrenzenden Abschnitt der Nutwand
β: Winkel zwischen den Wänden von zwei aneinander angrenzenden Vertiefungen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2007/118510 A2 [0005]
WO 2007/071392 A2 [0007]

Claims

Kathodenanordnung für eine Aluminium-Elektrolysezelle (10) mit wenigstens einem Kathodenblock (20) auf Basis von Kohlenstoff und/oder Graphit, der wenigstens eine zumindest bereichsweise mit einer Graphitfolie (30) ausgekleidete Nut (26) aufweist, wobei in der wenigstens einen Nut (26) wenigstens eine Stromschiene (28) vorgesehen ist, welche zumindest bereichsweise eine Umhüllung (39) aus Gusseisen (38) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in der die wenigstens eine Nut (26) begrenzenden Wand (32, 34) des Kathodenblocks (20) wenigstens eine Vertiefung (36) vorgesehen ist und die Umhüllung (39) aus Gusseisen (38) zumindest abschnittsweise in die wenigstens eine Vertiefung (36) eingreift.
Kathodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der in die wenigstens eine Vertiefung (36) eingreifende Abschnitt der Umhüllung (39) aus Gusseisen (38) komplementär zu der Vertiefung (36) ausgestaltet ist.
Kathodenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der in die wenigstens eine Vertiefung (36) eingreifende Abschnitt der Umhüllung (39) und ggf. die davon umhüllte Stromschiene (28) wenigstens 70%, bevorzugt wenigstens 80%, besonders bevorzugt wenigstens 90%, ganz besonders bevorzugt wenigstens 95% und höchst bevorzugt wenigstens 100% der Vertiefung (36) ausfüllt.
Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich jede der wenigstens einen Vertiefung (36) durchgehend über wenigstens 20%, bevorzugt über wenigstens 40%, besonders bevorzugt über wenigstens 60%, ganz besonders bevorzugt über wenigstens 80% und höchst bevorzugt zumindest annähernd über die gesamte Länge der Nut (26) erstreckt.
Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede der wenigstens einen Vertiefung (36) eine Tiefe von 2 mm bis 40 mm, bevorzugt von 5 mm bis 30 mm und besonders bevorzugt von 10 mm bis 20 mm aufweist.
Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede der wenigstens einen Vertiefung (36) eine auf die Höhe des Kathodenblocks bezogene Öffnungsbreite von 2 mm bis 40 mm, bevorzugt von 5 mm bis 30 mm und besonders bevorzugt von 10 mm bis 20 mm aufweist.
Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede der wenigstens einen Vertiefung (36) im Querschnitt bevorzugt eine Fläche von 1,5 mm² bis 1.600 mm², bevorzugt von 10 mm² bis 900 mm² und besonders bevorzugt von 40 mm² bis 400 mm² aufweist.
Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Vertiefung (36) einen zumindest im Wesentlichen halbkreisförmigen, dreieckigen, rechteckigen oder trapezförmigen Querschnitt aufweist.
Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Vertiefung (36) im Wesentlichen senkrecht in die die Nut (26) begrenzende Wand (32, 34) des Kathodenblocks (20) erstreckt.
Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Vertiefung (36), in der Tiefenrichtung der Nut (26) betrachtet, an jedem ihrer Enden durch einen Übergangsbereich (37) zwischen der Vertiefung (36) und einem daran angrenzenden Abschnitt der Nutwand (32, 34) begrenzt wird, wobei jeder der Übergangsbereiche (37) winklig ausgestaltet ist, wobei der Winkel (α) zwischen der Wand der. Vertiefung (36) und dem angrenzenden Abschnitt der Nutwand (32, 34), von der Kathodenblockinnenseite aus gesehen, 90 Grad bis 160 Grad, bevorzugt 90 Grad bis 135 Grad und besonders bevorzugt 100 Grad bis 120 Grad beträgt.
Kathodenanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Vertiefung (36), in der Tiefenrichtung der Nut (26) betrachtet, an jedem ihrer Enden durch einen Übergangsbereich (37) zwischen der Vertiefung (36) und einem daran angrenzenden Abschnitt der Nutwand (32, 34) begrenzt wird, wobei jeder der Übergangsbereiche (37) gekrümmt ausgestaltet ist, wobei der Krümmungsradius des Übergangsbereichs maximal 50 mm, bevorzugt maximal 20 mm und besonders bevorzugt maximal 5 mm beträgt.
Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die Nut (26) begrenzende Wand (32, 34) eine Bodenwand (34) und zwei Seitenwände (32) umfasst, wobei jede Seitenwand (32) jeweils wenigstens eine Vertiefung (36) aufweist.
Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Vertiefung (36) über ihre Länge einen im Wesentlichen konstanten Abstand zu der Bodenwand (34) der Nut (26) aufweist.
Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede der wenigstens einen Vertiefung (36) zumindest bereichsweise und bevorzugt vollumfänglich mit der Graphitfolie (30) ausgekleidet ist und vorzugsweise jede der wenigstens einen Nut (26) vollumfänglich mit der Graphitfolie (30) ausgekleidet ist.
Kathodenanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphitfolie (30) durch die Umhüllung (39) der Stromschiene (28) aus Gusseisen (38) gegen die Begrenzung der Vertiefung (36) gepresst ist.
Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (26) eine über ihre Länge variierende Tiefe aufweist.
Kathodenanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (26) an ihren längsseitigen Enden eine geringere Tiefe aufweist als in ihrer Mitte.
Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede der wenigstens einen Nut (26) einen wenigstens im Wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt aufweist.
Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede der wenigstens einen Stromschiene (28) einen im Wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt aufweist.
Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphitfolie (30) expandierten Graphit, bevorzugt zumindest teilweise komprimierten expandierten Graphit, enthält oder daraus besteht.
Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphitfolie (30) eine Dicke zwischen 0,2 mm und 3 mm, bevorzugt zwischen 0,2 mm und 1 mm und besonders bevorzugt zwischen 0,3 mm und 0,5 mm aufweist.
Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphitfolie (30) in die Nut (26) eingelegt und/oder eingeklebt ist.
Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenblock (20) ein oder zwei Nuten (26) zur Aufnahme jeweils wenigstens einer Stromschiene (28) aufweist.
Kathodenblock für eine Kathodenanordnung (12) einer Aluminium-Elektrolysezelle (10) auf Basis von Kohlenstoff und/oder Graphit mit wenigstens einer Nut (26) zur Aufnahme einer Stromschiene (28), dadurch gekennzeichnet, dass in der die wenigstens eine Nut (26) begrenzenden Wand (32, 34) des Kathodenblocks (20) wenigstens eine Vertiefung (36) vorgesehen ist.
Verfahren zur Herstellung einer Kathodenanordnung (12) für eine Aluminium-Elektrolysezelle (10), welches die nachfolgenden Schritte umfasst: – Bereitstellen eines Kathodenblocks (20) auf Basis von Kohlenstoff und/oder Graphit, der wenigstens eine Nut (26) zur Aufnahme einer Stromschiene (28) aufweist, wobei in der die wenigstens eine Nut (26) begrenzenden Wand (32, 34) des Kathodenblocks (20) wenigstens eine Vertiefung (36) vorgesehen ist, – Auskleiden zumindest eines Bereichs der wenigstens einen Nut (26) mit einer Graphitfolie (30), – Einsetzen einer Stromschiene (28) in die wenigstens eine Nut (26), – Einfüllen von flüssigem Gusseisen in zumindest einen Abschnitt der wenigstens einen Vertiefung (36) zwischen die Graphitfolie (36) und die Stromschiene (28) und – Erstarrenlassen des Gusseisens (38).
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphitfolie (30) in die Nut (26) eingelegt und/oder eingeklebt wird.
Verfahren nach Ansprüche 25 oder 26, dadurch ekennzeichnet, dass bei der Herstellung des Kathodenblocks (20) Kohlenstoff und/oder Graphit enthaltendes Material in eine Form eingebracht wird, die einen zu der wenigstens einen Vertiefung (36) komplementär ausgebildeten Vorsprung aufweist.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Vertiefung (36) durch Entfernen und/oder Verdrängen von Material der die Nut (26) begrenzenden Wand (32, 34) des Kathodenblocks (20) hergestellt wird.
Kathodenanordnung erhältlich durch ein Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 25 bis 28.