DE102011004012A1 - Surface profiled graphite cathode block with an abrasion resistant surface - Google Patents

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    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/08—Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes

Abstract

Ein Kathodenblock für eine Aluminium-Elektrolysezelle weist eine Grundschicht und eine darauf angeordnete Deckschicht auf, wobei die Grundschicht Graphit enthält, die Deckschicht eine zumindest bereichsweise profilierte Oberfläche aufweist und die Deckschicht aus einem 1 bis weniger als 50 Gew.-% Hartstoff mit einem Schmelzpunkt von wenigstens 1.000°C enthaltenden Graphitverbundwerkstoff zusammengesetzt ist.A cathode block for an aluminum electrolysis cell has a base layer and a cover layer arranged thereon, the base layer containing graphite, the cover layer having a surface that is profiled at least in some areas and the cover layer made of 1 to less than 50% by weight of hard material with a melting point of at least 1,000 ° C containing graphite composite is composed.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kathodenblock für eine Aluminium-Elektrolysezelle.The present invention relates to a cathode block for an aluminum electrolytic cell.

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.Such electrolysis cells are used for the electrolytic production of aluminum, which is usually carried out industrially by the Hall-Héroult process. In the Hall-Héroult process, a melt composed of alumina and cryolite is electrolyzed. The cryolite, Na 3 [AlF 6 ], serves to lower the melting point from 2045 ° C. for pure aluminum oxide to approximately 950 ° C. for a mixture containing cryolite, aluminum oxide and additives such as aluminum fluoride and calcium fluoride.

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 in 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.The electrolysis cell used in this method has a bottom composed of a plurality of adjacent cathode blocks forming the cathode. In order to withstand the thermal and chemical conditions prevailing in the operation of the cell, the cathode blocks are usually composed of a carbonaceous material. In each case, grooves are provided on the lower sides of the cathode blocks, in each of which at least one bus bar is arranged, through which the current supplied via the anodes is removed. The gaps between the individual walls delimiting the grooves of the cathode blocks and the busbars are often poured with cast iron in order to electrically and mechanically connect the busbars to the cathode blocks through the cast iron busbars produced thereby. About 3 to 5 cm above the layer of molten aluminum located on the top of the cathode is arranged an anode formed of individual anode blocks, between which and the surface of the aluminum is the electrolyte, ie the melt containing alumina and cryolite. During the electrolysis carried out at about 1000 ° C., the aluminum formed is deposited below the electrolyte layer due to its greater density compared to that of the electrolyte, ie as an intermediate layer between the upper side of the cathode blocks and the electrolyte layer. During electrolysis, the aluminum oxide dissolved in the cryolite melt is split by the flow of electrical current into aluminum and oxygen. Electrochemically, the layer of molten aluminum is the actual cathode because aluminum ions are reduced to elemental aluminum on its surface. Nevertheless, the term cathode will not be understood below to mean the cathode from an electrochemical point of view, ie the layer of molten aluminum, but rather the component forming the electrolytic cell bottom and composed of one or more cathode blocks.

Ein wesentlicher Nachteil des Hall-Héroult-Verfahren ist es, dass dieses sehr energieintensiv ist. Zur Erzeugung von 1 kg Aluminium werden etwa 12 bis 15 kWh elektrische Energie benötigt, was bis zu 40% der Herstellungskosten ausmacht. Um die Herstellungskosten senken zu können, ist es daher wünschenswert, den spezifischen Energieverbrauch bei diesem Verfahren so weit wie möglich zu verringern.A major disadvantage of the Hall-Héroult method is that it is very energy-intensive. To produce 1 kg of aluminum about 12 to 15 kWh of electrical energy is needed, which accounts for up to 40% of the manufacturing cost. In order to reduce the manufacturing costs, it is therefore desirable to reduce the specific energy consumption in this process as much as possible.

Aus diesem Grund werden in jüngster Zeit vermehrt Graphit-Kathoden eingesetzt, also solche aus Kathodenblöcken, welche als Hauptbestandteil Graphit enthalten. Dabei unterscheidet man zwischen graphitischen Kathodenblöcken, zu deren Herstellung als Ausgangsmaterial Graphit eingesetzt wird, und graphitierten Kathodenblöcken, zu deren Herstellung als Ausgangsmaterial ein Kohlenstoff enthaltender Graphitvorläufer eingesetzt wird, welcher durch eine anschließende Wärmebehandlung bei 2.100 bis 3.000°C zu Graphit umgewandelt wird. Graphit zeichnet sich im Vergleich zu amorphem Kohlenstoff durch einen beträchtlich niedrigeren spezifischen elektrischen Widerstand sowie durch eine signifikant höhere thermische Leitfähigkeit aus, weswegen durch den Einsatz von Graphit-Kathoden bei der Elektrolyse zum einen der spezifische Energieverbrauch der Elektrolyse verringert werden kann und zum anderen die Elektrolyse bei einer höheren Stromstärke durchgeführt werden kann, was eine Erhöhung der Produktivität der einzelnen Elektrolysezelle ermöglicht. Allerdings unterliegen Kathoden bzw. Kathodenblöcke aus Graphit und insbesondere graphitierte Kathodenblöcke während der Elektrolyse infolge von Oberflächenabtrag einem starken Verschleiß, welcher beträchtlich größer ist als der Verschleiß von Kathodenblöcken aus amorphem Kohlenstoff. Dieser Abtrag der Kathodenblockoberflächen erfolgt über die Längsrichtung des Kathodenblocks nicht gleichmäßig, sondern in erhöhtem Ausmaß an den Randbereichen des Kathodenblocks, an denen bei dem Betrieb des Kathodenblocks die größte lokale elektrische Stromdichte auftritt. Dies deshalb, weil in den Randbereichen die Kontaktierung der Stromschienen mit den Stromzuführungselementen erfolgt, weswegen der resultierende elektrische Widerstand von den Stromzuführungselementen bis zu der Oberfläche des Kathodenblocks bei Fluss über die Randbereiche des Kathodenblocks geringer als bei Fluss über die Mitte des Kathodenblocks ist. Aufgrund dieser inhomogenen Stromdichteverteilung verändert sich die Oberfläche der Kathodenblöcke mit zunehmender Betriebszeit, in Längsrichtung der Kathodenblöcke gesehen, zu einem angenähert W-förmigen Profil, wobei aufgrund des ungleichmäßigen Abtrages die Nutzungsdauer der Kathodenblöcke durch die Stellen mit dem größten Abtrag begrenzt wird. Abgesehen davon verstärken mechanische Einflüsse den Verschleiß eines Kathodenblocks während der Elektrolyse. Da sich die schmelzflüssige Aluminiumschicht aufgrund der während der Elektrolyse herrschenden hohen Magnetfelder und der daraus resultierenden elektromagnetischen Wechselwirkungen ständig in Bewegung befindet, tritt auf der Kathodenblockoberfläche eine nicht unerhebliche Partikelabrasion auf, welche bei Graphit-Kathodenblöcke zu einer beträchtlich höheren Abnutzung als bei Kathodenblöcken aus amorphen Kohlenstoff führt.For this reason, graphite cathodes are increasingly used in recent times, ie those of cathode blocks, which contain graphite as the main component. A distinction is made between graphitic cathode blocks, the production of which is used as the starting material graphite, and graphitized cathode blocks, for their preparation as a starting material, a carbon-containing graphite precursor is used, which is converted by a subsequent heat treatment at 2,100 to 3,000 ° C to graphite. Compared to amorphous carbon, graphite is characterized by a considerably lower specific electrical resistance as well as a significantly higher thermal conductivity, which means that the use of graphite cathodes in electrolysis can reduce the specific energy consumption of the electrolysis and the electrolysis can be performed at a higher current, which allows an increase in the productivity of the individual electrolysis cell. However, graphite cathode blocks, and particularly graphitized cathode blocks, are subject to heavy wear during electrolysis due to surface erosion, which is significantly greater than the wear of cathode blocks of amorphous carbon. This removal of the cathode block surfaces is not uniform over the longitudinal direction of the cathode block, but to an increased extent at the edge regions of the cathode block, in which the operation of the cathode block, the largest local electric current density occurs. This is because, in the peripheral areas, the contacting of the bus bars with the power supply elements occurs, and therefore, the resulting electrical resistance from the power supply elements to the surface of the cathode block is less when flowing over the peripheral areas of the cathode block than when flowing over the center of the cathode block. Due to this inhomogeneous current density distribution, the surface of the cathode blocks changes with increasing operating time, viewed in the longitudinal direction of the cathode blocks, to an approximately W-shaped profile, whereby due to the non-uniform Abtrag the service life of the cathode blocks is limited by the locations with the largest removal. Beyond that, reinforce mechanical influences the wear of a cathode block during electrolysis. Since the molten aluminum layer is constantly in motion due to the high magnetic fields prevailing during the electrolysis and the resulting electromagnetic interactions, a considerable erosion of particles occurs on the cathode block surface, which in the case of graphite cathode blocks leads to considerably greater wear than cathode blocks of amorphous carbon leads.

Zudem ist aus der DE 197 14 433 C2 ein Kathodenblock mit einer wenigstens 80 Gew.-% Titandiborid enthaltenden Beschichtung bekannt, welche durch Plasmaspritzen von Titandiborid auf die Oberfläche des Kathodenblocks hergestellt wird. Durch diese Beschichtung soll die Abrasionsbeständigkeit des Kathodenblocks verbessert werden. Solche Beschichtungen aus reinem Titandiborid oder mit einem sehr hohen Gehalt an Titandiborid sind jedoch sehr spröde und damit rissanfällig. Zudem ist die spezifische thermische Ausdehnung dieser Beschichtungen etwa doppelt so hoch wie die von Kohlenstoff, weswegen die Beschichtung eines solchen Kathodenblocks bei der Verwendung in einer Schmelzflusselektrolyse nur eine geringe Lebensdauer aufweist.Moreover, from the DE 197 14 433 C2 discloses a cathode block having a coating containing at least 80% by weight of titanium diboride, which is prepared by plasma spraying titanium diboride onto the surface of the cathode block. This coating is intended to improve the abrasion resistance of the cathode block. Such coatings of pure titanium diboride or with a very high content of titanium diboride, however, are very brittle and therefore susceptible to cracking. In addition, the specific thermal expansion of these coatings is about twice that of carbon, which is why the coating of such a cathode block when used in a fused-salt electrolysis has only a short life.

Um den spezifischen Energieverbrauch bei der Verwendung der vorgenannten Kathodenblöcke weiter zu verringern, werden in jüngster Zeit auch Kathodenblöcke eingesetzt, deren bei dem Betrieb der Elektrolysezelle dem geschmolzenen Aluminium und Elektrolyt zugewandte Seite durch ein oder mehrere Vertiefungen und/oder Erhebungen profiliert ist. Solche Kathodenblöcke, deren Oberseiten jeweils zwischen 1 und 8 und bevorzugt 2 Erhebungen mit einer Höhe von 50 bis 200 mm aufweisen, werden beispielsweise in der EP 2 133 446 A1 offenbart. Aufgrund der profilierten Oberfläche wird die durch die bei der Elektrolyse vorliegende elektromagnetische Wechselwirkung hervorgerufene Bewegung des geschmolzenen Aluminiums verringert. Daraus resultiert eine geringere Wellenbildung und Aufwölbung der Aluminiumschicht. Aus diesem Grund kann durch den Einsatz der oberflächenprofilierten Kathodenblöcke der Abstand zwischen dem schmelzflüssigen Aluminium und der Anode, welcher wegen der vergleichsweise starken und intensiven Wellenbildung der Aluminiumschicht bei der Verwendung nicht oberflächenprofilierter Kathodenblöcke zwecks Vermeidung von Kurzschlüssen und unerwünschter Rückoxidation des gebildeten Aluminiums üblicherweise 4 bis 5 cm beträgt, auf 2 bis 4 cm verringert werden. Aufgrund dieser Verringerung des Abstandes zwischen dem schmelzflüssigen Aluminium und der Anode wird der elektrische Zellwiderstand infolge der Verringerung des ohmschen Widerstandes und somit der spezifische Energieverbrauch reduziert.In order to further reduce the specific energy consumption in the use of the aforementioned cathode blocks, cathode blocks have recently been used, the sides of which, during operation of the electrolytic cell, are profiled by one or more recesses and / or elevations facing the molten aluminum and electrolyte side. Such cathode blocks, whose tops each have between 1 and 8 and preferably 2 elevations with a height of 50 to 200 mm, are for example in the EP 2 133 446 A1 disclosed. Due to the profiled surface, the movement of the molten aluminum caused by the electromagnetic interaction in the electrolysis is reduced. This results in less corrugation and bulging of the aluminum layer. For this reason, the distance between the molten aluminum and the anode, which due to the comparatively strong and intense wave formation of the aluminum layer in the use of non-surface profiled cathode blocks to avoid short circuits and unwanted reoxidation of the aluminum formed usually 4 to 5 by the use of the surface profiled cathode blocks cm, can be reduced to 2 to 4 cm. Due to this reduction in the distance between the molten aluminum and the anode, the cell electrical resistance is reduced due to the reduction of the ohmic resistance and thus the specific energy consumption.

Allerdings weisen oberflächenprofilierte Kathodenblöcke und insbesondere oberflächenprofilierte Kathodenblöcke auf Basis von Graphit eine Reihe von Nachteilen auf. In den Vertiefungen der profilierten Oberfläche der Kathodenblöcke kann sich insbesondere in den Ecken Schlamm aus nicht gelöstem Aluminiumoxid mit anhaftender Kryolithschmelze absetzen. Dieses Problem wird dadurch verstärkt, dass aus Graphit bestehende Flächen von Aluminiumschmelze nur sehr schlecht benetzt werden. Dadurch sind oberflächenprofilierte Kathodenblöcke auf Basis von Graphit insbesondere an den Ecken und Kanten der Erhebungen ihrer profilierten Oberflächen sehr verschleißanfällig. Zudem verringert der an den profilierten Oberflächen der Kathodenblöcke abgelagerte Schlamm die effektive Kathodenoberfläche und behindert dadurch den Stromfluss, wodurch der spezifische Energieverbrauch erhöht wird. Durch diesen Effekt wird zusätzlich die Stromdichte lokal erhöht, was zu einer kürzeren Lebensdauer der Elektrolysezelle führen kann.However, surface profiled cathode blocks and in particular surface profiled cathode blocks based on graphite have a number of disadvantages. In the recesses of the profiled surface of the cathode blocks, in particular in the corners, sludge of undissolved aluminum oxide with adhering cryolite melt can settle. This problem is compounded by the fact that surfaces of aluminum melt consisting of graphite are only very poorly wetted. As a result, surface-profiled cathode blocks based on graphite, in particular at the corners and edges of the elevations of their profiled surfaces, are very susceptible to wear. In addition, the deposited on the profiled surfaces of the cathode blocks sludge reduces the effective cathode surface and thereby impedes the flow of current, whereby the specific energy consumption is increased. This effect additionally increases the current density locally, which can lead to a shorter service life of the electrolysis cell.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen zwecks Ermöglichen eines geringen Abstandes zwischen dem schmelzflüssigen Aluminium und der Anode in der Elektrolysezelle oberflächenprofilierten Kathodenblock bereitzustellen, der einen niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, der bevorzugt gut mit Aluminiumschmelze benetzbar ist, und welcher insbesondere eine hohe Abrasionsbeständigkeit und Verschleißbeständigkeit gegenüber den bei dem Betrieb bei einer Schmelzflusselektrolyse herrschenden abrasiven, chemischen und thermischen Bedingungen aufweist.The object of the present invention is therefore to provide a cathode block which is surface-profiled in order to allow a small distance between the molten aluminum and the anode in the electrolytic cell, which has a low electrical resistivity, which is preferably wettable well with molten aluminum, and which in particular has a high abrasion resistance and wear resistance to the abrasive, chemical and thermal conditions prevailing during operation in a fused-salt electrolysis.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Kathodenblock für eine Aluminium-Elektrolysezelle mit einer Grundschicht und mit einer Deckschicht, wobei die Grundschicht Graphit enthält, die Deckschicht eine zumindest bereichsweise profilierte Oberfläche aufweist und die Deckschicht aus einem 1 bis weniger als 50 Gew.-% Hartstoff mit einem Schmelzpunkt von wenigstens 1.000°C enthaltenden Graphitverbundwerkstoff zusammengesetzt ist.According to the invention, this object is achieved by a cathode block for an aluminum electrolysis cell having a base layer and a cover layer, the base layer containing graphite, the cover layer having an at least partially profiled surface and the cover layer of a 1 to less than 50 wt .-% hard material having a melting point of at least 1000 ° C containing graphite composite material is composed.

Diese Lösung beruht auf der Erkenntnis, dass durch das Vorsehen einer zumindest bereichsweise oberflächenprofilierten Deckschicht aus einem Graphitverbundwerkstoff, welcher nicht weniger als 1 Gew.-%, aber maximal weniger als 50 Gew.-% Hartstoff mit einem Schmelzpunkt von wenigstens 1.000°C enthält, auf einer Graphit enthaltenden Grundschicht ein Kathodenblock erhalten wird, welcher einen für einen energieeffizienten Betrieb einer Schmelzflusselektrolyse ausreichend geringen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist und zudem sehr abrasionsbeständig und daher verschleißbeständig gegenüber den bei der Schmelzflusselektrolyse herrschenden abrasiven, chemischen und thermischen Bedingungen ist. Dabei war es insbesondere überraschend, dass dadurch die bei herkömmlichen Kathodenblöcken aus Graphit während der Elektrolyse infolge von inhomogener Abrasion über die Kathodenblocklängsrichtung auftretende Ausbildung eines W-förmigen Profils verhindert bzw. zumindest stark verringert wird. Zudem war es insbesondere überraschend, dass bei einem solchen Kathodenblock insbesondere eine Schlammbildung bzw. Schlammablagerung in der profilierten Oberfläche und insbesondere in den Ecken der profilierten Oberfläche bzw. der die Profilierung ausbildenden Vertiefung(en) zuverlässig verhindert wird und so nicht nur durch Verringerung bzw. Verhinderung von aus der Schlammbildung resultierender Partikelabrasion die Verschleißbeständigkeit des Kathodenblocks beträchtlich erhöht wird, sondern insbesondere auch eine Behinderung des Stromflusses infolge von Schlammbildung bzw. Schlammablagerung an der Kathodenblockoberfläche und eine daraus resultierende Erhöhung des spezifischen Energieverbrauchs bei der Elektrolyse zuverlässig verhindert wird.This solution is based on the finding that by the provision of an at least partially surface-profiled cover layer of a graphite composite material which contains not less than 1 wt .-%, but not more than less than 50 wt .-% hard material having a melting point of at least 1000 ° C, On a graphite-containing base layer, a cathode block is obtained, which has a low enough for an energy-efficient operation of a fused electrolysis electrolysis resistivity and also very resistant to abrasion and therefore wear resistant to the prevailing in the fused-salt electrolysis abrasive, chemical and thermal conditions. It was particularly surprising that thereby prevents the formation of a W-shaped profile occurring in conventional cathode blocks made of graphite during electrolysis as a result of inhomogeneous abrasion on the Kathodenblocklängsrichtung or at least greatly reduced. In addition, it was particularly surprising that in such a cathode block in particular sludge formation or sludge deposition in the profiled surface and in particular in the corners of the profiled surface or the profiling forming recess (s) is reliably prevented and so not only by reducing or Preventing particle abrasion resulting from sludge formation considerably increases the wear resistance of the cathode block, and in particular, it also reliably prevents obstruction of the flow of current due to sludge deposition on the cathode block surface and a consequent increase in the specific energy consumption of the electrolysis.

Mithin vereint der Kathodenblock gemäß der vorliegenden Erfindung die mit der Oberflächenprofilierung der bei dem Betrieb der Elektrolysezelle der Schmelze zugewandten Seite des Kathodenblocks sowie die mit dem Vorsehen von Graphit in der Grundschicht und in der Deckschicht des Kathodenblocks verbundenen Vorteile – wie insbesondere geringer elektrischer Widerstand des Kathodenblocks und geringe Wellenbildung und Wellenhöhe der Aluminiumschmelze bei der Verwendung des Kathodenblocks bei einer Schmelzflusselektrolyse von Aluminiumoxid in einer Kryolithschmelze, so dass der Abstand zwischen der Oberfläche der Schicht aus schmelzflüssigem Aluminium und der Anode in der Elektrolysezelle beispielsweise auf 1 bis 4 cm und bevorzugt auf 2 bis 3 cm verringert werden kann, was den spezifischen Energieverbrauch des Elektrolyseverfahrens verringert; gleichzeitig weist der Kathodenblock gemäß der vorliegenden Erfindung jedoch nicht die aus der Verwendung von Graphit resultierenden Nachteile auf, wie mangelnde Benetzbarkeit durch Aluminiumschmelze und insbesondere eine geringe Abrasions- bzw. Verschleißbeständigkeit sowie nicht die aus der Verwendung der Oberflächenprofilierung resultierenden Nachteile, wie Schlammbildung bzw. Schlammablagerung in der profilierten Oberflächenstruktur, auf. Vielmehr wird aufgrund der in dem erfindungsgemäßen Kathodenblock vorgesehenen Hartstoff enthaltenden Deckschicht eine hervorragende Abrasionsbeständigkeit und daher Verschleißbeständigkeit des Kathodenblocks erreicht. Da dieser Hartstoff nur in der Deckschicht, nicht aber in der Grundschicht enthalten ist, werden jedoch mögliche Nachteile infolge des Hartstoffzusatzes, wie eine Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit des Kathodenblocks, vermieden. Zudem tendiert die Oberfläche des erfindungsgemäßen Kathodenblocks trotz der Verwendung einer Hartstoff enthaltenden Deckschicht überraschenderweise nicht zu Rissbildung und zeichnet sich insbesondere auch nicht durch eine nachteilig hohe Sprödigkeit aus. Alles in allem ist der erfindungsgemäße Kathodenblock bezüglich der Durchführung einer Schmelzflusselektrolyse mit einer Aluminiumoxid und Kryolith enthaltenen Schmelze zur Herstellung von Aluminium langzeitstabil und erlaubt die Durchführung der Schmelzflusselektrolyse mit einem sehr geringen spezifischen Energieverbrauch.Thus, the cathode block according to the present invention combines the surface profiling of the side of the cathode block facing the melt during operation of the electrolysis cell and the advantages associated with the provision of graphite in the base layer and in the top layer of the cathode block, such as in particular low electrical resistance of the cathode block and small undulation and wave height of the molten aluminum when using the cathode block in a fused-salt electrolysis of alumina in a cryolite melt, such that the distance between the surface of the molten aluminum layer and the anode in the electrolytic cell is, for example, 1 to 4 cm, and preferably 2 to 3 cm can be reduced, which reduces the specific energy consumption of the electrolysis process; at the same time, however, the cathode block according to the present invention does not have the disadvantages resulting from the use of graphite, such as lack of wettability by aluminum melt and in particular a low abrasion or wear resistance and not the disadvantages resulting from the use of surface profiling, such as sludge or sludge deposition in the profiled surface structure, on. Rather, due to the provided in the cathode block according to the invention hard material containing cover layer excellent abrasion resistance and therefore wear resistance of the cathode block is achieved. Since this hard material is contained only in the top layer, but not in the base layer, however, possible disadvantages due to the addition of hard material, such as a reduction in the electrical conductivity of the cathode block, are avoided. In addition, the surface of the cathode block according to the invention surprisingly does not tend to crack despite the use of a cover layer containing hard material and in particular is not distinguished by a disadvantageously high brittleness. All in all, the cathode block according to the invention is long-term stable with respect to the performance of a fused-salt electrolysis with a melt containing aluminum oxide and cryolite for the production of aluminum and allows melt electrolysis to be carried out with a very low specific energy consumption.

Unter Hartstoff wird im Sinne der vorliegenden Erfindung im Einklang mit der fachüblichen Definition dieses Begriffs ein Material verstanden, welches sich insbesondere auch bei hohen Temperaturen von 1.000°C und höher durch eine besonders hohe Härte auszeichnet.For the purposes of the present invention, hard material in accordance with the definition of this term in the art is understood to mean a material which is characterized by a particularly high hardness, especially at high temperatures of 1000 ° C. and higher.

Vorzugsweise ist der Schmelzpunkt des eingesetzten Hartstoffs beträchtlich höher als 1.000°C, wobei sich insbesondere Hartstoffe mit einem Schmelzpunkt von wenigstens 1.500°C, bevorzugt Hartstoffe mit einem Schmelzpunkt von wenigstens 2.000°C und besonders bevorzugt Hartstoffe mit einem Schmelzpunkt von wenigstens 2.500°C als besonders geeignet erwiesen haben.Preferably, the melting point of the hard material used is considerably higher than 1,000 ° C, in particular hard materials having a melting point of at least 1,500 ° C, preferably hard materials having a melting point of at least 2,000 ° C and more preferably hard materials having a melting point of at least 2,500 ° C as have proven particularly suitable.

Grundsätzlich können in der Deckschicht des erfindungsgemäßen Kathodenblocks alle Hartstoffe eingesetzt werden. Gute Ergebnisse werden jedoch insbesondere mit Hartstoffen erhalten, welche eine gemäß der DIN EN 843-4 gemessene Knoop Härte von wenigstens 1.000 N/mm2, bevorzugt von wenigstens 1.500 N/mm2, besonders bevorzugt von wenigstens 2.000 N/mm2 und ganz besonders bevorzugt von wenigstens 2.500 N/mm2 aufweisen.In principle, all hard materials can be used in the cover layer of the cathode block according to the invention. However, good results are obtained, in particular, with hard materials which are one according to the DIN EN 843-4 measured Knoop hardness of at least 1,000 N / mm 2 , preferably of at least 1,500 N / mm 2 , more preferably of at least 2,000 N / mm 2 and most preferably of at least 2,500 N / mm 2 .

Gemäß einer ersten ganz besonders bevorzugt Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die Deckschicht des erfindungsgemäßen Kathodenblocks als Hartstoff ein hartes Kohlenstoffmaterial mit einer gemäß der DIN EN 843-4 gemessenen Knoop Härte von wenigstens 1.000 N/mm2, bevorzugt von wenigstens 1.500 N/mm2, besonders bevorzugt von wenigstens 2.000 N/mm2 und ganz besonders bevorzugt von wenigstens 2.500 N/mm2. Unter Kohlenstoffmaterial wird hier insbesondere ein mehr als 60 Gew.-%, bevorzugt mehr als 70 Gew.-%, insbesondere bevorzugt mehr als 80 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt mehr als 90 Gew.-% Kohlenstoff enthaltendes Material verstanden.According to a first very particularly preferred embodiment of the present invention, the cover layer of the cathode block according to the invention as hard material contains a hard carbon material with a according to the DIN EN 843-4 measured Knoop hardness of at least 1,000 N / mm 2 , preferably of at least 1,500 N / mm 2 , more preferably of at least 2,000 N / mm 2 and most preferably of at least 2,500 N / mm 2 . By carbon material is meant in particular a material containing more than 60% by weight, preferably more than 70% by weight, more preferably more than 80% by weight and most preferably more than 90% by weight of carbon.

Bei dem Kohlenstoffmaterial handelt es sich bevorzugt um ein Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Koks, Anthrazit, Ruß, glasartigem Kohlenstoff und Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Materialien und besonders bevorzugt um Koks. Diese Gruppe von Verbindungen wird im Folgenden auch als ”nicht-graphitierbare Kohlenstoffe” bezeichnet, und zwar in dem Sinne von nicht oder zumindest schlecht graphitierbarem Kohlenstoff gemäß der deutschen Patentanmeldung DE 10 2010 029 538.8 , auf die diesbezüglich Bezug genommen wird. Schlecht graphitierbare Kokse sind insbesondere Hartkoks, wie etwa Acetylenkoks.The carbon material is preferably a material selected from the group consisting of coke, anthracite, carbon black, glassy carbon and mixtures of two or more of the aforementioned materials, and more preferably coke. This group of Compounds are also referred to below as "non-graphitizable carbons", in the sense of non-or at least poorly graphitizable carbon according to the German patent application DE 10 2010 029 538.8 to which reference is made in this regard. Bad graphitizable cokes are especially hard coke, such as acetylene coke.

Insbesondere für Kathodenblöcke aus graphitiertem Kohlenstoff zusammengesetzten Grund- und Deckschichten wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, dass die Deckschicht des erfindungsgemäßen Kathodenblocks als Hartstoff ein Kohlenstoffmaterial, bevorzugt ausgewählt aus Koks, Anthrazit, Ruß und glasartigem Kohlenstoff und besonders bevorzugt Koks, mit einer geringen Graphitierbarkeit enthält. Graphitierte Kathodenblöcke werden hergestellt, indem ein Kohlenstoff enthaltender Graphitvorläufer mit Bindemittel vermischt wird und diese Mischung zu der Form eines Kathodenblocks geformt wird, anschließend carbonisiert sowie schließlich graphitiert wird. Indem zu dieser Graphitvorläufer und Bindemittel enthaltenden Mischung nunmehr als Hartstoff ein eine geringe Graphitierbarkeit aufweisendes Kohlenstoffmaterial zugesetzt wird, wird während der abschließenden Graphitierung eine Zerstörung des Hartstoffadditivs bzw. eine Umwandlung des Hartstoffs zu vergleichsweise weichem Graphit verhindert oder zumindest stark reduziert und dieser kann so nach der Graphitierung seine Aufgabe erfüllen, nämlich die Abrasionsbeständigkeit des Kathodenblocks zu erhöhen. Unter Kohlenstoffmaterial mit einer geringen Graphitierbarkeit wird im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Kohlenstoffmaterial verstanden, welches einen nach Maire und Mehring ( J. Maire, J. Mehring, Proceedings of the 4th Conference on Carbon, Pergamon Press 1960 Seiten 345 bis 350 ) nach einer Wärmebehandlung bei 2.800°C aus dem mittleren Schichtabstand c/2 berechneten Graphitierungsgrad von maximal 0,50 aufweist. Gute Ergebnisse werden insbesondere erhalten, wenn das Kohlenstoffmaterial, bevorzugt ausgewählt aus Koks, Anthrazit, Ruß und glasartigem Kohlenstoff, einen Graphitierungsgrad von maximal 0,4 und besonders bevorzugt von maximal 0,3 aufweist.In particular, for cathode blocks of graphitized carbon composite base and outer layers it is proposed in development of the invention that the top layer of the cathode block according to the invention as a hard material carbon material, preferably selected from coke, anthracite, carbon black and glassy carbon and particularly preferably coke, with a low graphitization contains. Graphitized cathode blocks are made by mixing a carbon-containing graphite precursor with binder and shaping this mixture into the shape of a cathode block, then carbonizing and finally graphitizing. By adding to this graphite precursor and binder mixture containing a low graphitization carbon material is now added as a hard material destruction of the hard material additive or a conversion of the hard material to comparatively soft graphite is prevented or at least greatly reduced during the final graphitization and this can so after the Graphite accomplish its task, namely to increase the abrasion resistance of the cathode block. For the purposes of the present invention, carbon material with a low graphitizability is understood as meaning a carbon material which, according to Maire and Mehring ( J. Maire, J. Mehring, Proceedings of the 4th Conference on Carbon, Pergamon Press 1960 pages 345 to 350 ) after a heat treatment at 2,800 ° C from the average layer spacing c / 2 calculated graphitization degree of not more than 0.50. Good results are obtained, in particular, when the carbon material, preferably selected from coke, anthracite, carbon black and glassy carbon, has a degree of graphitization of not more than 0.4 and particularly preferably of not more than 0.3.

Um eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit des Kathodenblocks und insbesondere der Deckschicht des Kathodenblocks zu erreichen, ist es bevorzugt, dass die Deckschicht des erfindungsgemäßen Kathodenblocks 1 bis 25 Gew.-%, besonders bevorzugt 10 bis 25 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt 10 bis 20 Gew.-% des Kohlenstoffmaterials als Hartstoff enthält. So wird eine besonders optimale Balance zwischen hoher Abrasionsbeständigkeit und ausreichend hoher elektrischer Leitfähigkeit der Deckschicht erreicht.In order to achieve a sufficiently high electrical conductivity of the cathode block and in particular the cover layer of the cathode block, it is preferred that the cover layer of the cathode block according to the invention 1 to 25 wt .-%, particularly preferably 10 to 25 wt .-% and most preferably 10 bis Contains 20 wt .-% of the carbon material as hard material. Thus, a particularly optimal balance between high abrasion resistance and sufficiently high electrical conductivity of the cover layer is achieved.

Zudem ist es bevorzugt, dass das als Hartstoff in der Deckschicht des erfindungsgemäßen Kathodenblocks eingesetzte Kohlenstoffmaterial, bevorzugt ausgewählt aus Koks, Anthrazit, Ruß und glasartigem Kohlenstoff und besonders bevorzugt Koks, eine Korngröße von bis zu 3 mm und bevorzugt von bis zu 2 mm aufweist.In addition, it is preferred that the carbon material used as hard material in the cover layer of the cathode block according to the invention, preferably selected from coke, anthracite, carbon black and glassy carbon and particularly preferably coke, has a particle size of up to 3 mm and preferably of up to 2 mm.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die einzelnen Partikel eine Zwiebelschalenstruktur auf, worunter im Sinne der vorliegenden Erfindung ein mehrschichtiger Aufbau verstanden wird, in dem eine Innenschicht aus Partikeln mit kugelförmiger bis ellipsoidförmiger Gestalt vollständig oder zumindest teilweise von wenigstens einer Zwischenschicht und einer Außenschicht bedeckt ist.According to a further embodiment, the individual particles have an onion shell structure, which in the context of the present invention is understood to mean a multilayer structure in which an inner layer of particles with a spherical to ellipsoidal shape is completely or at least partially covered by at least one intermediate layer and one outer layer.

Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn als Hartstoff ein Kohlenstoffmaterial, bevorzugt ausgewählt aus Koks, Anthrazit, Ruß und glasartigem Kohlenstoff und besonders bevorzugt Koks, eingesetzt wird, bei welchem die scheinbare Stapelhöhe des Kohlenstoffmaterials nach einer Temperaturbehandlung von 2.800°C bevorzugt weniger als 20 nm beträgt, wohingegen die spezifische BET-Oberfläche der Partikel des Kohlenstoffmaterials vorzugsweise 10 bis 40 m2/g und besonders bevorzugt 20 bis 30 m2/g beträgt.Furthermore, it has proved to be advantageous if a carbon material, preferably selected from coke, anthracite, carbon black and glassy carbon and particularly preferably coke, is used as the hard material, in which the apparent stack height of the carbon material after a temperature treatment of 2,800 ° C. is preferably less than 20 nm, whereas the BET specific surface area of the carbon material particles is preferably 10 to 40 m 2 / g, and more preferably 20 to 30 m 2 / g.

Ein bevorzugtes Beispiel für Koks mit einem vorstehend genannten niedrigen Graphitierungsgrad ist Koks, welcher bei der Herstellung ungesättigter Kohlenwasserstoffe, insbesondere von Acetylen, als Nebenprodukt anfällt und nachfolgend, unabhängig von der Art des ungesättigten Kohlenwasserstoffs, bei deren Herstellung er anfällt, als Acetylenkoks bezeichnet wird. Als besonders geeignet für diesen Zweck hat sich Acetylenkoks erwiesen, welcher aus den Rohölfraktionen oder Steamcrackrückständen erhältlich ist, welche bei dem Quenchen von Reaktionsgas in der Synthese von ungesättigten Kohlenwasserstoffen, insbesondere von Acetylen, verwendet werden. Zur Herstellung dieses Kokses wird das Quenchöl bzw. Rußgemisch zu einem auf etwa 500°C erhitzten Koker geführt wird. In dem Koker verdampfen flüssige Bestandteile des Quenchöls, während sich der Koks auf dem Boden des Kokers sammelt. Ein entsprechendes Verfahren wird beispielsweise in der DE 29 47 005 A1 beschrieben. Auf diese Weise wird ein feinkörniger, zwiebelschalenartiger Koks gewonnen, der bevorzugt einen Kohlenstoffgehalt von wenigstens 96 Gew.-% aufweist und einen Aschegehalt von maximal 0,05 Gew.-% und bevorzugt von maximal 0,01 Gew.-% aufweist.A preferred example of coke having a low graphitization degree mentioned above is coke which is by-produced in the production of unsaturated hydrocarbons, especially acetylene, and subsequently, regardless of the type of unsaturated hydrocarbon which it produces, is called acetylene coke. Acetylene coke, which is obtainable from the crude oil fractions or steam cracking residues used in the quenching of reaction gas in the synthesis of unsaturated hydrocarbons, in particular acetylene, has proven particularly suitable for this purpose. To produce this coke, the quench oil or carbon black mixture is passed to a coker heated to about 500.degree. In the Koker liquid components of the quench oil evaporate while the coke collects on the bottom of the coker. An appropriate method is used for example in the DE 29 47 005 A1 described. In this way, a fine-grained, onion-like coke is obtained, which preferably has a carbon content of at least 96 wt .-% and an ash content of at most 0.05 wt .-% and preferably of at most 0.01 wt .-%.

Der Acetylenkoks weist bevorzugt eine Kristallitgröße in der c-Richtung Lc von weniger als 20 nm auf, wobei die Kristallitgröße in der a-Richtung La vorzugsweise weniger als 50 nm und besonders bevorzugt weniger als 40 nm beträgt.The acetylene coke preferably has a crystallite size in the c direction L c of less than 20 nm, the crystallite size in the a direction L a being preferably less than 50 nm and particularly preferably less than 40 nm.

Ein weiteres bevorzugtes Beispiel für Koks, welcher zusätzlich zu oder als Alternative zu Acetylenkoks als Hartstoff eingesetzt werden kann, ist Koks, welcher in Wirbelschichtverfahren hergestellt wird, wie beispielsweise bei dem von Exxon Mobile entwickelten Flexicoking-Verfahren, einem thermischen Crackverfahren unter Verwendung von Wirbelschichtreaktoren. Mit diesem Verfahren wird Koks mit kugelförmiger bis ellipsoidförmiger Gestalt erhalten, welcher zwiebelschalenartig aufgebaut ist. Another preferred example of coke which may be used as a hardstock in addition to or as an alternative to acetylene coke is coke made by fluidized bed processes such as the Flexicoking process developed by Exxon Mobile, a thermal cracking process using fluidized bed reactors. With this method coke is obtained with spherical to ellipsoidal shape, which is constructed onion-shell-like.

Ein noch weiteres bevorzugtes Beispiel für Koks, welcher zusätzlich zu oder als Alternative zu dem zuvor beschriebenen Acetylenkoks und/oder durch Flexicoking-Verfahren erhaltenen Koks als Hartstoff eingesetzt werden kann, ist Schrotkoks bzw. ”shot”-Koks, welcher durch verzögertes Koksbilden (”delayed coking”) hergestellt wird. Die Partikel dieses Koks weisen eine sphärische Morphologie auf.A still further preferred example of coke which may be used as a hard material in addition to or as an alternative to the previously described acetylene coke and / or coke obtained by flexicoking processes is shot coke formed by delayed coke formation (" delayed coking ") is produced. The particles of this coke have a spherical morphology.

Abgesehen von dem Kohlenstoffmaterial, bevorzugt ausgewählt aus Koks, Anthrazit, Ruß und glasartigem Kohlenstoff und besonders bevorzugt Koks, als Hartstoff enthält die Deckschicht des erfindungsgemäßen Kathodenblocks Graphit, bevorzugt graphitierten Kohlenstoff und gegebenenfalls carbonisiertes und/oder graphitiertes Bindemittel, wie Pech, insbesondere Steinkohlenteerpech und/oder Petroleumpech, Teer, Bitumen, Phenolharz oder Furanharz. Wenn nachfolgend Pech erwähnt wird, sind damit alle dem Fachmann bekannten Pechsorten gemeint. Dabei bildet der Graphit oder bevorzugt graphitierte Kohlenstoff zusammen mit dem carbonisierten und/oder graphitierten Bindemittel die Matrix, in welcher der Hartstoff eingebettet ist. Gute Ergebnisse werden insbesondere erhalten, wenn die Deckschicht 99 bis 50 Gew.-%, bevorzugt 99 bis 75 Gew.-%, besonders bevorzugt 90 bis 75 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt 90 bis 80 Gew.-% Kohlenstoff enthält.Apart from the carbon material, preferably selected from coke, anthracite, carbon black and glassy carbon and particularly preferably coke, as hard material, the cover layer of the cathode block according to the invention contains graphite, preferably graphitized carbon and optionally carbonized and / or graphitized binder, such as pitch, especially coal tar pitch and / or petroleum pitch, tar, bitumen, phenolic resin or furan resin. If pitch is mentioned below, it means all pitches known to those skilled in the art. In this case, the graphite or preferably graphitized carbon together with the carbonized and / or graphitized binder forms the matrix in which the hard material is embedded. Good results are obtained, in particular, when the cover layer contains 99 to 50 wt .-%, preferably 99 to 75 wt .-%, particularly preferably 90 to 75 wt .-% and most preferably 90 to 80 wt .-% carbon.

Gemäß einer zweiten ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die Deckschicht des erfindungsgemäßen Kathodenblocks als Hartstoff eine nichtoxidische Keramik, welche bevorzugt aus wenigstens einem Metall der 4. bis 6. Nebengruppe und wenigstens einem Element aus der 3. oder 4. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente zusammengesetzt ist. Darunter fallen insbesondere Metallcarbide, Metallboride, Metallnitride und Metallcarbonitride mit einem Metall der 4. bis 6. Nebengruppe, wie beispielsweise Titan, Zirkonium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom oder Wolfram.According to a second very particularly preferred embodiment of the present invention, the cover layer of the cathode block according to the invention contains as hard material a non-oxide ceramic, which preferably consists of at least one metal of the 4th to 6th subgroup and at least one element of the 3rd or 4th main group of the periodic table Elements is composed. These include in particular metal carbides, borides, metal nitrides and metal carbonitrides with a metal of the 4th to 6th subgroup, such as titanium, zirconium, vanadium, niobium, tantalum, chromium or tungsten.

Konkrete Beispiele für geeignete Vertreter aus diesen Gruppen sind Verbindungen ausgewählt aus der Gruppe, welche aus Titandiborid, Zirkoniumdiborid, Tantaldiborid, Titancarbid, Borcarbid, Titancarbonitrid, Siliciumcarbid, Wolframcarbid, Vanadiumcarbid, Titannitrid, Bornitrid, Siliciumnitrid, Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxid und beliebigen chemischen Kombinationen und/oder Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Verbindungen besteht. Gute Ergebnisse werden insbesondere mit Titandiborid, Titancarbid, Titancarbonitrid und/oder Titannitrid erhalten. Höchst bevorzugt enthält die Deckschicht des erfindungsgemäßen Kathodenblocks als Hartstoff Titandiborid. Alle der vorgenannten Hartstoffe können alleine eingesetzt werden oder es kann eine beliebige chemische Kombination und/oder Mischung von zwei oder mehr der vorgenannten Verbindungen eingesetzt werden.Concrete examples of suitable representatives of these groups are compounds selected from the group consisting of titanium diboride, zirconium diboride, tantalum boride, titanium carbide, boron carbide, titanium carbonitride, silicon carbide, tungsten carbide, vanadium carbide, titanium nitride, boron nitride, silicon nitride, zirconium dioxide, alumina, and any chemical combinations and / or mixtures of two or more of the aforementioned compounds. Good results are obtained in particular with titanium diboride, titanium carbide, titanium carbonitride and / or titanium nitride. The cover layer of the cathode block according to the invention most preferably contains titanium diboride as the hard material. All of the aforementioned hard materials can be used alone or any combination and / or mixture of two or more of the aforementioned compounds can be used.

In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass der in der Deckschicht des Kathodenblocks gemäß dieser zweiten ganz besonders bevorzugten Ausführungsform enthaltene Hartstoff eine monomodale Partikelgrößenverteilung aufweist, wobei die durch statische Lichtstreuung gemäß dem Internationalen Standard ISO 13320-1 bestimmte mittlere volumengewichtete Partikelgröße (d3,50) 10 bis 20 μm beträgt.In a further development of the concept of the invention, it is proposed that the hard material contained in the cover layer of the cathode block according to this second very particularly preferred embodiment has a monomodal particle size distribution, which is determined by static light scattering according to International Standard ISO 13320-1 certain average volume-weighted particle size (d 3.50 ) is 10 to 20 μm.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, dass nichtoxidische Keramik als Hartstoff, insbesondere nichtoxidische Titankeramik und speziell Titandiborid, mit einer vorstehend definierten monomodalen Partikelgrößenverteilung nicht nur eine sehr gute Benetzbarkeit der Oberfläche des Kathodenblocks bedingt, weswegen eine Schlammbildung und Schlammablagerung auf der Oberfläche des Kathodenblocks zuverlässig verhindert wird, sondern insbesondere auch zu einer hervorragenden Abrasionsbeständigkeit und damit Verschleißbeständigkeit des Kathodenblocks führt. Zudem wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung überraschenderweise festgestellt, dass dieser Effekt insbesondere auch bei vergleichsweise geringen Mengen keramischen Hartstoffs, bevorzugt Titandiborid, von weniger als 50 Gew.-% und besonders bevorzugt sogar bei Mengen von lediglich 10 bis 20 Gew.-% in der Deckschicht erreicht wird. Dadurch kann auf eine hohe Konzentration von keramischem Hartstoff in der Deckschicht, welche zu einer spröden Kathodenblockoberfläche führt, verzichtet werden. Ferner zeichnet sich keramischer Hartstoff mit einer vorstehend definierten, monomodalen Partikelgrößenverteilung auch durch eine sehr gute Verarbeitbarkeit aus. Insbesondere ist die Staubneigung eines solchen Hartstoffs beispielsweise bei dem Einfüllen in einen Mischbehälter oder bei dem Transport des Hartstoffpulvers ausreichend niedrig und tritt beispielsweise bei dem Mischen allenfalls eine geringe Agglomeratbildung auf. Außerdem weist ein solches Hartstoffpulver eine ausreichend hohe Fließfähigkeit und Rieselfähigkeit auf, so dass dieses beispielsweise mit einer herkömmlichen Fördervorrichtung zu einer Mischvorrichtung gefördert werden kann. Aus alledem folgt nicht nur eine einfache und kostengünstige Herstellbarkeit der erfindungsgemäßen Kathodenblöcke, sondern folgt insbesondere auch eine sehr homogene Verteilung des Hartstoffs in der Deckschicht der Kathodenblöcke.In the present invention, it has been found that non-oxide ceramics as a hard material, in particular non-oxide titanium ceramics and especially titanium diboride, with a monomodal particle size distribution as defined above not only cause very good wettability of the surface of the cathode block, therefore sludge formation and sludge deposition on the surface of the cathode block are reliable is prevented, but in particular also leads to excellent abrasion resistance and thus wear resistance of the cathode block. In addition, in the context of the present invention, it has surprisingly been found that this effect is particularly in the case of comparatively small amounts of ceramic hard material, preferably titanium diboride, of less than 50% by weight and more preferably even in amounts of only 10 to 20% by weight in the Cover layer is achieved. This can be dispensed with a high concentration of ceramic hard material in the cover layer, which leads to a brittle cathode block surface. Furthermore, ceramic hard material having a monomodal particle size distribution as defined above is also distinguished by very good processability. In particular, the dust tendency of such a hard material, for example, when filling in a mixing container or during the transport of the hard material powder is sufficiently low and occurs, for example, when mixing at most a small agglomeration. In addition, such a hard material powder has a sufficiently high flowability and flowability, so that it can be conveyed for example with a conventional conveying device to a mixing device. For all this follows not only a simple and inexpensive manufacturability of According to the invention cathode blocks, but in particular also follows a very homogeneous distribution of the hard material in the top layer of the cathode blocks.

Vorzugsweise weist der in der Deckschicht des Kathodenblocks gemäß der zweiten ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthaltene Hartstoff, bevorzugt Titandiborid, eine monomodale Partikelgrößenverteilung auf, wobei die wie vorstehend bestimmte mittlere volumengewichtete Partikelgröße (d3,50) 12 bis 18 μm und besonders bevorzugt 14 bis 16 μm beträgt.Preferably, the hard material contained in the cover layer of the cathode block according to the second very particularly preferred embodiment of the present invention, preferably titanium diboride, has a monomodal particle size distribution, the average volume-weighted particle size (d 3.50 ) determined above being from 12 to 18 μm and particularly preferred 14 to 16 microns.

Alternativ zu der vorgenannten Ausführungsform kann der in der Deckschicht des Kathodenblocks enthaltene keramische Hartstoff eine monomodale Partikelgrößenverteilung aufweisen, wobei die durch statische Lichtstreuung gemäß dem Internationalen Standard ISO 13320-1 bestimmte mittlere volumengewichtete Partikelgröße (d3,50) 3 bis 10 μm und bevorzugt 4 bis 6 μm beträgt. Auch bei dieser Ausführungsform wird besonders bevorzugt eine nichtoxidische Titankeramik und höchst bevorzugt Titandiborid mit einer vorstehend definierten monomodalen Partikelgrößenverteilung eingesetzt.As an alternative to the aforementioned embodiment, the ceramic hard material contained in the cover layer of the cathode block can have a monomodal particle size distribution, which can be determined by static light scattering in accordance with International Pat Standard ISO 13320-1 certain average volume-weighted particle size (d 3.50 ) is 3 to 10 μm and preferably 4 to 6 μm. In this embodiment, it is particularly preferable to use a non-oxidic titanium ceramic and most preferably titanium diboride having a monomodal particle size distribution as defined above.

In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird vorgeschlagen, dass der keramische Hartstoff eine wie vorstehend bestimmte, volumengewichtete d3,90-Partikelgröße von 20 bis 40 μm und bevorzugt von 25 bis 30 μm aufweist. Vorzugsweise weist der keramische Hartstoff einen solchen d3,90-Wert in Kombination mit einem vorstehend definierten d3,50-Wert auf. Auch bei dieser Ausführungsform ist der keramische Hartstoff bevorzugt eine nichtoxidische Titankeramik und besonders bevorzugt Titandiborid. Dadurch werden die für die vorstehende Ausführungsform genannten Vorteile und Effekte sogar in verstärktem Maße erreicht.In a further development of the inventive concept, it is proposed that the ceramic hard material has a volume-weighted d 3.90 particle size of from 20 to 40 μm, and preferably from 25 to 30 μm, as determined above. Preferably, the ceramic hard material has such a d 3.90 value in combination with a d 3.50 value defined above. Also in this embodiment, the ceramic hard material is preferably a non-oxidic titanium ceramic and more preferably titanium diboride. As a result, the advantages and effects mentioned for the above embodiment are achieved even to a greater extent.

Alternativ zu der vorgenannten Ausführungsform kann der in der Deckschicht des Kathodenblocks enthaltene keramische Hartstoff eine wie vorstehend bestimmte, volumengewichtete d3,90-Partikelgröße von 10 bis 20 μm und bevorzugt von 12 bis 18 μm aufweisen. Vorzugsweise weist der keramische Hartstoff einen solchen d3,90-Wert in Kombination mit einem vorstehend definierten d3,50-Wert auf. Auch bei dieser Ausführungsform wird besonders bevorzugt eine nichtoxidische Titankeramik und höchst bevorzugt Titandiborid mit einer vorstehend definierten monomodalen Partikelgrößenverteilung eingesetzt.As an alternative to the aforementioned embodiment, the ceramic hard material contained in the cover layer of the cathode block may have a volume-weighted d 3.90 particle size of from 10 to 20 μm, and preferably from 12 to 18 μm, as determined above. Preferably, the ceramic hard material has such a d 3.90 value in combination with a d 3.50 value defined above. In this embodiment, it is particularly preferable to use a non-oxidic titanium ceramic and most preferably titanium diboride having a monomodal particle size distribution as defined above.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der keramische Hartstoff eine wie vorstehend bestimmte, volumengewichtete d3,10-Partikelgröße von 2 bis 7 μm und bevorzugt von 3 bis 5 μm auf. Vorzugsweise weist der Hartstoff einen solchen d3,10-Wert in Kombination mit einem vorstehend definierten d3,90-Wert und/oder d3,50-Wert auf. Auch bei dieser Ausführungsform ist der Hartstoff bevorzugt eine nichtoxidische Titankeramik und besonders bevorzugt Titandiborid. Dadurch werden die für die vorstehenden Ausführungsformen genannten Vorteile und Effekte sogar in verstärktem Maße erreicht.In accordance with a further preferred embodiment of the present invention, the ceramic hard material has a volume-weighted d 3.10 particle size of from 2 to 7 μm, and preferably from 3 to 5 μm, as determined above. Preferably, the hard material has such a d 3.10 value in combination with a previously defined d 3.90 value and / or d 3.50 value. Also in this embodiment, the hard material is preferably a non-oxidic titanium ceramic and more preferably titanium diboride. As a result, the advantages and effects mentioned for the above embodiments are even achieved to a greater extent.

Alternativ zu der vorgenannten Ausführungsform kann der in der Deckschicht des Kathodenblocks enthaltene keramische Hartstoff eine wie vorstehend bestimmte, volumengewichtete d3,10-Partikelgröße von 1 bis 3 μm und bevorzugt von 1 bis 2 μm aufweisen. Vorzugsweise weist der Hartstoff einen solchen d3,10-Wert in Kombination mit einem vorstehend definierten d3,90-Wert und/oder d3,50-Wert auf. Auch bei dieser Ausführungsform wird besonders bevorzugt eine nichtoxidische Titankeramik und höchst bevorzugt Titandiborid mit einer vorstehend definierten monomodalen Partikelgrößenverteilung eingesetzt.As an alternative to the aforementioned embodiment, the ceramic hard material contained in the cover layer of the cathode block may have a volume-weighted d 3.10 particle size of from 1 to 3 μm, and preferably from 1 to 2 μm, as determined above. Preferably, the hard material has such a d 3.10 value in combination with a previously defined d 3.90 value and / or d 3.50 value. In this embodiment, it is particularly preferable to use a non-oxidic titanium ceramic and most preferably titanium diboride having a monomodal particle size distribution as defined above.

Zudem ist es bevorzugt, wenn die nichtoxidische Keramik als Hartstoff, insbesondere eine nichtoxidische Titankeramik und besonders bevorzugt Titandiborid, eine Partikelgrößenverteilung aufweist, welche durch einen gemäß der nachfolgenden Gleichung berechneten Span-Wert: Span = (d3,90 – d3,10)/d3,50 von 0,65 bis 3,80 und besonders bevorzugt von 1,00 bis 2,25 charakterisiert ist. Vorzugsweise weist der Hartstoff einen solchen Span-Wert in Kombination mit einem vorstehend definierten d3,90-Wert und/oder d3,50-Wert und/oder d3,10-Wert auf. Dadurch werden die für die vorstehenden Ausführungsformen genannten Vorteile und Effekte sogar in verstärktem Maße erreicht.In addition, it is preferred if the non-oxidic ceramic as hard material, in particular a non-oxidic titanium ceramic and particularly preferably titanium diboride, has a particle size distribution which is determined by a span value calculated according to the following equation: Span = (d 3.90 - d 3.10 ) / d 3.50 from 0.65 to 3.80, and more preferably from 1.00 to 2.25. Preferably, the hard material has such a span value in combination with a previously defined d 3.90 value and / or d 3.50 value and / or d 3.10 value. As a result, the advantages and effects mentioned for the above embodiments are even achieved to a greater extent.

Wie vorstehend dargelegt, eignen sich als nichtoxidischer keramischer Hartstoff in der Deckschicht des erfindungsgemäßen Kathodenblocks insbesondere nichtoxidische Titankeramiken, wie bevorzugt Titancarbid, Titancarbonitrid, Titannitrid und höchst bevorzugt Titandiborid. Aus diesem Grund wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, dass der Hartstoff zu wenigstens 80 Gew.-%, bevorzugt zu wenigstens 90 Gew.-%, besonders bevorzugt zu wenigstens 95 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt zu wenigstens 99 Gew.-% und höchst bevorzugt vollständig aus nichtoxidischer Keramik, bevorzugt nichtoxidischer Titankeramik und insbesondere bevorzugt aus Titandiborid besteht.As stated above, non-oxidic ceramic hard materials in the cover layer of the cathode block according to the invention are in particular non-oxidic titanium ceramics, such as preferably titanium carbide, titanium carbonitride, titanium nitride and most preferably titanium diboride. For this reason, it is proposed in development of the invention that the hard material to at least 80 wt .-%, preferably at least 90 wt .-%, more preferably at least 95 wt .-%, most preferably at least 99 wt. % and most preferably entirely non-oxidic ceramic, preferably non-oxidic titanium ceramic, and more preferably titanium diboride.

Die Gesamtmenge des keramischen Hartstoffs in der Deckschicht beträgt erfindungsgemäß wenigstens 1 Gew.-%, aber maximal weniger als 50 Gew.-%. Bei einer in diesem Wertebereich liegenden Hartstoffmenge enthält die Deckschicht genügend Hartstoff, um einerseits der Deckschicht zur Erhöhung der Verschleißbeständigkeit eine exzellente Härte und Abriebsfestigkeit zu verleihen, und, um andererseits eine zur Vermeidung von Schlammbildung und Schlammablagerung ausreichend hohe Benetzbarkeit der Deckschichtoberfläche mit flüssigem Aluminium zu verleihen, wodurch die Verschleißbeständigkeit des Kathodenblocks weiter erhöht wird und der spezifische Energieverbrauch während einer Schmelzflusselektrolyse weiter verringert wird; gleichzeitig enthält die Deckschicht jedoch eine ausreichend niedrige Menge an Hartstoff, so dass die Oberfläche der Deckschicht aufgrund des Hartstoffzusatzes nicht eine für eine ausreichend hohe Langzeitstabilität zu hohe Sprödigkeit aufweist.The total amount of the ceramic hard material in the cover layer is according to the invention at least 1 wt .-%, but at most less than 50 wt .-%. One in this range In order to impart on the one hand to the cover layer to increase the wear resistance excellent hardness and abrasion resistance, and on the other hand to give a sufficiently high to avoid sludge and sludge deposit wettability of the top surface with liquid aluminum, whereby the wear resistance of Cathode blocks is further increased and the specific energy consumption during a fused-salt electrolysis is further reduced; At the same time, however, the cover layer contains a sufficiently low amount of hard material, so that the surface of the cover layer does not have too high a brittleness due to the addition of hard material for a sufficiently high long-term stability.

Gute Ergebnisse werden dabei insbesondere erhalten, wenn die Deckschicht bei der zweiten ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung 5 bis 40 Gew.-%, besonders bevorzugt 10 bis 30 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt 10 bis 20 Gew.-% einer nichtoxidischen Keramik, bevorzugt einer nichtoxidischen Titankeramik und insbesondere bevorzugt Titandiborid, als Hartstoff mit einem Schmelzpunkt von wenigstens 1.000°C enthält.Good results are obtained in particular when the top layer in the second very particularly preferred embodiment of the present invention 5 to 40 wt .-%, particularly preferably 10 to 30 wt .-% and most preferably 10 to 20 wt .-% of a non-oxidic Ceramics, preferably a non-oxidic titanium ceramic and particularly preferably titanium diboride, as a hard material having a melting point of at least 1000 ° C.

Abgesehen von der nichtoxidischen Keramik als Hartstoff enthält die Deckschicht des erfindungsgemäßen Kathodenblocks gemäß der zweiten ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung graphitischen oder bevorzugt graphitierten Kohlenstoff und gegebenenfalls carbonisiertes und/oder graphitiertes Bindemittel, wie Pech, insbesondere Steinkohlenteerpech und/oder Petroleumpech, Teer, Bitumen, Phenolharz oder Furanharz. Dabei bildet der graphitische oder bevorzugt graphitierte Kohlenstoff zusammen mit dem optionalen Bindemittel die Matrix, in welcher der keramische Hartstoff eingebettet ist. Gute Ergebnisse werden insbesondere erhalten, wenn die Deckschicht 99 bis mehr als 50 Gew.-%, bevorzugt 95 bis 60 Gew.-%, besonders bevorzugt 90 bis 70 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt 90 bis 80 Gew.-% Graphit enthält.Apart from the non-oxide ceramic as a hard material, the cover layer of the cathode block according to the second particularly preferred embodiment of the present invention contains graphitic or preferably graphitized carbon and optionally carbonized and / or graphitized binder such as pitch, especially coal tar pitch and / or petroleum pitch, tar, bitumen , Phenolic resin or furan resin. In this case, the graphitic or preferably graphitized carbon together with the optional binder forms the matrix in which the ceramic hard material is embedded. Good results are obtained, in particular, if the cover layer contains 99 to more than 50% by weight, preferably 95 to 60% by weight, particularly preferably 90 to 70% by weight and very particularly preferably 90 to 80% by weight of graphite ,

In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird für die Graphit enthaltende Kathodenblock-Deckschicht vorgeschlagen, dass die Deckschicht einen vertikalen spezifischen elektrischen Widerstand bei 950°C von 5 bis 20 Ω μm und bevorzugt von 9 bis 13 Ω μm aufweist. Dies entspricht einem vertikalen spezifischen Widerständen bei Raumtemperatur von 5 bis 25 Ω μm bzw. von 10 bis 15 Ω μm. Unter vertikalem spezifischem elektrischem Widerstand wird in diesem Zusammenhang der spezifische elektrische Widerstand in der Einbausituation in vertikaler Richtung des Kathodenblocks verstanden.In a development of the invention, it is proposed for the graphite-containing cathode block cover layer that the cover layer has a vertical specific electrical resistance at 950 ° C. of 5 to 20 .mu.m and preferably 9 to 13 .mu.m. This corresponds to a vertical specific resistance at room temperature of 5 to 25 Ω .mu.m or from 10 to 15 .mu.m. In this context, vertical specific electrical resistance is understood as meaning the specific electrical resistance in the installation situation in the vertical direction of the cathode block.

Grundsätzlich sollte die Dicke der Deckschicht so gering wie möglich, sein, um die Kosten für einen im Fall der Keramiken teuren Hartstoff so gering wie möglich zu halten, aber ausreichend groß, damit die Deckschicht eine ausreichend hohe Verschleißbeständigkeit und Lebensdauer aufweist. Im Falle aller Hartstoffe sollen durch eine möglichst geringe Deckschicht die guten Eigenschaften des Kathodengrundkörpers möglichst wenig verschlechtert werden. Gute Ergebnisse werden bezüglich dieser Gründe insbesondere erhalten, wenn die Dicke der Deckschicht 1 bis 50%, bevorzugt 5 bis 40%, besonders bevorzugt 10 bis 30% und ganz besonders bevorzugt 15 bis 25%, beispielsweise ca. 20%, der Gesamthöhe des Kathodenblocks beträgt.In principle, the thickness of the cover layer should be as small as possible in order to keep the cost of a hard material expensive in the case of ceramics as low as possible, but sufficiently large for the cover layer to have sufficiently high wear resistance and service life. In the case of all hard materials, the good properties of the cathode base body should be as little as possible deteriorated by the lowest possible cover layer. Good results are obtained with respect to these reasons, in particular, when the thickness of the cover layer 1 to 50%, preferably 5 to 40%, more preferably 10 to 30% and most preferably 15 to 25%, for example about 20%, of the total height of the cathode block is.

Beispielsweise kann die Deckschicht eine Dicke bzw. Höhe von 50 bis 400 mm, bevorzugt von 50 bis 200 mm, besonders bevorzugt von 70 bis 180 mm, ganz besonders bevorzugt von 100 bis 170 mm und höchst bevorzugt von etwa 150 mm aufweisen. Unter Dicke bzw. Höhe wird dabei der Abstand von der Unterseite der Deckschicht bis zu der Stelle der höchsten Erhebung der Deckschicht verstanden.For example, the cover layer may have a thickness or height of 50 to 400 mm, preferably 50 to 200 mm, more preferably 70 to 180 mm, most preferably 100 to 170 mm and most preferably about 150 mm. Under thickness or height is understood to mean the distance from the bottom of the cover layer to the point of the highest elevation of the cover layer.

Erfindungsgemäß weist die Deckschicht des Kathodenblocks eine zumindest bereichsweise profilierte Oberfläche auf. Aufgrund der profilierten Oberfläche wird die durch die bei der Elektrolyse vorliegende elektromagnetische Wechselwirkung hervorgerufene Bewegung des geschmolzenen Aluminiums verringert, woraus eine geringere Wellenbildung und Aufwölbung der Aluminiumschicht resultiert. Aus diesem Grund kann durch den Einsatz von oberflächenprofilierten Kathodenblöcke der Abstand zwischen dem schmelzflüssigen Aluminium und der Anode weiter verringert werden, so dass der elektrische Zellwiderstand infolge der Verringerung des ohmschen Widerstandes und somit der spezifische Energieverbrauch weiter reduziert wird.According to the invention, the cover layer of the cathode block has an at least partially profiled surface. Due to the profiled surface, the movement of the molten aluminum caused by the electromagnetic interaction in the electrolysis is reduced, resulting in less corrugation and bulging of the aluminum layer. For this reason, by using surface-profiled cathode blocks, the distance between the molten aluminum and the anode can be further reduced so that the cell electrical resistance is further reduced due to the reduction of the ohmic resistance and thus the specific energy consumption.

Unter einer profilierten Oberfläche wird hier eine Oberfläche verstanden, welche wenigstens eine sich in Querrichtung, in Längsrichtung oder in einer beliebigen anderen Richtung, wie beispielsweise in einer in einem spitzen oder stumpfen Winkel zu der Längsrichtung verlaufenden Richtung, des Kathodenblocks erstreckende Vertiefung und/oder Erhebung aufweist, wobei die Vertiefung bzw. Erhebung in Abgrenzung zu einer Oberflächenrauigkeit, quer zu der Kathodenblockoberfläche gesehen, zumindest eine Tiefe bzw. Höhe von 0,05 mm und bevorzugt von 0,5 mm aufweist. Dabei kann sich die wenigstens eine Vertiefung und/oder Erhebung ausschließlich auf die Deckschicht beschränken oder die wenigstens eine Vertiefung und/oder Erhebung kann sich bis in die Grundschicht hinein erstrecken. Vorzugsweise erstreckt sich die wenigstens eine Vertiefung und/oder Erhebung ausschließlich in der Deckschicht.A profiled surface is understood here to mean a surface which has at least one depression and / or elevation extending in the transverse direction, in the longitudinal direction or in any other direction, for example in a direction extending at an acute or obtuse angle to the longitudinal direction, of the cathode block wherein the indentation, as distinct from a surface roughness, seen transversely to the cathode block surface, has at least a depth or height of 0.05 mm and preferably of 0.5 mm. In this case, the at least one depression and / or elevation may be limited exclusively to the cover layer, or the at least one depression and / or elevation may extend into the base layer. Preferably, the at least one depression and / or elevation extends exclusively in the cover layer.

Prinzipiell kann die wenigstens eine Vertiefung und/oder Erhebung, in der Querrichtung des Kathodenblocks gesehen, jede beliebige Geometrie aufweisen. Beispielsweise kann die wenigstens eine Vertiefung bzw. Erhebung, in der Querrichtung des Kathodenblocks gesehen, konvex, konkav oder polygonal, wie beispielsweise trapezförmig, dreiecksförmig, rechteckig oder quadratisch, ausgebildet sein. In principle, the at least one depression and / or elevation, seen in the transverse direction of the cathode block, can have any desired geometry. For example, the at least one recess or elevation, seen in the transverse direction of the cathode block, convex, concave or polygonal, such as trapezoidal, triangular, rectangular or square, may be formed.

Um eine Wellenbildung bei dem Betrieb des erfindungsgemäßen Kathodenblocks bei der Schmelzflusselektrolyse von Aluminiumoxid in einer Kryolithschmelze zu vermeiden oder zumindest beträchtlich zu verringern, und, um die Höhe der etwaig sich bildenden Wellen drastisch zu verringern, wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, dass, sofern die Oberflächenprofilierung wenigstens eine Vertiefung umfasst, das Verhältnis von Tiefe zu Breite der wenigstens einen Vertiefung 1:3 bis 1:1 und bevorzugt 1:2 bis 1:1 beträgt.In order to avoid or at least considerably reduce the formation of corrugations in the operation of the cathode block according to the invention in the fused-salt electrolysis of aluminum oxide in a cryolite melt, and to drastically reduce the height of the waves that form, it is proposed in a further development of the inventive idea that, if the surface profiling comprises at least one depression, the ratio of depth to width of the at least one depression being 1: 3 to 1: 1 and preferably 1: 2 to 1: 1.

Gute Ergebnisse werden insbesondere erhalten, wenn die Tiefe der wenigstens einen Vertiefung 10 bis 90 mm, bevorzugt 40 bis 90 mm und besonders bevorzugt 60 bis 80 mm, wie beispielsweise etwa 70 mm, beträgt.Good results are obtained, in particular, if the depth of the at least one recess is 10 to 90 mm, preferably 40 to 90 mm and particularly preferably 60 to 80 mm, for example about 70 mm.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt die Breite der wenigstens einen Vertiefung 100 bis 200 mm, besonders bevorzugt 120 bis 180 mm und ganz besonders bevorzugt 140 bis 160 mm, wie beispielsweise etwa 150 mm.According to a further preferred embodiment, the width of the at least one recess is 100 to 200 mm, more preferably 120 to 180 mm and most preferably 140 to 160 mm, such as about 150 mm.

Grundsätzlich ist es möglich, dass sich die wenigstens eine Vertiefung, in Längsrichtung des Kathodenblocks gesehen, nur bereichsweise erstreckt. Allerdings ist es bevorzugt, dass sich die wenigstens eine Vertiefung über die gesamte Länge des Kathodenblocks erstreckt, um den Effekt der Verringerung bzw. vollständigen Verringerung von Wellenbildung von flüssigem Aluminium zu erreichen. Jedoch ist es möglich, dass die Tiefe und/oder Breite der wenigstens einen Vertiefung über die Länge des Kathodenblocks variiert. Ebenso kann auch die Geometrie der Vertiefung über die Länge des Kathodenblocks variieren.In principle, it is possible for the at least one depression, viewed in the longitudinal direction of the cathode block, to extend only in regions. However, it is preferred that the at least one recess extend the entire length of the cathode block to achieve the effect of reducing or completely reducing the formation of waves of liquid aluminum. However, it is possible that the depth and / or width of the at least one recess varies over the length of the cathode block. Likewise, the geometry of the recess can vary over the length of the cathode block.

Sofern die Oberflächenprofilierung wenigstens eine Erhebung umfasst, ist es ebenfalls aus dem Grund, eine Wellenbildung bei dem Betrieb des erfindungsgemäßen Kathodenblocks bei der Schmelzflusselektrolyse von Aluminiumoxid in einer Kryolithschmelze zu vermeiden oder zumindest beträchtlich zu verringern, und, um die Höhe der etwaig sich bildenden Wellen drastisch zu verringern, bevorzugt, dass das Verhältnis von Höhe zu Breite der wenigstens einen Erhebung 1:2 bis 2:1 und bevorzugt etwa 1:1 beträgt.Also, if the surface profiling comprises at least one protrusion, it is for the reason of avoiding or at least considerably reducing corrugation in the operation of the cathode block according to the invention in the fused-salt electrolysis of alumina in a cryolite melt, and drastically reducing the height of the waves which form It is preferred that the ratio of height to width of the at least one elevation be 1: 2 to 2: 1, and preferably about 1: 1.

Gute Ergebnisse werden insbesondere erhalten, wenn die Höhe der wenigstens einen Erhebung 10 bis 150 mm, bevorzugt 40 bis 90 mm und besonders bevorzugt 60 bis 80 mm, wie beispielsweise etwa 70 mm, beträgt.Good results are obtained, in particular, if the height of the at least one elevation is 10 to 150 mm, preferably 40 to 90 mm and particularly preferably 60 to 80 mm, for example about 70 mm.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt die Breite der wenigstens einen Erhebung 50 bis 150 mm, besonders bevorzugt 55 bis 100 mm und ganz besonders bevorzugt 60 bis 90 mm, wie beispielsweise etwa 75 mm.According to a further preferred embodiment, the width of the at least one protrusion is 50 to 150 mm, more preferably 55 to 100 mm and most preferably 60 to 90 mm, such as about 75 mm.

Grundsätzlich ist es möglich, dass sich die wenigstens eine Erhebung, in Längsrichtung des Kathodenblocks gesehen, nur bereichsweise erstreckt. Beispielsweise erstreckt sich die wenigstens eine Erhebung über die gesamte Länge des Kathodenblocks. Jedoch ist es möglich, dass die Höhe und/oder Breite der wenigstens einen Erhebung über die Länge des Kathodenblocks variiert. Ebenso kann auch die Geometrie der Erhebung über die Länge des Kathodenblocks variieren.In principle, it is possible that the at least one elevation, viewed in the longitudinal direction of the cathode block, extends only in regions. For example, the at least one projection extends over the entire length of the cathode block. However, it is possible that the height and / or width of the at least one bump varies over the length of the cathode block. Likewise, the geometry of the survey can vary over the length of the cathode block.

Sofern die Oberflächenprofilierung sowohl wenigstens eine Vertiefung als auch wenigstens eine Erhebung umfasst, beträgt das Verhältnis der Breite der wenigstens einen Vertiefung zu der Breite der wenigstens einen Erhebung vorzugsweise 4:1 bis 1:1, wie beispielsweise etwa 2:1.If the surface profiling comprises both at least one recess and at least one projection, the ratio of the width of the at least one recess to the width of the at least one projection is preferably 4: 1 to 1: 1, such as about 2: 1.

Um während der Durchführung einer Schmelzflusselektrolyse eine Absetzung von in der Schmelze enthaltendem Schlamm in der profilierten Struktur der Oberfläche des Kathodenblocks zuverlässig zu vermeiden, wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, etwaige gewinkelte und insbesondere rechtwinklige Bereiche in der profilierten Oberfläche zu vermeiden. Wenn beispielsweise ein im wesentlicher rechteckiger Querschnitt der wenigstens einen Vertiefung und/oder Erhebung gewählt wird, ist es gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bevorzugt, die rechtwinkligen Bereiche abzurunden. Der Krümmungsradius dieser Abrundungen kann beispielsweise 5 bis 50 mm, bevorzugt 10 bis 30 mm und besonders bevorzugt etwa 20 mm betragen. Um scharfe Kanten zu vermeiden, sind prinzipiell beliebige Geometrien denkbar, die alle unter den Begriff Abrundung fallen.In order to reliably avoid settling of melt-containing sludge in the profiled structure of the surface of the cathode block during the execution of a fused-salt electrolysis, it is proposed in a further development of the inventive concept to avoid any angled and in particular rectangular regions in the profiled surface. For example, if a substantially rectangular cross-section of the at least one recess and / or bump is selected, it is preferred in accordance with a preferred embodiment of the present invention to round off the rectangular areas. The radius of curvature of these roundings may be, for example, 5 to 50 mm, preferably 10 to 30 mm and particularly preferably about 20 mm. To avoid sharp edges, any geometry is conceivable in principle, all fall under the term rounding.

Bezüglich der Anzahl der Vertiefungen bzw. Erhebungen in dem Kathodenblock ist die vorliegende Erfindung nicht beschränkt. Gute Ergebnisse werden beispielsweise erhalten, wenn der Kathodenblock in seiner Querrichtung 1 bis 3 Vertiefungen und bevorzugt 2 Vertiefungen aufweist.With respect to the number of pits in the cathode block, the present invention is not limited. Good results are obtained, for example, when the cathode block has in its transverse direction 1 to 3 wells and preferably 2 wells.

Gemäß einer weiteren ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Grundschicht zu wenigstens 80 Gew.-%, bevorzugt zu wenigstens 90 Gew.-%, besonders bevorzugt zu wenigstens 95 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt zu wenigstens 99 Gew.-% und höchst bevorzugt vollständig aus einer Mischung aus Graphit und Bindemittel, wie carbonisiertem bzw. graphitiertem Pech, zusammengesetzt. Eine solche Grundschicht weist einen geeignet niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand auf. Dabei ist diese Mischung bevorzugt aus 70 bis 95 Gew.-% Graphit und 5 bis 30 Gew.-% Bindemittel und besonders bevorzugt aus 80 bis 90 Gew.-% Graphit und 10 bis 20 Gew.-% Bindemittel, wie beispielsweise aus 85 Gew.-% Graphit und 15 Gew.-% carbonisiertem bzw. graphitiertem Pech, zusammengesetzt.According to another particularly preferred embodiment of the present invention, the base layer is at least 80% by weight. %, preferably at least 90% by weight, more preferably at least 95% by weight, most preferably at least 99% by weight and most preferably entirely from a mixture of graphite and binder, such as carbonized or graphitized pitch, composed. Such a base layer has a suitably low electrical resistivity. In this case, this mixture is preferably from 70 to 95 wt .-% graphite and 5 to 30 wt .-% binder and more preferably from 80 to 90 wt .-% graphite and 10 to 20 wt .-% binder, such as 85 wt % Graphite and 15% by weight carbonized or graphitized pitch, respectively.

Vorzugsweise sind sowohl die Oberseite der Grundschicht als auch die Unterseite der Deckschicht und somit auch die Grenzfläche zwischen der Grundschicht und der Deckschicht im Wesentlichen planar ausgestaltet. Beide Schichten des Kathodenblocks können durch einen Rüttelprozess oder durch ein Pressverfahren im Grünzustand miteinander verbunden werden. Unter ”im Wesentlichen planar” wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass die Grundschicht nicht profiliert ist und das Profil mit einer Deckschicht versehen ist.Preferably, both the upper side of the base layer and the lower side of the cover layer and thus also the interface between the base layer and the cover layer are configured substantially planar. Both layers of the cathode block can be connected together by a shaking process or by a pressing process in the green state. By "substantially planar" is understood in this context that the base layer is not profiled and the profile is provided with a cover layer.

Auch wenn dies nicht bevorzugt ist, kann zwischen der Grundschicht und der Deckschicht eine Zwischenschicht vorgesehen sein, welche beispielsweise wie die Deckschicht aufgebaut ist, ausgenommen, dass die Zwischenschicht eine niedrigere Konzentration an Hartstoff aufweist als die Deckschicht.Although not preferred, an intermediate layer may be provided between the base layer and the cover layer which, for example, is constructed like the cover layer, except that the intermediate layer has a lower concentration of hard material than the cover layer.

In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass die Grundschicht einen vertikalen elektrischen spezifischen Widerstand bei 950°C von 13 bis 18 Ω μm und bevorzugt von 14 bis 16 Ω μm aufweist. Dies entspricht vertikalen elektrischen spezifischen Widerständen bei Raumtemperatur von 14 bis 20 Ω μm bzw. von 16 bis 18 Ω μm.In a further development of the inventive concept, it is proposed that the base layer has a vertical electrical resistivity at 950 ° C. of 13 to 18 Ω μm and preferably of 14 to 16 Ω μm. This corresponds to vertical electrical resistivities at room temperature of 14 to 20 Ω μm or of 16 to 18 Ω μm.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Kathode, welche wenigstens einen zuvor beschriebenen Kathodenblock enthält, wobei der Kathodenblock an der der Deckschicht gegenüberliegenden Seite der Grundschicht wenigstens eine Nut aufweist, wobei in der wenigstens einen Nut wenigstens eine Stromschiene vorgesehen ist, um der Kathode während der Elektrolyse Strom zuzuführen.A further subject of the present invention is a cathode which contains at least one cathode block described above, wherein the cathode block has at least one groove on the side of the base layer opposite the cover layer, wherein at least one bus bar is provided in the at least one groove in order to move the cathode during to supply electricity to the electrolysis.

Um die wenigstens eine Stromschiene fest an dem Kathodenblock zu befestigen, und, um den elektrischen Widerstand erhöhende Hohlräume zwischen der Stromschiene und dem Kathodenblock zu vermeiden, ist es zudem bevorzugt, dass die wenigstens eine Stromschiene zumindest bereichsweise und besonders bevorzugt vollumfangsflächig eine Umhüllung aus Gusseisen aufweist. Diese Umhüllung kann dadurch hergestellt werden, dass die wenigstens eine Stromschiene in die Nut des Kathodenblocks eingefügt wird und dann in den Zwischenraum zwischen der Stromschiene und den die Nut begrenzenden Wänden Gusseisen eingefüllt wird.In order to fix the at least one busbar fixed to the cathode block, and to avoid the electrical resistance increasing cavities between the busbar and the cathode block, it is also preferred that the at least one busbar at least partially, and particularly preferably full-circumference has a cladding of cast iron , This enclosure can be made by inserting the at least one bus bar into the groove of the cathode block and then filling the space between the bus bar and the walls defining the groove cast iron.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines zuvor beschriebenen Kathodenblocks bzw. einer zuvor beschriebenen Kathode zur Durchführung einer Schmelzflusselektrolyse zur Herstellung von Metall, wie insbesondere von Aluminium.Another object of the present invention is the use of a previously described cathode block or a previously described cathode for performing a fused-salt electrolysis for the production of metal, in particular of aluminum.

Vorzugsweise wird der Kathodenblock bzw. die Kathode zur Durchführung einer Schmelzflusselektrolyse mit einer Schmelze aus Kryolith und Aluminiumoxid zur Herstellung von Aluminium eingesetzt, wobei die Schmelzflusselektrolyse besonders bevorzugt als Hall-Héroult-Verfahren durchgeführt wird.Preferably, the cathode block or the cathode is used for carrying out a fused-salt electrolysis with a melt of cryolite and aluminum oxide for the production of aluminum, wherein the fused-salt electrolysis is particularly preferably carried out as Hall-Héroult process.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.Hereinafter, the present invention will be described purely by way of example with reference to advantageous embodiments and with reference to the accompanying drawings.

Dabei zeigen:Showing:

1 einen schematischen Querschnitt eines Ausschnitts einer Aluminium-Elektrolysezelle, welche einen Kathodenblock gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung umfasst und 1 a schematic cross section of a section of an aluminum electrolysis cell, which comprises a cathode block according to an embodiment of the present invention and

2a bis 2E jeweils einen schematischen Querschnitt der Oberflächenprofilierung eines Kathodenblocks gemäß anderer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. 2a to 2E each a schematic cross-section of the surface profiling of a cathode block according to other embodiments of the present invention.

In der 1 ist ein Querschnitt eines Ausschnitts einer Aluminium-Elektrolysezelle 10 mit einer Kathode 12 gezeigt, die gleichzeitig den Boden einer Wanne für 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 der Elektrolysezelle 10 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.In the 1 is a cross section of a section of an aluminum electrolysis cell 10 with a cathode 12 shown at the same time the bottom of a tub for during operation of the electrolysis cell 10 produced aluminum melt 14 and for one above the molten aluminum 14 Cryolite-alumina melt 16 forms. With the cryolite-alumina melt 16 is an anode 18 the electrolysis cell 10 in contact. Laterally, the through the lower part of the aluminum electrolysis cell 10 formed tub by one in the 1 not shown lining of carbon and / or graphite limited.

Die Kathode 12 umfasst mehrere Kathodenblöcke 20, 20', 20'', die jeweils über eine in eine zwischen den Kathodenblöcken 20, 20', 20'' angeordnete Stampfmassenfuge 22, 22' eingefügte Stampfmasse 24, 24' miteinander verbunden sind. Gleichermaßen umfasst die Anode 18 mehrere Anodenblöcke 26, 26', wobei die Anodenblöcke 26, 26' jeweils etwa doppelt so breit und etwa halb so lang wie die Kathodenblöcke 20, 20', 20'' sind. Dabei sind die Anodenblöcke 26, 26' so über den Kathodenblöcken 20, 20', 20'' angeordnet, dass jeweils ein Anodenblock 26, 26' in der Breite zwei nebeneinander angeordnete Kathodenblöcke 20, 20', 20'' abdeckt und jeweils ein Kathodenblock 20, 20', 20'' in der Länge zwei nebeneinander angeordnete Anodenblöcke 26, 26' abdeckt.The cathode 12 includes several cathode blocks 20 . 20 ' . 20 '' , each one in one between the cathode blocks 20 . 20 ' . 20 '' arranged ramming compound 22 . 22 ' inserted ramming mass 24 . 24 ' connected to each other. Likewise, the anode comprises 18 several anode blocks 26 . 26 ' , wherein the anode blocks 26 . 26 ' each about twice as wide and about half as long as the cathode blocks 20 . 20 ' . 20 '' are. Here are the anode blocks 26 . 26 ' so over the cathode blocks 20 . 20 ' . 20 '' arranged, that in each case an anode block 26 . 26 ' in the width two adjacent cathode blocks 20 . 20 ' . 20 '' covers and one cathode block each 20 . 20 ' . 20 '' in length, two adjacent anode blocks 26 . 26 ' covers.

Jeder Kathodenblock 20, 20', 20'' besteht aus einer unteren Grundschicht 30, 30', 30'' und einer darüber angeordneten und damit fest verbundenen Deckschicht 32, 32', 32''. Die Grenzflächen zwischen den Grundschichten 30, 30', 30'' sowie den Deckschichten 32, 32', 32'' sind planar. Während die Grundschichten 30, 30', 30'' der Kathodenblöcke 20, 20', 20'' jeweils eine Graphit-Materialstruktur aufweisen, welche z. B. durch Abformen einer Mischung aus Petrolkoks und Steinkohlenteerpech mit anschließender thermischer Behandlung bei bis zu 3000°C erzeugt wird, sind die Deckschichten 32, 32', 32'' jeweils aus einem Acetylenkoks enthaltenden Graphit-Verbundwerkstoff zusammengesetzt, der 20 Gew.-% Acetylenkoks, Graphit und carbonisiertes bzw. graphitiertes Pech als Bindemittel enthält. Der in den Deckschichten 32, 32', 32'' enthaltene Acetylenkoks weist eine Korngröße von 0,2 bis 1 mm auf.Each cathode block 20 . 20 ' . 20 '' consists of a lower base layer 30 . 30 ' . 30 '' and an overlying and thus firmly connected cover layer 32 . 32 ' . 32 '' , The interfaces between the base layers 30 . 30 ' . 30 '' as well as the cover layers 32 . 32 ' . 32 '' are planar. While the base layers 30 . 30 ' . 30 '' the cathode blocks 20 . 20 ' . 20 '' each having a graphite material structure, which z. B. by molding a mixture of petroleum coke and coal tar pitch with subsequent thermal treatment at up to 3000 ° C is generated, the cover layers 32 . 32 ' . 32 '' each composed of a Acetylenkoks containing graphite composite material containing 20 wt .-% acetylene coke, graphite and carbonized or graphitized pitch as a binder. The one in the outer layers 32 . 32 ' . 32 '' contained Acetylenkoks has a grain size of 0.2 to 1 mm.

Jeder Kathodenblock 20, 20', 20'' weist eine Breite von 650 mm und eine, bezogen auf die höchste Stelle der Deckschicht 32, 32', 32'', Höhe von insgesamt 550 mm auf, wobei die Grundschichten 30, 30', 30'' jeweils eine Höhe von 450 mm aufweisen und die Deckschichten 32, 32', 32'' jeweils eine, bezogen auf die höchste Stelle der Deckschichten 32, 32', 32'', Höhe von 100 mm aufweisen. Der Abstand zwischen den Anodenblöcken 26, 26' und den Kathodenblöcken 20, 20', 20'' beträgt ca. 200 bis ca. 350 mm, wobei die dazwischen angeordnete Schicht aus Kryolith-Aluminiumoxid-Schmelze 16 eine Dicke von ca. 50 mm aufweist und die darunter angeordnete Schicht aus Aluminiumschmelze 14 ebenfalls eine Dicke von ca. 150 bis ca. 300 mm aufweist.Each cathode block 20 . 20 ' . 20 '' has a width of 650 mm and one, based on the highest point of the cover layer 32 . 32 ' . 32 '' , Total height of 550 mm, with the base layers 30 . 30 ' . 30 '' each have a height of 450 mm and the outer layers 32 . 32 ' . 32 '' one each, based on the highest point of the outer layers 32 . 32 ' . 32 '' , Height of 100 mm. The distance between the anode blocks 26 . 26 ' and the cathode blocks 20 . 20 ' . 20 '' is about 200 to about 350 mm, with the interposed layer of cryolite-alumina melt 16 has a thickness of about 50 mm and the underlying layer of molten aluminum 14 also has a thickness of about 150 to about 300 mm.

Jede Deckschicht 32, 32', 32'' weist eine profilierte Oberfläche auf, wobei in jeder Deckschicht 32, 32', 32'' zwei im Querschnitt im Wesentlichen rechteckige Vertiefungen 34, 34' vorgesehen sind, welche jeweils von einer Erhebung 36 voneinander getrennt sind. Während die Breite der Vertiefungen 34, 34' jeweils 150 mm beträgt und die Tiefe der Vertiefungen 34, 34' jeweils 70 mm beträgt, weist die Erhebung 36 eine Breite von 75 mm und eine Höhe von 70 mm auf. Sowohl die Ecken in den beiden Vertiefungen 34, 34' als auch die Ecken der Erhebung 36 sind jeweils mit 20 mm Radius abgerundet.Every cover layer 32 . 32 ' . 32 '' has a profiled surface, wherein in each cover layer 32 . 32 ' . 32 '' two in cross-section substantially rectangular depressions 34 . 34 ' are provided, each of a survey 36 are separated from each other. While the width of the pits 34 . 34 ' each 150 mm and the depth of the wells 34 . 34 ' each is 70 mm, the survey shows 36 a width of 75 mm and a height of 70 mm. Both the corners in the two wells 34 . 34 ' as well as the corners of the elevation 36 are each rounded off with a radius of 20 mm.

Schließlich umfasst jeder Kathodenblock 20, 20', 20'' an seiner Unterseite jeweils zwei Nuten 38, 38' mit jeweils einem rechtwinkligen, nämlich im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt, wobei in jeder Nut 38, 38' jeweils eine Stromschiene 40, 40' aus Stahl mit einem ebenfalls rechtwinkligen bzw. im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufgenommen ist. Die Zwischenräume zwischen den Stromschienen 40, 40' und den die Nuten 38, 38' begrenzenden Wänden sind dabei jeweils mit Gusseisen (nicht dargestellt) ausgegossen, wodurch die Stromschienen 40, 40' fest mit den die Nuten 38, 38' begrenzenden Wänden verbunden sind. Vorzugsweise werden sowohl die Nuten 38, 38' als auch die Vertiefungen 34, 34' an der Oberseite der Deckschichten 32, 32', 32'' während des Formgebungsprozesses angelegt, und zwar beispielsweise durch Rüttelformen und/oder Stempel.Finally, each cathode block comprises 20 . 20 ' . 20 '' two grooves on its underside 38 . 38 ' each having a rectangular, namely substantially rectangular cross-section, wherein in each groove 38 . 38 ' one busbar each 40 . 40 ' is taken from steel with a likewise rectangular or substantially rectangular cross-section. The spaces between the busbars 40 . 40 ' and the grooves 38 . 38 ' delimiting walls are each cast with cast iron (not shown), whereby the busbars 40 . 40 ' stuck with the grooves 38 . 38 ' bounding walls are connected. Preferably, both the grooves 38 . 38 ' as well as the depressions 34 . 34 ' at the top of the cover layers 32 . 32 ' . 32 '' created during the molding process, for example, by Rüttelformen and / or stamp.

In den 2A bis 2E sind Beispiele für unterschiedliche Ausgestaltungen der Vertiefungen 34, 34' und der Erhebungen 36 der Oberflächenprofilierung der Deckschichten 32, 32', 32'' dargestellt, nämlich, jeweils im Querschnitt, rechteckig mit abgerundeten Ecken (nicht dargestellt) (2A), im Wesentlichen wellenförmig (2B), dreiecksförmig (2C), konvex (2D) und sinusförmig (2E).In the 2A to 2E are examples of different configurations of the wells 34 . 34 ' and the surveys 36 the surface profiling of the cover layers 32 . 32 ' . 32 '' shown, namely, in each case in cross section, rectangular with rounded corners (not shown) ( 2A ), substantially undulating ( 2 B ), triangular ( 2C ), convex ( 2D ) and sinusoidal ( 2E ).

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Aluminium-ElektrolysezelleAluminum electrolysis cell
1212
Kathodecathode
1414
Aluminiumschmelzealuminum smelter
1616
Kryolith-Aluminiumoxid-SchmelzeCryolite-alumina melt
1818
Anodeanode
20, 20', 20''20, 20 ', 20' '
Kathodenblockcathode block
22, 22'22, 22 '
StampfmassenfugeStampfmassenfuge
24, 24'24, 24 '
Stampfmasseramming mix
26, 26'26, 26 '
Anodenblockanode block
30, 30', 30''30, 30 ', 30' '
Grundschichtbase layer
32, 32', 32''32, 32 ', 32' '
Deckschichttopcoat
38, 38'38, 38 '
Nutgroove
40, 40'40, 40 '
Stromschieneconductor rail

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 19714433 C2 [0006] DE 19714433 C2 [0006]
  • EP 2133446 A1 [0007] EP 2133446 A1 [0007]
  • DE 102010029538 [0017] DE 102010029538 [0017]
  • DE 2947005 A1 [0023] DE 2947005 A1 [0023]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • DIN EN 843-4 [0015] DIN EN 843-4 [0015]
  • DIN EN 843-4 [0016] DIN EN 843-4 [0016]
  • J. Maire, J. Mehring, Proceedings of the 4th Conference on Carbon, Pergamon Press 1960 Seiten 345 bis 350 [0018] J. Maire, J. Mehring, Proceedings of the 4th Conference on Carbon, Pergamon Press 1960 pages 345 to 350 [0018]
  • Standard ISO 13320-1 [0030] Standard ISO 13320-1 [0030]
  • Standard ISO 13320-1 [0033] Standard ISO 13320-1 [0033]

Claims (38)

Kathodenblock (20, 20', 20'') für eine Aluminium-Elektrolysezelle mit einer Grundschicht (30, 30', 30'') und mit einer Deckschicht (32, 32', 32''), wobei die Grundschicht (30, 30', 30'') Graphit enthält, die Deckschicht eine zumindest bereichsweise profilierte Oberfläche aufweist und die Deckschicht (32, 32', 32'') einen 1 bis weniger als 50 Gew.-% Hartstoff mit einem Schmelzpunkt von wenigstens 1.000°C enthaltenden Graphitverbundwerkstoff enthält.Cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) for an aluminum electrolysis cell with a base layer ( 30 . 30 ' . 30 '' ) and with a cover layer ( 32 . 32 ' . 32 '' ), where the base layer ( 30 . 30 ' . 30 '' ) Contains graphite, the top layer has an at least partially profiled surface and the top layer ( 32 . 32 ' . 32 '' ) contains a 1 to less than 50 wt .-% hard material having a melting point of at least 1000 ° C containing graphite composite material. Kathodenblock (20, 20', 20'') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der in der Deckschicht (32, 32', 32'') enthaltende Hartstoff eine gemäß der DIN EN 843-4 gemessene Knoop Härte von wenigstens 1.000 N/mm2, bevorzugt von wenigstens 1.500 N/mm2, besonders bevorzugt von wenigstens 2.000 N/mm2 und ganz besonders bevorzugt von wenigstens 2.500 N/mm2 aufweist.Cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) according to claim 1, characterized in that in the top layer ( 32 . 32 ' . 32 '' ) containing a measured according to DIN EN 843-4 Knoop hardness of at least 1,000 N / mm 2 , preferably of at least 1,500 N / mm 2 , more preferably of at least 2,000 N / mm 2 and most preferably of at least 2,500 N / mm 2 has. Kathodenblock (20, 20', 20'') nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der in der Deckschicht (32, 32', 32'') enthaltende Hartstoff ein mehr als 60 Gew.-%, bevorzugt mehr als 70 Gew.-%, insbesondere bevorzugt mehr als 80 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt mehr als 90 Gew.-% Kohlenstoff enthaltendes Material ist.Cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) according to claim 1 or 2, characterized in that in the top layer ( 32 . 32 ' . 32 '' ) hard material is more than 60 wt .-%, preferably more than 70 wt .-%, more preferably more than 80 wt .-% and most preferably more than 90 wt .-% carbon containing material. Kathodenblock (20, 20', 20'') nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlenstoff enthaltende Material aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Koks, Anthrazit, Ruß, glasartigem Kohlenstoff und beliebigen chemischen Kombinationen und/oder beliebigen Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Materialien besteht.Cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) according to claim 3, characterized in that the carbon-containing material is selected from the group consisting of coke, anthracite, carbon black, glassy carbon and any chemical combinations and / or any mixtures of two or more of the aforementioned materials. Kathodenblock (20, 20', 20'') nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der in der Deckschicht (32, 32', 32'') enthaltende Hartstoff ein Kohlenstoff enthaltende Material mit einem nach Maire und Mehring nach einer Wärmebehandlung bei 2.800°C aus dem mittleren Schichtabstand c/2 berechneten Graphitierungsgrad von maximal 0,50, bevorzugt mit einem Graphitierungsgrad von maximal 0,4 und ganz besonders bevorzugt mit einem Graphitierungsgrad von maximal 0,3 ist.Cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) according to claim 3 or 4, characterized in that in the top layer ( 32 . 32 ' . 32 '' ) containing a carbon-containing material having a Maire Mehring and after a heat treatment at 2,800 ° C from the average layer spacing c / 2 calculated graphitization degree of not more than 0.50, preferably with a graphitization degree of 0.4 and most preferably with a Graphitierungsgrad of not more than 0.3. Kathodenblock (20, 20', 20'') nach zumindest einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (32, 32', 32'') als Hartstoff 1 bis 25 Gew.-%, bevorzugt 10 bis 25 Gew.-% und besonders bevorzugt 10 bis 20 Gew.-% Kohlenstoff enthaltendes Material enthält.Cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) according to at least one of claims 3 to 5, characterized in that the cover layer ( 32 . 32 ' . 32 '' ) contains as hard material 1 to 25 wt .-%, preferably 10 to 25 wt .-% and particularly preferably 10 to 20 wt .-% carbon-containing material. Kathodenblock (20, 20', 20'') nach zumindest einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das als Hartstoff in der Deckschicht (32, 32', 32'') enthaltene Kohlenstoff enthaltende Material eine Korngröße von bis zu 3 mm und bevorzugt von bis zu 2 mm aufweist.Cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) according to at least one of claims 3 to 6, characterized in that as hard material in the cover layer ( 32 . 32 ' . 32 '' ) containing carbon has a particle size of up to 3 mm, and preferably of up to 2 mm. Kathodenblock (20, 20', 20'') nach zumindest einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das als Hartstoff in der Deckschicht (32, 32', 32'') enthaltene Kohlenstoff enthaltende Material, bevorzugt Koks, einen durch Röntgenbeugungsinterferenz ermittelten mittleren Schichtabstand c/2 von wenigstens 0,339 nm aufweist.Cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) according to at least one of claims 3 to 7, characterized in that as hard material in the outer layer ( 32 . 32 ' . 32 '' ), preferably coke, has a mean interlayer spacing c / 2 of at least 0.339 nm as determined by X-ray diffraction interference. Kathodenblock (20, 20', 20'') nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das als Hartstoff in der Deckschicht (32, 32', 32'') enthaltene Kohlenstoff enthaltende Material, bevorzugt Koks, einen durch Röntgenbeugungsinterferenz ermittelten mittleren Schichtabstand c/2 von 0,340 bis 0,344 nm aufweist.Cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) according to claim 8, characterized in that as a hard material in the outer layer ( 32 . 32 ' . 32 '' ), preferably coke, has an average layer spacing c / 2 of 0.340 to 0.344 nm determined by X-ray diffraction interference. Kathodenblock (20, 20', 20'') nach zumindest einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das als Hartstoff in der Deckschicht (32, 32', 32'') enthaltene Kohlenstoff enthaltende Material, bevorzugt Koks, aus Partikeln mit einer spezifischen BET-Oberfläche von 10 bis 40 m2/g und bevorzugt von 20 bis 30 m2/g besteht.Cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) according to at least one of claims 3 to 9, characterized in that the hard material in the top layer ( 32 . 32 ' . 32 '' ), preferably coke, consists of particles with a BET specific surface area of 10 to 40 m 2 / g and preferably of 20 to 30 m 2 / g. Kathodenblock (20, 20', 20'') nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der in der Deckschicht (32, 32', 32'') enthaltene Hartstoff eine nichtoxidische Keramik ist, welche bevorzugt aus wenigstens einem Metall der 4. bis 6. Nebengruppe und wenigstens einem Element aus der 3. oder 4. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente zusammengesetzt ist.Cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) according to claim 1 or 2, characterized in that in the top layer ( 32 . 32 ' . 32 '' ) Hard material is a non-oxide ceramic, which is preferably composed of at least one metal of the 4th to 6th subgroup and at least one element from the 3rd or 4th main group of the Periodic Table of the Elements. Kathodenblock (20, 20', 20'') nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der in der Deckschicht (32, 32', 32'') enthaltene Hartstoff aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Titandiborid, Zirkoniumdiborid, Tantaldiborid, Titancarbid, Borcarbid, Titancarbonitrid, Siliciumcarbid, Wolframcarbid, Vanadiumcarbid, Titannitrid, Bornitrid, Siliciumnitrid, Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxid und beliebigen chemischen Kombinationen und/oder Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Verbindungen besteht.Cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) according to claim 11, characterized in that in the top layer ( 32 . 32 ' . 32 '' ) is selected from the group consisting of titanium diboride, zirconium diboride, tantalum boride, titanium carbide, boron carbide, titanium carbonitride, silicon carbide, tungsten carbide, vanadium carbide, titanium nitride, boron nitride, silicon nitride, zirconium dioxide, alumina and any chemical combinations and / or mixtures of two or more consists of the aforementioned compounds. Kathodenblock (20, 20', 20'') nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der in der Deckschicht (32, 32', 32'') enthaltene Hartstoff eine monomodale Partikelgrößenverteilung aufweist, wobei die durch statische Lichtstreuung gemäß der ISO 13320-1 bestimmte mittlere volumengewichtete Partikelgröße (d3,50) 10 bis 20 μm, bevorzugt 12 bis 18 μm und besonders bevorzugt 14 bis 16 μm beträgt.Cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) according to claim 11 or 12, characterized in that in the top layer ( 32 . 32 ' . 32 '' ) hard material having a monomodal particle size distribution, wherein the determined by static light scattering according to ISO 13320-1 average volume-weighted particle size (d 3.50 ) is 10 to 20 microns, preferably 12 to 18 microns and more preferably 14 to 16 microns. Kathodenblock (20, 20', 20'') nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der in der Deckschicht (32, 32', 32'') enthaltene Hartstoff eine monomodale Partikelgrößenverteilung aufweist, wobei die durch statische Lichtstreuung gemäß der ISO 13320-1 bestimmte mittlere volumengewichtete Partikelgröße (d3,50) 3 bis 10 μm und bevorzugt 4 bis 6 μm beträgt.Cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) according to at least one of claims 11 to 13, characterized in that in the top layer ( 32 . 32 ' . 32 '' ) Hard material having a monomodal particle size distribution, wherein the determined by static light scattering according to the ISO 13320-1 average volume-weighted particle size (d 3.50 ) is 3 to 10 microns and preferably 4 to 6 microns. Kathodenblock (20, 20', 20'') nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die durch statische Lichtstreuung gemäß der ISO 13320-1 bestimmte d3,90-Partikelgröße des Hartstoffs 20 bis 40 μm und bevorzugt 25 bis 30 μm beträgt.Cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) according to at least one of claims 11 to 14, characterized in that the determined by static light scattering according to the ISO 13320-1 d 3.90 particle size of the hard material is 20 to 40 microns and preferably 25 to 30 microns. Kathodenblock (20, 20', 20'') nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die durch statische Lichtstreuung gemäß der ISO 13320-1 bestimmte d3,90-Partikelgröße des Hartstoffs 10 bis 20 μm und bevorzugt 12 bis 18 μm beträgt.Cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) according to at least one of claims 11 to 14, characterized in that the determined by static light scattering according to the ISO 13320-1 d 3.90 particle size of the hard material is 10 to 20 microns and preferably 12 to 18 microns. Kathodenblock (20, 20', 20'') nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die durch statische Lichtstreuung gemäß der ISO 13320-1 bestimmte d3,10-Partikelgröße des Hartstoffs 2 bis 7 μm und bevorzugt 3 bis 5 μm beträgt.Cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) according to at least one of claims 11 to 16, characterized in that the determined by static light scattering according to ISO 13320-1 d 3.10 particle size of the hard material is 2 to 7 microns and preferably 3 to 5 microns. Kathodenblock (20, 20', 20'') nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die durch statische Lichtstreuung gemäß der ISO 13320-1 bestimmte d3,10-Partikelgröße des Hartstoffs 1 bis 3 μm und bevorzugt 1 bis 2 μm beträgt.Cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) according to at least one of claims 11 to 16, characterized in that the determined by static light scattering according to ISO 13320-1 d 3.10 particle size of the hard material is 1 to 3 microns and preferably 1 to 2 microns. Kathodenblock (20, 20', 20'') nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Hartstoff eine nichtoxidische Titankeramik und bevorzugt Titandiborid ist und eine Partikelgrößenverteilung aufweist, welche einen gemäß der nachfolgenden Gleichung berechneten Span-Wert: Span = (d3,90 – d3,10)/d3,50 von 0,65 bis 3,80 und besonders bevorzugt von 1,00 bis 2,25 aufweist.Cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) according to at least one of claims 11 to 18, characterized in that the hard material is a non-oxidic titanium ceramic and preferably titanium diboride and has a particle size distribution which has a span value calculated according to the following equation: Span = (d 3.90 - d 3.10 ) / d 3.50 from 0.65 to 3.80, and more preferably from 1.00 to 2.25. Kathodenblock (20, 20', 20'') nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Hartstoff wenigstens 80 Gew.-%, bevorzugt wenigstens 90 Gew.-%, besonders bevorzugt wenigstens 95 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt wenigstens 99 Gew.-% und höchst bevorzugt 100 Gew.-% einer nichtoxidischen Keramik, bevorzugt einer nichtoxidischen Titankeramik und besonders bevorzugt Titandiborid enthält.Cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) according to at least one of claims 11 to 19, characterized in that the hard material at least 80 wt .-%, preferably at least 90 wt .-%, particularly preferably at least 95 wt .-%, most preferably at least 99 wt .-% and most preferably 100 wt .-% of a non-oxide ceramic, preferably a non-oxidic titanium ceramic, and more preferably titanium diboride. Kathodenblock (20, 20', 20'') nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (32, 32', 32'') 5 bis 40 Gew.-%, bevorzugt 10 bis 30 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt 10 bis 20 Gew.-% eines Hartstoffs mit einem Schmelzpunkt von wenigstens 1.000°C enthält.Cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) according to at least one of claims 11 to 20, characterized in that the cover layer ( 32 . 32 ' . 32 '' ) Contains from 5 to 40 wt .-%, preferably 10 to 30 wt .-% and most preferably 10 to 20 wt .-% of a hard material having a melting point of at least 1000 ° C. Kathodenblock (20, 20', 20'') nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (32, 32', 32'') 99 bis mehr als 50 Gew.-%, bevorzugt 95 bis 60 Gew.-%, besonders bevorzugt 90 bis 70 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt 90 bis 80 Gew.-% Graphit enthält.Cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the cover layer ( 32 . 32 ' . 32 '' ) 99 to more than 50 wt .-%, preferably 95 to 60 wt .-%, particularly preferably 90 to 70 wt .-% and most preferably 90 to 80 wt .-% graphite. Kathodenblock (20, 20', 20'') nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (32, 32', 32'') einen vertikalen spezifischen elektrischen Widerstand bei 950°C von 5 bis 20 Ω μm und bevorzugt von 9 bis 13 Ω μm aufweist.Cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the cover layer ( 32 . 32 ' . 32 '' ) has a vertical resistivity at 950 ° C of 5 to 20 Ω μm and preferably 9 to 13 Ω μm. Kathodenblock (20, 20', 20'') nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Deckschicht (32, 32', 32'') 1 bis 50%, bevorzugt 5 bis 40%, besonders bevorzugt 10 bis 30% und ganz besonders bevorzugt 15 bis 25% der Gesamthöhe des Kathodenblocks (20, 20', 20'') beträgt.Cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the thickness of the cover layer ( 32 . 32 ' . 32 '' ) 1 to 50%, preferably 5 to 40%, particularly preferably 10 to 30% and very particularly preferably 15 to 25% of the total height of the cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) is. Kathodenblock (20, 20', 20'') nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Deckschicht (32, 32', 32'') durch wenigstens eine Vertiefung (34, 34') und/oder wenigstens eine Erhebung (36) profiliert ist.Cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the surface of the cover layer ( 32 . 32 ' . 32 '' ) by at least one depression ( 34 . 34 ' ) and / or at least one survey ( 36 ) is profiled. Kathodenblock (20, 20', 20'') nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Vertiefung (34, 34') und/oder die wenigstens eine Erhebung (36), in der Querrichtung des Kathodenblocks (20, 20', 20'') gesehen, konvex, konkav oder polygonal, wie beispielsweise trapezförmig, dreiecksförmig, rechteckig oder quadratisch, ausgebildet ist.Cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) according to claim 25, characterized in that the at least one recess ( 34 . 34 ' ) and / or the at least one survey ( 36 ), in the transverse direction of the cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ), convex, concave or polygonal, such as trapezoidal, triangular, rectangular or square, is formed. Kathodenblock (20, 20', 20'') nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Deckschicht (32, 32', 32'') wenigstens eine Vertiefung (34, 34') aufweist, wobei das Verhältnis von Tiefe zu Breite der wenigstens einen Vertiefung (34, 34') 1:3 bis 1:1 und bevorzugt 1:2 bis 1:1 beträgt.Cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) according to claim 25 or 26, characterized in that the surface of the cover layer ( 32 . 32 ' . 32 '' ) at least one depression ( 34 . 34 ' ), wherein the ratio of depth to width of the at least one recess ( 34 . 34 ' ) Is 1: 3 to 1: 1 and preferably 1: 2 to 1: 1. Kathodenblock (20, 20', 20'') nach zumindest einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Deckschicht (32, 32', 32'') wenigstens eine Vertiefung (34, 34') aufweist, wobei die Tiefe der wenigstens einen Vertiefung (34, 34') 10 bis 90 mm, bevorzugt 40 bis 90 mm und besonders bevorzugt 60 bis 80 mm beträgt.Cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) according to at least one of claims 25 to 27, characterized characterized in that the surface of the cover layer ( 32 . 32 ' . 32 '' ) at least one depression ( 34 . 34 ' ), wherein the depth of the at least one recess ( 34 . 34 ' ) Is 10 to 90 mm, preferably 40 to 90 mm and particularly preferably 60 to 80 mm. Kathodenblock (20, 20', 20'') nach zumindest einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Deckschicht (32, 32', 32'') wenigstens eine Vertiefung (34, 34') aufweist, wobei die Breite der wenigstens einen Vertiefung (34, 34') 100 bis 200 mm, besonders bevorzugt 120 bis 180 mm und ganz besonders bevorzugt 140 bis 160 mm beträgt.Cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) according to at least one of claims 25 to 28, characterized in that the surface of the cover layer ( 32 . 32 ' . 32 '' ) at least one depression ( 34 . 34 ' ), wherein the width of the at least one recess ( 34 . 34 ' ) 100 to 200 mm, more preferably 120 to 180 mm and most preferably 140 to 160 mm. Kathodenblock (20, 20', 20'') nach zumindest einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Deckschicht (32, 32', 32'') wenigstens eine Erhebung (36) aufweist, wobei das Verhältnis von Höhe zu Breite der wenigstens einen Erhebung (36) 1:2 bis 2:1 und bevorzugt 1:1 beträgt.Cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) according to at least one of claims 25 to 29, characterized in that the surface of the cover layer ( 32 . 32 ' . 32 '' ) at least one survey ( 36 ), wherein the ratio of height to width of the at least one survey ( 36 ) Is 1: 2 to 2: 1 and preferably 1: 1. Kathodenblock (20, 20', 20'') nach zumindest einem der Ansprüche 25 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Deckschicht (32, 32', 32'') wenigstens eine Erhebung (36) aufweist, wobei die Höhe der wenigstens einen Erhebung (36) 10 bis 150 mm, bevorzugt 40 bis 90 mm und besonders bevorzugt 60 bis 80 mm beträgt.Cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) according to at least one of claims 25 to 30, characterized in that the surface of the cover layer ( 32 . 32 ' . 32 '' ) at least one survey ( 36 ), wherein the height of the at least one survey ( 36 ) Is 10 to 150 mm, preferably 40 to 90 mm and particularly preferably 60 to 80 mm. Kathodenblock (20, 20', 20'') nach zumindest einem der Ansprüche 25 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Deckschicht (32, 32', 32'') wenigstens eine Erhebung (36) aufweist, wobei die Breite der wenigstens einen Erhebung (36) 50 bis 150 mm, besonders bevorzugt 55 bis 100 mm und ganz besonders bevorzugt 60 bis 90 mm beträgt.Cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) according to at least one of claims 25 to 31, characterized in that the surface of the cover layer ( 32 . 32 ' . 32 '' ) at least one survey ( 36 ), wherein the width of the at least one survey ( 36 ) Is 50 to 150 mm, more preferably 55 to 100 mm, and most preferably 60 to 90 mm. Kathodenblock (20, 20', 20'') nach zumindest einem der Ansprüche 25 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Deckschicht (32, 32', 32'') wenigstens eine Vertiefung (34, 34') sowie wenigstens eine Erhebung (36) umfasst, wobei das Verhältnis der Breite der wenigstens einen Vertiefung (34, 34') zu der Breite der wenigstens einen Erhebung (36) 4:1 bis 1:1 und besonders bevorzugt 2:1 beträgt.Cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) according to at least one of claims 25 to 32, characterized in that the surface of the cover layer ( 32 . 32 ' . 32 '' ) at least one depression ( 34 . 34 ' ) and at least one survey ( 36 ), wherein the ratio of the width of the at least one recess ( 34 . 34 ' ) to the width of the at least one survey ( 36 ) 4: 1 to 1: 1 and more preferably 2: 1. Kathodenblock (20, 20', 20'') nach zumindest einem der Ansprüche 25 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Deckschicht (32, 32', 32'') 1 bis 3 und besonders bevorzugt 2 Vertiefungen (34, 34') aufweist.Cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) according to at least one of claims 25 to 33, characterized in that the surface of the cover layer ( 32 . 32 ' . 32 '' ) 1 to 3 and more preferably 2 wells ( 34 . 34 ' ) having. Kathodenblock (20, 20', 20'') nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundschicht (30, 30', 30'') zu wenigstens 80 Gew.-%, bevorzugt zu wenigstens 90 Gew.-%, besonders bevorzugt zu wenigstens 95 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt zu wenigstens 99 Gew.-% und höchst bevorzugt vollständig aus Graphit und Bindemittel zusammengesetzt ist.Cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the base layer ( 30 . 30 ' . 30 '' ) is at least 80 wt .-%, preferably at least 90 wt .-%, more preferably at least 95 wt .-%, most preferably at least 99 wt .-% and most preferably completely composed of graphite and binder. Kathodenblock (20, 20', 20'') nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundschicht (30, 30', 30'') einen vertikalen spezifischen elektrischen Widerstand bei 950°C von 13 bis 18 Ω μm und bevorzugt von 14 bis 16 Ω μm aufweist.Cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the base layer ( 30 . 30 ' . 30 '' ) has a vertical resistivity at 950 ° C of 13 to 18 Ω μm and preferably 14 to 16 Ω μm. Kathode (12), welche wenigstens einen Kathodenblock (20, 20', 20'') nach einem der vorstehenden Ansprüche enthält, wobei der Kathodenblock (20, 20', 20'') an der der Deckschicht (32, 32', 32'') gegenüberliegenden Seite der Grundschicht (30, 30', 30'') wenigstens eine Nut (38, 38') aufweist, wobei in der wenigstens einen Nut (38, 38') wenigstens eine Stromschiene (40, 40') vorgesehen ist, um der Kathode (12) während der Elektrolyse Strom zuzuführen.Cathode ( 12 ), which at least one cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) according to one of the preceding claims, wherein the cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) at the top layer ( 32 . 32 ' . 32 '' ) opposite side of the base layer ( 30 . 30 ' . 30 '' ) at least one groove ( 38 . 38 ' ), wherein in the at least one groove ( 38 . 38 ' ) at least one busbar ( 40 . 40 ' ) is provided to the cathode ( 12 ) supply electricity during the electrolysis. Verwendung eines Kathodenblocks (20, 20', 20'') nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 36 oder einer Kathode (12) nach Anspruch 37 zur Durchführung einer Schmelzflusselektrolyse zur Herstellung von Metall, wie insbesondere von Aluminium.Use of a cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) according to at least one of claims 1 to 36 or a cathode ( 12 ) according to claim 37 for carrying out a fused-salt electrolysis for the production of metal, in particular of aluminum.
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