DE102012218958A1 - Block, useful in cathode of electrolysis cell, which is useful for producing aluminum, where block has cross section perpendicular to a longitudinal axis of the cathode block and shape of trapezium - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kathodenblock für eine Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium, eine aus solchen Kathodenblöcken hergestellte Kathode sowie eine Elektrolysezelle umfassend eine solche Kathode.The present invention relates to a cathode block for an electrolytic cell for the production of aluminum, a cathode produced from such cathode blocks and an electrolytic cell comprising such a cathode.
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, und zwar vorzugsweise aus etwa 15 bis 20% Aluminiumoxid und etwa 85 bis 80% Kryolith, zusammengesetzte Schmelze elektrolysiert. Dabei dient der Kryolith, Na3[AlF6], dazu, den Schmelzpunkt von 2.045°C für reines Aluminiumoxid auf etwa 960°C für eine Kryolith, Aluminiumoxid und Zusatzstoffe, wie Aluminiumfluorid und Calciumfluorid, enthaltende Mischung zu senken, so dass die Schmelzelektrolyse bei einer verringerten Temperatur von etwa 960°C durchgeführt werden kann. 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, preferably about 15 to 20% alumina and about 85 to 80% cryolite, is electrolyzed. The cryolite, Na 3 [AlF 6 ], serves to lower the melting point from 2,045 ° C for pure alumina to about 960 ° C for a cryolite, alumina and additives such as aluminum fluoride and calcium fluoride containing mixture, so that the electrolysis at a reduced temperature of about 960 ° C can be performed.
Die bei diesem Verfahren eingesetzte Elektrolysezelle weist einen Boden auf, der aus einer Vielzahl von, beispielsweise 24, aneinander angrenzenden, die Kathode ausbildenden Kathodenblöcken zusammengesetzt ist. Zwischen den benachbarten Kathodenblöcken ist jeweils eine Fuge ausgebildet. Die Anordnung von Kathodenblock und gegebenenfalls gefüllter Fuge wird im Allgemeinen als Kathodenboden bezeichnet. Die Fugen zwischen den Kathodenblöcken sind üblicherweise mit Stampfmasse aus Kohlenstoff und/oder Kohlenstoff enthaltendem Material, wie Anthrazit oder Graphit, und einem Binder, wie Steinkohlenteer, gefüllt. Dies dient zur Abdichtung gegen schmelzflüssige Bestandteile und zur Kompensation mechanischer Spannungen, welche beispielsweise aufgrund der Ausdehnung der Kathodenblöcke bei dem Aufheizen bei der Inbetriebnahme der Elektrolysezelle auftreten. Um den bei dem Betrieb der Elektrolysezelle 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 aus der Elektrolysezelle 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. The electrolytic cell used in this method has a bottom which is composed of a plurality of, for example, 24, adjacent to one another, the cathode forming cathode blocks. Between the adjacent cathode blocks, a joint is formed in each case. The arrangement of the cathode block and possibly filled gap is generally referred to as the cathode bottom. The joints between the cathode blocks are usually filled with ramming mass of carbon and / or carbon-containing material, such as anthracite or graphite, and a binder, such as coal tar. This serves to seal against molten constituents and to compensate for mechanical stresses which occur, for example, due to the expansion of the cathode blocks during the heating during the commissioning of the electrolysis cell. In order to withstand the thermal and chemical conditions prevailing in the operation of the electrolytic 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 from the electrolysis cell. 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.
Etwa 3 bis 5 cm oberhalb der auf der Kathodenoberseite befindlichen Schicht aus schmelzflüssigem Aluminium ist eine aus einzelnen Anodenblöcken ausgebildete Anode angeordnet, wobei sich zwischen der Anode und der Oberfläche des Aluminiums der Elektrolyt, also die Aluminiumoxid und Kryolith enthaltende Schmelze, befindet. Während der bei etwa 960°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.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, wherein between the anode and the surface of the aluminum, the electrolyte, ie the melt containing alumina and cryolite, is located. During the electrolysis carried out at about 960 ° 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 bedeutender Nachteil der bekannten, vorstehend beschriebenen Elektrolysezellen ist die zwischen den einzelnen benachbarten Kathodenblöcken vorgesehene Stampfmasse.A significant disadvantage of the known electrolysis cells described above is the ramming mass provided between the individual adjacent cathode blocks.
Zum einen müssen die bekannten Stampfmassen zwischen den benachbarten Kathodenblöcken in einer vergleichsweise großen Schichtdicke vorgesehen werden, und zwar zum einen, weil die bekannten Stampfmassen vergleichsweise grobkörnig sind, und zum anderen, um eine ausreichend hohe mechanische Stabilität der durch die Stampfmasse hervorgerufenen Verbindung der Kathodenblöcke zu erreichen. Die Grobkörnigkeit der Stampfmasse ist notwendig, um zum einen eine gute Verdichtung durch Verstampfen durch entsprechende Werkzeuge zu gewährleisten, und zum anderen, gute mechanische Eigenschaften sowie einen möglichst geringen Schrumpf bei der Carbonisierung zu erzielen. Aufgrund dessen resultieren zwischen den einzelnen Kathodenblöcken vergleichsweise dicke mit der Stampfmasse gefüllte Fugen, welche die effektive Kathodenoberfläche verringern. Abgesehen davon können in diese Fugen Aluminium und Schmelze eindringen, die den Verschleiß des Kathodenbodens erhöhen. On the one hand, the known ramming masses must be provided between the adjacent cathode blocks in a comparatively large layer thickness, on the one hand because the known ramming masses are comparatively coarse-grained, and on the other hand, to a sufficiently high mechanical stability caused by the ramming compound of the cathode blocks to reach. The coarseness of the ramming mass is necessary, on the one hand, to ensure good compaction by vaporization by appropriate tools, and, on the other hand, to achieve good mechanical properties and the lowest possible shrinkage during carbonization. Due to this, between the individual cathode blocks, comparatively thick joints filled with the ramming mass result, which reduce the effective cathode surface area. Apart from this, aluminum and melt can penetrate into these joints, which increase the wear of the cathode bottom.
Außerdem sind die mit Stampfmasse gefüllten Fugen zwischen den Kathodenblöcken eine Schwachstelle im Elektrolysezellenbau. Bei nicht sorgfältig ausgeführtem Stampfen können nämlich in der mit Stampfmasse gefüllten Fuge Defekte auftreten, die bei dem Betrieb zu einer Schwächung oder sogar zu einem Versagen der Fuge führen können. In schlimmsten Fall führt dies zu einem vorzeitigen Ausfall der gesamten Elektrolysezelle. Da die Masse während der Inbetriebnahme der Zelle pyrolysiert, kann auch ein unsachgemäßes Aufheizen zu einer derartigen Schwächung führen. Abgesehen davon erfordern das Stampfen und das sorgfältige Vorheizen, insbesondere aufgrund der Pyrolyse der Stampfmasse, einen erheblichen Arbeits- und Zeitaufwand, der die Effizienz und Produktivität des Aluminium-Herstellungsprozesses verringert.In addition, the joints filled with ramming between the cathode blocks are a weak point in the electrolysis cell. In the case of pounding that has not been carried out carefully, defects may occur in the gap filled with ramming mass, which can lead to weakening or even failure of the joint during operation. In the worst case, this leads to premature failure of the entire electrolysis cell. Because the Mass pyrolyzed during start-up of the cell may also result in improper heating to such weakening. Apart from this, pounding and careful preheating, in particular due to the pyrolysis of the ramming mass, require a considerable amount of work and time, which reduces the efficiency and productivity of the aluminum production process.
Zudem sind die häufig verwendeten Anthrazit-Stampfmassen elektrisch und thermisch weniger leitfähig als insbesondere graphitierte Kathodenblöcke. Aufgrund dessen geht wiederum effektive Kathodenfläche verloren. Ferner resultiert aus dem größeren Gesamtwiderstand ein höherer Energieverbrauch für die Elektrolyse, was die Wirtschaftlichkeit des Elektrolyseprozesses erniedrigt. Zudem erhöht sich der Kathodenbodenverschleiß durch die höhere spezifische Belastung. In addition, the frequently used anthracite ramming masses are electrically and thermally less conductive than in particular graphitized cathode blocks. Because of this again effective cathode area is lost. Furthermore, the greater total resistance results in higher energy consumption for the electrolysis, which lowers the economics of the electrolysis process. In addition, the cathode floor wear increases due to the higher specific load.
Ein weiterer beträchtlicher Nachteil der Stampfmassen ist, dass diese meist gesundheitsschädliche oder giftige Substanzen enthalten. Üblicherweise eingesetzte Stampfmassen enthalten meist Bindemittel auf Basis von Steinkohlenteer, welche polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe enthalten, welche giftig und/oder krebserregend und daher nach der Europäischen Chemikalienverordnung zur Registrierung, Bewertung, Zulassung und Beschränkung chemischer Stoffe (REACH) relevant sind, da diese bzw. deren Pyrolyseprodukte bei deren Anwendung teilweise in die Atmosphäre gelangen. Da das Verstampfen manuell oder halbautomatisch durchgeführt wird, kann bei diesen Arbeiten zudem das Personal diesen Stoffen ausgesetzt werden, was erhebliche zusätzliche persönliche Schutzmaßnahmen erfordert.Another considerable disadvantage of the ramming masses is that they usually contain harmful or toxic substances. Usually used ramming compositions usually contain binders based on coal tar, which contain polycyclic aromatic hydrocarbons, which are toxic and / or carcinogenic and therefore according to the European Chemicals Regulation for Registration, Evaluation, Authorization and Restriction of Chemicals (REACH) are relevant because these or their Pyrolysis products partially reach the atmosphere when used. Since the clogging is carried out manually or semi-automatically, in this work, the staff can also be exposed to these substances, which requires considerable additional personal protection measures.
Eine Alternative zu dem Vorsehen von Stampfmasse zwischen den Kathodenblöcken ist das Verkleben der Blöcke zu einem monolithischen Kathodenboden. Dies ist jedoch aufgrund der bei dem Betrieb von Elektrolysezellen auftretenden thermisch-mechanischen Beanspruchungen problematisch, weswegen diese Alternative als unbefriedigend befunden wird und kaum Anwendung findet.An alternative to the provision of ramming mass between the cathode blocks is the bonding of the blocks to a monolithic cathode bottom. However, this is problematic due to the occurring in the operation of electrolysis cells thermal-mechanical stresses, which is why this alternative is found to be unsatisfactory and hardly applies.
Eine andere Alternative zu dem Vorsehen von Stampfmasse zwischen den Kathodenblöcken wird in der
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen alternativen Kathodenblock bereitzustellen, welcher ohne dass Vorsehen von Stampfmasse zwischen diesem und benachbarten Kathodenblöcken zu einer Kathode verarbeitet werden kann, in der dennoch mechanische Spannungen zwischen den einzelnen Kathodenblöcken, welche beispielsweise bei der Inbetriebnahme einer die Kathode umfassenden Elektrolysezelle auftreten, zuverlässig kompensiert werden und welche zudem zuverlässig gegen schmelzflüssige Bestandteile abgedichtet ist, um so die vorstehend beschriebenen, durch die herkömmlichen Stampfmassen verursachten Nachteile zu vermeiden, wie insbesondere eine Verringerung der effektiven Kathodenoberfläche, die Arbeitssicherheits- und Umweltschutz-relevanten Probleme bei dem Verarbeiten und Carbonisieren von Stampfmasse und eine Erhöhung des Kathodenverschleißes. Therefore, it is an object of the present invention to provide an alternative cathode block which, without providing ramming mass therebetween and adjacent cathode blocks, can be processed into a cathode yet having mechanical stresses between the individual cathode blocks resulting, for example, from starting the cathode Comprehensive electrolytic cell occur reliably compensated and which is also reliably sealed against molten components, so as to avoid the disadvantages described above, caused by the conventional ramming masses, in particular a reduction of the effective cathode surface, the occupational safety and environmental protection-relevant problems in the Processing and carbonizing ramming mass and increasing the cathode wear.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Kathodenblock für eine Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium auf Basis von Kohlenstoff, wobei der Querschnitt des Kathodenblocks die Form eines Trapezes aufweist.According to the invention, this object is achieved by a cathode block for an electrolytic cell for the production of aluminum based on carbon, wherein the cross section of the cathode block has the shape of a trapezoid.
Unter Querschnitt des Kathodenblocks wird in diesem Zusammenhang ein Schnitt senkrecht zu der Längsachse des Kathodenblocks verstanden.Under cross section of the cathode block is understood in this context, a section perpendicular to the longitudinal axis of the cathode block.
Erfindungsgemäß wurde es erkannt, dass mehrere Kathodenblöcke mit jeweils trapezförmiger Querschnittsform – wenn diese alternierend benachbart zueinander angeordnet werden, nämlich derart, dass jeweils ein auf der längeren der beiden parallelen Grundseiten des Trapezes angeordneter Kathodenblock mit seinen Längsseiten an zwei auf der kürzeren der beiden parallelen Grundseiten angeordnete Kathodenblöcken angrenzt – zu einer stampfmassenfreien Kathode zusammengesetzt werden können, die durch die vertikal wirkende Kraft der trapezförmigen Kathodenblöcke mit kurzer Basisseite, erzeugt durch deren eigener Masse, überstehendem Aluminium und Schmelze, zuverlässig abgedichtet wird. Ein zusätzlicher Abdichtungseffekt kann aus der Ausdehnung der einzelnen Kathodenblöcke resultieren, die zu einer zusätzlichen mechanischen Spannung zwischen den einzelnen Blöcken führt. Auf diese Weise können die vorstehend in Bezug auf die herkömmlichen Stampfmassen beschriebenen Nachteile, wie insbesondere eine Verringerung der effektiven Kathodenoberfläche, die Arbeitssicherheits- und Umweltschutz-relevanten Probleme beim Verarbeiten und Carbonisieren von Stampfmasse und eine Erhöhung des Kathodenverschleißes, zuverlässig vermieden werden. Insbesondere können die erfindungsgemäßen Kathodenblöcke zu fugenfreien Kathoden zusammengesetzt werden, weil eine Stampfmasse zwischen den erfindungsgemäßen Kathodenblöcke nicht notwendig ist, wobei allein durch die Eliminierung der Stampfmassefugen bei dem Einsatz von Kathodenblöcken mit einer Breite von 650 mm, welche üblicherweise über Fugen mit einer Breite von 40 mm von benachbarten Kathodenblöcken beabstandet sind, eine Vergrößerung der wirksamen Kathodenfläche von etwa 6 % erreicht wird.According to the invention, it has been recognized that a plurality of cathode blocks each having a trapezoidal cross-sectional shape - if they are arranged alternately adjacent to each other, namely such that each arranged on the longer of the two parallel sides of the trapezoid cathode block with its longitudinal sides on two on the shorter of the two parallel bases arranged cathode blocks adjacent - can be assembled to a tamp-free cathode, which is reliably sealed by the vertically acting force of the trapezoidal cathode blocks with a short base side, produced by their own mass, protruding aluminum and melt. An additional sealing effect can result from the expansion of the individual cathode blocks, which leads to an additional mechanical stress between the individual blocks. In this way, the disadvantages described above with respect to the conventional ramming masses, such as in particular a reduction of the effective cathode surface, the occupational safety and environmental protection-relevant problems in processing and carbonizing ramming mass and an increase in cathode wear, can be reliably avoided. In particular, the cathode blocks according to the invention can be joint-free Cathodes are assembled because a ramming mass between the cathode blocks according to the invention is not necessary, which alone by the elimination of ramming compound joints in the use of cathode blocks with a width of 650 mm, which are usually spaced by joints with a width of 40 mm from adjacent cathode blocks, an increase of the effective cathode area of about 6% is achieved.
Wenn bei dem Betrieb einer eine aus den erfindungsgemäßen Kathodenblöcken zusammengesetzte Kathode umfassenden Elektrolysezelle höhere mechanische Spannungen zwischen den die Kathode zusammensetzenden Kathodenblöcken senkrecht zu der Längsachse der Kathodenblöcke auftreten, wird durch den Aufbau der Kathode aus den alternierend benachbart zueinander angeordneten erfindungsgemäßen Kathodenblöcken mit einem trapezförmigen Querschnitt ein mehr oder weniger starkes Verschieben bzw. Verrutschen der jeweils auf der kürzeren der beiden parallelen Grundseiten des Trapezes angeordneten Kathodenblöcke relativ zu den anderen Kathodenblöcken vertikal nach oben ermöglicht, und zwar unabhängig davon, ob diese Spannungen thermisch, wie beispielsweise infolge einer Temperaturerhöhung oder einer Temperaturverringerung, oder chemisch, wie beispielsweise infolge der Einlagerung von Natrium zwischen die Längsseitenflächen der Kathodenblöcke, verursacht sind. Aus der Oberflächenbeschaffenheit, d.h. dem Haftreibungskoeffizienten, und dem Winkel der aneinanderliegenden Flächen ergibt sich die Kraft, die zur Verschiebung der Flächen gegeneinander notwendig ist. Durch entsprechende Auslegung des Winkels und der Oberflächenbeschaffenheit, d.h. des Haftreibungskoeffizienten, kann diese in der Ebene der in Kontakt befindlichen Flächen wirkende Kraft definiert werden, wobei die Ausweichbewegung dann soweit erfolgt, bis diese Kraft nicht mehr ausreicht, um die Gleitreibung zu überwinden, und so eine Selbsthemmung vorliegt. Auch im Falle der Selbsthemmung findet aus den oben genannten Gründen eine zuverlässige Abdichtung statt. Ein temporäres oder permanentes Herausragen einzelner Kathodenblöcke aus der ursprünglich ebenen Kathodenoberfläche mit keinem prozesstechnischen Nachteil verbunden.When in the operation of an electrolysis cell comprising a cathode composed of the cathode blocks according to the invention, higher mechanical stresses occur between the cathode blocks composing the cathode perpendicular to the longitudinal axis of the cathode blocks, the structure of the cathode is formed by alternately adjacent cathode blocks according to the invention having a trapezoidal cross section more or less strong displacement or slipping of each arranged on the shorter of the two parallel sides of the trapezoid cathode blocks relative to the other cathode blocks vertically upwards, regardless of whether these voltages thermally, such as due to a temperature increase or a reduction in temperature, or chemically, such as caused by the intercalation of sodium between the longitudinal faces of the cathode blocks. From the surface condition, i. the coefficient of static friction, and the angle of the adjacent surfaces results in the force required to move the surfaces against each other. By appropriate design of the angle and surface finish, i. the coefficient of static friction, this can be defined in the plane of the surfaces in contact force, wherein the evasive movement then takes place until this force is no longer sufficient to overcome the sliding friction, and so there is a self-locking. Even in the case of self-locking a reliable seal takes place for the reasons mentioned above. A temporary or permanent protruding of individual cathode blocks from the originally flat cathode surface is not associated with any procedural disadvantage.
Dabei kann der Kohlenstoff, auf dessen Basis der erfindungsgemäße Kathodenblock aufgebaut ist, aus der Gruppe bestehend aus amorphen Kohlenstoffen, graphitischen Kohlenstoffen, graphitierten Kohlenstoffen und beliebigen Mischungen aus zwei oder mehr der vorgenannten Kohlenstoffen ausgewählt sein.In this case, the carbon on the basis of which the cathode block according to the invention is constructed can be selected from the group consisting of amorphous carbons, graphitic carbons, graphitized carbons and any mixtures of two or more of the abovementioned carbons.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter einem Kathodenblock mit einem Querschnitt in der Form eines Trapezes ein Kathodenblock verstanden, welcher zumindest abschnittsweise über dessen Länge einen trapezförmigen Querschnitt aufweist. Vorzugsweise weist der erfindungsgemäße Kathodenblock über wenigstens 50% seiner Länge, besonders bevorzugt über wenigstens 80% seiner Länge, weiter bevorzugt über wenigstens 90% seiner Länge, noch weiter bevorzugt über wenigstens 95% seiner Länge, ganz besonders bevorzugt über wenigstens 99% seiner Länge und höchst bevorzugt über seine gesamte Länge eine trapezförmige Querschnittsform auf.For the purposes of the present invention, a cathode block with a cross section in the shape of a trapezoid is understood to mean a cathode block which has a trapezoidal cross-section at least in sections over its length. Preferably, the cathode block according to the invention over at least 50% of its length, more preferably over at least 80% of its length, more preferably over at least 90% of its length, even more preferably over at least 95% of its length, most preferably over at least 99% of its length and most preferably over its entire length a trapezoidal cross-sectional shape.
Bei einem Trapez handelt es sich definitionsgemäß um ein ebenes Viereck mit mindestens zwei parallel zueinander liegenden Grundseiten, von denen eine Grundseite, nämlich die Basis, länger ist als die andere Grundseite, nämlich die Deckseite. Die die beiden Grundseiten verbindenden Seiten des Trapezes werden als Schenkel bezeichnet. Erfindungsgemäß weist der Kathodenblock für eine Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium auf Basis von Kohlenstoff einen Querschnitt in der Form eines Trapezes auf, wobei das Trapez auf einer seiner beiden Grundseiten auch wenigstens eine Aussparung in der Form einer Nut, wie diese herkömmlicherweise in Kathodenblöcken zur Aufnahme einer Stromschiene angeordnet sind, aufweisen kann. Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist daher der Begriff "Trapez" definiert als ein wie vorstehend spezifiziertes vollständiges Trapez oder als ein solches Trapez, welches auf einer seiner beiden Grundseiten eine oder mehrere Aussparungen in der Form einer Nut aufweist. Als Basis wird in dem letztgenannten Fall, bei dem ein oder mehrere Aussparungen in der Form einer Nut vorgesehen sind, diejenige der beiden Grundseiten bezeichnet, welche ohne Beachtung der Aussparung(en) länger ist, d.h. die Aussparung(en) werden bei der Bestimmung, welche der beiden Grundseiten die Basis ist, weggedacht.By definition, a trapezoid is a flat quadrilateral with at least two parallel sides, of which one base side, namely the base, is longer than the other base side, namely the top side. The sides of the trapezoid connecting the two bases are called legs. According to the invention, the cathode block for an electrolytic cell for producing aluminum based on carbon has a cross section in the shape of a trapezoid, wherein the trapezoid on one of its two sides also at least one recess in the form of a groove, as these conventionally in cathode blocks for receiving a Busbar are arranged, may have. For the purposes of the present invention, the term "trapezoid" is therefore defined as a complete trapezoid as specified above or as such a trapezoid which has one or more recesses in the form of a groove on one of its two base sides. As a basis, in the latter case, in which one or more recesses are provided in the form of a groove, that one of the two bases is designated which is longer without regard to the recess (s), i. the recess (s) are discarded in determining which of the two bases is the base.
Grundsätzlich ist der erfindungsgemäße Kathodenblock bezüglich der Ausgestaltung und Maße sowie insbesondere des Winkels zwischen den Schenkeln und den Grundseiten nicht beschränkt. Allerdings sollten diese Winkel nicht zu gering sein, da sonst ein für den Zusammenbau einer ausreichend hohen Kathode zu flaches Trapez erhalten wird, was die Herstellung entsprechender Kathodenblöcke erschwert, und auch aufgrund der oben beschriebenen Haft- und Gleitreibung nicht zu hoch sein, da ansonsten ein annähernd rechteckiges Trapez erhalten wird, so dass das erfindungsmäße Verschieben eines Kathodenblocks, der zwischen mehreren alternierend benachbart zueinander angeordneten Kathodenblöcken angeordnet ist, vertikal nach oben infolge von Spannungen nicht oder zumindest nicht ausreichend leicht erreicht werden kann. Als Kompromiss zwischen diesen beiden Tendenzen hat es sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung als vorteilhaft erwiesen, dass einer der beiden zwischen der Basis und den beiden Schenkeln des den Querschnitt des Kathodenblocks ausbildenden Trapezes gebildeten Innenwinkel 45° bis 80° beträgt. Besonders gute Ergebnisse werden diesbezüglich erhalten, wenn einer der beiden zwischen der Basis und den beiden Schenkeln des Trapezes gebildeten Innenwinkel 50° bis 70° und besonders bevorzugt 55° bis 65°, insbesondere 60°, beträgt. In principle, the cathode block according to the invention is not limited in terms of the design and dimensions, and in particular the angle between the legs and the bases. However, these angles should not be too low, otherwise a too flat for the assembly of a sufficiently high cathode trapezoid is obtained, which complicates the production of corresponding cathode blocks, and also not be too high due to the above-described static and sliding friction, otherwise a approximately rectangular trapezoid is obtained, so that the inventive movement of a cathode block, which is arranged between a plurality of alternately adjacent arranged cathode blocks, vertically upwards due to voltages can not be achieved or at least not sufficiently easy. As a compromise between these two tendencies, it has proved to be advantageous in the context of the present invention that one of the two between the base and the two legs of the cross section of the cathode block forming trapezoid formed inner angle 45 ° to 80 °. Particularly good results are obtained in this regard, if one of the two formed between the base and the two legs of the trapezium interior angle 50 ° to 70 ° and particularly preferably 55 ° to 65 °, in particular 60 °.
Um die vorstehenden Effekte in besonders hohem Ausmaß zu erreichen, wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, dass beide der zwischen der Basis und den beiden Schenkeln des den Querschnitt des Kathodenblocks ausbildenden Trapezes gebildeten Innenwinkel 45° bis 80° betragen. Besonders gute Ergebnisse werden diesbezüglich erhalten, wenn beide der zwischen der Basis und den beiden Schenkeln des Trapezes gebildeten Innenwinkel 50° bis 70° und besonders bevorzugt 55° bis 65°, insbesondere 60°, betragen. In order to achieve the above effects to a particularly high degree, it is proposed in development of the invention that both formed between the base and the two legs of the cross section of the cathode block forming trapezoidal internal angle 45 ° to 80 °. Particularly good results are obtained in this regard, if both of the inner angle formed between the base and the two legs of the trapezoid 50 ° to 70 ° and particularly preferably 55 ° to 65 °, in particular 60 °.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Querschnitt des Kathodenblocks die Form eines gleichschenkligen Trapezes auf. Bei einem gleichschenkligen Trapez sind die beiden Schenkel gleich lang. Auch hier beträgt einer der beiden zwischen der Basis und den beiden Schenkeln des den Querschnitt des Kathodenblocks ausbildenden Trapezes gebildeten Innenwinkel 45° bis 80, bevorzugt 50° bis 70° und besonders bevorzugt 55° bis 65°, insbesondere 60°. Gemäß einer weiteren höchst bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Querschnitt des Kathodenblocks die Form eines symmetrischen Trapezes auf. Bei einem symmetrischen Trapez sind die beiden Schenkel ebenfalls gleich lang und die beiden zwischen der Basis und den beiden Schenkeln des Trapezes gebildeten Innenwinkel sind jeweils gleich groß. Auch bei dieser Ausführungsform betragen beide der zwischen der Basis und den beiden Schenkeln des Trapezes gebildeten Innenwinkel zwischen 45° und 80°, bevorzugt 50° bis 70° und besonders bevorzugt 55° bis 65°, insbesondere 60°.According to a further particularly preferred embodiment of the present invention, the cross section of the cathode block has the shape of an isosceles trapezium. In an isosceles trapeze, the two legs are the same length. Again, one of the two formed between the base and the two legs of the cross section of the cathode block forming trapezoidal inner angle 45 ° to 80, preferably 50 ° to 70 ° and particularly preferably 55 ° to 65 °, in particular 60 °. According to another most preferred embodiment of the present invention, the cross section of the cathode block is in the form of a symmetrical trapezoid. In a symmetrical trapezoid, the two legs are also the same length and the two inner angles formed between the base and the two legs of the trapezoid are equal in size. Also in this embodiment, both of the inner angle formed between the base and the two legs of the trapezoid between 45 ° and 80 °, preferably 50 ° to 70 ° and more preferably 55 ° to 65 °, in particular 60 °.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass das Verhältnis zwischen der Höhe des Trapezes und der Länge der Basis des Trapezes 0,4:1,0 bis 1,0:1,0, bevorzugt 0,5:1,0 bis 0,8:1,0 und besonders bevorzugt 0,6:1,0 bis 0,7:1,0, wie insbesondere 0,65:1,0, beträgt. Kathodenblöcke mit derart ausgestaltetem Querschnitt eignen sich insbesondere dazu, zu Kathoden mit einer für das Hall-Héroult-Verfahren geeigneten Höhe zusammengesetzt zu werden, und Verrutschen zudem bei der vorstehend beschriebenen alternierenden Zusammensetzung hinreichend leicht, um für den Kathodenboden kritische mechanische Spannungen, welche bei dem Betrieb einer eine solchen Kathode umfassenden Elektrolysezelle auftreten, besonders zuverlässig und schnell abzubauen.In a further development of the inventive concept, it is proposed that the ratio between the height of the trapezoid and the length of the base of the trapezoid 0.4: 1.0 to 1.0: 1.0, preferably 0.5: 1.0 to 0, 8: 1.0 and more preferably 0.6: 1.0 to 0.7: 1.0, especially 0.65: 1.0. Cathode blocks having such a cross-section are particularly suitable for being assembled into cathodes having a height suitable for the Hall-Héroult method, and also slipping sufficiently easily in the alternating composition described above, in order to produce critical stresses for the cathode bottom Operation of such a cathode comprehensive electrolysis cell occur, particularly reliable and quickly degrade.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn das Verhältnis zwischen der Länge der Basis des Trapezes und der Länge der Deckseite des Trapezes 1,1:1,0 bis 3,0:1,0, bevorzugt 1,5:1,0 bis 2,5:1,0 und besonders bevorzugt 2,0:1,0 bis 2,2:1,0, wie insbesondere 2,05:1,0, beträgt.It is furthermore advantageous if the ratio between the length of the base of the trapezium and the length of the cover side of the trapezium is 1.1: 1.0 to 3.0: 1.0, preferably 1.5: 1.0 to 2.5 1.0 and more preferably 2.0: 1.0 to 2.2: 1.0, especially 2.05: 1.0.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Verhältnis zwischen der Höhe des Trapezes und der Länge der Basis des Trapezes 0,4:1,0 bis 1,0:1,0, bevorzugt 0,5:1,0 bis 0,8:1,0 und besonders bevorzugt 0,6:1,0 bis 0,7:1,0, wie insbesondere 0,65:1,0 und das Verhältnis zwischen der Länge der Basis des Trapezes und der Länge der Deckseite des Trapezes 1,1:1,0 bis 3,0:1,0, bevorzugt 1,5:1,0 bis 2,5:1,0 und besonders bevorzugt 2,0:1,0 bis 2,2:1,0, wie insbesondere 2,05:1,0.In another embodiment of the present invention, the ratio between the height of the trapezoid and the length of the base of the trapezoid is 0.4: 1.0 to 1.0: 1.0, preferably 0.5: 1.0 to 0.8 1.0 and more preferably 0.6: 1.0 to 0.7: 1.0, in particular 0.65: 1.0 and the ratio between the length of the base of the trapezium and the length of the top side of the trapezoid. 1 , 1: 1.0 to 3.0: 1.0, preferably 1.5: 1.0 to 2.5: 1.0, and more preferably 2.0: 1.0 to 2.2: 1.0, especially 2.05: 1.0.
Grundsätzlich ist der erfindungsgemäße Kathodenblock bezüglich seiner Maße nicht besonders beschränkt. Es hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch als vorteilhaft erwiesen, wenn die Basis des Trapezes eine Länge von 300 bis 900 mm aufweist, die Deckseite des Trapezes eine Länge von 100 bis 500 mm aufweist und die Höhe des Trapezes 200 bis 600 mm beträgt. Besonders bevorzugt weist die Basis des Trapezes eine Länge von 500 bis 700 mm auf, weist die Deckseite des Trapezes eine Länge von 200 bis 400 mm auf und beträgt die Höhe des Trapezes 300 bis 500 mm. Ganz besonders bevorzugt weist die Basis des Trapezes eine Länge von 550 bis 650 mm auf, weist die Deckseite des Trapezes eine Länge von 250 bis 350 mm auf und beträgt die Höhe des Trapezes 350 bis 450 mm. Beispielsweise haben sich in der Praxis Kathodenblöcke als ganz besonders geeignet erwiesen, bei denen die Basis des den Querschnitt des Kathodenblocks ausbildenden Trapezes eine Länge von etwa 620 mm aufweist, die Deckseite eine Länge von etwa 300 mm aufweist und die Höhe etwa 400 mm beträgt.In principle, the cathode block according to the invention is not particularly limited in terms of its dimensions. However, it has proved to be advantageous in the context of the present invention if the base of the trapezoid has a length of 300 to 900 mm, the top side of the trapezoid has a length of 100 to 500 mm and the height of the trapezoid is 200 to 600 mm. Particularly preferably, the base of the trapezoid has a length of 500 to 700 mm, the top side of the trapezoid has a length of 200 to 400 mm and the height of the trapezoid 300 to 500 mm. Most preferably, the base of the trapezoid has a length of 550 to 650 mm, the top side of the trapezoid has a length of 250 to 350 mm and the height of the trapezoid 350 to 450 mm. For example, in practice, cathode blocks have been found to be particularly suitable, in which the base of the trapezoid forming the cross section of the cathode block has a length of about 620 mm, the top side has a length of about 300 mm and the height is about 400 mm.
Die Länge des Kathodenblocks beträgt vorzugsweise 2.500 bis 3.500 mm.The length of the cathode block is preferably 2,500 to 3,500 mm.
Erfindungsgemäß ist der Kathodenblock auf Basis von Kohlenstoff zusammengesetzt und mithin aus einem Material, welcher Kohlenstoff enthält. Sowohl im Hinblick auf die elektrischen Eigenschaften, wie insbesondere spezifische elektrische Leitfähigkeit, als auch im Hinblick auf die mechanischen Eigenschaften, wie insbesondere Verschleißbeständigkeit, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Kathodenblock aus einem Material zusammengesetzt ist, welches mindestens 50 Gew.-%, bevorzugt mindestens 80 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 90 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt mindestens 95 Gew.-% und höchst bevorzugt mindestens 99 Gew.-% Kohlenstoff enthält.According to the invention, the cathode block is composed of carbon and thus of a material containing carbon. Both in terms of electrical properties, in particular specific electrical conductivity, as well as in terms of mechanical properties, in particular wear resistance, it has proved to be advantageous if the cathode block is composed of a material which is at least 50 wt .-% , preferably at least 80 wt .-%, more preferably at least 90 wt .-%, most preferably at least 95 wt .-% and most preferably at least 99 wt .-% carbon.
Dabei kann der Kohlenstoff, auf dessen Basis der erfindungsgemäße Kathodenblock aufgebaut ist, aus der Gruppe bestehend aus amorphen Kohlenstoffen, graphitischen Kohlenstoffen, graphitierten Kohlenstoffen und beliebigen Mischungen aus zwei oder mehr der vorgenannten Kohlenstoffen ausgewählt sein. In this case, the carbon on the basis of which the cathode block according to the invention is constructed can be selected from the group consisting of amorphous carbons, graphitic carbons, graphitized carbons and any mixtures of two or more of the abovementioned carbons.
Im Hinblick sowohl auf die elektrischen Eigenschaften als auch auf die mechanischen Eigenschaften wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, dass der erfindungsgemäße Kathodenblock aus graphitischem Kohlenstoff und/oder graphitiertem Kohlenstoff zusammengesetzt ist oder besonders bevorzugt daraus besteht.With regard to both the electrical properties and the mechanical properties, it is proposed in a further development of the inventive concept that the cathode block according to the invention is composed of graphitic carbon and / or graphitized carbon or particularly preferably consists thereof.
Um den Effekt der Haft- und Gleitreibung zwischen den Längsseitenflächen aneinandergrenzender erfindungsgemäßer Kathodenblöcke zu modifizieren, um so das erfindungsgemäße Verschieben eines zwischen mehreren alternierend benachbart zueinander angeordneten Kathodenblöcken angeordneten Kathodenblocks infolge von Spannungen vertikal nach oben zu erleichtern, wodurch diese Spannungen teilweise oder vollständig abgebaut werden, wird es gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, den Kathodenblock mit einer Beschichtung bzw. Deckschicht aus einem gleitfähigen Material zu versehen, wodurch der Haftreibungskoeffizient und Gleitreibungskoeffizient zwischen den entsprechenden Flächen reduziert wird. Vorzugsweise ist das gleitfähige Material Graphitschlichte, welche Graphitstaub in wässriger Suspension enthält, d.h. ist der Kathodenblock auf Basis von Kohlenstoff mit Graphitschlichte beschichtet. In order to modify the effect of static friction and sliding friction between the longitudinal side surfaces of contiguous cathode blocks according to the invention so as to facilitate shifting a cathode block arranged between a plurality of cathode blocks arranged alternately adjacent to each other as a result of voltages vertically upward, whereby these stresses are partially or completely reduced, It is proposed according to a further particularly preferred embodiment of the present invention, to provide the cathode block with a coating or layer of a lubricious material, whereby the static friction coefficient and sliding friction coefficient between the corresponding surfaces is reduced. Preferably, the lubricious material is graphite size containing graphite dust in aqueous suspension, i. the cathode block based on carbon is coated with graphite size.
Dabei beträgt die Dicke der Beschichtung vorzugsweise 0,2 bis 3 mm und besonders bevorzugt 0,5 bis 1 mm. The thickness of the coating is preferably 0.2 to 3 mm and more preferably 0.5 to 1 mm.
Um eine Stromzufuhr zu dem Kathodenblock bei dessen Verwendung in einer Elektrolysezelle zu ermöglichen, weist dieser bevorzugt wenigstens eine sich in der Längsrichtung des Kathodenblocks Nut und bevorzugt genau eine Nut oder zwei Nuten zur Aufnahme einer Stromschiene auf, welche entweder an der Basis oder an der Deckseite des den Querschnitt des Kathodenblocks ausbildenden Trapezes angeordnet ist/sind.In order to enable a current supply to the cathode block when it is used in an electrolysis cell, it preferably has at least one groove in the longitudinal direction of the cathode block and preferably exactly one groove or two grooves for receiving a bus bar, which is either on the base or on the cover side of the cross section of the cathode block forming trapezoid is / are arranged.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, die wenigstens eine Nut vergleichsweise hoch und schmal auszubilden, und zwar um, wenn die Nut an der schmaleren Deckseite des trapezförmigen Querschnitts des Kathodenblocks angeordnet ist, die Nut mit möglichst viel Kathodenblockmaterial umgeben zu können, um diesem Bereich des Kathodenblocks eine ausreichend hohe mechanische Stabilität zu verleihen. Gute Ergebnisse werden diesbezüglich insbesondere erhalten, wenn das Verhältnis zwischen der Höhe der Nut zu der Breite der Nut 5:1 bis 1:1, bevorzugt 4:1 bis 2:1 und besonders bevorzugt 3:1 bis 2:1 beträgt.In a further development of the inventive concept, it is proposed that the at least one groove comparatively high and narrow form, and indeed, when the groove is arranged on the narrower top side of the trapezoidal cross-section of the cathode block to be able to surround the groove with as much cathode block material to this area the cathode block to give a sufficiently high mechanical stability. Good results are obtained in this respect in particular if the ratio between the height of the groove to the width of the groove is 5: 1 to 1: 1, preferably 4: 1 to 2: 1 and more preferably 3: 1 to 2: 1.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Kathode, welche wenigstens einen zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Kathodenblock enthält.Another object of the present invention is a cathode which contains at least one cathode block according to the invention described above.
Grundsätzlich ist die erfindungsgemäße Kathode bezüglich der Anzahl der Kathodenblöcke, aus denen diese zusammengesetzt ist, nicht besonders beschränkt. Um zu einer für die herkömmlichen Elektrolysezellen benötigten Größe zu gelangen, ist die erfindungsgemäße Kathode vorzugsweise aus 8 bis 36, besonders bevorzugt aus 10 bis 28 und ganz besonders bevorzugt aus 10 bis 24 Kathodenblöcke aufgebaut.Basically, the cathode according to the invention is not particularly limited in the number of cathode blocks of which it is composed. In order to achieve a size required for the conventional electrolysis cells, the cathode according to the invention is preferably constructed of 8 to 36, particularly preferably 10 to 28 and very particularly preferably 10 to 24 cathode blocks.
Dabei sind vorzugsweise alle Kathodenblöcke mit ihren Längsseiten nebeneinanderliegend angeordnet, wobei alle Kathodenblöcke – ausgenommen der randseitigen Kathodenblöcke – einen wie zuvor spezifizierten trapezförmigen Querschnitt aufweisen und jeweils benachbarte Kathodenblöcke bezüglich deren Deckseite und Basis alternierend angeordnet sind. Alternierende Anordnung bedeutet in diesem Zusammenhang, dass jeweils ein auf der längeren Basis der beiden parallelen Grundseiten des Trapezes liegender Kathodenblock – d.h. ein Kathodenblock, dessen Unterseite die Basis ist – mit seinen Längsseiten zwei auf der kürzeren der beiden parallelen Grundseiten angeordneten Kathodenblöcken – d.h. Kathodenblöcken, deren Oberseiten die Basis sind – benachbart ist, und zwar an diese direkt angrenzend benachbart ist oder über einen schmalen Spalt bzw. eine schmale Fuge beabstandet benachbart ist. Dabei können die einzelnen benachbarten Kathodenblöcke bündig zueinander angeordnet sein, d.h. deren Unter- und Oberseite jeweils in einer Ebene liegen, oder, in vertikaler Richtung, geringfügig zueinander versetzt angeordnet sein, d.h. einzelne Kathodenblöcke können aus der Oberfläche der Kathode nach oben herausragen und eine an ihrer Oberseite profilierte Kathode ausbilden.In this case, preferably all the cathode blocks are arranged side by side with their longitudinal sides, all cathode blocks - except for the peripheral cathode blocks - have a trapezoidal cross section as specified above and adjacent cathode blocks are arranged alternately with respect to the top side and base. Alternate arrangement in this context means that in each case a lying on the longer base of the two parallel bases of the trapezoid cathode block - i. a cathode block, the underside of which is the base - with its longitudinal sides two cathode blocks arranged on the shorter of the two parallel bases - i. Cathode blocks, the tops of which are the base - adjacent to, directly adjacent to this or adjacent to a narrow gap or a narrow gap is adjacent. The individual adjacent cathode blocks may be arranged flush with each other, i. whose bottom and top are each in a plane, or, in the vertical direction, slightly offset from each other, i. individual cathode blocks can protrude upwards from the surface of the cathode and form a cathode profiled on its upper side.
Vorzugsweise weisen alle Kathodenblöcke ausgenommen der randseitigen Kathodenblöcke den gleichen Querschnitt auf. Auf diese Weise wird eine besonders gute Passgenauigkeit der Kathodenblöcke erhalten.Preferably, all the cathode blocks, except for the peripheral cathode blocks, have the same cross-section. In this way, a particularly good fit accuracy of the cathode blocks is obtained.
Um einen guten Anschluss an die die Kathode begrenzende Wand einer Elektrolysezelle zu gewährleisten, weisen die randseitigen Kathodenblöcke der Kathode vorzugsweise einen halbtrapezförmigen Querschnitt auf, wobei die zu einem benachbarten Kathodenblock orientierte Seite des Halbtrapezes schräg ist und die dieser gegenüberliegende Seite des Halbtrapezes senkrecht ist. Dabei liegt selbstverständlich die senkrecht Seite des Halbtrapezes an der Wand an, wohingegen die schräge Seite des Halbtrapezes an dem benachbarten Kathodenblock anliegt, und zwar entweder direkt oder über einen kleinen Spalt beabstandet. Die halbtrapezförmigen Querschnitte der beiden randseitigen Kathodenblöcke weisen vorzugsweise eine Basis mit einer Länge von 300 bis 700 mm, besonders bevorzugt von 400 bis 500 mm und höchst bevorzugt von 450 bis 550 mm, wie beispielsweise 520 mm, und eine Deckseite mit einer Länge von 250 bis 450 mm, besonders bevorzugt von 300 bis 400 mm und höchst bevorzugt von 340 bis 380 mm, wie beispielsweise 360 mm, auf.In order to ensure a good connection to the cathode-limiting wall of an electrolytic cell, the peripheral cathode blocks of the cathode preferably have a semi-trapezoidal cross-section, wherein the oriented to an adjacent cathode block side of the semi-trapezoid is oblique and this opposite side of the half-trapezium is vertical. Of course, the perpendicular side of the semi-trapezoid abuts against the wall, whereas the oblique side of the semi-trapezoid rests against the adjacent cathode block, either spaced directly or over a small gap. The half-trapezoidal cross sections of the two peripheral cathode blocks preferably have a base with a length of 300 to 700 mm, more preferably from 400 to 500 mm and most preferably from 450 to 550 mm, such as 520 mm, and a cover page with a length of 250 to 450 mm, more preferably from 300 to 400 mm, and most preferably from 340 to 380 mm, such as 360 mm.
Wie dargelegt sind zwischen den benachbarten Kathodenblöcken der erfindungsgemäßen Kathode keine Stampfmasse und insbesondere auch kein Klebstoff vorgesehen. Vorzugsweise ist zwischen den benachbarten Kathodenblöcken der erfindungsgemäßen Kathode überhaupt kein Medium angeordnet, ausgenommen etwaiger Atmosphäre bzw. Luft und/oder ausgenommen gegebenenfalls der nachfolgend beschriebenen flexiblen Graphitfolie.As stated, between the adjacent cathode blocks of the cathode according to the invention no ramming mass and in particular also no adhesive are provided. Preferably, no medium is arranged at all between the adjacent cathode blocks of the cathode according to the invention, except for any atmosphere or air and / or, except where appropriate, the flexible graphite foil described below.
Wie vorstehend dargelegt, können die benachbarten Kathodenblöcke der erfindungsgemäßen Kathode mit ihren Längsseiten direkt aneinander angrenzen, ohne dass zwischen den Längsseiten benachbarter Kathodenblöcke eine Fuge bzw. ein Spalt ausgebildet ist. As stated above, the adjacent cathode blocks of the cathode according to the invention can adjoin one another directly with their longitudinal sides, without a gap or a gap being formed between the longitudinal sides of adjacent cathode blocks.
Alternativ dazu kann zwischen den benachbarten Kathodenblöcken der erfindungsgemäßen Kathode jeweils eine kleine Fuge ausgebildet sein, die sich bei dem Aufheizen der Elektrolysezelle, in welcher die Kathode angeordnet ist, infolge beispielsweise der thermischen Ausdehnung der Kathodenblöcke schließt.Alternatively, between the adjacent cathode blocks of the cathode according to the invention in each case a small gap may be formed, which closes during the heating of the electrolysis cell, in which the cathode is arranged, as a result of, for example, the thermal expansion of the cathode blocks.
Bei der letztgenannten Ausführungsform, bei der wenigstens zwei benachbarte Kathodenblöcke mit ihren Längsseiten beabstandet zueinander angeordnet sind, so dass zwischen den Längsseiten dieser benachbarten Kathodenblöcke jeweils eine Fuge ausgebildet ist, können die Fugen entweder ungefüllt sein oder in den Fugen kann jeweils eine flexible Graphitfolie vorgesehen sein. Unter einer flexiblen Graphitfolie wird in diesem Zusammenhang eine Folie aus komprimierten Partikeln aus expandiertem Graphit verstanden, d.h. eine Folie, welche aus Graphit gebildet worden ist, indem zunächst der Graphit beispielsweise durch eine Säure- und Temperaturbehandlung auf ein Vielfaches, wie 200- bis 400-faches, expandiert worden ist, bevor der so expandierte Graphit wieder komprimiert wird. Aus diesem Grund sind flexible Graphitfolien flexibel und leicht komprimierbar. Das Vorsehen einer flexiblen Graphitfolie zwischen den Längsseiten zweier benachbarter Kathodenblöcke ist gleich mit mehreren Vorteilen verbunden. Zum einen verbessern diese die Abdichtung zwischen den Kathodenblöcken. Zweitens verbessern diese die Gleiteigenschaften zwischen den Kathodenblöcken und schließlich wirken diese als mechanische Puffer, welche Spannungen zwischen den Kathodenblöcken zumindest teilweise bzw. zu einem gewissen Ausmaß aufnehmen, so dass bei der vorstehend beschriebenen alternierenden Kathodenblockanordnung ein Verschieben der jeweils auf der kürzeren der beiden parallelen Grundseiten des Trapezes angeordneten Kathodenblöcke relativ zu den anderen Kathodenblöcken vertikal nach oben erst bei dem Vorliegen größerer Spannungen auftritt. In the latter embodiment, in which at least two adjacent cathode blocks are arranged with their longitudinal sides spaced from each other, so that between the longitudinal sides of these adjacent cathode blocks each have a joint, the joints may be either unfilled or in the joints may be provided in each case a flexible graphite foil , In this context, a flexible graphite foil is understood to mean a film of compressed particles of expanded graphite, i. a film which has been formed from graphite by first of all the graphite has been expanded by an acid and temperature treatment to a multiple, such as 200- to 400-fold, before the so-expanded graphite is compressed again. For this reason flexible graphite foils are flexible and easily compressible. The provision of a flexible graphite foil between the longitudinal sides of two adjacent cathode blocks is associated with several advantages. On the one hand, these improve the sealing between the cathode blocks. Secondly, these improve the sliding properties between the cathode blocks and eventually act as mechanical buffers which at least partially accommodate voltages between the cathode blocks, so that in the above-described alternating cathode block arrangement, shifting respectively on the shorter of the two parallel bases the trapezoid cathode blocks relative to the other cathode blocks vertically upwards only occurs in the presence of greater voltages.
Besonders gute Ergebnisse werden dabei insbesondere erhalten, wenn alle benachbarten Kathodenblöcke mit ihren Längsseiten beabstandet zueinander angeordnet sind, so dass zwischen den Längsseiten der benachbarten Kathodenblöcke jeweils eine Fuge ausgebildet ist, wobei in den Fugen jeweils eine flexible Graphitfolie vorgesehen ist.Particularly good results are obtained in particular when all adjacent cathode blocks are arranged with their longitudinal sides spaced from each other, so that between the longitudinal sides of the adjacent cathode blocks in each case a gap is formed, wherein in each case a flexible graphite foil is provided.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass die flexible Graphitfolie die Fuge, in welcher diese angeordnet ist, ausfüllt. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die flexible Graphitfolie eine Dicke von 0,1 bis 3 mm, bevorzugt von 0,2 bis 1 mm und besonders bevorzugt von 0,2 bis 0,5 mm auf. Auf diese Weise werden die vorstehend beschriebenen Effekte, wie Verbesserung der Abdichtung zwischen den Kathodenblöcken, eine Verbesserung der Gleiteigenschaften zwischen den Kathodenblöcken und die Pufferwirkung, in besonders hohem Ausmaß erreicht.In a further development of the inventive concept, it is proposed that the flexible graphite foil fills the joint in which it is arranged. According to a further preferred embodiment of the present invention, the flexible graphite foil has a thickness of 0.1 to 3 mm, preferably from 0.2 to 1 mm and particularly preferably from 0.2 to 0.5 mm. In this way, the effects described above, such as improving the sealing between the cathode blocks, improving the sliding properties between the cathode blocks and the buffering effect, are achieved to a particularly high degree.
Aus den gleichen Gründen ist es bevorzugt, dass die flexible Graphitfolie eine Rohdichte von 0,5 bis 1,8 g/cm3, bevorzugt von 0,7 bis 1,5 g/cm3 und besonders bevorzugt von 1,0 bis 1,2 g/cm3 aufweist.For the same reasons, it is preferable that the flexible graphite foil have a bulk density of 0.5 to 1.8 g / cm 3 , preferably 0.7 to 1.5 g / cm 3, and more preferably 1.0 to 1, 2 g / cm 3 .
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung eines zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Kathodenblocks oder einer zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Kathode in einer Elektrolysezelle zur Durchführung einer Schmelzflusselektrolyse zur Herstellung von Metall, wie insbesondere von Aluminium. Besonders bevorzugt wird hierbei das Hall-Héroult-Verfahren eingesetzt.Furthermore, the present invention relates to the use of a previously described cathode block according to the invention or a previously described cathode according to the invention in an electrolytic cell for carrying out a fused-salt electrolysis for producing metal, in particular aluminum. Particular preference is given to using the Hall-Héroult process.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Elektrolysezelle, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, welche eine erfindungsgemäße Kathode umfasst. Dabei weist die Kathode wenigstens einen zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Kathodenblock auf und/oder die Kathode ist wie zuvor beschrieben ausgebildet. Vorteilhafterweise, kann auf der Oberseite der Kathode eine Schicht aus flüssigem Aluminium angeordnet sein, darauf eine Schmelzschicht und in diese Schmelzschicht eintauchend eine Anode. Another object of the present invention is an electrolytic cell, in particular for the production of aluminum, which comprises a cathode according to the invention. In this case, the cathode has at least one previously described cathode block according to the invention and / or the cathode is formed as described above. Advantageously, a layer of liquid aluminum can be arranged on the upper side of the cathode, on it a melt layer and immersed in this melt layer an anode.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von diese erläuternden, diese aber nicht einschränkenden Beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben.Hereinafter, the present invention will be further described by way of illustrative but nonlimiting examples thereof with reference to the drawings.
Der in der
Während das Verhältnis zwischen der Höhe H des Trapezes und der Länge der Basis
An der durch die Basis
In der
Wenn bei dem Betrieb einer diese Kathode
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 10, 10', 10''10, 10 ', 10' '
- Kathodenblock mit trapezförmigen Querschnitt Cathode block with trapezoidal cross-section
- 1212
- Trapez trapeze
- 1414
- Basis des Trapezes Base of the trapezoid
- 16, 16'16, 16 '
- Schenkel des Trapezes Thighs of the trapezoid
- 1818
- Deckseite cover page
- 2020
- Nut groove
- 2222
- Kathode cathode
- α, α'α, α '
- Innenwinkel interior angle
- HH
- Höhe des Trapezes Height of the trapezoid
- L L
- Längsrichtung des KathodenblocksLongitudinal direction of the cathode block
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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