DE102012218959A1

DE102012218959A1 - Kathodenblock mit trapezförmigem Querschnitt

Info

Publication number: DE102012218959A1
Application number: DE201210218959
Authority: DE
Inventors: Frank Hiltmann; Janusz Tomala; Ghazanfar Abbas
Original assignee: SGL Carbon SE
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 2012-10-17
Filing date: 2012-10-17
Publication date: 2014-04-30

Abstract

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.

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.
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.
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.
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.
Ein bedeutender Nachteil der bekannten, vorstehend beschriebenen Elektrolysezellen ist die zwischen den einzelnen benachbarten Kathodenblöcken vorgesehene Stampfmasse.
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.
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.
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.
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.
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.
Eine andere Alternative zu dem Vorsehen von Stampfmasse zwischen den Kathodenblöcken wird in der WO 2010/142580 offenbart. Hierin wird zum Füllen der Fugen zwischen den Kathodenblöcken an Stelle von Stampfmasse eine vorverdichtete Platte aus expandiertem Graphit, vorzugsweise in der Form einer Folie aus expandiertem Graphit, verwendet. Zwar wird durch die Verwendung einer vorverdichteten Graphitplatte im Vergleich zu der Verwendung von Stampfmasse die Breite der Fuge zwischen den Kathodenblöcken verringert und so die wirksame Kathodenfläche erhöht, allerdings ist es noch erforderlich, dass eine Fuge vorhanden ist, wobei diese Fuge zu einer Verringerung der wirksamen Kathodenfläche führt.
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, welche 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 Umweltschutzrelevanten Probleme bei dem Verarbeiten und Carbonisieren von Stampfmasse und eine Erhöhung des Kathodenverschleißes.
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.
Unter Querschnitt des Kathodenblocks wird in diesem Zusammenhang ein Schnitt senkrecht zu der Längsachse des Kathodenblocks verstanden.
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.
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.
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.
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.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass einer der beiden zwischen der Basis und den beiden Schenkeln des den Querschnitt des Kathodenblocks ausbildenden Trapezes gebildeten Innenwinkel mehr als 80° bis weniger als 90°, bevorzugt 82° bis 88°, besonders bevorzugt 84 bis 86°, insbesondere 85°, beträgt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung 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 mehr als 80° bis weniger als 90°, bevorzugt 82° bis 88°, besonders bevorzugt 84 bis 86°, insbesondere 85°, betragen.
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 mehr als 80° bis weniger als 90°, bevorzugt 82° bis 88°, besonders bevorzugt 84 bis 86°, insbesondere 85°. 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 mehr als 80° bis weniger als 90°, bevorzugt 82° bis 88°, besonders bevorzugt 84 bis 86°, insbesondere 85°. 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. 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.
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.
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.
Die Länge des Kathodenblocks beträgt vorzugsweise 2.500 bis 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.
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.
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.
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 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.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Kathode, welche wenigstens einen zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Kathodenblock enthält.
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.
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 sind die einzelnen benachbarten Kathodenblöcke bündig zueinander angeordnet, d.h. deren Unter- und Oberseite liegen in jeweils in einer Ebene.
Vorzugsweise weisen alle Kathodenblöcke ausgenommen der randseitigen Kathodenblöcke den gleichen Querschnitt auf. Auf diese Weise wird eine besonders gute Passgenauigkeit der Kathodenblöcke erhalten.
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.
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.
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.
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.
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, zum anderen wirken diese als mechanische Puffer, welche Spannungen zwischen den Kathodenblöcken zumindest teilweise bzw. zu einem gewissen Ausmaß aufnehmen.
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.
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 und die Pufferwirkung, in besonders hohem Ausmaß erreicht.
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.
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.
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.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von diese erläuternden, diese aber nicht einschränkenden Beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben.
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Kathodenblocks gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Querschnittsansicht des in der 1 gezeigten Kathodenblocks.
3 ist eine perspektivische Ansicht einer Kathode gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Der in der 1 perspektivisch dargestellte Kathodenblock 10, dessen Querschnitt vergrößert in der 2 dargestellt ist, weist einen Querschnitt in der Form eines symmetrischen gleichschenkligen Trapezes 12 auf, welches durch die Basis 14, die beiden Schenkel 16, 16' sowie die Deckseite 18 begrenzt sind. Beide Schenkel 16, 16' sind gleich lang und die Innenwinkel α, α', welche zwischen den Schenkeln 16, 16' und der Basis ausgebildet sind, betragen etwa 60°.
Während das Verhältnis zwischen der Höhe H des Trapezes und der Länge der Basis 14 des Trapezes 12 etwa 0,4:1,0 beträgt, beträgt das Verhältnis zwischen der Länge der Basis 14 des Trapezes 12 und der Länge der Deckseite 18 des Trapezes 12 etwa 2:1.
An der durch die Basis 14 begrenzten Unterseite des Trapezes 12 ist eine Aussparung in der Form einer Nut 20 vorgesehen, welche sich, wie aus der 1 ersichtlich, über die gesamte Längsrichtung L des Kathodenblocks 10 erstreckt.
In der 3 ist eine aus acht Kathodenblöcken 10, 10', 10'' zusammengesetzte Kathode 22 dargestellt, welche jeweils benachbart und bündig zueinander angeordnet sind. Während die sechs innenliegenden Kathodenblöcke 10, 10' jeweils wie in den 1 und 2 dargestellt einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen, sind die randseitigen Kathodenblöcke 10'' im Querschnitt halbtrapezförmig ausgebildet. Dabei sind die innenliegenden Kathodenblöcke 10, 10' alternierend angeordnet, d.h. jeweils ein auf der längeren Basis der beiden parallelen Grundseiten des Trapezes liegender Kathodenblock 10 – d.h. ein Kathodenblock, dessen Unterseite die Basis ist – ist mit seinen Längsseiten zwei auf der kürzeren der beiden parallelen Grundseiten angeordneten Kathodenblöcken 10' – d.h. Kathodenblöcken, deren Oberseiten die Basis sind – benachbart. Alle Kathodenblöcke 10, 10', 10'' sind direkt aneinander angrenzend benachbart zueinander angeordnet, so dass sich zwischen diesen außer etwaiger Luft kein Medium und insbesondere keine Stampfmasse oder Klebmasse befindet.
Wenn bei dem Betrieb einer diese Kathode 22 umfassenden Elektrolysezelle, wie beispielsweise bei dem Aufheizen der Elektrolysezelle auf Betriebstemperatur, d.h. etwa 960°C, Spannungen zwischen den Kathodenblöcken 10, 10', 10'' auftreten, wie beispielsweise Spannungen infolge der Wärmeausdehnung der Kathodenblöcke 10, 10', 10'', verschieben sich die auf der kürzeren der beiden parallelen Grundseiten angeordneten Kathodenblöcken 10' durch gleitende Bewegung entlang der Längsseiten der benachbarten auf der längeren Basis der beiden parallelen Grundseiten des Trapezes liegenden Kathodenblöcke 10 vertikal nach oben und rutschen somit aus der Kathodenoberfläche nach oben heraus. Dadurch werden die Spannungen vollständig kompensiert bzw. abgebaut, und zwar unter Vermeidung der mit der Verwendung von Stampfmassen einhergehenden Nachteile, wie insbesondere eine Verringerung der effektiven Kathodenoberfläche, die sicherheitstechnischen Probleme bei dem Anbringen und Warten von Stampfmasse und eine Erhöhung des Kathodenverschleißes.
Bezugszeichenliste

10, 10', 10'': Kathodenblock mit (halb)-trapezförmigen Querschnitt
12: Trapez
14: Basis des Trapezes
16, 16': Schenkel des Trapezes
18: Deckseite
20: Nut
22: Kathode
α, α': Innenwinkel
H: Höhe des Trapezes
L: Längsrichtung des Kathodenblocks

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2010/142580 [0011]

Claims

Kathodenblock (10, 10') für eine Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium auf Basis von Kohlenstoff, wobei der Querschnitt des Kathodenblocks (10, 10') die Form eines Trapezes (12) aufweist.
Kathodenblock (10, 10') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer der beiden zwischen der Basis (14) und den beiden Schenkeln (16, 16') des Trapezes (12) gebildeten Innenwinkel (α, α') oder beide der zwischen der Basis (14) und den beiden Schenkeln (16, 16') des Trapezes (12) gebildeten Innenwinkel (α, α') mehr als 80° und weniger als 90° beträgt/betragen.
Kathodenblock (10, 10') nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Kathodenblocks (10, 10') die Form eines gleichschenkligen Trapezes (12) aufweist.
Kathodenblock (10, 10') nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Höhe (H) des Trapezes (12) und der Länge der Basis (14) des Trapezes (12) 0,4:1,0 bis 1,0:1,0, und/oder das Verhältnis zwischen der Länge der Basis (14) des Trapezes (12) und der Länge der Deckseite (18) des Trapezes (12) 1,1:1,0 bis 3,0:1,0 beträgt.
Kathodenblock (10, 10') nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser aus einem Material zusammengesetzt ist, welches mindestens 50 Gew.-% Kohlenstoff enthält.
Kathodenblock (10, 10') nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoff aus der Gruppe bestehend aus amorphen Kohlenstoffen, graphitischen Kohlenstoffen, graphitierten Kohlenstoffen und beliebigen Mischungen aus zwei oder mehr der vorgenannten Kohlenstoffen ausgewählt ist.
Kathode (22), welche wenigstens einen Kathodenblock (10, 10') nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche enthält.
Kathode (22) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass diese 8 bis 36 Kathodenblöcke (10, 10', 10'') umfasst.
Kathode (22) nach Anspruch 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass alle Kathodenblöcke (10, 10', 10'') mit ihren Längsseiten nebeneinanderliegend angeordnet sind, alle Kathodenblöcke (10, 10') ausgenommen der randseitigen Kathodenblöcke (10'') einen wie in einem der Ansprüche 1 bis 4 spezifizierten Querschnitt aufweisen und jeweils benachbarte Kathodenblöcke (10, 10') bezüglich deren Deckseite (18) und Basis (14) alternierend angeordnet sind.
Kathode (22) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen benachbarten Kathodenblöcke (10, 10', 10'') bündig zueinander angeordnet sind, so dass deren Unter- und Oberseite jeweils in einer Ebene liegen.
Kathode (22) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenblöcke (10, 10') ausgenommen der randseitigen Kathodenblöcke (10'') den gleichen Querschnitt aufweisen.
Kathode (22) nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Kathodenblöcke (10, 10', 10'') mit ihren Längsseiten direkt aneinander angrenzen, ohne dass zwischen den Längsseiten benachbarter Kathodenblöcke (10, 10', 10'') eine Fuge ausgebildet ist oder dass zwischen den Längsseiten benachbarter Kathodenblöcke (10, 10', 10'') jeweils eine Fuge ausgebildet ist.
Kathode (22) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Längsseiten benachbarter Kathodenblöcke (10, 10', 10'') jeweils eine Fuge ausgebildet ist, wobei in den Fugen jeweils eine flexible Graphitfolie vorgesehen ist.
Elektrolysezelle, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Kathode (22) nach den Ansprüchen 8 bis 13 umfasst.