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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kathodenblock für eine Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium, eine aus Kathodenblöcken hergestellte Kathode sowie eine Elektrolysezelle umfassend seine solche Kathode.
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Derartige Elektrolysezellen werden zur Herstellung von Aluminium verwendet, wobei industriell üblicherweise das Hall-Heroult-Verfahren angewendet wird. Bei dem Hall-Héroult-Verfahren wird eine aus Aluminiumoxid und Kryolith (Na3[AlF6]) zusammengesetzte Schmelze elektrolysiert, wobei eine Zusammensetzung der Schmelze aus etwa 15 bis 20 % Aluminiumoxid und etwa 85 bis 80 % Kryolith verwendet wird. Das Kryolith dient zur Herabsetzung des Schmelzpunktes von Aluminiumoxid von 2045°C auf etwa 960°C, so dass die Schmelzflusselektrolyse der Mischung aus Kryolith, Aluminiumoxid und Zusatzstoffen wie Aluminiumfluorid und Kalziumfluorid bei Temperaturen von etwa 960 °C durchgeführt werden kann.
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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. Dabei bilden sich zwischen den Kathoden Zwischenräume, die mit Stampfmasse aus Kohlenstoff und/oder Kohlenstoff enthaltendem Material, wie Anthrazit oder Graphit, und einem Binder, wie Steinkohlenteer, gefüllt sind. Dies dient zur Abdichtung gegen die schmelzflüssigen 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 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 Wände 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.
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Etwa 3 bis 5 cm oberhalb der auf der Kathodenseite 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 bestehend aus Aluminiumoxid und Kryolith in Form einer 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 Elektrolyseschicht ab, d.h. es wird eine Zwischenschicht zwischen der Oberseite der Kathodenblöcke und der Elektrolyseschicht gebildet. 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 Elektrolysenboden ausbildende, aus einem oder mehreren Kathodenblöcken zusammengesetzte Bauteil.
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Ein wesentlicher Nachteil der bei dem Hall-Heroult-Verfahren eingesetzten Kathodenanordnung ist deren vergleichsweise geringe Verschleißbeständigkeit, welche sich in einem Abtrag der Kathodenblockoberfächen während der Elektrolyse manifestiert. Dabei erfolgt der Abtrag der Kathodenblockoberflächen aufgrund einer inhomogenen Stromverteilung innerhalb der Kathodenblöcke nicht gleichmäßig über die Länge der Kathodenblöcke, sondern in erhöhtem Ausmaß an den Kathodenblockenden, so dass sich die Oberflächen der Kathodenblöcke nach einer gewissen Elektrolysedauer zu einem W-förmigen Profil verändern. Durch den ungleichmäßigen Abtrag der Kathodenblockoberfläche wird die Nutzungsdauer der Kathodenblöcke durch die Stellen mit dem größten Abtrag begrenzt.
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Um diesem Problem zu begegnen, ist in der
WO 2007/118510 A2 ein Kathodenblock vorgeschlagen worden, dessen zur Aufnahme einer oder mehrerer Stromschiene(n) bestimmte Nut, bezogen auf die Kathodenblocklänge, in der Mitte eine größere Tiefe aufweist als an den Kathodenblockenden. Dadurch wird bei dem Betrieb der Elektrolysezelle über die Kathodenblocklänge eine homogene vertikale Stromverteilung erreicht, wodurch der erhöhte Verschleiß an den Kathodenblockenden verringert wird und so die Lebensdauer der Kathode erhöht wird. Die Stromschiene(n) können dabei zum Beispiel mit Gusseisen umhüllt werden, wobei diese Umhüllung durch Eingießen von flüssigem Gusseisen in den Zwischenraum zwischen der Nut und der bzw. den Stromschiene(n) erfolgt. Die Verwendung von Gusseisen weist den Nachteil auf, dass das Gusseisen beim Eingießen des flüssigen Gusseisens in den Zwischenraum zwischen der Nut der bzw. den Stromschiene(n), während und nach der Inbetriebnahme der den Kathodenblock umfassenden Elektrolysezelle sowie während und nach dem Abschalten der Elektrolysezelle und späterer Inbetriebnahme vergleichsweise großen Temperaturänderungen ausgesetzt ist, welche zu einer Ausdehnung bzw. einem Schrumpf des Gusseisens und der Stromschiene(n) relativ zu dem Kathodenblock führen. Dies kann zu einer Verschlechterung des elektrischen Kontakts zwischen Stromschiene, Gusseisen und Kathodenblock führen, was zu einem erhöhten elektrischen Widerstand der Anordnung und damit zu einer schlechteren Energieeffizienz des Elektrolyseverfahrens führen kann. Anstelle von Gusseisen kann auch Stampfmasse, insbesondere auf Basis von Anthrazit, Graphit oder Mischungen davon eingesetzt werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen alternativen Kathodenblock bereitzustellen, welcher sich zur Verwendung für eine Aluminium-Elektrolysezelle eignet, mit dem bei dem Betrieb der Elektrolysezelle über die Kathodenblocklänge eine homogene vertikale Stromverteilung erreicht wird, welcher zudem auch bei großen Temperaturänderungen einen niedrigen, insbesondere über einen Elektrolysezeitraum dauerhaft niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand und niedrigen Übergangswiderstand zwischen der Stromschiene und dem Kathodenblock aufweist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Kathodenblock für eine Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium auf Basis von Kohlenstoff und/oder Graphit, wobei der Kathodenblock wenigstens eine sich in der Längsrichtung L des Kathodenblocks erstreckende Nut aufweist, wobei wenigstens eine der wenigstens einen Nut zumindest abschnittsweise in Längsrichtung L des Kathodenblocks trapezförmig ausgestaltet ist.
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In Bezug auf seine Maße gibt es keine besonderen Einschränkungen bei dem erfindungsgemäßen Kathodenblock. Im Allgemeinen kann der Kathodenblock bis zu 4000 mm lang, bis zu 950 mm breit und bis zu 600 mm hoch sein. Ein solcher Kathodenblock kann eine Länge von 3500 mm und eine Höhe von 450 mm aufweisen.
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Bei einem Trapez handelt es sich 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 beiden Grundseiten verbindenden Seiten werden als Schenkel bezeichnet. Der erfindungsgemäße Kathodenblock weist eine Nut auf, die zumindest abschnittsweise eine Trapezform aufweist, wobei dieses Trapez an der Basisseite offen ist.
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Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass eine Vergleichmäßigung der vertikalen Stromdichteverteilung erreicht werden kann, wenn wenigstens eine der wenigstens einen Nut, bevorzugt alle der Nuten, zumindest abschnittsweise in Längsrichtung L des Kathodenblocks trapezförmig ausgestaltet ist. Dadurch werden eine übermäßige elektrische Stromdichte an den längsseitigen Enden des Kathodenblocks, und so ein vorzeitiger Verschleiß an den Enden des Kathodenblocks, vermieden. Durch eine solche gleichmäßige Stromdichteverteilung über die Länge des Kathodenblocks werden zudem bei der Elektrolyse durch Wechselwirkung elektromagnetischer Felder hervorgerufene Bewegungen in der Aluminiumschmelze vermieden, wodurch es möglich wird, die Anode in einer geringeren Höhe über der Oberfläche der Aluminiumschmelze anzuordnen.
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Somit wird der elektrische Widerstand zwischen der Anode und der Aluminiumschmelze verringert und die Energieeffizienz der durchgeführten Schmelzflusselektrolyse erhöht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Basisseite L1 des Trapez eine Länge L1 auf, welche 15 -100 %, bevorzugt 30 - 80 %, besonders bevorzugt 40 - 70 %, der gesamten Länge L des Kathodenblocks entspricht.
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Im Falle, dass L1 nicht 100 % der Länge L des Kathodenblocks entspricht, können die Längen L4, welche der Länge der Nut beginnend von der jeweiligen lateralen Seite des Kathodenblocks bis zum jeweiligen Beginn des Trapezes B1 oder B2 entsprechen, unterschiedlich oder gleich lang, bevorzugt gleich lang, sein. Durch das Flachhalten der Nut über definierte Bereiche, welche den Längen L4 entsprechen, wird es ermöglicht, die Stromdichte weiter in Richtung der Mitte des Kathodenblocks zu verschieben, was zu einer verbesserten Stromdichteverteilung über die Länge des Kathodenblocks gesehen führt. Die Längen L4 können unterschiedlich lang sein, wodurch eine homogenere Stromdichteverteilung erreicht werden kann, wenn unsymmetrische Stromdichteverteilungen an den jeweiligen Enden des Kathodenblocks vorliegen.
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Vorzugsweise weisen die Längen L4 der Nut unabhängig voneinander jeweils eine Länge von 0 bis 1500 mm, bevorzugt von 250 bis 1250 mm, besonders bevorzugt von 500 bis 1000 mm, und am meisten bevorzugt von 750 mm auf.
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Besonders bevorzugt sind die Längen L4 der Nut gleich lang und weisen jeweils eine Länge von 0 bis 1500 mm, bevorzugt von 250 bis 1250 mm, besonders bevorzugt von 500 bis 1000 mm, ganz besonders bevorzugt von 750 mm, auf.
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Die Deckseite des Trapezes weist eine Länge L3 auf, welche mindestens 35 % der Länge L1 des Trapezes entspricht. Bevorzugt beträgt die Länge L3 50 %, bevorzugter 75 %, der Länge L1 des Trapezes. Durch die Breite der wenigstens einen Nut und der jeweiligen Länge L3 des Trapezes wird um die Mitte des Kathodenblocks herum eine flache Nutebene aufgespannt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Innenwinkel α des Trapezes ungleich oder gleich, und nehmen unabhängig voneinander einen Winkel von mehr als 0° und weniger als 90 °, bevorzugt von 20 - 70°, besonders bevorzugt von 30 - 60°, ganz besonders bevorzugt 40 - 50 ° und am meisten bevorzugt von 45° ein.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden die Längen L2 der Nut definiert als Differenz der Länge der Basisseite und der Länge der Deckseite des Trapezes, wobei hier zur Berechnung der jeweilige Anfangspunkt B1 und B3 der Basis- bzw. der Deckseite und der jeweilige Endpunkt B2 und B4 der Basis-bzw. der Deckseite des Trapezes herangezogen wird (s. 2).
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Die Längen L2 können unterschiedlich oder gleich lang sein; bevorzugt sind die Längen L2 gleich lang. Vorzugsweise weist die Länge von L2 der Nut unabhängig voneinander jeweils eine Länge von 0 bis 500 mm, bevorzugt von 200 bis 400 mm, besonders bevorzugt von 250 mm, auf. Besonders bevorzugt sind die Längen L2 gleich lang und weisen eine Länge von 0 bis 500 mm, bevorzugt von 200 bis 400 mm, besonders bevorzugt von 250 mm, auf.
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In dem Bereich der Nut, welcher durch die Länge L2 definiert wird, findet die Reduktion der Nuttiefe statt. Vorteilhafterweise erfolgt diese Reduktion der Nuttiefe in Bereichen, bei welchen ohne Vorhandensein eine Nut mit variabler Tiefe, der Durchschnittswert der Stromdichteverteilung zu finden ist. Auf diese Art und Weise kann eine verbesserte Homogenisierung der Stromdichteverteilung erreicht werden.
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Die Höhe H1 wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung als die Höhe des trapezförmigen Teils der Nut angesehen. Vorteilhafterweise beträgt die Höhe H1 2 - 40 %, bevorzugter 5 - 30 %, und besonders bevorzugt 10 - 20 % der Gesamthöhe H des Kathodenblocks. Die Höhe H2 stellt die Höhe des Anteils der Nut dar, welche die Stromschiene und gegebenenfalls ein Kontaktmedium wie Gusseisen oder Stampfmasse aufnimmt. Vorteilhafterweise beträgt die Höhe H1 20 bis 50 % der Höhe H2, bevorzugter 30 bis 40 %.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Ecken und Kanten der mindestens einen Nut, welche zumindest abschnittsweise trapezförmig ausgestaltet ist, in runder Form ausgeführt. Durch die runden Formen erfolgt eine gleichmäßigere Kräfteverteilung, was zu weniger Spannungen und damit zu weniger Rissen und Defekten in dem Kathodenblock führt. Dies gilt insbesondere beim Eingiessen der Stromschienen und der dann folgenden thermischen Aufheiz- und Abkühlphase während der Inbetriebnahme der Elektrolysezelle.
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Der erfindungsgemäße Kathodenblock ist vorzugsweise aus einem Material zusammengesetzt, welches mindestens 50 Gew.-% Kohlenstoff, bevorzugt mindestens 70 Gew.-%, besonders bevorzugt 90 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt 99 Gew.-% enthält.
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Bevorzugt ist der Kohlenstoff aus der Gruppe bestehend aus amorphen Kohlenstoffen, graphitischen Kohlenstoffen, graphitierten Kohlenstoffen und beliebigen Mischungen aus zwei oder mehr der vorangegangenen Kohlenstoffen ausgewählt.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Kathodenanordnung, welche wenigstens einen zuvor beschriebenen Kathodenblock umfasst. Eine solche Kathodenanordnung umfasst bevorzugt 8 - 36 dieser Kathodenblöcke.
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Ein zusätzlicher Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Elektrolysezelle, die eine erfindungsgemäße Kathodenanordnung umfasst.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben.
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1 zeigt im Längsschnitt einen Kathodenblock (1) gemäß dem Stand der Technik. Die zur Aufnahme einer oder mehrerer Stromschienen (4) bestimmte Nut (2) mit einem zwischen Stromschiene und Nut liegendem Kontaktmedium (3) weist bezogen auf die Kathodenblocklänge (L) in der Mitte (L/2) eine größere Tiefe auf als an den Kathodenblockenden. Als Kontaktmedium kann hierbei Gusseisen dienen.
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2 zeigt im Längsschnitt einen erfindungsgemäßen Kathodenblock (1) mit einer Nut (2), einem zwischen Stromschiene und Nut liegendem Kontaktmedium (3) und einer Stromschiene (4). Die Nut (2) weist bezogen auf die Kathodenblocklänge (L) in der Mitte (L/2) eine größere Tiefe auf als an den Kathodenblockenden. Die Basisseite des Trapezes weist eine Länge L1 auf, welche 15-100% der gesamten Länge L des Kathodenblocks entspricht. Die Längen L4 , welche der Länge beginnend von der jeweiligen lateralen Seite des Kathodenblocks bis zum jeweiligen Beginn des Trapezes B1 bzw. B2 entsprechen, sind in der gezeigten Ausführungsform gleich lang. Die Deckseite des Trapezes des Kathodenblocks weist eine Länge L3 auf, und beträgt mindestens 35 % der Länge L1. Die Längen L2 entsprechen der jeweiligen Differenz der Länge L1 der Basisseite und der Länge L3 der Deckseite des Trapezes, wobei hier zur Berechnung der jeweilige Anfangspunkt B1 und B3 der Basis- bzw. der Deckseite und der jeweilige Endpunkt B2 und B4 der Basis-bzw. der Deckseite des Trapezes herangezogen wird. Die Höhe H1 stellt die Höhe des trapezförmigen Teils der Nut dar, und die Höhe H2 entspricht der Höhe der Nut, welcher die Stromschiene und das Kontaktmedium umfasst.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kathodenblock
- 2
- Nut
- 3
- Kontaktmedium
- 4
- Stromschiene
- L
- Kathodenblocklänge
- L/2
- Mitte der Kathodenblocklänge
- L1
- Länge der Basisseite des Trapezes
- L2
- Längendifferenz zwischen Basisseite und Deckseite des Trapezes
- L3
- Länge der Deckseite des Trapezes
- L4
- Länge der Nut von der lateralen Seite des Kathodenblocks bis Beginn Trapez
- H
- Höhe des Kathodenblocks
- H1
- Höhe des trapezförmigen Teils der Nut
- H2
- Höhe des Anteils der Nut, welcher Stromschiene und Kontaktmedium aufnimmt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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