DE102022129668A1

DE102022129668A1 - Cathode current collector and connector assembly for an aluminum electrolytic cell

Info

Publication number: DE102022129668A1
Application number: DE102022129668.7A
Authority: DE
Inventors: René Von Kaenel; Seweryn MIELNIK; Markus Pfeffer; Gualtiero SPINETTI; Oscar Vera Garcia
Original assignee: Novalum SA; Tokai Cobex GmbH
Current assignee: Novalum SA; Tokai Cobex GmbH
Priority date: 2022-11-09
Filing date: 2022-11-09
Publication date: 2024-05-16
Also published as: WO2024100141A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kathodenstromkollektor- und -verbinderanordnung, einen Satz von Teilen zur Herstellung eines Kathodenstromkollektors und eine Aluminium-Elektrolysezelle mit einer Kathodenstromkollektor- und -verbinderanordnung.The invention relates to a cathode current collector and connector assembly, a set of parts for producing a cathode current collector and an aluminum electrolytic cell with a cathode current collector and connector assembly.

Description

ERFINDUNGSGEBIETFIELD OF INVENTION

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Aluminium wird nach dem Hall-Heroult-Verfahren durch Elektrolyse von in Kryolith-Elektrolyten gelöstem Aluminiumoxid bei Temperaturen von bis zu 1000 °C hergestellt. Eine typische Hall-Heroult-Zelle besteht aus einem Stahlmantel, einer isolierenden Auskleidung aus feuerfesten Materialien und einer Kohlenstoffkathode, die das flüssige Metall enthält. Die Kathode besteht aus einer Reihe von Kathodenblöcken, in deren Boden Kollektorbarren eingelassen sind, um den durch die Zelle fließenden Strom abzuleiten.Aluminium is produced by the Hall-Heroult process by electrolysis of aluminium oxide dissolved in cryolite electrolytes at temperatures of up to 1000 °C. A typical Hall-Heroult cell consists of a steel shell, an insulating lining made of refractory materials and a carbon cathode containing the liquid metal. The cathode consists of a series of cathode blocks with collector bars embedded in the bottom to conduct the current flowing through the cell.

In einer Reihe von Patentveröffentlichungen wurden verschiedene Ansätze zur Minimierung des Spannungsabfalls zwischen dem flüssigen Metall und dem Ende der Kollektorbarren vorgeschlagen. WO 2008/062318 offenbart die Verwendung eines hochleitfähigen Materials als Ergänzung zu den bestehenden Kollektorbarren aus Stahl und verweist auf WO 02/42525 , WO 01/63014 , WO 01/27353 , WO 2004/031452 und WO 2005/098093 , die Lösungen mit Kupfereinsätzen in Kollektorbarren aus Stahl offenbaren. Im US-Patent 4,795,540 werden die Kathode und die Kollektorbarren in Abschnitte unterteilt. WO 2001/27353 und WO 2001/063014 verwenden hochleitfähige Materialien im Inneren der Kollektorbarren. US 2006/0151333 behandelt die Verwendung unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeiten in den Kollektorbarren. WO 2007/118510 schlägt vor, den Querschnitt des Kollektorbarrens zu vergrößern, wenn man sich zur Mitte der Zelle bewegt, um die Stromverteilung an der Kathodenoberfläche zu verändern. US 5,976,333 und US 6,231 ,745 beschreiben die Verwendung eines Kupfereinsatzes im Inneren des Kollektorbarrens aus Stahl. EP 2 133 446 A1 beschreibt die Anordnung von Kathodenblöcken zur Veränderung der Oberflächengeometrie der Kathode, um die Wellen an der Oberfläche des Metallpads zu stabilisieren und somit den ACD (Anoden-Kathoden-Abstand) zu minimieren. WO 2011/148347 beschreibt eine Kohlenstoffkathode einer Aluminiumproduktionszelle, die hoch elektrisch leitende Einsätze umfasst, die in Umhüllungen innerhalb der Kohlenstoffkathode eingeschlossen sind. Diese Einsätze verändern die Leitfähigkeit des Kathodenkörpers, sind aber nicht an der Stromsammlung und -abnahme durch die Kollektorbarren beteiligt. Die elektrische Leitfähigkeit von geschmolzenem Kryolith ist sehr gering, und der ACD kann wegen der Bildung magnetohydrodynamischer Instabilitäten, die zu Wellen an der Metall-Bad-Grenzfläche (Metall - Kryolith-Elektrolyt) führen, nicht wesentlich verringert werden. Das Vorhandensein von Wellen führt zu einem Verlust der Stromeffizienz des Prozesses und verhindert, den Energieverbrauch unter einen kritischen Wert zu senken. In der Aluminiumindustrie ist die Stromdichte im Durchschnitt so hoch, dass der Spannungsabfall im ACD minimal bei 0,3 V/cm ist. Bei einem ACD von 3 bis 5 cm beträgt der Spannungsabfall im ACD typischerweise 1,0 V bis 1,5 V. Das Magnetfeld im Inneren des Flüssigmetalls ist das Ergebnis der Ströme, die in den externen Sammelschienen fließen, und der internen Ströme. Die interne lokale Stromdichte im Flüssigmetall wird hauptsächlich durch die Geometrie der Kathode und ihre lokale elektrische Leitfähigkeit bestimmt. Das Magnetfeld und die Stromdichte erzeugen das Lorentz-Kraftfeld, das seinerseits die Kontur der Metalloberfläche erzeugt; das Geschwindigkeitsfeld des Metalls definiert die grundlegende Umgebung für die magnetisch-hydrodynamische Zellstabilität. Die Stabilität der Zelle kann als die Fähigkeit ausgedrückt werden, den ACD zu senken, ohne instabile Wellen an der Oberfläche des Metallpads zu erzeugen. Das Stabilitätsniveau hängt von der Stromdichte und der Induktion von Magnetfeldern, aber auch von der Form des Flüssigmetallbeckens ab. Die Form des Beckens hängt von der Oberfläche der Kathode und der Form der Kanten ab. Die Lösungen nach dem Stand der Technik entsprechen bis zu einem gewissen Grad dem erforderlichen magnetohydrodynamischen Zustand, um eine gute Zellstabilität (niedrige ACD) zu erreichen, aber die Lösungen, die Kupfereinsätze verwenden, erfordern oft anspruchsvolle Bearbeitungsprozesse.A number of patent publications have proposed various approaches to minimize the voltage drop between the liquid metal and the end of the collector bars. WO 2008/062318 reveals the use of a highly conductive material to complement the existing steel collector bars and refers to WO 02/42525 , WO 01/63014 , WO 01/27353 , WO 2004/031452 and WO 2005/098093 , which reveal solutions with copper inserts in steel collector bars. US Patent 4,795,540 the cathode and the collector bars are divided into sections. WO 2001/27353 and WO 2001/063014 use highly conductive materials inside the collector bars. US2006/0151333 deals with the use of different electrical conductivities in the collector bars. WO 2007/118510 suggests increasing the cross-section of the collector bar as one moves towards the centre of the cell to change the current distribution at the cathode surface. US$5,976,333 and US$6,231,745 describe the use of a copper insert inside the steel collector bar. EP 2 133 446 A1 describes the arrangement of cathode blocks to change the surface geometry of the cathode in order to stabilize the waves on the surface of the metal pad and thus minimize the ACD (anode-cathode distance). WO 2011/148347 describes a carbon cathode of an aluminum production cell comprising highly electrically conductive inserts enclosed in sheaths within the carbon cathode. These inserts modify the conductivity of the cathode body but are not involved in the current collection and collection by the collector bars. The electrical conductivity of molten cryolite is very low and the ACD cannot be reduced significantly because of the formation of magnetohydrodynamic instabilities leading to waves at the metal-bath interface (metal - cryolite electrolyte). The presence of waves leads to a loss of current efficiency of the process and prevents reducing energy consumption below a critical value. In the aluminum industry, the current density is on average so high that the voltage drop in the ACD is minimal at 0.3 V/cm. For an ACD of 3 to 5 cm, the voltage drop across the ACD is typically 1.0 V to 1.5 V. The magnetic field inside the liquid metal is the result of the currents flowing in the external busbars and the internal currents. The internal local current density in the liquid metal is mainly determined by the geometry of the cathode and its local electrical conductivity. The magnetic field and current density generate the Lorentz force field, which in turn generates the contour of the metal surface; the velocity field of the metal defines the basic environment for magnetohydrodynamic cell stability. The stability of the cell can be expressed as the ability to lower the ACD without generating unstable waves at the surface of the metal pad. The stability level depends on the current density and the induction of magnetic fields, but also on the shape of the liquid metal pool. The shape of the pool depends on the surface of the cathode and the shape of the edges. The state-of-the-art solutions meet to some extent the required magnetohydrodynamic state to achieve good cell stability (low ACD), but the solutions using copper inserts often require sophisticated machining processes.

Daher ist in den letzten Jahren der Trend zu beobachten, Kollektorbarren aus Stahl, die mit Kupfereinsätzen versehen sind, durch reine Kupferkollektorbarren zu ersetzen. Die Kollektorbarren aus Kupfer bestehen in der Regel aus einem zentralen Teil, der unter einem zentralen Teil der Kohlenstoffkathode angeordnet ist, normalerweise direkt in einer Kathodennut oder einem Durchgangsloch als Träger, wobei dieser zentrale Teil des Kollektorbarrens aus Kupfer zumindest mit seiner oberen Außenfläche in direktem elektrischen Kontakt mit der Kohlenstoffkathode oder in Kontakt mit der Kohlenstoffkathode über eine elektrisch leitende Zwischenschicht steht, die durch einen elektrisch leitenden Klebstoff und/oder eine elektrisch leitende flexible Folie oder Platte gebildet wird, die über der Oberfläche des hoch elektrisch leitenden Kollektorbarrens angebracht ist. Der Kollektorbarren aus Kupfer besteht aus einem oder zwei äußeren Teilen, die sich neben und auf einer Seite oder auf beiden Seiten des mittleren Teils befinden, und einem oder mehreren Endteilen, die sich von dem/den äußeren Teil(en) nach außen erstrecken. Diese Anschlussendteile des Kollektorbarrens aus Kupfer sind jeweils mit einem Stahlkonduktorbarren mit größerer Querschnittsfläche als der hoch elektrisch leitende Kollektorbarren elektrisch in Reihe geschaltet, wobei sich der/die Stahlkonduktorbarren zur Verbindung mit einer externen Stromversorgungssammelschiene nach außen erstreckt/erstrecken.Therefore, in recent years, the trend has been to replace steel collector bars provided with copper inserts by pure copper collector bars. The copper collector bars typically consist of a central part placed under a central part of the carbon cathode, usually directly in a cathode groove or through-hole as a support, this central part of the copper collector bar being at least with its upper outer surface in direct electrical contact with the carbon cathode or in contact with the carbon cathode via an electrically conductive intermediate layer formed by an electrically conductive adhesive and/or an electrically conductive flexible foil or plate placed over the surface of the highly electrically conductive collector bar. The copper collector bar consists of one or two outer parts located next to and on one side or both sides of the central part and one or more end parts extending outward from the outer part(s). These terminal end portions of the copper collector bar are each electrically connected in series with a steel conductor bar having a larger cross-sectional area than the highly electrically conductive collector bar, the steel conductor bar(s) extending outwardly for connection to an external power supply bus bar.

Bei dieser bekannten Anordnung sind die Endteile des hoch elektrisch leitenden Metallbarrens vorzugsweise elektrisch mit dem Stahlkonduktorbarren in Reihe geschaltet und bilden eine Übergangsverbindung, bei der der hoch elektrisch leitende Metallbarren und der Stahlkonduktorbarren durch Schweißen, durch elektrisch leitenden Klebstoff und/oder durch Mittel zum Aufbringen eines mechanischen Drucks, wie z. B. eine Klemme, zur Erzielung einer Presspassung miteinander verbunden sind. Alternativ können die befestigten Endteile auch verschraubt werden. Die die Übergangsverbindung bildenden Barren erstrecken sich nach außen, um mit einem Sammelschienennetz außerhalb der Zelle verbunden zu werden, wobei die sich nach außen erstreckenden Endabschnitte der Stahlbarren einen vergrößerten Querschnitt aufweisen, um den Spannungsabfall zu verringern und das thermische Gleichgewicht der Zelle zu gewährleisten. Die bekannte Anordnung mit Stahlbarren, die eine Übergangsverbindung bilden, ist teilweise zufriedenstellend, da sie einen angemessenen Wärmeverlust im Gegenzug für einen geringen Überspannungsabzug erzeugt. Der Kupfer/Stahl-Kontakt ist jedoch kompliziert und führt zu erhöhten Herstellungskosten, während diese Kupfer/Stahl-Kontakte im Laufe der Zeit anfällig für Degradation sind, was zu einem schlechten Kontakt führt. Außerdem hat sich herausgestellt, dass ein hohes Risiko besteht, dass eine solche Verbindung versagt und zu Verbindungsverlusten und/oder hohen Spannungsabfällen und Energieverlusten führt. Dies wirkt sich drastisch auf die Leistung der Zelle aus.In this known arrangement, the end portions of the highly electrically conductive metal bar are preferably electrically connected in series with the steel conductor bar and form a transition joint in which the highly electrically conductive metal bar and the steel conductor bar are connected to one another by welding, by electrically conductive adhesive and/or by means for applying mechanical pressure such as a clamp to achieve an interference fit. Alternatively, the attached end portions may be bolted. The bars forming the transition joint extend outwardly to be connected to a busbar network outside the cell, the outwardly extending end portions of the steel bars having an enlarged cross-section to reduce the voltage drop and ensure the thermal equilibrium of the cell. The known arrangement with steel bars forming a transition joint is partially satisfactory because it produces a reasonable heat loss in return for a low overvoltage drawdown. However, the copper/steel contact is complicated and results in increased manufacturing costs, while these copper/steel contacts are prone to degradation over time, resulting in poor contact. Moreover, it has been found that there is a high risk of such a connection failing, resulting in connection losses and/or high voltage drops and energy losses. This drastically affects the performance of the cell.

Die WO 2018/019888 A1 schlägt daher vor, den Aufbau des Kollektorbarrens zu vereinfachen, indem ein einteiliger Kupferbarren von der Innenseite der Kohlenstoffkathode direkt aus der Zelle herausgeführt wird, wo er an Stelle des bisherigen Stahlkonduktorelements angeschlossen werden kann. Der Verzicht auf das Stahlkonduktorenelement sorgt zwar für eine gewisse Vereinfachung, aber um eine Reduzierung des Wärmestroms zur Vermeidung des Einfrierens des Kryolithen zu erreichen, muss die Konstruktion des Konduktorbarrens an den Endteilen angepasst werden und/oder es müssen zusätzliche Verbindungselemente wie flexible Kupfer- oder Aluminiumelemente eingesetzt werden. Die entsprechenden konstruktiven Anpassungen können aufwändig und kostspielig sein, weshalb noch Verbesserungsbedarf im Hinblick auf eine einfache und effiziente Gestaltung der derzeitigen Übergangselemente besteht.The WO 2018/019888 A1 therefore proposes simplifying the construction of the collector bar by leading a one-piece copper bar from the inside of the carbon cathode directly out of the cell, where it can be connected in place of the existing steel conductor element. Although omitting the steel conductor element simplifies things to a certain extent, in order to reduce the heat flow to prevent the cryolite from freezing, the design of the conductor bar must be adapted at the end parts and/or additional connecting elements such as flexible copper or aluminum elements must be used. The corresponding design adaptations can be complex and expensive, which is why there is still room for improvement with regard to a simple and efficient design of the current transition elements.

ERFINDUNGSGEGENSTANDSUBJECT OF THE INVENTION

Folglich ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Kathodenstromkollektor- und -verbinderanordnung für eine Aluminiumelektrolysezelle bereitzustellen, die eine höhere und zuverlässigere Leistung aufweist, die kostengünstig ist und die es ermöglicht, eine Elektrolyse mit einem dauerhaft niedrigen Übergangswiderstand sowie geringen Spannungsabfällen und ohne das Risiko des Einfrierens von Kryolith während des Betriebs der Elektrolysezelle durchzuführen.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a cathode current collector and connector assembly for an aluminum electrolysis cell which has higher and more reliable performance, which is cost effective and which enables electrolysis to be carried out with a permanently low contact resistance and low voltage drops and without the risk of cryolite freezing during operation of the electrolysis cell.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION

Die oben genannten Probleme werden gelöst durch eine Kathodenstromkollektor und -verbinderanordnung für eine Aluminium-Elektrolysezelle, die Folgendes umfasst

a) ein Stromkollektorsystem aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit einer optionalen Stahlschutzschichtverkleidung, die das Stromkollektorsystem zumindest teilweise umhüllt,
b) eine kohlenstoffhaltige Kathode mit einer Nut zur Aufnahme eines ersten Teils des Stromkollektorsystems,
c) ein Stahlkonduktorelement mit einer Ausnehmung zur Aufnahme eines zweiten Teils des Stromkollektorsystems,

wobei der erste Abschnitt des Stromkollektorsystems in der Nut der kohlenstoffhaltigen Kathode angeordnet ist, und wobei der zweite Abschnitt des Stromkollektorsystems in der Ausnehmung des Konduktorelements aus Stahl angeordnet ist und wobei der zweite Abschnitt des Stromkollektorsystems zumindest teilweise in direktem Kontakt mit dem Stahlkonduktorelem entsteht.The above problems are solved by a cathode current collector and connector assembly for an aluminum electrolytic cell, comprising

(a) a current collector system made of copper or a copper alloy with an optional steel protective layer covering at least partially enclosing the current collector system,
b) a carbon-containing cathode having a groove for receiving a first part of the current collector system,
c) a steel conductor element with a recess for receiving a second part of the current collector system,

wherein the first portion of the current collector system is arranged in the groove of the carbon-containing cathode, and wherein the second portion of the current collector system is arranged in the recess of the steel conductor element, and wherein the second portion of the current collector system is formed at least partially in direct contact with the steel conductor element.

Eine Kathodenstromkollektor und -verbinderanordnung umfasst eine kohlenstoffhaltige Kathode mit einer in einer ihrer Oberflächen eingelassenen Nut, in der ein Stromkollektorsystem zumindest teilweise angeordnet ist. Die Anordnung umfasst ferner ein Konduktorelement, das vorzugsweise Stahl umfasst oder aus diesem besteht, mit dem das/die Endteil(e) des Stromkollektorsystems (z. B. in Form eines Kollektorbarrens) elektrisch verbunden ist/sind. Das Stahlkonduktorelement ist mit einer externen Versorgungssammelschiene verbunden, um den Strom außerhalb der Zelle zu entnehmen. Das Konduktorelement weist vorzugsweise eine Ausnehmung auf, wobei ein zweiter Teil des Stromkollektorsystems zumindest teilweise in dieser Ausnehmung angeordnet ist. Der elektrische Strom fließt von der Kohlenstoffkathode in den Kupferrbarren und dann durch den Stahlkonduktorbarren zur externen Versorgungssammelschiene, um den Strom zur nächsten Zelle zu leiten. Falls sowohl das Kollektor- als auch das Konduktorelement die geometrische Form eines Balkens haben, weist der Konduktorbarren vorzugsweise eine größere Querschnittsfläche auf als der Kollektorbarren, wodurch der Wärmefluss aus der Zelle weiter eingeschränkt und das Einfrieren des Kryolith vermieden wird.A cathode current collector and connector assembly comprises a carbonaceous cathode having a groove formed in one of its surfaces in which a current collector system is at least partially disposed. The assembly further comprises a conductor element, preferably comprising or consisting of steel, to which the end part(s) of the current collector system (e.g. in the form of a collector bar) is/are electrically connected. The steel conductor element is connected to an external supply bus bar to take the current outside the cell. The conductor element preferably has a recess, a second part of the current collector system being at least partially disposed in this recess. The electrical current flows from the carbon cathode into the copper bar and then through the steel conductor bar to the external supply busbar to conduct the current to the next cell. If both the collector and conductor elements have the geometric shape of a bar, the conductor bar preferably has a larger cross-sectional area than the collector bar, thereby further restricting the flow of heat out of the cell and preventing freezing of the cryolite.

Sowohl die Nut als auch das zugehörige („negative“) Stromkollektorsystem können unterschiedliche Formen haben. Regelmäßig ist das Stromkollektorsystem barrenförmig, insbesondere rechteckig barrenförmig, es sind aber auch elliptische oder abgerundete Formen möglich. Vorzugsweise hat die kohlenstoffhaltige Kathode eine rechteckige Form und das Stromkollektorsystem (vorzugsweise ebenfalls in Form eines rechteckigen Barrens) ist in einer Nut angeordnet, die sich in einer länglichen Oberfläche der kohlenstoffhaltigen Kathode erstreckt.Both the groove and the associated (“negative”) current collector system can have different shapes. The current collector system is usually bar-shaped, in particular rectangular bar-shaped, but elliptical or rounded shapes are also possible. Preferably, the carbon-containing cathode has a rectangular shape and the current collector system (preferably also in the form of a rectangular bar) is arranged in a groove that extends in an elongated surface of the carbon-containing cathode.

Das Stromkollektorsystem und/oder das Stahlkonduktorelement kann aus einem oder mehreren Elementen, insbesondere aus barrenförmigen Elementen, bestehen. Besonders bevorzugt sind rechteckige, barrenförmige Elemente.The current collector system and/or the steel conductor element can consist of one or more elements, in particular bar-shaped elements. Rectangular, bar-shaped elements are particularly preferred.

Vorzugsweise besteht das Stromkollektorsystem aus mindestens zwei länglichen, rechteckigen Barren, die durch einen Wärmeausdehnungsspalt oder Isoliermaterial voneinander beabstandet sind.Preferably, the current collector system consists of at least two elongated, rectangular bars spaced apart by a thermal expansion gap or insulating material.

Erfindungsgemäß bezeichnet der Begriff „kohlenstoffhaltig“ alle Arten von Materialien auf der Basis von Anthrazit und/oder Graphit und/oder Koks, unabhängig davon, ob diese Kathoden gebrannt oder graphitiert sind.According to the invention, the term “carbonaceous” refers to all types of materials based on anthracite and/or graphite and/or coke, regardless of whether these cathodes are fired or graphitized.

Mit dem in der Ausnehmung des Konduktorelements angeordneten zweiten Teil des Stromkollektorsystems und einem zumindest teilweise direkten Kontakt mit dem Konduktorelement konnten die Erfinder beobachten, dass nach dem Aufheizen der Elektrolysezelle mit dem implementierten Stromkollektorsystem eine zuverlässige Verbindung zwischen Stromkollektorsystem und Konduktorelement entsteht.With the second part of the current collector system arranged in the recess of the conductor element and at least partially in direct contact with the conductor element, the inventors were able to observe that after heating up the electrolysis cell with the implemented current collector system, a reliable connection is created between the current collector system and the conductor element.

Durch die hohen Temperaturen beim Aufheizen und bei der Elektrolyse dehnt sich der in der Ausnehmung angeordnete zweite Teil des Kollektorbarrens aus und wird gegen das Stahlkonduktorelement gedrückt. Ohne an diese Theorie gebunden zu sein, gehen die Erfinder davon aus, dass durch die Erwärmung und den durch die Ausdehnung verursachten Druck ein Diffusionsprozess an der direkten Kupfer-Stahl-Grenzfläche in Gang gesetzt wird, bei dem Kupfer und Stahl eine stabile und dauerhafte Materialverbindung mit sehr geringem Übergangswiderstand eingehen. Diese Thermofit-Verbindung ist zuverlässig und vergleichsweise einfach zu realisieren. Außerdem kann durch die Verwendung des Konduktorelements aus Stahl der Wärmestrom aus der Zelle reduziert werden, um die Stabilität der Zelle zu erreichen und das Einfrieren des Kryolithen zu vermeiden.Due to the high temperatures during heating and electrolysis, the second part of the collector bar arranged in the recess expands and is pressed against the steel conductor element. Without being bound to this theory, the inventors assume that the heating and the pressure caused by the expansion set in motion a diffusion process at the direct copper-steel interface, in which copper and steel form a stable and permanent material bond with very low contact resistance. This Thermofit connection is reliable and comparatively easy to implement. In addition, the use of the steel conductor element can reduce the heat flow from the cell in order to achieve the stability of the cell and prevent the cryolite from freezing.

Vorzugsweise ist die Ausnehmung des Stahlbarrens so ausgebildet, dass die Bewegung des Stromkollektorsystems aus Kupfer in zwei oder mehr, vorzugsweise drei oder mehr, noch bevorzugter vier oder mehr oder sogar fünf der sechs Raumrichtungen (in dargestellt: Y₁, Y₂, X₁, X₂, Z₁, Z₂) unter normalen Bedingungen nach DIN 1341 blockiert wird, wenn der zweite Teil des Stromkollektorsystems aus Kupfer in der Ausnehmung des Stahlkonduktorelements angeordnet ist.Preferably, the recess of the steel bar is designed such that the movement of the copper current collector system in two or more, preferably three or more, more preferably four or more or even five of the six spatial directions (in shown: Y ₁ , Y ₂ , X ₁ , X ₂ , Z ₁ , Z ₂ ) is blocked under normal conditions according to DIN 1341 when the second part of the current collector system made of copper is arranged in the recess of the steel conductor element.

Vorzugsweise ist die Ausnehmung des Stahlkonduktorbarrens (z.B. in Form eines Barrens) so ausgebildet, dass die Bewegung des zweiten Teils des Stromkollektorsystems unter den Betriebsbedingungen eines Hall-Héroult-Verfahrens in einer oder mehreren zusätzlichen Raumrichtungen im Vergleich zu Normalbedingungen blockiert wird.Preferably, the recess of the steel conductor bar (e.g. in the form of a bar) is designed such that the movement of the second part of the current collector system is blocked under the operating conditions of a Hall-Héroult process in one or more additional spatial directions compared to normal conditions.

Vorzugsweise ist die Ausnehmung des Kollektorbarrens so geformt, dass die Bewegung des zweiten Teils des Stromkollektorsystems durch Reibung und/oder Materialschluss blockiert wird.Preferably, the recess of the collector bar is shaped such that the movement of the second part of the current collector system is blocked by friction and/or material contact.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform hat die Ausnehmung die Form einer Tasche, die die Bewegung in vier (einseitig offene Tasche) oder fünf (vollständig umschließende Tasche) der sechs Raumrichtungen blockiert. Da mit zunehmenden Bewegungseinschränkungen der Druck zunimmt, werden die oben genannten Effekte bei solchen Ausführungsformen verstärkt und es kann ein fester Reibungs- und Materialschluss erzielt werden. Handelt es sich bei der Ausnehmung um eine Tasche, die den Barren vollständig umschließt, werden die positiven Effekte maximiert.In a particularly preferred embodiment, the recess has the shape of a pocket that blocks movement in four (pocket open on one side) or five (fully enclosing pocket) of the six spatial directions. Since the pressure increases with increasing movement restrictions, the above-mentioned effects are intensified in such embodiments and a firm frictional and material connection can be achieved. If the recess is a pocket that completely encloses the bar, the positive effects are maximized.

Zur Fixierung des Stromabnehmersystems aus Kupfer kann das Stahlkonduktorelement aus mehreren Unterelementen bestehen, z. B. kann die Tasche aus zwei Halbschalen gebildet werden, die so zusammengefügt werden können, dass sie den zweiten Teil des Stromkollektorsystems umgeben. Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine Tasche zu schaffen, die lediglich die Bewegung in vier Raumrichtungen blockiert, den zweiten Teil des Stromkollektorsystems in der Tasche zu platzieren und die Tasche zu verschließen, d. h. mit einer Stahlplatte abzudecken, die mit dem restlichen Konduktorelement verschweißt oder auf andere Weise verbunden werden kann.To fix the copper current collector system, the steel conductor element can consist of several sub-elements, e.g. the pocket can be formed from two half-shells that can be joined together to surround the second part of the current collector system. Another possibility is to create a pocket that only blocks movement in four spatial directions, place the second part of the current collector system in the pocket and close the pocket, i.e. cover it with a steel plate that is connected to the rest of the conductor. gate element can be welded or connected in another way.

Nach der Anordnung des Stromkollektorsystems aus Kupfer in der Ausnehmung (z.B. in Form einer Tasche) kann ein Abdeckelement verwendet werden, um die Ausnehmung vollständig zu „verschließen“, d.h. den zugänglichen Zwischenraum zwischen dem Stromkollektorsystem aus Kupfer und dem Stahlkonduktorelement innerhalb der Ausnehmung abzudecken.After arranging the copper current collector system in the recess (e.g. in the form of a pocket), a cover element can be used to completely "close" the recess, i.e. to cover the accessible space between the copper current collector system and the steel conductor element within the recess.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Stahlkonduktorelement ein Stahlkonduktorbarren, der vorzugsweise eine rechteckige Form aufweist.In a preferred embodiment of the invention, the steel conductor element is a steel conductor bar, which preferably has a rectangular shape.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Stromkollektorsystem zumindest teilweise mit einer Stahlschutzschichtverkleidung verkleidet, wobei der erste Teil des Stromkollektorsystems zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, mit der optionalen Stahlschutzschichtverkleidung verkleidet ist.In a preferred embodiment of the invention, the current collector system is at least partially clad with a steel protective layer cladding, wherein the first part of the current collector system is at least partially, preferably completely, clad with the optional steel protective layer cladding.

Vorzugsweise sind mindestens 50 % der Oberfläche des Stromkollektorsystems mit einer Stahlschutzschichtverkleidung verkleidet, weiter bevorzugt mindestens 60 %, noch weiter bevorzugt mindestens 70 % und am meisten bevorzugt mindestens 80 %. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Oberfläche des Stromkollektors vollständig mit einer Stahlschutzverkleidung verkleidet. Die obigen Werte beziehen sich auf die Oberfläche ohne Berücksichtigung des in der Ausnehmung des Konduktorelements angeordneten zweiten Teils.Preferably, at least 50% of the surface of the current collector system is covered with a steel protective layer cladding, more preferably at least 60%, even more preferably at least 70% and most preferably at least 80%. In a particularly preferred embodiment, the surface of the current collector is completely covered with a steel protective cladding. The above values refer to the surface without taking into account the second part arranged in the recess of the conductor element.

Vorzugsweise sind mindestens 50 % der Oberfläche des ersten Teils des Stromkollektorsystems mit einer Stahlschutzschichtverkleidung verkleidet, weiter bevorzugt mindestens 60 %, noch weiter bevorzugt mindestens 70 % und am meisten bevorzugt mindestens 80 %. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Oberfläche des ersten Teils des Stromkollektorsystems vollständig verkleidet.Preferably, at least 50% of the surface of the first part of the current collector system is clad with a steel protective layer cladding, more preferably at least 60%, even more preferably at least 70% and most preferably at least 80%. In a particularly preferred embodiment, the surface of the first part of the current collector system is completely clad.

Dadurch können die schädlichen Auswirkungen der Diffusion von Aluminium oder anderen Produkten, die beim Betrieb der Elektrolysezelle entstehen, reduziert werden.This can reduce the harmful effects of the diffusion of aluminium or other products generated during the operation of the electrolysis cell.

Vorzugsweise beträgt das Volumenverhältnis des Kupfers oder der Kupferlegierung des Stromkollektorsystems zur schützenden Stahlschicht mindestens 200 %, vorzugsweise mindestens 300 % oder noch besser mindestens 400 %.Preferably, the volume ratio of the copper or copper alloy of the current collector system to the protective steel layer is at least 200%, preferably at least 300%, or even better at least 400%.

Vorzugsweise hat die schützende Stahlschicht eine Dicke von 0,05 mm bis 6 mm, noch bevorzugter von 0,15 mm bis 4 mm, noch bevorzugter von 1,5 mm bis 3 mm.Preferably, the protective steel layer has a thickness of 0.05 mm to 6 mm, more preferably 0.15 mm to 4 mm, even more preferably 1.5 mm to 3 mm.

Die schützende Stahlschicht besteht vorzugsweise aus einem Stahl, der ausgewählt ist aus Kohlenstoffstahl, kohlenstoffarmem Stahl, Stahl auf Chrombasis, Stahl auf Nickelbasis oder Stahl auf Chrom-Nickel-Basis oder legiertem Stahl.The protective steel layer preferably consists of a steel selected from carbon steel, low carbon steel, chromium-based steel, nickel-based steel or chromium-nickel-based steel or alloyed steel.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt das Kupfer oder die Kupferlegierung in Form eines Barrens mit rechteckigem Querschnitt vor, der mindestens auf einer der Kathode zugewandten Seite, vorzugsweise auf allen der Kathode zugewandten Seiten, mit der schützenden dünnen Stahlschicht versehen ist.In a preferred embodiment of the invention, the copper or copper alloy is in the form of a bar with a rectangular cross-section, which is provided with the protective thin steel layer on at least one side facing the cathode, preferably on all sides facing the cathode.

Umfasst das Stromkollektorsystem eine Stahlschutzschicht, d. h. ist es zumindest teilweise mit einer Stahlschutzschicht verkleidet, so steht die Stahlschutzschicht in direktem Kontakt mit den Nutwänden der kohlenstoffhaltigen Kathode.If the current collector system comprises a steel protective layer, i.e. it is at least partially covered with a steel protective layer, the steel protective layer is in direct contact with the groove walls of the carbon-containing cathode.

Vorzugsweise ist die schützende Stahlschicht mit einer zusätzlichen Ober- und/oder Unterschicht aus Kupfer, Nickel und/oder Chrom und/oder einer Graphitfarb- oder -folienschicht überzogen, wobei die zusätzliche Ober- und/oder Unterschicht vorzugsweise eine Dicke von 1 µm bis 1 mm aufweist.Preferably, the protective steel layer is coated with an additional top and/or bottom layer of copper, nickel and/or chromium and/or a graphite paint or foil layer, wherein the additional top and/or bottom layer preferably has a thickness of 1 µm to 1 mm.

Die Oberfläche des Stromkollektorsystems kann aufgeraut oder mit Ausnehmungen wie Rillen oder Vorsprüngen wie Flossen oder Rippen versehen werden, um die Oberfläche zwischen der Kathode und dem Stromkollektorsystem zu vergrößern und so den Kontakt zwischen den Elementen zu verbessern.The surface of the current collector system may be roughened or provided with recesses such as grooves or projections such as fins or ribs to increase the surface area between the cathode and the current collector system and thus improve contact between the elements.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Stromkollektorsystem, gegebenenfalls mit einer Stahlverkleidung, zumindest teilweise (weiter) mit einem Isolator verkleidet, insbesondere mit Schichten aus Isoliermaterial wie Aluminiumoxid, Isolierkleber oder Zement oder einem beliebigen Isoliermaterial, das einer Temperatur von bis zu 1.200 °C standhält.In a preferred embodiment of the invention, the current collector system, optionally with a steel cladding, is at least partially (further) cladding with an insulator, in particular with layers of insulating material such as aluminum oxide, insulating adhesive or cement or any insulating material that can withstand a temperature of up to 1,200 °C.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung stehen das Stromkollektorsystem und/oder die Stahlschutzschicht, falls das Stromkollektorsystem zumindest teilweise mit einer solchen verkleidet ist, in direktem Kontakt mit der kohlenstoffhaltigen Kathode.In a preferred embodiment of the invention, the current collector system and/or the steel protective layer, if the current collector system is at least partially covered with such a layer, are in direct contact with the carbon-containing cathode.

Die Stahlverkleidung kann auch mit dem Stahlkonduktorelement verschweißt werden, um die Ausnehmung vollständig zu „verschließen“ (z. B. in Form einer Tasche), d. h. den zugänglichen Zwischenraum zwischen Stromkollektorsystem aus Kupfer und Stahlkonduktorelement in der Ausnehmung abzudecken.The steel cladding can also be welded to the steel conductor element to completely “close” the recess (e.g. in the form of a pocket), i.e. to close the accessible space between the current collector system made of Copper and steel conductor element to cover in the recess.

Die Erfinder haben herausgefunden, dass die vorteilhaften Effekte mit zunehmender direkter Kontaktfläche zunehmen. Daher stehen mindestens 50 %, vorzugsweise mindestens 70 %, noch bevorzugter mindestens 80 % und am meisten bevorzugt mindestens 90 % der Oberfläche des zweiten Teils des Stromkollektorsystems in direktem Kontakt mit dem Konduktorelement aus Stahl. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die gesamte Oberfläche des zweiten Abschnitts des Stromkollektorsystems in direktem Kontakt mit dem Konduktorelement aus Stahl.The inventors have found that the advantageous effects increase with increasing direct contact area. Therefore, at least 50%, preferably at least 70%, more preferably at least 80% and most preferably at least 90% of the surface of the second part of the current collector system is in direct contact with the steel conductor element. In a particularly preferred embodiment, the entire surface of the second section of the current collector system is in direct contact with the steel conductor element.

Vorzugsweise sind mindestens 50 % der Kontaktfläche zwischen dem zweiten Teil des Stromkollektorsystems und dem Stahlkonduktorelement mit einem direkten Kontakt ausgebildet, weiter bevorzugt mindestens 70 % und am meisten bevorzugt mindestens 80 %. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die gesamte Kontaktfläche mit einem direkten Kontakt ausgebildet.Preferably, at least 50% of the contact area between the second part of the current collector system and the steel conductor element is formed with a direct contact, more preferably at least 70% and most preferably at least 80%. In a particularly preferred embodiment, the entire contact area is formed with a direct contact.

Da eine Stahlschichtverkleidung des Stromkollektorsystems den Übergangswiderstand erhöhen kann, ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der zweite Teil des Stromkollektorsystems zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, frei von einer optionalen Stahlschutzschichtverkleidung.Since a steel layer cladding of the current collector system can increase the contact resistance, in a preferred embodiment of the invention the second part of the current collector system is at least partially, preferably completely, free of an optional steel protective layer cladding.

Die Oberfläche des Stromkollektorsystems kann aufgeraut oder mit Ausnehmungen wie Rillen oder Vorsprüngen wie Flossen versehen sein, um den Kontakt mit der Kohlenstoffkathode zu verbessern.The surface of the current collector system may be roughened or provided with recesses such as grooves or projections such as fins to improve contact with the carbon cathode.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Oberfläche des zweiten Teils des Stromkollektorsystems, die nicht in direktem Kontakt mit dem Stahlkonduktorbarren steht, zumindest teilweise mit einem kohlenstoffhaltigen Material bedeckt, d. h. das kohlenstoffhaltige Material ist zwischen Stromkollektorsystem und Stahlkonduktorbarren angeordnet.In a preferred embodiment of the invention, the surface of the second part of the current collector system, which is not in direct contact with the steel conductor bar, is at least partially covered with a carbon-containing material, i.e. the carbon-containing material is arranged between the current collector system and the steel conductor bar.

Durch Ausfüllen eines Teils des Volumens zwischen dem Stromkollektorsystem aus Kupfer und dem Stahlkonduktorbarren kann ein extremer Druckanstieg während des Aufheizens der Elektrolyse vermieden werden. Expandierte Graphitmaterialien werden bevorzugt, da es sich dabei um inerte Materialien mit hoher Temperaturbeständigkeit handelt, die die Verbindung nicht beeinflussen oder verunreinigen.By filling part of the volume between the copper current collector system and the steel conductor bar, an extreme pressure increase during electrolysis heating can be avoided. Expanded graphite materials are preferred because they are inert materials with high temperature resistance that do not affect or contaminate the joint.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Stromkollektorsystem einen dritten, vom ersten und zweiten verschiedenen Teil, der außerhalb der Ausnehmung des Konduktorelements aus Stahl und der Nut der kohlenstoffhaltigen Kathode angeordnet ist, wobei dieser dritte Teil von einer Schutzhülle umgeben ist, der vorzugsweise ein Material umfasst, das aus SiC, Stampfmasse, Stahldeckplatte, feuerfestem Material oder einem Gemisch der vorgenannten Materialien ausgewählt ist. Besonders bevorzugt ist eine Hülle mit einer inneren Schicht aus SiC, Stampfmasse, feuerfestem Material oder Mischungen der vorgenannten und einer äußeren Stahldeckschicht, wobei die innere Schicht zwischen Stromkollektorsystem und äußerer Stahldeckschicht angeordnet ist.In a preferred embodiment of the invention, the current collector system comprises a third part, different from the first and second, which is arranged outside the recess of the conductor element made of steel and the groove of the carbon-containing cathode, this third part being surrounded by a protective cover, which preferably comprises a material selected from SiC, ramming mass, steel cover plate, refractory material or a mixture of the aforementioned materials. Particularly preferred is a cover with an inner layer made of SiC, ramming mass, refractory material or mixtures of the aforementioned and an outer steel cover layer, the inner layer being arranged between the current collector system and the outer steel cover layer.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der in der Ausnehmung des Konduktorelements angeordnete zweite Teil des Stromkollektorsystems stiftförmig, d.h. in Form eines vorzugsweise kreisförmigen Zylinders ausgebildet. Eine solche Form hat den Vorteil, dass die entsprechende Negativform in dem Stahlkonduktorelement, in das der zweite Teil eingesetzt werden soll, leicht durch Bohren hergestellt werden kann. Der Stift kann in das gebohrte Loch gepresst werden, um einen festen Reibschluss zu gewährleisten.In a preferred embodiment of the invention, the second part of the current collector system arranged in the recess of the conductor element is pin-shaped, i.e. in the form of a preferably circular cylinder. Such a shape has the advantage that the corresponding negative shape in the steel conductor element into which the second part is to be inserted can easily be produced by drilling. The pin can be pressed into the drilled hole to ensure a firm frictional connection.

Vorzugsweise besteht das Stromkollektorsystem aus mehreren Elementen, wobei ein Element, das den in der Ausnehmung des Konduktorelements aus Stahl angeordneten zweiten Teil des Stromkollektorsystems umfasst, mit dem restlichen Stromkollektorsystem, insbesondere mit dessen erstem Teil, verbindbar ist. Eine solche Verbindung wird vorzugsweise durch ein geeignetes Mittel, wie z.B. eine Pin-Fit-Technik, wie oben beschrieben, oder eine andere Fügetechnik, die eine Reibungs- und/oder Materialpassung bei der Elektrolysetemperatur (-950 °C) gewährleistet, realisiert.The current collector system preferably consists of several elements, wherein an element which comprises the second part of the current collector system arranged in the recess of the steel conductor element can be connected to the rest of the current collector system, in particular to its first part. Such a connection is preferably realized by a suitable means, such as a pin-fit technique as described above, or another joining technique which ensures a friction and/or material fit at the electrolysis temperature (-950 °C).

Vorzugsweise besteht das Stromkollektorsystem aus einem Kollektorbarren, der vorzugsweise eine rechteckige Form aufweist.Preferably, the current collector system consists of a collector bar, which preferably has a rectangular shape.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Kathode ein rechteckiger Kathodenblock.In a preferred embodiment of the invention, the cathode is a rectangular cathode block.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Ausnehmung des Konduktorelements aus Stahl ein Volumen V_R auf und der in der Ausnehmung des Konduktorelements aus Stahl angeordnete zweite Teil des Stromkollektorsystems weist ein Volumen V_2S auf, wobei $\frac{v_{2 S}}{v_{R}}$

im Bereich von 0,9 bis 1,0, vorzugsweise 0,92 bis 0,98, unter Normalbedingungen nach DIN 1341 liegt.In a preferred embodiment of the invention, the recess of the steel conductor element has a volume V _R and the second part of the current collector system arranged in the recess of the steel conductor element has a volume V _2S , where

\frac{v_{2 S}}{v_{R}}

in the range of 0.9 to 1.0, preferably 0.92 to 0.98, under normal conditions according to DIN 1341.

Diese Werte ermöglichen ein Thermofit-Design, das eine zuverlässige und stabile Verbindung bietet. Der minimale Luftspalt zwischen den Materialien bei Raumtemperatur mit einem bereits guten Kontakt wird bei höherer Temperatur und thermischer Ausdehnung der Materialien weiter verbessert. Kupfer dehnt sich beim Aufheizen der Zelle thermisch stärker aus als Stahl, wodurch ein dauerhaft hoher Druck zwischen den Materialien entsteht, der zu einem ausgeprägten Diffusionsprozess führt, der die Verbindung zwischen den Materialien verstärkt. Besonders bevorzugt ist in diesem Zusammenhang, dass die Ausnehmung die Form einer Tasche hat, in der der zweite Teil des Stromkollektorsystems angeordnet ist.These values enable a Thermofit design that provides a reliable and stable connection. The minimum air gap between the Materials with already good contact at room temperature are further improved at higher temperatures and thermal expansion of the materials. Copper expands thermally more than steel when the cell is heated, creating a permanently high pressure between the materials, which leads to a pronounced diffusion process that strengthens the connection between the materials. In this context, it is particularly preferred that the recess has the shape of a pocket in which the second part of the current collector system is arranged.

Die Erfindung betrifft auch einen Satz von Teilen, d. h. ein System von separaten Elementen, zur Herstellung einer Kathodenstromkollektor- und -verbinderanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend

a) ein Stromkollektorsystem aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit einer optionalen Stahlschutzschichtverkleidung,
b) eine kohlenstoffhaltige Kathode mit einer Nut zur Aufnahme eines ersten Teils des Stromkollektorsystems, und
c) ein Stahlkonduktorelement mit einer Ausnehmung zur Aufnahme eines zweiten Teils des Stromkollektorsystems.

The invention also relates to a set of parts, ie a system of separate elements, for producing a cathode current collector and connector assembly according to any one of the preceding claims, comprising

a) a current collector system made of copper or a copper alloy with an optional steel protective layer cladding,
b) a carbon-containing cathode having a groove for receiving a first part of the current collector system, and
c) a steel conductor element having a recess for receiving a second part of the current collector system.

Die Erfindung betrifft auch eine Aluminium-Elektrolysezelle, die die erfindungsgemäße Kathodenstromkollektor- und -verbinderanordnung und eine Versorgungssammelschiene umfasst, wobei das Konduktorelement der Kathodenstromkollektor- und -verbinderanordnung elektrisch mit der Versorgungssammelschiene verbunden ist, vorzugsweise mittels flexibler Kupfer- oder Aluminiumelemente.The invention also relates to an aluminum electrolysis cell comprising the cathode current collector and connector assembly according to the invention and a supply busbar, wherein the conductor element of the cathode current collector and connector assembly is electrically connected to the supply busbar, preferably by means of flexible copper or aluminum elements.

Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines direkten Kontakts zwischen einer Stromkollektoranordnung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit einer optionalen Stahlschutzschichtverkleidung und einem Stahlkonduktorelement in einer Kathodenanordnung für eine Aluminiumelektrolysezelle zur Verringerung des Spannungsabfalls bei einem Aluminiumelektrolyseverfahren.The invention also relates to the use of a direct contact between a current collector assembly made of copper or a copper alloy with an optional steel protective layer cladding and a steel conductor element in a cathode assembly for an aluminum electrolysis cell to reduce the voltage drop in an aluminum electrolysis process.

BEISPIELEEXAMPLES

Die Erfindung wird nun anhand konkreter erfindungsgemäßer Ausführungsformen und mit Hilfe der beigefügten Figuren näher erläutert.The invention will now be explained in more detail using concrete embodiments of the invention and with the aid of the accompanying figures.

Erfindungsgemäßes BeispielExample according to the invention

Ein Kathodenblock mit rechteckigem Stromkollektorsystem aus Kupfer mit den Außenabmessungen 550 × 450 × 3200 mm (Breite × Höhe × Länge) ist mit einer Nut mit den Abmessungen 44 × 130 mm (Breite × Tiefe) versehen. In die Nut wird ein rechteckiges Stromkollektorsystem aus Kupfer mit einem Querschnitt von 44 × 84 mm eingebracht, das aus einem Kupferbarren mit einem Querschnitt von 40 × 80 mm besteht, der mit 2 mm dickem Stahl ummantelt und mit Stampfmasse bedeckt ist. Der Querschnitt des rechteckigen Stahlkonduktorbarrens beträgt 120 × 120 mm bei einer Länge von 300 mm, mit einer Tasche mit einer rechteckigen Öffnung von 80 × 80 × 160 mm (Breite × Tiefe × Länge) zur Aufnahme des vollständig stahlverkleidungsfreien Kupferendteils des Kollektorbarrens, wie in schematisch dargestellt. Die Tasche nimmt einen Teil des Kupferendstücks des Kollektorbarrens mit einer Länge von 150 mm auf. Der Hohlraum wird mit einem bündigen Stahlblech verschlossen und mit dem Stahlkonduktorelement durch Schweißen verbunden. Die Stahlummantelung des verbleibenden Teils des Kollektorbarrens, der die Oberfläche des Stahlkonduktorelements berührt, ist mit dem Stahlkonduktorelement verschweißt, um das Kupfer zusätzlich vor aggressiven Verbindungen innerhalb der Zelle zu schützen.A cathode block with a rectangular copper current collector system with external dimensions of 550 × 450 × 3200 mm (width × height × length) is provided with a groove with dimensions of 44 × 130 mm (width × depth). A rectangular copper current collector system with a cross section of 44 × 84 mm is placed in the groove, consisting of a copper ingot with a cross section of 40 × 80 mm, sheathed with 2 mm thick steel and covered with ramming compound. The cross-section of the rectangular steel conductor bar is 120 × 120 mm with a length of 300 mm, with a pocket with a rectangular opening of 80 × 80 × 160 mm (width × depth × length) to accommodate the completely steel-clad-free copper end part of the collector bar, as shown in shown schematically. The pocket accommodates a portion of the collector bar's copper end piece with a length of 150 mm. The cavity is closed with a flush steel sheet and connected to the steel conductor element by welding. The steel sheath of the remaining portion of the collector bar that contacts the surface of the steel conductor element is welded to the steel conductor element to provide additional protection of the copper from aggressive compounds within the cell.

VergleichsbeispielComparison example

Ein Kathodenblock mit Stromkollektorsystem aus Kupfer mit den Außenabmessungen 550 × 450 × 3200 mm (Breite × Höhe × Länge) ist mit einer Nut mit den Abmessungen 44 × 130 mm (Breite × Tiefe) versehen. In die Nut wird ein rechteckiges Stromabnehmersystem aus Kupfer mit einem Querschnitt von 44 × 84 mm eingebracht, das aus einem mit 2 mm dickem Stahl ummantelten Kupferbarren mit einem Querschnitt von 40 × 80 mm besteht und mit Stampfmasse überzogen ist. Der Querschnitt des Stahlkonduktorbarrens beträgt 120 × 120 mm bei einer Länge von 300 mm, mit einer Tasche mit einer Öffnung von 81 × 80,5 × 160 mm (Breite × Tiefe × Länge) zur Aufnahme des vollständig stahlverkleidungsfreien Kupferendteils des Kollektorbarrens, wie in schematisch dargestellt, jedoch mit einer elektrisch leitenden Klebeschicht von 0,5 mm Dicke zwischen Kupfer- und Stahloberflächen. Die Tasche nimmt einen Teil des Kupferendstücks des Kollektorbarrens mit einer Länge von 150 mm auf. Der Hohlraum wird mit einem bündigen Stahlblech verschlossen und mit dem Stahlkonduktorelement durch Schweißen verbunden. Die Stahlverkleidung des verbleibenden Teils des Kollektorbarrens, der die Oberfläche des Stahlkonduktorelements berührt, ist mit dem Stahlkonduktorelement verschweißt, um das Kupfer zusätzlich vor aggressiven Verbindungen innerhalb der Zelle zu schützen.A cathode block with copper current collector system with external dimensions of 550 × 450 × 3200 mm (width × height × length) is provided with a groove with dimensions of 44 × 130 mm (width × depth). A rectangular copper current collector system with a cross section of 44 × 84 mm is placed in the groove, consisting of a copper bar with a cross section of 40 × 80 mm covered with 2 mm thick steel and coated with ramming compound. The cross section of the steel conductor bar is 120 × 120 mm with a length of 300 mm, with a pocket with an opening of 81 × 80.5 × 160 mm (width × depth × length) to accommodate the completely steel-clad-free copper end part of the collector bar, as shown in shown schematically, but with an electrically conductive adhesive layer of 0.5 mm thickness between copper and steel surfaces. The pocket accommodates a portion of the collector bar's copper end piece with a length of 150 mm. The cavity is closed with a flush steel sheet and connected to the steel conductor element by welding. The steel cladding of the remaining portion of the collector bar that contacts the surface of the steel conductor element is welded to the steel conductor element to provide additional protection of the copper from aggressive compounds within the cell.

Mit der klebstofffreien Montage des erfindungsgemäßen Beispiels wurde ein Kathodenspannungsabfall von 30 mV gegenüber dem Vergleichsbeispiel erreicht.With the adhesive-free assembly of the example according to the invention, a cathode voltage drop of 30 mV was achieved compared to the comparative example.

Figurencharacters

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und den zugehörigen Figuren. Die Figuren zeigen:

1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kathodenstromkollektor und - verbinderanordnung.
2 zeigt eine teilweise Explosionsdarstellung eines Teils der erfindungsgemäßen Kathodenstromkollektor- und -verbinderanordnung.
3 zeigt eine Fotografie des Endteils eines erfindungsgemäßen Kathodenstromkollektors und -verbinderanordnung.
4 zeigt eine erfindungsgemäße Kathodenstromkollektor- und -verbinderanordnung mit einem stiftförmigen Stromkollektorelement im Längsschnitt.

Further advantages, features and possible applications emerge from the following description of the preferred embodiments and the associated figures. The figures show:

1 shows a longitudinal section through a cathode current collector and connector arrangement according to the invention.
2 shows a partially exploded view of a portion of the cathode current collector and connector assembly according to the invention.
3 shows a photograph of the end portion of a cathode current collector and connector assembly according to the invention.
4 shows a cathode current collector and connector arrangement according to the invention with a pin-shaped current collector element in longitudinal section.

Ausführliche BeschreibungDetailed description

1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kathodenstromkollektor und - verbinderanordnung. Dargestellt ist die endgültige Betriebsposition innerhalb der Elektrolysezelle. In dieser Anordnung weist ein Kathodenblock 1 eine in einer horizontalen Fläche entlang der Längsrichtung (entlang der x-Achse) ausgesparte Nut auf, in der ein erster Teil eines Kollektorbarrens 2 angeordnet ist. Im Allgemeinen kann der Kollektorbarren in direktem Kontakt mit dem Kathodenblock stehen oder es kann eine leitende kohlenstoffhaltige Schicht, z. B. aus Stampfmasse, zwischen den Oberflächen angeordnet sein. Die Kathodenstromkollektor- und -verbinderanordnung umfasst ferner ein Konduktorelement 3, vorzugsweise aus Stahl, mit einer Ausnehmung, in der ein zweiter Teil des Stromkollektorsystems angeordnet ist. 1 shows a longitudinal section through a cathode current collector and connector arrangement according to the invention. The final operating position within the electrolysis cell is shown. In this arrangement, a cathode block 1 has a groove recessed in a horizontal surface along the longitudinal direction (along the x-axis) in which a first part of a collector bar 2 is arranged. In general, the collector bar can be in direct contact with the cathode block or a conductive carbon-containing layer, e.g. made of ramming mass, can be arranged between the surfaces. The cathode current collector and connector arrangement further comprises a conductor element 3, preferably made of steel, with a recess in which a second part of the current collector system is arranged.

2 zeigt eine teilweise Explosionsdarstellung eines Teils der erfindungsgemäßen Kathodenstromkollektor- und -verbinderanordnung, nämlich die Verbindung von Konduktorelement und Stromkollektorsystem. Dieser Teil besteht aus zwei länglichen Kollektorbarren 2, die an einem ersten Teil mit einer schützenden Stahlschicht ummantelt sind. Dieser erste Teil ist in der Nut der kohlenstoffhaltigen Kathode (nicht dargestellt) anzuordnen. Die Kollektorbarren weisen ferner einen zweiten, nicht ummantelten Teil 5 auf, der in einer Ausnehmung (hier: in Form einer Tasche) des Konduktorelements 3 anzuordnen ist. In der Abbildung ist eine der Kollektorbarren 2 bereits in der Ausnehmung des Konduktorelements 3 angeordnet. Der andere Kollektorbarren 2 ist in die Tasche einzuführen, wodurch die Bewegung des nicht ummantelten Teils 5 in vier der sechs Raumrichtungen eingeschränkt wird. Nach der Positionierung des unverkleideten Teils in der Tasche wird die Tasche mit einer Stahlplatte 6 verschlossen. Dadurch wird die Bewegung des nicht verkleideten Teils in einer weiteren Raumrichtung eingeschränkt. 2 shows a partial exploded view of a part of the cathode current collector and connector arrangement according to the invention, namely the connection of the conductor element and the current collector system. This part consists of two elongated collector bars 2, which are coated with a protective steel layer on a first part. This first part is to be arranged in the groove of the carbon-containing cathode (not shown). The collector bars also have a second, uncoated part 5, which is to be arranged in a recess (here: in the form of a pocket) of the conductor element 3. In the figure, one of the collector bars 2 is already arranged in the recess of the conductor element 3. The other collector bar 2 is to be inserted into the pocket, whereby the movement of the uncoated part 5 is restricted in four of the six spatial directions. After positioning the uncoated part in the pocket, the pocket is closed with a steel plate 6. This restricts the movement of the uncoated part in a further spatial direction.

3 zeigt eine Fotografie des Endteils einer erfindungsgemäßen Kathodenstromkollektor und -verbinderanordnung. In dieser Anordnung weist ein Kathodenblock 1 zwei in eine horizontale Fläche eingelassene Nuten auf, in denen ein erster Teil der beiden Kollektorbarren angeordnet ist. Die Kollektorbarren ragen aus der Nut heraus und sind mit dem Konduktorelement 2 verbunden, indem ein zweiter Teil in einer Ausnehmung des Konduktorelements angeordnet ist. Der dritte, nicht in der Ausnehmung des Konduktorelements angeordnete Teil der aus der Nut herausragenden Kollektorbarren ist in einen Schutzmantel 7 aus feuerfestem Material und einer äußeren umlaufenden Stahlplatte eingebettet. Für den Transport sind die Kollektorbarren durch Befestigungsmittel 8 an der kohlenstoffhaltigen Kathode 1 befestigt. 3 shows a photograph of the end part of a cathode current collector and connector arrangement according to the invention. In this arrangement, a cathode block 1 has two grooves recessed in a horizontal surface in which a first part of the two collector bars is arranged. The collector bars protrude from the groove and are connected to the conductor element 2 by a second part being arranged in a recess of the conductor element. The third part of the collector bars protruding from the groove, not arranged in the recess of the conductor element, is embedded in a protective casing 7 made of refractory material and an outer circumferential steel plate. For transport, the collector bars are attached to the carbon-containing cathode 1 by fastening means 8.

4 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kathodenstromkollektor- und - verbinderanordnung mit einem stiftförmigen Stromkollektorelement 9. In dieser Anordnung weist ein Kathodenblock 1 eine in einer horizontalen Fläche entlang der Längsrichtung (entlang der x-Achse) ausgesparte Nut auf, in der ein erster Teil eines Kollektorbarrens 2 angeordnet ist. Im Allgemeinen kann der Kollektorbarren in direktem Kontakt mit dem Kathodenblock stehen oder es kann eine leitende kohlenstoffhaltige Schicht, z. B. aus Stampfmasse, zwischen den Oberflächen angeordnet sein. Die Kathodenstromkollektor- und -verbinderanordnung umfasst ferner ein Konduktorelement 3, vorzugsweise aus Stahl, mit einer Ausnehmung. Das Stromkollektorsystem umfasst ein zusätzliches stiftförmiges Verbindungselement 9, das in einer Ausnehmung des Kollektorbarrens und der Ausnehmung des Stahlkonduktorelements angeordnet ist und so eine elektrische Verbindung zwischen den Elementen herstellt. 4 shows a longitudinal section through a cathode current collector and connector arrangement according to the invention with a pin-shaped current collector element 9. In this arrangement, a cathode block 1 has a groove recessed in a horizontal surface along the longitudinal direction (along the x-axis), in which a first part of a collector bar 2 is arranged. In general, the collector bar can be in direct contact with the cathode block or a conductive carbon-containing layer, e.g. made of ramming mass, can be arranged between the surfaces. The cathode current collector and connector arrangement further comprises a conductor element 3, preferably made of steel, with a recess. The current collector system comprises an additional pin-shaped connecting element 9, which is arranged in a recess of the collector bar and the recess of the steel conductor element and thus establishes an electrical connection between the elements.

BEZUGSZEICHENREFERENCE SIGNS

11: KathodenblockCathode block
22: (verkleideter) Kollektorbarren(clad) collector bar
33: KonduktorelementConductor element
44: TascheBag
55: Zweiter Teil des KollektorbarrensSecond part of the collector bar
66: Stahlplattesteel plate
77: Schützende HülleProtective case
88th: Mittel zum BefestigenMeans of fastening
99: Stiftförmiges StromkollektorelementPin-shaped current collector element

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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WO 0242525 [0003]
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WO 2018/019888 A1 [0006]

Claims

Cathode current collector and connector assembly for an aluminum electrolysis cell comprising a) a current collector system made of copper or a copper alloy with an optional steel protective layer cladding at least partially enclosing the current collector system, b) a carbon-containing cathode with a groove for receiving a first part of the current collector system, c) a steel conductor element with a recess for receiving a second part of the current collector system, the first part of the current collector system being arranged in the groove of the carbon-containing cathode, and characterized in that the second part of the current collector system is at least partially in direct contact with the steel conductor element.

Cathode current collector and connector arrangement according to Claim 1 , wherein the steel conductor element is a steel conductor bar, which preferably has a rectangular shape.

Cathode current collector and connector assembly according to one of the preceding claims, wherein the current collector system is at least partially clad with the optional steel protective layer cladding, wherein the first part of the current collector system is at least partially, preferably completely, clad with the optional steel protective layer cladding.

Cathode current collector and connector assembly according to one of the preceding claims, wherein the second part of the current collector system is at least partially, preferably completely, free of an optional steel protective layer cladding.

A cathode current collector and connector assembly according to any preceding claim, wherein the current collector system is clad with the optional steel protective layer cladding, the steel protective layer cladding and the steel conductor bar being partially joined by welding.

A cathode current collector and connector assembly according to any preceding claim, wherein the surface of the second part of the current collector system not in direct contact with the steel inductor element is at least partially covered with a carbonaceous material.

Cathode current collector and connector assembly according to one of the preceding claims, wherein the current collector system comprises a third part, different from the first and the second, which is arranged outside the recess of the steel conductor element and the groove of the carbon-containing cathode, this third part being surrounded by a protective sheath, which preferably comprises a material selected from SiC, ramming mass, a steel cover plate, refractory materials or combinations of the aforementioned materials.

Cathode current collector and connector arrangement according to one of the preceding claims, wherein the second part of the current collector system arranged in the recess of the steel conductor element is pin-shaped and/or preferably separable from the rest of the current collector system.

Cathode current collector and connector assembly according to one of the preceding claims, wherein the current collector assembly is a current collector bar, which is preferably rectangular in shape.

Cathode current collector and connector arrangement according to one of the preceding claims, wherein the recess of the steel conductor element has a volume V _R and the second part of the current collector system arranged in the recess of the steel conductor element has a volume V _2S , wherein under normal conditions according to DIN 1341

\frac{v_{2 S}}{v_{R}}

in the range of 0.9 to 1.0, preferably 0.92 to 0.98.

A kit of parts for making a cathode current collector and connector assembly according to any preceding claim, comprising a) a copper or copper alloy current collector system with an optional steel protective layer cladding, b) a carbonaceous cathode having a groove for receiving a first part of the current collector system, and c) a steel conductor element having a recess for receiving a second part of the current collector system.

Aluminium electrolysis plant or aluminium electrolysis cell with a cathode current collector and connector arrangement according to one of the Claims 1 until 10 and a supply busbar, wherein the conductor element of the cathode current collector and connector assembly is electrically connected to the supply busbar, preferably by means of a flexible copper or aluminum element.

Use of direct contact between a current collector assembly made of copper or a copper alloy with an optional steel protective layer cladding and a steel conductor element in a cathode assembly for an aluminum electrolysis cell to reduce the voltage drop in an aluminum electrolysis process.