Geeignete Elektrolysezellen bestehen üblicherweise
aus einer Stahlwanne, die innen mit einem wärmeisolierenden Material belegt
ist. Der Boden der Elektrolysezellen besteht aus mehreren auf dem
Isoliermaterial parallel angeordneten Kathodenblöcken, deren Fugen untereinander
und zum Rand mit Stampfmassen aus Mischungen von Kohlenstoff-Körnungen
und Steinkohlenteer oder Steinkohlenteerpech abgedichtet werden.
Das Material für
die Kathodenblöcke
besteht meist aus Anthrazit (neuerdings auch Graphit oder Koks oder
deren Mischungen mit Anthrazit), der bei 1200 °C oder höher calciniert, dann gemahlen
und nach der Teilchengröße klassifiziert
wird. Eine geeignete Teilchengrößefraktion
wird mit Pech gemischt und zu Blöcken
geformt. Anschließend
wird das Bindepech bei erhöhter
Temperatur zu einem im wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden
Material umgewandelt. Dabei werden graphitierte (Behandlung bei
ca. 3000 °C),
sogenannte "halbgraphitierte" (Behandlung bei
ca. 2300 °C),
sogenannte "halb-graphitische" (graphitische Partikel,
jedoch Behandlung des Blocks bei ca. 1200 °C), und amorphe Blöcke (Partikel
sind nicht oder nur teilweise graphitiert, Behandlung des Blocks
bei ca. 1200 °C)
unterschieden.
Die Stromabführung aus dem flüssigen Elektrolyten
und der den Boden bedeckenden Aluminiumschmelze erfolgt durch Stahlbarren
oder Kollektoren, die elektrisch leitend mit den Kathodenblöcken verbunden
sind.
Auch bei den Kathodenblöcken wird
ein Verbrauch des Materials durch Abtrag beobachtet, der die Lebensdauer
der Elektrolysezelle bestimmt; üblicherweise
liegt diese bei 1500 bis 3000 Tagen. Der Abtrag ist nicht gleichmäßig über die
Länge der
Kathodenblöcke,
sondern man beobachtet, insbesondere bei graphitierten Kathodenblöcken, zwei
Maxima des Abtrags in der Nähe
der Seitensteine, und ein Minimum in der Mitte der Länge der
Kathodenblöcke
(W-förmiges
Profil). Durch den ungleichmäßigen Abtrag
wird naturgemäß die Nutzungsdauer
durch die Stellen des größten Abtrags
bestimmt.
Die Nutzungsdauer der Kathodenblöcke ist
Gegenstand zahlreicher Untersuchungen.
M. Sørlie und H.A. Øye haben
in J. Appl. Electrochemistry 19 (1989), S. 580 bis 588, systematisch über die
verschiedenen Einwirkungen auf die Kathodenmaterialien, Abdichtungen
und Seitensteine und deren Auswirkungen auf die Nutzungsdauer berichtet.
In der
EP-A 0 284 298 werden verbesserte Abdichtmaterialien
zur Verbindung der Kathodenblöcke
beschrieben. Sie neigen weniger zur Rißbildung als bekannte Abdichtmaterialien
und verringern dadurch das Versagensrisiko. Diese Maßnahme ändert jedoch
nichts an dem ungleichförmigen
Abtrag über
die Kathodenblocklänge.
In der WO-A 97/48838 sowie in Aluminium
72, 1996, Heft 11, Seiten 822 bis 826, wird die Verbesserung des
Stromübergangs
zwischen den (hier plattenförmig
ausgeführten)
Stahlkollektoren und der Kathode durch Einsatz von Kontaktstiften
in der Grenzfläche
beschrieben. Das Anbringen dieser Kontaktstifte und das Herausarbeiten
der Aussparungen auf der Gegenseite sind jedoch mit erheblichem
Aufwand verbunden.
In der WO-A 00/4642G wird ein einteiliger
Graphit-Kathodenblock beschrieben, der parallel zur Längsachse
unterschiedliche spezifische elektrische Widerstände aufweist, wobei der Widerstand
in der Nähe
der Enden des Blocks höher
ist als in der Mitte. Diese Differenzierung wird erreicht durch
unterschiedliche Wärmebehandlung
bei der Graphitierung, nämlich
die Anwendung von Temperaturen von 2200 bis 2500 °C im Bereich der
Enden, und 2700 bis 3000 °C
im Bereich der Mitte der Kathodenblöcke. Solche unterschiedlichen
Temperaturen lassen sich durch mangelhafte Isolation der Graphitierungsöfen erreichen.
Eine andere Möglichkeit
ist, die Stromdichte bei der Graphitierung entsprechend unterschiedlich
zu wählen,
und dadurch die erzeugte Joule'sche
Wärme ungleichmäßig über den
zu graphitierenden Kathodenblock zu verteilen. Während die erstgenannte Möglichkeit
aus ökonomischen
Gründen
zu verwerfen ist, bedingt die zweite Möglichkeit einen zusätzlichen
Aufwand in der Fertigung im Gxaphitierungsschritt, der jeweils auf
die spezielle Kathodenform hin zu optimieren ist.
Eine andere Ausführungsform einer Kathode mit
verbesserter Lebensdauer wird in der WO-A 00/46427 beschrieben.
Hier wird eine Graphit-Kathode mit einer carbonisierbaren Substanz
unter vermindertem Druck bei erhöhter
Temperatur imprägniert,
wobei Temperatur und Zeit so gewählt
werden müssen,
daß die
Substanz ausreichend fließfähig ist,
um die Poren der Kathode zu füllen,
und anschließend
wird die imprägnierte
Kathode bei einer Temperatur unterhalb von 1600 °C carbonisiert. Es werden daher
zusätzliche
Arbeitsschritte bei der Kathodenfertigung erforderlich.
In der WO-A 00/46428 schließlich wird
eine Graphitkathode beschrieben, deren spezifischer elektrischer
Widerstand in der Richtung senkrecht zu ihrer Längsachse höher ist als der in Richtung
der Längsachse. Dieser
Unterschied im Widerstand wird erreicht durch Einsatz unterschiedlicher
Materialien zur Herstellung der Kathode, wobei mindestens einige
anisotrop sind, und durch Herstellung unter Bedingungen, die die
Orientierung von Teilchen begünstigen,
wie Extrusion oder Rüttelverdichtung.
Diese Verfahrensweise erfordert spezielle (Zusatz-)Materialien sowie
angepaßte
Herstellungsverfahren.
Alle genannten Maßnahmen implizieren also besonderen
zusätzlichen
Aufwand bei der Herstellung der Kathoden.
Es besteht daher die Aufgabe, durch
einfache Maßnahmen
den Abtrag der Kathodenblöcke über die Länge der
Blöcke
möglichst
gleichmäßig zu gestalten.
Insbesondere ist es gewünscht,
den Herstellprozeß für die Kathoden
einheitlich zu belassen, um die Vielfalt in der Produktion nicht
unnötig
zu erhöhen.
Die Aufgabe wird gelöst durch
eine Unterteilung der Stromabführung
von der Kohlenstoffkathode in mehrere Zonen. Dies kann erreicht
werden durch Aufteilung der die elektrische Verbindung zwischen
der Kathode und den Kollektoren bewirkende Kontaktmasse oder Stampfmasse
in mehrere Zonen, in denen Material mit unterschiedlicher Leitfähigkeit
bzw. unterschiedlichem elektrischen Widerstand eingesetzt wird,
oder durch eine in Richtung der langen Achse aufgeteilte mehrteilige
Ausführung
der Stahlbarren oder Kollektoren.
Gegenstand der Erfindung sind daher
Kathodensysteme für
die elektrolytische Aluminiumgewinnung, umfassend Kohlenstoffkathoden
und Kollektoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodensysteme in Richtung
ihrer langen Achse auf der Seite der Stromabführungen von der Kathode zum
Kollektor in mndestens zwei Teile mit unterschiedlichem elektrischen
Widerstand geteilt sind, derart daß der elektrische Widerstand
von den Enden des Kollektors bis zum dem Kollektor zugewandten Teil
der Kathode an den Enden der Kathode mindestens das 1,2 fache des
elektrischen Widerstands von den Enden des Kollektors bis zum dem
Kollektor zugewandten Teil in der Mitte der Länge der Kathode beträgt, wobei
die Aufteilung des Kathodensystems in mindestens zwei Teile unterschiedlichen
elektrischen Widerstands durch Verwendungunterschiedlicher Kontaktmassen
zwischen Kollektor und Kathode und/oder durch Aufteilen des Kollektors
in Richtung seiner langen Achse auf der Seite der Stromabführungen
in die Kathode in mindestens zwei Teile unterschedlichen elektrischen
Widerstands realisiert ist.
Unter Kathodensystem wird hier die
Kombination aus Kathodenblock, dem Kollektor und der Kontakt- oder Stampfmasse
verstanden, die den elektrischen Kontakt zwischen Kathodenblock
und Kollektor bewirkt. Ein Weg zur Realisierung der erfindungsgemäßen Lösung ist
daher dadurch gegeben, entlang der Länge der Kathodensysteme unterschiedliche
Materialien mit unterschiedlichem Übergangswiderstand zwischen
dem Kollektor und dem Kohlenstoffmaterial der Kathode einzusetzen.
Ein weiterer Weg zur Realisierung ist, mehrteilige in Richtung der
langen Achse geteilte Kollektoren einzusetzen, wobei Material und
Leitungsquerschnitt der Kollektorenteile entsprechend dem gewünschten
Widerstand zwischen einer gegebenen (der Schmelze zugewandten) Stelle
des Kathodenblocks und den freien Ende der Kollektoren gewählt werden.
Weitere Gegenstände der Erfindung sind Verfahren
zur Kontaktierung von Kathoden und Kollektoren durch mindestens
zwei in ihrer elektrischen Leitfähigkeit
unterschiedlichen Kontakt- oder Stampfmassen, Verfahren zur Herstellung
geeigneter Kollektoren mit dem beschriebenen mehrteiligen Aufbau
sowie die Anwendung unterschiedlicher Kontakt- oder Stampfmassen
oder mehrteiliger Kollektor-Ausführungsformen
in Kathodensystemen zur elektrolytischen Gewinnung von metallischem
Aluminium.
Die Kontakt- oder Stampfmasse dient
sowohl der mechanischen Festigkeit der Kombination aus Kollektor
und Kathode sowie auch der elektrischen Kontaktierung zwischen diesen
Teilen des Kathodensystems. Ublich ist beispielsweise das Ausgießen des
Spalts zwischen Kollektor und der Kathode mit Gußeisen. Andererseits werden
auch mit partikulärem
Kohlenstoff (Anthrazit und/oder Graphit) und/oder mit Metallteilchen (Pulver,
Schrot, Fasern, Whisker oder Plättchen;
insbesondere aus Eisen oder Eisenlegierungen wie Stahl) gefüllte Stampfmassen
verwendet, deren Bindemittel Teere (besonders Steinkohlenteer) oder
Peche (besonders Steinkohlenteerpeche) sind. Durch die Wahl von
Art (Zusammensetzung, Teilchengröße und deren
Verteilung) und Menge des die Leitfähigkeit bewirkenden Füllstoffes
kann die Leitfähigkeit
bzw. der elektrische Widerstand variiert werden. Ebenso ist es möglich, Klebstoffe,
insbesondere Zwei- oder Mehr-Komponentenhlebstoffe wie solche auf
Basis von Epoxidharzen oder Phenolharzen einzusetzen, die ebenfalls
durch Zusatz von partikulärem
Metall und/oder Kohlenstoff in Form von Anthrazit- und/oder Graphit-Pulvern
eine ausreichende Leitfähigkeit
im gewünschten
Maß erhalten.
Gemäß einer Ausführungsform,
werden mindestens zwei unterschiedliche Kontaktmassen zur Kontaktierung
von Kathoden und Kollektoren eingesetzt, wobei die Grenze zwischen
Zonen unterschiedlichen Materials senkrecht zur langen Achse der
Kollektoren verläuft.
Dabei ist der Übergangswiderstand
zwischen Kollektor und Kathode in der Mitte der Länge der
Kathode kleiner als der Übergangswiderstand
im Bereich der Enden der Kathode.
Es ist bevorzugt, daß im Bereich
der Mitte der Kathodenlänge
die Kontaktmasse Gußeisen
ist. Im Bereich der Enden der Kathodenlänge wird vorzugsweise eine
Kontaktmasse eingesetzt, die ausgewählt ist aus mit elektrisch
leitfähigen
Teilchen gefüllten
Teeren, Teerpechen, Kunstharzen auf Basis von Epoxidharzen und/oder
Phenolharzen, und Klebstoffen auf Basis von Epoxidharzen und/oder
Phenolharzen.
Als elektrisch leitfähige Teilchen
sind Teilchen aus partikulärem
Kohlenstoff und Metallteilchen in Form von Pulvern, Schrot, Fasern,
Whiskern und/oder Plättchen
besonders bevorzugt.
Toda et. al., in "Light Metals 1999", hrsg. von C. E. Ecken, Warrendale,
PA, USA, beschreibt Untersuchungen über den Übergangswiderstand zwischen
Kollektorstäben
und Kathodenmaterial mit zweiverschiedenen Kontaktmassen unterschiedlicher
Leitfähigkeit.
Beide untersuchten Masken führten
zu sehr niedrigem Übergangswiderstand
von unter 0,1 Ω/mm2. Es gibt jedoch keinen Hinweis darauf,
Kontaktmassen unterschiedlicher Leitfähigkeit nebeneinander zu verwenden
und dadurch den Übergangswiderstand
in einer Zone gezielt niedriger einzustellen als in einer benachbarten
Zone.
Die Aufteilung der Kontaktmasse bzw.
des Kollektors in Zonen unterschiedlicher Leitfähigkeit bzw. unterschiedlichen
elektrischen Widerstands wird bevorzugt so vorgenommen, daß die Stromdichte
an der Stelle des Übergangs
von der Kathode zu der ihren Boden bedeckenden Aluminiumschmelze über die
Kathodenlänge
möglichst
gleichmäßig ist.
Als "möglichst
gleichmäßig" wird im Rahmen der
vorliegenden Erfindung eine Ausführungsform
bezeichnet, bei der die Stromdichte sich über die Kathodenlänge um nicht
mehr als den Faktor 2 ändert.
Bevorzugt ist einen Änderung
um einen Faktor von maximal 1,5, besonders bevorzugt um einen Faktor
von maximal 1,3.
Werden unterschiedliche Kontaktmassen
auf Basis von Klebstoffen bzw. Kontaktmassen mit Teeren oder Pechen
als Binder eingesetzt, so wird bevorzugt die Aussparung auf der
Unterseite der Kathodenblöcke mit
den Kontaktmassen unterschiedlichen Widerstands so weit gefüllt, daß nur geringe
Mengen beim Montieren der Kollektorstäbe austreten. Es ist erfindungsgemäß auch möglich, Zonen
durch Ausgießen
mit geschmolzenen Metallen, bevorzugt wird dafür Gußeisen, zu kontaktieren. Die
unterschiedlichen Kontaktierungsmöglichkeiten lassen sich auch
nacheinander an denselben Kathodenblöcken realisieren.
Der spezifische Widerstand der gewählten Kontaktmassen
läßt sich
in einfacher Weise durch unterschiedliche Zusammensetzung gezielt
einstellen. Dabei können
dieselben Bindemittel oder Bindemittelmischungen als Matrix mit
(nach Art und/oder Menge) unterschiedlichen die Leitfähigkeit
bewirkenden Zusätzen gefüllt werden;
es ist aber auch möglich,
die Bindemittel oder Bindemittelmischungen je nach Art und Menge des
leitfähigen
Füllstoffs
zu variieren, um eine ähnliche
Verarbeitungsviskosität
zu erreichen und dadurch die auf den Kathodenblock bei der Montage
wirkenden Kräfte
auszugleichen.
Die Teilung der Kollektoren in Richtung
ihrer langen Achse in Zonen mit unterschiedlichem Widerstand läßt sich
so durchführen,
daß der
Kollektor aufgeteilt wird in Stücke
von unterschiedlichem Querschnitt, wobei die verwendeten Metalle
gleich oder verschieden sein können,
oder in Stücke
aus Metallen mit unterschiedlicher Leitfähigkeit, wie beispielsweise
Kupfer und Stahl. Selbstverständlich
ist es auch möglich,
Querschnitt und Material der Kollektorteile gleichzeitig zu variieren.
Wegen der meist unterschiedlichen thermischen Ausdehnung verschiedener
Metalle ist es bevorzugt, den gewünschten unterschiedlichen Widerstand
durch Verwendung desselben Metalls und unterschiedlicher Querschnitte
zu realisieren. Erfindungsgemäß ist es
jedoch auch möglich,
verschiedene Metalle einzusetzen, wobei dann bevorzugt Metallteile
mit unterschiedlichem spezifischen Widerstand in Richtung zu der
der Schmelze zugewandten Seite der hohlenstoffkathode auf einem gemeinsamen
Träger
aus einem gut leitenden Metall (beispielsweise Kupfer) angeordnet
werden.
Die Zonen des Kollektors mit unterschiedlichem
Widerstand werden voneinander durch einen flächigen Isolator getrennt. Bevorzugt
wird (wegen seine hohem thermischen Stabilität) Glimmerfolie eingesetzt.
Der Zusammenhalt von derart zusammengesetzten Kollektoren wird durch
geeignete Befestigungsmittel sichergestellt, insbesondere Manschetten
aus Blech.
Es ist auch möglich, ohne derartige Befestigungsmittel
auszukommen, wenn ein Aufbau gewählt
wird, bei dem ein Metallbarren aus einem gut elektrisch leitenden
Material mit einer isolierenden Folie und einer Hülse aus
schlechter leitendem Material umkleidet wird. Diese Umkleidung wird
so weit ausgeführt,
daß der
Barren in der Mitte der Kathodensystem-Länge direkt mit der Kohlenstoffkathode
in Verbindung steht. Im Außenbereich,
also zu den Enden des Kathodensystems hin, erfolgt die elektrische
Verbindung ausschließlich über die
Hülse.
In allen Fällen ist es möglich, zwei
Kollektor-Halbstäbe
oder einen durchgehenden Kollektor einzusetzen, wobei der durchgehende
Kollektor und die Halbstäbe
in geeigneter Weise in Zonen unterschiedlichen Widerstands geteilt
sind.
Die bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung werden durch die Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen
die 1 einen
Längsschnitt
durch ein Kathodensystem mit zwei Kontaktmassen unterschiedlichen Widerstands;
und
die 2 einen
Querschnitt längs
der Linie II-II' durch
ein Kathodensystem mit einem Kollektor, der mit der Kathode durch
eine Kontaktmasse verbunden ist; und
die 3 einen
Querschnitt längs
der Linie IIPI-III' durch
ein Kathodensystem mit einem Kollektor, der mit der Kathode an dieser
Stelle durch Ausgießen
mit Gußeisen
verbunden ist; und
die 4 einen
Längsschnitt
durch ein Kathodenende, in dem der Kollektor (Stahlträger) in
zweigeteilter Form zu sehen ist; und
die 5 einen
Längsschnitt
durch ein Kathodenende, in dem der Kollektor aus verschiedenen Metallen
unterschiedlicher Leitfähigkeit
ausgeführt
ist; und
die 6 einen
Längsschnitt
durch ein Kathodenende, in dem der Kollektor (Stahlträger) in
zweigeteilter Form zu sehen ist, und worin die Ausführung der
Isolation mit rechtwinkliger Einpassung vergrößert dargestellt ist; und
die 7 eine
alternative Ausführungsform
zu der in 6 dargestellten,
hier mit stumpfwinkliger Einpassung; und
die 8 einen
Längsschnitt
durch eine Kathode mit einem dreigeteilten Kollektor; und
die 9 den
Querschnitt durch einen in zwei Zonen aufgeteilten Kollektor, dessen
Teile durch eine Manschette mechanisch und elektrisch isoliert verbunden
sind; und
die 10 einen
Querschnitt der in 4 dargestellten
Ausführungsform
längs der
Linie X-X ; und
die 11 einen
Querschnitt der in 4 dargestellten
Ausführungsform
längs der
Linie XI- XI; und
die 12 einen
Querschnitt durch einen in zwei Zonen aufgeteilten Kollektor, wobei
die Zone mit höherem
Widerstand in Form einer Hülse
ausgebildet ist.
Die 1 zeigt
einen Längsschnitt
durch ein Kathodensystem mit herkömmlichem Kollektorstab 2,
der über
zwei Kontaktmassen 13 und 14 mit unterschiedlichem
elektrischen Widerstand mit der Kathode 1 verbunden ist.
Dabei ist der Übergangswiderstand
vom Kollektor 2 durch die Kontaktmasse 13 größer als
der über die
Kontaktmasse 14, erfindungsgemäß mindestens um einen Faktor
1,2, bevorzugt mindestens 1,5, und insbesondere mindestens einen
Faktor 2. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Material
der Kontaktmasse 14 Gußeisen,
während
das Material der Kontaktmasse 13 ein mit Kohlenstoff- und/oder
Metallteilchen gefülltes
Teerpech, Kunstharz oder Kunstharz-Kleber ist.
Die 2 und 3 zeigen Querschnitte längs der
Linien II-II' bzw.
III-III' aus der 1. Auch in diesen Fällen werden
die Kontaktmassen 13 und 14 so gewählt, daß sich für den Übergangswiderstand
zwischen dem Kollektor 2 und der Kathode 1 an
den Stellen der Schnitte II-II' (RII) und an der Stelle III-III' (RIII)
die folgenden Verhältnisse
ergeben:
RIII : RII =
1:1,2 bis 1:100; bevorzugt 1:2 bis 1:80, und insbesondere 1:5 bis
1:60.
In der 4 ist
ein Längsschnitt
durch eine Kathode 1 mit Kollektor 2 dargestellt,
das Material 3 der Kathode ist ausgewählt aus Graphit, halbgraphitischen,
halb-graphitiertem und amorphen Kohlenstoff wobei Graphit-Kathoden
wegen ihrer besseren Leitfähigkeit
bevorzugt werden. Der Kollektor besteht in dieser Ausführungsform
aus zwei Zonen 4 und 5, die wegen ihres unterschiedlichen
Querschnitts unterschiedlichen elektrischen Widerstand aufweisen.
Dabei können
die Materialien 4 und 5 gleich oder verschieden
sein. Die beiden Zonen 4 und 5 sind durch eine
Zwischenlage 6 eines isolierenden Materials elektrisch
voneinander getrennt, das die Betriebstemperatur der Kathode von
ca. 960 °C
unbeschadet überstehen
muß. Bevorzugt
werden mineralische Isoliermaterialien wie Glimmerscheiben verwendet.
Die erforderliche mechanische Festigkeit wird in dieser Ausführungsform
dadurch erreicht, daß die
Zone 4 mit der höheren
Leitfähigkeit
auch den größeren Querschnitt
aufweist. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist es möglich, die
Teile 5 und 4 des Kollektors mechanisch miteinander
zu verbinden, ohne sie elektrisch zu verbinden.
Dazu kann beispielsweise, wie in 9 dargestellt, eine Manschette 15 aus
einem Metallband, beispielsweise einem Stahlband, um den Kollektor
aus den Teilen 4 und 5 angebracht werden, wobei
die Manschette 15 gegenüber
den Kollektorteilen 4 und 5 durch einen Isolator 6', beispielsweise
eine Glimmer-Zwischenlage, isoliert ist. Die Teile 4 und 5 des
Kollektors sind durch eine isolierende Zwischenlage 6 voneinander elektrisch
getrennt. Die Spannvorrichtung für
die Manschette ist auf dieser Zeichnung nicht dargestellt.
Eine andere Ausführüngsform der Erfindung mit einem
mehrteiligen Kollektor 2 zeigt die 5, wobei der Kollektor zusammengesetzt
ist aus einer dünnen
Platte 11 eines Metalls mit niedrigem Widerstand, wie beispielsweise
Kupfer, und zwei dickeren Platten 9 und 10 eines
Metalls mit höherem
Widerstand, aber auch höherer
Festigkeit und Steifigkeit, wie bevorzugt Stahl. Die Platte 11 ist
gegen die Platte 9 elektrisch isoliert, aber mit der Platte 10 leitend
verbunden. Dadurch wird der Widerstand auf dem Weg vom Kontakt am
Ende 12 des Kollektors bis zu Berührungszone zwischen der Platte 10 und
der Kathode geringer als der Widerstand auf dem Weg vom Kontakt
am Ende des Kollektors 12 bis zur Berührungszone der Platte 9 und
der Kathode 1. Der spezifische elektrische Widerstand der
Materialien der Platten 9, 10 und 11 und
ihre Geometrie (Querschnittsfläche)
ist gemäß den obigen
Ausführungen
so gewählt,
daß der
Widerstand vom Ende 12 des Kollektors bis zur Berührungszone
der Kathode 1 und den Platten 10 bzw. 9 ein
Verhältnis
von mindestens 1:1,2 aufweist, insbesondere ist das Verhältnis der
Widerstände
so gewählt,
daß die
Stromdichte beim Übergang
von der Kathode 1 zur Aluminiumschmelze im Boden der Zelle
möglichst
gleichmäßig ist.
Auch in dieser Ausführungsform
werden die Platten 9, 10 und 11 mechanisch
miteinander verbunden, wie es prinzipiell in 9 dargestellt ist.
Unter möglichst gleichmäßig wird
verstanden, daß das
Verhältnis
der Stromdichte in der Randzone zur Stromdichte in der Mittelzone
der Kathode 1 nicht mehr als 2:1 beträgt, bevorzugt nicht mehr als
1,5:1, und besonders bevorzugt nicht mehr als 1,2:1.
In den 6 und 7 sind alternative Ausführungsformen
der Isolation im Fall eines zweigeteilten Kollektors 2 dargestellt:
in 6 hat das Kollektorteil 4 eine
rechtwinklig begrenzte Aussparung, während in 7 die Aussparung im Teil 4 einen
stumpfen Winkel aufweist. Diese Ausführung gemäß 7 hat sich als vorteilhaft für die Einbringung
der isolierenden Zwischenschicht G erwiesen. In einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform,
die nicht gezeigt ist, ist es auch möglich, den Winkel derart zu
verrunden, daß ein
plättchenförmiger mineralischer
Isolator wie Glimmer nicht bricht.
Die 8 zeigt
einen Aufbau eines Kathodensystems mit einer Kathode 1,
wobei der Strom über
einen Kollektor 2 abgeführt
wird. In dieser Ausführungsform
sind die Kollektoren 2 jeweils aus drei Teilen oder Zonen 5, 7 und 8 zusammengesetzt,
wobei aus Gründen
der Übersichtlichkeit
wieder die Manschetten nicht dargestellt werden.
Die Widerstände in der Ausführungsform
mit Kollektoren mit drei Zonen unterschiedlichen elektrischen Widerstands
gemäß der
8 von dem Ende
12 zu
Zone
5 (=R
1
2
/
5), von dem Ende
12 zur
Zone
7 (=R
1
2
/
7) und von dem Ende
12 zur
Zone
8 (=R
1
2
/
8) verhalten sich
bevorzugt wie in der folgenden Tabelle dargestellt:
Bei der Montage von Kollektor und
Kathodenblock muß darauf
geachtet werden, daß die
Stromabführung
im Bereich mit mehreren Kollektorzonen gemäß der in den 4 (Längsschnitt)
und 9 (Querschnitt) gezeigte
Ausführungsform
nur über
die der Kathode zugewandte Kollektorzone erfolgt.
Dazu wird an den beiden Seiten des
Kollektors entsprechend der Länge
der geteilten Zonen ein flächiger
Isolator, beispielsweise eine Glimmerfolie, so eingelegt, daß keine
elektrische Verbindung der Kathode mit der Zone des niedrigeren
Widerstands des Kollektors in diesem Bereich vorliegt.
Die 10 zeigt
einen entsprechenden Aufbau (Schnitt X-X' in der 4),
bei dem an beiden Seiten des Kollektors im Bereich der geteilten
Zonen Isolierfolien 6'' und 6''' eingelegt
sind, und die durch die Stampfmasse 13 in ihrer Position
fixiert werden können.
Ansonsten bewirkt die Stampfmasse in bekannte Weise die elektrische
Kontaktierung (hier zwischen der Zone 5 und der Kathode)
und die Fixierung von Kollektor 2 und Kathode 1.
Im Bereich des Schnitts XI-XI' der 4, der in 11 dargestellt
ist, ist naturgemäß eine derartige Isolierung
an der Seite nicht mehr erforderlich. Daher ist in diesem Bereich
der Übergangswiderstand
zwischen der Kathode 1 und dem Kollektor 2 über die
Stampfmasse 13 wegen der größeren Kontaktfläche auch
erheblich geringer, was ebenfalls zu einer Erhöhung der Stromdichte in diesem
Bereich dient.
Bei einer Aufteilung der Kollektoren
in mehr als zwei Zonen muß ebenfalls
an den Seiten isoliert werden. Die Notwendigkeit der Isolierung
an den Seiten läßt sich
vermeiden, wenn die Zone höheren
Widerstands im Kollektor nicht als der Kathode zugekehrte Platte,
sondern in Form einer Hülse
ausgeführt
ist, die den Kollektor mindestens soweit umschließt, wie
der Kontakt über
die Stampfmasse gegeben ist. In der 12 ist
eine Ausführungsform
dieser Art im Querschnitt dargestellt, wobei der Innenteil 4 des
Kollektors 2 an drei Seiten von einer Hülse 5 höheren Widerstands
umgeben ist. Hier ist eine Isolierung 6 nur im Inneren
des Kollektors erforderlich; der geringere Aufwand bei der Montage
des Kollektors steht dem erhöhten
Konstruktionsaufwand dieser Form gegenüber, wobei je nach den Gegebenheiten
der Zellkonstruktion die eine oder die andere Form der Ausführung vorzuziehen
ist.
