DE3538016A1 - Kathodenboden fuer aluminium-elektrolysezellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kathodenboden mit vorgebrann­ ten Kohlenstoffblöcken für Aluminium-Schmelzflußelektrolyse­ zellen mit einer Stromstärke von 100 000 A und mehr, vorzugs­ weise 150 000 A und mehr, der für die Stromableitung mit massiven Stahl-Stromschienen in Verbindung steht.

In den Aluminium-Schmelzflußelektrolysezellen befindet sich das Elektrolysebad in großen flachen Wannen, deren Boden und Seiten mit Kohlenstoffmaterial ausgekleidet sind. Der von der Kohlenstoffmaterialauskleidung gebildete Kohlenstoffboden dient als Kathode und ist in der Regel aus einer Anzahl von quer zur Längsrichtung der Elektrolysezelle angeordneten, nebeneinander liegenden, langgestreckten Kohlenstoffblöcken, rechteckigen oder quadratischen Querschnitts gebildet, die miteinander durch mit Kohlenstoffmasse gefüllte Stampffugen verbunden sind. Die aufgrund ihrer Funktion auch als Katho­ denblöcke bezeichneten Kohlenstoffblöcke mit einer mittleren Länge von ca 3 m und mehr weisen an ihrer Unterseite Längs­ nuten auf, in die für die Stromabteilung massive Stromschie­ nen aus Stahl eingelassen sind. Die Stahl-Stromschienen, die auch als Kathodenanschlußeisen oder einfach als Kathoden­ eisen bezeichnet werden, sind in die ggfs. mit einer Hinter­ schneidung ausgebildeten Nuten der Kathodenblöcke mit einer Kohlenstoffmasse eingestampft oder mittels Gußeisen einge­ gossen.

Der Kohlenstoffboden hat in der Aluminium-Elektrolysezelle zwei wichtige Aufgaben zu erfüllen. Einerseits soll er als refraktäres Auskleidungsmaterial resistent sein gegen flüs­ siges Aluminium, gegen abgeschiedenes Natrium sowie gegen Komponenten des Schmelzflußelektrolyten auf Kryolithbasis. Andererseits soll er den Stromfluß von der über dem Kohlen­ stoffboden stehenden Schicht aus flüssigem Aluminium mit möglichst geringem Spannungsabfall, d.h. mit möglichst geringem elektrischem Energieverlust, auf die kathodischen Anschlußschienen aus Stahl übertragen. Das refraktäre Verhalten des Kohlenstoffbodens ist ausschlaggebend für die Erfüllung seiner Aufgabe als Elektrode.

Wie sich in der Praxis zeigt, sind sowohl der Kohlen­ stoffboden als auch die Seitenauskleidung aus Kohlenstoff nicht flüssigkeitsdicht, da sie einen offenen, von außen zugänglichen Porenraum in der Größenordnung von 10 bis 20% besitzen. Elektrolytbestandteile, Natrium und Aluminium können daher die Kohlenstoffauskleidung so weit und so lange von innen nach außen durchdringen, bis sie durch hinreichende Temperaturerniedrigung zur Erstarrung kommen.

Bei der Elektrolysezelle schließt sich unter dem Kohlen­ stoffboden eine feuerfeste Wärmeisolierung an. Gewöhnlich penetrieren tiefschmelzende Eutektika und Dämpfe der Kryo­ lithschmelze das poröse Feuerfestmaterial dieser Wärme­ isolierung und verändern es in seiner chemischen Zusammen­ setzung, physikalischen Struktur und Wärmeleitfähigkeit.

Neben der Gefahr einer frühzeitigen Alterung und Zerstö­ rung der Elektrolysezellenauskleidung treten durch die vorstehend beschriebenen Vorgänge während der Betriebs­ dauer der Zelle wesentliche Veränderungen im Wärmeabfluß und damit im Wärmehaushalt auf. Die Imprägnierung des Isoliermaterials mit Elektrolytschmelze führt zu einer Er­ höhung seiner Wärmeleitfähigkeit, die umso gravierender ausfällt, je größer die Ausgangsporosität und die Iso­ lierfähigkeit des eingesetzten Feuerfestmaterials ist. Außerdem ist eine ständige Volumenvergrößerung der feuer­ festen Auskleidung zu beobachten, die eine allmähliche Auf­ wölbung des gesamten Bodens der Elektrolysezelle nach sich zieht.

Von Bedeutung ist auch das Problem der Wärmeisolierung in den Randbereichen der Elektrolysezelle, wo zum rein chemischen Angriff noch eine starke mechanische Erosion durch die Bewegung des Elektrolysebades hinzu kommt. Die Zustellungsprobleme in den Randbereichen werden häufig nur in einer aus der Sicht des Energieverbrauchs unökonomischen Weise gelöst, indem man den Schmelzfluß­ elektrolyt, bevor dieser die Randauskleidung erreicht, durch einen intensiven Wärmeentzug zur Erstarrung bringt, d. h. eine mehr oder weniger dicke Kruste bildet.

Vorliegende Erfindung macht es sich zur Aufgabe, die vorstehend beschriebenen Mängel durch geeignete konstruk­ tive Maßnahmen teilweise oder auch ganz zu beseitigen, je nach dem, in welchem Umfang sich dies entsprechend ihrer voraussichtlichen Intensität von Fall zu Fall als zweckmäßig bzw. erforderlich erweist.

Diese Aufgabe wird bei einem Kathodenboden aus Kohlenstoff für Aluminium-Schmelzflußelektrolysezellen, der für die Stromableitung mit wenigstens einer massiven Stahl-Strom­ schiene in Verbindung steht, erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweck­ mäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprü­ chen beschrieben.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen u.a. darin, daß die Wärmeverluste und damit der spezifische elektrische Energieverbrauch für das erzeugte Aluminium wesentlich vermindert wird und der Wärmehaushalt bzw. das Wärmegleichgewicht über eine lange Betriebsperiode der Elektrolysezelle stabilisiert wird. Damit ist aber infolge minimaler Veränderung der Zellenauskleidung auch eine Be­ rechenbarkeit des Wärmefeldes der Elektrolysezellen (Iso­ thermenberechnung) mit langer Gültigkeitsdauer möglich. Durch Verhinderung frühzeitiger Zerstörungserscheinungen im Boden und Verlangsamung der Alterung ergibt sich eine Ver­ ringerung der Spannungsverluste zwischen Aluminiumbad und äußerem kathodischem Stromanschluß. Die Haltbarkeit bzw. Lebensdauer der Zellenauskleidung wird verbessert und damit werden Einsparungen bei den Zustellungskosten (Kathoden­ blöcke, Kohlenstoffstampfmassen, Stahl-Anschlußschienen, feuerfestes Isolationsmaterial, Arbeitsaufwand, Produk­ tionsausfall) ermöglicht. Durch den erheblich geringeren Anfall an verbrauchter Zellenauskleidung ergeben sich we­ sentliche Vorteile in bezug auf deren Deponie und/oder Auf­ arbeitung, die ein ernsthaftes, kostenaufwendiges und um­ weltbelastendes, bislang technisch noch nicht befriedigend gelöstes Problem darstellt. Des weiteren läßt sich eine erhebliche Verminderung der Verluste an Kryolith und Schmelzzusätzen wie AlF₃, LiCO₃, Na₂CO₃ usw., die ansonsten zu fast 2/3 der Gesamtverluste in die Zellenauskleidung ver­ loren gehen, erreichen. Als weiterer Vorteil läßt sich auch ein verbesserter Schutz der thermischen Bodenisolierung gegen Schmelzepenetration und dadurch die Einbaumöglichkeit hochwärmedämmender Feuerfestwerkstoffe in reduzierter Menge und Schichtdicke verwirklichen.

Anhand von Versuchen konnte beispielsweise nachgewiesen wer­ den, daß, wenn man einen Grafittiegel locker in einen hitze­ beständigen Stahltiegel stellt und in dem Grafittiegel Kryolith bei ca. 1.000°C schmilzt, die Innenwand des sonst oxidationsbeständigen Stahltiegels in erheblichem Maße korrodiert. Umgießt man dagegen den Grafittiegel im Sinne der Erfindung stramm mit einer Gußeisenschicht, so wird die In­ nenwandung des Gußeisentiegels nicht angegriffen.

Ebenso wurde festgestellt, daß bei den bekannten, konventio­ nellen Elektrolysezellen, die im Neuzustand einen ebenen Kathodenboden aufweisen und bei denen das Aluminiumbad - wenn nicht außergewöhnliche, magnetisch bedingte Aufwölbun­ gen vorliegen - eine planparallele Schicht darstellt, die wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit des Aluminiums die haupt­ sächlich im Elektrolyten erzeugte Widerstandswärme ohne Ab­ schwächung in voller Schichthöhe des Metalls an die Außen­ ränder leitet. Der Wärmetransport durch Leitung wird durch Konvektion noch unterstützt. Wärmeflußmessungen haben ge­ zeigt, daß in Höhe des Aluminiumbades ein Maximum der Wärme auf die Seitenwandungen trifft und die Wärmeverluste durch die Seitenwände der Stahlwanne hindurch beträchtlich größer sind als durch die Bodenfläche hindurch. Eine Eindämmung dieser seitlichen Wärmeverluste durch eine verstärkte seitliche Wärmeisolierung hat sich nicht bewährt, weil das Aluminiumbad zusammen mit der Kryolithschmelze einen nicht beherrschbaren Verschleiß der Seitenzustellung hervorruft.

Wird dagegen durch die erfindungsgemäße oberseitige Ver­ tiefung des Kathodenbodens dafür gesorgt, daß das Alu­ miniumbad nach dem Seitenrand zu sich keilförmig verjün­ gend ausläuft, so werden die peripheren Wärmeverluste und der Verschleiß der Seitenauskleidung auf ein Minimum re­ duziert, da das Aluminiumbad kaum Wärme in horizontaler Richtung auf die Seitenauskleidung übertragen kann. Bereits eine geringe äußere Wärmeabführung genügt, um eine ver­ schleißsichere Kruste aus Kryolithschmelze und Oxid vor der Randplatte aus Kohlenstoff entstehen zu lassen.

Die Erfindung ist in der Zeichnung in Ausführungsbei­ spielen gezeigt und wird anhand dieser im folgenden be­ schrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Kathodenblock mit in einer unterseitigen Nut mittels einer Umhüllung aus Gußeisen verankerter Stahl-Stromschiene und mit der Umhüllung einstückig ausgebildeter untersei­ tiger Abdeckung in einem Querschnitt,

Fig. 2 in gleicher Weise in etwas kleinerem Maßstab die gegenseitige Verbindung mehrerer Kathoden­ blöcke gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ebenfalls im Querschnitt ein anderes Ausfüh­ rungsbeispiel für die unterseitige Abdeckung des Kathodenblockes,

Fig. 4 wiederum im Querschnitt die gegenseitige Ver­ bindung mehrerer Kathodenblöcke gem. Fig. 3,

Fig. 5 einen Querschnitt eines weiteren Ausfüh­ rungsbeispiels für einen Kathodenblock,

Fig. 6 dazu in einem Längsschnitt den Übergangsbe­ reich vom Kathodenblock zur Kathodenschiene,

Fig. 7 einen Schnitt längs der Linie A-A der Fig. 6,

Fig. 8 in einem Ausschnitt und im Querschnitt einen Teil einer Elektrolysezelle,

Fig. 9 in gleicher Weise eine andere Ausführungs­ form einer Elektrolysezelle und

Fig. 10 wiederum in gleicher Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Elektrolysezelle.

Nach Fig. 1 der Zeichnung ist der hier mit quadratischem Quer­ schnitt ausgebildete Kathodenblock 1 aus Kohlenstoffmaterial an seiner unteren Seite mit der leicht hinterschnittenen Nut 2 versehen. In dieser Nut 2 ist die aus Stahl hergestellte Ka­ thodenschiene 3 angeordnet und mit der aus Gußeisen bestehen­ den Umhüllung 4 in der Nut 2 verankert. An der Umhüllung 4 einstückig angeformt ist die Kathodenblockabdeckung 5, die satt an der unterseitigen Fläche 10 des Kathodenblockes 1 an­ liegt. Die Kathodenblockabdeckung 5 weist die seitlich über dem Kathodenblock 1 überstehenden Verlängerungen 7 u. 8 auf.

Vorteilhaft erfolgt die Herstellung des in Fig. 1 dargestellten Kathodenblockes in der Weise, daß der an seiner Unterseite mit der Nut 2 versehene Kathodenblock außerhalb der Elektrolyse­ zelle in der sogenannten Kathodenvorbereitung in umgewendeter Lage, d.h. mit der Unterseite nach oben, in einen Gießkasten eingespannt oder mit einem Gießrahmen versehen wird, dann die Stahl-Stromschiene in der Nut 2 in der vorgesehenen Weise po­ sitioniert wird und schließlich der zwischen Nut 2 und Stahl- Stromschiene 3 vorhandene Zwischenraum mit Gußeisen ausgegos­ sen und dabei gleichzeitig auf die Fläche 10 des Kathoden­ blockes 1 die Abdeckung 5 in Form einer definierten Schicht von beispielsweise etwa 1 bis 4 cm Dicke mit den seit­ lichen Verlängerungen 7 u. 8 in einem Arbeitsgang auf­ gegossen wird.

Der Zusammenbau von Kathodenblöcken gemäß Fig. 1 ist in der Fig. 2 gezeigt. Die zwischen den Kathodenblöcken 1 gebildeten Fugen sind in an sich bekannter Weise mit der Kohlenstoffstampfmasse 6 gefüllt, und die seitlichen Ver­ längerungen 7 u. 8 überlappen sich entsprechend ihrer Ausbildung im Bereich dieser Fugen. Die Breite der zwi­ schen den Gußschichten 5 und den Verlängerungen 7 u. 8 gebildeten Lücken 9 wird zweckmäßig so bemessen, daß für die Montage und für die Wärmedehnung ein ausreichender Spielraum vorhanden ist.

Bei den Kathodenblöcken der Fig. 1 und 2 kann auch eine solche Anordnung getroffen werden, bei welcher die unter­ seitige Fläche der Stahl-Stromschiene 3 mit der unter­ seitigen Fläche 10 (Fig. 1) der Kathodenblöcke 1 genau fluchtet.

Der Kathodenblock 1 der Fig. 3 weist wiederum eine mit seitlicher Hinterschneidung versehene Nut 2 auf, in wel­ cher die Stahl-Stromschiene 3 durch Umgießen mit Gußeisen verankert ist. Die gußeiserne Umhüllung 4 ist an der Un­ terseite des Kathodenblockes 1 lediglich nach dessen ei­ ner Seite zu mit der einstückig angegossenen Abdeckung 5 versehen, wobei diese den Kathodenblock 1 so weit über­ ragt, daß sich beim Zusammenbau mit weiteren Kathoden­ blöcken 1 der in Fig. 4 dargestellte Zustand ergibt, wo­ bei also der überstehende Teil der Abdeckung 5 den noch nicht abgedeckten Teil der unteren Fläche des benachbar­ ten Kathodenblockes abdeckt. Auch hier kann selbstverständ­ lich die Bemessung der Lücke 9 so erfolgen, wie in Zusam­ menhang mit Fig. 1 und 2 erwähnt.

Selbstverständlich sind auch andere Möglichkeiten der gegenseitigen Überlappung der gußeisernen Abdeckung wie auch weitere Möglichkeiten der Anordnung der Schiene im Kathodenblock denkbar, beispielsweise eine solche, bei welcher die Schiene über die unterseitige Fläche 10 der Kathodenblöcke 1 übersteht.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 bis 7 ist ein Verbundsystem aus Kathodenblock und Gußeisenabdeckung veranschaulicht, bei dem auf eine Stahl-Anschlußschiene im Kathodenblock verzichtet ist. Im Kathodenblock 1 sind die V-förmig zueinander angeordneten Längsnuten 12 ausgebildet. Das Ausfüllen dieser Nuten mit Gußeisen und das Angießen der abdichtenden Gußeisenschicht 5 ge­ schieht auch hier zweckmäßig in einem einzigen Arbeits­ gang bei umgewendetem Kathodenblock.

Wie aus dem Längsschnitt der Fig. 6 ersichtlich, ist die Stahl-Stromschiene 3 in Verlängerung des Kathodenblockes 1 angeordnet. Die V-förmig angeordneten Stege 13 sind dabei über das Ende des Kathodenblockes 1 hinaus verlän­ gert, wobei diese Verlängerung 14 zweckmäßig als Platte von der Größe der Außenkontur des für die Aufnahme der Stahl-Stromschiene 3 vorgesehenen hohlquadratischen An­ gusses 15 ausgebildet wird, wie aus dem in Fig. 7 darge­ stellten Schnitt A-A durch das Anschlußende 16 der Fig. 6 zu entnehmen ist.

Für das Zusammenfügen mehrerer Kathodenblöcke gilt ent­ sprechend das in Verbindung mit den Fig. 3 und 5 Erwähnte.

In Verbindung mit den Maßnahmen der Fig. 1 bis 7, aber auch unabhängig davon für sich allein, kann eine Ausbil­ dung des Kathodenbodens gem. Fig. 8 vorgesehen werden, bei der innerhalb der Stahlwanne 27 die Kathodenblöcke 22 mit in diesen angeordneten und aus der Stahlwanne 27 her­ ausgeführte Kathodenschienen 23 in Schräglage angeordnet sind, so daß sie miteinander einen stumpfen Winkel, der beispielsweise 150-170° betragen kann, bilden. Die Lücke zwischen den mittigen, stirnseitigen Enden der Kathoden­ blöcke 22 ist mit der Kohlenstoffstampfmasse 24 ausge­ füllt. Unterhalb des Kathodenbodens befindet sich inner­ halb der Stahlwanne 27 die Wärmeisolierung 26 aus Feuer­ festmaterial.

Die mit dem aus den Profilen 28, beispielsweise U-Profilen o.dgl., gebildeten Versteifungsrahmen außenseitig abge­ stützte bzw. versteifte Stahlwanne 27 ist an ihrem innen­ seitigen Rand mit den aus Kohlenstoff hergestellten Plat­ ten 25 ausgekleidet, wobei die Lücke zwischen diesen Plat­ ten und den äußeren stirnseitigen Enden der Kathodenblö­ cke 22 wiederum mit Kohlenstoffstampfmasse 24 ausgefüllt ist.

Über dem Kathodenboden befindet sich das Aluminiumbad 21, das entsprechend der Schräglage der Kathodenblöcke 22 die Querschnittform eines mit seiner Spitze nach unten zei­ genden gleichseitigen stumpfwinkligen Dreieckes aufweist. Über der Oberfläche des Aluminiumbades 21 befindet sich der Schmelzflußelektrolyt 18, in den die Anodenblöcke 17 mit ihrem unteren Ende hineinragen. Durch die Linie 34 ist die Grenzfläche zwischen dem Schmelzflußelektrolyt 18 und der verschleißsicheren Kruste 19, die sich infolge geringer Wärmeabgabe gebildet hat, schematisch angedeu­ tet. Mit 20 ist das für die elektrolytische Zersetzung bestimmte Aluminiumoxid bezeichnet.

Die Schräglage der Kathodenblöcke 22 wird zweckmäßig so bemessen, daß in Verlängerung der äußeren Seite 33 der Anodenblöcke 17 nach unten eine Metallschichthöhe von etwa 2-8, vorzugsweise etwa 3-6 cm, aufrecht erhalten wird. Die Kathodenblöcke 22 reichen seitlich so weit über die Anodenblöcke hinaus, daß deren Ende vom Metallspiegel nicht überstiegen wird. Die Neigung der Kathodenblöcke 22 richtet sich nach dem im Mittel gewünschten Metallstand, der üblicherweise etwa 13 bis 23 cm beträgt. Wird z.B. über den zur Mitte geneigten Kathodenblöcken 22 mit einer angenommenen Länge von ca. 210 cm eine mittlere Tiefe des Aluminiumbades 21 von rd. 17 cm gewünscht, so be­ trägt die Metallbadtiefe in der Längsachse der Elektro­ lysezelle rd. 34 cm.

Außer den stark reduzierten Wärmeverlusten weist der zur Mitte hin geneigte Kathodenboden mit dreieckförmigem Metallbadprofil noch weitere Vorteile auf. Der Kohlen­ stoffboden erleidet je nach Qualität der Kathodenblöcke durch Natriumeinwirkung und Schmelzeinfiltration eine Volumenexpansion, die im Falle eines ebenen Kathodenbo­ dens zu einem Auftreiben des Bodens führt. Dabei können Risse und Spalte entstehen, die die Haltbarkeit und das elektrische Leitvermögen des Kohlenstoffbodens verschlech­ tern. Wenn bei dem erfindungsgemäßen Kathodenboden mit nach unten gerichteter, negativer Vorneigung Volumenexpan­ sionen auftreten, übt dieser sich selbst abdichtende Druckspannungen aus, die durch den Versteifungsrahmen 28 der Stahlwanne 27 in konstruktiv günstiger Weise aufge­ fangen werden. Das stromdurchflossene Aluminiumbad 21 wird erfahrungsgemäß durch das Magnetfeld der Stromschie­ nen und dadurch ausgelöste Schubkräfte zu rotierender Strömung angeregt. Die Zirkulation und Wellenbewegung des flüssigen Aluminiums werden durch die in Richtung der Seitenränder abnehmende Badtiefe abgeschwächt. Dagegen ver­ bleibt eine ausreichende, erwünschte Bewegung des Elektro­ lysebades in der Mittelzone mit höherem Metallstand, die die Auflösung und Verteilung des Aluminiumoxids in der Kryolithschmelze unterstützt, weil in den neuzeitlichen Elektrolysezellen das Aluminiumoxid in der Mittelgasse zwischen den Anodenblöcken 17 chargiert und eingestoßen wird. Schließlich wird durch die schrägen Böden der Stahl­ wanne 27 eine gleichmäßige Luftkühlung für den unteren Teil der Elektrolysezelle gewährleistet.

Beide für die erfindungsgemäße Ausführung des Kathoden­ bodens beschriebenen Teilmaßnahmen, d.h. einerseits die Penetrationssperre aus angegossenem Gußeisen auf der Unterseite des Kohlenstoffbodens und andererseits das Aluminiumbadprofil in Form eines nach unten gerichteten, gleichseitig flachen Dreiecks, bieten in ihrer Kombi­ nation eine Kathodenkonstruktion für die Aluminium-Elek­ trolysezelle, mit der sich die der Erfindung zu Grunde liegenden Zielsetzungen voll realisieren lassen. Es ist aber durchaus möglich, nur eine der beiden Verbesserungs­ maßnahmen anzuwenden, wenn nur ein Teil der gestellten Aufgaben gelöst werden soll.

Um auch in vorhandenen konventionellen Elektrolysewannen mit ebenem Boden ohne Konstruktionsänderung das erfindungs­ gemäße Querschnittsprofil des Aluminiumbades mit nach der Mitte zu sich vergrößernder Tiefe, also beispielsweise in der Form des in Fig. 8 gezeigten Dreiecks, verwirklichen zu können, werden anstelle der geneigten planparallelen Kathodenblöcke nach Fig. 8 bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 9 solche mit dreieckförmiger Vertiefung verwendet.

Der als Beispiel dargestellte Kathodenblock 22 mit sym­ metrischer Dreiecksvertiefung wird bevorzugt als durchge­ hender Kathodenblock gefertigt und entsprechend eingesetzt. Die aus dem Kathodenblock 22 herausragenden und die Stahl­ wanne 27 durchdringenden Enden sind mittels der elektrisch nicht leitenden keramischen Platten 30 abgedeckt.

Das Blockprofil läßt sich mit Hilfe eines Vibrationsverdich­ ters ohne Schwierigkeiten herstellen. Der Kathodenblock 22 läßt sich jedoch auch in geteilter Form, d.h. aus zwei Einzelblöcken mit Stoßfuge in der Mitte verwenden. Der in seiner Höhe vom Rand zur Mitte hin abfallende Kathoden­ block 22 hat nicht nur den schon erwähnten Vorteil einer beachtlich verminderten Wärme- und Erosionsbelastung des Randes, sondern auch Vorteile bezüglich der kathodischen Stromverteilung.

Betrachtet man den Stromfluß vom Aluminiumbad 21 zur stromableitenden Kathodenschiene 23, so ist bei Verwen­ dung der üblichen planparallelen Kohlenstoffblöcke be­ kannt, daß sich die Stromdichte im Kathodenblock von der Mitte zum Rand hin erhöht und demzufolge die Strom­ linien im Metallbad und Kathodenblock von der Mitte zum Rand hin mit zunehmender Schräge verlaufen. Horizontale Stromflußkomponenten im Aluminiumbad haben in Wechsel­ wirkung mit dem Magnetfeld bekanntlich ungünstige Metall­ wölbungs- und -Rotationseffekte zur Folge. Der in Rich­ tung von der Mitte zum Rand ansteigende elektrische Wider­ stand in Vertikalrichtung des Kathodenbodens gemäß Fig. 9 bewirkt eine gleichmäßigere kathodische Stromdichte im Kohlenstoffblock und infolgedessen geringere Metallver­ schiebungseffekte.

Ein weiterer, wirtschaftlich nutzbarer Vorteil des am Rand flach auslaufenden Aluminiumbades liegt darin, daß man wegen des verringerten Wärmestroms auf die Seitenausklei­ dung den Abstand zwischen der Außenseite 33, der Anoden­ blöcke 17 und der Stahlwandung 27 reduzieren kann. Das be­ deutet, daß man in einer gegebenen Elektrolysewanne längere Anodenblöcke einsetzen kann. Dadurch wird bei gleicher Stromstärke die anodische Stromdichte und die Wärmeerzeu­ gung im Elektrolyten vermindert. Die verringerten seitli­ chen Wärmeverluste werden durch diese Maßnahme kompensiert.

Wie aus dem Ausführungsbeispiel der Fig. 10, bei der für gleiche Teile wieder die gleichen Bezugszeichen verwendet sind, ersichtlich ist, kann das dreieckige Aluminiumbad 21 auch dadurch erreicht werden, daß auf den planparallelen Kathodenblock 22 die keilförmig geformten Kohlenstoff­ körper 32 mit einem fest verbindenden und elektrisch gut leitenden Kleber oder Kitt wie gezeigt aufgeklebt werden. Vorteilhafterweise werden die Kohlenstoffkeile 32 dabei so aufgeklebt, daß sie die Fugen zwischen den darunter liegenden aneinander gereihten Kathodenblöcke 22 über­ decken.

In den Fig. 8-10 wurden als Beispiele dreieckige Quer­ schnittsprofile des Aluminiumbades dargestellt. Unter Be­ rücksichtigung einer ausreichenden Menge Kathodenmetall werden für die dreieckige Querschnittsform Neigungswin­ kel des Kathodenbodens zwischen etwa 5 und 15° vorgesehen. Die dreiecksförmige Vertiefung des Kathodenbodens, d.h. die Höhendifferenz zwischen Dreiecksspitze in Bodenmitte und oberen Außenrand kann 10 bis 50 cm betragen. Für die oberseitige Profilgebung des Kathodenbodens nach den Aus­ führungsarten in Fig. 9 u. 10 können auch andere Quer­ schnittsformen des Aluminiumbades als die eines gleich­ schenkligen, stumpfwinkligen Dreiecks gewählt werden. Anstelle der in Fig. 9 gezeigten Dreiecksform bieten sich als Beckenprofil für das Aluminiumbad auch flache, gleich­ schenklige Trapeze, flache Kreisabschnitte oder andere leicht einformbare Muldentypen an. Die nach Fig. 10 auf­ gesetzten Keilstücke müssen nicht unbedingt mit ihrer Spitze in Bodenmitte auslaufen, vielmehr könnten sie auch so ausgebildet werden, daß dadurch gleichfalls ein flaches Trapezprofil für das Aluminiumbad entsteht.

Claims (16)

1. Kathodenboden mit vorgebrannten Kohlenstoffblöcken für Aluminium-Schmelzflußelektrolysezellen mit einer Strom­ stärke von 100 000 A und mehr, vorzugsweise 150 000 A und mehr, der für die Stromableitung mit massiven Stahl- Stromschienen in Verbindung steht, dadurch gekennzeich­ net, daß er

• a) auf seiner gesamten unterseitigen Fläche mit einer satt an dieser anliegenden, mit der Stahl-Stromschiene (3, 14) in Verbindung stehenden plattenförmigen abdich­ tenden Schicht (5, 13) aus Gußeisen bedeckt ist und/oder
• b) zur Erzielung eines dreieckförmigen oder ähnlichen Quer­ schnittprofils des Aluminiumbades an seiner Oberseite eine Vertiefung mit, in Richtung der Längsachse be­ trachtet, nach seiner Mitte zu sich vergrößernden Tie­ fe aufweist.

2. Kathodenboden nach Anspruch 1, der aus einer Mehrzahl von parallel nebeneinander angeordneten, langgestreckten Koh­ lenstoffblöcken, rechteckigen oder quadratischen Quer­ schnitts gebildet ist, die mittels durch Kohlenstoffmasse gefüllte Fugen fest miteinander verbunden sind, mit einer unterseitigen gußeisernen Abdeckung, dadurch gekennzeich­ net, daß jeder der Kohlenstoffblöcke (1, 22) an seiner Unterseite (10) mit einem in ihm verankerten Teil der plattenförmigen, abdichtenden Schicht (5) versehen ist.

3. Kathodenboden nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile der plattenförmigen, abdichtenden Schicht (5) je mittels wenigstens einer einstückig an ihnen angeform­ ten, sich in Längsrichtung der Kohlenstoffblöcke (1, 22) erstreckenden und in eine an der Unterseite (10) in den Kohlenstoffblöcken (1, 22) ausgebildeten Nut (11, 12) ein­ greifenden leistenförmig, stabartig o.dgl. ausgebildeten Vorsprung (13, 14), vorzugsweise je mittels zweier V-förmig angeordneter Vorsprünge, in den Kohlen­ stoffblöcken (1, 22) verankert sind.

4. Kathodenboden nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß am stirnseitigen Ende der Kathodenblöcke (1, 22) an den Teilen der plattenförmigen, abdichtenden Schicht (5) ein Gußmantel (15) für die Aufnahme der Stahl-Strom­ schiene (3) für die Stromableitung einstückig angeformt ist.

5. Kathodenboden nach Anspruch 2 mit in einer an der Unter­ seite der Kohlenstoffblöcke ausgebildeten, vorzugsweise hinterschnittenen Längsnut mittels einer Umhüllung mit Gußeisen verankerten Stahl-Stromschiene, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Teile der plattenförmigen abdichtenden Schicht (5) einstückig an der gußeisernen Umhüllung (4) der Stahl-Stromschiene (3) angeformt sind.

6. Kathodenboden nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile der plattenförmigen abdich­ tenden Schicht (5) als im Querschnitt betrachtet beid­ seitig über die Kohlenstoffblöcke (1, 22) überstehend ausgebildet sind.

7. Kathodenboden nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile der plattenförmigen ab­ dichtenden Schicht (5) als im Querschnitt betrachtet einseitig über die Kohlenstoffblöcke (1, 22) überstehend ausgebildet sind.

8. Kathodenboden nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit einer oberseitigen Vertiefung, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung, in Längsrichtung des Kathodenbodens betrachtet, einen muldenförmigen, trapezförmigen o.dgl. Querschnitt, insbesondere den Querschnitt eines stumpf­ winkligen gleichseitigen Dreiecks aufweist.

9. Kathodenboden nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung in der Mitte eine Größe von etwa 10 bis 50 cm, vorzugsweise 20 bis 40 cm, aufweist.

10. Kathodenboden nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß er, in Längsrichtung betrachtet, spiegel­ bildlich gleiche, in der Mitte mittels einer Stampf­ fuge (8) aus Kohlenstoffmasse miteinander verbundene, mit ihrer ebenen Fläche die Vertiefung bildende Teile aufweist.

11. Kathodenboden nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile Rechteck-Querschnitt aufweisen und nach der Mitte zu gegeneinander geneigt angeordnet sind.

12. Kathodenboden nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile Keilform aufweisen und mit ihrer Unter­ seite auf eine über die Breite des Bodens reichende, durchgehende, planparallele, horizontale Unterlage aufgeklebt sind.

13. Kathodenboden nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß er aus über seine Breite reichenden, mit ihrer oberen Fläche der Vertiefung bildenden Katho­ denblöcken mit planer Unterseite gebildet ist.

14. Kathodenboden nach einem der Ansprüche 11 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß seine Oberfläche in Längs­ richtung betrachtet einen mit seiner Spitze nach unten gerichteten stumpfen Winkel von etwa 150 bis 170° bildet.

15. Verfahren zur Gewinnung von Aluminium in einem Schmelzflußelektrolysebad mit einem Kathodenboden aus vorgebrannten Kohlenstoffblöcken für Elektrolyse­ zellen mit einer Stromstärke von 100 000 A und mehr, dadurch gekennzeichnet, daß das schmelzflüssige Alu­ minium ein sich zur Kathodenbodenmitte hin verjün­ gendes dreieck-, trapez- oder abgeflacht-kreisförmi­ ges Querschnittsprofil aufweist.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Unterseite der Anoden und dem Katho­ denboden ein Mindestabstand von 2 cm besteht, wobei der Raum zwischen Anoden und Kathodenboden mit Schmelz­ flußelektrolyt und Aluminium ausgefüllt ist.