DE60019724T2

DE60019724T2 - CATHODE COLLECTOR WITH SPACER FOR IMPROVED HEAT BALANCE

Info

Publication number: DE60019724T2
Application number: DE60019724T
Authority: DE
Inventors: Graham E. Homley; Claude Gauthier; Louise Pearson
Original assignee: Alcoa Inc
Current assignee: Howmet Aerospace Inc
Priority date: 1999-10-13
Filing date: 2000-10-10
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2020-10-11
Also published as: CA2347858A1; WO2001027353A1; CN1327488A; CA2347858C; ES2238319T3; NZ511179A; BR0007204A; EP1147246B1; AU766270B2; NO20012893D0; NO20012893L; DE60019724D1; RU2239007C2; ATE294264T1; EP1147246A1; CN1213171C; AU8004900A

Abstract

An electrolytic cell (4) for aluminum production, including a cell wall (7, 18), a bus bar (46, 48), a carbonaceous cathode block (10), and a collector bar (30) connecting the bus bar with the cathode block. The collector bar comprises a ferrous metal body including a solid spacer (32) and a sheath (33) defining a cavity (34) containing a copper insert (40). The spacer has an external end portion (35) connected with the bus bar and an internal end portion (36) that is preferably spaced inwardly of the cell wall. The spacer separates the copper insert from the bus bar, thereby reducing heat loss from the cell.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrolytische Zellen. In einem der Aspekte betrifft die Erfindung Kathoden-Kollektorschienen von Zellen zum Schmelzen durch elektrolytische Reduktion, wie sie bei der Erzeugung von Aluminium verwendet werden.The The present invention relates to electrolytic cells. In one the aspects relates to the invention cathode collector rails of Cells to be melted by electrolytic reduction, as in the production of aluminum can be used.

Aluminium wird durch elektrolytische Reduktion von Aluminiumoxid in einem Elektrolyten erzeugt. Das kommerziell mit Hilfe der elektrolytischen Reduktion von Aluminiumoxid erzeugte Aluminium wird als Primär-Aluminium bezeichnet.aluminum is made by electrolytic reduction of alumina in one Electrolytes generated. This is done commercially with the help of electrolytic reduction aluminum produced by aluminum oxide is considered primary aluminum designated.

Elektrolyse umfasst eine elektrochemische Oxidation/Reduktion in Verbindung mit der Zersetzung einer Verbindung. Ein elektrischer Strom fließt zwischen zwei Elektroden und durch ein schmelzflüssiges Na₃AlF₆-Kryolithbad, das aufgelöstes Aluminiumoxid enthält. Der Kryolithelektrolyt besteht aus einem schmelzflüssigen Na₃AlF₆-Kryolithbad, das Aluminiumoxid und andere Materialien enthält, wie beispielsweise Flussspat, die in dem Elektrolyten aufgelöst sind. Ein metallischer Bestandteil der Verbindung wird in Verbindung mit einer entsprechenden Oxidationsreaktion reduziert.Electrolysis involves electrochemical oxidation / reduction in conjunction with the decomposition of a compound. An electric current flows between two electrodes and through a molten Na ₃ AlF ₆ cryolite bath containing dissolved alumina. The cryolite electrolyte consists of a molten Na ₃ AlF ₆ cryolite bath containing alumina and other materials, such as fluorspar, dissolved in the electrolyte. A metallic component of the compound is reduced in conjunction with a corresponding oxidation reaction.

Der elektrische Strom fließt zwischen den Elektroden von einer Anode zu einer Kathode, um bei einer erforderlichen Elektromotorischen Kraft Elektronen bereitzustellen, um den metallischen Bestandteil zu reduzieren, bei dem es sich normalerweise um das angestrebte elektrolytische Produkt handelt, wie beispielsweise bei der elektrolytischen Schmelze von Aluminium. Die zur Erzeugung der gewünschten Reaktion aufgebrachte elektrische Energie hängt von der Beschaffenheit der Verbindung ab und von der Zusammensetzung des Elektrolyten.Of the electric current flows between the electrodes from an anode to a cathode to at a to provide required electromotive force electrons, to reduce the metallic ingredient that it normally contains is the desired electrolytic product, such as in the electrolytic melt of aluminum. The to the generation the desired Reaction applied electrical energy depends on the condition the connection from and of the composition of the electrolyte.

Aluminium-Reduktionszellen nach Hall-Heroult werden bei geringen Spannungen (z.B. 4 bis 5 Volt) und hohen Stromstärken (z.B. 70.000 bis 325.000 A) betrieben. Der hohe elektrische Strom tritt in die Reduktionszelle durch den Anodenaufbau und strömt dann durch das Kryolithbad, durch einen schmelzflüssigen Block aus Aluminiummetall und tritt anschließend in einen Kohlenstoff-Kathodenblock. Der elektrische Strom wird über die Kathoden-Kollektorschienen aus der Zelle herausgeführt.Aluminum reduction cells according to Hall-Heroult, at low voltages (e.g., 4 to 5 volts) and high currents (e.g., 70,000 to 325,000 A). The high electric current enters the reduction cell through the anode assembly and then flows through the cryolite bath, through a molten block of aluminum metal and then occurs in a carbon cathode block. The electric current is over the Cathode collector rails led out of the cell.

Wenn der Elektrolyt durch den elektrischen Strom traversiert wird, wird Aluminiumoxid elektrolytisch an der Kathode zu Aluminium reduziert und Kohlenstoff wird überwiegend zu Kohlendioxid an der Anode oxidiert. Das auf diese Weise erzeugte Aluminium sammelt sich an dem schmelzflüssigen Aluminiumblock und wird regelmäßig abgeschlagen. Kommerzielle Zellen zur Reduktion von Aluminium werden unter Aufrechterhaltung einer Mindesttiefe des flüssigen Aluminiums in der Zelle betrieben, dessen Oberfläche als die eigentliche Kathode dient. Die Mindesttiefe des Aluminiums beträgt etwa 5,1 cm (2 inch) und kann 50,8 cm (20 inch) betragen.If the electrolyte is traversed by the electric current is Aluminum oxide electrolytically reduced at the cathode to aluminum and carbon becomes predominant oxidized to carbon dioxide at the anode. The generated in this way Aluminum collects on the molten aluminum block and becomes regularly cut off. Commercial cells for the reduction of aluminum are maintained a minimum depth of liquid Aluminum is operated in the cell, its surface as the actual cathode serves. The minimum depth of aluminum is about 5.1 cm (2 inches) and can be 50.8 cm (20 inches).

Das Aluminiumoxid-Kryolithbad wird über dem Metallblock aus schmelzflüssigem Aluminium mit einer vorgegebenen Tiefe gehalten. Der Strom fließt durch das Kryolithbad mit einem Spannungsabfall, der direkt proportional ist zur Länge des Stromweges, d.h. dem interpolaren Abstand zwischen der Anode und dem schmelzflüssigen Aluminiumblock. Ein typischer Spannungsabfall beträgt etwa 0,4 V/cm (1 V/inch). Eine Erhöhung des Anoden/Kathodenabstandes von 0,4 schränkt den maximalen Wirkungsgrad ein und beschränkt den Wirkungsgrad des Betriebs der Elektrolysezelle.The Alumina cryolite bath is over the Metal block of molten Aluminum held with a given depth. The current flows through the cryolite bath with a voltage drop that is directly proportional is to length of the current path, i. the interpolar distance between the anode and the molten one Aluminum block. A typical voltage drop is about 0.4 V / cm (1 V / inch). An increase of the anode / cathode distance of 0.4 limits the maximum efficiency one and limited the efficiency of the operation of the electrolytic cell.

Der überwiegende Anteil des Spannungsabfalls durch die Elektrolysezelle tritt in dem Elektrolyten auf und ist auf den elektrischen Widerstand des Elektrolyten oder des Elektrolysebads über dem Anoden/Kathodenabstand zurückzuführen. Der elektrische Widerstand des Bads oder der Spannungsabfall in konventionellen Hall-Heroult-Zellen zur elektrolytischen Reduktion von Aluminiumoxid, das in einer Kryolithschmelze aufgelöst ist, schließt ein Zersetzungspotential ein, d.h. die zur Erzeugung von Aluminium verwendete Energie, und eine zusätzliche Spannung, die auf die Wärmeenergie zurückzuführen ist, die in dem Zwischenelektrodenabstand durch den Badwiderstand erzeugt wird. Diese letztere Wärmeenergie macht bis zu 35 bis 45% des Gesamtspannungsabfalls über der Zelle aus und ist vergleichsweise doppelt so hoch wie der Spannungsabfall, der auf das Zersetzungspotential zurückzuführen ist.The predominant Proportion of voltage drop through the electrolytic cell occurs in to the electrolyte and is due to the electrical resistance of the electrolyte or the electrolysis over attributed to the anode / cathode distance. Of the electrical resistance of the bath or the voltage drop in conventional Hall-Heroult cells for the electrolytic reduction of alumina, which is dissolved in a cryolite melt, closes a decomposition potential on, i. the energy used to produce aluminum, and an extra tension, on the heat energy is due which generates in the inter-electrode gap by the bath resistance becomes. This latter heat energy makes up to 35 to 45% of the total voltage drop over the Cell and is comparatively twice as high as the voltage drop, which is due to the decomposition potential.

Eine nachteilige Folge aus dem Reduzieren des Anoden/Kathodenabstandes ist eine erhebliche Verringerung der Stromausbeute der Zelle, wenn das durch Elektrolyse an der Kathode erzeugte Metall durch Kontakt mit dem Anodenprodukt oxidiert wird. Beispielsweise kann das in der Elektrolyse von Aluminiumoxid, das in dem Kryolith aufgelöst ist, an der Kathode erzeugte Aluminiummetall leicht zurück oxidiert werden zu Aluminiumoxid oder Aluminiumsalz durch unmittelbare Nähe zu dem anodisch erzeugten Kohlenmonoxid. Eine Reduktion des Anoden/Kathodenabstandes gewährt mehr Kontakt zwischen Anodenprodukt und Kathodenprodukt und beschleunigt die Reoxidation oder "Rückreaktion" des reduzierten Metalls wesentlich, wodurch die Stromausbeute verringert wird.A adverse consequence of reducing the anode / cathode distance is a significant reduction in the current efficiency of the cell, though the metal produced by electrolysis at the cathode by contact is oxidized with the anode product. For example, this can be done in the electrolysis of alumina dissolved in the cryolite, aluminum metal produced at the cathode is easily oxidized back become alumina or aluminum salt by immediate proximity to the anodically generated carbon monoxide. A reduction of the anode / cathode distance granted more contact between anode product and cathode product and accelerates the Reoxidation or "reverse reaction" of the reduced metal significantly, whereby the current efficiency is reduced.

Die hohe Ampereleistung des durch die Elektrolysezelle fließenden elektrischen Stroms erzeugte starke Magnetfelder, die eine Zirkulation in dem schmelzflüssigen Aluminiumblock induzieren und zu Problemen führen, wie beispielsweise verringerte Stromausbeute und "Rückreaktion" des schmelzflüssigen Aluminiums mit dem Elektrolyten.The high ampere power of the electric current flowing through the electrolytic cell produced strong magnetic fields which induce circulation in the molten aluminum block and cause problems such as decreased Current efficiency and "back reaction" of the molten aluminum with the electrolyte.

Die Magnetfelder hängen außerdem von den Tiefen in einem ungleichen Abstand zwischen dem schmelzflüssigen Aluminiumblock und der Anode ab. Die Bewegung des Metallblockes nimmt zu, gelegentlich mit heftigem Rühren des schmelzflüssigen Blockes und unter Erzeugung von Wirbeln, und es werden lokalisierte elektrische Kurzschlüsse hervorgerufen.The Magnetic fields hang Furthermore from the depths at an uneven distance between the molten aluminum block and the anode off. The movement of the metal block increases, occasionally with vigorous stirring of the molten block and generating vortices, and there will be localized electrical shorts caused.

Die Schwankungen der Tiefe des Metallblockes schränken die Reduktion des Anoden/Kathodenspalts ein und erzeugen einen Verlust der Stromausbeute. Energie geht an den Elektrolyten verloren, der sich zwischen den Anoden- und Kathodenblöcken befindet. Die Bewegung des schmelzflüssigen Aluminium-Metallblockes trägt außerdem zu einer ungleichmäßigen Abnutzung der Kohlenstoff-Kathodenblöcke bei und kann einen Ausfall der Zelle beschleunigen.The Fluctuations in the depth of the metal block limit the reduction of the anode / cathode gap and generate a loss of current efficiency. Energy comes on lost the electrolyte, which is located between the anode and cathode blocks. The movement of the molten one Aluminum metal block also contributes uneven wear the carbon cathode blocks and can accelerate a cell failure.

Außerdem erhöht die Turbulenz des Metallblockes die "Rückreaktion" oder Reoxidation kathodischer Produkte, wodurch der Wirkungsgrad der Zelle herabgesetzt wird. Die Turbulenz des Metallblockes beschleunigt eine Verformung und einen Abbau der Auskleidung des Kathodenbodens durch Abrieb und Penetration des Kryoliths.In addition, the turbulence increases of the metal block the "back reaction" or reoxidation cathodic products, thereby reducing the efficiency of the cell becomes. The turbulence of the metal block accelerates deformation and a degradation of the lining of the cathode bottom by abrasion and penetration of the cryolite.

In der konventionellen Kathode von heute erstreckt sich Stahl-Kathodenkollektoren von den äußeren Sammelschienen durch jede Seite der Elektrolysezelle hindurch in die Kohlenstoff-Kathodenblöcke. Die Kathoden-Kollektorschienen aus Stahl sind an den Kathodenblöcken angebracht mit Gusseisen, kohlenstoffhaltiges Klebmittel oder gestampfter Kohlenstoffpaste, um den elektrischen Kontakt zwischen den Kohlenstoff-Kathodenblöcken und den Kathoden-Kollektorschienen aus Stahl zu erleichtern.In The conventional cathode of today extends steel cathode collectors from the outer busbars through each side of the electrolysis cell into the carbon cathode blocks. The Steel cathode collector rails are attached to the cathode blocks with cast iron, carbonaceous adhesive or masticated carbon paste, to the electrical contact between the carbon cathode blocks and To facilitate the cathode collector rails made of steel.

Der Fluss des elektrischen Stroms durch den Aluminiumblock und die Kohlenstoffkathode folgt dem Weg des geringsten Widerstandes. Der elektrische Widerstand in einer konventionellen Kathoden-Kollektorschiene ist proportional der Länge des Stromweges von der Stelle, an der der Strom in die Kathoden-Kollektorschiene eintritt, bis zu der nächsten externen Sammelschiene. Der geringere Widerstand des Stromweges, beginnend an den Stellen auf der Kathoden-Kollektorschiene, die näher an der externen Sammelschiene ist, bewirkt den Stromfluss durch den schmelzflüssigen Aluminiumblock und die Kohlenstoff-Kathodenblöcke, die in dieser Richtung schräg verlaufen. Die Horizontalkomponenten des elektrischen Stromflusses wechselwirken mit der Vertikalkomponente des Magnetfeldes und führen zu einer nachteiligen Beeinflussung eines effizienten Zählbetriebs.Of the Flow of electric current through the aluminum block and the carbon cathode follow the path of least resistance. The electrical resistance in a conventional cathode collector rail is proportional the length of the current path from the point where the current enters the cathode collector rail enters, until the next external busbar. The lower resistance of the current path, starting at the points on the cathode collector rail closer to the external busbar, causes the flow of current through the molten aluminum block and the carbon cathode blocks, the diagonally in this direction run. The horizontal components of the electric current flow interact with the vertical component of the magnetic field and lead to a adversely affecting an efficient counting operation.

Die bestehende Technologie der Kathoden-Kollektorschiene der HallHeroult-Zelle beschränkt sich auf Profile aus gewalztem oder gegossenem unlegiertem Stahl. Die hohe Temperatur und die aggressive chemische Beschaffenheit des Elektrolyten erzeugen gemeinsam eine schwer belastende Arbeitsumgebung. Der hohe Schmelzpunkt und die geringen Kosten von Stahl kompensieren seine relativ geringe elektrische Leitfähigkeit. Im Vergleich dazu haben potentielle metallische Alternativen, wie beispielsweise Kupfer oder Silber, eine hohe elektrische Leitfähigkeit, jedoch geringe Schmelzpunkte und hohe Kosten. In dem Apparat und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung gelangt Kupfer deshalb zur Anwendung, weil es eine bevorzugte Kombination von elektrischer Leitfähigkeit, Schmelzpunkt und Kosten bietet. Aufgrund ihrer Kombinationen von elektrischer Leitfähigkeit, Schmelzpunkt und Kosten im Verhältnis zum Aluminiumschmelzprozess könnten auch andere Materialien mit hoher Leitfähigkeit verwendet werden.The existing HallHeroult cell cathode collector rail technology limited on profiles of rolled or cast unalloyed steel. The high temperature and the aggressive chemical nature of the electrolyte together create a heavy burdening working environment. The high melting point and low cost of steel compensate its relatively low electrical conductivity. In comparison to it have potential metallic alternatives, such as copper or silver, a high electrical conductivity, but low melting points and high costs. In the apparatus and method of the present invention Copper is therefore used because it is a preferred combination of electrical conductivity, Melting point and cost offers. Because of their combinations of electrical Conductivity, Melting point and costs in relation to the aluminum smelting process Other materials with high conductivity can be used.

Die elektrische Leitfähigkeit von Stahl ist im Vergleich zu dem Aluminium-Metallblock so gering, dass das äußere Drittel der Kollektorschiene, die sich der Gefäßseite am nächsten befindet, den überwiegenden Anteil der Last führt, wodurch eine sehr ungleichmäßige Verteilung des Kathodenstroms im Inneren des jeweiligen Kathodenblocks hervorgerufen wird. Aufgrund der chemischen Eigenschaften, physikalischen Eigenschaften und speziell der elektrischen Eigenschaften konventioneller Anthrazit-Kathodenblöcke, hat die geringe elektrische Leitfähigkeit von Stahl bis vor Kurzem keine schwerwiegende Prozesseinschränkung dargestellt.The electric conductivity of steel is so small compared to the aluminum metal block that the outer third the collector rail, which is closest to the vessel side, the predominant Proportion of load leads, resulting in a very uneven distribution of the cathode current is caused inside the respective cathode block. Due to the chemical properties, physical properties and especially the electrical properties of conventional anthracite cathode blocks the low electrical conductivity of steel until recently, no serious process limitation.

Konventionelle Kathoden enthielten entweder 100% gasgeglühten Anthrazit (GCA) oder 100% elektrisch geglühten Anthrazit (ECA). Diese Kathodenblöcke hatten eine geringe Temperaturwechselbeständigkeit. Diese Kathodenblöcke waren unter Elektrolysebedingungen stark gequollen, d.h. unter dem Einfluss von Kathodenstrom, reduziertem Natrium und aufgelöstem Aluminium. Diese Kathodenblöcke hatten eine geringe elektrische Leitfähigkeit (im Vergleich zu Graphit). Zu ihren Gunsten hatten diese Kathodenblöcke geringe Erosions- oder Verschleißgeschwindigkeiten (im Vergleich zu Graphit).conventional Cathodes contained either 100% gas-annealed anthracite (GCA) or 100% electrical annealed Anthracite (ECA). These cathode blocks had a low thermal shock resistance. These cathode blocks were heavily swollen under electrolysis conditions, i. under the Influence of cathode current, reduced sodium and dissolved aluminum. These cathode blocks had a low electrical conductivity (compared to graphite). In their favor, these cathode blocks had low erosion or wear rates (compared to graphite).

Zur Überwindung der Nachteile von Kathoden mit 100% Anthrazit wurde von den Herstellern dem Rohgemisch des Kathodenblocks ein zunehmender Anteil an Graphit zugesetzt. Ein Minimum von 30% Graphit schien ausreichend zu sein, um Rissbildung durch Temperaturwechselbelastung zu vermeiden und in den meisten Fällen angemessene elektrische Eigenschaften und Natrium-Beständigkeit zu vermitteln. Weitere Zugaben von bis zu 100% Graphit-Zuschlag oder 100% Koks-Zuschlag, graphitisiert bei 2.000° bis 3.000°C, gewähren bevorzugte Bedingungen im Bezug auf Betrieb und Produktivität.To overcome the disadvantages of cathodes with 100% anthracite, the manufacturers added an increasing amount of graphite to the raw mixture of the cathode block. A minimum of 30% graphite appeared to be sufficient to avoid thermal stress cracking and, in most cases, to impart adequate electrical properties and sodium resistance. Further additions of up to 100% graphite surcharge or 100% coke surcharge, graphitized at 2,000 ° to 3,000 ° C, grant preferential Conditions in terms of operation and productivity.

Mit den Erhöhungen des Graphitgehalts oder des Grades der Graphitisierung nahm die Geschwindigkeit zu, mit der die Kathodenblöcke erodierten oder abgenutzt wurden.With the raises of the graphite content or the degree of graphitization took the Speed at which the cathode blocks eroded or worn were.

In der Verfolgung von Sparmaßnahmen wurden die Aluminium-Schmelzbehälter mit Zunahme der Arbeitsstromstärke in ihrer Abmessung größer. In dem Maß wie die Arbeitsstromstärke erhöht worden ist, nahm der Prozentanteil an Graphit in den Kathoden zu, um den Vorteil der verbesserten elektrischen Eigenschaften zu nutzen und die Produktionsgeschwindigkeiten auf ein Maximum zu bringen. In vielen Fällen hat dieses zu einem Übergang zu graphitisierten Kathodenblöcken geführt.In the pursuit of austerity measures were the aluminum melting tanks with increasing working current larger in size. As much as the Working current elevated the percentage of graphite in the cathodes has increased, to take advantage of the improved electrical properties and to maximize production speeds. In many cases this has a transition to graphitized cathode blocks guided.

In den meisten typischen Fällen wird der Betrieb des Schmelzbehälters abgebrochen, wenn das Aluminiummetall durch Kontakt mit den Stahl-Kollektorschienen kontaminiert ist. Dieses kann dann passieren, wenn die Stöße von Kathode und Nahtgemisch undicht werden, wenn die Kathodenblöcke reißen oder brechen aufgrund von thermischen oder chemischen Einflüssen oder den kombinierten thermochemischen Einwirkungen oder wenn die Erosion der Oberseite des Blockes die Kollektorschiene freilegt. Bei der Anwendung von Kathodenblöcken mit höherem Graphitanteil und von graphitisierten Kathodenblöcken ist die vorherrschende Fehlerart auf stark lokalisierte Erosion der Kathodenoberfläche unter eventueller Freilegung der Kollektorschiene gegenüber dem Aluminiummetall zurückzuführen.In most typical cases becomes the operation of the melting tank aborted when the aluminum metal by contact with the steel collector rails contaminated. This can happen when the shocks from cathode and seam mixture are leaking when the cathode blocks tear or break due to thermal or chemical influences or the combined thermochemical effects or when the erosion of the Top of the block exposes the collector rail. In the application of cathode blocks with higher Graphite and graphitized cathode blocks are the predominant ones Type of fault on strongly localized erosion of the cathode surface under possible Exposure of the collector rail relative to the aluminum metal due.

In einer Reihe von Behälterausführungen sind bei diesen Blöcken mit höherem Graphitgehalt als 30% Graphit/ECA-Blöcke oder 100% ECA-Blöcke höhere Spitzenwerte der Erosionsgeschwindigkeiten beobachtet worden.In a number of container designs are at these blocks with higher Graphite content as 30% graphite / ECA blocks or 100% ECA blocks higher peak values the erosion rates have been observed.

Es besteht eine Verbindung zwischen einer hohen Verschleißgeschwindigkeit, der Lage des Bereichs des maximalen Verschleißes und der Ungleichförmigkeit der Kathodenstromverteilung. Die Kathoden mit höherem Graphitgehalt und graphitisierte Kathoden sind elektrisch besser leitfähig und haben als Resultat ein gleichförmigeres Muster der Kathodenstromverteilung und damit eine höhere Verschleißgeschwindigkeit.It there is a connection between a high wear rate, Position of the area of maximum wear and irregularity the cathode current distribution. The cathodes with higher graphite content and graphitized Cathodes are more electrically conductive and have as a result a more uniform Pattern of cathode current distribution and thus a higher wear rate.

Dementsprechend besteht eine Notwendigkeit zur Entwicklung und Bereitstellung einer gleichförmigeren Kathodenstromverteilung, so dass die Kathoden-Verschleißgeschwindigkeit herabgesetzt wird, die Betriebsdauer des Schmelzbehälters erhöht wird und die Arbeitsvorteile der Kathodenblöcke mit höherem Graphitanteil und der graphitisierten Kathodenblöcke realisiert werden können.Accordingly there is a need to develop and provide a uniform Cathode current distribution, so that the cathode wear rate is reduced, the service life of the melting vessel is increased and the operating advantages of the cathode blocks with higher graphite content and the graphitized cathode blocks can be realized.

Eine damit zusammenhängende Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Apparates mit elektrolytischer Reduktionszelle sowie eines Verfahrens unter Nutzung einer neuartigen Kathoden-Kollektorschiene unter Einbeziehung eines massiven Distanzstückes aus Eisenmetall, um einen kontrollierten Wärmeausgleich in dem Schmelzgefäß aufrecht zu erhalten.A related Object of the present invention is the creation of an apparatus with electrolytic reduction cell and a method under Use of a novel cathode collector rail with inclusion a massive spacer made of ferrous metal to maintain a controlled heat balance in the melting vessel to obtain.

Diese und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung unserer Erfindung offensichtlich.These and other objects of the present invention are made by reference to the following detailed description of our invention.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden ein Apparat sowie ein Verfahren zur Erzeugung von Aluminium gewährt. Der erfindungsgemäße Apparat weist eine elektrolytische Zelle zum Reduzieren von in einem schmelzflüssigen Salzbad aufgelöstem Aluminiumoxid zu Aluminiummetall auf. Zwischen einer Anode und einer Kathode fließt ein elektrischer Strom durch das schmelzflüssige Bad unter Erzeugung von metallischem Aluminium an der Kathode.According to the present Invention are an apparatus and a method for producing aluminum granted. The apparatus according to the invention has an electrolytic cell for reducing in a molten salt bath dissolved Alumina to aluminum metal. Between an anode and a Cathode flows an electric current through the molten bath to produce metallic Aluminum at the cathode.

Die Elektrolysezelle verfügt über Zellenwandungen, einschließlich einer ersten Zellenwand und einer zweiten Zellenwand und einer Anode, eines Kohlenstoff-Kathodenblockes, der von der Anode getrennt ist, einer zu der ersten Zellenwand externen Sammelschiene und einer die Sammelschiene mit dem Kathodenblock verbindenden Kollektorschiene. Der Kathodenblock begrenzt vorzugsweise einen Schlitz, in welchem die Kollektorschiene sitzt. Die Zellenwände umschließen eine Kammer, die ein schmelzflüssiges Salzbad enthält.The Electrolytic cell has cell walls, including a first cell wall and a second cell wall and an anode, a carbon cathode block separated from the anode, a busbar external to the first cell wall and a the busbar to the cathode block connecting collector rail. Of the Cathode block preferably defines a slot in which the Collector rail sits. The cell walls enclose one Chamber, which is a molten one Salt bath contains.

Die Kollektorschiene schließt einen Eisenmetall-Körper und einen Kupfereinsatz ein. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff "Eisenmetall" auf Eisen und Stahl und einschließlich unlegierten Stahl, kohlenstoffarmen Stahl und rostfreien Stahl. Der Begriff "Kupfer" schließt Legierungen von Kupfer mit verschiedenen anderen Metallen und einschließlich Silber ein. Für die Praxis der vorliegenden Erfindung werden von uns relativ reine Formen von Kupfer mit einem Gehalt von mindestens 99 Gew.% Kupfer wegen seiner hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit bevorzugt.The Collector rail closes a ferrous metal body and a copper insert. As used herein the term "ferrous metal" on iron and steel and inclusive unalloyed steel, low carbon steel and stainless steel. Of the Term "copper" excludes alloys of copper with various other metals and including silver one. For the practice of the present invention will be relatively pure by us Forms of copper containing at least 99% by weight of copper preferred for its excellent electrical conductivity.

Die Kollektorschiene hat einen Eisenmetall-Körper, der ein festes Eisenmetall-Distanzstück mit einem äußeren Endabschnitt aufweist, der mit der Sammelschiene verbunden ist, und einen inneren Endabschnitt, der von der ersten Zellenwand nach innen beabstandet ist. Das Distanzstück verbessert den Wärmeausgleich in der Zelle, indem eine übermäßige Wärmeübertragung zwischen dem Kupfereinsatz und der Sammelschiene vermieden wird. In den Eisenmetall-Körper ebenfalls einbezogen ist ein Eisenmetall-Mantel, der mit dem Distanzstück einstückig ist und einen Hohlraum einschließt, in welchem der Kupfereinsatz enthalten ist. Der Hohlraum erstreckt sich zwischen einem äußeren Ende an dem inneren Endabschnitt des Distanzstückes und einer inneren Öffnung. Der Hohlraum und der Kupfereinsatz können einen polygonalen oder kreisrunden Querschnitt haben. Wir bevorzugen einen zylindrischen Kupfereinsatz im Inneren eines Hohlraums mit einem kreisrunden Querschnitt.The collector rail has a ferrous metal body having a solid ferrous metal spacer with an outer end portion connected to the busbar and an inner end portion spaced inwardly of the first cell wall. The spacer improves the heat balance in the cell by avoiding excessive heat transfer between the copper insert and the busbar. Also included in the ferrous metal body is a ferrous metal sheath that inserts with the spacer is ckig and includes a cavity in which the copper insert is included. The cavity extends between an outer end at the inner end portion of the spacer and an inner opening. The cavity and the copper insert may have a polygonal or circular cross-section. We prefer a cylindrical copper insert inside a cavity with a circular cross-section.

Der Schlitz in dem Kathodenblock enthält bevorzugt ein Mittel zum Verbinden der Kollektorschiene mit dem Kathodenblock und vorzugsweise ein elektrisch leitfähiges Material. Dieses Material kann Gusseisen sein, kohlenstoffhaltiges Klebmittel und gestampfte Kohlenstoffpaste, wobei Gusseisen bevorzugt ist.Of the Slot in the cathode block preferably contains a means for Connecting the collector rail to the cathode block and preferably an electrically conductive Material. This material can be cast iron, carbonic Adhesive and mashed carbon paste, with cast iron being preferred is.

Die Kathodenbaugruppe der vorliegenden Erfindung ist zum Erzeugen von Aluminium mit Hilfe der Elektrolyse verwendbar. Die Kathodenbaugruppe ist nach unten von einer Anode in einer Kammer beabstandet, die ein schmelzflüssiges Salzbad enthält. Ein elektrischer Strom fließt von der Anode zu der Kathodenbaugruppe, reduziert in dem schmelzflüssigen Salzbad aufgelöstes Aluminiumoxid zu Aluminium, das auf einem Block oberhalb des Kathodenblocks abgeschieden wird. Der Kupfereinsatz in der Kollektorschiene verteilt den elektrischen Strom gleichmäßiger als in Zellen bekannter Ausführung, die über Kollektorschienen verfügen, die lediglich Stahl oder anderes Eisenmetall enthalten. Das Distanzstück aus Eisenmetall in dem Kollektorschienen-Körper reduziert Wärmeverluste und ist mit Kollektorschienen zu vergleichen, die über einen Kupfereinsatz verfügen, der direkt mit der Sammelschiene verbunden ist.The Cathode assembly of the present invention is for producing Aluminum with the help of electrolysis usable. The cathode assembly is spaced down from an anode in a chamber, the one molten Salt bath contains. One electric current flows from the anode to the cathode assembly, reduced in the molten salt bath resolved Alumina to aluminum on a block above the cathode block is deposited. The copper insert is distributed in the collector rail the electrical current more even than in cells of known design, via collector rails feature, containing only steel or other ferrous metal. The spacer made of ferrous metal in the collector rail body reduces heat losses and is comparable to collector rails that have a Have copper insert, which is connected directly to the busbar.

1 ist eine schematische Ansicht im Querschnitt einer Elektrolysezelle für die Erzeugung von Aluminium bekannter Ausführung; 1 is a schematic view in cross section of an electrolytic cell for the production of aluminum of known design;

2 ist eine schematische Ansicht im Querschnitt einer Elektrolysezelle für die Erzeugung von Aluminium gemäß der vorliegenden Erfindung; 2 Fig. 10 is a schematic cross-sectional view of an electrolytic cell for producing aluminum according to the present invention;

3 ist eine schematische Ansicht einer Kollektorschiene in der Elektrolysezelle von 2; 3 is a schematic view of a collector rail in the electrolytic cell of 2 ;

4 ist eine Querschnittansicht entlang der Linien 4-4 von 3; 4 is a cross-sectional view taken along lines 4-4 of 3 ;

5 ist eine schematische Darstellung der Stromwege in einer Elektrolysezelle zur Erzeugung von Aluminium nach bekannter Ausführung; 5 is a schematic representation of the current paths in an electrolytic cell for producing aluminum according to known design;

6 ist eine schematische Darstellung der Stromwege in einer Elektrolysezelle der vorliegenden Erfindung. 6 Figure 11 is a schematic representation of the current paths in an electrolytic cell of the present invention.

Der Apparat und das Verfahren der vorliegenden Erfindung gewähren eine neuartige Kollektorschiene, mit der die horizontalen elektrischen Ströme auf ein Minimum herabgesetzt werden, während gleichzeitig die Wärmeverluste kontrolliert werden. Die neuartige Kollektorschiene unserer Erfindung kann in bestehende Zellen zur Aluminiumerzeugung mit standardgemäßen Kohlenstoff-Kathodenblöcken eingebaut werden.Of the Apparatus and the method of the present invention provide a novel collector rail, with which the horizontal electric streams be reduced to a minimum, while at the same time the heat losses to be controlled. The novel collector rail of our invention can built into existing aluminum production cells with standard carbon cathode blocks become.

Bezug nehmend nun auf 1 wird eine Elektrolysezelle 2 zur Erzeugung von Aluminium bekannter Ausführung gezeigt, die über ein Paar konventioneller Kathoden-Kollektorschienen 10 verfügt. Die Kollektorschienen 10 haben einen rechteckigen Querschnitt und sind aus Weichstahl gefertigt. Der elektrische Strom tritt in die Zelle durch Anoden 12, geht durch das Elektrolysebad 14 und einen schmelzflüssigen Metallblock 16 und tritt dann in den Kohlenstoff-Kathodenblock 20 ein. Der Strom wird aus der Zelle über die Kathoden-Kollektorschienen 10 herausgeführt. Wie in 5 gezeigt, sind die Linien 70 des elektrischen Stroms ungleichförmig verteilt und laufen in Richtung auf die Enden der Kollektorschiene, die der externen Sammelschiene (nicht gezeigt) am nächsten ist, zusammen.Referring now to 1 becomes an electrolysis cell 2 shown for producing aluminum of known design, via a pair of conventional cathode collector rails 10 features. The collector rails 10 have a rectangular cross-section and are made of mild steel. The electric current enters the cell through anodes 12 , goes through the electrolysis bath 14 and a molten metal block 16 and then enters the carbon cathode block 20 one. The current is removed from the cell via the cathode collector rails 10 led out. As in 5 shown are the lines 70 of electric current are distributed unevenly and converge toward the ends of the collector rail closest to the external bus bar (not shown).

Bezug nehmend nun auf 2 wird eine Elektrolysezelle 4 der vorliegenden Erfindung gezeigt. In die Zelle 4 einbezogen sind eine erste Zellenwand 17 und eine zweite Zellenwand 18. Die Zellenwände schließen eine Kammer 19 ein, die auf ihrer Unterseite und an den Seiten mit Feuerfestziegeln 21 ausgekleidet ist und den schmelzflüssigen Elektrolyten 14 enthält. Ein Kathodenblock 10 verfügt über 2 halbbreite Kathoden-Kollektorschienen 30. Jede Kollektorschiene 30 erstreckt sich von einer Sammelschiene 46, 48 außerhalb der Zellenwände 17, 18 nach innen in Richtung auf die Mittellinie 50. Die Kollektorschienen 30 sind durch einen Spalt 58 in der Mitte der Zelle getrennt, der mit brechbarem Material oder einem Stück Kohlenstoff gefüllt ist oder durch ein Nahtgemisch gestampft ist oder durch eine Mischung solcher Materialien. Bevorzugt ist der Spalt 58 mit einer Mischung von Materialien gefüllt.Referring now to 2 becomes an electrolysis cell 4 of the present invention. In the cell 4 Included are a first cell wall 17 and a second cell wall 18 , The cell walls close a chamber 19 one on top and on the sides with refractory bricks 21 is lined and the molten electrolyte 14 contains. A cathode block 10 has 2 half-width cathode collector rails 30 , Each collector rail 30 extends from a busbar 46 . 48 outside the cell walls 17 . 18 inside towards the center line 50 , The collector rails 30 are through a gap 58 separated in the middle of the cell filled with breakable material or a piece of carbon or stamped by a seam mixture or by a mixture of such materials. The gap is preferred 58 filled with a mixture of materials.

Der Kathodenblock 20 hat eine obere Seite 22, die den Metallblock 16 hält, und eine untere Seite 23, die einen Schlitz oder eine Rille 24 begrenzt, die sich zwischen den gegenüberliegenden lateralen Enden des Blockes 20 erstreckt. Die Stahl-Kollektorschienen 30 werden in einem Schlitz 24 aufgenommen und dort von einer Lage des elektrisch leitfähigen Materials befestigt, vorzugsweise Gusseisen, welches die Kollektorschienen 30 mit dem Block 20 verbindet.The cathode block 20 has an upper side 22 holding the metal block 16 holds, and a lower side 23 that have a slot or a groove 24 bounded between the opposite lateral ends of the block 20 extends. The steel collector rails 30 be in a slot 24 taken and secured there by a layer of electrically conductive material, preferably cast iron, which is the collector rails 30 with the block 20 combines.

Bezug nehmend nun auf 2 bis 4 schließt jede der Kollektorschienen 30 einen Eisenmetall-Körper ein, der ein festes Distanzstück 32 aufweist, und einen Mantel 33, der einen Hohlraum 34 umschließt. Jedes Distanzstück 32 hat einen externen Endabschnitt 35, der mit einer Sammelschiene 46 verbunden ist, und einen inneren Endabschnitt 36, der von dem äußeren Endabschnitt 35 nach innen beabstandet ist. Bevorzugt ist der innere Endabschnitt 36 die Innenseite der Zellenwand 17 entsprechend der Darstellung in 2.Referring now to 2 to 4 closes each of the collector rails 30 a ferrous metal body, which is a solid spacer 32 on points, and a coat 33 , the one cavity 34 encloses. Each spacer 32 has an external end section 35 that with a busbar 46 is connected, and an inner end portion 36 coming from the outer end section 35 spaced inwardly. Preferably, the inner end portion 36 the inside of the cell wall 17 as shown in 2 ,

Bezug nehmend nun auf 3 und 4 ist in die Innenseite 37 jeder Kollektorschiene 30 ein Hohlraum oder Schlitz 34 gebohrt. Die Hohlräume 34 sind so bearbeitet, dass sie einen Durchmesser von etwa 4,1 cm (1,628 inch) haben, so dass ihre Querschnittfläche etwa 13,42 cm² (2,08 in²) beträgt, und zwar in einer Kollektorschiene mit einem Querschnitt von etwa 154 cm² (24 in²). Die Hohlräume 34 erstrecken sich in Längsrichtung zwischen den Öffnungen in den Innenseiten 37 der Kollektorschiene und den inneren Endabschnitten 36 der Distanzstücke 32. Die Hohlräume 34 sind zentral im Inneren der Kollektorschienen 30 angeordnet, um eine beim Erhitzen und Kühlen auftretende Verformung auf ein Minimum zu halten.Referring now to 3 and 4 is in the inside 37 every collector rail 30 a cavity or slot 34 drilled. The cavities 34 are machined to have a diameter of about 4.1 cm (1.628 inches) so that their cross-sectional area is about 13.42 cm ² (2.08 in ² ) in a collector rail having a cross-section of about 154 cm ² (24 in ² ). The cavities 34 extend longitudinally between the openings in the insides 37 the collector rail and the inner end portions 36 the spacers 32 , The cavities 34 are centrally located inside the collector rails 30 arranged to minimize a deformation occurring during heating and cooling.

Im Inneren jedes Hohlraums 34 wird ein Kupfereinsatz 40 angeordnet, der einen zylindrischen Stab aufweist. Der Kupfereinsatz hat einen Durchmesser von näherungsweise 4,1 cm (1,625 ± 0,0025 inch), so dass die Querschnittfläche etwa 13,35 cm2 (2,07 in²) beträgt. Für die Praxis unserer Erfindung bevorzugen wir Kupfereinsätze, die aus Kupfer mit hoher Leitfähigkeit und einem Gehalt von etwa 99,95% bis 99,99 Gew.% Kupfer besteht.Inside every cavity 34 becomes a copper insert 40 arranged, which has a cylindrical rod. The copper insert has a diameter of approximately 4.1 cm (1.625 ± 0.0025 inches), so the cross-sectional area is approximately 13.35 cm 2 (2.07 in ² ). For the practice of our invention, we prefer copper inserts consisting of high conductivity copper containing from about 99.95% to 99.99% by weight copper.

In jede Kollektorschiene ist ein Luftauslass 44 zwischen Hohlraum 34 und der Oberseite gebohrt. Der Luftauslass 44 lässt Luft aus dem Hohlraum 34 frei, wenn der Kupfereinsatz 40 im Inneren angeordnet wird. Nachdem der Einsatz 40 an seinem Platz ist, wird der Luftauslass 44 mit feuerfestem Mörtel gefüllt. Wenn sich in dem Hohlraum 34 ein ausreichender Druck entwickelt und den Mörtel ausdrückt, liefert der Luftauslass 44 einen Weg zur Druckentspannung.In each collector rail is an air outlet 44 between cavity 34 and the top is drilled. The air outlet 44 lets air out of the cavity 34 free if the copper insert 40 is arranged inside. After the use 40 in its place is the air outlet 44 filled with refractory mortar. When in the cavity 34 develops sufficient pressure and expresses the mortar, provides the air outlet 44 a way to release pressure.

In dem Hohlraum 34 ist ein Stahl-Verschlussstück 45 angeordnet, um den Kupfereinsatz 40 zu umschließen. Ein kleiner Abstand 47 zwischen dem Verschlussstück 45 und dem Einsatz 40 macht eine Ausdehnung beim Erhitzen auf Betriebstemperatur möglich. Das Verschlussstück 45 ist an der Innenseite 37 der Kollektorschiene 20 angeschweißt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform gewährt der Abstand 47 eine Dehnungstoleranz von etwa 1,7 cm (0,65 inch), wobei das Stahl-Verschlussstück 45 eine Länge von etwa 2,5 cm (1 inch) hat.In the cavity 34 is a steel stopper 45 arranged to the copper insert 40 to enclose. A small distance 47 between the stopper 45 and the mission 40 makes expansion possible when heated to operating temperature. The closure piece 45 is on the inside 37 the collector rail 20 welded. In a particularly preferred embodiment, the distance granted 47 an expansion tolerance of about 0.75 inches, with the steel closure piece 45 has a length of about 2.5 cm (1 inch).

Der Apparat und das Verfahren unserer Erfindung lenken den Strom in einer Hall-Heroult-Zelle um, um Unzulänglichkeiten zu verringern oder zu eliminieren, die auf ungleichförmige elektrische Ströme und horizontale elektrische Ströme zurückzuführen sind.Of the Apparatus and the method of our invention direct the electricity into a Hall-Heroult cell to reduce inadequacies or to eliminate that on non-uniform electrical currents and horizontal electrical currents are attributed.

Der Weg des Kathodenstroms und die Stromverteilung werden durch die Differenz zwischen elektrischer Leitfähigkeit des Metallblocks aus Aluminium und der Kathodenbaugruppe beeinflusst. Bei einer hohen Differenz der elektrischen Leitfähigkeit zugunsten des Aluminiumblocks wird der bevorzugte Stromweg seitwärts durch den Metallblock in Richtung auf die Seitenwand des Behälters gehen und anschließend nach unten durch den Kathodenblock zu der Kollektorschiene.Of the Path of the cathode current and the current distribution are through the Difference between electrical conductivity of the metal block Aluminum and the cathode assembly influenced. At a high Difference in electrical conductivity in favor of the aluminum block, the preferred current path is sideways Go the metal block towards the side wall of the container and subsequently down through the cathode block to the collector rail.

In 5 ist ein Stromgradient 70 in einem Schmelzbehälter 2 bekannter Ausführung gezeigt, der eine Anode 12 hat, einen schmelzflüssigen Metallblock 16, einen Kathodenblock 20 und eine Kollektorschiene 10. Die höchste Stromdichte wird unmittelbar oberhalb der Stahl-Kollektorschiene 10 in der Nähe an dem äußeren Ende 72 des Kathodenblocks 20 angetroffen. Die geringste Stromverteilung findet sich in der Mitte des Kathodenblocks 20, angrenzend an dem inneren Endabschnitt der Kollektorschiene 10. Lokalisierte Verschleißmuster, die auf dem Kathodenblock 20 beobachtet werden, sind in dem Bereich der höchsten elektrischen Stromdichte am tiefsten.In 5 is a current gradient 70 in a melting tank 2 known embodiment of an anode 12 has a molten metal block 16 , a cathode block 20 and a collector rail 10 , The highest current density is directly above the steel collector rail 10 close to the outer end 72 of the cathode block 20 encountered. The lowest current distribution is in the middle of the cathode block 20 adjacent to the inner end portion of the collector rail 10 , Isolated wear patterns on the cathode block 20 are observed to be lowest in the region of highest electrical current density.

Wenn die elektrische Leitfähigkeit des Kathodenblocks 20 zunimmt, was eine Änderung zu einem höheren Graphitgehalt oder graphitisierten Kathodenblöcken widerspiegelt, wird die Kathodenstromverteilung 70 an dem äußeren Ende 72 des Blockes dichter. Bei konstanter Stromstärke wird die lokalisierte Verschleißrate in der Nähe des äußeren Endes 72 des Blockes 20 zunehmen, wenn der Graphitgehalt zunimmt, und erreicht ein Maximum bei graphitisierten Kathodenblöcken.When the electrical conductivity of the cathode block 20 increases, reflecting a change to higher graphite content or graphitized cathode blocks, becomes the cathode current distribution 70 at the outer end 72 of the block is denser. At constant current, the localized wear rate is near the outer end 72 of the block 20 increase as the graphite content increases and reach a maximum for graphitized cathode blocks.

In dem Apparat und Verfahren unserer Erfindung wird der Strom in einer Hall-Heroult-Zelle umgelenkt, um Unzulänglichkeiten zu verringern, die auf ungleichförmige und horizontale elektrische Ströme zurückzuführen sind. Wie in 6 gezeigt wird, schließt unsere Zelle 2 eine Anode 12 ein, einen schmelzflüssigen Metallblock 16, Kathodenblock 20 und eine Kollektorschiene 30 mit einem Kupfereinsatz 40. Der Stromgradient 90 erstreckt sich von der Anode 12 zu dem Metallblock 16 und entlang der gesamten Länge des Kathodenblockes 20. Das Stromverteilungsmuster 90 ist gleichförmiger als das in 5 gezeigte Muster 70. Der Kupfereinsatz 40 erhöht die elektrische Leitfähigkeit der Kollektorschiene 30, indem die Leitfähigkeitsdifferenz zugunsten des Aluminiumblockes 16 verringert wird und dadurch der Strom gleichmäßiger über den Block 20 verteilt wird.In the apparatus and method of our invention, the current is redirected in a Hall-Heroult cell to reduce imperfections due to non-uniform and horizontal electrical currents. As in 6 shown closes our cell 2 an anode 12 a, a molten metal block 16 , Cathode block 20 and a collector rail 30 with a copper insert 40 , The current gradient 90 extends from the anode 12 to the metal block 16 and along the entire length of the cathode block 20 , The power distribution pattern 90 is more uniform than the one in 5 shown pattern 70 , The copper insert 40 increases the electrical conductivity of the collector rail 30 By changing the conductivity difference in favor of the aluminum block 16 is reduced and thereby the flow more evenly over the block 20 is distributed.

Wir haben festgestellt, dass das Einsetzen eines Kupfereinsatzes in eine Stahl-Kollektorschiene ihre elektrische Gesamtleitfähigkeit deutlich erhöht, was einem geringeren Gesamtwiderstand in der Kollektorschiene entspricht. Das Ergebnis ist eine gleichförmigere Stromverteilung in der Kathode und verringerte lokalisierte Verschleißgeschwindigkeiten.We have found that the insertion of a copper insert in a steel collector rail their overall electrical conductivity significantly increased what corresponds to a lower total resistance in the collector rail. The result is a more uniform one Current distribution in the cathode and reduced localized wear rates.

Der Kathodenspannungsabfall wird ebenfalls um bis zu 50 mV reduziert. Dieser Spannungsabfall kann genutzt werden, um die Stromkosten bei konstanter Herstellungsrate zu verringern oder die Gesamtproduktion des Aluminium, das bei konstanter Energie erzeugt wird, zu erhöhen.Of the Cathode voltage drop is also reduced by up to 50 mV. This voltage drop can be used to reduce electricity costs to reduce constant production rate or total production of aluminum, which is generated at constant energy.

Die Enden der Kollektorschienen verlaufen durch die Seitenwände des Behälters und fungieren als Kühlrippen oder Wärmesenken. Das Hinzufügen von Kupfereinsätzen in die Kollektorschienen erhöht die Wärmeverluste des Schmelzgefäßes. Dementsprechend muss die Länge des Kupfereinsatzes sorgfältig kontrolliert werden, um übermäßige Wärmeverluste und nachteilige Auswirkungen auf die Gebrauchsdauer zu verhüten. Vorzugsweise sollten die Kupfereinsätze nicht die Außenseite der Seitenwände 17, 18 des Schmelzbehälters überragen. Außerdem wird von uns die Kupfereinsatz-Kollektorschiene mit zusätzlichem Isolationsmaterial in dem Schmelzbehälter kombiniert, um die zusätzlichen Wärmeverluste zu kompensieren, die durch den Kupfereinsatz hervorgerufen werden.The ends of the collector rails pass through the side walls of the container and act as cooling fins or heat sinks. The addition of copper inserts into the collector rails increases the heat losses of the melting vessel. Accordingly, the length of the copper insert must be carefully controlled to prevent excessive heat loss and adverse effects on service life. Preferably, the copper inserts should not be the outside of the sidewalls 17 . 18 overhang the melting container. In addition, we combine the copper insert collector rail with additional insulation material in the melting vessel to compensate for the additional heat losses caused by the copper insert.

Claims

Electrolytic reduction cell ( 4 ) for aluminum production, comprising a cell wall ( 17 . 18 ), a busbar ( 46 . 48 ) outside the cell wall ( 17 . 18 ), an anode ( 12 ), a carbon cathode block ( 20 ) coming from the anode ( 12 ) and a collector rail ( 30 ), which the busbar ( 46 . 48 ) with the cathode block ( 20 ), wherein the collector rail ( 30 ): (a) a ferrous metal body comprising: 1) a solid ferrous metal spacer ( 32 ) with an outer end portion ( 35 ) connected to the busbar ( 46 . 48 ), and an inner end portion ( 36 ), from the outer end portion ( 35 ) spaced inwardly, and 2) a ferrous metal sheath ( 33 ), which has a cavity ( 34 ), and (b) a copper insert ( 40 ) inside the cavity ( 34 ), the copper insert ( 40 ) an outer, on the spacer ( 32 ) has adjacent end, wherein the spacer ( 32 ) improves the heat balance in the cell by the transfer of excessive heat between the copper insert ( 40 ) and the busbar ( 46 . 48 ) is prevented.

A cell according to claim 1, further comprising: (c) a molten salt bath ( 14 ) between the anode ( 12 ) and the cathode block ( 20 ).

A cell according to claim 1 or 2, wherein the cathode block ( 20 ) a slot ( 24 ) and the collector rail ( 30 ) in this slot ( 24 ) sits.

The cell of claim 3, further comprising: (d) in said slot (FIG. 24 ) means for connecting the collector rail ( 30 ) with the cathode block ( 24 ).

A cell according to claim 4, wherein the means in the slot ( 24 ) comprises an electrically conductive material.

A cell according to claim 4 or 5, wherein the means in the slot ( 24 ) is selected from the group consisting of cast iron, carbonaceous adhesive, and milled carbon paste.

A cell according to any one of the preceding claims, wherein the cavity ( 34 ) has a polygonal cross-section and the copper insert ( 40 ) has a polygonal cross-section.

A cell according to any one of claims 1 to 6, wherein the cavity has a generally circular cross-section and the copper insert ( 40 ) has a general circular cross-section.

A cell according to any one of the preceding claims, wherein the cathode block ( 20 ) Has 30% to 100% by weight of graphite or is a graphitized cathode block.

A cell according to any one of the preceding claims, wherein the ferrous metal sheath ( 33 ) with the spacer ( 32 ) is integral.

A cell according to any one of the preceding claims, wherein the inner end portion ( 36 ) of the spacer ( 32 ) inwardly from the cell wall ( 14 ) is spaced.

A cell according to any one of the preceding claims, further comprising a steel plug ( 45 ), which the copper insert ( 40 ) surrounds in the cavity.

A cell according to any one of the preceding claims, further comprising a space for expansion compensation ( 47 ) in the cavity ( 34 ) between the copper insert ( 40 ) and the steel closure piece ( 45 ).

Cell according to any one of the preceding claims, in which the collector rail ( 30 ) further comprises an air outlet ( 44 ) for releasing the pressure from the cavity ( 34 ) limited.

Process for producing aluminum in one Electrolytic cell with cell walls, which delimit a chamber containing a molten salt bath, a Anode in contact with the bath and a busbar outside the cell walls, which method comprises: (a) providing a cathode group, comprising: 1) a carbon cathode block derived from the Anode is disconnected, 2) a ferrous metal body containing a solid iron metal shell with an outer end portion has, which is connected to the busbar and an inner end portion which is inward from the outer end portion is spaced, and a ferrous metal sheath, a cavity limited, and 3) a copper insert inside the cavity, wherein the copper insert an outside, on the spacer has adjacent end, and (b) passing an electrical Current from the anode to the cathode group, causing aluminum in the cell is produced.

The method of claim 15, wherein the iron metal sheath with the spacer one piece is.

A method according to claim 15 or 16, wherein the inner end portion of the spacer is inside the cell walls.