DE60202676T2 - Aluminium-elektrolysezelle mit drainierfähigem kathodenboden und aluminium-sammelbehälter - Google Patents

Aluminium-elektrolysezelle mit drainierfähigem kathodenboden und aluminium-sammelbehälter Download PDF

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    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25CPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/08Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes

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Description

  • Feld der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Zelle für die Elektrogewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid, das in einem Fluorid enthaltenden geschmolzenen Elektrolyten gelöst ist, wobei die Zelle eine aluminiumbenetzbare Kathodenabflussoberfläche und ein Aluminiumreservoir aufweist, und ein Verfahren zur Herstellung von Aluminium in einer solchen Aluminium-Elektrogewinnungszelle.
  • Technischer Hintergrund
  • Die Technologie für die Produktion von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid, das in geschmolzenem Kryolith gelöst ist, bei Temperaturen um 950°C ist mehr als 100 Jahre alt und verwendet immer noch Kohlenstoffanoden und -kathoden.
  • Erst in jüngerer Zeit ist es möglich geworden, Kohlenstoffkathoden mit einer Aufschlämmung zu beschichten, die an dem Kohlenstoff haftet und aluminiumbenetzbar wird, wie in US-Patent 5 316 718 (Sekhar/de Nora) und US-Patent 5 651 874 (de Nora/Sekhar) beschrieben.
  • US-Patent 5 683 559 (de Nora) schlug eine neue Kathodenabflussgestaltung für Aluminium produzierende Zellen vor, bei denen Kanäle oder Vertiefungen in die Oberfläche von Blöcken eingearbeitet waren, die die Kathodenoberfläche bilden, um das abfließende Aluminiumprodukt zu kanalisieren. Eine spezifische Ausführungsform schafft eine verbesserte Anoden- und Kathodenabflussgeometrie, bei der Aluminium zwischen V-förmigen Anoden und Kathoden produziert wird und in vertieften Kanälen gesammelt wird.
  • WO 98/53120 (Berclaz/de Nora) beschreibt eine Aluminiumproduktionszelle, die mit einer Kathodenmasse versehen ist, die von einer Kathodenschale oder -platte getragen wird, wobei die Kathodenmasse eine horizontale Kathodenabflussoberfläche und einen mittleren Kanal hat, der entlang der Zelle verläuft, um geschmolzenes Aluminium abfließen zu lassen.
  • WO 00/63463 (de Nora) beschreibt eine Aluminiumproduktionszelle, bei der der Kathodenabflussboden in vier Kathodenabflussabschnitte durch einen in Längsrichtung verlaufenden mittleren Aluminiumabflusskanal und ein mittleres Aluminiumsammelreservoir unterteilt wird, das in der Mitte quer zur Zelle auf einem Abstandshalterkörper verläuft, der zwischen und parallel zu Kathodenblöcken angeordnet ist, die quer zur Zelle platziert sind.
  • Zuvor ist vorgeschlagen worden, das Kohlenstoffmaterial der Kathoden von Aluminiumproduktionszellen durch Keramikmaterial zu ersetzen. Z.B. offenbart US-Patent 4,560,448 (Sane/Wheeler/Kuivila) eine poröse Komponente, die aus aluminiumabweisendem Material hergestellt ist und mit einer aluminiumbenetzbaren Mettalboridbeschichtung bedeckt ist, die während des Betriebs intakt gehalten wird, indem das in die poröse Komponente eindringende geschmolzene Aluminium mit Beschichtungskonstituenten gesättigt ist. US-Patent 4,650,552 (de Nora/Gauger/Fresnel/Adorian/Duruz) offenbart eine Komponente einer Aluminiumproduktionszelle, die aus einem Pulvergemisch aus Aluminiumoxid und Aluminium hergestellt ist. US-Patent 4,600,481 (Sane/Wheeler/Gagescu/Debely/Adorian/Derivaz) offenbart eine Komponente einer Aluminiumproduktionszelle, die aus einer offen porösen Matrix hergestellt ist, z.B. einer Aluminiumoxidmatrix, die mit geschmolzenem Aluminium gefüllt ist. Die poröse Matrix kann eine aluminiumbenetzbare Beschichtung aufweisen, die aus einem Borid oder Nickel hergestellt ist.
  • Die Infiltration der Matrix mit Aluminium wird bei einer Temperatur von 1000°C bis 1500°C ausgeführt.
  • Aufgaben der Erfindung
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Zellenboden und eine Aluminium-Elektrogewinnungszelle zu schaffen, insbesondere mit Sauerstoff entwickelnden Anoden, die einen aluminiumbenetzbaren Kathodenabflussboden und ein Aluminiumsammelreservoir hat, aus dem das geschmolzene Aluminium abgezapft werden kann.
  • Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Aluminium-Elektrogewinnungszelle zu schaffen, die einen Zellenboden mit einer Aluminiumsammelvertiefung und eine aluminiumbenetzbare Kathodenoberfläche mit großer Oberfläche hat.
  • Eine Hauptaufgabe der Erfindung besteht darin, eine Aluminium-Elektrogewinnungszelle zu schaffen, die einen Zellenboden mit einer Abflusskathode und einer Aluminiumsammelvertiefung hat, wobei die Aluminiumproduktionsausbeute relativ zur Oberfläche des Zellenbodens maximiert ist.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Aluminium-Elektrogewinnungszelle zu schaffen, die ein Aluminiumsammelreservoir hat, aus dem das geschmolzene Aluminium abgezapft werden kann, ohne dass das Risiko besteht, dass Aluminium in dem Reservoir gefriert, und das leicht in vorhandenen Zellen nachgerüstet werden kann.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Erfindung schafft eine Zelle für die Elektrogewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid, insbesondere aus Aluminiumoxid, das in einem Fluorid enthaltenden geschmolzenen Elektrolyten gelöst ist. Die Zelle hat einen Zellenboden, der aufweist: eine Kathode, insbesondere eine Reihe von Kohlenstoffkathodenblöcken, die eine aluminiumbenetzbare obere Oberfläche hat, aluminiumbenetzbare, offen poröse Platten, die auf der oberen Oberfläche der Kathode platziert sind und die während des Betriebs und vorzugsweise auch vor dem Betrieb mit geschmolzenem Aluminium gefüllt werden, um eine aluminiumbenetzte, aktive Kathodenabflussoberfläche oberhalb der oberen Oberfläche der Kathode zu schaffen, und eine Vertiefung, die auf einer niedrigeren Höhe als die obere Oberfläche der Kathode liegt und die während des Betriebs geschmolzenes Aluminium sammelt, das von der aluminiumbenetzbaren, aktiven Kathodenabflussoberfläche abfließt.
  • Gemäß der Erfindung reichen die offen porösen Platten auf der Oberfläche der Kathode wenigstens über einen Teil der Vertiefung, so dass dieser Teil der aluminiumbenetzbaren aktiven Kathodenabflussoberfläche oberhalb wenigstens eines Teils der Vertiefung liegt.
  • Während des Betriebs werden die offen porösen, aluminiumbenetzbaren Platten mit Aluminium gefüllt und ein unterer Teil der Platten wird gewöhnlich durch geschmolzenes Aluminium benetzt, was auch die aluminiumbenetzbare Oberfläche der Kathode benetzt. Das Aluminium in den offen porösen Platten stellt optimale elektrische Leitfähigkeit von der Kathode zu der gesamten aluminiumbenetzbaren aktiven Kathodenoberfläche auf den offen porösen Platten sicher, auch dorthin, wo die Platten oberhalb der Aluminiumsammelvertiefung verlaufen.
  • Die offen porösen Platten, die sich über wenigstens einen Teil der Aluminiumsammelvertiefung erstrecken, bedecken vorzugsweise einen erheblichen Teil der Vertiefung, um die Oberfläche der aluminiumbenetzbaren aktiven Kathodenoberfläche zu maximieren. Z.B. können die Platten nur eine schmale vertikale Öffnung oberhalb der Vertiefung lassen, die ausreichend ist, um Produktaluminium von der aluminiumbenetzbaren aktiven Kathodenoberfläche durch die Öffnung in die Aluminiumsammelvertiefung abfließen zu lassen. Z.B. kann die Öffnung eine Lücke sein, die typischerweise zwischen einem oder mehreren Paaren von über und quer zu der Vertiefung gelegten Platten liegt, vorzugsweise mit einer Breite von einigen oder wenigen Zentimetern. Üblicherweise wird ein Zugang zu der Aluminiumsammelvertiefung für das Abzapfen des geschmolzenen Aluminiums gelassen. Ein solcher Zugang kann bereitgestellt werden, indem offen poröse Platten an der Abzapfstelle platziert werden, die nicht über die Aluminiumsammelvertiefung reichen, oder indem ein Loch mit ausreichender Größe vorgesehen wird, z.B. von etwa 20 bis 40 cm Durchmesser, in oder zwischen offen porösen Platten, die die Aluminiumsammelvertiefung an der Abzapfstelle bedecken.
  • Die aluminiumbenetzbaren, offen porösen Platten sind vorzugsweise aus Materialien auf Keramikbasis hergestellt, die widerstandsfähig und inert gegenüber geschmolzenem Aluminium sind. Das inerte und widerstandsfähige Keramikmaterial kann wenigstens ein Oxid, ausgewählt aus den Oxiden von Aluminium, Zirkonium, Tantal, Titan, Silicium, Niob, Magnesium und Calcium und Gemischen davon aufweisen, als ein einfaches Oxid und/oder als Mischoxid, z.B. ein Zinkaluminat (ZnAlO4) oder Titanaluminat (TiAlO5). Andere geeignete inerte und widerstandsfähige Keramikmaterialien können aus den Nitriden, Carbiden und Boriden und Oxyverbindungen davon ausgewählt werden, wie etwa Aluminiumnitrid, AlON, SiAlON, Bornitrid, Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Aluminiumborid, Erdalkalimetall-Zirkonate und -Aluminate und deren Gemische.
  • Vorzugsweise enthalten die aluminiumbenetzbaren offen porösen Platten ein Aluminiumbenetzungsmittel. Geeignete Benetzungsmittel umfassen Metalloxide, die mit geschmolzenem Alumi nium reaktionsfähig sind, um eine Oberflächenschicht zu bilden, die Aluminiumoxid, Aluminium und Metall enthält, das aus dem Metalloxid und/oder teilsweise oxidiertem Metall abgeleitet ist, wie etwa Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer, Zink, Molybden, Lanthan oder andere Seltenerdmetalle oder Kombinationen daraus.
  • Geeignete Materialien zur Herstellung der offen porösen Platten sind in US-Patent 4,600,481 (Sane/Wheeler/Gagescu /Debely/Adorian/Derivaz) und PCT/IB02/00668 (de Nora) beschrieben.
  • Die Kathode kann aus Kohlenstoffkathodenblöcken aufgebaut werden, die in Paaren quer zum Zellenboden, Ende-an-Ende oder in Abstand zueinander angeordnet sind. Alternativ kann die Kathode aus Kohlenstoffkathodenblöcken aufgebaut werden, wobei sich jeder Kathodenblock quer im Wesentlichen über den ganzen Zellenboden erstreckt.
  • Die Kathode kann aus Graphit oder anderem kohlenstoffhaltigen Material hergestellt sein.
  • Die Kathode kann mit einer Schicht aus aluminiumbenetzbarem Material bedeckt sein, die die aluminiumbenetzbare obere Kathodenoberfläche bildet.
  • Geeignete aluminiumbenetzbare Schichten und kohlenstoffhaltige Materialien der Kathode sind in US-Patent 5,651,874 (de Nora/Sekhar) und in den PCT-Anmeldungen WO 98/17842 (Sekhar/Duruz/liu), WO 01/42168 (de Nora/Duruz) und WO 01/42536 (Nguyen/Duruz/de Nora) beschrieben.
  • In einer Ausführungsform ist wenigstens ein Teil der Aluminiumsammelvertiefung in einem Reservoirkörper gebildet, der angrenzend an die Kathode liegt. Dieser Körper kann Anthrazit oder ein anderes kohlenstoffhaltiges Material aufweisen. Beispielsweise liegt der Reservoirkörper zwischen den Blöcken von wenigstens einem Paar von Kohlenstoffkathodenblöcken und hält diese quer zum Zellenboden auf Abstand. Die Aluminiumsammelvertiefung kann allgemein U-förmig sein.
  • Die Zelle kann eine Reihe von Sauerstoff entwickelnden Anoden aufweisen, die der Kathode zugewandt sind. Geeignete Sauerstoff entwickelnde Anoden auf Metallbasis sind beschrieben in WO 00/06802, WO 00/06803 (beide im Namen von Duruz/de Nora/Crottaz), WO 00706804 (Crottaz/Duruz), WO 01/42535 (Duruz/de Nora), WO 01/42534 (de Nora/Duruz) und WO 01/42536 (Duruz/Nguyen/de Nora). Weitere Sauerstoff entwickelnde Anodenmaterialien sind beschrieben in WO 99/36593, WO 99/36594, WO 00/06801, WO 00/06805, WO 00/40783 (alle im Namen von de Nora/Duruz), WO 00/06800 (Duruz/de Nora), WO 99/36591 und WO 99/26592 (beide im Namen von de Nora).
  • Sauerstoff entwickelnde Anoden können mit einer Schutzschicht bedeckt sein, die aus einer oder mehreren Cerverbindungen gebildet ist, insbesondere aus Ceroxyfluorid, wie in US-Patenten 4,614,569 (Duruz/Derivaz/Debely/Adorian), 4,680,094 (Duruz), 4,683,037 (Duruz) und 4,966,674 (Bannochie/Sheriff) beschrieben.
  • Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft einen Boden einer Zelle für die Elektrogewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid. Dieser Zellenboden umfasst eine Kathode, insbesondere eine Reihe von Kohlenstoffkathodenblöcken, die eine aluminiumbenetzbare Oberfläche hat, aluminiumbenetzbare, offen poröse Platten, die auf der oberen Oberfläche der Kathode platziert sind, und eine Vertiefung, die auf einer Höhe unterhalb der oberen Oberfläche der Kathode verläuft. Die offen porösen Platten, die die obere Oberfläche der Kathode bedecken, er strecken sich über wenigstens einen Teil der Aluminiumsammelvertiefung.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Zelle für die Elektrogewinnung von Aluminium, die einen Boden wie oben beschrieben aufweist. In einer solchen Zelle sind die aluminiumbenetzbaren, offen porösen Platten mit geschmolzenem Aluminium gefüllt, um eine aluminiumbenetzte, aktive Kathodenabflussoberfläche oberhalb der oberen Oberfläche der Kathode zu bilden.
  • Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Produzieren von Aluminium in einer Zelle wie oben beschrieben. Dieses Verfahren umfasst das Einleiten von Elektrolysestrom zwischen den Anoden und der aluminiumbenetzten, aktiven Kathodenoberfläche in einen Elektrolyten, der gelöstes Aluminiumoxid enthält, um an den Anoden Gas zu entwickeln und auf der aktiven Kathodenabflussoberfläche Aluminium zu produzieren. Das produzierte Aluminium fließt von der aktiven Kathodenabflussoberfläche über die offen porösen Platten, die sich über wenigstens einen Teil der Vertiefung erstrecken, in die Aluminiumsammelvertiefung ab.
  • Wie oben erwähnt, kann die Zelle an den Anoden Sauerstoff entwickeln. Die Anoden können mit einer Schutzschicht beschichtet sein, wie etwa einer Schicht, die aus einer oder mehreren Cerverbindungen hergestellt ist, insbesondere Ceroxyfluorid, wobei in diesem Fall die Schutzschicht intakt erhalten werden kann, indem eine Menge von Cer-Spezies in dem Elektrolyten gehalten wird, wie in den oben erwähnten US-Patenten 4,614,569, 4,680,094, 4,683,037 und 4,966,674 beschrieben. Ferner kann die Zelle mit einem Elektrolyten bei reduzierter Temperatur, z.B. 880° bis 930° oder sogar 940°C, betrieben werden, um die Lösung der metallbasierten Anoden zu reduzieren.
  • Während es bevorzugt ist, nicht kohlenstoffhaltige Anoden zu verwenden, um während des Betriebs wie oben erwähnt Sauerstoff zu entwickeln, ist es auch möglich, Kohlenstoffanoden zu verwenden, auf denen während des Betriebs Kohlendioxid erzeugt wird.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die zugehörige schematische Zeichnung beschrieben, wobei 1 eine Kathodenabflusszelle mit einem Aluminiumsammelreservoir gemäß der Erfindung illustriert.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Die in 1 gezeigte Zelle umfasst mehrere Sauerstoff entwickelnde Anoden, die in einen geschmolzenen Elektrolyten 5 eintauchen und einem Zellenboden zugewandt sind. Der Zellenboden umfasst eine Reihe von Paaren von beabstandeten Kohlenstoffkathodenblöcken 25, die quer zur Zelle platziert sind und eine aluminiumbenetzbare obere Oberfläche 22 haben, welche durch eine aluminiumbenetzbare Schicht gebildet wird. Die oberen Oberflächen 22 sind mit aluminiumbenetzbaren, offen porösen Platten 21 bedeckt, die mit geschmolzenem Aluminium gefüllt sind, um eine aluminiumbenetzte, aktive Kathodenabflussoberfläche 20 über den oberen Oberflächen 22 der Kohlenstoffkathodenblöcke 25 zu bilden.
  • Die Kathodenblöcke 25 sind aus Graphit hergestellt und haben eine reduzierte Höhe, z.B. 30 cm, und sind mit einer aluminiumbenetzbaren Schicht beschichtet, die die obere Oberfläche 22 bildet und den Graphit vor Abtragung und Abnutzung schützt. Geeignete aluminiumbenetzbare Schichten sind in den oben er wähnten US-Patent 5,651,874, WO 98/17842, WO 01/42168 und WO 01/42531 beschrieben. Die aluminiumbenetzbaren, offen porösen Platten 21, die die beschichteten Kathodenblöcke 25 bedecken, können aus dem in PCT/IB02/00668 (de Nora) beschriebenen Material hergestellt werden.
  • Der Zellenboden hat weiter eine mittig angeordnete Vertiefung 35, die auf einer Höhe unterhalb der oberen Oberfläche 22 der Kohlenstoffkathodenblöcke 25 verläuft und die in Betrieb geschmolzenes Aluminium 60 sammelt, das von der aluminiumbenetzbaren, aktiven Kathodenabflussoberfläche 20 abfließt.
  • Die Aluminiumsammelvertiefung 35 ist in einem Reservoirkörper 30 gebildet, der zwischen die Blöcke 25 jedes Paars von Kathodenblöcken gesetzt ist und diese quer zur Zelle auf Abstand zueinander hält. Wie in 1 gezeigt, ist die in dem Reservoirkörper 30 gebildete Vertiefung 35 allgemein U-förmig mit abgerundeten unteren Ecken und einem nach außen gekrümmten oberen Teil.
  • Der Reservoirkörper 30 ist aus zwei im Allgemeinen L-förmigen Abschnitten 31 hergestellt, die quer zur Zelle zusammengesetzt sind. Die Reservoirabschnitte 31 sind aus einem Material auf Anthrazitbasis hergestellt. Die aluminiumbenetzbare Schicht 22, die die obere Oberfläche 22 bildet, erstreckt sich in die Vertiefung 35, um den Reservoirkörper 30 während des Betriebes vor Abnutzung und Natriumablagerung zu schützen.
  • Wie in 1 gezeigt verläuft der Reservoirkörper 30 unter den Kathodenblöcken 25 in das hitzebeständige und isolierende Material 26 des Zellenbodens hinein, um eine Maximierung der Aufnahmefähigkeit der Aluminiumsammelvertiefung 35 zu ermöglichen.
  • Ferner hat der Reservoirkörper 30 einen festen Boden 32, der von oberhalb bis unterhalb der Bodenfläche der Kathodenblöcke 25 reicht und einen ausreichenden mechanischen Widerstand bietet, um die Blöcke 25 quer zur Zelle richtig auf Abstand zu halten, wenn sie während des Anlaufens der Zelle thermischer Expansion ausgesetzt sind und während des normalen Betriebes. Wie mit gestrichelten Linien in dem oberen Teil des Reservoirkörpers 30 gezeigt, können in Längsrichtung auf Abstand zueinander liegende Abstandshaltestangen 33 quer über den Reservoirkörper 30 eingebaut sein und dem Reservoirkörper 30 zusätzliche mechanische Festigkeit geben. Solche Abstandshaltestangen 33 können aus Kohlenstoffmaterial hergestellt sein, das mit einer aluminiumbenetzbaren Schutzschicht beschichtet ist.
  • Gemäß der Erfindung erstrecken die offen porösen Platten 21 auf Keramikbasis, die auf die oberen Oberflächen 22 der Kathodenblöcke 25 gelegt sind und sich im zentralen Gebiet des Zellenbodens befinden, sich über einen Teil der Aluminiumsammelvertiefung 35, so dass sich im Betrieb die überstehenden Teile der aluminiumbenetzbaren aktiven Kathodenabflussoberflächen 20 oberhalb der Aluminiumsammelvertiefung 35 befinden.
  • Die offen porösen Platten 21 liegen über der Aluminiumsammelvertiefung 35 auf Abstand zueinander, um einen Zugang für das Abzapfen von geschmolzenem Aluminium durch ein herkömmliches Abzapfrohr zu lassen. Der Abstand zwischen den offen porösen Platten 21 über der Aluminiumsammelvertiefung 35 kann entlang der übrigen Teile der Vertiefung 35 viel kleiner sein, wodurch die Oberfläche der aktiven Kathodenflächen 20 maximiert wird.
  • Die in 1 gezeigte Zelle umfasst eine Reihe von Eckstücken 41, die aus dem offen porösen Material der Platten 21 hergestellt sind und mit Aluminium gefüllt sind und am Rand des Zellenbodens gegen die Seitenwände 40 gestellt sind. Die Seitenwände 40 und die Oberfläche des Elektrolyten 5 sind mit einer Seitenablagerung und einer kleinen Kruste aus gefrorenem Elektrolyten 6 bedeckt. Die Zelle ist mit einem isolierenden Deckel 45 über der Elektrolytkruste 6 ausgestattet. Weitere Details geeigneter Deckel sind in WO 99/02763 (de Nora/Sekhar), WO 01/31086 (de Nora/Duruz) und PCT/IB02/00669 (de Nora/Berclaz) beschrieben.
  • Die Zelle ist auch mit Lüftungsrohren (nicht gezeigt) versehen, die durch den Deckel 45 verlaufen, um während der Elektrolyse erzeugte Gase abzulassen.
  • Die Zelle umfasst Aluminiumoxid-Einspeiseeinrichtungen 15 mit Einspeiserohren 16, die durch den isolierenden Deckel 45 zwischen den Anoden 10 verlaufen. Den Aluminiumoxid-Einspeiseeinrichtungen 15 ist ein Krustenbrecher (nicht gezeigt) zugeordnet, um die Kruste 6, die unter dem Einspeiserohr 16 liegt, vor dem Einspeisen aufzubrechen.
  • In einer Abwandlung kann das isolierende Material der Seitenwände 40 und des Deckels 45 ausreichend sein, um die Bildung von jeglicher Seitenablagerung oder Kruste aus gefrorenem Elektrolyten zu verhindern. In einem solchen Fall sind die Seitenwände 40 vorzugsweise durch eine Verkleidung mit dem oben erwähnten offen porösen aluminiumgefüllten Material von dem geschmolzenen Elektrolyten 5 abgeschirmt.
  • Die Anoden 10 sind vorzugsweise aus einem gegen den Elektrolyten widerstandsfähigen, inerten Material auf Metallbasis hergestellt. Geeignete Anodenmaterialien auf Metallbasis enthalten Eisenlegierungen, die Nickel und/oder Kobalt aufweisen, die in einer oxidierenden Atmosphäre wärmebehandelt sein können.
  • Geeignete Anodenkonstruktionen, die einen optimalen Zellenbetrieb erlauben, sind in WO 00/40781 und WO 00/40782 (beide im Namen von de Nora) beschrieben.
  • Die Lebensdauer der Anode kann durch eine Schutzbeschichtung erhöht werden, die aus Cerverbindungen hergestellt ist, insbesondere aus Ceroxyfluorid. Solche Beschichtungen und der damit verbundene Zellenbetrieb sind in den oben erwähnten US-Patenten 4 614 569, 4 680 094, 4 683 037 und 4 966 674 beschrieben.
  • Um die Lösung der Anoden 10 in den Elektrolyten zu reduzieren, kann die Zelle mit einem Elektrolyten 5 bei reduzierter Temperatur betrieben werden, typischerweise von etwa 850°C bis 940°C, vorzugsweise von 880°C bis 930°C. Der Betrieb mit einem Elektrolyten bei reduzierter Temperatur reduziert die Löslichkeit von Oxiden, insbesondere von Aluminiumoxid. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, die Aluminiumoxidlösung in dem Elektrolyten 5 zu fördern.
  • Eine verstärkte Aluminiumoxidlösung kann erreicht werden, indem eine Aluminiumoxid-Einspeiseeinrichtung verwendet wird, die Aluminiumoxidteilchen über ein großes Gebiet der Oberfläche des geschmolzenen Elektrolyten 5 versprüht und verteilt. Geeignete Aluminiumoxid-Einspeiseeinrichtungen sind detaillierter in WO 00/63464 (de Nora/Berclaz) beschrieben. Weiterhin kann die Zelle Mittel (nicht gezeigt) aufweisen, um die Zirkulation des Elektrolyten 5 aus und zu dem Anoden-Kathoden-Zwischenraum zu verstärken, um die Aluminiumoxidlösung in dem Elektrolyten 5 zu unterstützen und permanent eine hohe Konzentration von gelöstem Aluminiumoxid in der Nähe der aktiven Oberflächen der Anoden 10 aufrecht zu erhalten, wie z.B. in WI 00/40781 (de Nora) beschrieben.
  • Während des Betriebs der in 1 gezeigten Zelle wird in dem Elektrolyten 5 gelöstes Aluminiumoxid elektrolysiert, um an den Anoden 10 Sauerstoff und auf den Kathodenabflussoberflächen 20 Aluminium 60 zu erzeugen. Das Produktaluminium 60 läuft von den Kathodenoberflächen 20 in das Reservoir 30 ab, von wo es abgezapft werden kann.
  • Daher wird Aluminium auf der aktiven Kathodenabflussoberfläche 20 produziert, die nicht nur die Kathodenblöcke 25, sondern auch einen Teil des Reservoirs 30 bedeckt, wodurch die nutzbare Aluminiumproduktionsfläche (d.h. die Kathodenabflussoberfläche 22) der Zelle maximiert wird.

Claims (17)

  1. Zelle für die Elektrogewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid mit einem Zellenboden, der aufweist: – eine Kathode, insbesondere eine Reihe von Kohlenstoffkathodenblöcken, mit einer aluminiumbenetzbaren oberen Oberfläche, – aluminiumbenetzbare, offen poröse Platten, die auf der oberen Oberfläche der Kathode platziert und mit geschmolzenem Aluminium gefüllt sind, um eine aluminiumbenetzte aktive Kathodenabflussoberfläche über der oberen Oberfläche der Kathode zu bilden, und – eine Vertiefung, die auf einer Höhe unterhalb der oberen Oberfläche der Kathode liegt und die während des Betriebs geschmolzenes Aluminium sammelt, das von der Aluminium-benetzbaren, aktiven Kathodenabflussoberfläche abfließt, wobei offen poröse Platten auf der oberen Oberfläche der Kathoden über einen Teil der Vertiefung reichen, so dass dieser Teil der aluminiumbenetzbaren aktiven Kathodenabflussoberfläche oberhalb der Vertiefung liegt.
  2. Zelle nach Anspruch 1, wobei die Kathode aus Kohlenstoffkathodenblöcken erstellt ist, die in Paaren quer über den Zellenboden angeordnet sind.
  3. Zelle nach den vorhergehenden Ansprüchen 1 oder 2, wobei die Kathode aus Graphit hergestellt ist.
  4. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kathode mit einer Schicht aus aluminiumbenetzbarem Material beschichtet ist, die die aluminiumbenetzbare obere Kathodenoberfläche bildet.
  5. Zelle nach einem der Ansprüche, wobei wenigstens ein Teil der Aluminiumsammelvertiefung in einem Reservoirkörper gebildet ist, der angrenzend an die Kathode liegt.
  6. Zelle nach Anspruch 5, wobei der Reservoirkörper Anthrazit aufweist.
  7. Zelle nach Anspruch 5 oder 6, wenn abhängig von Anspruch 2, wobei der Reservoirkörper zwischen den Blöcken von wenigstens einem Paar von Kohlenstoffkathodenblöcken liegt und diese auf Abstand quer zum Zellenboden hält.
  8. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aluminiumsammelvertiefung im Wesentlichen U-förmig ist.
  9. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Reihe von Sauerstoff entwickelnden Anoden aufweist, die den aluminiumbenetzbaren, offen porösen Platten zugewandt sind.
  10. Zelle nach Anspruch 9, wobei die Sauerstoff entwickelnden Anoden mit einer Schutzschicht beschichtet sind, wie etwa einer Schicht, die aus einer oder mehreren Cerverbindungen, insbesondere Ceroxyfluorid, hergestellt ist.
  11. Verfahren zur Produktion von Aluminium in einer Zelle wie in einem der vorhergehenden Ansprüche definiert, bei dem ein Elektrolysestrom zwischen den Anoden und der aluminiumbenetzbaren, aktiven Kathodenabflussoberfläche in einen Elektrolyten eingeleitet wird, der gelöstes Aluminiumoxid enthält, um an den Anoden Gas zu entwickeln und an der ak tiven Kathodenabflussoberfläche Aluminium zu produzieren, wobei das produzierte Aluminium von der aktiven. Kathodenabflussoberfläche über die offen porösen Platten, die über einen Teil der Vertiefung reichen, in die Aluminiumsammelvertiefung abfließt.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem an den Anoden Sauerstoff entwickelt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Anoden eine Schutzbeschichtung haben, wie etwa eine Beschichtung, die aus einer oder mehreren Cerverbindungen hergestellt ist, insbesondere aus Ceroxyfluorid, wobei bei dem Verfahren eine Menge von Cer-Spezies in dem Elektrolyten gehalten wird, um die Schutzschicht zu erhalten.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei der Elektrolyt auf einer Temperatur in dem Bereich von 850° bis 940°C ist.
  15. Boden einer Zelle für die Elektrogewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid, mit einer Kathode, insbesondere einer Reihe von Kohlenstoffkathodenblöcken, die eine aluminiumbenetzbare obere Oberfläche hat, aluminiumbenetzbaren, offen porösen Platten, die auf der oberen Oberfläche der Kathode platziert sind, und einer Aluminiumsammelvertiefung, die sich auf einer Höhe unterhalb der oberen Oberfläche der Kathoden erstreckt, wobei die offen porösen Platten, die die obere Oberfläche der Kathode bedecken, über einen Teil der Aluminiumsammelvertiefung reichen.
  16. Zelle für die Elektrogewinnung von Aluminium mit einem Boden wie in Anspruch 15 definiert, wobei die aluminiumbenetzbaren, offen porösen Platten mit geschmolzenem Aluminium gefüllt sind, um eine aluminiumbenetzte, aktive Katho denabflussoberfläche oberhalb der oberen Oberfläche der Kathode zu bilden.
  17. Verfahren zum Produzieren von Aluminium in einer Zelle wie in Anspruch 16 definiert, bei dem ein Elektrolysestrom zwischen den Anoden und der aluminiumbenetzten, aktiven Kathodenabflussoberfläche in einen Elektrolyten geleitet wird, der gelöstes Aluminiumoxid enthält, um an den Anoden Gas zu entwickeln und an der aktiven Kathodenabflussoberfläche Aluminium zu produzieren, wobei das produzierte Aluminium von der aktiven Kathodenabflussoberfläche über die offen porösen Platten, die über einen Teil der Vertiefung reichen, in die Aluminiumsammelvertiefung abfließt.
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