DE69532052T2

DE69532052T2 - Mit versenkten Nuten drainierte horizontale Kathodenoberfläche für die Aluminium Elektrogewinnung

Info

Publication number: DE69532052T2
Application number: DE69532052T
Authority: DE
Inventors: Vittorio De Nora
Original assignee: Moltech Invent SA
Current assignee: Moltech Invent SA
Priority date: 1994-09-08
Filing date: 1995-08-30
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2015-08-31
Also published as: EP0782636B1; CA2199288C; WO1996007773A1; NO20042863L; EP1146146A3; EP0782636A1; EP1146146B1; NO971060L; EP1146146A2; CA2199288A1; NO321328B1; EP0905284A1; AU688098B2; US5683559A; DE69509540D1; US5888360A; US6093304A; AU3190195A; EP0905284B1; NO20042862L

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kathodenboden von einer Zelle für die Herstellung von Aluminium durch die elektrolytische Gewinnung von Aluminium, wobei der Boden eine horizontale drainierte Kathodenfläche mit einer Reihe von ausgesparten Nuten für das Sammeln des hergestellten Aluminiums aufweist.
Hintergrund der Erfindung
Die Technologie für die Herstellung von Aluminium durch die Elektrolyse von Aluminiumoxid, das in geschmolzenem Kryolith gelöst ist, das Salze enthält, bei Temperaturen von etwa 950°C ist seit mehr als hundert Jahren bekannt.
Dieser Prozess, der fast gleichzeitig von Hall und Héroult erdacht wurde, hat sich trotz des gewaltigen Wachstums der Gesamtproduktion von Aluminium, die in fünfzig Jahren fast um das Hundertfache angestiegen ist, nicht wie viele andere elektrochemische Prozesse weiterentwickelt. Der Prozess und die Zellenkonstruktion haben keine großen Veränderungen oder Verbesserungen erfahren, und für Elektroden und Zellenauskleidungen werden immer noch kohlenstoffhaltige Materialien verwendet.
Die Wanne der elektrolytischen Zelle besteht normalerweise aus einer Stahlschale, die mit einer isolierenden Auskleidung aus hitzebeständigem Material versehen ist, beschichtet durch vorgebrannten Anthrazit-Graphit oder ganze Graphit-Kohlenstoffblöcke an der Wand und am Zellenboden, der als Kathode wirkt, wobei der negative Pol einer direkten Wicklung aus stählernen Leiterstangen in den Kohlenstoffblöcken eingebettet ist.
Die Anoden werden noch aus kohlenstoffhaltigem Material hergestellt und müssen alle paar Wochen ersetzt werden. Die Betriebstemperatur beträgt noch immer etwa 950°C, um eine aus reichend hohe Auflösungsrate des Aluminiumoxids zu erreichen, die bei geringeren Temperaturen abnimmt, und um eine höhere Leitfähigkeit des Elektrolyten zu erreichen.
Die in den Hall-Héroult-Zellen als Zellenauskleidung verwendeten kohlenstoffhaltigen Materialien verschlechtern sich unter den vorhandenen ungünstigen Betriebsbedingungen und begrenzen die Lebensdauer der Zelle.
Die Anoden haben eine sehr kurze Lebensdauer, weil sich der Sauerstoff, der sich während der Elektrolyse an der Anodenfläche entwickelt, mit dem Kohlenstoff verbindet, um CO₂ und kleine Mengen an CO zu bilden. Der tatsächliche Verbrauch der Anode beträgt etwa 450 kg pro Tonne an produziertem Aluminium, was mehr als 1/3 höher als die theoretische Menge ist.
Die Kohlenstoffauskleidung des Kathodenbodens hat eine Lebensdauer von wenigen Jahren, wonach der Betrieb der gesamten Zelle unterbrochen und die Zelle mit hohem Kostenaufwand neu ausgekleidet werden muss. Trotz eines Aluminiumbades, das eine Dicke von 15 bis 20 cm hat, die über der Kathode einzuhalten ist, kann die Verschlechterung der Kathodenkohlenstoffblöcke nicht vermieden werden, weil Natrium in den Kohlenstoff eindringt, was durch chemische Reaktion und Einlagerung zu Aufquellen, Verformung und Zersetzung der Kathodenkohlenstoffblöcke führt, und weil außerdem Kryolith und flüssiges Aluminium eindringen.
Die Kohlenstoffblöcke der Zellenseitenwand sind gegenüber Oxydation und Angriffen durch Kryolith nicht beständig, und an den Zellenseitenwänden muss eine Schicht aus erstarrtem Kryolith erhalten bleiben, um sie zu schützen. Weiterhin gibt es, wenn die Zellen neu aufgebaut werden, Probleme bei der Entsorgung der Kohlenstoffkathoden, die giftige Verbindungen enthalten, einschließlich Cyanid.
Ein anderer wesentlicher Nachteil liegt in der Tatsache begründet, dass unregelmäßige elektromagnetische Kräfte in dem geschmolzenen Aluminiumbad Wellen erzeugen und dass der Anoden-Kathoden-Abstand (ACD), auch als Spalt zwischen den Elektroden (IEG) bezeichnet, auf einem sicheren Minimalwert von etwa 50 mm gehalten werden muss, um zwischen der Aluminiumkathode und der Anode einen Kurzschluss zu verhindern oder um eine Reoxydation des Metalls durch Kontakt mit dem CO₂-Gas zu vermeiden, das sich an der Anodenfläche bildet.
Der hohe spezifische elektrische Widerstand des Elektrolyt, der etwa 0,4 Ohm·cm beträgt, verursacht einen Spannungsabfall, der allein mehr als 40% des gesamten Spannungsabfalls darstellt, mit einem sich ergebenden energetischen Wirkungsgrad, der in den meisten modernen Zellen nur 25% erreicht. Die hohen Energiekosten seit der Ölkrise sind zusammen mit dem geringen Wirkungsgrad zu einem noch größeren Posten bei den Gesamtherstellungskosten von Aluminium geworden und haben die Wachstumsraten für dieses wichtige Metall verringert.
In der zweitgrößten elektrochemischen Industrie nach der Aluminiumindustrie, nämlich der Ätznatron- und Chlorindustrie, hat die Erfindung von abmessungsstabilen Anoden (DSA^®) basierend auf einem edelmetallaktivierten Titanmetall, das etwa 1970 entwickelt wurde, einen revolutionären Fortschritt in der Chlorzellentechnologie gestattet, was zu einer erheblichen Steigerung des energetischen Wirkungsgrades der Zelle, der Lebensdauer und der chlor-kaustischen Reinheit führte. Das Ersetzen von Graphitanoden durch DSA^® erhöhte die Lebensdauer der Anoden drastisch und verringerte die Betriebskosten der Zellen wesentlich. Das schnelle Wachstum der Chlor-Ätznatron-Industrie wurde lediglich durch ökologische Probleme verzögert.
Bei der Aluminiumherstellung ist die Verschmutzung nicht auf das hergestellte Aluminium zurückzuführen, sondern auf die verwendeten Materialien und Herstellungsprozesse sowie auf die Zellenkonstruktion und den Zellenbetrieb.
Es wurde jedoch über Fortschritte bei dem Betrieb moderner Aluminiumanlagen berichtet, die Zellen verwenden, bei denen die aus den Zellen ausströmenden Gase zu einem großen Teil gesammelt sowie in geeigneter Weise gereinigt werden und bei denen die Emission von in hohem Maße Verschmutzungen hervorrufenden Gasen während der Herstellung der Kohlenstoffanoden und Kohlenstoffkathoden sorgfältig kontrolliert wird.
Während von Fortschritt bei der Herstellung von Kohlenstoffkathoden durch das Aufbringen von Beschichtungen oder Schichten unter Verwendung neuer, mit Aluminium benetzbaren Materialien, die auch eine Barriere gegen das Eindringen von Natrium während der Elektrolyse darstellen, berichtet wird, ist kein Fortschritt bei der Konstruktion von Kathoden für Zellen zur Aluminiumherstellung hinsichtlich der Beschränkung der Bewegung des geschmolzenen Aluminiums erzielt worden, um den Spalt zwischen den Elektroden und die Verschleißrate ihrer Oberfläche zu verringern.
Das US-Patent 4,560,488 (Sane et al.) offenbart eine Neuentwicklung bei Elektrolysezellen mit geschmolzenem Salz, die das Herstellen von mit geschmolzenen Aluminium benetzbarem Material betrifft. Die Kohlenstoffanoden oder Graphitanoden und Kathoden weisen jedoch eine herkömmliche Konstruktion auf, und es gibt keinerlei Hinweise, die zu der vorliegenden Erfindung führen.
Das US-Patent 4,681,671 (Duruz) betrifft eine andere Verbesserung der Elektrolyse in geschmolzenem Salz, wobei der Betrieb bei Temperaturen erfolgt, die niedriger als üblich sind, und zwar unter Verwendung von Permanentanoden, zum Beispiel aus Metallen, Legierungen, Keramiken oder Metall-Keramik-Komposit, wie in der Europäischen Patentanmeldung Nr. 0 030 834 und in dem US-Patent 4,397,729 offenbart ist.
Das US-Patent 5,203,971 (de Nora et al.) offenbart eine Zelle für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium mit einer teilweise hitzebeständigen und teilweise auf Kohlenstoff basierenden Zellenauskleidung. Der auf Kohlenstoff basierende Teil des Zellenbodens kann in Bezug auf den hitzebeständigen Teil ausgespart sein, wodurch die Verringerung der Bewegung des Aluminiumbades unterstützt wird.
Das US-Patent 3,856,650 (Kugler) schlägt die Auskleidung eines Kohlenstoffzellenbodens mit einer Keramikbeschichtung vor, auf der parallele Reihen von Fliesen in Form von einem Gitterrost in dem geschmolzenen Aluminium angeordnet sind, womit versucht werden soll, den Verschleiß infolge der Bewegungen des Aluminiumbades zu verringern.
Die WO 92/03597 (Juric et al.) offenbart eine Zelle für die Herstellung von Aluminium mit einer horizontalen drainierten Kathodenfläche, einem zentralen Aluminiumsammelkanal und in Längsrichtung sowie in Querrichtung ausgesparten Nuten, um das Sammeln des erzeugten Aluminiums von der drainierten Kathodenfläche und das Ableiten des Aluminiums in den zentralen Sammelkanal zu erleichtern.
Die nachfolgenden Dokumente offenbaren einige weitere Verbesserungen der Zellenfunktion.
Die Europäische Patentanmeldung Nr. 0 308 015 (de Nora) offenbart einen neuen Stromabnehmer;
Die Europäische Patentanmeldung Nr. 0 308 013 (de Nora) betrifft einen neuartigen Kompositzellenboden; und
Die Europäische Patentanmeldung Nr. 0 132 031 (Dewing) stellt eine neuartige Zellenauskleidung zur Verfügung.
Obwohl die vorstehend angeführten Dokumente auf fortgesetzte Bemühungen hinweisen, um die Funktion von Elektrolysezellen mit geschmolzenem Elektrolyten zu verbessern, lässt keine auf die Erfindung schließen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Kathodenboden von einer Zelle für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid, der eine horizontale, mit Aluminium benetzbare, drainierte Kathodenfläche aufweist, die eine Reihe von parallel beabstandeten, ausgesparten Nuten aufweist, die quer zum Kathodenboden verlaufen, um so das Sammeln des hergestellten Aluminiums zu erleichtern, das von der horizontalen Kathodenfläche abläuft. Der Kathodenboden weist eine Reihe von Kathodenblöcken auf, die entlang des Kathodenbodens seitlich nebeneinander angeordnet sind, zum Beispiel mit einer Stampfpaste, wie in herkömmlichen Zellen, oder vorzugsweise durch Klebstoff. Jeder Kathodenblock erstreckt sich in Längsrichtung quer (transversal) zum Kathodenboden. Die Kathodenblöcke haben flache obere Flächen, durch die die horizontale, mit Aluminium benetzbare, drainierte Kathodenfläche gebildet wird, sowie Ausschnitte oder Abschrägungen entlang gegenüberliegender oberer Seitenkanten, die sich quer zum Kathodenboden erstrecken, so dass zwei Kathodenblöcke, die seitlich nebeneinander angeordnet sind, entlang ihrer Ausschnitte und Abschrägungen zwischen sich eine der ausgesparten Nuten quer zum Kathodenboden bilden.
Üblicherweise haben die ausgesparten Nuten einen allgemein U-förmigen oder V-förmigen Querschnitt.
Die Kathodenblöcke können zumindest eine weitere ausgesparte Nut zwischen und parallel zu den ausgesparten Nuten quer zum Kathodenboden aufweisen.
Diese ausgesparten Nuten können in zumindest einen Aluminiumsammelkanal führen, der in Längsrichtung entlang des Kathodenbodens ausgebildet ist, um das geschmolzene Aluminium abzuleiten, und vorzugsweise Einrichtungen aufweist, um einen konstanten Aluminium-Pegel in diesen ausgesparten Nuten beizubehalten. Zumindest ein in Längsrichtung verlaufender Aluminiumsammelkanal kann ein tiefer zentraler Kanal sein. Zumindest ein in Längsrichtung verlaufender Aluminiumsammelkanal kann sich entlang einer Seite des Kathodenbodens erstrecken. Die Kathodenblöcke können entlang oberer Endkanten weitere Ausschnitte oder Abschrägungen aufweisen, um zumindest einen in Längsrichtung verlaufenden Aluminiumsammelkanal zu bilden. Eine Vielzahl dieser in Längsrichtung verlaufenden Aluminiumsammelkanäle kann quer zu der horizontalen oberen Fläche von zumindest einem der Kathodenblöcke verlaufen.
Jeder Kathodenblock kann sich im wesentlichen quer zu dem gesamten Kathodenboden erstrecken. Alternativ verlaufen mehrere Kathodenblöcke, die Ende an Ende angeordnet sind, im wesentlichen quer zu dem gesamten Kathodenboden.
In den gezeigten Ausführungsbeispielen sind die Kathodenblöcke mit Stahlstangen oder anderen leitfähigen Stangen für die Zufuhr von Strom versehen. Diese leitfähigen Stangen verlaufen im wesentlichen parallel zueinander und erstrecken sich quer (transversal) zu dem Kathodenboden.
Während des Betriebs ist eine Reihe von Anoden aufgehängt, die einer Schicht aus geschmolzenem Aluminium über den oberen Flächen der Kathodenblöcke zugewandt sind.
Bei Betrieb sind die oben genannten Kanäle oder Nuten mit einer Schicht aus geschmolzenem Aluminium überdeckt und vereinfachen das Sammeln/Ableiten von Aluminium, wodurch der Zellenbetrieb wesentlich verbessert und die Lebensdauer erhöht wird.
In den gezeigten Ausführungsbeispielen sind die Kathodenblöcke aus Kohlenstoff hergestellt. Die Flächen der Blöcke, durch die der Kathodenboden gebildet ist, sind vorzugsweise mit einer Schicht aus mit Aluminium benetzbarem, hitzebeständigem Material beschichtet, vorzugsweise ein partikelförmiges hitzebeständiges Hartmetall-Borid, das mit einem Schlamm aufgebracht wird, der Kolloid enthält, wie zum Beispiel in der WO 93/25731 (Sekhar et al.) offenbart.
Die Flächen der Blöcke, durch die der Kathodenzellenboden gebildet ist, können mit einer Schicht aus geschmolzenem Aluminium überdeckt sein, wodurch eine drainierte Kathodenfläche gebildet wird, wobei die Kanäle oder Nuten einen Kanal bilden, der dazu dienen, den Strom aus Aluminium quer zu der Zelle zu leiten. In dieser drainierten Konfiguration sind die Kanäle oder Nuten teilweise mit geschmolzenem Aluminium gefüllt, und die Elektrolyse erfolgt zwischen der mit Aluminium benetzten Kathode und der zugewandten Anodenfläche. Wie nachstehend erläutert, ist eine Anordnung für das Ableiten des Aluminiums von den Seiten der Zelle vorgesehen.
Außerdem kann in einer solchen drainierten Konfiguration der Abstand zwischen den Elektroden verringert werden, verbunden mit einer gleichzeitigen Verringerung der Zellenspannung und einer Erhöhung des energetischen Wirkungsgrades.
Die Nuten oder Kanäle sind so ausgestaltet und angeordnet, insbesondere was ihre Tiefe und die Form sowie den Winkel ihrer Wände betrifft, dass das in den Kanälen enthaltene geschmolzene Aluminium bezüglich einer Bewegung in Längsrichtung der Zelle eingeschränkt ist. Das Aluminium kann entlang der Nuten und Kanäle (des Kanals) in einen Sammelkanal fließen.
Ein Vorteil, der mit diesem kanalisierten Zellenboden erreicht wird, besteht darin, dass seine Lebensdauer im Vergleich zu anderen Zellen für die elektrolytische Herstellung von Aluminium verlängert wird. Ferner verbessert die kanalisierte Kathode die Gleichmäßigkeit der Stromverteilung und erhöht die Stromausbeute. Außerdem kann sich in den Nuten oder Kanäle Schlamm ansammeln, ohne dass die Stromverteilung gestört wird, und die Nuten oder Kanäle können dazu dienen, den Schlamm zu beseitigen, der sich in den Nuten oder Kanälen ansammelt, jedoch mit dem geschmolzenen Aluminium weggespült wird.
In den meisten Ausführungsbeispielen ist die Breite der Kanäle oder Nuten zumindest so groß wie deren Tiefe. Diese Kanäle oder Nuten können einen rechteckigen, trapezförmigen, V-förmigen, gekrümmten (d. h. zumindest in ihrem Bodenabschnitt konkaven) oder einen asymmetrischen Querschnitt haben, der dazu ausgestaltet ist, um das Ableiten und Sammeln von Aluminium zu ermöglichen, wenn die Zelle in einer drainierten Zellenkonfiguration betrieben wird, oder dazu ausgestaltet ist, als eine Barriere gegen die Bewegung von Aluminium zu wirken, um die turbulente Bewegung des Aluminiumbades in einer badkonfiguration zu reduzieren oder zu verhindern.
Wie vorstehend angemerkt, kann zumindest ein in Längsrichtung verlaufender Kanal vorgesehen sein, der sich entlang der Zelle erstreckt und sich mit den parallelen (quer verlaufenden) ausgesparten Quernuten kreuzt. Diese in Längsrichtung verlaufenden Kanäle mit geeigneten Abmessungen dienen dazu, das geschmolzene Aluminium in einen Aluminiumbehälter abzuleiten.
Wie vorstehend erläutert, können die ausgesparten Quernuten in zumindest einen in Längsrichtung verlaufenden Kanal führen, um das geschmolzene Aluminium zu sammeln, und sind vorzugsweise mit Einrichtungen versehen, wie zum Beispiel ein Damm, um einen konstanten Aluminiumpegel in den quer verlaufenden Kanälen oder Nuten aufrechtzuerhalten. Dieser Aluminiumsammelkanal kann sich entlang einer oder beider Seiten der Zelle erstrecken oder kann ein tiefer mittlerer Kanal sein, der in die Kathodenblöcke eingearbeitet ist.
Vorzugsweise sind die Flächen der Kohlenstoffblöcke, aus denen der Kathodenzellenboden gebildet ist, behandelt, um das Eindringen von Natrium zu verringern, wie dies zum Beispiel in der WO 94/20650 oder in der WO 94/24337 beschrieben ist, oder sie sind mit einer Schicht überdeckt, die das Eindringen von Natrium verringert, zum Beispiel mit einem hitzebeständigen Hartmetall-Borid, das durch einen Schlamm, der Kolloid enthält, aufgetragen wird, wie dies in der WO 93/25731 beschrieben ist (alle auf den Namen Sekhar et al).
Allgemein sind die Kohlenstoffkathodenblöcke gegen chemischen Angriffe und gegen mechanische Angriffe widerstandsfähig gemacht. Die Flächen der Kohlenstoffblöcke, durch die der kanalisierte Kathodenzellenboden gebildet ist, können ebenfalls mit einer Schicht beschichtet sein, die vor oder bei ihrer Benutzung härter wird als der Kohlenstoffkathodenblock und dadurch die Fläche gegen abrasiven Verschleiß durch die beschränkte Bewegung des geschmolzenen Aluminiums schützt. Ferner bleibt die gehärtete Kathodenfläche in ihren Abmessungen stabil, während eine zugewandte Kohlenstoffanode erodieren und sich der Form der Kathode angleichen kann. Diese Oberflächen-Härtewirkung kann durch das vorher angeführte, hitzbeständige Borid oder durch andere mit Aluminium benetzbare hitzebeständige Schichten aus Material erzielt werden, die eine im wesentlichen abmessungsstabile Fläche gewährleisten.
Auf diese Weise kann der Kathodenzellenboden während der Elektrolyse in seinen Abmessungen stabil bleiben, und es ist daher sowohl möglich als auch vorteilhaft, Kanäle in den Oberseiten der Kohlenstoffkathodenblöcke vorzusehen, weil diese kanalisierten Blöcke während des Zellenbetriebs in ihren Abmessungen stabil bleiben.
Die Zelle mit dem kanalisierten Zellenboden kann herkömmliche Kohlenstoffanoden verwenden, die sich auf normale Weise für die Badkonfiguration abnutzen, aber deren Form sich an den kanalisierten Kathodenboden angleicht. Es können auch speziell geformte Kohlenstoffanoden verwendet werden, die dazu ausgestaltet sind, um mit der kanalisierten Kathodenausgestaltung zusammenzuwirken und um insbesondere das Freisetzen von Gas an der Anode zu erleichtern, während das Ableiten des geschmolzenen Aluminiums an der Kathode unterstützt wird. Es können auch abmessungsstabile Anoden verwendet werden.
Ein Verfahren zum Herstellen einer elektrolytischen Zelle gemäß der Erfindung beinhaltet das Vorsehen der Kanäle in den Kathodenblöcken vor oder nach dem Zusammenbau der Blöcke, um den kanalisierten Kathodenzellenboden zu bilden. Es ist möglich, die Nuten oder die Kanäle in die Kohlenstoffkathodenblöcke einzuarbeiten, beispielsweise unter Verwendung eines Fräswerkzeugs. Für einige Formen, insbesondere mit Abschrägungen, kann es aber vorteilhaft sein, die Nuten oder Kanäle durch Extrudieren zu bilden. Falls die Blöcke Abschrägungen oder Ausschnitte entlang ihrer Kanten aufweisen, wenn die benachbarten Blöcke zusammengebracht werden, können die Abschrägungen oder Ausschnitte zwischen den zusammengebauten benachbarten Blöcken Nuten oder Kanäle bilden.
Bearbeitungsvorgänge, wie insbesondere Fräsen/Schneiden, sind einfach durchzuführen, um eine Reihe von parallelen Kanälen oder Nuten mit irgendeiner gewünschten Form in den Kathodenblöcken vorzusehen.
Wenn die Blöcke seitlich nebeneinander zusammengebaut sind, können zwischen den benachbarten Blöcken Spalte verbleiben, wobei die Spalte mit einer auf Anthrazit basierenden Paste oder mit einer anderen herkömmlichen Stampfpaste gefüllt werden. Vorzugsweise werden die Blöcke jedoch unter Verwendung eines Klebstoffs zusammengebaut, wie dies für das Verbinden von Kohlenstoffkathodenblöcken bekannt ist, bei denen kein Spalt oder nur ein sehr schmaler Spalt verbleibt, wie zum Beispiel ein auf Kunstharz basierender Klebstoff oder ein anorganischer Kleb stoff, wie in der WO 94/20651 (Sekhar) offenbart. In jedem Fall bilden die zusammengebauten Blöcke einen fortlaufenden Zellenboden in der gleichen Weise wie bei herkömmlichen Zellen, abgesehen von der Tatsache, dass die Fläche des Zellenbodens mit Kanälen versehen ist.
Vor oder nach dem Zusammenbau können die Kathodenblöcke behandelt werden, um sie gegen chemische und mechanische Angriffe widerstandsfähig zu machen. Vor dem Hochfahren der Zelle für die Herstellung von Aluminium wird der kanalisierte Zellenboden vorzugsweise behandelt, um die Fläche der Kathodenblöcke zu härten und um die Fläche für geschmolzenes Aluminium benetzbar zu machen, wodurch die Kathodenblöcke bei Benutzung abmessungsstabil bleiben und mit geschmolzenem Aluminium benetzt werden.
Die Erfindung betrifft außerdem einen Kathodenblock für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid, der für den Einbau in eine Zelle fertig ist.
In den dargestellten Ausführungsbeispielen haben die Blöcke eine untere Fläche mit einer an dieser entlang in Längsrichtung verlaufenden Nut oder einer ähnlichen Aussparung im wesentlichen parallel zu der Oberseite und zu den Seitenflächen des Blocks zur Aufnahme einer Stahlstange oder einer anderen leitfähigen Stange für die Zufuhr von Strom.
Gemäß der Erfindung hat der Kathodenblock eine flache, horizontale, mit Aluminium benetzbare obere Fläche, um eine horizontale, mit Aluminium benetzbare, drainierte Kathodenfläche des Kathodenbodens zu bilden, wobei zumindest eine Kante der oberen Fläche des Kathodenblocks mit zumindest einer Abschrägung oder zumindest einem Ausschnitt versehen ist oder ein Teil der oberen Fläche schräg verläuft, so dass dann, wenn zwei Kathodenblöcke entlang ihrer Ausschnitte oder Abschrägungen oder der schräg verlaufenden Abschnitte ihrer oberen Flächen seitlich neben einander angeordnet sind, zwischen diesen eine ausgesparte Nut gebildet wird, um das Sammeln des erzeugten Aluminiums zu erleichtern, das von der horizontalen Kathodenfläche abläuft. Diese Abschrägung oder Ausschnitt oder schräg verlaufende Abschnitt erstreckt sich entlang der oberen Fläche des Kathodenblocks.
Diese Kathodenblöcke können alle Merkmale beinhalten, die in Bezug auf den vollständigen Zellenkathodenboden beschrieben wurden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Kathodenboden für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid. Der Kathodenboden enthält eine Vielzahl der obigen Kathodenblöcke, die seitlichen nebeneinander entlang ihrer Ausschnitte und Abschrägungen angeordnet sind, so dass die oberen Kathodenflächen der seitlich nebeneinander angeordneten Blöcke eine horizontale, mit Aluminium benetzbare, drainierte Kathodenfläche bilden, und die Ausschnitte oder Abschrägungen der Kathodenblöcke eine ausgesparte Nut bzw. ausgesparte Nuten zwischen den Kathodenblöcken bilden.
Ein weiteres Aspekt der Erfindung betrifft eine Zelle für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid, mit einem Kathodenboden, wie er vorstehend beschrieben ist.
Wie vorstehend erläutert, kann die Zelle abmessungsstabile Anoden oder Kohlenstoffanoden enthalten.
Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Aluminium, das das Leiten von einem Elektrolysestrom durch einen geschmolzenen Elektrolyten, der gelöstes Aluminiumoxid enthält, zwischen einer Anode und einer horizontalen, mit Aluminium benetzbaren, drainierten Kathodenfläche von einem Kathodenboden beinhaltet, wie vorstehend erläutert, um an der Anode Gas zu erzeugen und um an der drainierten Kathodenfläche geschmolzenes Aluminium herzustellen, das in die ausgesparten Nuten der drainierten Kathodenfläche abläuft.
Beschreibung der Zeichnungen
Es wird nun Bezug auf die Zeichnungen genommen, in denen:
1 schematisch einen Teil eines Zellenbodens zeigt, der durch drei Kathodenblöcke gebildet ist, die gemäß der Erfindung mit parallel verlaufenden ausgesparten Nuten versehen sind, wobei diese schematische Ansicht ein Längsquerschnitt und eine Seitenansicht der Zelle ist;
2 schematisch drei verschiedene vergleichbare Kathodenblöcke von Kathodenböden zeigt, die mit parallelen Kanälen unterschiedlicher Ausgestaltungen versehen sind; und
3 eine Ansicht von einer Elektrolysezelle gemäß der Erfindung ist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt schematisch einen Teil von einem Zellenboden, der aus einer Anordnung von mit Kanälen versehenen Kathodenblöcken 10 gemäß der Erfindung gebildet ist, wobei drei dieser Blöcke gezeigt sind. Die Blöcke 10 sind im wesentlichen rechteckig und aus Kohlenstoff in der Form von Anthrazit oder Graphit normaler Güte hergestellt, wie er für Kathoden zur Herstellung von Aluminium verwendet wird. In ihrer unteren Fläche haben die Blöcke 10 eine Aussparung 12, in der eine Leiterstange 11 aus Stahl aufgenommen ist, die mit den Blöcken durch ein elektrisch leitfähiges Bindematerial verbunden ist, zum Beispiel Gusseisen.
Diese Leiterstangen 11 aus Stahl erstrecken sich nach außen hin zu einer negativen Sammelschiene der Zelle.
Die rechteckigen Kathodenblöcke 10 haben eine flache obere Fläche (durch die die horizontale, mit Aluminium benetzbare, drainierte Kathodenfläche gebildet ist), Seitenflächen (die miteinander verbunden werden) und eine untere Fläche, in der die Aussparung 12 in der Form einer rechteckigen Nut vorgesehen ist, deren Flächen parallel zu der oberen Fläche und zu den Seitenflächen des Blocks verlaufen. Üblicherweise verläuft die Aussparung 12 vollständig entlang der unteren Fläche des Blocks.
Gemäß der Erfindung sind die Seitenkanten 20 der oberen Flächen des Blocks abgeschrägt. Außerdem sind in der Mitte der oberen Flächen des Blocks im wesentlichen V-förmige Nuten 21 eingearbeitet. Wenn zwei Blöcke 10 zusammengebracht werden, dann bilden die benachbarten abgeschrägten Kanten 20 ebenfalls eine V-förmige Nut, die eine ähnliche Form und Größe hat sowie parallel zu den Nuten 21 verläuft.
Die benachbarten Blöcke 10 sind durch eine Stampfpaste 14 seitlich verbunden, beispielsweise eine auf Anthrazit basierende Paste, um einen durchgehenden Kohlenstoffzellenboden zu bilden. Üblicherweise erstreckt sich ein Block 10 über im wesentlichen die gesamte Breite der Zelle. Wenn dies nicht der Fall ist, dann sind mehrere Blöcke 10 Ende an Ende quer zur Zelle angeordnet, d. h. entlang der Richtung der Leiterstangen 11, und können ebenfalls durch eine Stampfpaste verbunden werden. Anstelle der Verwendung von Stampfpaste können die Blöcke vorteilhafterweise durch einen auf Kunstharz basierenden Klebstoff verbunden sein, wobei in diesem Fall der Spalt zwischen den benachbarten Blöcken sehr viel schmaler ist.
Wenn die Blöcke 10 seitlich nebeneinander verbunden sind, um einen Zellenboden zu bilden, dann verlaufen die leitfähigen Stangen 11 quer zur Zelle und stehen von beiden Seiten der Zelle vor (oder alternativ stehen Leiterstangen von gegenüberliegenden Seiten vor), um mit einer Stromversorgung verbunden zu werden.
Eine Anode 15, die in Seitenansicht zu sehen ist, ist schematisch durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Bei Betrieb sind die Nuten 20, 21 teilweise mit geschmolzenem Aluminium gefüllt, wie nachfolgend detailliert beschrieben wird.
2 zeigt drei vergleichbare kanalisierte Kohlenstoff- Blöcke 10, wobei jedoch die Nuten oder Kanäle unterschiedliche Formen haben und wobei die Blöcke unter Verwendung von Klebstoff oder Stampfpaste zu einem Zellenboden zusammengebaut werden können. Ein erster Block weist Reihen von parallel verlaufenden, im wesentlichen rechteckigen Nuten 22 auf, die etwas breiter als tief sind. Normalerweise ist die Breite der Nuten 22 mindestens so groß wie deren Tiefe. Der zweite Block hat im wesentlichen trapezförmige Nuten 23, und der dritte Block hat U-förmige Nuten 24 mit einem abgerundeten Querschnitt, wobei diese Formen nur Beispiele von vielen möglichen Formen sind.
Wie vorstehend erläutert, können entlang der Seitenkanten der oberen Flächen der Blöcke 10 Abschrägungen oder Ausschnitte vorgesehen sein, so dass dann, wenn zwei Blöcke 10 zusammengebracht werden, die benachbarten abgeschrägten Kanten ebenfalls ausgesparte Nuten 20 gemäß der Erfindung bilden, die parallel zu den Nuten 22, 23 und 24 in der oberen Fläche der Kathodenblöcke 10 verlaufen.
In allen Fällen verlaufen die Abschrägungen 20 sowie die Nuten 21, 22, 23, 24 entlang der oberen Fläche des Kathodenblocks parallel zu der Nut 12, die die Leiterstange 11 aufnimmt. Alle beschriebenen Abschrägungen 20 und Nuten 21, 22, 23, 24 können einfach in die Blöcke 10 eingearbeitet werden, beispielsweise unter Verwendung einer Fräsmaschine. Alternativ ist es möglich, Nuten oder Abschrägungen oder andere Formen von Kanälen durch andere Verfahren auszubilden, wie beispielsweise durch Extrudieren.
3 zeigt einen Teil von einer erfindungsgemäßen Zelle. Die Kathodenblöcke 10 haben abgeschrägte obere Seitenkanten 20 und können außerdem entlang ihrer oberen Endkanten abgeschrägt sein, wie durch gestrichelte Linien bei 29 gezeigt. Die abgeschrägten Seitenkanten 20 der benachbarten Blöcke bilden V- oder U-förmige ausgesparte Nuten, die an den Blöcke 10 entlang verlaufen, wobei ähnliche V- oder U-förmige ausgesparte Nuten zwischen der abgeschrägten Kante des am Ende gelegenen Blocks 10 und der benachbarten Masse der Stampfpaste 34 gebildet sind. Die ausgesparten Hauptnuten, die durch die Abschrägungen 20 gebildet sind, verlaufen parallel zu den Leiterstangen 11, d. h. quer zur Zelle, und die in Längsrichtung verlaufenden Kanäle, die durch die Abschrägungen 29 gebildet sind, erstrecken sich entlang der Zelle.
Diese ausgesparten Nuten, die durch abgeschrägten Kanten 20 gebildet sind, haben den Vorteil, dass sie die Stromverteilung in den Kohlenstoffblöcken 10 von der mittig angeordneten Stromverteilerstange in der unteren Fläche des Blocks ausgleichen. Dadurch wird es insbesondere möglich, die Höhe der Kohlenstoffblöcke 10 zu reduzieren, was zu einer Einsparung an Kohlenstoff führt, wodurch die Menge an toxischem Kohlenstoff vermindert wird, der entsorgt werden muss, wenn die Kohlenstoff-Wannenauskleidung neu aufgebaut werden muss.
In 3 sind die benachbarten Blöcke 10 so dargestellt, dass sie mit einem Klebstoff 14' miteinander verbunden sind, so dass sich zwischen ihnen im wesentlichen kein Spalt befindet. Wie gezeigt ist, kann die Fläche der Kohlenstoffkathodenblöcke 10 abmessungsstabil gemacht werden, indem eine mit Aluminium benetzbare, hitzebeständige Beschichtung 35 aus einem mit Aluminium benetzbaren hitzebeständigen Hartmetall (RHM) aufgebracht wird, das eine nur geringe oder keine Lösbarkeit in Aluminium sowie eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Angriffe durch geschmolzenes Kryolith hat. Die Beschichtung 35 überdeckt die gesamten oberen Flächen der Blöcke 10 mit den Abschrägungen 20, 29 sowie den verklebten Verbindungen 14' und erstreckt sich außerdem über die benachbarte Masse der Stampfpaste 34.
Gebräuchliches RHM für die Beschichtung 35 umfasst Boride von Titan, Zirkon, Tantal, Chrom, Nickel, Kobalt, Eisen, Niob und/oder Vanadium. Gebräuchliche Kathoden-Materialien sind kohlenstoffhaltige Materialien, wie zum Beispiel Anthrazit oder Graphit. Die Beschichtung 35 kann in Form eines partikelförmigen hitzebeständigen Hartmetall-Borids in einem Kolloid vorliegen, das durch einem Schlamm des partikelförmigen feuerfesten Hartmetall-Borids in einem kolloidalen Träger aufgebracht wird, wobei der kollodiale Träger zumindest eines von kollodialem Aluminiumoxid, Silika, Yttriumoxid, Ceroxid, Thoria, Zirkoniumoxid, Magnesiumoxid, Lithiumoxid, Monoaluminiumphosphat oder Ceracetat enthält. Es wurde herausgefunden, dass der kolloidale Träger die Eigenschaften der Beschichtung beträchtlich verbessert, die durch nicht-reaktives Sintern hergestellt werden. Die WO 93/25731 Sekhar et al.) stellt ein Verfahren zur Verfügung, um hitzebeständiges Hartmetall-Borid auf eine Kohlenstoff enthaltende Komponente von einer Zelle für die Herstellung von Aluminium aufzubringen.
Der Zweck der in Längsrichtung verlaufenden Abschrägungen 29 in den oberen Endkanten der Blöcke 10 besteht darin, einen in Längsrichtung verlaufenden Kanal senkrecht zu den parallel verlaufenden V- und U-förmigen ausgesparten Nuten zwischen den Abschrägungen 20 zu bilden, um das erzeugte Aluminium abzuleiten, um die mit Aluminium gefüllten Kanäle 40' in den V- oder U-förmigen Nuten auf einem konstanten Pegel zu halten. Solche in Längsrichtung verlaufenden Kanäle können an einem oder an beiden Enden der Blöcke gebildet sein, und, falls erforderlich, können ein oder mehrere in Längsrichtung verlaufende Zwischenkanäle durch Einarbeiten von Nuten entlang der Blöcke 10 gebildet sein, die sich mit den V- oder U-förmigen Nuten kreuzen, die durch die Abschrägungen 20 gebildet sind.
Diese in Längsrichtung verlaufenden Kanäle, die sich entlang der Zelle erstrecken, sind mit einem Behälter für geschmolzenes Aluminium verbunden, möglicherweise über einen Damm, um den Pegel der Aluminiumkanäle 40' einzustellen. Ein Betrieb ist auch mit einem sich verändernden Pegel der Aluminiumkanäle 40' oder mit einem stabilen Pegel möglich.
Mehrere Anoden 15, üblicherweise Blöcke aus vorgebranntem Kohlenstoff hängen mit Hilfe eines herkömmlichen Mechanismus (nicht gezeigt) in die Zelle, wodurch deren Höheneinstellung möglich ist. Sauerstoff-erzeugende, Nicht-Kohlenstoffanoden können anstelle der Kohlenstoffanoden 15 in die Zelle hängen, diese müssen aber nicht vertikal verstellbar sein, da sie sich nicht verbrauchen. Die Anoden 15, die in den geschmolzenen Elektrolyt 41 eintauchen, sind der kanalisierten Kathodenfläche 25 zugewandt. Der Anoden-Kathoden-Spalt ist nicht im Maßstab dargestellt. Bei Betrieb hat der auf Kryolith basierende Elektrolyt 41 üblicherweise eine Temperatur von etwa 950°C, aber die Erfindung betrifft auch jene Komponenten, die in Zellen verwendet werden, bei denen die Elektrolyse bei unter 900°C und unter 700°C stattfindet.

Claims

Kathodenboden von einer Zelle für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid, mit einer horizontalen, mit Aluminium benetzbaren, drainierten Kathodenfläche, die eine Reihe von parallel beabstandeten, ausgesparten Nuten aufweist, die quer zu dem Kathodenboden verlaufen, um so das Sammeln des hergestellten Aluminiums zu erleichtern, das von der horizontalen Kathodenfläche abläuft, wobei der Kathodenboden eine Reihe von Kathodenblöcken aufweist, die entlang des Kathodenbodens seitlich nebeneinander angeordnet sind, wobei sich jeder Block in Längsrichtung quer zu dem Kathodenbodens erstreckt, wobei die Kathodenblöcke flache obere Flächen, durch die die horizontale, mit Aluminium benetzbare, drainierte Kathodenfläche gebildet ist, sowie Ausschnitte oder Abschrägungen entlang gegenüberliegender oberer Seitenkanten haben, die sich quer zum Kathodenboden erstrecken, so dass zwei Kathodenblöcke, die seitlich nebeneinander angeordnet sind, entlang ihrer Ausschnitte oder Abschrägungen zwischen sich eine der ausgesparten Nuten quer zum Kathodenboden bilden.
Kathodenboden nach Anspruch 1, bei dem die ausgesparten Nuten einen im wesentlichen U-förmigen oder V-förmigen Querschnitt haben.
Kathodenboden nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Kathodenblöcke zumindest eine weitere ausgesparte Nut zwischen und parallel zu den ausgesparten Nuten quer zum Kathodenboden aufweisen.
Kathodenboden nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die ausgesparten Nuten in zumindest einem Aluminiumsammelkanal führen, der in Längsrichtung entlang des Kathodenbodens ausgebildet ist, um geschmolzenes Aluminium abzuleiten.
Kathodenboden nach Anspruch 4, bei dem der oder zumindest ein in Längsrichtung verlaufender Aluminiumsammelkanal ein mittlerer tiefer Kanal ist.
Kathodenboden nach Anspruch 4 oder 5, bei dem sich der oder zumindest ein in Längsrichtung verlaufender Aluminiumsammelkanal entlang einer Seite des Kathodenbodens erstreckt.
Kathodenboden nach Anspruch 4, 5 oder 6, bei dem die Kathodenblöcke weitere Ausschnitte oder Abschrägungen entlang oberer Endkanten haben, um den oder zumindest einen in Längsrichtung verlaufenden Aluminiumsammelkanal zu bilden.
Kathodenboden nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem eine Vielzahl der in Längsrichtung verlaufenden Aluminiumsammelkanäle quer zu der horizontalen oberen Fläche von zumindest einem der Kathodenblöcke verläuft.
Kathodenboden nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich jeder Kathodenblock im wesentlichen über den gesamten Kathodenboden erstreckt.
Kathodenboden nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem mehrere Kathodenblöcke, die Ende an Ende angeordnet sind, im wesentlichen quer zum gesamten Kathodenboden verlaufen.
Kathodenboden nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kathodenblöcke aus Kohlenstoff hergestellt sind.
Kathodenboden nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kathodenblöcke eine mit Aluminium benetzbare Beschichtung aufweisen, durch die die horizontale, mit Aluminium benetzbare, drainierte Kathodenfläche gebildet ist.
Kathodenboden nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kathodenblöcke außerdem mit Stahlstangen oder anderen leitfähigen Stangen versehen sind, um Strom zuzuführen, die sich im wesentlichen parallel zueinander quer zum Kathodenboden erstrecken.
Kathodenblock für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid, der eine flache, mit Aluminium benetzbare obere Kathodenfläche, um eine horizontale, mit Aluminium benetzbare, drainierte Kathodenfläche von einem Kathodenboden zu bilden, und Ausschnitte oder Abschrägungen entlang gegenüberliegender oberer Seitenkanten aufweist, so dass zwei Kathodenblöcke, die in einem Kathodenboden seitlich nebeneinander angeordnet sind, entlang ihrer Ausschnitte oder Abschrägungen zwischen sich eine ausgesparte Nut bilden, um das Sammeln des erzeugtes Aluminiums zu erleichtern, das von der horizontalen Kathodenfläche abläuft.
Kathodenblock für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid, mit einer Vielzahl von Kathodenblöcken nach Anspruch 14, die entlang ihrer Ausschnitte oder Abschrägungen seitlich nebeneinander angeordnet sind, so dass die oberen Kathodenflächen der seitlich nebeneinander angeordneten Blöcke eine horizontale, mit Aluminium benetzbare, drainierte Kathodenfläche bilden und die Ausschnitte oder Abschrägungen der Kathodenblöcke eine ausgesparte Nut bzw. ausgesparte Nuten zwischen den Kathodenblöcken bilden.
Zelle für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid, mit einer Kathodenboden nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und 15.
Zelle nach Anspruch 16, die abmessungstabile Anoden aufweist.
Zelle nach Anspruch 16, die Kohlenstoffanoden aufweist.
Verfahren zum Herstellen von Aluminium, mit dem Leiten von einem Elektrolysestrom durch einen geschmolzenen Elektrolyten, der gelöstes Aluminiumoxid enthält, zwischen einer Anode und einer horizontalen, mit Aluminium benetzbaren, drainierten Kathodenfläche von einem Kathodenboden nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und 15, um an der Anode Gas zu erzeugen und um an der drainierten Kathodenfläche geschmolzenes Aluminium herzustellen, das in die ausgesparten Nuten der drainierten Kathodenfläche abläuft.