EP2440688A1

EP2440688A1 - Kathodenboden, verfahren zur herstellung eines kathodenbodens und verwendung desselben in einer elektrolysezelle zur herstellung von aluminium

Info

Publication number: EP2440688A1
Application number: EP10721169A
Authority: EP
Inventors: Oswin ÖTTINGER; Frank Hiltmann
Original assignee: SGL Carbon SE
Current assignee: Tokai Cobex GmbH
Priority date: 2009-06-09
Filing date: 2010-06-01
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2030-06-01
Also published as: RU2011138837A; WO2010142580A1; PL2440688T3; US20120085639A1; AU2010257604A1; CA2757336C; CN102449202B; EP2440688B8; BRPI1011421A2; DE102009024881A1; JP5832996B2; UA109767C2; RU2567777C2; CN102449202A; CA2757336A1; JP2012529567A; EP2440688B1; BRPI1011421B1; AU2010257604B2; ZA201106928B

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kathodenboden (1) für eine Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium, umfassend ein Material (3), das an mindestens einen Kathodenblock (7) anordenbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (3) eine vorverdichtete Platte basierend auf expandiertem Graphit umfasst. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Kathodenbodens (1), umfassend die folgenden Verfahrensschritte Bereitstellen von mindestens einem Kathodenblock (7), Anordnen eines Materials (3) an mindestens einer Oberfläche von dem mindestens einen Kathodenblock (7), wobei das Material (3) mindestens eine vorverdichtete Platte basierend auf expandiertem Graphit umfasst. Der Kathodenboden (1) wird in einer Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium verwendet.

Description

Kathodenboden, Verfahren zur Herstellung eines Kathodenbodens und Verwendung desselben in einer Elektrolysezelle zur Herstellung von AIu- minium

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kathodenboden, ein Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung in einer Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium.

Aluminium wird im Allgemeinen durch Schmelzflusselektrolyse in so genannten Elektrolysezellen hergestellt. Eine Elektrolysezelle umfasst im Allgemeinen eine Wanne aus Eisenblech oder Stahl, deren Boden mit einer Wärmeisolierung ausgekleidet ist. In dieser Wanne bilden bis zu 24 Katho- denblöcke aus Kohlenstoff oder Graphit, die mit dem negativen Pol einer Stromquelle verbunden sind, den Boden einer weiteren Wanne, deren Wand aus Seitensteinen aus Kohlenstoff, Graphit oder Siliciumcarbid besteht. Zwischen zwei Kathodenblöcken ist jeweils eine Fuge ausgebildet. Die Anordnung von Kathodenblock und ggf. gefüllter Fuge wird im Allgemeinen als Kathodenboden bezeichnet. Die Fugen zwischen den Kathodenblöcken werden konventionell durch Stampfmasse aus Kohlenstoff und/oder Graphit mit Teer gefüllt. Dies dient zur Abdichtung gegen schmelzflüssige Bestandteile und Kompensation mechanischer Spannungen während der Inbetriebnahme. Die Kathodenblöcke und die Stampfmasse dienen als Kathodenboden. Als Anode dienen kurze Kohlenblöcke, die an einem mit dem positiven Pol der Stromquelle verbundenen Traggerüst hängen.

In eine derartige Elektrolysezelle wird eine geschmolzene Mischung aus Aluminiumoxid (AI₂O₃) und Kryolith (Na₃AIF₆), bevorzugt etwa 15-20% Aluminiumoxid und etwa 85-80% Kryolith, einer Schmelzelektrolyse bei einer Temperatur von etwa 960⁰C unterzogen. Dabei reagiert das gelöste Aluminiunnoxid mit der festen Kohlenblock-Anode und bildet flüssiges Aluminium und gasförmiges Kohlendioxid. Das Schmelzgemisch überzieht die Seitenwände der Elektrolysezelle mit einer schützenden Kruste, während sich Aluminium aufgrund seiner größeren Dichte im Vergleich zu der Dichte der Schmelze am Boden der Elektrolysezelle unter der Schmelze ansammelt, um vor einer Rückoxidation durch Luftsauerstoff geschützt zu sein. Das so hergestellte Aluminium wird aus der Elektrolysezelle entnommen und weiterverarbeitet.

Bei der Elektrolyse wird die Anode verbraucht, während sich der Kathodenboden während der Elektrolyse chemisch inert verhält. Die Anode stellt daher ein Verschleißteil dar, das im Laufe der Betriebszeit ausgewechselt wird, während der Kathodenboden für einen langfristigen und dauerhaften Einsatz ausgelegt ist. Dennoch unterliegen gegenwärtige Kathodenböden einem Verschleiß. Durch die sich über den Kathodenboden bewegende Aluminiumschicht erfolgt ein mechanischer Abrieb der Kathodenoberfläche. Weiterhin erfolgt durch Aluminiumcarbid-Bildung und Natriumeinlagerung eine (elektro-)chemische Korrosion des Kathodenbodens. Auch eine Partikelanhaftung an die Kathodenoberfläche führt zu ihrer Strukturschwächung. Da im Allgemeinen 100 bis 300 Elektrolysezellen in Reihe geschaltet werden, um eine wirtschaftliche Anlage zur Herstellung von Aluminium darzustellen, und eine derartige Anlage im Allgemeinen mindestens 4 bis 10 Jahre eingesetzt werden soll, kann der Ausfall und Ersatz eines Kathodenblocks in einer Elektrolysezelle in einer derartigen Anlage teuer sein und aufwendige Reparaturen erfordern, die die Wirtschaftlichkeit der Anlage stark herabsetzen.

Ein Nachteil der vorstehend dargestellten Elektrolysezelle, die Stampfmasse aus Kohlenstoff und/oder Graphit mit Teer aufweist, ist, dass aus tech- nischen Gründen wie beispielsweise die mechanische Stabilität oder die Stampfprozedur dünne Schichten der grobkörnigen Stampfmasse nicht zu realisieren sind, sodass Fugen vorhanden sind, welche einerseits die Kathodenoberfläche verkleinern und in die sich andererseits Aluminium und Partikel einlagern können, die den Verschleiß des Kathodenbodens erhöhen.

Die meist verwendeten Anthrazit-Stampfmassen sind elektrisch und thermisch weniger leitfähig als insbesondere graphitierte Kathodenblöcke. So geht effektive Kathodenfläche verloren und durch den größeren Gesamtwiderstand resultiert ein höherer Energieverbrauch, was die Wirtschaftlichkeit des Prozesses erniedrigt. Zudem erhöht sich der Kathodenbodenverschleiß durch die höhere spezifische Belastung.

Eine Alternative ist das Verkleben der Blöcke zu einem monolithischen Kathodenboden, was aber aufgrund dessen thermisch-mechanischer Bean- spruchung problematisch ist und so kaum Anwendung findet.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, ein Mittel bereit zu stellen, das die Kathodenfläche erhöht und zur Bildung eines Kathodenbodens mit großer Kathodenfläche geeignet ist. Weiterhin liegt der vorlie- genden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein einfaches Verfahren zur Herstellung eines Kathodenbodens mit einer hohen Kathodenfläche bereit zu stellen.

Diese Aufgabe wird durch einen Kathodenboden mit den Merkmalen von An- spruch 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 8 gelöst.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Kathodenboden ein Material um- fasst, das an mindestens einen Kathodenblock anordnbar ist und das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Material eine vorverdichtete Platte basierend auf expandiertem Graphit umfasst. Nachfolgend wird die vorverdichtete Platte basierend auf expandiertem Graphit auch als vorverdichtete Graphitplatte be- - A - zeichnet. Diese beiden Begriffe sind im Sinne der vorliegenden Erfindung austauschbar und bezeichnen eine vorverdichtete Platte aus expandiertem Graphit, die weiterhin weitere Additive umfassen kann. Das Mittel zum Erhöhen der Kathodenfläche stellt daher das Material dar, das eine vorverdichtete Graphit- platte umfasst. Das Material ist an dem Kathodenblock kraftschlüssig verbindbar. Die erfindungsgemäß verwendete vorverdichtete Graphitplatte kann in den Bereichen einer Elektrolysezelle eingesetzt werden, wo herkömmlich Stampfmasse eingesetzt wird, d.h. insbesondere in Fugen, die zwischen Kathodenblöcken ausgebildet sind, aber auch in Zwischenräu- men, die sich zwischen Seitenwänden der Elektrolysezelle und Kathodenblöcken befinden. Die vorverdichtete Graphitplatte wird insbesondere als Abdichtmittel zwischen Kathodenblöcken eines Kathodenbodens verwendet.

Ein Kathodenboden, der eine vorverdichtete Graphitplatte aufweist, weist durch Ermöglichung einer Aneinanderreihung einer Vielzahl von Kathodenblöcken, deren erzeugbaren Größenabmessungen durch die wirtschaftlich und technisch mögliche Herstellbarkeit Grenzen gesetzt sind, mittels kraftschlüssiger Verbindung, eine hohe effektive Kathodenfläche auf.

Ein vorteilhafter Effekt ist die physiologische Unbedenklichkeit der vorverdichteten Graphitplatte im Vergleich zur herkömmlichen teerpechhaltigen Kohlenstoffmasse, welche polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe enthält, die gesundheitsbedenklich sind. Zudem weist die vorverdichtete Graphitplatte im Hinblick auf die herkömmliche teerpechhaltige Kohlenstoffmasse eine höhere elektrische und thermische Leitfähigkeit auf und erhöht auch damit die Kathodenfläche.

Expandierter Graphit weist folgende vorteilhafte Eigenschaften auf: Er ist gesundheitlich unbedenklich, umweltverträglich, weich, kompressibel, leicht, alterungsbeständig, chemisch und thermisch beständig, technisch gas- und flüssigkeitsdicht, nicht brennbar und leicht bearbeitbar. Zudem bildet er mit flüssigem Aluminium keine Legierung. Er eignet sich daher als Material für einen Kathodenboden für eine Elektrolysezelle zur Herstellung von Alumi- nium.

Expandierter Graphit ist durch chemische und thermische Behandlung von Graphit wie beispielsweise Naturgraphit erhältlich. Im Herstellungsverfahren kann der Graphit eine Volumengröße um den Faktor 200 bis 400 erfahren, wobei die thermische und elektrische Leitfähigkeit erhalten bleibt.

Beispielsweise wird Graphit mit einer Einlagerungslösung wie beispielsweise Schwefelsäure behandelt, um eine Graphiteinlagerungsverbindung (ein Graphitsalz) zu bilden. Anschließend wird eine thermische Zersetzung bei etwa 1000⁰C durchgeführt, wobei dem expandiertem Graphit die eingelagerten Agenzien entfernt werden. Der so erhaltene expandierte Graphit kann beispielsweise durch Compoundieren, Pressen, Imprägnieren, Laminieren und Kalandrieren weiter verarbeitet werden. Beispielsweise kann der expandierte Graphit zu Graphitfolien oder -platten weiterhin verdichtet werden. In der vor- liegenden Erfindung wird bevorzugt eine vorverdichtete Platte basierend auf expandiertem Graphit verwendet, die wie vorstehend erwähnt hergestellt ist. Die vorverdichtete Graphitplatte kann aber auch weiterhin mit Harzen imprägniert sein. Expandierte Graphite sind beispielsweise von der Firma SGL Carbon SE kommerziell erhältlich.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst eine vorverdichtete Platte basierend auf expandiertem Graphit einen expandierten Graphit, der verdichtet worden ist, aber weiterhin verdichtbar ist. D. h., als vorverdichtete Graphitplatte wird ein expandierter Graphit in Form einer Platte bezeichnet, der teil- komprimiert ist und daher sowohl gepresst ist als auch pressbar ist. Bevorzugt ist die vorverdichtete Graphitplatte als mindestens eine Platte ausgebildet. Im Sinne der vorliegenden Erfindung weist die vorverdichtete Platte, die mehr als eine Platte umfasst, übereinander gestapelte Platten auf. Die übereinander gestapelten Platten können mittels eines Klebstoffs wie bei- spielsweise ein Phenolharz verklebt sein.

Bevorzugt besteht das an den Kathodenblock anordnbare Material aus einer vorverdichteten Graphitplatte basierend auf expandiertem Graphit. Zusätzlich können anorganische oder organische Additive zum Beispiel Titandiborid und Zirkondiborid eingebracht werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die vorverdichtete Graphitplatte als eine Folie ausgebildet. Folien sind dünn, flexibel und lassen sich leicht an die Form ihrer Umgebung anpassen. Beispielsweise kann die Folie leicht an die Abmessungen einer Fuge zwischen Kathodenblöcken und an die Oberflächenbeschaffenheit von Kathodenblöcken angepasst werden. Weiterhin weist eine Folie eine blattförmige Struktur auf. Daher hat eine Folie weiterhin den Vorteil stapelbar zu sein, ohne Hohlräume zu bilden.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Kathodenboden mindestens einen Kathodenblock, der in einem vorbestimmten Abstand zu einem weiteren Kathodenblock derart angeordnet ist, dass mindestens eine Fuge zwischen ihnen ausgebildet ist. Das die vorverdichtete Platte basierend auf expandiertem Graphit umfassende Material füllt die Fuge und verbindet die Kathodenblöcke kraftschlüssig. Durch Verwendung einer vorverdichteten Graphitplatte statt herkömmlich verwendeter Kohlenstoff-Stampfmasse kann die Breite der Fuge zwischen Kathodenblöcken reduziert werden und so die wirksame Kathodenfläche vergrößert werden. Das Material dient als ein Füllstoff zwischen den beiden Kathodenblöcken, der nicht nur in der Lage ist, die Fuge zwi- sehen den beiden Kathodenblöcken abzudichten, sondern zudem aufgrund seines kompressiblen Charakters in der Lage ist, Ausdehnungen der Kathoden- blöcken zu kompensieren, die während einer Elektrolyse auftreten. Das Material und die Kathodenblöcke sind kraftschlüssig verbunden und schließen bevorzugt bündig ab. Das Material und Kathodenblock können miteinander verklebt sein, beispielsweise mittels eines Phenolharzes.

Die Kathodenblöcke weisen bevorzugt eine größere Längen- als Breitenabmessung auf, während die Breiten- und Höhenabmessungen ungefähr gleich sind. Im Allgemeinen sind Kathodenblöcke bis zu 3800 mm lang, 700 mm breit und 500 mm hoch. Bevorzugt sind die mindestens zwei Kathodenblöcke derart an- geordnet, dass ihre Längenabmessungen parallel sind. Der vorbestimmte Abstand zwischen zwei Kathodenblöcken beträgt ungefähr 1/10 bis 1/100 der Breitenabmessung des Kathodenblocks. Eine Reduzierung des Abstands zwischen Kathodenblöcken ist durch Verwendung des Materials gemäß der vorliegenden Erfindung möglich. So muss beispielsweise bei dem Ein- satz von 650 mm breiten Kathodenblöcken der Abstand zwischen Kathodenblöcken unter Verwendung herkömmlicher Stampfmassen als Füllmasse zwischen ihnen mindestens 40 mm betragen, während er durch Verwendung der vorverdichteten Graphitplatte auf bis zu 10 mm reduziert werden kann. In der AP30-Technologie erhöht sich beispielsweise mit 650 mm breiten Kathodenblöcken und 40 mm breiten Fugen bei einer Reduzierung auf 10 mm die effektive Kathodenblockoberfläche um ca. 5 %.

Bevorzugt umfasst der mindestens eine Kathodenblock mindestens ein Mittel zur Verbindung mit einer Stromquelle. Beispielsweise weist der Kathodenblock mindestens eine Aussparung zur Aufnahme einer Stromschiene auf, welche mit einer Stromquelle verbindbar ist. Wenn mindestens zwei Kathodenblöcke ausgerichtet sind, sodass ihre Längenabmessungen parallel sind, ist die Aussparung bevorzugt in die Längsrichtung des Kathodenblocks ausgerichtet, d.h. die Aussparung verläuft parallel zu der zwischen zwei Kathodenblöcken ausgebil- deten Fuge. Selbstverständlich kann der Kathodenboden weiterhin ein Ver- bundelement zwischen Kathodenblock und Stromschiene wie beispielsweise eine Kontaktmasse und dergleichen aufweisen.

Der mindestens eine Kathodenblock ist derart ausgestaltet, dass er elektrisch und thermisch leitfähig ist, gegen hohe Temperaturen resistent ist, gegenüber Badkomponenten der Elektrolyse chemisch stabil ist und keine Legierung mit Aluminium bilden kann. Der Kathodenblock ist bevorzugt aus Graphit, halb- graphitischem, graphitiertem, halb-graphitiertem und/oder amorphem Kohlenstoff gebildet. Besonders bevorzugt umfasst der Kathodenblock Graphit oder graphitierten Kohlenstoff, weil sie den Ansprüchen an die thermische und elektrische Leitfähigkeit und die chemische Beständigkeit zur Bildung eines Kathodenbodens in einer Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium am meisten genügen.

Der Kathodenboden umfasst in der vorstehenden bevorzugten Ausführungsform mit den mindestens zwei Kathodenblöcken mit den Kathodenblöcken Bereiche, die eine hohe Leitfähigkeit aufweisen, und mit dem Material, das die vorverdichtete Platte basierend auf expandiertem Graphit umfasst, Bereiche, die in der Regel eine geringere Leitfähigkeit aufweisen als die Katho- denblöcke, aber in der Lage sind, die zwischen den Kathodenblöcken ausgebildeten Fugen derart abzudichten, dass keine Badkomponenten bei einer Elektrolyse in Bereiche des Kathodenbodens eindringen können. Die beiden Komponenten, d.h. Kathodenblöcke und vorverdichtete Graphitplatte, erfüllen daher verschiedene Funktionen des Kathodenbodens. Durch seine multifunk- tionale Bauweise ist dieser Kathodenboden daher für den großtechnischen Einsatz dimensionierbar. Durch die Anordnung einer Vielzahl von Kathodenblöcken wird eine große leitfähige Kathodenfläche erhalten und durch die effektive Abdichtung der Fugen zwischen den Kathodenblöcken mit der vorverdichteten Graphitplatte werden ein Verschleiß und eine Abnutzung der Katho- denflächen zwischen den Kathodenblöcken verhindert. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Oberfläche des mindestens einen Kathodenblocks, die einer Oberfläche eines weiteren Kathodenblocks gegenüber liegt, strukturiert. Eine strukturierte Oberfläche kann beispielsweise durch Aufrauen der Oberfläche erzeugt werden. Alternativ weist eine Oberfläche des mindestens einen Kathodenblocks, die einer Oberfläche eines weiteren Kathodenblocks gegenüber liegt, mindestens eine Rille auf, die beispielsweise zickzackförmig verlaufen kann. Die Rillierung bzw. Strukturierung der Oberfläche des Kathodenblocks verbessert die Einpassung der vorverdichteten Graphitplatte in die Fuge. Die vorverdichtete Graphitplatte wird an der strukturierten bzw. rillierten Oberfläche angeordnet und ggf. mit ihr verklebt und füllt dabei die rillierte bzw. strukturierte Oberfläche des Kathodenblocks. Durch das Füllen der rillierten bzw. strukturierten Oberfläche mit der vorverdichteten Graphitplatte fügt sich diese in die Oberfläche des Kathodenblocks formschlüssig ein. Die Verbindung zwischen vorverdichteter Graphitplatte und Kathodenblock ist in dieser Ausführungsform sowohl kraft- als auch formschlüssig. Die Anzahl und die Abmessungen der Rillen in der Oberfläche des Kathodenblocks hängen von den Abmessungen des Kathodenblocks ab. Ebenso hängt der Grad der Aufrauung der Oberfläche des Kathodenblocks von seinen Abmessungen ab.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Material an zwei sich gegenüber liegenden Oberflächen eines Kathodenblocks, die an die Fuge bildende Oberfläche angrenzen, und an die und in der Fuge angeordnet, sodass das Material bündig ist. Dass das Material bündig ist, bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung, dass das Material an den Kathodenblöcken derart angeordnet ist, dass der Kathodenboden jeweils einheitliche Abmessungen entlang seiner Länge, Höhe und Breite aufweist. Bei einem Kathodenboden in einer Elektrolysezelle befindet sich zwischen den Seitenwänden der Elektrolysezelle und Kathodenblöcken ein Zwischenraum. Das Material ist in diesem Fall derart angeordnet, dass es die Fugen zwischen den Kathodenblöcken sowie die Bereiche zwischen Kathodenblöcken und Seitenwänden und die Bereiche zwischen den mit dem Material gefüllten Fugen und den Seitenwänden füllt. Der Kathodenboden bildet somit den gesamten Boden der Elektrolysezelle, d.h. er erstreckt sich bis zu allen Seitenwänden der Elektrolysezelle, wobei er Bereiche mit hoher thermischer und elektrischer Leitfähigkeit in Form von Kathoden- blocken und Bereiche mit geringerer thermischer und elektrischer Leitfähigkeit in Form von dem Material aus expandiertem Graphit aufweist. In dieser Ausführungsform sind bevorzugt alle Oberflächen eines Kathodenblocks strukturiert und/oder rilliert, die mit dem die vorverdichtete Platte basierend auf expandiertem Graphit umfassenden Material in Kontakt stehen, sodass das Material mit diesen Oberflächen nicht nur kraft- sondern auch formschlüssig verbunden ist.

Ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kathodenbodens um- fasst die folgenden Verfahrensschritte

• Bereitstellen von mindestens einem Kathodenblock, und • Anordnen eines Materials an mindestens einer Oberfläche des mindestens einen Kathodenblocks, wobei das Material mindestens eine vorverdichtete Platte basierend auf expandiertem Graphit umfasst.

Durch Herstellung eines Kathodenbodens, der eine vorverdichtete Platte basierend auf expandiertem Graphit aufweist, wird durch Ermöglichung einer Aneinanderreihung einer Vielzahl von Kathodenblöcken eine hohe effektive Kathodenfläche erzielt. Die Herstellung des Kathodenblocks erfolgt derart, dass das Material durch seine Anordnung an den mindestens einen Kathodenblock mit diesem kraftschlüssig verbunden ist, wenn notwendig, wird zusätzlich ein Klebstoff eingesetzt.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren weiterhin den folgenden Verfahrensschritt

• Anordnen von mindestens einem weiteren Kathodenblock in einem vorbestimmten Abstand zu dem mindestens einen Kathodenblock derart, dass das Material eine Fuge füllt, die durch das Anordnen des weiteren Kathodenblocks in dem vorbestimmten Anstand zu dem mindestens einen Kathodenblock ausgebildet wird.

Durch das Anordnen des weiteren Kathodenblocks an dem Kathodenblock wird eine kraftschlüssige Verbindung zwischen den Kathodenblöcken mittels der vor- verdichteten Graphitplatte erzielt. Das Anordnen des weiteren Kathodenblocks wird durch hydraulisches oder mechanisches Andrücken ggf. unter Einsatz von Klebstoff realisiert. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, die Breite der Fuge zwischen Kathodenblöcken im Vergleich zu herkömmlichen Fugenbreiten zu reduzieren und damit die wirksame Kathodenfläche zu erhöhen. Die die Fuge füllende vorverdichtete Graphitplatte ist kompressibel, aber teilreversibel, sodass sie Ausdehnungen der Kathodenblöcke kompensieren kann. An dieser Stelle sei noch einmal bemerkt, dass im Sinne der vorliegenden Erfindung unter einer vorverdichteten Graphitplatte ein teilkomprimierter expandierter Graphit verstanden wird, der gepresst ist und weiterhin pressbar ist. Nach dem Anordnen des weiteren Kathodenblocks wird eine vorverdichtete Graphitplatte in der Fuge erhalten, die ein wenig elastisches Material darstellt, das die Fuge ohne Bildung von Hohlräumen abdichtet. Der Schritt des Anord- nens von mindestens einem weiteren Kathodenblock kann vor oder nach dem Anordnen des Materials an dem mindestens einen Kathodenblock durchgeführt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Verfahrensschritt Anordnen des Materials an mindestens einer Oberfläche des mindestens einen Kathodenblocks eine Befestigung an der Oberfläche mindestens einen Kathodenblock mittels eines Klebstoffs. Als Klebstoff kann beispielsweise ein Phenolharz verwendet werden.

Die Kathodenblöcke können vor oder nach ihrer Bereitstellung mit Mitteln versehen werden, die ihren Anschluss an eine Stromquelle erlauben. Beispiels- weise kann ein Kathodenblock vor oder nach seiner Bereitstellung mit mindestens einer Aussparung versehen werden, in die mindestens eine Stromschiene eingeführt wird, der mit einer Stromquelle verbindbar ist. Weiterhin kann ein derart behandelter Kathodenblock vor oder nach seiner Bereitstellung mit weiteren Mitteln versehen werden, beispielsweise kann zwischen Kathodenblock und Stromschiene eine Kontaktmasse angeordnet werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte vorverdichtete Platte basierend auf expandiertem Graphit als eine Folie ausgebildet. Der Einsatz als Folie ist vorteilhaft, weil sich die Folie leicht an die Form der Fuge bzw. an die Oberflächenbeschaffenheit eines Kathodenblocks anpassen kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren den folgenden Verfahrensschritt

• Anpassen der Folie an die Abmessungen des mindestens einen Kathoden- blocks.

Mittels des Anpassens der Folie an die Abmessungen des Kathodenblocks kann die Folie optimal an dem Kathodenblock angeordnet werden, ohne dass Ränder, Wülste oder sonstige Unebenheiten entstehen, die an Bereiche des Kathodenblocks angrenzen oder sie bedecken bzw. ohne dass eine ungleich- mäßige Füllung einer zwischen Kathodenblöcken ausgebildeten Fuge entsteht, die zu Hohlräumen innerhalb des Kathodenbodens führt. Das Anpassen der Folie wird beispielsweise mittels Zuschneiden der Folie entsprechend den Abmessungen des Kathodenblocks realisiert.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren weiterhin vor oder nach der Bereitstellung des mindestens einen Kathodenblocks den folgenden Verfahrensschritt

• Strukturieren mindestens einer Oberfläche des mindestens Kathodenblocks. Die Strukturierung kann durch eine Aufrauung der Oberfläche oder durch Rillie- rung der Oberfläche realisiert werden. Vorteilhaft wird mindestens eine Oberfläche eines Kathodenblocks strukturiert, die einer Oberfläche von mindestens einem weiteren Kathodenblock gegenüber liegt. Eine Rillierung kann beispielsweise mittels Schneidwerkzeugen realisiert werden, während eine Aufrauung durch ein Abriebwerkzeug erzeugt werden kann.

Der erfindungsgemäße Kathodenboden wird in einer Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium verwendet. Die Elektrolysezelle umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform eine Wanne, die in der Regel Eisenblech oder Stahl umfasst und eine runde oder viereckige, bevorzugt rechteckige, Form aufweist. Die Seitenwände der Wanne können mit Kohlenstoff, Carbid oder Siliciumcarbid ausgekleidet sein. Bevorzugt ist zumindest der Boden der Wanne mit einer Wärmeisolierung ausgekleidet. Auf dem Boden der Wanne bzw. auf der Wärmeisolierung ist der Kathodenboden angeordnet. Mindestens zwei, bevorzugt 10 bis 24, Kathodenblöcke sind parallel zueinander in Bezug auf ihre Längenabmessung in einem vorbestimmten Abstand angeordnet, sodass zwischen ihnen jeweils eine Fuge ausgebildet ist, die jeweils mit mindestens einer vorverdichteten Platte basierend auf expandiertem Graphit gefüllt ist. Die Zwischenräume zwischen Seitenwänden und gefüllter Fuge und zwischen Seitenwänden und Kathodenblöcken sind wahlweise mit Material, das eine vorverdichtete Platte basierend auf expandiertem Graphit umfasst, oder mit herkömmlicher Anthrazit-Stampfmasse gefüllt. Die Kathodenblöcke sind mit dem negativen Pol einer Stromquelle verbunden. Mindestens eine Anode wie beispielsweise eine Söderberg-Elektrode hängt an einem mit dem positiven Pol der Stromquelle verbundenen Traggerüst und ragt in die Wanne hinein, ohne den Kathodenboden oder die Seitenwände der Wanne zu berühren. Bevorzugt ist der Abstand der Anode zu den Wänden größer als zu dem Kathodenboden bzw. der sich bildenden Aluminiumschicht.

Zur Herstellung des Aluminiums wird eine Lösung von Aluminiumoxid in geschmolzenen Kryolith bei einer Temperatur von etwa 960⁰C einer Schmelz- flusselektrolyse unterzogen, wobei sich die Seitenwände der Wanne mit einer festen Kruste des Schmelzgennisches überziehen, während sich das Aluminium, weil es schwerer als die Schmelze ist, unter der Schmelze ansammelt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren erläutert, ohne diese auf sie einzuschränken.

Es zeigt:

Figur 1 eine schematische Querschnittsansicht eines erfindungs- gemäßen Kathodenbodens;

Figur 2 eine schematische Querschnittsansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Kathodenbodens;

Figur 3 eine schematische Querschnittsansicht eines Teils einer

Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium, die einen erfindungsgemäßen Kathodenboden aufweist;

Figur 4 eine schematische Querschnittsansicht eines Teils einer weiteren Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium, die einen erfindungsgemäßen Kathodenboden aufweist;

Figuren 5a bis 5c eine schematische Darstellung eines Verfahrensablaufes zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kathodenbodens; und

Figuren 6a bis 6c eine schematische Darstellung eines weiteren Verfahrensablaufes zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kathodenbodens.

Figur 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Kathodenbodens 1. Der Kathodenboden 1 weist Material 3 aus einer vorverdichteten Graphitplatte auf, das eine Fuge 5 füllt, die zwischen zwei Kathodenblöcken 7 ausgebildet ist. Die Kathodenblöcke 7 weisen eine zur Verwendung in einer Schmelzflusselektrolyse hinreichende elektrische und thermische Leitfähigkeit auf und sind beispielsweise aus graphitiertem Kohlenstoff gefertigt. Die Kathodenblöcke 7 weisen jeweils eine Aussparung 9 zur Aufnahme einer Stromschiene (nicht gezeigt) auf, die ihren Anschluss an eine Stromquelle ermöglichen. Das Material 3 und die Kathodenblöcke 7 schließen bündig ab.

Figur 2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Kathodenbodens 21. Der Kathodenboden weist Material 23 aus einer vorverdichteten Graphitplatte auf, das eine Fuge 25 füllt, die zwischen zwei Kathodenblöcken 27 ausgebildet ist. Das Material 23 und die Kathodenblöcke 27 schließen bündig ab. Die Kathodenblöcke 27 weisen eine zur Verwendung in einer Schmelzflusselektrolyse hinreichende elektrische und thermische Leitfähigkeit auf und sind beispielsweise aus graphitiertem Kohlenstoff gefertigt. Die Kathodenblöcke 27 weisen jeweils eine Aussparung 29 zur Aufnahme einer Stromschiene (nicht gezeigt) auf, die ihren Anschluss an eine Stromquelle ermöglichen. Die Kathodenblöcke 27 weisen weiterhin jeweils zwei Rillen 211 auf. Die Rillen 211 sind jeweils an einer Oberfläche eines Kathodenblocks 27 angeordnet, die einer Oberfläche des anderen Kathodenblocks 27 gegenüber liegt. Das Material 23 füllt die Fuge 25 und die Rillen 211. Die Rillen 211 unterstützen die kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Material 23 und den Kathodenblöcken 27 durch eine formschlüssige Verbindung mit dem Material 23. In Figur 2 weist jeder Kathodenblock 27 zwei Rillen 211 auf, die Anzahl der in einem Kathodenblock 27 ausgebildeten Rillen 211 ist jedoch willkürlich gewählt und hängt von den Abmessungen des Kathodenblocks 27 ab.

Figur 3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Teils einer Elektro- lysezelle 313 zur Herstellung von Aluminium. Die Elektrolysezelle 313 weist eine Wanne 315 aus Stahl auf. Die Seitenwände 317 der Wanne 315, von denen eine in Fig. 3 gezeigt ist, sind mit Blöcken 319 aus Graphit ausgekleidet, von denen einer in Fig. 3 gezeigt ist. Der Boden der Wanne 315 ist mit einer wärmeisolierenden Schicht 321 ausgekleidet, sodass er vollständig von ihr be- deckt ist. Auf der wärmeisolierenden Schicht 321 ist ein Kathodenboden 31 angeordnet. Der Kathodenboden 31 weist Material 33 und Kathodenblöcke 37, von denen zwei in Fig. 3 gezeigt sind, die in einem vorbestimmten Abstand angeordnet sind, sowie Stampfmasse 34 auf. Das Material 33 umfasst eine vorverdichtete Graphitplatte. Stampfmasse 34 umfasst herkömmliche Stampfmasse aus Kohlenstoff. Zwischen den Kathodenblöcken 37 ist jeweils eine Fuge 35 ausgebildet. Das Material 33 füllt die Fuge 35, und die Stampfmasse 34 füllt den jeweiligen Zwischenraum zwischen Kathodenblock 37 und Seitenwand 317 derart, dass die wärmeisolierende Schicht 321 mit dem die Stampfmasse 34, das Material 33 und die Kathodenblöcke 37 umfassenden Kathodenboden 31 vollständig bedeckt ist. Wie in der Figur 3 gezeigt ist, schließt das Material 33 mit den Kathodenblöcken 37 bündig ab. Die Kathodenblöcke 37 weisen jeweils eine Aussparung 39 auf, die zur Aufnahme einer Stromschiene (nicht gezeigt) geeignet ist, die an einen negativen Pol einer Stromquelle (nicht gezeigt) anschließbar ist. Weiterhin weist die Elektrolysezelle 313 Anoden 323, von denen zwei in Fig. 3 gezeigt sind, auf, die jeweils an einem mit einem posi- tiven Pol einer Stromquelle (nicht gezeigt) verbundenen Träger 325 hängen. In der Elektrolysezelle 313 befindet sich eine Lösung 327 aus Aluminiumoxid in geschmolzenem Kryolith. Während der Elektrolyse sammelt sich Aluminium 329 zwischen der Lösung 327 und dem Kathodenboden 31.

Figur 4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Teils einer weiteren Elektrolysezelle 413 zur Herstellung von Aluminium. Die Elektrolysezelle 413 weist eine Wanne 415 aus Stahl auf. Die Seitenwände 417 der Wanne 415, von denen eine in Fig. 4 gezeigt ist, sind mit Blöcken 419 aus Graphit ausgekleidet, von denen einer in Fig. 4 gezeigt ist. An den Blöcken 419 aus Graphit sind wei- terhin vorgebrannte Blöcke 431 aus Kohlenstoff oder Graphit angeordnet, von denen einer in Fig. 4 gezeigt ist. Der Boden der Wanne 415 ist mit einer wärmeisolierenden Schicht 421 ausgekleidet, sodass er vollständig von ihr bedeckt ist. Auf der wärmeisolierenden Schicht 421 ist ein Kathodenboden 41 angeordnet. Der Kathodenboden 41 weist Material 43 und Kathodenblöcke 47, von denen zwei in Fig. 4 gezeigt sind, auf, die in einem vorbestimmten Abstand angeordnet sind. Das Material 43 umfasst eine vorverdichtete Graphitplatte. Zwischen den Kathodenblöcken 47 ist jeweils eine Fuge 45 ausgebildet. Das Material 43 füllt die Fuge 45 und weiterhin füllt weiteres Material 43 einen Zwischenraum zwischen einem Kathodenblock 47 und dem Block 431 derart, dass die wärmeisolierende Schicht 421 mit dem das Material 43 und die Kathoden- blocke 47 umfassenden Kathodenboden 41 vollständig bedeckt ist. Wie in der Figur 4 gezeigt ist, schließt das Material 43 mit den Kathodenblöcken 47 bündig ab. Die Kathodenblöcke 47 weisen jeweils eine Aussparung 49 auf, die zur Aufnahme einer Stromschiene (nicht gezeigt) geeignet ist, die an einen negativen Pol einer Stromquelle (nicht gezeigt) anschließbar ist. Weiterhin weist die Elektrolysezelle 413 Anoden 423, von denen zwei in Fig. 4 gezeigt sind, auf, die jeweils an einem mit einem positiven Pol einer Stromquelle (nicht gezeigt) verbundenen Träger 425 hängen. In der Elektrolysezelle 413 befindet sich eine Lösung 427 aus Aluminiumoxid in geschmolzenem Kryolith. Während der Elektrolyse sammelt sich Aluminium 429 zwischen der Lösung 427 und dem Kathodenboden 41.

Figuren 5a bis 5c zeigen eine schematische Darstellung eines Verfahrensablaufes zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kathodenbodens 51.

Figur 5a zeigt die Bereitstellung von zwei Kathodenblöcken 57, die in einem vorbestimmten Abstand derart angeordnet werden, dass eine Fuge 55 ausgebildet wird. In Figur 5b ist gezeigt, dass in die Fuge 55 das Material 53 eingeschoben wird, das eine vorverdichtete Graphitplatte umfasst. Figur 5c zeigt den Kathodenboden 51 , wie er für eine Elektrolysezelle zur Herstellung von Alumi- nium verwendet werden kann. Das Material 53 füllt die Fuge 55. Die Menge und Abmessungen des Materials 53 sind derart gewählt, dass das Material 53 mit den Kathodenblöcken 57 bündig abschließt und die Fuge 55 vollständig füllt. Es sei bemerkt, dass etwaige Anschlüsse und Verbindungsmittel des Kathodenbodens 51 an eine Stromquelle in den Figuren 5a bis 5c der Übersichtlichkeit hal- ber weggelassen wurden. Figuren 6a bis 6c zeigen eine schematische Darstellung eines weiteren Verfahrensablaufes zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kathodenbodens 61.

Figur 6a zeigt die Bereitstellung von einem Kathodenblock 67, der eine Ausspa- rung 69 zur Aufnahme einer Stromschiene (nicht gezeigt) aufweist. In Figur 6b ist gezeigt, dass Material 63, das eine vorverdichtete Graphitplatte umfasst, an einer Oberfläche des Kathodenblocks 67 flächig angeordnet wird, wobei gegebenenfalls ein Klebstoff zur Befestigung verwendet wird. Gegebenenfalls kann weiteres Material 63 angeordnet werden, sodass ein Stapel aus dem Material 63 entsteht (nicht gezeigt), der an dem Kathodenblock 67 angeordnet ist. Figur 6c zeigt, dass ein weiterer Kathodenblock 67 mit einer Aussparung 69 an dem Material 63 derart angeordnet wird, dass er mit dem Kathodenblock 67 mittels des Materials 63 kraftschlüssig verbunden ist. Figur 6c zeigt den Kathodenboden 61 , wie er für eine Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium verwen- det werden kann. Durch Wiederholen der in Figuren 6b und 6c gezeigten Schritten kann ein Kathodenboden mit einer Vielzahl von aneinander gereihten Kathodenblöcken hergestellt werden. Es sei bemerkt, dass etwaige Anschlüsse und Verbindungsmittel des Kathodenbodens 61 an eine Stromquelle in den Figuren 6a bis 6c der Übersichtlichkeit halber weggelassen wurden.

Claims

Patentansprüche

1. Kathodenboden (1 , 21 , 31 , 41 , 51 , 61 ) für eine Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium, umfassend ein Material (3, 23, 33, 43, 53, 63), das an mindestens einen Kathodenblock (7, 27, 37, 47, 57, 67) anordnbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (3, 23, 33, 43, 53, 63) eine vorverdichtete Platte basierend auf expandiertem Graphit umfasst.

2. Kathodenboden (1 , 21 , 31 , 41 , 51 , 61 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das an den Kathodenblock anordnbare Material aus einer vorverdichteten Graphitplatte, basierend auf expandiertem Graphit, besteht.

3. Kathodenboden (1 , 21 , 31 , 41 , 51 , 61 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorverdichtete Platte als eine Folie ausgebildet ist.

4. Kathodenboden (1 , 21 , 31 , 41 , 51 , 61 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kathodenblock (7, 27, 37, 47, 57) in einem vorbestimmten Abstand zu mindestens einem weiteren Katho- denblock (7, 27, 37, 47, 57, 67) derart angeordnet ist, dass mindestens eine Fuge (5, 25, 35, 45, 55, 65, 65) zwischen ihnen ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (3, 23, 33, 43, 53, 63) die Fuge (5, 25, 35, 45, 55, 65) füllt.

5. Kathodenboden (21 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche des Kathodenblocks (27), die einer Oberfläche des weiteren Kathodenblocks (27) gegenüber liegt, eine strukturierte Oberfläche aufweist.

6. Kathodenboden (21 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche des Kathodenblocks (27), die einer Oberfläche des weiteren Kathodenblocks (27) gegenüber liegt, mindestens eine Rille (211 ) aufweist.

7. Kathodenboden (41 ) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (43) an zwei sich gegenüber liegenden Oberflächen eines Kathodenblocks (47), die an die die Fuge (45) bildende Oberfläche des Kathodenblocks (47) angrenzen, und an und in der Fuge (45) angeordnet ist, sodass das Material (43) bündig ist.

8. Verfahren zur Herstellung eines Kathodenbodens (1 , 21 , 31 , 41 , 51 , 61 ), umfassend die folgenden Verfahrensschritte • Bereitstellen von mindestens einem Kathodenblock (7, 27, 37, 47, 57, 67),

• Anordnen eines Materials (3, 23, 33, 43, 53, 63) an mindestens einer Oberfläche von dem mindestens einem Kathodenblock (7, 27, 37, 47, 57, 67), wobei das Material (3, 23, 33, 43, 53, 63) mindestens eine vorverdichtete Platte basierend auf expandiertem Graphit umfasst.

9. Verfahren nach Anspruch 8, umfassend weiterhin den folgenden Verfahrensschritt

• Anordnen von mindestens einem weiteren Kathodenblock (7, 27, 37, 47, 57, 67) in einem vorbestimmten Abstand zu dem mindestens einen Kathodenblock (7, 27, 37, 47, 57, 67) derart, dass das Material (3, 23, 33, 43, 53, 63) eine Fuge (5, 25, 35, 45, 55, 65) füllt, die durch das Anordnen des weiteren Kathodenblocks (7, 27, 37, 47, 57, 67) in dem vorbestimmten Anstand zu dem mindestens einen Kathodenblock (7, 27, 37, 47, 57, 67) ausgebildet wird.

10.Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Anordnen des Materials an mindestens einer Oberfläche des mindestens einen Kathodenblocks eine Befestigung an der Oberfläche mittels eines Klebstoffs umfasst.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (3, 23, 33, 43, 53, 63) als eine Folie ausgebildet ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , umfassend weiterhin vor oder nach der Bereitstellung des mindestens einen Kathodenblocks (27) den folgenden Verfahrensschritt • Strukturieren mindestens einer Oberfläche des mindestens einen Kathodenblocks (27).

13. Verwendung eines Kathodenbodens (31 , 41 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einer Elektrolysezelle (313, 413) zur Herstellung von Aluminium.