EP2609230A1 - Kathode, vorrichtung zur aluminiumgewinnung und verwendung der kathode bei der aluminiumgewinnung - Google Patents

Kathode, vorrichtung zur aluminiumgewinnung und verwendung der kathode bei der aluminiumgewinnung

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Publication number
EP2609230A1
EP2609230A1 EP11757796.5A EP11757796A EP2609230A1 EP 2609230 A1 EP2609230 A1 EP 2609230A1 EP 11757796 A EP11757796 A EP 11757796A EP 2609230 A1 EP2609230 A1 EP 2609230A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cathode
range
layer
current transfer
recesses
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11757796.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Hiltmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SGL Carbon SE
Original Assignee
SGL Carbon SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SGL Carbon SE filed Critical SGL Carbon SE
Publication of EP2609230A1 publication Critical patent/EP2609230A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/08—Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C7/00—Constructional parts, or assemblies thereof, of cells; Servicing or operating of cells
    • C25C7/02—Electrodes; Connections thereof
    • C25C7/025—Electrodes; Connections thereof used in cells for the electrolysis of melts

Definitions

  • the present invention relates to a cathode for metal and in particular for aluminum inium skinung, a device for metal and in particular for aluminum extraction and a use of the cathode and the apparatus for metal and in particular for aluminum extraction.
  • Alum inium oxide in a range of about 950 ° C for the mixture.
  • the resulting reduced liquid aluminum has a greater density than the melt of alumium inium oxide and cryolite and can therefore be used as soil be removed in a corresponding facility, z. B. via a suction pipe or the like.
  • the resulting oxygen reacts with the carbon of the anodes.
  • the invention is based on the object to provide a cathode and a device for alum inium backung m ittels melt electrolysis and their uses in which m particularly simple means the cathode surfaces protected against wear and thus the wear processes are slowed down and on the other hand, the actual aluminum inium terminalung m It can be done with higher energy efficiency.
  • the problems underlying the invention are in a cathode for melt flow-based Alum inium hollowung according to the invention m solved with the features of independent claim 1.
  • the objects on which the invention is based are furthermore achieved according to the invention in a device for melt flow-based aluminum production with the features of independent patent claim 14.
  • the objects are further achieved by using the cathode according to the invention and the device according to the invention in the melt flow-based aluminum production according to the independent patent claims 16 and 17.
  • Advantageous developments are the subject matter of the dependent claims.
  • the invention provides a cathode for an electrolytic cell for
  • the cathode having a process side which in operation faces the electrolysis bath, the cathode being constructed in a layered manner, with a process layer containing a process material which partially or completely forms the process side of the cathode, and a power transmission layer containing a power transmission material, wherein the process material is more abrasion resistant than the power transmission material, wherein the power transmission material is more electrically conductive than the power transmission material
  • Process material is and wherein the process side is formed profiled by one or more recesses and / or elevations.
  • the relative difference of the abrasion resistance and the specific electrical conductivity is present under real electrolysis conditions.
  • Preferred measurement temperatures, in which abrasion resistance and specific electrical conductivity are each compared, are real process temperatures, such as 950 ° C.
  • Core aspects of the cathode according to the invention are thus on the one hand, the multi-layered structure of the cathode, namely L m at least one of the Schmelzhnebad associated and operating facing process layer m it or made of an abrasion resistant process material and the Schmelzhnebad in operation remote power transmission layer or with an electrically highly conductive power transmission material and on the other hand the profiling of the process side of the cathode with a recess and / or elevation or a plurality of recesses and / or elevations.
  • the exposure of the components of the melt flow bath to the cathode surface on the process side and the associated abrasion are reduced or prevented.
  • an increased energy efficiency is achieved, namely on the one hand the fact that due to the reduced movement of the constituents of the melt bath, the distance D of the cathode arrangement to an anode arrangement provided in operation, more precisely the distance ⁇ of the anode bottom from the surface or interface of the molten liquid Alum iniums , can be reduced, which is equivalent to a reduction of ohmic losses, and on the other hand, that as the lowest layer d a low-ohmic material can be used, in which case only aspects of energy efficiency must be taken into account, because a direct contact between components of the melt bath not to take into account.
  • cathode is generally understood. It may be z. B. - but not exclusively - to act as a so-called cathode bottom, which is composed of a plurality of cathode blocks, so that the core aspects of the invention - namely the above-described layered structure on the one hand and the profiling on the other - are realized by this cathode bottom as a whole.
  • cathode but also such a cathode bottom forming substructures should be addressed in the sense of cathode blocks, so that the core aspects of the invention - namely the above-described layered structure on the one hand and the profiling on the other hand - also of cathode blocks - or of their entirety - realized could be.
  • the process layer and in particular the process material may be formed amorphous, in particular with, from or based on a carbon matrix.
  • Substance material and / or based on calcined anthracite preferably m with a vertical electrical resistivity at room temperature in the range of about 23 ⁇ ⁇ ⁇ to about 40 ⁇ - ⁇ , preferably in the range of about 25 ⁇ - ⁇ to about 35 ⁇ ⁇ ⁇
  • a vertical specific electrical resistance means the electrical resistance perpendicular to a cathode in a mounting situation of an electrolysis cell, that is to say, for example, measured perpendicular to the longitudinal axis of a cathode block.
  • the vertical electrical resistance in the range of about 20 ⁇ - ⁇ to about 32 ⁇ - ⁇ , preferably in the range of about 22 ⁇ ⁇ ⁇ to about 28 ⁇ ⁇ ⁇ .
  • the current transfer layer may be formed with, or formed of, a carbon material, in particular in graphitic form with or of graphite and / or graphite material, preferably with a vertical room temperature electrical resistivity in the range of about 14 ⁇ - ⁇ to about 20 ⁇ - ⁇ , preferably in the range of about 16 ⁇ ⁇ ⁇ to about 1 8 ⁇ ⁇ ⁇ .
  • the vertical electrical resistance in the range of about 1 3 ⁇ ⁇ ⁇ to about 1 8 ⁇ - ⁇ , preferably in the range of about 14 ⁇ ⁇ ⁇ to about 16 ⁇ ⁇ ⁇ .
  • recesses in or on the process side can be formed by recesses in the process layer and / or the current transfer layer and in particular in the process material.
  • surveys in or on the process side can be formed by surveys in the process layer and in particular in the process TERIAL.
  • the surveys can also be understood as ridges, ridges or fins.
  • the process side can be formed planar in sections.
  • the recesses and / or elevations may be formed substantially square in cross-section.
  • the recesses and / or the elevations may have any desired shape in cross-section and in their longitudinal direction.
  • the process layer can be arranged directly on the current transfer layer.
  • the boundary surface between the process layer and the current transfer layer that is to say a lower side of the process layer and an upper side of the current transfer layer, can be made planar.
  • a two-layer structure of the electrode body is sufficient for the realization of the present invention, but also a plurality of layers may be provided to z. B. to reduce thermo-mechanical stresses by building a gradient system.
  • the depth ta of a recess and the width ba of a recess may have or assume values in the range of about 1: 3 to about 1: 1, and preferably in the range of about 1: 2 to about 1: 1 so that roughly the relationship (1)
  • the height of a bump and the width of a bump may or may have values with a ratio ranging from about 1: 2 to about 2: 1, and preferably at a ratio in the range of about 1: 1, so that approx (2)
  • the width ba of a recess and the width of a projection may have or assume values with a ratio in the range from about 1: 1 to about 4: 1, so that approximately the relationship (3)
  • the depth ta of a recess may in particular have or assume values in the range of about 100 mm to about 250 mm, preferably in the range of about 100 mm.
  • the width ba of a recess may in particular have or assume values in the range from approximately 140 mm to approximately 200 mm.
  • the height of an elevation can in particular have or assume values in the range from approximately 1 00 mm to approximately 250 mm, preferably in the range of approximately 1 00 mm.
  • the width of a survey may in particular be values in the range of about 100 mm to about 200 mm, preferably in the range of about
  • An essential aspect in forming the geometry of the electrode assemblies is that due to the properties of the aluminum oxide, aluminum and cryolite melt flow bath certain boundary conditions, eg. B. with respect to the distance D between the cathode and the anode assembly, more precisely the distance ⁇ of the anode assembly from the surface of the molten liquid Alum iniums arise so that the electrolytic cell can be operated energetically efficient.
  • certain boundary conditions eg. B. with respect to the distance D between the cathode and the anode assembly
  • the distance ⁇ of the anode assembly from the surface of the molten liquid Alum iniums arise so that the electrolytic cell can be operated energetically efficient.
  • the distance ⁇ between the aluminum and the anode assembly in operation should not exceed a value of 50 mm to 80 mm, otherwise the ohmic losses would make the manufacturing process inefficient.
  • the cathode can preferably be constructed from a plurality of cathode blocks, in particular in the manner of a cathode bottom, wherein the cathode blocks are constructed in particular geometrically and / or structurally the same or the same acting and / or laterally adjacent to each other with respect to the process side and / or the current collection side are and / or wherein one, several or all cathode blocks are individually layered and profiled constructed.
  • directly adjacent cathode blocks may have a contact and compensation area between them, which is designed and provided for mechanical separation, in particular for receiving thermo-mechanical stresses, in particular in the manner of a tamping or ramming joint.
  • the construction of the cathode of a plurality of cathode blocks reduces thermo-mechanical loads, especially when using so-called tamping joints as compensating elements.
  • elevations on the process side and in particular in the process layer and the process material may be formed as fins, ridges or webs, in particular in cross-section substantially rectangular manner, as convex areas, as Undulations Suitee, as areas with prismatic shape, in particular with triangular or trapezoidal iger
  • elevations and / or recesses may have along their longitudinal direction a varying cross-section, in particular a varying height he or depth ta.
  • the square or rectangular basic structure is not obligatory in the design of the elevations or recesses and therefore in particular of the fins.
  • the recesses or elevations that is to say in particular the fins, to be constant in cross-section in the longitudinal direction. Rather, they can vary in their height or depth but also in their width, whereby the geometry can be selected in such a way that particularly efficient However, in a simple manner, the movement of the constituents of the melt-flow bath can be further restricted.
  • an apparatus for melt flow based aluminum recovery having an anode assembly, a cathode according to the invention, and a melting and reaction space between the anode assembly and the cathode.
  • the distance D between the cathode and the anode arrangement may have or assume a value in the range from about 20 mm to about 200 mm, preferably in the range from about 40 mm to about 70 mm, so that approximately the relationship (4)
  • the distance ⁇ between the anode assembly of the surface or interface of the molten and liquid aluminum is in the range of about 15 mm to about 45 mm, preferably can be set in the range of about 30 mm, so that approximately the relationship (5)
  • the cathode according to the invention can be used in a process for melt flow-based metal and in particular aluminum inium accordingung, preferably in the context of a fused-salt electrolysis of a cryolite bath after a Hall-Heroult process and an apparatus therefor.
  • the device according to the invention can be used in a process for melt-flow-based metal and in particular aluminum ingeneration, preferably in the context of a fused-salt electrolysis of a cryolite bath after a Hall-Heroult process.
  • FIGS. 1A-D show, in schematic and partly sectional views, a first embodiment of the inventive device for molten-salt electrolysis-based aluminum mining using a first embodiment of the cathode according to the invention.
  • FIGS. 2A-D show, in schematic and partly sectional views, a second embodiment of the inventive device for molten salt electrolysis-based aluminum mining using a second embodiment of the cathode according to the invention.
  • FIGS. 3A-E show a schematic and sectional side view
  • FIG. 4 shows a schematic plan view of the geometric assignment of a plurality of blocks of existing cathodes and anode arrangements.
  • the present invention also relates to a composite cathode 10 having a profiled surface 10o, in particular for use with a pre-fabricated surface.
  • Direction 1 00 and a method for melt flow-based Alum inium are also referred to.
  • alumium inium is obtained, inter alia, by a process of electrolysis of alumina in a cryolitic melt 21 m by means of a Hall-Heroult process.
  • Specific embodiments of such a procedure use coated cathode blocks 1 0 ', z.
  • different embodiments of the surface of the upper layer can be used.
  • Profiled surfaces 1 0o, d. H. Surfaces with recesses 10a, 12a and / or elevations 10e, 12e provided can reduce or even avoid these effects and in particular the movement of the aluminum. However, present current density inhomogeneities, which can lead to abrasion forces, can not be avoided.
  • an abrasion-resistant material 12 'for the cathode surface 1 0o, 12o, z. B. in anthracitic form from particular advantage to reduce or avoid such abrasion.
  • layered flat cathode blocks 10 'made of an electrically conductive graphite layer 11 as a lower layer and an abrasion-resistant amorphous upper layer 12 can enable such increases in energy efficiency by minimizing the cathode resistance.
  • the core idea of the present invention is to present a combination in which a layered cathode configuration is combined with a profiled surface of the cathode block.
  • the metal movement and the movement of the portions of the melt flow bath 20 'in Generally reduce, thereby reducing the abrasive forces and to create the possibility of lowering the distance between the anode 30 and the cathode 1 0, so the distance D between the anode 30 and the metal 20 'm with the objective of a further increase in energy efficiency.
  • a certain layer thickness of molten aluminum 22 above the elevations 1 0e, 12e or fins 12f may not be exceeded or fallen below within certain limits.
  • Layered cathodes 10 constructed according to the invention can be formed by a vibration molding process.
  • the amorphous or anthracitic material on the process side may, for. B. based on a material m with a share of about 70% of electrically calcined anthracite and 30% graphite in the solid.
  • the underlying graphitic material with a low electrical resistivity for the power transmission side may e.g. B. be a material with a share of 100% synthetic graphite in the solid.
  • the layer thicknesses for the lower and the upper layer, d. H. that is, for the current transfer layer and the process layer may have a layer thickness ratio of 50:50.
  • Trained recesses 10a, 12a on the process side 10o can, for. B. be configured so that an approximately central recess 1 0az, 12az is completely associated with a cathode block 1 0 'and two peripheral recesses 1 0ap, 12ap are shared at the edge with adjacent cathode blocks 1 0' right and left of it.
  • the central or central recess 10a, 12az may have a width in the range of 200 mm and a depth in the range of 1 00 mm.
  • the divided peripheral recesses 10a, 12ap could have a width of 50 mm at the edge and also a depth of 1 00 mm.
  • the height of the entire aluminum layer may be about 1 50 mm, e.g. B. 30 mm above the elevations 1 0e, 12e and som it can also be a value of about 30 mm for the distance ⁇ from the surface or interface of the molten and liquid Alum inium 22 to the anode assembly 30 can be achieved, which is advantageous in operation is to be provided.
  • FIGS. 1 A to 1 D respective sectional and plan views AA or BB, CC and DD are shown, which mark the respective other views and relate to the respective FIGS Refer to 1 D.
  • the current transfer layer 1 1 is formed with an upper side 1 1 o and a lower side 1 1 u, which simultaneously forms the current transfer side 10u of the cathode 1 0.
  • the current transmission layer 11 is formed with or from a current transmission material 11 ', which-in comparison to the process layer 12 provided above-has a lower or particularly low electrical resistance and can therefore be termed low-resistance.
  • This power transmission material 1 1 'z. B. based on or formed of a natural or synthetic graphite and in particular have a specific electrical resistance at room temperature in the range of about 14 ⁇ pm to about 20 ⁇ pm and preferably in the range of about 16 ⁇ pm to about 1 8 ⁇ pm ,
  • the process layer 12 m directly adjoins the current transfer layer 1 1 as the lowermost layer with the process material 12 'in abrasion-resistant form, whereby its lower side 12u and upper side 12o are formed, the latter simultaneously forming the process side 10o of the cathode 10.
  • the interface between the current transfer layer 1 1 and the process layer 12 is formed by the top 1 1 o of the current transfer layer 1 1 and the bottom 12u of the process layer 12 and is planar in this case.
  • this is not mandatory. Rather, the interface 1 1 o, 12u can be selected and formed according to the geometric requirements of the overall arrangement of the device 1 00.
  • Embedded in the current transfer material 1 1 'of the current transfer layer 1 1 is still a current decrease or a current collecting element 1 3, z. B. provided in the form of a steel bar, which is m it with a cast iron casing 14 to the current transfer material 1 1 'down.
  • a current decrease or a current collecting element 1 3, z. B. provided in the form of a steel bar, which is m it with a cast iron casing 14 to the current transfer material 1 1 'down.
  • ie in the region of the top 12o of the process layer 12 or the process material 12 ' is a corresponding profiling of recesses 10a, 12a and elevations 1 0e, 12e, here in the form of so-called Fins 1 0f, 12f, formed.
  • the cathode 1 0 is in the form of a plurality of cathode blocks 1 0 ', so that each of the blocks 1 0' on the process side 1 0o a central recess 12az and two peripheral recesses 12 ap and thus has two elevations 12e or fins 12f bounding these central and peripheral recesses 12az and 12ap.
  • the so-called stamping joints 40 are arranged, which realize the vicinity of adjacent cathode blocks 1 0 'of the cathode 1 0 and thereby absorb and compensate thermo-mechanical stresses due to their mechanical properties, if nem Lich the device. 1 00 and in particular the cathode 1 0 is heated from room temperature to the operating temperature in the range of usually up to 1 000 ° C.
  • FIGS. 1A to 1D are for illustration purposes only and are not mandatory. Rather, the dimensions given in the description for the design of the layer thicknesses, distances and the like can be used.
  • Figs. 2A to 2D show in an analogous manner to Figs. 1 A to 1 D, another embodiment of the device according to the invention 1 00 and the inventive cathode 1 0th
  • each elevation 1 0e, 12e has a first height along the first half of the total length in the y direction and a second height along the second half.
  • 3A to 3B show different embodiments for the profiling of the process side 1 0o, ie ultimately for the geometric design or cross-sectional shape of the recesses 10a, 12a and the elevations 1 0e, 12e or fins 12f.
  • the cross-sectional profile is again, which is also shown in Figs. 1 A to 1 D and 2A to 2D reproduced, ie an arrangement in which the recesses 1 0a, 12a and the elevations 1 0e, 12e are formed in cross-section substantially rectangular.
  • the recesses 10a, 12a and the projections 10e, 12e have rounded, ie not rectangular edge profiles.
  • elevations 1 0e, 12e are convex areas, quasi in the form of cylinder sections.
  • the sequence of recesses 10a, 12a and elevations 10e, 12e shows a wave-like course, optionally in sinusoidal form.
  • FIG. 4 shows a schematic top view of the geometric assignment of a plurality of blocks 10 'of existing cathodes 110 and anode arrangements 30. Laterally in the x direction, one block of the anode arrangement 30 covers two blocks 101' of the cathode 110, but in y Direction only up to half of the extension of the blocks 10 'of the cathode 1 0, so that in the y direction two rows of blocks of the anode assembly 30 for complete coverage of the cathode block 1 0' are necessary.
  • the stamping joints 40, 40 ' are not in the region of a recess 10 a, 12 a or recess 10 a, 12 a, but in each case in the region of an elevation 1 0e, 12e provided.
  • inventive device ba width of a recess be width of a survey

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Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Kathode (10) und eine Vorrichtung (100) zur schmelzflussbasierten Metallgewinnung und gibt Verwendungen für die Kathode (10) und die Vorrichtung (100) an. Ein Kernaspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Kathode (10) mindestens zweischichtig auszubilden, nämlich mit einer prozessseitigen Prozessschicht (12) aus oder mit einem abrasionsresistenten Prozessmaterial (12') und einer Stromübertragungsschicht (11) mit oder aus einem elektrisch leitfähigen und insbesondere niederohmigem Stromübertragungsmaterial (11'), wobei darüber hinaus die Prozessseite (10o) mit einer Ausnehmung (10a, 12a) und/oder Erhebung (10e, 12e) oder einer Mehrzahl von Ausnehmungen (10a, 12a) und/oder Erhebungen (10e, 12e) profiliert ausgebildet ist.

Description

KATHODE, VORRICHTUNG ZUR ALUMINIU MGEWINNUNG UN D VERWENDUNG DER KATHODE BEI DER ALUMINIUMGEWINNUNG
GEB IET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kathode zur Metall- und insbesondere zur Alum iniumgewinnung, eine Vorrichtung zur Metall- und insbesondere zur Aluminiumgewinnung sowie eine Verwendung der Kathode und der Vorrichtung zur Metall- und insbesondere zur Aluminiumgewinnung.
H INTERGRUN D DER ERFINDU NG
Bei der Gewinnung von Metallen und insbesondere bei der Gewinnung von Alum inium werden häufig Verfahren auf der Grundlage der so genannten Schmelzflusselektrolyse verwendet.
Bei der Alum iniumgewinnung wird klassischerweise häufig der so genannte Hall-Heroult-Prozess eingesetzt. Bei diesem Vorgang wird im Rahmen der Schmelzflusselektrolyse Alum iniumoxid AI2O3 in einer Schmelze m it Kryolith Na3[AIF6] behandelt und gelöst, wobei dann in einem Reduktionsvorgang das reine Alum inium abgeschieden wird. Kernidee dieses Vorgehens ist, dass vor dem eigentlichen Arbeitsschritt der Elektrolyse die Mischung des Alum iniumoxids m it dem Kryolith als Lösungsm ittel stattfindet, um dadurch die
Schmelztemperatur zu senken, näm lich von etwa 2045 °C für das reine
Alum iniumoxid in einen Bereich von etwa 950 °C für die Mischung.
Die Reduktion von Alum iniumoxid zu reinem Alum inium erfolgt dann in etwa gemäß dem Prozess
2A1203 -^ 4Al + 302.
Das entstehende reduzierte flüssige Alum inium besitzt eine größere Dichte als die Schmelze aus Alum iniumoxid und Kryolith und kann daher als Boden- schmelze in einer entsprechenden Anlage abgenommen werden, z. B. über ein Saugrohr oder dergleichen.
Der ebenfalls entstehende Sauerstoff reagiert m it dem Kohlenstoff der Anoden.
Problematisch bei einem derartigen Vorgehen und beim Aufbau und der Verwendung entsprechender Anlagen sind einerseits die Verschleißanfälligkeit der verwendeten Kathoden, sowie der große spezifische Energiebedarf zur Ermöglichung der Redoxreaktion, zusätzlich wird der energetische Wirkungsgrad z. B. durch ohmsche Verluste vermindert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDU NG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Kathode und eine Vorrichtung für die Alum iniumgewinnung m ittels Schmelzflusselektrolyse sowie deren Verwendungen anzugeben, bei welchen m it besonders einfachen Mitteln die Kathodenoberflächen gegenüber Verschleiß geschützt und damit die Verschleißprozesse verlangsamt werden und andererseits die eigentliche Alum iniumgewinnung m it höheren Energieeffizienz durchgeführt werden können.
Die der Erfindung zu Grunde liegenden Aufgaben werden bei einer Kathode zur schmelzflussbasierten Alum iniumgewinnung erfindungsgemäß m it den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die der Erfindung zu Grunde liegenden Aufgaben werden des Weiteren bei einer Vorrichtung zur schmelzflussbasierten Aluminiumgewinnung erfindungsgemäß m it den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 14 gelöst. Die Aufgaben werden ferner durch Verwendungen der erfindungsgemäßen Kathode und der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei der schmelzflussbasierten Aluminiumgewinnung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen 16 und 17 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Die Erfindung schafft dazu eine Kathode für eine Elektrolysezelle zur
Gewinnung von Alum inium aus seinem Oxid in einem Elektrolysebad wobei die Kathode eine Prozessseite aufweist, die im Betrieb dem Elektrolysebad zugewandt ist, wobei die Kathode geschichtet aufgebaut ist, m it einer ein Prozessmaterial enthaltenden Prozessschicht, welche die Prozessseite der Kathode teilweise oder vollständig bildet, und m it einer ein Stromübertragungsmaterial enthaltenden Stromübertragungsschicht, wobei das Prozessmaterial abrasionsresistenter als das Stromübertragungsmaterial ist, wobei das Stromübertragungsmaterial elektrisch leitfähiger als das
Prozessmaterial ist und wobei die Prozessseite durch eine oder mehrere Ausnehmungen und/oder Erhebungen profiliert ausgebildet ist. Der relative Unterschied der Abrasionsresistenz und der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit liegt dabei unter realen Elektrolysebedingungen vor. Bevorzugte Messtemperatur, bei der Abrasionsresistenz und spezifische elektrische Leitfähigkeit jeweils verglichen werden, sind reale Prozesstemperaturen, wie etwa 950 °C.
Kernaspekte der erfindungsgemäßen Kathode sind also einerseits der mehrschichtige Aufbau der Kathode, näm lich aus m indestens einer dem Schmelzflussbad zugeordneten und im Betrieb zugewandten Prozessschicht m it oder aus einem abrasionsresistenten Prozessmaterial und einer dem Schmelzflussbad im Betrieb abgewandten Stromübertragungsschicht mit oder aus einem elektrisch besonders leitfähigen Stromübertragungsmaterial und andererseits die Profilierung der Prozessseite der Kathode m it einer Ausnehmung und/oder Erhebung oder einer Mehrzahl von Ausnehmungen und/oder Erhebungen.
Durch das Vorsehen eines abrasionsresistenten Prozessmaterials an der Kathode werden das Einwirken der Bestandteile des Schmelzflussbades auf die Kathodenoberfläche auf der Prozessseite und die damit einhergehende Abrasion verringert oder verhindert. Die Ausbildung der Profilierung auf der Grundlage einer oder mehreren Ausnehmungen und/oder Erhebungen verm indert die Abrasion weiter, weil quasi durch eine Kavernen- oder Kanalbildung die Bewegung der Bestandteile des Schmelzflussbades verm indert wird, insbesondere des flüssigen Aluminiums durch elektromagnetische Wechselwirkungen.
Erfindungsgemäß wird auch eine erhöhte Energieeffizienz erreicht, näm lich einerseits dadurch, dass aufgrund der verminderten Bewegung der Bestandteile des Schmelzflussbades der Abstand D der Kathodenanordnung zu einer im Betrieb vorgesehenen Anodenanordnung, genauer der Abstand δ der Anodenunterseite von der Oberfläche oder Grenzfläche des geschmolzenen flüssigen Alum iniums, verringert werden kann, was einer Reduktion der ohmschen Verluste gleichkommt, und andererseits auch dadurch, dass als unterste Schicht d ein niederohm iges Material verwendet werden kann, wobei hier ausschließlich Aspekte der Energieeffizienzsteigerung berücksichtigt werden müssen, weil ein direkter Kontakt zwischen Bestandteilen des Schmelzflussbades nicht zu berücksichtigen ist.
Im Sinne der Erfindung wird der Begriff Kathode ganz allgemein aufgefasst. Es kann sich dabei z. B. - aber nicht ausschließlich - um einen so genannten Kathodenboden handeln, der aus einer Mehrzahl von Kathodenblöcken aufgebaut ist, so dass die erfindungsgemäßen Kernaspekte - näm lich der oben beschriebene geschichtete Aufbau einerseits und die Profilierung andererseits - von diesem Kathodenboden als Ganzes realisiert werden.
Mit dem Begriff Kathode sollen aber auch die einen solchen Kathodenboden bildenden Teilstrukturen im Sinne von Kathodenblöcken angesprochen sein, so dass die erfindungsgemäßen Kernaspekte - näm lich der oben beschriebene geschichtete Aufbau einerseits und die Profilierung andererseits - auch von Kathodenblöcken - oder auch von deren Gesamtheit - realisiert sein können.
Die Prozessschicht und insbesondere das Prozessmaterial können amorph ausgebildet sein, insbesondere mit, aus oder auf der Grundlage eines Kohlen- Stoffmaterials und/oder auf der Grundlage kalzinierten Anthrazits, vorzugsweise m it einem vertikalen spezifischen elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur im Bereich von etwa 23 Ω· μΓΠ bis etwa 40 Ω- μΓΠ , vorzugsweise im Bereich von etwa 25 Ω- μηι bis etwa 35 Ω· μΓη . Unter einem vertikalen spezifischen elektrischen Widerstand ist hier der elektrische Widerstand senkrecht zu einer Kathode in einer Einbausituation einer Elektrolysezelle, also beispielsweise senkrecht zur Längsachse eines Kathodenblocks gemessen zu verstehen. Bei üblichen Prozesstemperaturen von 950 °C liegt der vertikale elektrische Widerstand im Bereich von etwa 20 Ω- μηι bis etwa 32 Ω- μηι , vorzugsweise im Bereich von etwa 22 Ω· μΓΠ bis etwa 28 Ω· μΓη .
Die Stromübertragungsschicht und insbesondere das Stromübertragungsmaterial können m it, aus oder auf der Grundlage eines Kohlenstoffmaterials ausgebildet ist, insbesondere in graphitischer Form m it oder aus einem Graphit und/oder Graphitmaterial, vorzugsweise m it einem vertikalen spezifischen elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur im Bereich von etwa 14 Ω- μηι bis etwa 20 Ω- μΓΠ , vorzugsweise im Bereich von etwa 16 Ω· μΓΠ bis etwa 1 8 Ω· μΓη . Bei üblichen Prozesstemperaturen von 950 °C liegt der vertikale elektrische Widerstand im Bereich von etwa 1 3 Ω· μΓΠ bis etwa 1 8 Ω- μΓΠ , vorzugsweise im Bereich von etwa 14 Ω· μΓΠ bis etwa 16 Ω· μΓη .
Zwar ist hier als Grundlage jeweils ein Kohlenstoffmaterial genannt, jedoch können in vorteilhafter Weise auch Beim ischungen aus anderen Materialklassen vorgesehen sein, z. B. refraktärmetallische Beim ischungen oder dergleichen.
Vorgesehene Ausnehmungen in oder auf der Prozessseite können gebildet werden von Ausnehmungen in der Prozessschicht und/oder der Stromübertragungsschicht und insbesondere im Prozessmaterial.
Vorgesehene Erhebungen in oder auf der Prozessseite können gebildet werden von Erhebungen in der Prozessschicht und insbesondere im Prozessma- terial. Die Erhebungen können auch als Stege, Grate oder Finnen aufgefasst werden.
Die Prozessseite kann abschnittsweise planar ausgebildet sein. Insbesondere können die Ausnehmungen und/oder Erhebungen im Querschnitt im Wesentlichen quadratisch ausgebildet sein.
Die Ausnehmungen und/oder die Erhebungen können aber querschnittsmäßig und in ihrer Längserstreckungsrichtung grundsätzlich beliebige Formen aufweisen. Sie können z. B. aus beliebig strukturierten konvexen bzw. konkaven Bereichen oder Abschnitten gebildet sein. Eine Fixierung auf rechteckige oder quadratische Formen ist nicht notwendig, auch wenn diese geometrisch besonders einfach sind. Grundsätzlich können hier auch Aspekte der besonders einfachen Herstellung derartiger Ausnehmungen und Erhebungen berücksichtigt werden. Denkbar sind beispielweise auch bogenförmige, kreisabschnitt- förm ige, trapezförm ige oder dreieckige Formen.
Die Prozessschicht kann direkt auf der Stromübertragungsschicht angeordnet sein. Insbesondere kann die Grenzfläche zwischen der Prozessschicht und der Stromübertragungsschicht, also eine Unterseite der Prozessschicht und eine Oberseite der Stromübertragungsschicht planar ausgebildet sein. Zwar ist für die Realisierung der vorliegenden Erfindung ein zweischichtiger Aufbau des Elektrodenkörpers ausreichend, jedoch kann auch eine Mehrzahl von Schichten vorgesehen sein, um z. B. thermo-mechanische Spannungen durch Aufbau eines Gradientensystems zu reduzieren.
Die Tiefe ta einer Ausnehmung und die Breite ba einer Ausnehmung können Werte m it einem Verhältnis im Bereich von etwa 1 :3 bis etwa 1 : 1 und vorzugsweise m it einem Verhältnis im Bereich von etwa 1 :2 bis etwa 1 : 1 aufweisen oder annehmen, so dass in etwa die Beziehung (1 )
1 : 3 < ta : ba < 1 : 1 (1 ) und insbesondere die Beziehung (V)
\:2<ta:ba<\:\ (1') erfüllt ist.
Die Höhe he einer Erhebung und die Breite be einer Erhebung können Werte mit einem Verhältnis im Bereich von etwa 1:2 bis etwa 2:1 und vorzugsweise mit einem Verhältnis im Bereich von etwa 1:1 aufweisen oder annehmen, so dass in etwa die Beziehung (2)
\:2<he:be<2:\ (2) und insbesondere die Beziehung (2') he be*\ \ (2') erfüllt ist.
Die Breite ba einer Ausnehmung und die Breite be einer Erhebung können Werte mit einem Verhältnis im Bereich von etwa 1:1 bis etwa 4:1 aufweisen oder annehmen, so dass in etwa die Beziehung (3)
1 : 1 < ba : be < 4 : 1 (3) erfüllt ist.
Die Tiefe ta einer Ausnehmung kann insbesondere Werte im Bereich von etwa 100 mm bis etwa 250 mm, vorzugsweise im Bereich von etwa 100 mm aufweisen oder annehmen.
Die Breite ba einer Ausnehmung kann insbesondere Werte im Bereich von etwa 140 mm bis etwa 200 mm aufweisen oder annehmen. Die Höhe he einer Erhebung kann insbesondere Werte im Bereich von etwa 1 00 mm bis etwa 250 mm , vorzugsweise im Bereich von etwa 1 00 mm aufweisen oder annehmen.
Die Breite be einer Erhebung kann insbesondere Werte im Werte im Bereich von etwa 100 mm bis etwa 200 mm , vorzugsweise im Bereich von etwa
1 00 mm aufweisen oder annehmen.
Ein wesentlicher Aspekt beim Ausbilden der Geometrie der Elektrodenanordnungen ist, dass aufgrund der Eigenschaften des aus Alum iniumoxid, Aluminium und Kryolith bestehenden Schmelzflussbades sich bestimmte Randbedingungen, z. B. in Bezug auf den Abstand D zwischen der Kathode und der Anodenanordnung, genauer des Abstandes δ der Anodenanordnung von der Oberfläche des geschmolzenen flüssigen Alum iniums ergeben, damit die Elektrolysezelle energetisch effizient betrieben werden kann. So hat sich gezeigt, dass der Abstand δ zwischen dem Aluminium und der Anodenanordnung im Betrieb einen Wert von 50 mm bis 80 mm nicht überschreiten sollte, da sonst die ohmschen Verluste das Herstellungsverfahren ineffizient machen würden.
Die Kathode kann bevorzugt aus einer Mehrzahl von Kathodenblöcken aufgebaut sein, insbesondere nach Art eines Kathodenbodens, wobei die Kathodenblöcke insbesondere geometrisch und/oder strukturell gleich oder gleich wirkend aufgebaut sind und/oder in Bezug auf die Prozessseite und/oder die Stromabnahmeseite lateral zueinander benachbart angeordnet sind und/oder wobei ein, mehrere oder sämtliche Kathodenblöcke einzeln geschichtet und profiliert aufgebaut sind.
Das bedeutet insbesondere, dass in diesem Fall durch ein, mehrere oder sämtliche Kathodenblöcke die erfindungsgemäßen Kernaspekte, näm lich einerseits der geschichtete Aufbau der Kathode m it einer abrasionsresistenteren oberen Prozessschicht und einer elektrisch leitfähigeren unteren Stromüber- tragungsschicht und andererseits der profilierten Ausgestaltung der Prozessseite m it einer oder mehreren Erhebungen und/oder Ausnehmungen - bereits einzeln realisiert sind.
Dabei können zueinander direkt benachbarte Kathodenblöcke einen Kontakt- und Ausgleichsbereich zwischen sich aufweisen, welcher zur mechanischen Trennung, insbesondere zur Aufnahme thermo-mechanischer Spannungen ausgebildet und vorgesehen ist, insbesondere jeweils nach Art einer Stampffuge oder Stampfmassenfuge.
Der Aufbau der Kathode aus einer Mehrzahl von Kathodenblöcken verringert thermo-mechanische Belastungen, gerade auch bei Verwendung so genannter Stampffugen als Ausgleichelemente.
Vorgesehene Erhebungen auf der Prozessseite und insbesondere in der Prozessschicht und dem Prozessmaterial können als Finnen, Grate oder Stege ausgebildet sein, insbesondere in im Querschnitt im Wesentlichen rechteckiger Art und Weise, als konvexe Bereiche, als Undulationsbereiche, als Bereiche mit Prismenform, insbesondere m it dreieckiger oder trapezförm iger
Grundfläche und/oder als deren Kombinationen.
Vorgesehene Erhebungen und/oder Ausnehmungen können entlang ihrer Längserstreckungsrichtung einen variierenden Querschnitt aufweisen, insbesondere eine variierende Höhe he bzw. Tiefe ta.
Wie oben bereits erwähnt wurde, ist die quadratische oder rechteckige Grundstruktur bei der Ausgestaltung der Erhebungen oder Ausnehmungen und also insbesondere der Finnen nicht obligatorisch.
Auch ist es nicht notwendig, dass in Längsrichtung die Ausnehmungen oder Erhebungen, also insbesondere die Finnen, im Querschnitt konstant verlaufen. Vielmehr können sie sich in ihrer Höhe oder Tiefe aber auch in der Breite ändern, wobei die Geometrie so gewählt werden kann, dass auf besonders effi- ziente und herstellungstechnisch gleichwohl einfache Art und Weise die Bewegung der Bestandteile des Schmelzflussbades weiter eingeschränkt werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur schmelzflussbasierten Aluminiumgewinnung mit einer Anodenanordnung, mit einer erfindungsgemäßen Kathode und mit einem Schmelz- und Reaktionsraum zwischen der Anodenanordnung und der Kathode vorgesehen.
Dabei kann der Abstand D zwischen der Kathode und der Anodenanordnung einen Wert im Bereich von etwa 20 mm bis etwa 200 mm, vorzugsweise im Bereich von etwa 40 mm bis etwa 70 mm aufweisen oder annehmen, so dass in etwa die Beziehung (4)
20mm<D< 200 mm (4) und insbesondere die Beziehung (4')
40 mm<D<10 mm (4') erfüllt ist, so dass im Betrieb der Vorrichtung der Abstand δ zwischen der Anodenanordnung der Oberfläche oder Grenzfläche des geschmolzenen und flüssigen Aluminiums auf einen Wert im Bereich von etwa 15 mm bis etwa 45 mm, vorzugsweise im Bereich von etwa 30 mm eingestellt werden kann, so dass in etwa die Beziehung (5)
15 mm <δ< 45 mm (5) und insbesondere in etwa die Beziehung (5') δ 30 mm (5') erfüllt ist.
Die erfindungsgemäße Kathode kann bei einem Verfahren zur schmelzfluss- basierten Metall- und insbesondere Alum iniumgewinnung, vorzugsweise im Rahmen einer Schmelzflusselektrolyse eines Kryolithbades nach einem Hall- Heroult-Prozess und einer Vorrichtung dafür verwendet werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann bei einem Verfahren zur schmelz- flussbasierten Metall- und insbesondere Alum iniumgewinnung, vorzugsweise im Rahmen einer Schmelzflusselektrolyse eines Kryolithbades nach einem Hall-Heroult-Prozess verwendet werden.
Diese und weitere Aspekte werden beispielhaft auf der Grundlage der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert.
KU RZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Fig. 1 A - D zeigen in schematischen und teilweise geschnittenen Ansichten eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur schmelzflusselektrolysebasierten Alum iniumgewinnung unter Verwendung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kathode.
Fig. 2A - D zeigen in schematischen und teilweise geschnittenen Ansichten eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur schmelzflusselektrolysebasierten Alum iniumgewinnung unter Verwendung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kathode.
Fig. 3A - E zeigen in schematischer und geschnittener Seitenansicht
verschiedene Ausgestaltungsformen von Profilierungen für die Prozessseite von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kathode. Fig. 4 zeigt in schematischer Draufsicht die geometrische Zuordnung aus mehreren Blöcken bestehender Kathoden und Anodenanordnungen.
Fig. 5 zeigt in schematischer und teilweise geschnittener Seitenansicht eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur schmelzflusselektrolysebasierten Alum iniumgewinnung unter Verwendung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kathode.
DETAILBESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Sämtliche Ausführungsformen der Erfindung und auch ihre technischen Merkmale und Eigenschaften können einzeln isoliert oder wahlfrei zusammengestellt, som it miteinander beliebig und ohne Einschränkung kombiniert werden.
Strukturell und/oder funktionell gleiche, ähnliche oder gleich wirkende Merkmale oder Elemente werden nachfolgend im Zusammenhang mit den Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall wird eine detaillierte Beschreibung dieser Merkmale oder Elemente wiederholt.
Die Figuren beschreiben die Erfindung exemplarisch anhand von Ausführungsbeispielen und in schematischer Art und Weise und sind nicht maßstabsgetreu, solange nichts anderes gesagt ist.
Zunächst wird auf die Zeichnungen im allgemeinen Bezug genommen.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere auch eine Kompositkathode 1 0 mit profilierter Oberfläche 1 0o, insbesondere zur Verwendung bei einer Vor- richtung 1 00 und einem Verfahren zur schmelzflussbasierten Alum iniumgewinnung.
Im industriellen Maßstab wird Alum inium unter anderem über einen Prozess der Elektrolyse von Alum iniumoxid in einer kryolithischen Schmelze 21 m ittels eines Hall-Heroult-Verfahrens gewonnen. Spezifische Ausgestaltungsformen eines derartigen Vorgehens verwenden beschichtete Kathodenblöcke 1 0', z. B. mit einer elektrisch leitfähigen unteren Schicht 1 1 und einer abrasionsresistenten oberen Schicht 12. Dabei können unterschiedliche Ausgestaltungsformen der Oberfläche der oberen Schicht verwendet werden.
Der Vorgang des Erzeugens primären Alum iniums über die Elektrolyse in einem Hall-Heroult-Prozess ist sehr energieintensiv. Neben der aufzubringenden elektrochemischen Energie zur Reduktion des Alum iniumoxids zu Aluminium wird ein großer Anteil der eingebrachten elektrischen Energie in der Schicht des kryolithischen Bades 21 in Wärme umgewandelt.
Aufgrund der Bewegung des flüssigen Alum iniums, welche unter anderem durch die Wechselwirkung m it den durch elektrischen Strom induzierten starken magnetischen Feldern hervorgerufen wird, muss ein m inimaler Abstand von 30 bis 50 mm zwischen der Alum iniumoberfläche und der Anodenoberfläche eingehalten werden, um einen Kurzschluss und eine nicht gewünschte Rückreaktion - z. B. eine Re-oxidation des bereits geformten Alum iniums - zu vermeiden.
Profilierte Oberflächen 1 0o, d. h. Oberflächen mit vorgesehenen Ausnehmungen 1 0a, 12a und/oder Erhebungen 1 0e, 12e, können diese Effekte und insbesondere die Bewegung des Alum iniums reduzieren oder gar vermeiden. Dabei können jedoch vorliegende Stromdichteinhomogenitäten, welche zu Abrasionskräften führen können, nicht verm ieden werden.
Daher ist das erfindungsgemäße Vorsehen eines abrasionsresistenten Materials 12' für die Kathodenoberfläche 1 0o, 12o, z. B. in anthrazitischer Form , von besonderem Vorteil, um eine derartige Abrasion zu reduzieren oder zu vermeiden.
Dies allein würde jedoch zu einer Erhöhung des elektrischen Widerstands führen und dam it der Zielrichtung der Energieeffizienzsteigerung widersprechen.
Andererseits können schichtartig aufgebaute ebene Kathodenblöcke 1 0' aus einer elektrisch leitfähigen Graphitschicht 1 1 als unterer Schicht und einer abrasionsresistenten amorphen oberen Schicht 12 derartige Energieeffizienzsteigerungen ermöglichen, indem sie näm lich den Kathodenwiderstand herabsetzen.
Dies allein würde jedoch die Bewegung des Metalls und damit die Abrasionsproblematik nicht vermeiden.
Kernidee der vorliegenden Erfindung ist, auf der Grundlage dieser Vorüberlegungen und -Untersuchungen durch die Anmelderin und die Erfinder erfindungsgemäß eine Kombination vorzustellen, bei welcher eine schichtartige Kathodenausgestaltung m it einer profilierten Oberfläche des Kathodenblocks kombiniert wird. Dadurch ist einerseits eine Resistenz gegen Abrasionskräfte möglich, andererseits jedoch auch eine Energieeffizienzsteigerung auf der Grundlage des Absenkens des Kathodenwiderstands möglich.
Es wird daher ein Design vorgeschlagen, bei welchem eine leitfähige untere Schicht 1 1 als Basisschicht und eine abrasionsresistente obere Schicht 12, z. B. in Form einer amorphen und/oder anthrazitischen Schicht kombiniert werden, um näm lich dadurch einen vergleichsweise hohen energetischen Wirkungsgrad m it einer entsprechenden Abrasionsresistenz in Bezug auf die sich bewegenden Schmelzbadkomponenten zu bewirken.
Zur Profilierung der Oberfläche 1 0o werden in der obersten Schicht 12 Ausnehmungen 1 0a, 12a und/oder Erhebungen 1 0e, 12e vorgesehen, die die Metallbewegung und die Bewegung der Anteile des Schmelzflussbades 20' im Allgemeinen reduzieren, um dadurch die abrasiven Kräfte zu senken und die Möglichkeit zu schaffen, den Abstand zwischen der Anode 30 und der Kathode 1 0, also den Abstand D zwischen der Anode 30 und dem Metall 20' m it der Zielsetzung einer weiteren Energieeffizienzsteigerung abzusenken.
Um die Instabilität einer derartigen elektrolytischen Zelle zu vermeiden, nämlich wegen möglicherweise auftretender Streuströme, darf eine bestimmte Schichtstärke an geschmolzenem Aluminium 22 oberhalb der Erhebungen 1 0e, 12e oder Finnen 12f in bestimmten Grenzen nicht über- oder unterschritten werden.
Erfindungsgemäß ausgestaltete geschichtete Kathode 1 0 können durch einen Vibrationsformprozess ausgebildet werden.
Das amorphe oder anthrazitische Material auf der Prozessseite kann z. B. auf einem Material basieren m it einem Anteil von etwa 70 % elektrisch kalzinierten Anthrazits und 30 % Graphit im Feststoff. Das zu Grunde liegende graphitische Material mit einem niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand für die Stromübertragungsseite kann z. B. ein Material m it einem Anteil von 100 % synthetischem Graphit im Feststoff sein.
Die Schichtstärken für die untere und die obere Schicht, d. h. also für die Stromübertragungsschicht und die Prozessschicht können ein Schichtstärkenverhältnis von 50:50 aufweisen.
Ausgebildete Ausnehmungen 1 0a, 12a auf der Prozessseite 1 0o können z. B. so ausgestaltet sein, dass eine in etwa zentrale Ausnehmung 1 0az, 12az vollständig einem Kathodenblock 1 0' zugeordnet ist und zwei periphere Ausnehmungen 1 0ap, 12ap am Rande mit benachbarten Kathodenblöcken 1 0' rechts und links davon geteilt benutzt werden.
Die m ittige oder zentrale Ausnehmung 1 0az, 12az kann eine Weite im Bereich von 200 mm und eine Tiefe im Bereich von 1 00 mm aufweisen. Die Ecken oder Kanten müssen nicht strikt rechtwinklig sein, sondern könnten abgerundete Kanten bilden mit einem Krümmungsradius von beispielsweise r = 20 mm. Die geteilten peripheren Ausnehmungen 1 0ap, 12ap könnten am Rand eine Weite von 50 mm und ebenfalls eine Tiefe von 1 00 mm aufweisen. Auch hier sind die Kantenverläufe nicht strikt auf rechtwinklige Geometrien festgelegt, sondern können runde Ecken oder Kanten aufweisen m it einem Krümmungsradius von beispielsweise r = 20 mm .
Im Betrieb kann die Höhe der gesamten Aluminiumschicht etwa 1 50 mm betragen, z. B. auch 30 mm oberhalb der Erhebungen 1 0e, 12e und som it kann auch ein Wert von etwa 30 mm für den Abstand δ von der Oberfläche oder Grenzfläche des geschmolzenen und flüssigen Alum iniums 22 zur Anodenanordnung 30 erreicht werden, die im Betrieb als vorteilhaft vorzusehen ist.
Nun wird im Detail auf die Zeichnungen Bezug genommen.
Die Fig. 1 A bis 1 D zeigen verschiedene schematische und teilweise geschnittene Ansichten einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 00 zur schmelzflussbasierten Alum iniumgewinnung unter Verwendung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kathode 10.
In den Fig. 1 A bis 1 D sind jeweils Schnitt- und Ansichtsebenen oder -linien A-A, B-B, C-C sowie D-D eingezeichnet, die die jeweils anderen Ansichten markieren und sich in Bezug auf den jeweils verwendeten Buchstaben auf die jeweilige Fig. 1 A bis 1 D beziehen.
Die in diesen Figuren 1 A bis 1 D vorgeschlagene Vorrichtung 1 00 zur schmelzflussbasierten Alum iniumgewinnung beruht auf einer erfindungsgemäßen Kathodenanordnung 1 0 m it einem Kathodenblock 1 0' mit einer zuunterst angeordneten Stromübertragungsschicht 1 1 und einer darüber liegenden und dem Prozessraum 20 - mit dem Schmelzflusselektrolysebad 20' aus dem geschmolzenen und flüssigen Alum inium 22 und dem darüber liegenden Bereich 21 mit dem Gem isch aus Kryolith und Alum iniumoxid - ausgesetzten Prozessschicht 12.
Die Stromübertragungsschicht 1 1 ist m it einer Oberseite 1 1 o und einer Unterseite 1 1 u ausgebildet, die gleichzeitig die Stromübertragungsseite 10u der Kathode 1 0 bildet. Die Stromübertragungsschicht 1 1 ist m it oder aus einem Stromübertragungsmaterial 1 1 ' ausgebildet, welches - im Vergleich zu der darüber vorgesehenen Prozessschicht 12 - einen niedrigeren oder besonders geringen elektrischen Widerstand aufweist und m ithin als niederohmig bezeichnet werden kann. Dieses Stromübertragungsmaterial 1 1 ' kann z. B. auf einem natürlichen oder synthetischen Graphit basieren oder aus diesem gebildet sein und insbesondere einen spezifischen elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur im Bereich von etwa 14 Ω pm bis etwa 20 Ω pm und vorzugsweise im Bereich von etwa 16 Ω pm bis etwa 1 8 Ω pm aufweisen.
An die Stromübertragungsschicht 1 1 als unterste Schicht schließt sich direkt die Prozessschicht 12 m it dem Prozessmaterial 12' in abrasionsresistenter Form an, wodurch deren Unterseite 12u und Oberseite 12o gebildet werden, wobei letztere gleichzeitig die Prozessseite 1 0o der Kathode 1 0 bildet.
Die Grenzfläche zwischen der Stromübertragungsschicht 1 1 und der Prozessschicht 12 wird gebildet von der Oberseite 1 1 o der Stromübertragungsschicht 1 1 und der Unterseite 12u der Prozessschicht 12 und ist in diesem Fall planar ausgebildet. Dies ist jedoch nicht zwingend. Vielmehr kann die Grenzfläche 1 1 o, 12u entsprechend den geometrischen Notwendigkeiten der Gesamtanordnung der Vorrichtung 1 00 gewählt und ausgebildet werden.
In das Stromübertragungsmaterial 1 1 ' der Stromübertragungsschicht 1 1 eingebettet ist noch eine Stromabnahme oder ein Stromsammeielement 1 3, z. B. in Form eines Stahlbarrens vorgesehen, der m it einer Gusseisenummantelung 14 zum Stromübertragungsmaterial 1 1 ' hin ausgebildet ist. An der Oberseite 1 0o oder Prozessseite 1 0o der Kathode 1 0, also im Bereich der Oberseite 12o der Prozessschicht 12 oder des Prozessmaterials 12' ist eine entsprechende Profilierung aus Ausnehmungen 1 0a, 12a und Erhebungen 1 0e, 12e, hier in Form so genannter Finnen 1 0f, 12f, ausgebildet.
In der Anordnung gemäß den Fig. 1 A bis 1 D ist die Kathode 1 0 in Form einer Mehrzahl von Kathodenblöcken 1 0' ausgebildet, so dass jeder der Blöcke 1 0' auf der Prozessseite 1 0o eine zentrale Ausnehmung 12az und zwei periphere Ausnehmungen 12ap und mithin zwei diese zentralen und peripheren Ausnehmungen 12az und 12ap begrenzenden Erhebungen 12e oder Finnen 12f aufweist.
Lateral benachbart und unterhalb der peripheren Ausnehmungen 12ap sind die so genannten Stampffugen 40 angeordnet, die die Nachbarschaft zu benachbarten Kathodenblöcken 1 0' der Kathode 1 0 realisieren und dabei aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften thermo-mechanische Spannungen aufnehmen und kompensieren, wenn näm lich die Vorrichtung 1 00 und insbesondere die Kathode 1 0 von Raumtemperatur auf die Betriebstemperatur im Bereich von üblicherweise bis zu 1 000°C aufgeheizt wird.
Die in den Fig. 1 A bis 1 D angegebenen Bemaßungen dienen ausschließlich der Illustration und sind nicht zwingend. Vielmehr können auch die im Rahmen der Beschreibung gegebenen Bemaßungsbereiche für die Auslegung der Schichtdicken, Abstände und dergleichen verwendet werden.
Die Fig. 2A bis 2D zeigen in analoger Art und Weise zu den Fig. 1 A bis 1 D eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 00 und der erfindungsgemäßen Kathode 1 0.
Während nämlich bei der Ausführungsform der Fig. 1 A und 1 D sich die Finnen 12f oder Erhebungen 10e, 12e in der gesamten Länge oder der y-Richtung, die in den Zeichnungen angedeutet ist, erstrecken und dort eine konstante Höhe he aufweisen, sind die Finnen 12f oder Erhebungen 1 0e, 12e bei der Ausführungsform der Fig. 2A bis 2D in der Längsrichtung oder y-Richtung nicht m it einer konstanten Höhe he ausgebildet, sondern in gestufter Art und Weise m it einer ersten und m it einer zweiten Höhe, die voneinander verschieden sind. Dabei hat also jede Erhebung 1 0e, 12e entlang der ersten Hälfte der Gesamtlänge in y-Richtung eine erste Höhe und entlang der zweiten Hälfte eine zweite Höhe. Dabei ist in der Abfolge der Blöcke 1 0' in der Kathode 1 0, also entlang der x-Richtung in den Fig. 2A bis 2D darüber hinaus eine Alternierung vorgesehen, so dass wechselweise oder schachbrettartig unterschiedliche Höhenverläufe für die einzelnen Erhebungen 1 0e, 12e ausgebildet sind, um so die Bewegung des Materials des Schmelzflussbades zu reduzieren.
Grundsätzlich sind auch andere Höhenprofilierungen denkbar, näm lich m it einer Mehrzahl weiterer Höhen für die Finnen 12f oder auch mit kontinuierlichen Höhenverläufen, also in abgeschrägter Form oder dergleichen.
Die Fig. 3A bis 3B zeigen unterschiedliche Ausgestaltungsformen für die Profilierung der Prozessseite 1 0o, also letztlich für die geometrische Ausgestaltungsform oder Querschnittsform der Ausnehmungen 1 0a, 12a und der Erhebungen 1 0e, 12e oder Finnen 12f.
Bei der Ausführungsform der Fig. 3A findet sich der Querschnittsverlauf wieder, der auch in den Fig. 1 A bis 1 D sowie 2A bis 2D wiedergegeben ist, also eine Anordnung, bei welcher die Ausnehmungen 1 0a, 12a und die Erhebungen 1 0e, 12e in Querschnitt im Wesentlichen rechteckig ausgebildet sind.
Bei der Ausführungsform der Fig. 3B besitzen die Ausnehmungen 1 0a, 12a und die Erhebungen 1 0e, 12e, abgerundete, also nicht rechtwinklige Kantenverläufe.
Bei der Ausführungsform der Fig. 3C sind für die Ausnehmungen 10a, 12a und die Erhebungen 1 0e, 12e dreieckförm ige Querschnittsverläufe vorgesehen, insgesamt also prismenförm ig. Bei der Anordnung gemäß der Fig. 3D werden als Erhebungen 1 0e, 12e konvexe Bereiche, quasi in Form von Zylinderabschnitten vorgesehen.
Bei der Anordnung der Fig. 3E zeigt die Abfolge aus Ausnehmungen 1 0a, 12a und Erhebungen 1 0e, 12e einen wellenartigen Verlauf, gegebenenfalls in Sinusform.
Fig. 4 zeigt in schematischer Draufsicht die geometrische Zuordnung aus mehreren Blöcken 1 0' bestehender Kathoden 1 0 und Anodenanordnungen 30. Lateral in x-Richtung deckt ein Block der Anodenanordnung 30 zwei Blöcke 1 0' der Kathode 1 0 ab, jedoch in y-Richtung nur bis zur Hälfte der Ausdehnung der Blöcke 10' der Kathode 1 0, so dass in y-Richtung zwei Reihen an Blöcken der Anodenanordnung 30 zur vollständigen Abdeckung des Kathodenblocks 1 0' notwendig sind.
Fig. 5 zeigt in schematischer und teilweise geschnittener Seitenansicht eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 00 zur schmelzflusselektrolysebasierten Alum iniumgewinnung unter Verwendung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kathode 1 0.
Bei ansonsten analogem Aufbau im Vergleich zu der Vorrichtung 1 00 gemäß den Fig. 1 A bis 1 D sind hier die Stampffugen 40, 40' nicht im Bereich einer Ausnehmung 10a, 12a oder Aussparung 1 0a, 12a, sondern jeweils im Bereich einer Erhebung 1 0e, 12e vorgesehen. BEZUGSZE ICHENLISTE
1 0 erfindungsgemäße Kathode
1 0' Kathodenblock
1 0a Ausnehmung
10e Erhebung, Steg, Grat
1 0o Prozessseite, Oberseite
1 0u Strom Übertragungsseite, Unterseite
1 1 Strom Übertragungsschicht
1 1 ' Strom Übertragungsmaterial
1 1 o Oberseite der Stromübertragungsschicht 1 1 , Grenzfläche
1 1 u Unterseite der Stromübertragungsschicht 1 1
12 Prozessschicht
12' Prozessmaterial
12a Ausnehmung
12az zentrale Ausnehmung
12ap periphere Ausnehmung
12e Erhebung, Steg, Grat
2f Finne, Grat
12o Oberseite der Prozessschicht 12
12u Unterseite der Prozessschicht 12, Grenzfläche
1 3 Stromabnahme, Stahlträger, Stromsammeielement
14 Eisenmantel
20 Prozessraum
20' Schmelzbad, Schmelze
21 Schmelze aus Kryolith und Alum iniumoxid
22 Schmelze aus Alum inium
30 Anodenanordnung, Anode
40 Kontakt- und Ausgleichselement
40' Stampffuge, Stampfmassenfuge
1 00 erfindungsgemäße Vorrichtung ba Breite einer Ausnehmung be Breite einer Erhebung
he Höhe einer Erhebung
D minimaler Abstand Kathode 1 0 zur Anodenanordnung 30
D' Abstand Kathode 1 0 zur Anodenanordnung 30 im Bereich einer
Erhebung mit geringerer Höhe
δ Abstand Anodenanordnung 30 zur Schmelze 22 aus Aluminium ta Tiefe einer Ausnehmung

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Kathode (10) für eine Elektrolysezelle zur Gewinnung von Aluminium aus seinem Oxid in einem Elektrolysebad, mit einer Prozessseite (10o), die im Betrieb dem Elektrolysebad (20') zugewandt ist, wobei die Kathode (10) geschichtet aufgebaut ist, mit einer ein Prozessmaterial (12') enthaltenden Prozessschicht (12), welche die Prozessseite (10o) der Kathode (10) teilweise oder vollständig bildet, und mit einer ein Stromübertragungsmaterial (11') enthaltenden Stromübertragungsschicht (11), wobei das Prozessmaterial (12') abrasionsresistenter als das Stromübertragungsmaterial (11') ist, wobei das Stromübertragungsmaterial (11') elektrisch leitfähiger als das Prozessmaterial (12') ist und wobei die Prozessseite (10o) durch eine oder mehrere Ausnehmungen (10a) und/oder Erhebungen (10e) profiliert ausgebildet ist.
2. Kathode (10) nach Anspruch 1, wobei die Prozessschicht (12) und insbesondere das Prozessmaterial (12') amorph ausgebildet ist, insbesondere mit oder aus oder auf der Grundlage eines Kohlenstoffmaterials und/oder auf der Grundlage kalzinierten Anthrazits, vorzugsweise mit einem vertikalen spezifischen elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur im Bereich von etwa 23 Ω·μΓη bis etwa 40 Ω-μΓΠ, weiter vorzugsweise im Bereich von etwa 25 Ω·μΓΠ bis etwa 35 Ω·μΓη.
3. Kathode (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Stromübertragungsschicht (11) und insbesondere das Stromübertragungsmaterial (11') mit, aus oder auf der Grundlage eines Kohlenstoffmaterials ausgebildet ist, insbesondere in graphitischer Form mit oder aus einem Graphit und/oder Graphitmaterial, vorzugsweise mit einem vertikalen spezifischen elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur, im Bereich von etwa 14 Ω-μηι bis etwa 20 Ω·μΓη, weiter vorzugsweise im Bereich von etwa 16 Ω·μΓΠ bis etwa 18 Ω·μΓη.
4. Kathode (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei
Ausnehmungen (10a) in oder auf der Prozessseite (10o) gebildet werden von Ausnehmungen (12a) in der Prozessschicht (12) und insbesondere im Prozessmaterial (12') und/oder wobei Erhebungen (10e) in oder auf der Prozessseite (10o) gebildet werden von Erhebungen (12e) in der Prozessschicht (12) und insbesondere im Prozessmaterial (12').
5. Kathode (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die
Prozessseite (10o) abschnittsweise planar und insbesondere die Ausnehmungen (10a) und/oder Erhebungen (10e) im Querschnitt im Wesentlichen rechteckig, quadratisch, bogenförmig, kreisabschnittförmig, trapezförmig oder dreieckig ausgebildet sind.
6. Kathode (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die
Prozessschicht (12) direkt auf der Stromübertragungsschicht (11) angeordnet ist und insbesondere die Grenzfläche zwischen der Prozessschicht (12) und der Stromübertragungsschicht (11), also eine Unterseite (12u) der Prozessschicht (12) und eine Oberseite (11o) der Stromübertragungsschicht (11) planar ausgebildet sind.
7. Kathode (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Tiefe ta einer Ausnehmung (10a, 12a) und die Breite ba einer Ausnehmung (10a, 12a) Werte mit einem Verhältnis im Bereich von etwa 1:3 bis etwa 1:1 und vorzugsweise mit einem Verhältnis im Bereich von etwa 1:2 bis etwa 1:1 annehmen, so dass in etwa die Beziehung (1)
\:3<ta:ba<\:\ (1) und insbesondere die Beziehung (1')
\:2<ta:ba<\:\ (1') erfüllt ist, wobei die Höhe he einer Erhebung (10e, 12e) und die Breite be einer Erhebung (10e, 12e) Werte mit einem Verhältnis im Bereich von etwa 1:2 bis etwa 2: 1 und vorzugsweise mit einem Verhältnis im Bereich von etwa 1 : 1 aufweisen oder annehmen, so dass in etwa die Beziehung (2)
1 : 2 < he : be < 2 : 1 (2) und insbesondere die Beziehung (2') he : be « 1 : 1 (2') erfüllt ist, und/oder wobei die Breite ba einer Ausnehmung (1 0a, 1 2a) und die Breite be einer Erhebung (1 0e, 12e) Werte mit einem Verhältnis im Bereich von etwa 1 : 1 bis etwa 4: 1 annehmen, so dass in etwa die Beziehung (3)
1 : 1 < ba : be < 4 : 1 (3) erfüllt ist.
8. Kathode (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Tiefe (ta) einer Ausnehmung (1 0a, 12a) Werte im Bereich von etwa 1 00 mm bis etwa 250 mm , vorzugsweise im Bereich von etwa 1 00 mm, die Breite (ba) einer Ausnehmung (1 0a, 12a) Werte im Bereich von etwa 140 mm bis etwa 200 mm , die Höhe (he) einer Erhebung (1 0e, 12e) Werte im Bereich von etwa 1 00 mm bis etwa 250 mm, vorzugsweise im Bereich von etwa 1 00 mm, und/oder die Breite (be) einer Erhebung (10e, 12e) Werte im Werte im Bereich von etwa 1 00 mm bis etwa 200 mm , vorzugsweise im Bereich von etwa 1 00 mm aufweisen.
9. Kathode (1 0) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kathode eine Mehrzahl von Kathodenblöcken (1 0') umfasst, insbesondere aus einer Mehrzahl von Kathodenblöcken (1 0') aufgebaut ist, wobei die Kathodenblöcke (1 0') insbesondere geometrisch und/oder strukturell gleich oder gleich wirkend aufgebaut sind und/oder in Bezug auf die Prozessseite (1 0o) und/oder die Stromabnahmeseite (1 0u) lateral zueinander benachbart angeordnet sind.
1 0. Kathode (1 0) nach Anspruch 9, wobei die Prozessseite (1 0o) zum indest eines Kathodenblocks (1 0'), insbesondere sämtlicher Kathodenblöcke (1 0'), durch eine oder mehrere Ausnehmungen (1 0a) und/oder Erhebungen (1 0e) profiliert ausgebildet ist.
1 1 . Kathode (1 0) nach Anspruch 9 oder 1 0, wobei zueinander direkt benachbarte Kathodenblöcke (1 0') einen Kontakt- und Ausgleichsbereich (40) zwischen sich aufweisen, welcher zur mechanischen Trennung, insbesondere zur Aufnahme thermo-mechanischer Spannungen ausgebildet und vorgesehen ist, insbesondere jeweils nach Art einer Stampffuge (40').
12. Kathode (1 0) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Erhebungen (1 0e, 12e) auf der Prozessseite (10o) und insbesondere in der Prozessschicht (12) und dem Prozessmaterial (12') als Finnen, Grate oder Stege (12f) ausgebildet sind, insbesondere in im Querschnitt im Wesentlichen rechteckiger Art und Weise, als konvexe Bereiche, als Undulationsbereiche, als Bereiche mit Prismenform , insbesondere m it dreieckiger oder trapezförmiger
Grundfläche und/oder als deren Kombinationen.
1 3. Kathode (1 0) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei vorgesehene Erhebungen (1 0e, 12e) und/oder Ausnehmungen (1 0a, 12a) entlang ihrer Längserstreckungsrichtung einen variierenden Querschnitt aufweisen, insbesondere eine variierende Höhe (he) bzw. Tiefe (ta).
14. Vorrichtung (1 00) zur schmelzflusselektrolysebasierten Aluminiumgewinnung, mit einer Anodenanordnung (30), mit einer Kathode (1 0) nach einem der Ansprüche 1 bis 1 3 und mit einem Schmelz- und Reaktionsraum (20) zwischen der Anodenanordnung (30) und der Kathode (1 0).
1 5. Vorrichtung (100) nach Anspruch 14, wobei der Abstand (D) zwischen der Kathode (1 0) und der Anodenanordnung (30) einen Wert im Bereich von etwa 20 mm bis etwa 200 mm, vorzugsweise im Bereich von etwa 40 mm bis etwa 70 mm aufweist oder annimmt, so dass in etwa die Beziehung (4)
20 mm <£><100 mm (4) und insbesondere in etwa die Beziehung (4')
40 mm <D<70 mm (4') erfüllt ist.
16. Verwendung einer Kathode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 bei einem Verfahren zur schmelzflussbasierten Metall- und insbesondere Aluminiumgewinnung, vorzugsweise im Rahmen einer Schmelzflusselektrolyse eines Kryolithbades nach einem Hall-Heroult-Prozess und einer Vorrichtung dafür.
17. Verwendung einer Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 14 oder 15 bei einem Verfahren zur schmelzflussbasierten Metall- und insbesondere Aluminiumgewinnung, vorzugsweise im Rahmen einer Schmelzflusselektrolyse eines Kryolithbades nach einem Hall-Heroult-Prozess.
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