EP2619351A1

EP2619351A1 - Elektrolysezelle zur gewinnung von aluminium

Info

Publication number: EP2619351A1
Application number: EP11757662.9A
Authority: EP
Inventors: Christian Bruch; Frank Hiltmann; Johann Daimer; Manfred Banek
Original assignee: SGL Carbon SE
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 2010-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2013-07-31
Also published as: CN103154325A; JP2013537939A; WO2012038426A1; RU2013118273A; CA2811553A1; DE102010041083A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle zur Gewinnung von Aluminium aus seinem Oxid, aufweisend eine Kathode (1) und mindestens eine Seitenwand (1a), welche zusammen ein Becken (1c) begrenzen, wobei im Inneren des Beckens (1c) mindestens eine Erhebung (1d) ausgebildet ist, die sich von der Kathode (1) oder einer Seitenwand (1a) in das Becken (1c) hinein erstreckt.

Description

Elektrolysezelle zur Gewinnung von Aluminium

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle zur Gewinnung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse.

Für die industrielle Gewinnung von Aluminium aus seinem Oxid wird gegenwärtig das so genannte "Hall-Heroult-Verfahren" eingesetzt. Hierbei handelt es sich um ein Elektrolyseverfahren, bei dem Aluminiumoxid (AI2O3) in geschmolzenem Kryolith (Na₃ [AIF₆]) gelöst wird und das so erzeugte Gemisch als Flüssigelektrolyt einer Elektrolysezelle dient. Der prinzipielle Aufbau einer solchen Elektrolysezelle zur Durchführung des Hall-Heroult-Verfahrens ist schematisch in den Figuren 1 a bis 1 c dargestellt, wobei Figur 1 a einen Querschnitt durch eine herkömmliche Zelle zeigt, während Figur 1 b eine Seitenansicht der Zelle von außen ist. Fig. 1 c zeigt eine perspektivische Ansicht einer Elektrolysezelle.

Mit dem Bezugszeichen 1 ist eine Kathode bezeichnet, welche beispielsweise aus Graphit, Anthrazit oder einer Mischung daraus aufgebaut sein kann. Alternativ dazu können auch graphitierte Kathoden auf Koksbasis eingesetzt werden. Die Kathode 1 ist im Allgemeinen in eine Einfassung 2 aus Stahl und/oder Feuerfestmaterial oder dergleichen eingebettet. Die Kathode 1 kann sowohl einstückig als auch aus einzelnen Kathodenblöcken aufgebaut sein.

Über die Länge der Zelle hinweg ist in die Kathode 1 eine Anzahl an Stromzuführungsbarren 3 eingeführt, wobei in der Querschnittansicht der Figur 1 a nur ein einziger Stromzuführungsbarren 3 zu erkennen ist. In Fig. 1 c ist zu sehen, dass je Kathodenblock beispielsweise zwei Stromzuführungsbarren vorgesehen sein können. Die Stromzuführungsbarren dienen dazu, der Zelle den für den Elektrolyseprozess benötigten Strom zuzuführen. Der Kathode 1 gegenüber befinden sich mehrere typischerweise quaderförmige Anoden 4, wobei in Figur 1 a zwei Anoden 4 schematisch dargestellt sind. Fig. 1 c zeigt eine detailliertere Anordnung der Anoden in einer Elektrolysezelle. Bei der Durchführung des Verfahrens wird durch Anlegen einer Spannung zwischen der Kathode 1 und den Anoden 4 das in Kryolith gelöste Aluminiumoxid in Aluminium- und Sauerstoffionen aufgespaltet, wobei sich die Aluminiumionen zum geschmolzenen Aluminium - elektrochemisch gesehen der eigentlichen Kathode - bewegen, um dort Elektronen aufzunehmen. Wegen der höheren Dichte sammelt sich Aluminium 5 in flüssiger Phase unterhalb des geschmolzenen Gemisches 6 aus Aluminiumoxid und Kryolith an. Die Sauerstoffionen werden an der Anode zu Sauerstoff reduziert, der mit dem Kohlenstoff der Anoden reagiert.

Mit den Bezugszeichen 7 und 8 sind schematisch die negativen bzw. positiven Pole einer Spannungsquelle für die Zufuhr der bei dem Elektrolysepro- zess benötigten Spannung, deren Wert zwischen beispielsweise etwa 3,5 und 5 V liegt, bezeichnet.

Wie in der Seitenansicht der Figur 1 b zu erkennen ist, weist die Einfassung 2 und somit die gesamte Elektrolysezelle eine längliche Form auf, wobei zahlreiche Stromzuführungsbarren 3 waagerecht durch die Seitenwände der Einfassung 2 geführt sind. Typischerweise liegt die Längsausdehnung gegenwärtig im Einsatz befindlicher Zellen zwischen etwa 8 und 15 m, während die Breitenausdehnung etwa 3 bis 4 m beträgt. Eine Kathode, wie sie hier in Figur 1 a gezeigt ist, ist beispielsweise in der EP 1845174 offenbart.

Die bei dem Elektrolyseverfahren verwendeten Stromstärken von heutzutage bis zu 600 kA bedingen einen hohen Energiebedarf. Die damit verbundenen Kosten stellen einen Großteil der Verfahrenskosten der beschriebenen Schmelzflusselektrolyse dar. Diese Kosten zu reduzieren, bildet eine der wesentlichen Aufgaben, welche im Bereich der Schmelzflusselektrolyse zu bewältigen sind.

Einen Faktor, der für den Energieverbrauch bestimmend ist, stellt der notwendige Abstand zwischen den Oberflächen der Anoden und des flüssigen Aluminiums in der Elektrolysezelle dar. Die Anode bzw. die Anoden müssen von der Oberfläche des Aluminiums ausreichend beabstandet sein, um einen Kurzschluss zwischen den Anoden und den Kathodenblöcken über das Aluminium zu vermeiden. Die Anoden können theoretisch sehr nahe an die Ober- fläche des flüssigen Aluminiums herangefahren werden, wenn dieses in Ruhe ist. Aufgrund der bei der Schmelzflusselektrolyse über die Stromzuführungsbarren in die Kathode eingeleiteten hohen Ströme werden jedoch elektromagnetische Felder hervorgerufen, welche durch ihre Wechselwirkungen in das flüssige Aluminium Strömungen und Wellenbewegungen induzieren.

Diese Wellenbewegungen bedingen, dass ein im Vergleich zu einer ruhenden Aluminiumoberfläche erhöhter Sicherheitsabstand der Anode(n) eingehalten werden muss, um Kurzschlüsse und die unerwünschte Rückreaktion (Oxida- tion) des Aluminiums zu Aluminiumoxid zu vermeiden. Zudem verursachen die Wellenbewegungen lokal verstärkten Verschleiß der Kathode, wodurch die Lebensdauer der gesamten Elektrolysezelle verringert wird.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Elektrolysezelle zur Gewinnung von Aluminium anzugeben, mit der sich die beschriebene Wellenbildung bei der Schmelzflusselektrolyse reduzieren lässt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Elektrolysezelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Gemäß den Ausführungsformen der Erfindung weist eine Elektrolysezelle zur Gewinnung von Aluminium aus seinem Oxid eine Kathode und mindestens eine Seitenwand auf, welche zusammen ein Becken begrenzen, wobei im Inneren des Beckens mindestens eine Erhebung ausgebildet ist, die sich von der Kathode oder einer Seitenwand in das Becken hinein erstreckt.

Im Sinne der Erfindung wird der Begriff„Kathode" ganz allgemein aufgefasst. Es kann sich dabei z.B. - aber nicht ausschließlich - um einen sogenannten Kathodenboden handeln, der aus einer Mehrzahl von Kathodenblöcken aufgebaut ist, so dass die erfindungsgemäßen Kernaspekte - nämlich die oben beschriebene Ausbildung von Erhebungen - von diesem Kathodenboden als Ganzes realisiert werden. Mit dem Begriff Kathode sollen aber auch die einen solchen Kathodenboden bildenden Teilstrukturen im Sinne von Kathoden- blocken angesprochen sein. Alle Merkmale, die in Verbindung mit einer„Kathode" zur Erfindung beitragen können, tun dieses in derselben Weise in Verbindung mit einem„Kathodenblock", ohne dass dies im Folgenden jeweils ausdrücklich erläutert werden müsste.

Die mindestens eine Erhebung fungiert dabei als eine Art Wellenbrecher, der die Wellenbewegung reduziert und damit zu einer Beruhigung der Oberfläche des flüssigen Aluminiums beiträgt. Mit anderen Worten stellt die mindestens eine Erhebung ein bewusst eingesetztes Hindernis dar, um die Flüssigkeitsströmung im Inneren des Beckens der Kathode im Sinne einer Dämpfung bzw. Hemmung zu beeinflussen.

Da mittels der Erhebung(en) das schmelzflüssige Aluminium im Inneren des Kathodenbeckens beruhigt werden kann, ist es möglich, die Anode einer Elektrolysezelle, die nach den Ausführungsformen der Erfindung ausgebildet ist, näher an die Oberfläche des flüssigen Aluminiums heranzuführen, wodurch sich die energetische Effizienz der Elektrolysezelle steigern lässt. Hierdurch lassen sich die spezifischen Energiekosten deutlich reduzieren. Die Reduzierung des Anoden-Kathoden-Abstandes, genauer des Abstandes der Anoden zum flüssigen Aluminium, kann auch genutzt werden, um die Stromstärke zu erhöhen und so die Produktivität der Elektrolysezelle zu erhöhen. Zudem wird der Abtrag von Kathodenmaterial durch mechanische Einflüsse (Abrasion), welche durch die Flüssigkeitsbewegung bedingt ist, gemindert. Hierdurch kann eine erhöhte Standzeit der Kathode erreicht werden.

Was die Größe sowie die Lage der Erhebung bzw. der Erhebungen betrifft, so ist diese zumindest teilweise von der konkreten Geometrie des Beckens der Elektrolysezelle sowie von der Art der Stromzuführung zur Kathode der Elektrolysezelle abhängig. Für eine gegenwärtig übliche Zelle mit einer Länge zwischen etwa 8 und 15 m und einer Breite von etwa 3 bis 4 m hat es sich als geeignet herausgestellt, wenn die mindestens eine Erhebung etwa 5 cm und 50 cm über die herkömmliche Kathodenoberfläche herausragt.

Bei einer beispielhaften Ausgestaltung der Elektrolysezelle sind mehrere Er- hebungen vorhanden, welche in Abständen zueinander angeordnet sind. Auf diese Weise kann die Aufgabe der Strömungsunterbrechung auf mehrere Erhebungen verteilt werden, so dass eine größere Homogenität der Flüssigkeit bezüglich ihrer Bewegung erzielt wird.

Generell können die Erhebungen von der Kathode oder von der mindestens einen Seitenwand aus in Richtung des Zentrums der Elektrolysezelle verlaufen, bzw. in das Becken hineinragen. Eine Verankerung im Bereich einer der beiden Wände kann vorteilhaft sein. Im Hinblick auf die zuverlässige Unterdrückung von Wellenbewegungen in dem flüssigen Aluminium hat es sich als günstig erwiesen, wenn sich die mindestens eine Erhebung von einer Seite aus in das Innere des Beckens hinein erstreckt.

Bei den gegenwärtig üblichen Elektrolysezellen, bei denen das Becken in Draufsicht eine Rechteckform mit je einer Seitenwand an jeder Seite aufweist, sind vorzugsweise Erhebungen an beiden Seitenwänden vorgesehen, die in das Innere des Beckens ragen. Eine Symmetrie der Anordnung bezüglich der Längsachse der Elektrolysezelle wirkt im Hinblick auf die Homogenität innerhalb der Flüssigkeit positiv. Weiter ist es möglich, die Erhebungen so auszubilden, dass sie mit einer Unterkante, also derjenigen Kante, welche der Kathode am nächsten ist, von der Kathode beabstandet ist.

Es hat sich aber im Rahmen der Erfindung gezeigt, dass sich

überraschenderweise auch eine Anordnung von Erhebungen in

unregelmäßigen Abständen vorteilhaft auswirken kann, insbesondere zur Unterdrückung von Wellenbewegungen im flüssigen Aluminium.

Häufig ist die Kathode und/oder die mindestens eine Seitenwand nicht aus einem einzigen Block geformt, sondern setzt sich aus mehreren Bauteilen zusammen, die über Stampfmasse oder Kleber miteinander verbunden sind. So kann die mindestens eine Seitenwand aus mehreren Seitenwandblöcken zusammengesetzt sein, die Kathode aus mehreren Kathodenblöcken. Zwischen den Kathodenblöcken und/oder Seitenwandblöcken erstrecken sich bei dieser Ausführung beispielsweise Klebe- oder Stampffugen. Die Stampfmas- sen sind im allgemeinen aus einer Mischung aus Kohlenstoffkörnern und Steinkohlenteer oder Steinkohlenteerpech hergestellt, welche durch Stampfung hoch verdichtet zwischen die Blöcke eingebracht werden, um die Zwischenräume abzudichten.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung können die Stampfmassen der Halterung der Erhebung(en) an der Kathode und/oder Seitenwand dienen. Dazu ist die mindestens eine Erhebung mit einem Ende über die Stampfmasse in einer Stampffuge aufgenommen. Diese Ausgestaltung ist insbesondere im Hinblick auf Fertigungsgesichtspunkte von Vorteil, da die Erhebungen beim Arbeitsschritt der Fugenabdichtung integriert werden können. Es ist in diesem Fall keine zusätzliche Halterung bzw. kein zusätzliches Haftmittel zur Befestigung der Erhebung an der Kathode und/oder Seitenwand nötig.

Im Sinne der bereits erwähnten Symmetrie und Homogenität ist es bei der vorgenannten Ausführungsform günstig, wenn in jeder der Fugen zwischen den Seitenwandblöcken und/oder Kathodenblöcken eine Erhebung aufgenommen ist.

Was die weiteren Abmessungen der mindestens einen Erhebung betrifft, so kann sich diese beispielsweise vorteilhaft zwischen etwa 5 cm und etwa 50 cm tief in das Innere des Beckens erstrecken, insbesondere zwischen etwa 10 und 20 cm. Der Ausdruck "tief" bezieht sich im Rahmen der Erfindung auf eine Dimension senkrecht zu derjenigen Seitenwand, von der aus sich die Erhebung erstreckt, und parallel zur Bodenwand. Bei einer Elektrolysezelle mit rechteckigem Becken ist dies die Richtung von der Seitenwand auf die Längsachse bzw. die Breitenachse der Kathode zu, bei einer kreisförmigen Elektrolysezelle entsprechend die Radialrichtung. Der genannte Tiefenbereich hat sich als hinreichend für die zuverlässige Dämpfung der Wellenbewegung in einem Kathodenbecken der vorstehend genannten Größe erwiesen.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann die mindestens eine Erhebung im Querschnitt eine Rechteckform mit abgerundeten Kanten aufweisen. Die abgerundeten Kanten sind dabei im Hinblick auf die Unterdrückung der Entstehung von Wirbeln in dem flüssigen Aluminium hilfreich. Alternativ kann die Ausführung in abgeschrägter Form ausgeführt werden, um entstehende Wellen„auflaufen" zu lassen, (s. Fig. 4)

Die mindestens eine Erhebung kann beispielsweise aus Kohlenstoff oder Graphit hergestellt sein. Vorteilhaft können auch Materialkombinationen, insbesondere graphit- oder kohlenstoffhaltige Verbundwerkstoffe, wie etwa CFC- Materialen (carbon fiber reinforced carbon), oder Platten bzw. Folien aus komprimiertem oder teilkomprimiertem expandiertem Graphit sein. Dies bedeutet, dass das Material der mindestens einen Erhebung demjenigen der Kathode selbst ähnlich ist. Auf diese Weise wird nicht in den Vorgang der Schmelzflusselektrolyse bzw. in die chemischen Verhältnisse im Inneren der Kathode eingegriffen. Vorteilhaft kann im Hinblick darauf, den Stromverlauf in der Kathode möglichst wenig zu beeinflussen, die mindestens eine Erhebung eine niedrigere elektrische Leitfähigkeit aufweisen als die Kathode und/oder Seitenwände.

Es kann vorteilhaft sein, dass die Erhebungen einen Schichtaufbau aufweisen. Ein derartiger Schichtaufbau kann beispielsweise mit den oben genannten Materialien bewerkstelligt sein. Insbesondere kann eine mittlere Schicht ein CFC-Material enthalten oder daraus aufgebaut sein, und können äußere Schichten komprimierten expandierten Graphit enthalten. Durch derartige Materialkombinationen kann mechanischen Spannungen und chemischen Beanspruchungen besonders gut begegnet werden.

Es kann des Weiteren vorteilhaft sein, dass die äußeren Schichten nicht oder kaum über die Fuge hinausragen, so dass die in das Innere des Beckens hineinragende Erhebung zumindest im Wesentlichen aus einer mittleren Schicht gebildet ist, während die äußeren Schichten die Aufgabe übernehmen, die mittlere Schicht in der Fuge zu halten. So kann eine CFC-Schicht, die in das Innere des Beckens hineinragt, von komprimiertem expandiertem Graphit oder kohlenstoffhaltiger Stampfmasse als äußeren Schichten in der Fuge gehalten werden. Es kann in einer weiteren Ausführungsform vorteilhaft sein, die mindestens eine Erhebung als lösbare Erhebung vorzusehen. Als lösbare Erhebung wird im Rahmen der Erfindung eine Erhebung bezeichnet, die nicht durch eine Materialverbindung mit einer Kathode und/oder einer Seitenwand verbunden ist, sondern durch eine Vorrichtung, die ein Lösen ermöglicht. Eine

Materialverbindung wäre stattdessen die schon genannte Einbindung in eine Stampfmasse oder eine einstückige Herstellung einer Erhebung zusammen mit einem Kathoden- oder Seitenwandblock. Die Ausführungsform der lösbaren Erhebung hat stattdessen eine Verbindung zum Inhalt, bei der eine Verbindung zwischen Erhebung und Kathode und/oder Seitenwand mechanischer Natur ist. Diese Verbindungen können zumindest in einem Einbauzustand, in dem noch keine chemische oder mechanische Zerstörung durch den Zellenbetrieb erfolgt ist, wieder gelöst werden.

Vorzugsweise ist die mindest eine lösbare Erhebung als verschraubbare Erhebung ausgebildet. Zu diesem Zweck ist eine Erhebung vorgesehen, die mittels zumindest einer Gewinde-Einheit an der Kathode und/oder einer Seitenwand befestigbar ist bzw. im Einsatz an diesen befestigt ist. Die Gewinde-Einheit wird im Folgenden der Einfachheit halber mit„Schraube" bezeichnet.

Die Schraube kann vorteilhaft einstückig mit der Erhebung ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass die Schraube mechanisch besonders fest mit der Erhebung verbunden ist.

Alternativ kann die Schraube vorteilhaft getrennt von der Erhebung ausgebildet sein. Dadurch lassen sich Schraube und Erhebung mit geringem technischem Aufwand und somit kostengünstig produzieren.

Desweiteren lässt sich die zumindest eine Erhebung bei getrennter

Ausbildung von Erhebung und Schraube mit zumindest zwei Schrauben an Kathode und/oder Seitenwand befestigen. Dies hat den Vorteil, dass eine Erhebung besonders gezielt hinsichtlich einer möglichen Ausrichtung der Erhebung relativ zu der Elektrolysezelle positioniert werden kann. Außerdem lassen sich mechanisch besonders feste Verbindungen erzielen. Es kann vorteilhaft sein, die Schraube aus dem gleichen Material wie die Erhebung und/oder die mit der Erhebung zu verschraubende Kathode und/oder Seitenwand vorzusehen. Gleiches Material ist insbesondere hinsichtlich thermischem Ausdehungsverhalten vorteilhaft, da sich so mechanische Spannungen vermeiden lassen. Auch liegt dadurch ein ähnliches Korrosionsverhalten der Schraube und der Erhebung und/oder Kathode bzw. Seitenwand vor.

Das Gewinde der Schraube kann auf verschiedene bevorzugte Weisen ausgebildet sein. Im Folgenden wird derjenige Teilbereich des Gewindes, der im Einsatz innerhalb der Erhebung angeordnet ist, als Oberbereich

bezeichnet und derjenige Teilbereich des Gewindes, der im Einsatz innerhalb der Kathode bzw. einer Seitenwand angeordnet ist, als Basisbereich.

Bevorzugt ist der Basisbereich konisch ausgebildet. Dies erleichtert ein Einschrauben der Schraube bzw. der Erhebung mitsamt der Schraube in die Kathode bzw. Seitenwand.

Im Fall der einstückigen Ausbildung von Schraube und Erhebung befindet sich der Oberbereich vollständig einstückig innerhalb der Erhebung.

In der getrennten Variante von Schraube und Erhebung kann es vorteilhaft sein, dass der Oberbereich konisch ausgebildet ist. Dies ist für eine einfache und schnelle Verschraubung der Erhebung von Vorteil.

In einer Variante besitzt der Oberbereich ein zylindrisches Gewinde. Dies kann von Vorteil sein, um das Auftreten von mechanischen Spannungen zu minimieren. Bei dieser Variante kann die Erhebung vorteilhaft ein

Durchgangsgewinde zur Aufnahme einer Schraube aufweisen. Dies ermöglicht, die Schraube mittels einer Schraubvorrichtung, wie einem herkömmlichen Schraubendreher, durch die Erhebung hindurch in eine Kathode oder Seitenwand einzudrehen. Durch entsprechende Anordnung von Gewindelöchern in der Kathode und/oder Seitenwand lassen sich insbesondere bei Vorliegen von zumindest zwei Löchern pro Erhebung exakte Positionen von festgeschraubten Erhebungen realisieren.

Basisbereich und Oberbereich können je nach Anforderung, Erreichbarkeit der Schraubstelle innerhalb der Elektrolysezelle und anderen Bedingungen, wie etwa auch Bearbeitungseigenschaften des Schraubenmaterials, weitere gewünschte Gewindegeometrien aufweisen.

Die für eine Verschraubung notwendigen Gewindelöcher lassen sich sowohl bereits bei einer Fertigung von Kathodenblöcken, Seitenwandblöcken und Erhebungen in diese einbringen also auch in einer Elektrolysezelle vor Ort. Ein Einbringen bei der Fertigung selbst hat den Vorteil einer präzisen

Arbeitsweise. Es können effiziente Fertigungsmethoden angewandt werden. Ein Einbringen vor Ort hat den Vorteil hoher Flexibilität. So lassen sich etwa je nach Bedarf Elektrolysezellen mit Erhebungen gezielt nachrüsten.

Weitere geeignete lösbare Verbindungen können Spann- und/oder

Klemmverbindungen sein, wie etwa Spannriegel, Spiralexzenter,

Federverbindungen und ähnliche mechanische Verbindungen. Anstelle der oben erwähnten Gewindelöcher zur Anordnung der Erhebungen sind entsprechende Strukturierungen, Löcher oder ähnliches in den Kathodenbzw. Seitenwandblöcken vorgesehen, um diese Verbindungen lösbar an vorbestimmten Stellen der Kathoden- und/oder Seitenwandblöcke zu befestigen.

Die Materialien der lösbaren Verbindungen sind bevorzugt dieselben

Materialien wie diejenigen der Erhebungen und/oder der Kathode bzw.

Seitenwandblöcke selbst. Alternativ sind auch andere gegenüber der

Einsatztemperatur und den chemischen Einflüssen beständige herkömmliche Materialien aus der Gruppe der Kohlenstoff- oder Graphitprodukte oder Keramiken oder anderer bekannter Hochtemperaturmaterialien denkbar.

Gewünschte Positionen und Ausrichtungen der Erhebungen lassen sich empirisch oder durch Simulationsrechnungen bestimmen. Die Erfindung wird nunmehr detaillierter mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung anhand eines nicht beschränkenden Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 a eine Elektrolysezelle für die Gewinnung von Aluminium aus

Aluminiumoxid nach dem Stand der Technik im Querschnitt,

Fig. 1 b die Elektrolysezelle von Fig. 1 a in einer Längsansicht von

außen,

Fig. 1 c eine Elektrolysezelle für die Gewinnung von Aluminium aus

Aluminiumoxid nach dem Stand der Technik in perspektivischer Ansicht, teilgeschnitten

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts einer

Elektrolysezelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts einer

Elektrolysezelle gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 den Querschnitt erfindungsgemäßer Erhebungen.

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts einer Elektrolysezelle gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts einer Elektrolysezelle gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts einer Elektrolysezelle gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung, eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts einer Elektrolysezelle gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung, eine Draufsicht und eine Schnittansicht einer verschraubbaren Erhebung, eine Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform einer verschraubbaren Erhebung eine perspektivische Ansicht einer weiteren alternativen

Ausführungsform einer verschraubbaren Erhebung eine perspektivische Ansicht einer Schraube für eine verschraubbare Erhebung gemäß Fig. 9c, und eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform einer Schraube für eine verschraubbare Erhebung gemäß Fig. 9c.

In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen dazu eingesetzt, gleiche oder entsprechende Elemente in den verschiedenen Darstellungen zu kennzeichnen.

Mit Bezug auf Figur 2 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle, die in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 100 gekennzeichnet ist, in perspektivischer Darstellung abgebildet. Die hier gezeigte Kathode 1 und Seitenwand 1 a sind dafür geeignet, in einer Elektrolysezelle, wie sie in den Figuren 1 a bis 1 c dargestellt ist, anstelle der dort gezeigten Kathode 1 und Seitenwand 1 a eingesetzt zu werden. Wie dies zu erkennen ist, ist die Seitenwand 1 a in diesem Ausführungsbeispiel nicht einstückig aufgebaut, sondern umfasst zwei sich parallel zueinander erstreckende Seitenwände 1 a, die aus einzelnen Seitenwandblöcken 1 a1 gebildet sind. Auf ähnliche Weise ist eine Kathode 1 aus mehreren Kathodenblöcken 1 b1 zusammengesetzt. Die Seitenwände 1 a und die Kathode 1 begrenzen zusammen ein Becken 1 c. Seitenwände an Schmalseiten des

Beckens (parallel zur Bildebene der Figur 2) sind in der Figur nicht dargestellt. Dieser Beckenaufbau entspricht dem gegenwärtig üblichen Aufbau einer Kathode. Die hier gezeigte Ausgestaltung der Elektrolysezelle 100 ist jedoch nicht zwingend. Ebenso kann die Form des Kathodenbeckens beispielsweise rund oder quadratisch sein.

Wesentlich im Rahmen der Erfindung ist, dass in das Becken 1 c der Elektrolysezelle 100 Erhebungen 1 d hineinragen, die sich von der Kathode 1 und/oder von der Seitenwand 1 a oder den Seitenwänden 1 a aus erstrecken können. In der gezeigten Ausführungsform sind mehrere Erhebungen 1 d vorhanden, die in Längsrichtung der Kathode 1 (senkrecht zur Bildebene der Figur 2) in gleichen Abständen zueinander angebracht sind. Obgleich in der Darstellung nur drei Erhebungen 1 d an der linken Seitenwand 1 a gezeigt sind, ist anzumerken, dass es aus Symmetriegründen günstig ist, die Erhebungen 1 d an beiden Seitenwänden auszubilden. Im gezeigten Beispiel wurde auf die Darstellung der rechtsseitigen Erhebungen lediglich zugunsten der Deutlichkeit der Figur verzichtet.

Wie dies zu erkennen ist, sind die Erhebungen 1 d jeweils im Bereich von Fugen, so genannten "Stampffugen" 1 e positioniert, welche so genannt werden, weil bei der Zusammenfügung der Kathode 1 aus den Kathodenblöcken 1 a1 und der Seitenwand 1 a aus den Seitenwandblöcken 1 a1 diese Fugen durch Stampfung mit einer Masse abgedichtet werden, welche analog als Stampfmasse 1f bezeichnet wird. Die Stampfmasse 1f wirkt im gezeigten Beispiel nicht nur als Dichtungsmittel, sondern dient gleichzeitig der Befestigung der Erhebungen 1 d im Bereich der Seitenwände 1 a. Bei der Herstellung der Kathode 1 können die Erhebungen 1 d von der Oberseite her zusammen mit der Stampfmasse 1f in die Stampffugen 1 e so eingestampft werden, dass sie, wie gezeigt, mit einem Ende in der jeweiligen Fuge 1 e aufgenommen sind, während ein zweites Ende in das Innere des Beckens 1 c hineinragt. Im gezeigten Beispiel sind die Erhebungen 1 d von der jeweiligen Seitenwand 1 a aus zur Längsachse L der Kathode hin gerichtet. Werden, wie herkömmlich üblich, die Seitenwandblöcke nicht durch Stampfen verbunden, werden die Erhebungen beispielsweise durch Stampfmasse oder Kleber in den Fugen zwischen den Seitenwandblöcken fixiert.

Wie dies weiter zu erkennen ist, erstreckt sich eine Unterkante 1 d1 der jeweiligen Erhebungen 1 d dabei nicht parallel zur Kathode 1 , sondern ist gegenüber derselben gekippt. Auf diese Weise besteht zwischen der Kathode 1 und der Erhebung 1 d ein keilförmiger Spalt, der bewirkt, dass beim Einsatz flüssiges Aluminium auch unter der Erhebung 1 d hindurch fließen kann. Dies kann unter Strömungsgesichtspunkten von Vorteil sein.

In Fig. 3 ist eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels dargestellt, bei der Erhebungen 1 d statt von der Seitenwand 1 a von den Kathodenblöcken 1 b1 in das Innere des Beckens 1 c hineinragen. In dieser Variante sind die Erhebungen 1 d paarweise gegeneinander versetzt angeordnet, was zu einer gezielten Beeinflussung von Strömungsverhältnissen vorteilhaft sein kann.

Bei den Erhebungen 1 d kann es sich um Formkörper handeln, die vorzugsweise aus Anthrazit, Graphit oder einem sonstigen Kohlenstoffmaterial bestehen. Vorteilhafterweise besitzt das Material der Erhebungen 1 d eine geringere elektrische Leitfähigkeit als dasjenige der Kathode 1 oder Seitenwände 1 a. Zudem ist vorteilhaft, wenn das Material eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischem Abtrag (Abrasion) aufweist, so dass die Erhebungen 1 d vorzugsweise mindestens dieselbe Lebensdauer wie die Kathode 1 selbst aufweisen, damit sie nicht häufiger erneuert werden müssen als die Kathode 1 und/oder Seitenwände 1 a der Elektrolysezelle. Alternativ können für die Erhebungen 1 d beispielsweise CFC-Materialen oder Platten bzw. Folien aus komprimiertem expandiertem Graphit verwendet werden.

Es kann vorteilhaft sein, dass die Erhebungen einen Schichtaufbau aufwei- sen. Ein derartiger Schichtaufbau kann beispielsweise mit den oben genannten Materialien bewerkstelligt sein. Insbesondere kann eine mittlere Schicht ein CFC-Material enthalten oder daraus aufgebaut sein, und können äußere Schichten komprimierten expandierten Graphit enthalten. Durch derartige Materialkombinationen kann mechanischen Spannungen und chemischen Beanspruchungen besonders gut begegnet werden.

Es kann des Weiteren vorteilhaft sein, dass die äußeren Schichten nicht oder kaum über die Fuge hinausragen, so dass die in das Innere des Beckens hineinragende Erhebung zumindest im Wesentlichen aus einer mittleren Schicht gebildet ist, während die äußeren Schichten die Aufgabe übernehmen, die mittlere Schicht in der Fuge zu halten. So kann eine CFC-Schicht, die in das Innere des Beckens hineinragt, von komprimiertem expandiertem Graphit oder kohlenstoffhaltiger Stampfmasse als äußeren Schichten in der Fuge gehalten werden.

Die hier gezeigte Anordnung und Form der Erhebungen ist lediglich als nicht beschränkendes Beispiel zu verstehen. Es handelt sich hierbei um eine Kathode, die im Zusammenhang mit der in den Figuren 1 a bis 1 c gezeigten Elektrolysezelle einsetzbar ist, bei welcher die Stromleitung im Kathodenbereich über die Stromzuführungsbarren 3 parallel den Kathodenblöcken 1 b1 der Kathode 1 erfolgt. Grundsätzlich sind jedoch auch Ausführungsformen denkbar, bei denen die Stromführung in Vertikalrichtung senkrecht zu einer Unterseite der Kathode 1 erfolgt. Die am besten geeignete Anordnung der Erhebungen der Kathode bei jeder spezifischen Ausführungsform von Elektrolysezellen kann auf einfache Weise dadurch ermittelt werden, dass die Hauptbereiche erhöhter Abnutzung der jeweiligen Kathode betrachtet werden. Der Fachmann kann dann ohne weiteres unter Berücksichtigung der Strömungslehre geeignete Positionen sowie Formen für die Erhebungen 1 d ermitteln. Beispiele vorteilhafter Erhebungen sind in Fig. 4 im Querschnitt dargestellt.

Gemäß einer alternativen Ausführung des Ausführungsbeispiels sind die Erhebungen statt in den Fugen 1 e angeordnet, mit den Kathoden 1 bzw. Seitenwandblöcken 1 a1 verschraubt.

Dazu werden Erhebungen 1 d eingesetzt, wie sie beispielsweise in den Figuren 9a und 9b dargestellt sind. In einer ersten Variante sind Erhebungen 1 d einstückig mit einer Gewinde-Einheit 9 versehen (Fig. 9a), wobei lediglich ein Basisbereich 10 aus der Erhebung 1 d ragt.

In einer zweiten Variante, die in Fig. 9b dargestellt ist, ist die Gewinde-Einheit 9 getrennt von der Erhebung hergestellt, und ihr Oberbereich 1 1 ist mit seinem Gewinde 12 in ein passendes Gegengewinde der Erhebung 1 d eingeschraubt. Bei beiden Varianten lassen sich die einschraubbaren

Erhebungen 1 d in Seitenwandblöcke 1 a1 wie in Fig. 5 dargestellt

einschrauben.

In einer weiteren Variante der einschraubbaren Erhebung 1 d, die in Fig. 9c dargestellt ist, ist die mindestens eine Erhebung 1 d mit zwei

Durchgangslöchern mit Gewinde versehen. In die Durchgangslöcher sind Schrauben 9 eingedreht, die sich mittels einer Nut 13 und einem

entsprechenden Schraubwerkzeug (nicht dargestellt) bis in Gegengewinde beispielsweise der Kathode 1 eindrehen lassen. In Fig. 9c sind Schrauben 9 dargestellt, die in ihrem Oberbereich 1 1 eine zylindrische Geometrie besitzen, in ihrem Basisbereich 10, der in die Kathode 1 eingedreht ist, dagegen konisch ausgebildet sind. Die Schraube 9 allein ist auch in Fig. 10a

dargestellt.

Fig. 10b zeigt eine Variante der Schraube 9, bei der Oberbereich 14 und Basisbereich 15 ein einziges durchgehendes konisches Gewinde aufweist.

Die Figuren 6 bis 8 zeigen, wie insbesondere mit einer derartigen zweifachen Verschraubung eine Vielzahl von Positionen und Ausrichtungen von

Erhebungen 1 d in der Elektrolysezelle 100 möglich sind.

In Fig. 6 sind Erhebungen 1 d verschiedener Größe rechtwinklig zum

Kathodenboden, aber in unregelmäßigen Abständen von der Seitenwand 1 a angeordnet.

In Fig. 7 sind Erhebungen 1 d in einem schrägen Anstellwinkel an den

Seitenwandblöcken 1 a1 festgeschraubt.

In Fig. 8 sind Erhebungen 1 d ähnlich Fig. 7 statt an der Seitenwand 1 an der Kathode in schrägen Winkeln festgeschraubt.

Die exakten Positionen und Winkel sind je nach vorherrschendem Fließprofil innerhalb der Elektrolysezelle durch Computersimulation optimiert festgelegt. Die Positionen mehrerer Erhebungen sind nicht notwendigerweise

symmetrisch in der Elektrolysezelle oder bei den einzelnen Kathodenblöcken jeweils gleich verteilt. Derartige individuelle Positionen lassen sich

beispielsweise durch Gewindebohren in der ansonsten fertig zugestellten Elektrolysezelle realisieren.

Was die Materialien für Kathode betrifft, so können alle dem Fachmann bekannten und geeigneten Materialien für die Elektrolyse von Aluminium aus seinem Oxid eingesetzt werden. Geeignete Materialien sind beispielsweise in der DE 10261745 angegeben, deren diesbezüglicher Inhalt hier durch Bezugnahme integriert sein soll. Als besonders günstig hat sich in diesem Zusammenhang Graphit aufgrund seiner Temperaturbeständigkeit sowie aufgrund seines geringen spezifischen elektrischen Widerstandes erwiesen.

Mit einer Elektrolysezelle gemäß den Ausführungsformen der Erfindung lässt sich die Verlustleistung an derselben bei der Durchführung einer Schmelzflusselektrolyse zur Gewinnung von Aluminium durch Unterdrückung der Wellenbildung in der erzeugten Aluminiumschmelze deutlich reduzieren. Darüber hinaus reduziert sich auch der mechanische Verschleiß der Kathode, da die Flüssigkeitsbewegungen des Aluminiums reduziert werden. Bezugszeichenliste

1 Kathode

1 a Seitenwand

1 a1 Seitenwandblock

1 b1 Kathodenblock

1 c Becken

1 d Erhebung

1 e Stampffugen

1f Stampfmasse

2 Einfassung

3 Stromzuführungsbarren

4 Anode

5 Aluminium

6 Gemisch (Aluminiumoxid, Kryoiith)

6a Kruste aus erstarrtem Gemisch 6

7 negativer Pol Spannungsquelle

8 positiver Pol Spannungsquelle

9 Gewinde-Einheit, Schraube

10 Basisbereich der Schraube

1 1 Oberbereich der Schraube

12 Gewinde

13 Nut

100 Elektrolysezelle

Claims

Patentansprüche

1. Elektrolysezelle zur Gewinnung von Aluminium aus seinem Oxid, aufweisend eine Kathode (1 ) und mindestens eine Seitenwand (1 a), welche zusammen ein Becken (1 c) begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Beckens (1 c) mindestens eine Erhebung (1 d) ausgebildet ist, die sich von der Kathode (1 ) oder einer Seitenwand (1 a) in das Becken (1 c) hinein erstreckt.

2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Erhebung (1 d) zwischen etwa 5 cm und 50cm über die Kathode (1 ) und/oder die Wand (1 a) herausragt.

3. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Erhebungen (1 d) vorhanden sind, welche in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen zueinander angeordnet sind.

4. Elektrolysezelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Becken (1 c) in Draufsicht eine Rechteckform mit je einer Seitenwand (1 a) an jeder Längsseite aufweist, wobei von beiden Seitenwänden (1 a) aus Erhebungen (1 d) in das Innere des Beckens (1 c) ragen.

5. Elektrolysezelle nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Seitenwand (1 a) Seitenwandblöcke (1 a1 ) umfasst.

6. Elektrolysezelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (1 ) eine Mehrzahl von Kathodenblöcken (1 b1 ) umfasst.

7. Elektrolysezelle nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen Seitenwandblöcken (1 a1 ) und/oder Kathodenblöcken (1 b1 ) mit Stampfmasse (1f) gefüllte Stampffugen(l e) erstrecken, wobei die min- destens eine Erhebung (1 d) mit einem Ende über die Stampfmasse (1 f) in einer Stampffuge (1 e) aufgenommen ist.

8. Elektrolysezelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder der Stampffugen (1 e) zwischen den Seitenwandblöcken (1 a1 ) eine Erhebung (1 d) aufgenommen ist.

9. Elektrolysezelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Erhebung (1 d) im Querschnitt eine Rechteckform mit abgerundeten Kanten aufweist.

10. Elektrolysezelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Erhebung (1 d) mit Anthrazit, Kohlenstoff oder Graphit hergestellt ist.

11. Elektrolysezelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Erhebung (1 d) aus CFC-Material und/oder zumindest teilweise komprimiertem expandierten Graphit hergestellt ist.

12. Elektrolysezelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Erhebung (1 d) einen Schichtaufbau aufweist.

13. Elektrolysezelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine mittlere Schicht des Schichtaufbaus über die Kathode (1 ) und/oder Seitenwand (1 a) hinausragt und äußere Schichten in der Fuge (1 e) aufgenommen sind.

14. Elektrolysezelle nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Schicht CFC-Material aufweist und/oder die äußeren Schichten zumindest teilweise komprimierten expandierten Graphit und/oder

Stampfmasse aufweisen.

15. Elektrolysezelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Erhebung (1 d) eine niedrigere spezifische elektrische Leitfähigkeit aufweist als die Kathode (1 ) und/oder die Seitenwände (1 a) der Elektrolysezelle.

16. Elektrolysezelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindest eine Erhebung (1 d) als lösbare Erhebung (1 d) vorgesehen ist.

17. Elektrolysezelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindest eine Erhebung (1 d) als verschraubbare Erhebung (1 d) vorgesehen ist.

18. Elektrolysezelle nach nach einem oder mehreren der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebung (1 d) mittels zumindest einer Gewinde-Einheit (9) an der Kathode (1 ) und/oder einer Seitenwand (1 a) der Elektrolysezelle befestigt ist.