EP2619353A1 - Cathode for electrolysis cells - Google Patents

Cathode for electrolysis cells

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Publication number
EP2619353A1
EP2619353A1 EP11761552.6A EP11761552A EP2619353A1 EP 2619353 A1 EP2619353 A1 EP 2619353A1 EP 11761552 A EP11761552 A EP 11761552A EP 2619353 A1 EP2619353 A1 EP 2619353A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cathode
pins
aluminum
busbar
electrolysis
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Withdrawn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
EP11761552.6A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Christian Bruch
Frank Hiltmann
Johann Daimer
Manfred Banek
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 EP2619353A1 publication Critical patent/EP2619353A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25CPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/16Electric current supply devices, e.g. bus bars
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25CPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/08Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes

Definitions

  • the invention relates to a cathode for an electrolytic cell for the production of aluminum by fused-salt electrolysis.
  • FIGS. 1 a to 1 c show a perspective view of an electrolytic cell.
  • the reference numeral 1 denotes a cathode, which may be constructed, for example, from graphite, anthracite or a mixture thereof. Alternatively, graphitized coke-based cathodes can also be used.
  • the cathode 1 is generally embedded in a skirt 2 of steel and / or refractory or the like. The cathode 1 can be constructed in one piece as well as from individual cathode blocks.
  • a number of power supply bars 3 are introduced into the cathode 1, wherein only a single power supply bar 3 can be seen in the cross-sectional view of FIG. 1a.
  • Fig. 1 c can be seen that each cathode block, for example, two power supply bars can be provided.
  • the power supply bars serve to supply the cell with the electricity needed for the electrolysis process.
  • Fig. 1 c shows a more detailed arrangement of the anodes in an electrolytic cell.
  • the aluminum oxide dissolved in cryolite is split into aluminum and oxygen ions by electric current flow, the aluminum ions moving to the molten aluminum - seen electrochemically as the actual cathode - to electrons there take.
  • aluminum 5 accumulates in the liquid phase below the melt 6 of alumina and cryolite.
  • the oxygen ions are reduced at the anode to oxygen, which reacts with the carbon of the anodes.
  • reference numerals 7 and 8 are schematically the negative and positive poles of a voltage source for the provision of the
  • Electrolysis process required voltage whose value is between about 3.5 and 5 V, characterized.
  • the enclosure 2 and thus the entire electrolysis cell has an elongated shape, with numerous power supply bars 3 are guided vertically through the side walls of the enclosure 2.
  • the longitudinal extent of currently deployed cells is between about 8 and 15 meters, while the width dimension is about 3 to 4 meters.
  • a cathode, as shown here in FIG. 1 a, is disclosed, for example, in EP 1845174.
  • a cathode for an electrolytic cell for recovering aluminum from its oxide with a bottom is provided, according to embodiments of the invention, with a plurality of pins for a power supply, the pins contacting the underside of the cathode during operation in a current-supplying manner.
  • cathode is understood to be quite general, which may be, for example but not exclusively, a so-called “cathode” Act cathode base, which is composed of a plurality of cathode blocks, so that the core aspects of the invention - namely the above-described current-supplying contacting the bottom of the cathode with a plurality of pins from below - are realized by this cathode bottom as a whole.
  • cathode is also intended to refer to the substructures forming such a cathode bottom in the sense of cathode blocks. All the features which may contribute to the invention in connection with a "cathode” do so in the same way in connection with a "cathode block", without this having to be explicitly explained in the following.
  • a power supply to the cathode from below is realized by the pins.
  • the power supply to the cathode can be made much more homogeneous than was previously possible by a few power supply bars from the side into the cathode.
  • such a homogeneous current distribution can be given a particularly homogeneous characteristic in that the pins are designed in accordance with the desired current flow (for example in cross-section) and arranged.
  • the pins may be arranged regularly and / or at equal distances to the adjacent pins.
  • pens can also be arranged specifically according to patterns or distribution schemes, so that an inhomogeneous current distribution in the cathode is counteracted. This can be advantageous, for example, in edge regions of the cathode.
  • At least one of the pins contacts the underside at an angle of less than 30 ° to the vertical of the underside, in particular substantially perpendicularly.
  • Such an arrangement is technically particularly simple and therefore inexpensive executable and is particularly uncomplicated in terms of load distribution and mechanical design of the pins.
  • the pins open into the cathode. This means that one of the cathode or its underside facing the end of the respective pin in a mounted state is partially within the cathode. As a result, a particularly good electrical contact of the pen is achieved to the cathode.
  • This may for example comprise an arrangement in which the cathode rests on the pins, wherein the pins do not open into the cathode. It can be improved by carbonaceous or metallic compounds such as carbonized pitch, electrically conductive adhesive or carbon masses, the electrical contact between the pin and the bottom of the cathode.
  • the pins are inserted by a screw in the bottom of the cathode. This allows, for example, a pre-assembly of the pins in the cathode before the cathode is installed in an electrolytic cell. Furthermore, a particularly secure hold and, if necessary, an uncomplicated removal for maintenance or renewal is ensured.
  • the screw through a thread on a End of the pin, which faces the bottom of the cathode, and formed a mating thread in the bottom of the cathode. Since no additional screwing devices are required for this variant, but the pin itself is a screwing device, a particularly uncomplicated and material-saving screwing device is provided.
  • such threaded pins can advantageously correspond to the geometry of threaded nipples for graphite electrodes for electrical steel production.
  • this geometry has proven to be particularly good.
  • the pins are made of graphite.
  • a high thermal stability of the pins and a low electrical resistance can be achieved, which results in a better energy efficiency in carrying out the melt electrolysis.
  • the pins have a length between about 100 mm and 500 mm.
  • pins One way to influence the current distribution in the cathode, represents the choice of the cross section of the pins. On the one hand, the more homogeneous the power distribution, the more pins are used and the thinner these pins. However, a lower limit will be limited by the costs and Zes defined a variety of pins. In practice, pins of a diameter between about 30 mm and 200 mm have proven to be particularly suitable in this regard. It should be noted that the individual choice is to be adapted to the structural features of the respective present cathode shape, so that it may optionally be advantageous to use pins with other dimensions.
  • an advantage of a cathode according to the embodiments of the invention is to be able to influence the current conduction in the cathode in the sense of greater homogeneity.
  • One means of doing this is to put the pins as close as possible. For example, it has proven to be beneficial if there are between about 4 and about 100 pins per square meter of bottom wall of the cathode.
  • a plurality of pins each at its end applied by the cathode with a common bus bar via, for example, a
  • the bus bars are spaced from the cathode by a distance corresponding to the length of the unthreaded pins. It must be ensured that due to the thermal expansion of the material of the busbar (metal), the screw connection must be designed so that act on the pins, not too large mechanical stresses.
  • Such a metallic screw connection between a pin and a busbar can be easily realized by those skilled in the field of connection technology, which is why the details should not be discussed in more detail here.
  • the bus bars are spaced from the cathode itself, it is not necessary for the bus bars to be made of a thermally stable material.
  • the busbars would not be made of iron, steel or the like.
  • the common bus bar may be made of a material containing more than 50% copper or aluminum contains. Both copper and aluminum have a lower electrical resistivity than iron or steel, so that the
  • busbars may also be made of pure copper or pure aluminum, or of only slightly alloyed copper or aluminum.
  • the specific electrical resistance to the steel used to date can be reduced to about a quarter.
  • the underside of the cathode is in the form of downwardly tapered trapezoidal bodies.
  • the current introduced from below is introduced homogeneously and uniformly into the cathode.
  • at least some of the cathode blocks of the cathode have such a downwardly tapered trapezoidal body, which advantageously extend parallel to each other.
  • the trapezoidal bodies may extend, for example, in the longitudinal direction of the cathode or perpendicular thereto.
  • the distance between the hot cathode basin or cathode and busbar can be further increased, so that in operation at the location of the busbar substantially lower temperatures prevail than in the area of the cathode basin.
  • Fig. 1 a an electrolytic cell for the extraction of aluminum
  • Fig. 1b the electrolytic cell of Fig. 1 a in a longitudinal view of
  • FIG. 1 c shows an electrolysis cell for the extraction of aluminum from aluminum oxide according to the prior art in a perspective view, partially cut away;
  • FIG. 1 c shows an electrolysis cell for the extraction of aluminum from aluminum oxide according to the prior art in a perspective view, partially cut away;
  • Fig. 2a is a perspective view of a cathode according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 2b shows a representation of the cathode of Figure 2a from a rotated by 90 ° perspective ..
  • Fig. 3 is a sectional view of a screw connection of an electrolytic cell according to the invention.
  • an electrolysis cell with an embodiment of a cathode according to the invention is shown from respectively different perspectives.
  • the cathode shown is suitable for use in the recovery of aluminum from alumina according to the previously described Hall-Heroult process.
  • side walls 1 a are arranged on the cathode 1 .
  • the side walls 1 a may be integrally formed with the cathode 1 or connected to it and extend in the case shown along the longitudinal side of the cathode first
  • the side walls 1 a are composed in this example of individual side wall blocks 1 a1.
  • the cathode 1 is composed of individual cathode blocks 1 b1.
  • a basin 1 c is limited, in which in the use of the cathode in a process for melt flow electrolysis of the liquid electrolyte and the aluminum melt produced are recorded.
  • the underside 1 g of the cathode 1 is trapezoidal in the form of downwardly tapered trapezoidal bodies 1 d formed, which extend parallel to each other along the width b of the cathode.
  • the trapezoidal bodies are flat here below.
  • pins 1 e are fixed in this.
  • the pins are designed as threaded pins similar threaded nipples for connecting graphite electrodes for electrical steel production, as can be seen schematically in Fig. 3.
  • connecting means may be selected, for example a clamping connection.
  • the setscrews 1 e here have a circular cross-section, which is advantageous from the point of view of the homogeneity of the current density.
  • the pins 1 e have, by way of example, a slight zigzag shape with regard to their distribution.
  • a shape of the cathode 1 with trapezoidal bodies 1 d is shown on its lower side 1 g, this configuration is not mandatory. Rather, the bottom 1 g of the cathode 1 may be configured flat, as well as the top of the cathode first In such an embodiment, the pins 1 e may be arranged in any form on the underside.
  • the pins may be arranged in a line.
  • a plurality of such linearly arranged pins can also be arranged parallel to one another.
  • pins 1 e which are arranged along a trapezoidal body 1 d, are connected at their lower sides, ie at the sides facing away from the cathode 1 sides with a common busbar 3, for example, again by screwing.
  • a common busbar 3 for example, again by screwing.
  • Fig. 3 is a possible screw of a pin 1 e with the busbar 3 is shown.
  • busbar 3 Since the busbar 3, as seen in the figures, from the basin 1 c of the cathode 1 and thus in operation from the high temperature range is spaced, the temperature against which the busbar 3 must be resistant, much lower than those temperatures which the busbars in the embodiments of the prior art according to Figures 1 a to 1 c prevail.
  • the busbars 3 are outsourced here from the high-temperature zone and can therefore be made of a less temperature-resistant but, for example, more electrically conductive material than steel.
  • the busbars 3 are formed of an aluminum alloy. Alternatively, known copper alloys can be used.
  • the trapezoidal bodies 1 d shown also act in the sense of increasing the distance between the basin 1 c of the cathode 1 and the busbars 3.
  • An optionally too strong dissipation of heat of not only electrically, but also very good thermal conductivity metals can preferably be met by suitable design, in particular geometric design.
  • busbars 3 in each case a plurality of busbars 3 (in each case three busbars 3) are connected to a common busbar 10 which leads to a voltage source (not shown).
  • busbar 10 and busbars 3 may be made of the same materials, for example. In an alternative, a one-piece embodiment is possible.
  • the pins 1 e may be attached, for example in the form of a regular grid on the bottom. This is particularly favorable in view of the already mentioned homogeneity of the current flow.
  • the pins 1 e can in particular be made of the same materials as the cathode 1. Graphite has proved to be particularly favorable in this context due to its temperature resistance and because of its low electrical resistivity.

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Abstract

The invention relates to a cathode (1) for an electrolysis cell for obtaining aluminium from its oxide, comprising a lower side (1g). According to the invention, the cathode (1) is provided with a number of rods (1f) for a power supply, said rods contacting the lower side (1g) of the cathode (1) from below during operation in a power-supplying manner.

Description

Kathode für Elektrolysezellen  Cathode for electrolysis cells
Die Erfindung betrifft eine Kathode für eine Elektrolysezelle zur Gewinnung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse. The invention relates to a cathode for an electrolytic cell for the production of aluminum by fused-salt electrolysis.
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 in 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. For the industrial extraction of aluminum from its oxide is currently the so-called "Hall-Heroult process" used. This is an electrolysis process in which aluminum oxide (Al 2 O 3 ) is dissolved in molten cryolite (Na 3 [AIF 6 ]) and the mixture thus produced serves as a liquid electrolyte in an electrolysis cell. The basic structure of such an electrolysis cell for carrying out the Hall-Heroult process is shown schematically in FIGS. 1 a to 1 c, FIG. 1 a showing a cross section through a conventional cell, while FIG. 1 b is a side view of the cell from the outside. Fig. 1 c shows a perspective view of an electrolytic cell.
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. The reference numeral 1 denotes a cathode, which may be constructed, for example, from graphite, anthracite or a mixture thereof. Alternatively, graphitized coke-based cathodes can also be used. The cathode 1 is generally embedded in a skirt 2 of steel and / or refractory or the like. The cathode 1 can be constructed in one piece as well as from individual cathode blocks.
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 durch elektrischen Stromfluss in Aluminium- und Sauerstoffionen aufgespalten, 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 der Schmelze 6 aus Aluminiumoxid und Kryolith an. Die Sauerstoffionen werden an der Anode zu Sauerstoff reduziert, der mit dem Kohlenstoff der Anoden reagiert. Across the length of the cell, a number of power supply bars 3 are introduced into the cathode 1, wherein only a single power supply bar 3 can be seen in the cross-sectional view of FIG. 1a. In Fig. 1 c can be seen that each cathode block, for example, two power supply bars can be provided. The power supply bars serve to supply the cell with the electricity needed for the electrolysis process. Opposite the cathode 1 there are several cuboidal anodes 4, wherein two anodes 4 are shown schematically in FIG. 1a. Fig. 1 c shows a more detailed arrangement of the anodes in an electrolytic cell. In the By carrying out the process, by applying a voltage between the cathode 1 and the anodes 4, the aluminum oxide dissolved in cryolite is split into aluminum and oxygen ions by electric current flow, the aluminum ions moving to the molten aluminum - seen electrochemically as the actual cathode - to electrons there take. Because of the higher density, aluminum 5 accumulates in the liquid phase below the melt 6 of alumina and cryolite. The oxygen ions are reduced at the anode to oxygen, which reacts with the carbon of the anodes.
Mit den Bezugszeichen 7 und 8 sind schematisch die negativen bzw. positiven Pole einer Spannungsquelle für die Bereitstellung der bei dem By the reference numerals 7 and 8 are schematically the negative and positive poles of a voltage source for the provision of the
Elektrolyseprozess benötigten Spannung, deren Wert zwischen etwa 3,5 und 5 V liegt, gekennzeichnet. Electrolysis process required voltage whose value is between about 3.5 and 5 V, characterized.
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 senkrecht 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. As can be seen in the side view of Figure 1 b, the enclosure 2 and thus the entire electrolysis cell has an elongated shape, with numerous power supply bars 3 are guided vertically through the side walls of the enclosure 2. Typically, the longitudinal extent of currently deployed cells is between about 8 and 15 meters, while the width dimension is about 3 to 4 meters. A cathode, as shown here in FIG. 1 a, is disclosed, for example, in EP 1845174.
Die hohe Bindungsenergie zwischen Aluminium und Sauerstoff sowie Wärme- und Widerstandsverluste bedingen bei der Herstellung von Aluminium über die Schmelzflusselektrolyse einen hohen Energiebedarf. Die damit verbundenen Energiekosten stellen einen Großteil der Verfahrenskosten dar. Diese Kosten zu reduzieren, stellt eine der wesentlichen Aufgaben dar, welche im Bereich der Schmelzflusselektrolyse zu bewältigen sind. The high binding energy between aluminum and oxygen as well as heat and resistance losses require a high energy requirement in the production of aluminum via fused-salt electrolysis. The associated energy costs represent a large part of the process costs. Reducing these costs is one of the essential tasks to be accomplished in the field of fused-salt electrolysis.
Einen Faktor für eine niedrige Energieeffizienz stellen die bereits erwähnten Stromzuführungsbarren dar, welche u. a. aufgrund der hohen bei der One factor for low energy efficiency are the already mentioned power supply bars, which u. a. due to the high at the
Schmelzflusselektrolyse auftretenden Temperaturen herkömmlicherweise aus Stahl hergestellt sind. Gegenüber anderen elektrischen Leitern, die in anderen technischen Anwendungen bei niedrigen Temperaturen eingesetzt werden können, wie Aluminium und Kupfer, besitzt Stahl jedoch einen höheren spezifischen elektrischen Widerstand. Des Weiteren bedingt die herkömmlicherweise seitliche horizontale Zuführung des elektrischen Stromes über die Stromzuführungsbarren eine inhomogene Stromverteilung in der Kathode. Melting flux electrolysis temperatures occurring conventionally Steel are made. However, steel has a higher electrical resistivity than other electrical conductors that can be used in other low temperature engineering applications, such as aluminum and copper. Furthermore, the conventionally lateral horizontal supply of the electric current via the power supply bars causes an inhomogeneous current distribution in the cathode.
Im Stand der Technik können außerdem die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Kathode und Stromzuführungsbarren zu Problemen beim Anfahren und Betrieb der Elektrolysezelle führen, insbesondere wenn den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten beim Kontaktieren, dem sogenannten "Eingießen" mit flüssigen Gusseisen, nicht durch geeignete Maßnahmen Rechnung getragen wird. In addition, in the prior art, the different coefficients of thermal expansion of the cathode and power supply bars can lead to problems during startup and operation of the electrolytic cell, especially if the different coefficients of thermal expansion during contact, the so-called "pouring" with liquid cast iron, are not taken into account by suitable measures.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Kathode für eine Elektrolysezelle zur Gewinnung von Aluminium anzugeben, mit der die oben geschilderten Probleme des Stands der Technik überwunden werden, mit der sich insbesondere die Energieeffizienz gegenüber herkömmlichen Elektrolysezellen erhöhen lässt und gleichzeitig eine homogenere kathodische Stromdichteverteilung erreicht werden kann. It is an object of the invention to provide a cathode for an electrolytic cell for the production of aluminum, which overcomes the above-described problems of the prior art, which in particular can increase the energy efficiency compared to conventional electrolysis cells and at the same time a more homogeneous cathodic current density distribution can be achieved can.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kathode mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. This object is achieved by a cathode with the features of claim 1. Preferred embodiments are specified in the subclaims.
Eine Kathode für eine Elektrolysezelle zur Gewinnung von Aluminium aus seinem Oxid mit einer Unterseite ist gemäß Ausführungsformen der Erfindung mit einer Mehrzahl von Stiften für eine Stromzuführung versehen, wobei die Stifte von unten die Unterseite der Kathode im Betrieb stromzuführend kontaktieren. A cathode for an electrolytic cell for recovering aluminum from its oxide with a bottom is provided, according to embodiments of the invention, with a plurality of pins for a power supply, the pins contacting the underside of the cathode during operation in a current-supplying manner.
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 stromzuführende Kontaktierung der Unterseite der Kathode mit einer Mehrzahl von Stiften von unten - 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. 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. For the purposes of the invention, the term "cathode" is understood to be quite general, which may be, for example but not exclusively, a so-called "cathode" Act cathode base, which is composed of a plurality of cathode blocks, so that the core aspects of the invention - namely the above-described current-supplying contacting the bottom of the cathode with a plurality of pins from below - are realized by this cathode bottom as a whole. The term cathode, however, is also intended to refer to the substructures forming such a cathode bottom in the sense of cathode blocks. All the features which may contribute to the invention in connection with a "cathode" do so in the same way in connection with a "cathode block", without this having to be explicitly explained in the following.
Anders als nach dem Stand der Technik wird durch die Stifte eine Stromzuführung zur Kathode von unten verwirklicht. Mittels der Anzahl von Stiften von unten kann die Stromzufuhr zur Kathode sehr viel homogener gestaltet werden, als bisher durch wenige Stromzuführungsbarren von der Seite her in die Kathode möglich war. Unlike the prior art, a power supply to the cathode from below is realized by the pins. By means of the number of pins from the bottom, the power supply to the cathode can be made much more homogeneous than was previously possible by a few power supply bars from the side into the cathode.
Im Fall einer beispielsweise ebenen Kathodenunterseite kann eine solche homogene Stromverteilung beispielsweise eine besonders homogene Ausprägung dadurch erfahren, dass die Stifte entsprechend dem gewünschten Stromfluss ausgelegt (z.B. nach Querschnitt) und angeordnet sind. Beispielsweise können die Stifte regelmäßig und/oder mit jeweils gleichen Abständen zu den benachbarten Stiften angeordnet sein. Stifte können aber auch gezielt nach Mustern oder Verteilungsschemata angeordnet sein, so dass einer inhomogenen Stromverteilung in der Kathode entgegengewirkt wird. Dies kann beispielsweise in Randbereichen der Kathode von Vorteil sein. For example, in the case of a cathode bottom which is flat, such a homogeneous current distribution can be given a particularly homogeneous characteristic in that the pins are designed in accordance with the desired current flow (for example in cross-section) and arranged. For example, the pins may be arranged regularly and / or at equal distances to the adjacent pins. However, pens can also be arranged specifically according to patterns or distribution schemes, so that an inhomogeneous current distribution in the cathode is counteracted. This can be advantageous, for example, in edge regions of the cathode.
Zudem lässt sich durch eine solche Anordnung mit einer Anzahl von Stiften bei der Durchführung des Schmelzflusselektrolyseverfahrens auch eine reduzierte Wellenbildung im flüssigen Aluminium, das sich auf der Kathode ansammelt, erreichen. Der Grund hierfür liegt darin, dass diese Wellenbildung, wie bekannt ist, durch horizontale Ströme im flüssigen Aluminium, hervorgerufen durch eine inhomogene kathodische Stromverteilung, und deren Wech- selwirkung mit dem Magnetfeld erzeugt wird. Durch mittels Querschnitt, Anzahl und Verteilung der Stifte erzieltes elektrisches und magnetisches Design kann diese unerwünschte Wechselwirkung reduziert bzw. minimiert werden. In addition, such an arrangement with a number of pins in carrying out the fused-salt electrolysis process can also achieve a reduced wave formation in the liquid aluminum which accumulates on the cathode. The reason for this is that this wave formation, as is known, by horizontal currents in the liquid aluminum, caused by an inhomogeneous cathodic current distribution, and their alternating is generated with the magnetic field. By achieved by means of cross-section, number and distribution of the pins electrical and magnetic design, this undesirable interaction can be reduced or minimized.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform kontaktiert zumindest einer der Stifte, insbesondere alle Stifte, die Unterseite mit einem Winkel von weniger als 30° zur Senkrechten der Unterseite, insbesondere im Wesentlichen senkrecht. Eine derartige Anordnung ist technisch besonders einfach und damit kostengünstig ausführbar und ist hinsichtlich Lastenverteilung und mechanischer Auslegung der Stifte besonders unkompliziert. According to a preferred embodiment, at least one of the pins, in particular all the pins, contacts the underside at an angle of less than 30 ° to the vertical of the underside, in particular substantially perpendicularly. Such an arrangement is technically particularly simple and therefore inexpensive executable and is particularly uncomplicated in terms of load distribution and mechanical design of the pins.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Kathode münden die Stifte in die Kathode. Dies bedeutet, dass sich ein der Kathode bzw. ihrer Unterseite zugewandtes Ende des jeweiligen Stifts in einem montierten Zustand teilweise innerhalb der Kathode befindet. Dadurch wird ein besonders guter elektrischer Kontakt des Stifts zur Kathode erzielt. In an advantageous embodiment of the cathode, the pins open into the cathode. This means that one of the cathode or its underside facing the end of the respective pin in a mounted state is partially within the cathode. As a result, a particularly good electrical contact of the pen is achieved to the cathode.
Alternativ sind jedoch auch andere Kontaktierungsvarianten denkbar, die ebenso von der Erfindung umfasst sind. Dies kann beispielsweise eine Anordnung umfassen, bei der die Kathode auf den Stiften aufliegt, wobei die Stifte nicht in die Kathode münden. Dabei kann durch kohlenstoffhaltige oder metallische Verbindungen, wie carbonisiertes Pech, elektrisch leitfähige Kleber oder Kohlenstoffmassen, der elektrische Kontakt zwischen Stift und Unterseite der Kathode verbessert werden. Alternatively, however, other Kontaktierungsvarianten are conceivable, which are also included in the invention. This may for example comprise an arrangement in which the cathode rests on the pins, wherein the pins do not open into the cathode. It can be improved by carbonaceous or metallic compounds such as carbonized pitch, electrically conductive adhesive or carbon masses, the electrical contact between the pin and the bottom of the cathode.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Stifte durch eine Schraubverbindung in die Unterseite der Kathode eingefügt. Dies ermöglicht beispielsweise eine Vormontage der Stifte in der Kathode, bevor die Kathode in einer Elektrolysezelle verbaut wird. Des Weiteren werden ein besonders sicherer Halt und bei Bedarf eine unkomplizierte Entfernung für Wartung oder Erneuerung gewährleistet. According to a particularly preferred embodiment of the invention, the pins are inserted by a screw in the bottom of the cathode. This allows, for example, a pre-assembly of the pins in the cathode before the cathode is installed in an electrolytic cell. Furthermore, a particularly secure hold and, if necessary, an uncomplicated removal for maintenance or renewal is ensured.
Besonders vorteilhaft ist die Schraubverbindung durch ein Gewinde an einem Ende des Stifts, das der Unterseite der Kathode zugewandt ist, und ein Gegengewinde in der Unterseite der Kathode gebildet. Da für diese Variante keine zusätzlichen Schraubvorrichtungen vonnöten sind, sondern der Stift selbst eine Schraubvorrichtung darstellt, ist eine besonders unkomplizierte und materialsparende Schraubvorrichtung geschaffen. Particularly advantageous is the screw through a thread on a End of the pin, which faces the bottom of the cathode, and formed a mating thread in the bottom of the cathode. Since no additional screwing devices are required for this variant, but the pin itself is a screwing device, a particularly uncomplicated and material-saving screwing device is provided.
Derartige Gewindestifte können hinsichtlich ihrer Geometrie vorteilhaft der Geometrie von Gewindenippeln für Graphitelektroden zur Elektrostahlherstel- lung entsprechen. Bezüglich Stromverteilung, mechanischer Festigkeit und Verschraubbarkeit hat diese Geometrie sich als besonders gut erwiesen. With regard to their geometry, such threaded pins can advantageously correspond to the geometry of threaded nipples for graphite electrodes for electrical steel production. With regard to current distribution, mechanical strength and screwability, this geometry has proven to be particularly good.
In thermischer und elektrischer Hinsicht ist es besonders günstig, Gewindestifte aus dem gleichen Material wie die Kathode herzustellen. Somit werden mechanische Spannungen und Kontaktwiderstände minimiert. In thermal and electrical terms, it is particularly advantageous to produce threaded pins of the same material as the cathode. Thus, mechanical stresses and contact resistance are minimized.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Stifte aus Graphit hergestellt. Hierdurch lässt sich eine hohe thermische Stabilität der Stifte sowie ein geringer elektrischer Widerstand erzielen, was in einer besseren Energieeffizienz bei der Durchführung der Schmelzflusselektrolyse resultiert. According to a preferred embodiment, the pins are made of graphite. As a result, a high thermal stability of the pins and a low electrical resistance can be achieved, which results in a better energy efficiency in carrying out the melt electrolysis.
Je länger die Stifte, desto weiter sind die Stromschienen, welche sie mit Strom versorgen, von der Kathode und somit vom Bereich der hohen Verfahrenstemperaturen entfernt. Auch nimmt mit zunehmender Entfernung die Stärke der durch den Stromfluss im Inneren der massiven Stromschienen hervorgerufenen elektromagnetischen Felder ab, was wiederum günstig für die Vermeidung der bereits erwähnten Wellenbildung in der Aluminiumschmelze ist. In dieser Hinsicht hat es sich als besonders geeignet erwiesen, wenn die Stifte eine Länge zwischen etwa 100 mm und 500 mm aufweisen. The longer the pins, the further away the busbars which supply them with power are removed from the cathode and thus from the region of high process temperatures. Also decreases with increasing distance, the strength of the caused by the current flow in the interior of the solid busbars electromagnetic fields, which in turn is favorable for the avoidance of the already mentioned wave formation in the aluminum melt. In this regard, it has been found to be particularly suitable when the pins have a length between about 100 mm and 500 mm.
Eine Möglichkeit, die Stromverteilung in der Kathode zu beeinflussen, stellt die Wahl des Querschnitts der Stifte dar. Einerseits wird die Stromverteilung umso homogener, je mehr Stifte eingesetzt werden und je dünner diese Stifte sind. Eine untere Grenze wird jedoch durch Kosten und Aufwand des Einsat- zes einer Vielzahl von Stiften definiert. In der Praxis haben sich diesbezüglich Stifte eines Durchmessers zwischen etwa 30 mm und 200 mm als besonders geeignet erwiesen. Hierbei ist anzumerken, dass die individuelle Wahl den konstruktiven Besonderheiten der jeweils vorliegenden Kathodenform anzupassen ist, so dass es gegebenenfalls vorteilhaft sein kann, auch Stifte mit anderen Abmessungen einzusetzen. One way to influence the current distribution in the cathode, represents the choice of the cross section of the pins. On the one hand, the more homogeneous the power distribution, the more pins are used and the thinner these pins. However, a lower limit will be limited by the costs and Zes defined a variety of pins. In practice, pins of a diameter between about 30 mm and 200 mm have proven to be particularly suitable in this regard. It should be noted that the individual choice is to be adapted to the structural features of the respective present cathode shape, so that it may optionally be advantageous to use pins with other dimensions.
Wie bereits erwähnt, liegt ein Vorteil einer Kathode gemäß den Ausführungsformen der Erfindung darin, die Stromführung in der Kathode im Sinne einer stärkeren Homogenität beeinflussen zu können. Ein Mittel hierzu ist, die Stifte möglichst dicht zu setzen. Es hat sich beispielsweise als günstig erwiesen, wenn pro Quadratmeter Bodenwand der Kathode zwischen etwa 4 und etwa 100 Stifte vorhanden sind. As already mentioned, an advantage of a cathode according to the embodiments of the invention is to be able to influence the current conduction in the cathode in the sense of greater homogeneity. One means of doing this is to put the pins as close as possible. For example, it has proven to be beneficial if there are between about 4 and about 100 pins per square meter of bottom wall of the cathode.
Um die Stifte mit einer Spannungsquelle zu verbinden, sind bei einer Ausführungsform jeweils mehrere Stifte an ihrem von der Kathode angewandten Ende mit einer gemeinsamen Stromschiene über beispielsweise eine In order to connect the pins to a voltage source, in one embodiment, a plurality of pins each at its end applied by the cathode with a common bus bar via, for example, a
Schraub- oder Klemmverbindung verbunden. Somit sind, wie bereits erwähnt, die Stromschienen um eine Distanz, welche der Länge der Stifte ohne Gewinde entspricht, von der Kathode beabstandet. Hierbei ist darauf zu achten, dass aufgrund der thermischen Ausdehnung des Materials der Stromschiene (Metall) die Schraubverbindung so gestaltet werden muss, dass auf die Stifte, keine zu großen mechanischen Spannungen wirken. Eine solche metallische Verschraubung zwischen einem Stift und einer Stromschiene kann von dem Fachmann auf dem Gebiet der Verbindungstechnik ohne weiteres verwirklicht werden, weshalb hier auf die Details nicht näher eingegangen werden soll. Connected screw or clamp connection. Thus, as already mentioned, the bus bars are spaced from the cathode by a distance corresponding to the length of the unthreaded pins. It must be ensured that due to the thermal expansion of the material of the busbar (metal), the screw connection must be designed so that act on the pins, not too large mechanical stresses. Such a metallic screw connection between a pin and a busbar can be easily realized by those skilled in the field of connection technology, which is why the details should not be discussed in more detail here.
Da bei einer Kathode nach einer Ausführungsform der Erfindung die Stromschienen von der Kathode selbst beabstandet sind, ist es nicht notwendig, dass die Stromschienen aus einem thermisch besonders stabilen Material hergestellt sind. Somit müssten die Stromschienen nicht aus Eisen, Stahl oder dergleichen bestehen. Vielmehr kann die gemeinsame Stromschiene aus einem Material hergestellt sein, welches mehr als 50 % Kupfer oder Aluminium enthält. Sowohl Kupfer als auch Aluminium weisen einen geringeren spezifischen elektrischen Widerstand als Eisen oder Stahl auf, so dass die In a cathode according to an embodiment of the invention, since the bus bars are spaced from the cathode itself, it is not necessary for the bus bars to be made of a thermally stable material. Thus, the busbars would not be made of iron, steel or the like. Rather, the common bus bar may be made of a material containing more than 50% copper or aluminum contains. Both copper and aluminum have a lower electrical resistivity than iron or steel, so that the
Energieeffizienz bei der Schmelzflusselektrolyse gesteigert werden kann. Selbstverständlich können die Stromschienen auch aus reinem Kupfer oder reinem Aluminium hergestellt sein, bzw. aus nur geringfügig legiertem Kupfer oder Aluminium. Wird beispielsweise ein Kupferstab als Stromschiene eingesetzt, so kann der spezifische elektrische Widerstand gegenüber dem bisher verwendeten Stahl auf etwa ein Viertel reduziert werden. Energy efficiency in fused-salt electrolysis can be increased. Of course, the busbars may also be made of pure copper or pure aluminum, or of only slightly alloyed copper or aluminum. For example, if a copper rod is used as a busbar, the specific electrical resistance to the steel used to date can be reduced to about a quarter.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Unterseite der Kathode in Form von sich nach unten hin verjüngenden trapezförmigen Körpern ausgebildet. Auf diese Weise wird der von unten eingeleitete Strom homogen und gleichmäßig in die Kathode eingeleitet. Vorzugsweise besitzen im Falle des Aufbaus der Kathode aus einzelnen Kathodenblöcken zumindest einige der Kathodenblöcke der Kathode einen solchen sich nach unten hin verjüngenden trapezförmigen Körper, wobei sich diese vorteilhaft parallel zueinander erstrecken. Die trapezförmigen Körper können beispielsweise in Längsrichtung der Kathode verlaufen oder senkrecht dazu. According to a further embodiment, the underside of the cathode is in the form of downwardly tapered trapezoidal bodies. In this way, the current introduced from below is introduced homogeneously and uniformly into the cathode. Preferably, in the case of the construction of the cathode of individual cathode blocks at least some of the cathode blocks of the cathode have such a downwardly tapered trapezoidal body, which advantageously extend parallel to each other. The trapezoidal bodies may extend, for example, in the longitudinal direction of the cathode or perpendicular thereto.
Auf diese Weise lässt sich der Abstand zwischen heißem Kathodenbecken bzw. Kathode und Stromschiene weiter vergrößern, so dass im Betrieb an der Stelle der Stromschiene wesentlich geringere Temperaturen herrschen als im Bereich des Kathodenbeckens. In this way, the distance between the hot cathode basin or cathode and busbar can be further increased, so that in operation at the location of the busbar substantially lower temperatures prevail than in the area of the cathode basin.
Die Erfindung wird nunmehr detaillierter mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung anhand eines nicht beschränkenden Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen: The invention will now be explained in more detail with reference to the accompanying drawings with reference to a non-limiting embodiment. In the drawing show:
Fig. 1 a eine Elektrolysezelle für die Gewinnung von Aluminium aus Fig. 1 a, an electrolytic cell for the extraction of aluminum
Aluminiumoxid nach dem Stand der Technik im Querschnitt;  Aluminum oxide according to the prior art in cross section;
Fig. 1 b die Elektrolysezelle von Fig. 1 a in einer Längsansicht von Fig. 1b the electrolytic cell of Fig. 1 a in a longitudinal view of
außen; Fig. 1 c eine Elektrolysezelle für die Gewinnung von Aluminium aus Alu- minumoxid nach dem Stand der Technik in perspektivischer Ansicht, teilgeschnitten; Outside; FIG. 1 c shows an electrolysis cell for the extraction of aluminum from aluminum oxide according to the prior art in a perspective view, partially cut away; FIG.
Fig. 2a eine perspektivische Ansicht einer Kathode gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; Fig. 2a is a perspective view of a cathode according to an embodiment of the invention;
Fig. 2b eine Darstellung der Kathode von Fig. 2a aus einer um 90° gedrehten Perspektive; und 2b shows a representation of the cathode of Figure 2a from a rotated by 90 ° perspective ..; and
Fig. 3 eine Schnittdarstellung einer Schraubverbindung einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle. Fig. 3 is a sectional view of a screw connection of an electrolytic cell according to the invention.
In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen dazu eingesetzt, gleiche oder entsprechende Elemente in den verschiedenen Darstellungen zu kennzeichnen. In the figures, like reference numerals are used to designate like or corresponding elements throughout the several views.
Mit Bezug auf die Figuren 2a und 2b ist eine Elektrolysezelle mit einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kathode aus jeweils verschiedenen Perspektiven gezeigt. Die gezeigte Kathode ist für den Einsatz bei der Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid nach dem bereits beschriebenen Hall-Heroult-Verfahren geeignet. Auf der Kathode 1 sind Seitenwände 1 a angeordnet. Die Seitenwände 1 a können mit der Kathode 1 einstückig ausgebildet oder mit ihr verbunden sein und erstrecken sich im gezeigten Fall entlang der Längsseite der Kathode 1 . Die Seitenwände 1 a sind in diesem Beispiel aus einzelnen Seitenwandblöcken 1 a1 zusammengesetzt. Ebenso ist in diesem Beispiel die Kathode 1 aus einzelnen Kathodenblöcken 1 b1 zusammengesetzt. With reference to FIGS. 2a and 2b, an electrolysis cell with an embodiment of a cathode according to the invention is shown from respectively different perspectives. The cathode shown is suitable for use in the recovery of aluminum from alumina according to the previously described Hall-Heroult process. On the cathode 1 side walls 1 a are arranged. The side walls 1 a may be integrally formed with the cathode 1 or connected to it and extend in the case shown along the longitudinal side of the cathode first The side walls 1 a are composed in this example of individual side wall blocks 1 a1. Likewise, in this example, the cathode 1 is composed of individual cathode blocks 1 b1.
Durch die Seitenwände 1 a und die Kathode 1 ist ein Becken 1 c begrenzt, in welchem beim Einsatz der Kathode in einem Verfahren zur Schmelzfluss- elektrolyse der flüssige Elektrolyt sowie die erzeugte Aluminiumschmelze aufgenommen sind. Wie dies in den Figuren zu erkennen ist, ist die Unterseite 1 g der Kathode 1 trapezförmig in Form von nach unten hin sich verjüngenden trapezförmigen Körpern 1 d ausgebildet, welche sich parallel zueinander entlang der Breite b der Kathode erstrecken. Die trapezförmigen Körper sind hier unten flach ausgebildet. In einem Bodenbereich der trapezförmigen Körper 1 d sind Stifte 1 e in diesen befestigt. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Stifte als Gewindestifte ähnlich Gewindenippeln zur Verbindung von Graphitelektroden zur Elektrostahlherstellung ausgebildet, wie schematisch in Fig. 3 zu erkennen ist. By the side walls 1 a and the cathode 1, a basin 1 c is limited, in which in the use of the cathode in a process for melt flow electrolysis of the liquid electrolyte and the aluminum melt produced are recorded. As can be seen in the figures, the underside 1 g of the cathode 1 is trapezoidal in the form of downwardly tapered trapezoidal bodies 1 d formed, which extend parallel to each other along the width b of the cathode. The trapezoidal bodies are flat here below. In a bottom portion of the trapezoidal body 1 d pins 1 e are fixed in this. In this embodiment, the pins are designed as threaded pins similar threaded nipples for connecting graphite electrodes for electrical steel production, as can be seen schematically in Fig. 3.
In einer alternativen Ausführungsform können jedoch auch andere Verbindungsmittel gewählt werden, beispielsweise eine Klemmverbindung. In an alternative embodiment, however, other connecting means may be selected, for example a clamping connection.
Die Gewindestifte 1 e weisen hier einen kreisförmigen Querschnitt auf, was unter dem Gesichtspunkt der Homogenität der Stromdichte von Vorteil ist. Die Stifte 1 e weisen, wie dies in Fig. 2b zu erkennen ist, hinsichtlich ihrer Verteilung beispielhaft eine leichte Zickzack-Form auf. Es ist anzumerken, dass, obgleich hier eine Form der Kathode 1 mit trapezförmigen Körpern 1 d auf ihrer Unterseite 1 g dargestellt ist, diese Konfiguration nicht zwingend ist. Vielmehr kann die Unterseite 1 g der Kathode 1 flach ausgestaltet sein, ebenso wie die Oberseite der Kathode 1 . Bei einer solchen Ausgestaltung können die Stifte 1 e in beliebiger Form auf der Unterseite angeordnet sein. The setscrews 1 e here have a circular cross-section, which is advantageous from the point of view of the homogeneity of the current density. As can be seen in FIG. 2 b, the pins 1 e have, by way of example, a slight zigzag shape with regard to their distribution. It should be noted that although a shape of the cathode 1 with trapezoidal bodies 1 d is shown on its lower side 1 g, this configuration is not mandatory. Rather, the bottom 1 g of the cathode 1 may be configured flat, as well as the top of the cathode first In such an embodiment, the pins 1 e may be arranged in any form on the underside.
Wie in Fig. 2a gezeigt, können die Stifte beispielsweise auch in einer Linie angeordnet sein. Von der derartigen linear angeordneten Stiften kann selbstverständlich auch eine Mehrzahl parallel zueinander angeordnet sein. For example, as shown in Fig. 2a, the pins may be arranged in a line. Of course, a plurality of such linearly arranged pins can also be arranged parallel to one another.
Jeweils alle Stifte 1 e, die entlang einem trapezförmigen Körper 1 d angeordnet sind, sind an ihren Unterseiten, d.h. an den von der Kathode 1 abgewandten Seiten mit einer gemeinsamen Stromschiene 3 verbunden, beispielsweise wiederum durch Verschraubung. In Fig. 3 ist eine mögliche Schraubverbindung eines Stifts 1 e mit der Stromschiene 3 dargestellt. Dabei sind in diesem Fall zwei Schrauben von der Seite der Stromschiene 3 aus in die Unterseite eines Stifts 1 e eingebracht. In each case all pins 1 e, which are arranged along a trapezoidal body 1 d, are connected at their lower sides, ie at the sides facing away from the cathode 1 sides with a common busbar 3, for example, again by screwing. In Fig. 3 is a possible screw of a pin 1 e with the busbar 3 is shown. There are in this Case two screws from the side of the busbar 3 in the bottom of a pin 1 e introduced.
Da die Stromschiene 3, wie in den Figuren ersichtlich, von dem Becken 1 c der Kathode 1 und damit im Betrieb vom Hochtemperaturbereich beabstandet ist, ist die Temperatur, gegen welche die Stromschiene 3 beständig sein müssen, sehr viel niedriger als diejenigen Temperaturen, welche an den Stromschienen bei den Ausführungsformen des Standes der Technik nach den Figuren 1 a bis 1 c herrschen. Mit anderen Worten sind die Stromschienen 3 hier aus der Hochtemperaturzone ausgelagert und können deshalb aus einem weniger temperaturbeständigem, aber z.B elektrisch leitfähigerem Material als Stahl hergestellt sein. Since the busbar 3, as seen in the figures, from the basin 1 c of the cathode 1 and thus in operation from the high temperature range is spaced, the temperature against which the busbar 3 must be resistant, much lower than those temperatures which the busbars in the embodiments of the prior art according to Figures 1 a to 1 c prevail. In other words, the busbars 3 are outsourced here from the high-temperature zone and can therefore be made of a less temperature-resistant but, for example, more electrically conductive material than steel.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die Stromschienen 3 aus einer Aluminiumlegierung ausgebildet. Alternativ sind bekannte Kupferlegierungen verwendbar. Auch die gezeigten trapezförmigen Körper 1 d wirken im Sinne einer Abstandsvergrößerung zwischen dem Becken 1 c der Kathode 1 und den Stromschienen 3. In this embodiment, the busbars 3 are formed of an aluminum alloy. Alternatively, known copper alloys can be used. The trapezoidal bodies 1 d shown also act in the sense of increasing the distance between the basin 1 c of the cathode 1 and the busbars 3.
Einer gegebenenfalls zu starken Ableitung von Wärme der nicht nur elektrisch, sondern auch thermisch sehr gut leitenden Metalle kann vorzugsweise durch geeignete Auslegung, insbesondere geometrische Auslegung begegnet werden. An optionally too strong dissipation of heat of not only electrically, but also very good thermal conductivity metals can preferably be met by suitable design, in particular geometric design.
Wie dies in den Figuren zu erkennen ist, sind jeweils mehrere Stromschienen 3 (hier jeweils drei Stromschienen 3) mit einem gemeinsamen Sammelstromschiene 10 verbunden, welcher zu einer Spannungsquelle (nicht gezeigt) führt. Sammelstromschiene 10 und Stromschienen 3 können beispielsweise aus den gleichen Materialien hergestellt sein. In einer Alternative ist auch eine einstückige Ausführungsform möglich. As can be seen in the figures, in each case a plurality of busbars 3 (in each case three busbars 3) are connected to a common busbar 10 which leads to a voltage source (not shown). Collective busbar 10 and busbars 3 may be made of the same materials, for example. In an alternative, a one-piece embodiment is possible.
Je nachdem, auf weiche Weise die Unterseite der Kathode 1 ausgestaltet ist, sind verschiedene Anordnungen für die Stifte 1 e möglich. Ist die Unterseite flach ausgeführt, so können die Stifte 1 e beispielsweise in Form eines regelmäßigen Gitters an der Unterseite befestigt sein. Dies ist im Hinblick auf die bereits erwähnte Homogenität der Stromführung besonders günstig. Depending on how soft the bottom of the cathode 1 is designed, various arrangements for the pins 1 e are possible. Is the bottom made flat, the pins 1 e may be attached, for example in the form of a regular grid on the bottom. This is particularly favorable in view of the already mentioned homogeneity of the current flow.
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. Die Stifte 1 e können insbesondere aus den gleichen Materialien wie die Kathode 1 hergestellt sein. Als besonders günstig hat sich in diesem Zusammenhang Graphit aufgrund seiner Temperaturbeständigkeit sowie aufgrund seines geringen spezifischen elektrischen Widerstandes erwiesen. As far as the materials for cathode are concerned, all materials known and suitable to the person skilled in the art for the electrolysis of aluminum from its oxide can be used. Suitable materials are specified, for example, in DE 10261745, the relevant content of which is hereby incorporated by reference. The pins 1 e can in particular be made of the same materials as the cathode 1. Graphite has proved to be particularly favorable in this context due to its temperature resistance and because of its low electrical resistivity.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Kathode 1 cathode
1 b1 Kathodenblock  1 b1 cathode block
1 a Seitenwand  1 a side wall
1 a1 Seitenwandblock  1 a1 sidewall block
1 c Becken  1 c basin
1 d trapezförmiger Körper  1 d trapezoidal body
1 e Stift 1 e pen
g Unterseite der Kathode  g bottom of the cathode
2 Einfassung  2 facing
3 Stromschiene  3 busbar
4 Anode  4 anodes
5 Aluminium  5 aluminum
6 Gemisch (Aluminiumoxid, Kyrolith) 6 mixture (alumina, kyrolite)
7 negativer Pol Spannungsquelle7 negative pole voltage source
8 positiver Pol Spannungsquelle8 positive pole voltage source
10 Sammelstromschiene 10 busbar

Claims

Patentansprüche claims
1. Kathode (1 ) für eine Elektrolysezelle zur Gewinnung von Aluminium aus seinem Oxid, aufweisend eine Unterseite (1 g), dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (1 ) mit einer Anzahl von Stiften (1f) für eine Stromzuführung versehen ist, wobei die Stifte von unten die Unterseite (1 g) der Kathode (1 ) im Betrieb stromzuführend kontaktieren. A cathode (1) for an electrolytic cell for recovering aluminum from its oxide, comprising a lower surface (1 g), characterized in that the cathode (1) is provided with a number of pins (1f) for a current supply, the From below, contact the pins (1 g) of the cathode (1) during operation to supply current.
2. Kathode (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Stifte die Unterseite (1 g) mit einem Winkel von weniger als 30° zur Senkrechten der Unterseite (1 g) kontaktiert, insbesondere zumindest im wesentlichen senkrecht zur Unterseite (1 g). 2. Cathode (1) according to claim 1, characterized in that at least one of the pins the bottom (1 g) contacted at an angle of less than 30 ° to the vertical of the bottom (1 g), in particular at least substantially perpendicular to the bottom ( 1 g).
3. Kathode (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte (1f) in die Kathode (1 ) münden. 3. Cathode (1) according to claim 1 or 2, characterized in that the pins (1f) open into the cathode (1).
4. Kathode (1 ) nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte (1f) durch eine Schraubverbindung in die Unterseite (1 g) der Kathode (1 ) eingefügt sind. 4. Cathode (1) according to one or more of the preceding claims, characterized in that the pins (1f) are inserted by a screw in the bottom (1 g) of the cathode (1).
5. Kathode (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubverbindung durch ein Gewinde an einem Ende des Stifts (1f), das der Unterseite (1 g) zugewandt ist, und ein Gegengewinde in der Unterseite (1 g) der Kathode (1 ) gebildet ist. 5. Cathode (1) according to claim 4, characterized in that the threaded connection by a thread at one end of the pin (1f), which faces the bottom (1 g), and a mating thread in the bottom (1 g) of the cathode (1) is formed.
6. Kathode (1 ) nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte aus Graphit hergestellt sind. 6. Cathode (1) according to one or more of the preceding claims, characterized in that the pins are made of graphite.
7. Kathode (1 ) nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte eine Länge zwischen etwa 100 mm und 500 mm aufweisen. 7. Cathode (1) according to one or more of the preceding claims, characterized in that the pins have a length between about 100 mm and 500 mm.
8. Kathode (1 ) nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte (1f) einen Durchmesser zwischen etwa 30 mm und 200 mm aufweisen. 8. Cathode (1) according to one or more of the preceding claims, characterized in that the pins (1f) have a diameter between about 30 mm and 200 mm.
9. Kathode (1 ) nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass pro Quadratmeter Kathode (1 ) zwischen etwa 4 und etwa 100 Stifte (1f) vorhanden sind. 9. Cathode (1) according to one or more of the preceding claims, characterized in that per square meter of cathode (1) between about 4 and about 100 pins (1f) are present.
10. Kathode (1 ) nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mehrere Stifte (1f) an ihrem von der Kathode (1 ) abgewandten Ende mit einer Stromschiene (3) verbunden sind. 10. Cathode (1) according to one or more of the preceding claims, characterized in that in each case a plurality of pins (1f) are connected at their from the cathode (1) remote from the end with a busbar (3).
11. Kathode (1 ) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschiene (3) aus einem Material hergestellt ist, welches mehr als 50 % Kupfer und/oder Aluminium enthält. 11. Cathode (1) according to claim 8, characterized in that the busbar (3) is made of a material containing more than 50% copper and / or aluminum.
12. Kathode (1 ) nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterseite (1 g) der Kathode (1 ) trapezförmig in Form von nach unten hin sich verjüngenden trapezförmigen Körpern (1 d) ausgebildet ist. 12. Cathode (1) according to one or more of the preceding claims, characterized in that the underside (1 g) of the cathode (1) trapezoidal in the form of downwardly tapered trapezoidal bodies (1 d) is formed.
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