EP2673398A2 - Hartstoff enthaltender oberflächenprofilierter kathodenblock - Google Patents

Hartstoff enthaltender oberflächenprofilierter kathodenblock

Info

Publication number
EP2673398A2
EP2673398A2 EP12702276.2A EP12702276A EP2673398A2 EP 2673398 A2 EP2673398 A2 EP 2673398A2 EP 12702276 A EP12702276 A EP 12702276A EP 2673398 A2 EP2673398 A2 EP 2673398A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cathode block
cover layer
hard material
cathode
particle size
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Withdrawn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
EP12702276.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Hiltmann
Martin Kucher
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 EP2673398A2 publication Critical patent/EP2673398A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/08—Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes

Definitions

  • the present invention relates to a cathode block for an aluminum electrolytic cell.
  • Such electrolysis cells are used for the electrolytic production of aluminum, which is usually carried out industrially by the Hall-Heroult process.
  • a melt composed of alumina and cryolite is electrolyzed.
  • the cryolite, Na 3 [AIF 6 ] serves to lower the melting point from 2,045 ° C. for pure aluminum oxide to approximately 950 ° C. for a mixture containing cryolite, aluminum oxide and additives such as aluminum fluoride and calcium fluoride.
  • the electrolysis cell used in this method has a bottom composed of a plurality of adjacent cathode blocks forming the cathode.
  • the cathode blocks are usually composed of a carbonaceous material.
  • grooves are provided on the lower sides of the cathode blocks, in each of which at least one bus bar is arranged, through which the current supplied via the anodes is removed.
  • the gaps between the individual walls delimiting the grooves of the cathode blocks and the busbars are often poured with cast iron in order to electrically and mechanically connect the busbars to the cathode blocks through the cast iron busbars produced thereby.
  • the aluminum formed is due to its greater compared to the electrolyte density below the electrolyte layer, ie as an intermediate layer between the top of the cathode blocks and the electrolyte layer.
  • the aluminum oxide dissolved in the cryolite melt is split by the flow of electrical current into aluminum and oxygen.
  • the layer of molten aluminum is the actual cathode because aluminum ions are reduced to elemental aluminum on its surface. Nevertheless, the term cathode will not be understood below to mean the cathode from an electrochemical point of view, ie the layer of molten aluminum, but rather the component forming the electrolytic cell bottom and composed of one or more cathode blocks.
  • a major disadvantage of the Hall-Heroult process is that it is very energy intensive. To produce 1 kg of aluminum about 12 to 15 kWh of electrical energy is needed, which accounts for up to 40% of the manufacturing cost. In order to reduce the manufacturing costs, it is therefore desirable to reduce the specific energy consumption in this process as much as possible.
  • graphite cathodes are increasingly used in recent times, ie cathode blocks containing graphite as the main component.
  • graphite is characterized by a considerably lower specific electrical resistance as well as by a significantly higher thermal conductivity, which means that the use of graphite cathodes during electrolysis reduces the specific energy consumption of the electrolysis and also the electrolysis can be carried out at a higher current, which allows an increase in the production of aluminum.
  • graphite cathodes have the disadvantage that they are less resistant to the operation of the electrolysis cell. see abrasive wear conditions and therefore a shorter life than amorphous cathodes.
  • cathode blocks have also recently been used, the sides of which, during the operation of the electrolysis cell, are profiled by the molten aluminum and electrolyte side through one or more recesses and / or elevations.
  • Such cathode blocks whose tops each have between 1 and 8 and preferably 2 elevations with a height of 50 to 200 mm, are disclosed, for example, in EP 2 133 446 A1.
  • the cathode blocks are composed of anthracite, artificial graphite, mixtures of anthracite and artificial graphite or of graphitized carbon. Due to the profiled surface, the movement of the molten aluminum caused by the electromagnetic interaction in the electrolysis is reduced.
  • the distance between the molten aluminum and the anode which due to the comparatively strong and intense wave formation of the aluminum layer in the use of non-surface profiled cathode blocks to avoid short circuits and unwanted reoxidation of the aluminum formed usually 4 to 5 by the use of the surface profiled cathode blocks cm, can be reduced to 2 to 4 cm. Due to this reduction in the distance between the molten aluminum and the anode, the cell electrical resistance is reduced due to the reduction of the ohmic resistance and thus the specific energy consumption.
  • surface profiled cathode blocks and in particular surface profiled cathode blocks based on graphite have a number of disadvantages.
  • sludge of undissolved alumina may settle, especially in the corners.
  • This problem is compounded by the fact that surfaces of aluminum melt consisting of graphite are only very poorly wetted.
  • surface-profiled cathode blocks based on graphite, in particular on the tops of the elevations of their profiled surfaces are very susceptible to wear.
  • the deposited on the profiled surfaces of the cathode blocks sludge reduces the effective cathode surface and thereby impedes the flow of current, whereby the specific energy consumption is increased. This effect additionally increases the current density, which can lead to a shorter service life of the electrolysis cell.
  • a cathode block for an aluminum electrolytic cell having a base layer and a cover layer, wherein the base layer contains graphite, the cover layer has an at least partially profiled surface and the cover layer of a 15 to less than 50 wt .-% hard material compound having a melting point of at least 1,000 ° C containing carbon composite.
  • This solution is based on the finding that by providing an at least partially surface-profiled cover layer of a carbon composite material, which not less than 15 wt .-%, but not more than less than 50 wt .-% hard material having a melting point of at least 1, 000 ° C. contains, on a graphite-containing base layer, a cathode block is obtained which has sufficient for an energy-efficient operation of a fused electrolysis electrolysis low electrical resistivity and also very resistant to wear prevailing in the molten state electrolysis abrasive, chemical and thermal conditions.
  • the cathode block according to the present invention combines the surface profiling of the side of the cathode block facing the melt during operation of the electrolysis cell and the advantages associated with the provision of graphite in the base layer of the cathode block, such as low thermal resistance of the cathode block, high thermal conductivity of the cathode block and low wave and wave height of the aluminum melt in the use of the cathode block in a fused-salt electrolysis of alumina in a cryolite melt, so that the distance between the surface of the molten aluminum layer and the anode in the electrolytic cell, for example, 0.5 to 4.5 cm and preferably can be reduced to 1 to 4 cm, which reduces the specific energy consumption of the electrolysis process; at the same time, however, the cathode block according to the present invention does not have the disadvantages resulting from the use of graphite, such as low wear resistance and lack of wettability by molten aluminum, and the disadvantages resulting from the use of surface profiling, such as
  • the cathode block according to the invention is long-term stable with respect to the performance of a fused-salt electrolysis with a melt containing aluminum oxide and cryolite for the production of aluminum and allows melt electrolysis to be carried out with a very low specific energy consumption.
  • This is achieved by the aforementioned combination of a graphite-containing base layer and a surface-profiled and specifically composed, hard material in an amount of less than 50 wt .-% containing cover layer based on a carbon composite material. This was This is particularly surprising since the cathode blocks known from the prior art with a coating containing titanium diboride necessarily contain comparatively high amounts of titanium diboride, which renders the known coatings brittle.
  • hard material in accordance with the definition of this term in the art is understood to mean a material which is characterized by a particularly high hardness, especially at high temperatures of 1000 ° C. and higher.
  • the melting point of the hard material used is considerably higher than 1 .000 ° C, in particular hard materials having a melting point of at least 1, 500 ° C, preferably hard materials having a melting point of at least 2000 ° C and more preferably hard materials having a melting point of at least 2,500 ° C have been found to be particularly suitable.
  • all hard materials can be used in the cover layer of the cathode block according to the invention.
  • hard materials which have a Knoop hardness of at least 1 000 N / mm 2 , preferably of at least 1 500 N / mm 2 , particularly preferably of at least 2000 N / mm, measured according to DIN EN 843-4 2 and most preferably of at least 2,500 N / mm 2 .
  • suitable hard materials are metal carbides, metal borides, metal nitrides and metal carbonitrides having a sufficiently high hardness at 1, 000 ° C.
  • suitable representatives of these groups are zirconium diboride, tantalum boride, boron carbide, silicon carbide, tungsten carbide, vanadium carbide, boron nitride, silicon nitride, zirconium dioxide and alumina.
  • a non-oxidic titanium ceramic as hard material in the cover layer of the cathode block according to the invention, preferably titanium diboride, titanium carbide, titanium. carbonitride and / or titanium nitride.
  • the cover layer of the cathode block according to the invention most preferably contains titanium diboride as the hard material. All of the aforementioned hard materials can be used alone or any combination and / or mixture of two or more of the aforementioned compounds can be used.
  • the hard material contained in the cover layer of the cathode block has a monomodal particle size distribution, wherein the average volume-weighted particle size determined by static light scattering in accordance with International Standard ISO 13320-1 (d 3l 5 o) is 10 to 20 pm is.
  • ISO 13320-1 International Standard ISO 13320-1
  • particular preference is given to using a non-oxidic titanium ceramic and most preferably titanium diboride having a monomodal particle size distribution as defined above.
  • hard material in particular non-oxidic titanium ceramic and especially titanium diboride, with a monomodal particle size distribution as defined above, not only results in very good wettability of the surface of the cathode block, which is why sludge formation and sludge deposition in the profiled areas of the surface of the cathode block are reliable prevents the wear resistance of the cathode block is increased and the specific energy consumption is reduced in the electrolysis.
  • this effect is achieved even in the case of comparatively small amounts of titanium diboride of less than 50% by weight and more preferably even of amounts of titanium diboride of only 15 to 20% by weight in the top layer.
  • hard material in particular non-oxidic titanium ceramic and especially titanium diboride, is distinguished by an above-defined, monomodal particle size distribution also by a very good processability from.
  • the dust tendency of such a hard material for example, when filling in a mixing container or during the transport of the hard material powder is sufficiently low and occurs, for example, when mixing at most a small agglomeration.
  • such a hard material powder has a sufficiently high flowability and flowability, so that it can be conveyed for example with a conventional conveying device to a mixing device. For all this, not only follows a simple and cost-effective manufacturability of the cathode blocks according to the invention, but in particular also follows a very homogeneous distribution of the hard material in the top layer of the cathode blocks.
  • the hard material contained in the cover layer of the cathode block preferably titanium diboride, preferably has a monomodal particle size distribution, the average volume-weighted particle size (d 3 5 o) determined above being from 12 to 18 ⁇ m and particularly preferably from 14 to 16 ⁇ m.
  • the hard material contained in the cover layer of the cathode block may have a monomodal particle size distribution, wherein the average volume-weighted particle size (d 3 , 5 o) determined by static light scattering according to International Standard ISO 13320-1 is 3 to 10 ⁇ m and preferably 4 to 6 pm.
  • the average volume-weighted particle size (d 3 , 5 o) determined by static light scattering according to International Standard ISO 13320-1 is 3 to 10 ⁇ m and preferably 4 to 6 pm.
  • the hard material has a volume-weighted d 3 9 o particle size of from 20 to 40 ⁇ m, and preferably from 25 to 30 ⁇ m, as determined above.
  • the hard material preferably has such a d 3 9 o value in combination with a d 3 50 defined above. Value.
  • the hard material is preferably a non-oxidic titanium ceramic and more preferably titanium diboride.
  • the hard material contained in the cover layer of the cathode block may have a volume-weighted d 3 9 o particle size of from 10 to 20 ⁇ m, and preferably from 12 to 18 ⁇ m, as determined above.
  • the hard material preferably has such a d 3 9 o value in combination with a d 3 5 o value as defined above.
  • the hard material has a volume-weighted one as determined above
  • the hard material preferably has such a d 3 -m value in combination with a d 3 9 o value and / or d 3 5 o value as defined above. Also in this embodiment, the hard material is preferably a non-oxidic titanium ceramic and more preferably titanium diboride.
  • the hard material contained in the cover layer of the cathode block may have a volume-weighted d 3 io particle size of from 1 to 3 ⁇ m, and preferably from 1 to 2 ⁇ m, as determined above.
  • the hard material preferably has such a d 3 -m value in combination with a d 3 9 o value and / or d 3 5 o value as defined above.
  • a non-oxide titanium ceramic is particularly preferably used is titanium diboride having a monomodal particle size distribution as defined above.
  • the hard material in particular a non-oxidic titanium ceramic and particularly preferably titanium diboride, has a particle size distribution which is determined by a span value calculated according to the following equation:
  • Span (d 3 , 9o - d 3 , io) is characterized d3,5o from 0.65 to 3.80 and more preferably from 1, 00 to 2.25.
  • the hard material has such a span value in combination with a d 3 9 o value and / or d 3 5 o value and / or d 3 -m value as defined above.
  • non-oxidic titanium ceramics such as titanium carbide, titanium carbonitride, titanium nitride and most preferably titanium diboride
  • the hard material to at least 80 wt .-%, preferably at least 90 wt .-%, more preferably at least 95 wt .-%, most preferably at least 99 wt. % and most preferably entirely consists of non-oxide titanium ceramic and in particular of titanium diboride.
  • the total amount of the hard material in the cover layer is according to the invention at least 15 wt .-%, but at most less than 50 wt .-%.
  • the covering layer contains sufficient hard material in order on the one hand to give the covering layer an excellent hardness and abrasion resistance in order to increase the wear resistance and, on the other hand to impart a sufficiently high wettability of the topcoat surface with liquid aluminum to prevent sludge formation and sludge deposition, thereby further increasing the wear resistance of the cathode block and further reducing the specific energy consumption during fused-salt electrolysis;
  • the cover layer contains a sufficiently low amount of hard material, so that the surface of the cover layer does not have too high a brittleness due to the addition of hard material for a sufficiently high long-term stability.
  • the top layer contains 15 to 40 wt .-% and particularly preferably 15 to 30 wt .-% of a hard material having a melting point of at least 1 000 ° C.
  • the cover layer contains carbon and optionally binder, such as pitch, in particular bituminous and / or petroleum pitch. If pitch is mentioned below, it means all pitches known to those skilled in the art.
  • the carbon forms together with the optional binder, the matrix in which the hard material is embedded. Good results are obtained, in particular, if the cover layer 85 contains more than 50% by weight, preferably 85 to 60% by weight and particularly preferably 85 to 70% by weight of carbon.
  • the carbon contained in the cover layer may be amorphous carbon, graphite or a mixture of amorphous carbon and graphite.
  • amorphous carbon and graphite such as a mixture of anthracite, graphite and pitch
  • optionally binder, such as pitch optionally binder, such as pitch, and in particular in use optionally binder, such as pitch, containing amorphous carbon is achieved a particularly high abrasion resistance of the cover layer.
  • the cathode cover layer containing amorphous carbon it is proposed for the cathode cover layer containing amorphous carbon that the cover layer has a vertical specific electrical resistance at 950 ° C. of from 20 to 32 ⁇ pm and preferably from 22 to 28 ⁇ pm. This corresponds to a vertical resistivity at room temperature of 23 to 40 ⁇ pm or from 25 to 30 ⁇ ⁇ .
  • vertical specific electrical resistance is understood as meaning the specific electrical resistance in the installation situation in the vertical direction of the cathode block.
  • the thickness of the cover layer should be as small as possible, in order to keep the cost of the expensive hard material as low as possible, but sufficiently large, so that the cover layer has a sufficiently high wear resistance and durability. Good results are obtained in this regard in particular if the thickness of the cover layer is 1 to 50%, preferably 5 to 40%, more preferably 10 to 30% and most preferably 15 to 25%, for example about 20%, of the total height of the cathode block.
  • the cover layer may have a thickness or height of from 50 to 400 mm, preferably from 50 to 200 mm, particularly preferably from 70 to 130 mm, very particularly preferably from 90 to 110 mm and most preferably about 100 mm.
  • Under thickness or height is understood to mean the distance from the bottom of the cover layer to the point of the highest elevation in the surface profile of the cover layer.
  • the base layer may have a thickness or height of from 100 to 550 mm, preferably from 300 to 500 mm, particularly preferably from 400 to 500 mm, more preferably from 425 to 475 mm and most preferably from about 450 mm.
  • the cover layer of the cathode block has an at least partially profiled surface.
  • a profiled surface is understood to mean a surface which has at least one depression extending transversely, longitudinally or in any other direction, such as, for example, in a direction at an acute or obtuse angle to the longitudinal direction, of the cathode block or arranged chaotically
  • the depression or at least a depth or height of 0.05 mm, and preferably of 0.05 mm In this case, the at least one depression and / or elevation may be limited exclusively to the cover layer, or the at least one depression and / or elevation may extend into the base layer. Preferably, the at least one depression and / or elevation extends exclusively in the cover layer.
  • the at least one depression and / or elevation, seen in the transverse direction of the cathode block can have any desired geometry.
  • the at least one recess or elevation, seen in the transverse direction of the cathode block convex, concave or polygonal, such as trapezoidal, triangular, rectangular or square, may be formed.
  • the ratio of depth to width of the at least one depression is 1: 3 to 1: 1 and preferably 1: 2 to 1: 1.
  • the depth of the at least one recess is 10 to 90 mm, preferably 40 to 90 mm and particularly preferably 60 to 80 mm, for example about 70 mm.
  • the width of the at least one recess is 100 to 200 mm, more preferably 120 to 180 mm and most preferably 140 to 160 mm, such as about 150 mm.
  • the at least one depression viewed in the longitudinal direction of the cathode block, to extend only in regions.
  • the at least one recess extend the entire length of the cathode block to achieve the effect of reducing or completely reducing the formation of waves of liquid aluminum.
  • the depth and / or width of the at least one recess varies over the length of the cathode block.
  • the geometry of the recess can vary over the length of the cathode block.
  • the surface profiling comprises at least one protrusion
  • the ratio of height to width of the at least one elevation be 1: 2 to 2: 1, and preferably about 1: 1.
  • Good results are obtained, in particular, if the height of the at least one elevation is 10 to 150 mm, preferably 40 to 90 mm and particularly preferably 60 to 80 mm, for example about 70 mm.
  • the width of the at least one protrusion is 50 to 150 mm, more preferably 55 to 100 mm and most preferably 60 to 90 mm, such as about 75 mm.
  • the at least one elevation viewed in the longitudinal direction of the cathode block, extends only in regions.
  • the at least one protrusion extend the entire length of the cathode block to achieve the effect of reducing or completely reducing waviness of liquid aluminum.
  • the height and / or width of the at least one bump varies over the length of the cathode block.
  • the geometry of the survey can vary over the length of the cathode block.
  • the ratio of the width of the at least one recess to the width of the at least one projection is preferably 4: 1 to 1: 1, such as about 2: 1.
  • the present invention is not limited. Good results are obtained, for example, when the cathode block has in its transverse direction 1 to 3 wells and preferably 2 wells.
  • the base layer is at least 80% by weight, preferably at least 90% by weight, more preferably at least 95% by weight, most preferably at least 99% by weight and highest preferably completely composed of a mixture of graphite and binder such as carbonized pitch (graphite cathode body).
  • a base layer has a suitably low electrical resistivity and a sufficiently high specific thermal conductivity.
  • this mixture is preferably from 70 to 95 wt .-% graphite and 5 to 30 wt .-% binder and more preferably from 80 to 90 wt .-% graphite and 10 to 20 wt .-% binder, such as 85 wt % Graphite and 15% by weight carbonized pitch, composed.
  • both the upper side of the base layer and the underside of the cover layer and thus also the interface between the base layer and the cover layer are made planar.
  • an intermediate layer may be provided between the base layer and the cover layer which, for example, is constructed like the cover layer, except that the intermediate layer has a lower concentration of hard material than the cover layer.
  • the base layer has a vertical electrical resistivity at 950 ° C of 13 to 18 ⁇ ⁇ and preferably from 14 to 16 ⁇ ⁇ . This corresponds to vertical electrical resistances at room temperature of 14 to 20 ⁇ pm or 16 to 18 ⁇ m.
  • a further subject of the present invention is a cathode which contains at least one cathode block described above, wherein the cathode block has at least one groove on the side of the base layer opposite the cover layer, wherein at least one bus bar is provided in the at least one groove in order to move the cathode during to supply electricity to the electrolysis.
  • the at least one busbar at least partially, and particularly preferably full-circumference has a cladding of cast iron .
  • This enclosure can be made by inserting the at least one bus bar into the groove of the cathode block and then filling the space between the bus bar and the walls defining the groove cast iron.
  • Another object of the present invention is the use of a previously described cathode block or a previously described cathode for performing a fused-salt electrolysis for the production of metal, in particular of aluminum.
  • the cathode block or the cathode for performing a melt electrolysis with a melt of cryolite and alumina to Production of aluminum used is particularly preferably carried out as a Hall-Heroult process.
  • Figure 1 is a schematic cross-sectional view of a portion of an aluminum electrolytic cell comprising a cathode block according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 2a to 2E each show a schematic cross section of the surface profiling of a cathode block according to other embodiments of the present invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a portion of an aluminum electrolytic cell 10 having a cathode 12 which concurrently forms the bottom of a well for molten aluminum 14 produced during operation of the electrolytic cell 10 and a cryolite-alumina melt 16 located above the molten aluminum 14 forms. With the cryolite-alumina melt 16 is an anode 18 of the electrolytic cell 10 in contact. Laterally, the trough formed by the lower part of the aluminum electrolytic cell 10 is limited by a lining of carbon and / or graphite, not shown in FIG. 1.
  • the cathode 12 comprises a plurality of cathode blocks 20, 20 ', 20 ", which are each connected to one another via a ramming mass 24, 24' inserted into a ramming mass gap 22, 22 'arranged between the cathode blocks 20, 20', 20".
  • the anode 18 includes a plurality of anode blocks 26, 26 ', wherein the Each of the anode blocks 26, 26 'is about twice as wide and about half as long as the cathode blocks 20, 20', 20 " an anode block 26, 26 'in width two adjacent cathode blocks 20, 20', 20 “covering and each a cathode block 20, 20 ', 20" in length two juxtaposed anode blocks 26, 26' covers.
  • Each cathode block 20, 20 ', 20 consists of a lower base layer 30, 30', 30" and a covering layer 32, 32 ', 32 "arranged above it and firmly connected therewith.
  • the base layers 30, 30 ', 30 "of the cathode blocks 20, 20', 20” each have a graphite material structure, namely the type marketed by the company SGL Carbon GmbH 5BGNR, the cover layers 32, 32 ', 32 "are each composed of a titanium diboride-containing ceramic-carbon composite containing 20% by weight of titanium diboride, amorphous carbon, namely anthracite, and carbonized pitch as a binder.
  • the titanium diboride contained in the cover layers 32, 32 ', 32 has a mean volume-weighted particle size (d 3 5 o) of 15 ⁇ m determined by static light scattering according to the standard ISO 13320-1, a d 3 9 o particle size of 27 ⁇ m and a d 3 - ⁇ particle size of 4 pm.
  • Each cathode block 20, 20 ', 20 has a width of 650 mm and a total height of 550 mm, based on the highest point of the cover layer 32, 32', 32", the base layers 30, 30 ', 30 ". each have a height of 450 mm, and the cover layers 32, 32 ', 32 "each have a height of 100 mm relative to the highest point of the cover layers 32, 32', 32"
  • the distance between the anode blocks 26, 26 ' and the cathode blocks 20, 20 ', 20 is about 200 to about 350 mm, wherein the interposed layer of cryolite-alumina melt 16 has a thickness of about 50 mm and the including layer of molten aluminum 14 also has a thickness of about 150 to about 300 mm.
  • Each cover layer 32, 32 ', 32 has a profiled surface, wherein in each cover layer 32, 32', 32" two in cross-section substantially rectangular recesses 34, 34 'are provided, which are each separated from a survey 36 from each other. While the width of the depressions 34, 34 'is 150 mm in each case and the depth of the depressions 34, 34' is 70 mm in each case, the elevation 36 has a width of 75 mm and a height of 70 mm. Both the corners in the two recesses 34, 34 'and the corners of the elevation 36 are each rounded off with a radius of 20 mm.
  • each cathode block 20, 20 ', 20 on its underside in each case two grooves 38, 38', each having a rectangular, namely substantially rectangular cross-section, wherein in each groove 38, 38 'in each case a busbar 40, 40' made of steel
  • both the grooves 38, 38 'and depressions 34, 34' are applied to the top of the cover layers 32, 32 ', 32 "during the molding process, for example by vibrating and / or stamp.
  • FIGS. 2A to 2E show examples of different configurations of the depressions 34, 34 'and the elevations 36 of the surface profiling of the cover layers 32, 32', 32 ", namely, in each case in cross section, rectangular with rounded corners (not shown) (FIG. Fig. 2A), substantially undulating (Fig. 2B), triangular (Fig. 2C), convex (Fig. 2D) and sinusoidal (Fig. 2E).
  • FIGS. 2A to 2E show examples of different configurations of the depressions 34, 34 'and the elevations 36 of the surface profiling of the cover layers 32, 32', 32 ", namely, in each case in cross section, rectangular with rounded corners (not shown) (FIG. Fig. 2A), substantially undulating (Fig. 2B), triangular (Fig. 2C), convex (Fig. 2D) and sinusoidal (Fig. 2E).
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Description

Hartstoff enthaltender oberflächenprofilierter Kathodenblock
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kathodenblock für eine Aluminium-Elektrolysezelle.
Derartige Elektrolysezellen werden zur elektrolytischen Herstellung von Aluminium, welche industriell üblicherweise nach dem Hall-Heroult-Verfahren durchgeführt wird, eingesetzt. Bei dem Hall-Heroult-Verfahren wird eine aus Aluminiumoxid und Kryolith zusammengesetzte Schmelze elektrolysiert. Dabei dient der Kryolith, Na3[AIF6], dazu, den Schmelzpunkt von 2.045°C für reines Aluminiumoxid auf ca. 950°C für eine Kryolith, Aluminiumoxid und Zusatzstoffe, wie Aluminium- fluorid und Calciumfluorid, enthaltende Mischung zu senken.
Die bei diesem Verfahren eingesetzte Elektrolysezelle weist einen Boden auf, der aus einer Vielzahl von aneinander angrenzenden, die Kathode ausbildenden Kathodenblöcken zusammengesetzt ist. Um den bei dem Betrieb der Zelle herrschenden thermischen und chemischen Bedingungen standzuhalten, sind die Kathodenblöcke üblicherweise aus einem kohlenstoffhaltigen Material zusammengesetzt. An den Unterseiten der Kathodenblöcke sind jeweils Nuten vorgesehen, in denen jeweils wenigstens eine Stromschiene angeordnet ist, durch welche der über die Anoden zugeführte Strom abgeführt wird. Dabei sind die Zwischenräume zwischen den einzelnen die Nuten begrenzenden Wänden der Kathodenblöcke und den Stromschienen häufig mit Gusseisen ausgegossen, um durch die dadurch hergestellte Umhüllung der Stromschienen mit Gusseisen die Stromschienen elektrisch und mechanisch mit den Kathodenblöcken zu verbinden. Etwa 3 bis 5 cm oberhalb der auf der Kathodenoberseite befindlichen Schicht aus schmelzflüssigem Aluminium ist eine aus einzelnen Anodenblöcken ausgebildete Anode angeordnet, zwischen der und der Oberfläche des Aluminiums sich der Elektrolyt, also die Aluminiumoxid und Kryolith enthaltende Schmelze, befindet. Während der bei etwa 1 .000°C durchgeführten Elektrolyse setzt sich das gebildete Aluminium aufgrund seiner im Vergleich zu der des Elektrolyten größeren Dichte unterhalb der Elektrolytschicht ab, also als Zwischenschicht zwischen der Oberseite der Kathodenblöcke und der Elektrolytschicht. Bei der Elektrolyse wird das in der Kryolithschmelze gelöste Aluminiumoxid durch elektrischen Stromfluss zu Aluminium und Sauerstoff aufgespalten. Elektrochemisch gesehen handelt es sich bei der Schicht aus schmelzflüssigem Aluminium um die eigentliche Kathode, da an dessen Oberfläche Aluminiumionen zu elementarem Aluminium reduziert werden. Nichtsdestotrotz wird nachfolgend unter dem Begriff Kathode nicht die Kathode aus elektrochemischer Sicht, also die Schicht aus schmelzflüssigem Aluminium verstanden, sondern das den Elektrolysezellenboden ausbildende, aus einem oder mehreren Kathodenblöcken zusammengesetzte Bauteil.
Ein wesentlicher Nachteil des Hall-Heroult-Verfahren ist es, dass dieses sehr energieintensiv ist. Zur Erzeugung von 1 kg Aluminium werden etwa 12 bis 15 kWh elektrische Energie benötigt, was bis zu 40 % der Herstellungskosten ausmacht. Um die Herstellungskosten senken zu können, ist es daher wünschenswert, den spezifischen Energieverbrauch bei diesem Verfahren so weit wie möglich zu verringern.
Aus diesem Grund werden in jüngster Zeit vermehrt Graphit-Kathoden eingesetzt, also Kathodenblöcke, welche als Hauptbestandteil Graphit enthalten. Graphit zeichnet sich im Vergleich zu amorphem Kohlenstoff durch einen beträchtlich niedrigeren spezifischen elektrischen Widerstand sowie durch eine signifikant höhere thermische Leitfähigkeit aus, weswegen durch den Einsatz von Graphit- Kathoden bei der Elektrolyse zum einen der spezifische Energieverbrauch der Elektrolyse verringert werden kann und zum anderen die Elektrolyse bei einer höheren Stromstärke durchgeführt werden kann, was eine Erhöhung der Aluminiumproduktion ermöglicht. Allerdings weisen Graphit-Kathoden als Nachteil eine geringere Beständigkeit gegenüber den bei dem Betrieb der Elektrolysezelle herr- sehenden abrasiven Verschleißbedingungen und mithin eine kürzere Standzeit als amorphe Kathoden auf.
Um den spezifischen Energieverbrauch weiter zu verringern, werden in jüngster Zeit auch Kathodenblöcke eingesetzt, deren bei dem Betrieb der Elektrolysezelle dem geschmolzenen Aluminium und Elektrolyt zugewandte Seite durch ein oder mehrere Vertiefungen und/oder Erhebungen profiliert ist. Solche Kathodenblöcke, deren Oberseiten jeweils zwischen 1 und 8 und bevorzugt 2 Erhebungen mit einer Höhe von 50 bis 200 mm aufweisen, werden beispielsweise in der EP 2 133 446 A1 offenbart. Dabei sind die Kathodenblöcke aus Anthrazit, künstlichem Graphit, Mischungen aus Anthrazit und künstlichem Graphit oder aus graphitiertem Kohlenstoff zusammengesetzt. Aufgrund der profilierten Oberfläche wird die durch die bei der Elektrolyse vorliegende elektromagnetische Wechselwirkung hervorgerufene Bewegung des geschmolzenen Aluminiums verringert. Daraus resultiert eine geringere Wellenbildung und Aufwölbung der Aluminiumschicht. Aus diesem Grund kann durch den Einsatz der oberflächenprofilierten Kathodenblöcke der Abstand zwischen dem schmelzflüssigen Aluminium und der Anode, welcher wegen der vergleichsweise starken und intensiven Wellenbildung der Aluminiumschicht bei der Verwendung nicht oberflächenprofilierter Kathodenblöcke zwecks Vermeidung von Kurzschlüssen und unerwünschter Rückoxidation des gebildeten Aluminiums üblicherweise 4 bis 5 cm beträgt, auf 2 bis 4 cm verringert werden. Aufgrund dieser Verringerung des Abstandes zwischen dem schmelzflüssigen Aluminium und der Anode wird der elektrische Zellwiderstand infolge der Verringerung des ohmschen Widerstandes und somit der spezifische Energieverbrauch reduziert.
Allerdings weisen oberflächenprofilierte Kathodenblöcke und insbesondere oberflächenprofilierte Kathodenblöcke auf Basis von Graphit eine Reihe von Nachteilen auf. In den Vertiefungen der profilierten Oberfläche der Kathodenblöcke kann sich insbesondere in den Ecken Schlamm aus nicht gelöstem Aluminiumoxid absetzen. Dieses Problem wird dadurch verstärkt, dass aus Graphit bestehende Flächen von Aluminiumschmelze nur sehr schlecht benetzt werden. Dadurch sind oberflächenprofilierte Kathodenblöcke auf Basis von Graphit insbesondere an den Oberseiten der Erhebungen ihrer profilierten Oberflächen sehr verschleißanfällig. Zudem verringert der an den profilierten Oberflächen der Kathodenblöcke abgelagerte Schlamm die effektive Kathodenoberfläche und behindert dadurch den Stromfluss, wodurch der spezifische Energieverbrauch erhöht wird. Durch diesen Effekt wird zusätzlich die Stromdichte erhöht, was zu einer kürzeren Lebensdauer der Elektrolysezelle führen kann.
Um die Benetzung der Kathodenblockoberfläche zu verbessern, ist es in der WO 96/07773 A1 vorgeschlagen worden, auf dem Kathodenblock eine Beschichtung aus reinem Titandiborid, Zirkoniumdiborid oder dergleichen aufzubringen. Aus der DE 197 14 433 C2 ist ein Kathodenblock mit einer ähnlichen, wenigstens 80 Gew.- % Titandiborid enthaltenden Beschichtung bekannt, welche durch Plasmaspritzen von Titandiborid auf die Oberfläche des Kathodenblocks hergestellt wird. Solche Beschichtungen aus reinem Titandiborid oder mit einem sehr hohen Gehalt an Titandiborid sind jedoch sehr spröde und damit rissanfällig. Zudem ist die spezifische thermische Ausdehnung dieser Beschichtungen etwa doppelt so hoch wie die von Kohlenstoff, weswegen diese bei der Verwendung in einer Schmelzflusselektrolyse nur eine geringe Lebensdauer aufweisen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen zwecks Ermöglichen eines geringen Abstandes zwischen dem schmelzflüssigen Aluminium und der Anode in der Elektrolysezelle oberflächenprofilierten Kathodenblock bereitzustellen, der einen niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, welcher sich durch eine hohe thermische Leitfähigkeit auszeichnet, der gut mit Aluminiumschmelze benetzbar ist, welcher eine hohe Verschleißbeständigkeit gegenüber den bei dem Betrieb bei einer Schmelzflusselektrolyse herrschenden abrasiven, chemischen und thermischen Bedingungen aufweist, und, welcher sich insbesondere auch dadurch auszeichnet, dass sich bei diesem trotz der Oberflächenprofilierung bei der Durchführung einer Schmelzflusselektrolyse in der Oberflächenprofilierung kein Schlamm ablagert oder allenfalls geringe Mengen an Schlamm ablagern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Kathodenblock für eine Aluminium-Elektrolysezelle mit einer Grundschicht und mit einer Deckschicht, wobei die Grundschicht Graphit enthält, die Deckschicht eine zumindest bereichsweise profilierte Oberfläche aufweist und die Deckschicht aus einem 15 bis weniger als 50 Gew.-% Hartstoff mit einem Schmelzpunkt von wenigstens 1.000°C enthaltenden Kohlenstoffverbundwerkstoff zusammengesetzt ist.
Diese Lösung beruht auf der Erkenntnis, dass durch das Vorsehen einer zumindest bereichsweise oberflächenprofilierten Deckschicht aus einem Kohlenstoffverbundwerkstoff, welcher nicht weniger als 15 Gew.-%, aber maximal weniger als 50 Gew.-% Hartstoff mit einem Schmelzpunkt von wenigstens 1 .000°C enthält, auf einer Graphit enthaltenden Grundschicht ein Kathodenblock erhalten wird, welcher einen für einen energieeffizienten Betrieb einer Schmelzflusselektrolyse ausreichend geringen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist und zudem sehr verschleißbeständig gegenüber den bei der Schmelzflusselektrolyse herrschenden abrasiven, chemischen und thermischen Bedingungen ist. Dabei war es insbesondere überraschend, dass bei einem solchen Kathodenblock insbesondere eine Schlammbildung bzw. Schlammablagerung in der profilierten Oberfläche und insbesondere in den Ecken der profilierten Oberfläche bzw. der die Profilierung ausbildenden Vertiefung(en) zuverlässig verhindert wird und so nicht nur durch Verringerung bzw. Verhinderung von aus der Schlammbildung resultierender Partikelabrasion die Verschleißbeständigkeit des Kathodenblocks beträchtlich erhöht wird, sondern insbesondere auch eine Behinderung des Stromflusses infolge von Schlammbildung bzw. Schlammablagerung an der Kathodenblockoberfläche und eine daraus resultierende Erhöhung des spezifischen Energieverbrauchs bei der Elektrolyse zuverlässig verhindert wird. Mithin vereint der Kathodenblock gemäß der vorliegenden Erfindung die mit der Oberflächenprofilierung der bei dem Betrieb der Elektrolysezelle der Schmelze zugewandten Seite des Kathodenblocks sowie die mit dem Vorsehen von Graphit in der Grundschicht des Kathodenblocks verbundenen Vorteile - wie insbesondere geringer elektrischer Widerstand des Kathodenblocks, hohe thermische Leitfähigkeit des Kathodenblocks und geringe Wellenbildung und Wellenhöhe der Aluminiumschmelze bei der Verwendung des Kathodenblocks bei einer Schmelzflusselektrolyse von Aluminiumoxid in einer Kryolithschmelze, so dass der Abstand zwischen der Oberfläche der Schicht aus schmelzflüssigem Aluminium und der Anode in der Elektrolysezelle beispielsweise auf 0,5 bis 4,5 cm und bevorzugt auf 1 bis 4 cm verringert werden kann, was den spezifischen Energieverbrauch des Elektrolyseverfahrens verringert; gleichzeitig weist der Kathodenblock gemäß der vorliegenden Erfindung jedoch nicht die aus der Verwendung von Graphit resultierenden Nachteile, wie geringe Verschleißbeständigkeit und mangelnde Benetzbarkeit durch Aluminiumschmelze, sowie die aus der Verwendung der Oberflächenprofilierung resultierenden Nachteile, wie Schlammbildung bzw. Schlammablagerung in der profilierten Oberflächenstruktur, auf. Zudem tendiert die Katho- denblockoberfläche trotz der Verwendung einer Hartstoff enthaltenden Deckschicht überraschenderweise nicht zu Rissbildung und zeichnet sich insbesondere auch nicht durch eine nachteilig hohe Sprödigkeit aus.
Alles in allem ist der erfindungsgemäße Kathodenblock bezüglich der Durchführung einer Schmelzflusselektrolyse mit einer Aluminiumoxid und Kryolith enthaltenen Schmelze zur Herstellung von Aluminium langzeitstabil und erlaubt die Durchführung der Schmelzflusselektrolyse mit einem sehr geringen spezifischen Energieverbrauch. Erreicht wird dies durch die zuvor genannte Kombination einer Graphit enthaltenden Grundschicht sowie einer oberflächenprofilierten und spezifisch zusammengesetzten, Hartstoff in einer Menge von weniger als 50 Gew.-% enthaltenden Deckschicht auf Basis eines Kohlenstoffverbundwerkstoffes. Dies war insbesondere deshalb überraschend, weil die aus dem Stand der Technik bekannten Kathodenblöcke mit einer Titandiborid enthaltenden Beschichtung zwingend vergleichsweise hohe Mengen an Titandiborid enthalten, was die bekannten Be- schichtungen spröde macht.
Unter Hartstoff wird im Sinne der vorliegenden Erfindung im Einklang mit der fachüblichen Definition dieses Begriffs ein Material verstanden, welches sich insbesondere auch bei hohen Temperaturen von 1.000°C und höher durch eine besonders hohe Härte auszeichnet.
Vorzugsweise ist der Schmelzpunkt des eingesetzten Hartstoffs beträchtlich höher als 1 .000°C, wobei sich insbesondere Hartstoffe mit einem Schmelzpunkt von wenigstens 1 .500°C, bevorzugt Hartstoffe mit einem Schmelzpunkt von wenigstens 2.000°C und besonders bevorzugt Hartstoffe mit einem Schmelzpunkt von wenigstens 2.500°C als besonders geeignet erwiesen haben.
Grundsätzlich können in der Deckschicht des erfindungsgemäßen Kathodenblocks alle Hartstoffe eingesetzt werden. Gute Ergebnisse werden jedoch insbesondere mit Hartstoffen erhalten, welche eine gemäß der DIN EN 843-4 gemessene Knoop Härte von wenigstens 1 .000 N/mm2, bevorzugt von wenigstens 1 .500 N/mm2, besonders bevorzugt von wenigstens 2.000 N/mm2 und ganz besonders bevorzugt von wenigstens 2.500 N/mm2 aufweisen.
Beispiele für geeignete Hartstoffe sind Metallcarbide, Metallboride, Metallnitride und Metallcarbonitride mit einer ausreichend hohen Härte bei 1 .000°C. Beispiele für geeignete Vertreter aus diesen Gruppen sind Zirkoniumdiborid, Tantaldiborid, Borcarbid, Siliciumcarbid, Wolframcarbid, Vanadiumcarbid, Bornitrid, Siliciumnitrid, Zirkoniumdioxid und Aluminiumoxid. Ganz besonders bevorzugt wird als Hartstoff in der Deckschicht des erfindungsgemäßen Kathodenblocks eine nichtoxidische Titankeramik eingesetzt, und zwar vorzugsweise Titandiborid, Titancarbid, Titan- carbonitrid und/oder Titannitrid. Höchst bevorzugt enthält die Deckschicht des erfindungsgemäßen Kathodenblocks als Hartstoff Titandiborid. Alle der vorgenannten Hartstoffe können alleine eingesetzt werden oder es kann eine beliebige chemische Kombination und/oder Mischung von zwei oder mehr der vorgenannten Verbindungen eingesetzt werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der in der Deckschicht des Kathodenblocks enthaltene Hartstoff eine monomodale Partikelgrößenverteilung auf, wobei die durch statische Lichtstreuung gemäß dem Internationalen Standard ISO 13320-1 bestimmte mittlere volu- mengewichtete Partikelgröße (d3l 5o) 10 bis 20 pm beträgt. Bei dieser Ausführungsform wird besonders bevorzugt eine nichtoxidische Titankeramik und höchst bevorzugt Titandiborid mit einer vorstehend definierten monomodalen Partikelgrößenverteilung eingesetzt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, dass Hartstoff, insbesondere nichtoxidische Titankeramik und speziell Titandiborid, mit einer vorstehend definierten monomodalen Partikelgrößenverteilung nicht nur eine sehr gute Benetzbarkeit der Oberfläche des Kathodenblocks bedingt, weswegen eine Schlammbildung und Schlammablagerung in den profilierten Bereichen der Oberfläche des Kathodenblocks zuverlässig verhindert wird, die Verschleißbeständigkeit des Kathodenblocks erhöht und der spezifische Energieverbrauch bei der Elektrolyse verringert wird. Zudem wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung überraschenderweise festgestellt, dass dieser Effekt insbesondere auch bei vergleichsweise geringen Mengen Titandiborid von weniger als 50 Gew.-% und besonders bevorzugt sogar bei Titandiboridmengen von lediglich 15 bis 20 Gew.-% in der Deckschicht erreicht wird. Dadurch kann auf eine hohe Konzentration von Titandiborid in der Deckschicht, welche zu einer spröden Kathodenblockoberflä- che führt, verzichtet werden. Ferner zeichnet sich Hartstoff, insbesondere nichtoxidische Titankeramik und speziell Titandiborid, mit einer vorstehend definierten, monomodalen Partikelgrößenverteilung auch durch eine sehr gute Verarbeitbar- keit aus. Insbesondere ist die Staubneigung eines solchen Hartstoffs beispielsweise bei dem Einfüllen in einen Mischbehälter oder bei dem Transport des Hartstoffpulvers ausreichend niedrig und tritt beispielsweise bei dem Mischen allenfalls eine geringe Agglomeratbildung auf. Außerdem weist ein solches Hartstoffpulver eine ausreichend hohe Fließfähigkeit und Rieselfähigkeit auf, so dass dieses beispielsweise mit einer herkömmlichen Fördervorrichtung zu einer Mischvorrichtung gefördert werden kann. Aus alledem folgt nicht nur eine einfache und kostengünstige Herstellbarkeit der erfindungsgemäßen Kathodenblöcke, sondern folgt insbesondere auch eine sehr homogene Verteilung des Hartstoffs in der Deckschicht der Kathodenblöcke.
Vorzugsweise weist der in der Deckschicht des Kathodenblocks enthaltene Hartstoff, bevorzugt Titandiborid, eine monomodale Partikelgrößenverteilung auf, wobei die wie vorstehend bestimmte mittlere volumengewichtete Partikelgröße (d3 5o) 12 bis 18 pm und besonders bevorzugt 14 bis 16 pm beträgt.
Alternativ zu der vorgenannten Ausführungsform kann der in der Deckschicht des Kathodenblocks enthaltene Hartstoff eine monomodale Partikelgrößenverteilung aufweisen, wobei die durch statische Lichtstreuung gemäß dem Internationalen Standard ISO 13320-1 bestimmte mittlere volumengewichtete Partikelgröße (d3,5o) 3 bis 10 pm und bevorzugt 4 bis 6 pm beträgt. Auch bei dieser Ausführungsform wird besonders bevorzugt eine nichtoxidische Titankeramik und höchst bevorzugt Titandiborid mit einer vorstehend definierten monomodalen Partikelgrößenverteilung eingesetzt.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird vorgeschlagen, dass der Hartstoff eine wie vorstehend bestimmte, volumengewichtete d3 9o-Partikelgröße von 20 bis 40 m und bevorzugt von 25 bis 30 pm aufweist. Vorzugsweise weist der Hartstoff einen solchen d3 9o-Wert in Kombination mit einem vorstehend definierten d3 50- Wert auf. Auch bei dieser Ausführungsform ist der Hartstoff bevorzugt eine nichtoxidische Titankeramik und besonders bevorzugt Titandiborid. Dadurch werden die für die vorstehende Ausführungsform genannten Vorteile und Effekte sogar in verstärktem Maße erreicht.
Alternativ zu der vorgenannten Ausführungsform kann der in der Deckschicht des Kathodenblocks enthaltene Hartstoff eine wie vorstehend bestimmte, volumenge- wichtete d3 9o-Partikelgröße von 10 bis 20 pm und bevorzugt von 12 bis 18 pm aufweisen. Vorzugsweise weist der Hartstoff einen solchen d3 9o-Wert in Kombination mit einem vorstehend definierten d3 5o-Wert auf. Auch bei dieser Ausführungsform wird besonders bevorzugt eine nichtoxidische Titankeramik und höchst bevorzugt Titandiborid mit einer vorstehend definierten monomodalen Partikelgrößenverteilung eingesetzt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Hartstoff eine wie vorstehend bestimmte, volumengewichtete
d3 io-Partikelgröße von 2 bis 7 pm und bevorzugt von 3 bis 5 pm auf. Vorzugsweise weist der Hartstoff einen solchen d3 -m-Wert in Kombination mit einem vorstehend definierten d3 9o-Wert und/oder d3 5o-Wert auf. Auch bei dieser Ausführungsform ist der Hartstoff bevorzugt eine nichtoxidische Titankeramik und besonders bevorzugt Titandiborid. Dadurch werden die für die vorstehenden Ausführungsformen genannten Vorteile und Effekte sogar in verstärktem Maße erreicht.
Alternativ zu der vorgenannten Ausführungsform kann der in der Deckschicht des Kathodenblocks enthaltene Hartstoff eine wie vorstehend bestimmte, volumengewichtete d3 io-Partikelgröße von 1 bis 3 pm und bevorzugt von 1 bis 2 pm aufweisen. Vorzugsweise weist der Hartstoff einen solchen d3 -m-Wert in Kombination mit einem vorstehend definierten d3 9o-Wert und/oder d3 5o-Wert auf. Auch bei dieser Ausführungsform wird besonders bevorzugt eine nichtoxidische Titankeramik und höchst bevorzugt Titandiborid mit einer vorstehend definierten monomodalen Partikelgrößenverteilung eingesetzt.
Zudem ist es bevorzugt, wenn der Hartstoff, insbesondere eine nichtoxidische Titankeramik und besonders bevorzugt Titandiborid, eine Partikelgrößenverteilung aufweist, welche durch einen gemäß der nachfolgenden Gleichung berechneten Span-Wert:
Span = (d3,9o - d3,i o) d3,5o von 0,65 bis 3,80 und besonders bevorzugt von 1 ,00 bis 2,25 charakterisiert ist. Vorzugsweise weist der Hartstoff einen solchen Span-Wert in Kombination mit einem vorstehend definierten d3 9o-Wert und/oder d3 5o-Wert und/oder d3 -m-Wert auf. Dadurch werden die für die vorstehenden Ausführungsformen genannten Vorteile und Effekte sogar in verstärktem Maße erreicht.
Wie vorstehend dargelegt, eignen sich als Hartstoff in der Deckschicht des erfindungsgemäßen Kathodenblocks insbesondere nichtoxidische Titankeramiken, wie bevorzugt Titancarbid, Titancarbonitrid, Titannitrid und höchst bevorzugt Titandiborid. Aus diesem Grund wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, dass der Hartstoff zu wenigstens 80 Gew.-%, bevorzugt zu wenigstens 90 Gew.-%, besonders bevorzugt zu wenigstens 95 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt zu wenigstens 99 Gew.-% und höchst bevorzugt vollständig aus nichto- xidischer Titankeramik und insbesondere aus Titandiborid besteht.
Die Gesamtmenge des Hartstoffs in der Deckschicht beträgt erfindungsgemäß wenigstens 15 Gew.-%, aber maximal weniger als 50 Gew.-%. Bei einer in diesem Wertebereich liegenden Hartstoffmenge enthält die Deckschicht genügend Hartstoff, um einerseits der Deckschicht zur Erhöhung der Verschleißbeständigkeit eine exzellente Härte und Abriebsfestigkeit zu verleihen, und, um andererseits eine zur Vermeidung von Schlammbildung und Schlammablagerung ausreichend hohe Benetzbarkeit der Deckschichtoberfläche mit flüssigem Aluminium zu verleihen, wodurch die Verschleißbeständigkeit des Kathodenblocks weiter erhöht wird und der spezifische Energieverbrauch während einer Schmelzflusselektrolyse weiter verringert wird; gleichzeitig enthält die Deckschicht jedoch eine ausreichend niedrige Menge an Hartstoff, so dass die Oberfläche der Deckschicht aufgrund des Hartstoffzusatzes nicht eine für eine ausreichend hohe Langzeitstabilität zu hohe Sprödigkeit aufweist.
Gute Ergebnisse werden dabei insbesondere erhalten, wenn die Deckschicht 15 bis 40 Gew.-% und besonders bevorzugt 15 bis 30 Gew.-% eines Hartstoffs mit einem Schmelzpunkt von wenigstens 1 .000°C enthält.
Abgesehen von dem Hartstoff enthält die Deckschicht Kohlenstoff und gegebenenfalls Bindemittel, wie Pech, insbesondere Steinkohlen- und/oder Petroleumpech. Wenn nachfolgend Pech erwähnt wird, sind damit alle dem Fachmann bekannten Pechsorten gemeint. Dabei bildet der Kohlenstoff zusammen mit dem optionalen Bindemittel die Matrix, in welcher der Hartstoff eingebettet ist. Gute Ergebnisse werden insbesondere erhalten, wenn die Deckschicht 85 bis mehr als 50 Gew.-%, bevorzugt 85 bis 60 Gew.-% und besonders bevorzugt 85 bis 70 Gew.-% Kohlenstoff enthält.
Dabei kann der in der Deckschicht enthaltene Kohlenstoff amorpher Kohlenstoff, Graphit oder eine Mischung aus amorphem Kohlenstoff und Graphit sein. Bei der Verwendung von ausschließlich Graphit gegebenenfalls in Mischung mit einem Bindemittel, wie Pech, bei der Verwendung einer gegebenenfalls Bindemittel, wie Pech, enthaltenden Mischung aus amorphem Kohlenstoff und Graphit (wie beispielsweise einer Mischung aus Anthrazit, Graphit und Pech) und insbesondere bei der Verwendung von gegebenenfalls Bindemittel, wie Pech, enthaltendem amorphem Kohlenstoff wird eine besonders hohe Abriebsfestigkeit der Deckschicht erreicht.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird für die amorphen Kohlenstoff enthaltende Kathoden-Deckschicht vorgeschlagen, dass die Deckschicht einen vertikalen spezifischen elektrischen Widerstand bei 950°C von 20 bis 32 Ω pm und bevorzugt von 22 bis 28 Ω pm aufweist. Dies entspricht einem vertikalen spezifischen Widerständen bei Raumtemperatur von 23 bis 40 Ω pm bzw. von 25 bis 30 Ω μΓη. Unter vertikalem spezifischem elektrischem Widerstand wird in diesem Zusammenhang der spezifische elektrische Widerstand in der Einbausituation in vertikaler Richtung des Kathodenblocks verstanden.
Grundsätzlich sollte die Dicke der Deckschicht so gering wie möglich, sein, um die Kosten für den teuren Hartstoff so gering wie möglich zu halten, aber ausreichend groß, damit die Deckschicht eine ausreichend hohe Verschleißbeständigkeit und Lebensdauer aufweist. Gute Ergebnisse werden diesbezüglich insbesondere erhalten, wenn die Dicke der Deckschicht 1 bis 50 %, bevorzugt 5 bis 40 %, besonders bevorzugt 10 bis 30 % und ganz besonders bevorzugt 15 bis 25 %, beispielsweise ca. 20 %, der Gesamthöhe des Kathodenblocks beträgt.
Beispielsweise kann die Deckschicht eine Dicke bzw. Höhe von 50 bis 400 mm, bevorzugt von 50 bis 200 mm, besonders bevorzugt von 70 bis 130 mm, ganz besonders bevorzugt von 90 bis 1 10 mm und höchst bevorzugt von etwa 100 mm aufweisen. Unter Dicke bzw. Höhe wird dabei der Abstand von der Unterseite der Deckschicht bis zu der Stelle der höchsten Erhebung in dem Oberflächenprofil der Deckschicht verstanden.
Ebenso beispielhaft kann die Grundschicht eine Dicke bzw. Höhe von 100 bis 550 mm, bevorzugt von 300 bis 500 mm, besonders bevorzugt von 400 bis 500 mm, ganz besonders bevorzugt von 425 bis 475 mm und höchst bevorzugt von etwa 450 mm aufweisen.
Erfindungsgemäß weist die Deckschicht des Kathodenblocks eine zumindest bereichsweise profilierte Oberfläche auf. Unter einer profilierten Oberfläche wird hier eine Oberfläche verstanden, welche wenigstens eine sich in Querrichtung, in Längsrichtung oder in einer beliebigen anderen Richtung, wie beispielsweise in einer in einem spitzen oder stumpfen Winkel zu der Längsrichtung verlaufenden Richtung, des Kathodenblocks erstreckende oder chaotisch angeordnete Vertiefung und/oder Erhebung aufweist, wobei die Vertiefung bzw. Erhebung in Abgrenzung zu einer Oberflächenrauigkeit, quer zu der Kathodenblockoberfläche gesehen, zumindest eine Tiefe bzw. Höhe von 0,05 mm und bevorzugt von 05, mm aufweist. Dabei kann sich die wenigstens eine Vertiefung und/oder Erhebung ausschließlich auf die Deckschicht beschränken oder die wenigstens eine Vertiefung und/oder Erhebung kann sich bis in die Grundschicht hinein erstrecken. Vorzugsweise erstreckt sich die wenigstens eine Vertiefung und/oder Erhebung ausschließlich in der Deckschicht.
Prinzipiell kann die wenigstens eine Vertiefung und/oder Erhebung, in der Querrichtung des Kathodenblocks gesehen, jede beliebige Geometrie aufweisen. Beispielsweise kann die wenigstens eine Vertiefung bzw. Erhebung, in der Querrichtung des Kathodenblocks gesehen, konvex, konkav oder polygonal, wie beispielsweise trapezförmig, dreiecksförmig, rechteckig oder quadratisch, ausgebildet sein.
Um eine Wellenbildung bei dem Betrieb des erfindungsgemäßen Kathodenblocks bei der Schmelzflusselektrolyse von Aluminiumoxid in einer Kryolithschmelze zu vermeiden oder zumindest beträchtlich zu verringern, und, um die Höhe der etwaig sich bildenden Wellen drastisch zu verringern, wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, dass, sofern die Oberflächenprofilierung wenigstens eine Vertiefung umfasst, das Verhältnis von Tiefe zu Breite der wenigstens einen Vertiefung 1 :3 bis 1 : 1 und bevorzugt 1 :2 bis 1 : 1 beträgt.
Gute Ergebnisse werden insbesondere erhalten, wenn die Tiefe der wenigstens einen Vertiefung 10 bis 90 mm, bevorzugt 40 bis 90 mm und besonders bevorzugt 60 bis 80 mm, wie beispielsweise etwa 70 mm, beträgt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt die Breite der wenigstens einen Vertiefung 100 bis 200 mm, besonders bevorzugt 120 bis 180 mm und ganz besonders bevorzugt 140 bis 160 mm, wie beispielsweise etwa 150 mm.
Grundsätzlich ist es möglich, dass sich die wenigstens eine Vertiefung, in Längsrichtung des Kathodenblocks gesehen, nur bereichsweise erstreckt. Allerdings ist es bevorzugt, dass sich die wenigstens eine Vertiefung über die gesamte Länge des Kathodenblocks erstreckt, um den Effekt der Verringerung bzw. vollständigen Verringerung von Wellenbildung von flüssigem Aluminium zu erreichen. Jedoch ist es möglich, dass die Tiefe und/oder Breite der wenigstens einen Vertiefung über die Länge des Kathodenblocks variiert. Ebenso kann auch die Geometrie der Vertiefung über die Länge des Kathodenblocks variieren.
Sofern die Oberflächenprofilierung wenigstens eine Erhebung umfasst, ist es ebenfalls aus dem Grund, eine Wellenbildung bei dem Betrieb des erfindungsgemäßen Kathodenblocks bei der Schmelzflusselektrolyse von Aluminiumoxid in einer Kryolithschmelze zu vermeiden oder zumindest beträchtlich zu verringern, und, um die Höhe der etwaig sich bildenden Wellen drastisch zu verringern, bevorzugt, dass das Verhältnis von Höhe zu Breite der wenigstens einen Erhebung 1 :2 bis 2: 1 und bevorzugt etwa 1 : 1 beträgt. Gute Ergebnisse werden insbesondere erhalten, wenn die Höhe der wenigstens einen Erhebung 10 bis 150 mm, bevorzugt 40 bis 90 mm und besonders bevorzugt 60 bis 80 mm, wie beispielsweise etwa 70 mm, beträgt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt die Breite der wenigstens einen Erhebung 50 bis 150 mm, besonders bevorzugt 55 bis 100 mm und ganz besonders bevorzugt 60 bis 90 mm, wie beispielsweise etwa 75 mm.
Grundsätzlich ist es möglich, dass sich die wenigstens eine Erhebung, in Längsrichtung des Kathodenblocks gesehen, nur bereichsweise erstreckt. Allerdings ist es bevorzugt, dass sich die wenigstens eine Erhebung über die gesamte Länge des Kathodenblocks erstreckt, um den Effekt der Verringerung bzw. vollständigen Verringerung von Wellenbildung von flüssigem Aluminium zu erreichen. Jedoch ist es möglich, dass die Höhe und/oder Breite der wenigstens einen Erhebung über die Länge des Kathodenblocks variiert. Ebenso kann auch die Geometrie der Erhebung über die Länge des Kathodenblocks variieren.
Sofern die Oberflächenprofilierung sowohl wenigstens eine Vertiefung als auch wenigstens eine Erhebung umfasst, beträgt das Verhältnis der Breite der wenigstens einen Vertiefung zu der Breite der wenigstens einen Erhebung vorzugsweise 4: 1 bis 1 : 1 , wie beispielsweise etwa 2: 1 .
Um während der Durchführung einer Schmelzflusselektrolyse eine Absetzung von in der Schmelze enthaltendem Schlamm in der profilierten Struktur der Oberfläche des Kathodenblocks zuverlässig zu vermeiden, wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, etwaige gewinkelte und insbesondere rechtwinklige Bereiche in der profilierten Oberfläche zu vermeiden. Wenn beispielsweise ein im wesentlicher rechteckiger Querschnitt der wenigstens einen Vertiefung und/oder Erhebung gewählt wird, ist es gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bevorzugt, die rechtwinkligen Bereiche abzurun- den. Der Krümmungsradius dieser Abrundungen kann beispielsweise 5 bis
50 mm, bevorzugt 10 bis 30 mm und besonders bevorzugt etwa 20 mm betragen. Um scharfe Kanten zu vermeiden, sind prinzipiell beliebige Geometrien denkbar, die alle unter den Begriff Abrundung fallen.
Bezüglich der Anzahl der Vertiefungen bzw. Erhebungen in dem Kathodenblock ist die vorliegende Erfindung nicht beschränkt. Gute Ergebnisse werden beispielsweise erhalten, wenn der Kathodenblock in seiner Querrichtung 1 bis 3 Vertiefungen und bevorzugt 2 Vertiefungen aufweist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Grundschicht zu wenigstens 80 Gew.-%, bevorzugt zu wenigstens 90 Gew.- %, besonders bevorzugt zu wenigstens 95 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt zu wenigstens 99 Gew.-% und höchst bevorzugt vollständig aus einer Mischung aus Graphit und Bindemittel, wie carbonisiertem Pech, zusammengesetzt (Graphit- Kathodenkörper). Eine solche Grundschicht weist einen geeignet niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand und eine ausreichend hohe spezifische Wärmeleitfähigkeit auf. Dabei ist diese Mischung bevorzugt aus 70 bis 95 Gew.-% Graphit und 5 bis 30 Gew.-% Bindemittel und besonders bevorzugt aus 80 bis 90 Gew.-% Graphit und 10 bis 20 Gew.-% Bindemittel, wie beispielsweise aus 85 Gew.-% Graphit und 15 Gew.-% carbonisiertem Pech, zusammengesetzt.
Vorzugsweise sind sowohl die Oberseite der Grundschicht als auch die Unterseite der Deckschicht und somit auch die Grenzfläche zwischen der Grundschicht und der Deckschicht planar ausgestaltet. Auch wenn dies nicht bevorzugt ist, kann zwischen der Grundschicht und der Deckschicht eine Zwischenschicht vorgesehen sein, welche beispielsweise wie die Deckschicht aufgebaut ist, ausgenommen, dass die Zwischenschicht eine niedrigere Konzentration an Hartstoff aufweist als die Deckschicht. In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass die Grundschicht einen vertikalen elektrischen spezifischen Widerstand bei 950°C von 13 bis 18 Ω μπΊ und bevorzugt von 14 bis 16 Ω μηι aufweist. Dies entspricht vertikalen elektrischen spezifischen Widerständen bei Raumtemperatur von 14 bis 20 Ω pm bzw. von 16 bis 18 Ω m.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Kathode, welche wenigstens einen zuvor beschriebenen Kathodenblock enthält, wobei der Kathodenblock an der der Deckschicht gegenüberliegenden Seite der Grundschicht wenigstens eine Nut aufweist, wobei in der wenigstens einen Nut wenigstens eine Stromschiene vorgesehen ist, um der Kathode während der Elektrolyse Strom zuzuführen.
Um die wenigstens eine Stromschiene fest an dem Kathodenblock zu befestigen, und, um den elektrischen Widerstand erhöhende Hohlräume zwischen der Stromschiene und dem Kathodenblock zu vermeiden, ist es zudem bevorzugt, dass die wenigstens eine Stromschiene zumindest bereichsweise und besonders bevorzugt vollumfangsflächig eine Umhüllung aus Gusseisen aufweist. Diese Umhüllung kann dadurch hergestellt werden, dass die wenigstens eine Stromschiene in die Nut des Kathodenblocks eingefügt wird und dann in den Zwischenraum zwischen der Stromschiene und den die Nut begrenzenden Wänden Gusseisen eingefüllt wird.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines zuvor beschriebenen Kathodenblocks bzw. einer zuvor beschriebenen Kathode zur Durchführung einer Schmelzflusselektrolyse zur Herstellung von Metall, wie insbesondere von Aluminium.
Vorzugsweise wird der Kathodenblock bzw. die Kathode zur Durchführung einer Schmelzflusselektrolyse mit einer Schmelze aus Kryolith und Aluminiumoxid zur Herstellung von Aluminium eingesetzt, wobei die Schmelzflusselektrolyse besonders bevorzugt als Hall-Heroult-Verfahren durchgeführt wird.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Dabei zeigen:
Figur 1 einen schematischen Querschnitt eines Ausschnitts einer Aluminium- Elektrolysezelle, welche einen Kathodenblock gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung umfasst, und
Figuren 2a bis 2E jeweils einen schematischen Querschnitt der Oberflächenpro- filierung eines Kathodenblocks gemäß anderer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
In der Fig. 1 ist ein Querschnitt eines Ausschnitts einer Aluminium-Elektrolysezelle 10 mit einer Kathode 12, die gleichzeitig den Boden einer Wanne für während des Betriebs der Elektrolysezelle 10 erzeugte Aluminiumschmelze 14 und für eine oberhalb der Aluminiumschmelze 14 befindliche Kryolith-Aluminiumoxid-Schmelze 16 bildet. Mit der Kryolith-Aluminiumoxid-Schmelze 16 steht eine Anode 18 der Elektrolysezelle 10 in Kontakt. Seitlich wird die durch den unteren Teil der Aluminium-Elektrolysezelle 10 gebildete Wanne durch eine in der Fig. 1 nicht dargestellte Auskleidung aus Kohlenstoff und/oder Graphit begrenzt.
Die Kathode 12 umfasst mehrere Kathodenblöcke 20, 20', 20", die jeweils über eine in eine zwischen den Kathodenblöcken 20, 20', 20" angeordnete Stampfmassenfuge 22, 22' eingefügte Stampfmasse 24, 24' miteinander verbunden sind. Gleichermaßen umfasst die Anode 18 mehrere Anodenblöcke 26, 26', wobei die Anodenblöcke 26, 26' jeweils etwa doppelt so breit und etwa halb so lang wie die Kathodenblöcke 20, 20', 20" sind. Dabei sind die Anodenblöcke 26, 26' so über den Kathodenblöcken 20, 20', 20" angeordnet, dass jeweils ein Anodenblock 26, 26' in der Breite zwei nebeneinander angeordnete Kathodenblöcke 20, 20', 20" abdeckt und jeweils ein Kathodenblock 20, 20', 20" in der Länge zwei nebeneinander angeordnete Anodenblöcke 26, 26' abdeckt.
Jeder Kathodenblock 20, 20', 20" besteht aus einer unteren Grundschicht 30, 30', 30" und einer darüber angeordneten und damit fest verbundenen Deckschicht 32, 32', 32". Die Grenzflächen zwischen den Grundschichten 30, 30', 30" sowie den Deckschichten 32, 32', 32" sind planar. Während die Grundschichten 30, 30', 30" der Kathodenblöcke 20, 20', 20" jeweils eine Graphit-Materialstruktur aufweisen, nämlich aus dem von der Firma SGL Carbon GmbH vertriebenen Sorte 5BGNR bestehen, sind die Deckschichten 32, 32', 32" jeweils aus einem Titandiborid enthaltenden Keramik-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff zusammengesetzt, der 20 Gew.- % Titandiborid, amorphen Kohlenstoff, nämlich Anthrazit, und carbonisiertes Pech als Bindemittel enthält. Das in den Deckschichten 32, 32', 32" enthaltene Titandiborid weist eine durch statische Lichtstreuung gemäß dem Standard ISO 13320-1 bestimmte mittleren volumengewichtete Partikelgröße (d3 5o) von 15 pm, eine d3 9o- Partikelgröße von 27 pm und eine d3 -ιο-Partikelgröße von 4 pm auf.
Jeder Kathodenblock 20, 20', 20" weist eine Breite von 650 mm und eine, bezogen auf die höchste Stelle der Deckschicht 32, 32', 32", Höhe von insgesamt 550 mm auf, wobei die Grundschichten 30, 30', 30" jeweils eine Höhe von 450 mm aufweisen und die Deckschichten 32, 32', 32" jeweils eine, bezogen auf die höchste Stelle der Deckschichten 32, 32', 32", Höhe von 100 mm aufweisen. Der Abstand zwischen den Anodenblöcken 26, 26' und den Kathodenblöcken 20, 20', 20" beträgt ca. 200 bis ca. 350 mm, wobei die dazwischen angeordnete Schicht aus Kryolith-Aluminiumoxid-Schmelze 16 eine Dicke von ca. 50 mm aufweist und die darunter angeordnete Schicht aus Aluminiumschmelze 14 ebenfalls eine Dicke von ca. 150 bis ca. 300 mm aufweist.
Jede Deckschicht 32, 32', 32" weist eine profilierte Oberfläche auf, wobei in jeder Deckschicht 32, 32', 32" zwei im Querschnitt im Wesentlichen rechteckige Vertiefungen 34, 34' vorgesehen sind, welche jeweils von einer Erhebung 36 voneinander getrennt sind. Während die Breite der Vertiefungen 34, 34' jeweils 150 mm beträgt und die Tiefe der Vertiefungen 34, 34' jeweils 70 mm beträgt, weist die Erhebung 36 eine Breite von 75 mm und eine Höhe von 70 mm auf. Sowohl die Ecken in den beiden Vertiefungen 34, 34' als auch die Ecken der Erhebung 36 sind jeweils mit 20 mm Radius abgerundet.
Schließlich umfasst jeder Kathodenblock 20, 20', 20" an seiner Unterseite jeweils zwei Nuten 38, 38' mit jeweils einem rechtwinkligen, nämlich im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt, wobei in jeder Nut 38, 38' jeweils eine Stromschiene 40, 40' aus Stahl mit einem ebenfalls rechtwinkligen bzw. im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufgenommen ist. Die Zwischenräume zwischen den Stromschienen 40, 40' und den die Nuten 38, 38' begrenzenden Wänden sind dabei jeweils mit Gusseisen (nicht dargestellt) ausgegossen, wodurch die Stromschienen 40, 40' fest mit den die Nuten 38, 38' begrenzenden Wänden verbunden sind. Vorzugsweise werden sowohl die Nuten 38, 38' als auch die Vertiefungen 34, 34' an der Oberseite der Deckschichten 32, 32', 32" während des Formgebungsprozesses angelegt, und zwar beispielsweise durch Rüttelformen und/oder Stempel.
In den Fig. 2A bis 2E sind Beispiele für unterschiedliche Ausgestaltungen der Vertiefungen 34, 34' und der Erhebungen 36 der Oberflächenprofilierung der Deckschichten 32, 32', 32" dargestellt, nämlich, jeweils im Querschnitt, rechteckig mit abgerundeten Ecken (nicht dargestellt) (Fig. 2A), im Wesentlichen wellenförmig (Fig. 2B), dreiecksförmig (Fig. 2C), konvex (Fig. 2D) und sinusförmig (Fig. 2E). Bezugszeichenliste
10 Aluminium-Elektrolysezelle
12 Kathode
14 Aluminiumschmelze
16 Kryolith-Aluminiumoxid-Schmelze
18 Anode
20, 20', 20" Kathodenblock
22, 22' Stampfmassenfuge
24, 24' Stampfmasse
30, 30', 30" Grundschicht
32, 32', 32" Deckschicht
34, 34' Vertiefung
36 Erhebung
38, 38' Nut
40, 40' Stromschiene

Claims

Patentansprüche
1. Kathodenblock (20, 20', 20") für eine Aluminium-Elektrolysezelle mit einer Grundschicht (30, 30', 30") und mit einer Deckschicht (32, 32', 32"), wobei die Grundschicht (30, 30', 30") Graphit enthält, die Deckschicht (32, 32', 32") eine zumindest bereichsweise profilierte Oberfläche aufweist und die Deckschicht (32, 32', 32") einen 15 bis weniger als 50 Gew.-% Hartstoff mit einem Schmelzpunkt von wenigstens 1.000°C enthaltenden Kohlenstoffverbundwerkstoff enthält.
2. Kathodenblock (20, 20', 20") nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der in der Deckschicht (32, 32', 32") enthaltende Hartstoff eine gemäß der DIN EN 843-4 gemessene Knoop Härte von wenigstens 1.000 N/mm2, bevorzugt von wenigstens 1.500 N/mm2, besonders bevorzugt von wenigstens 2.000 N/mm2 und ganz besonders bevorzugt von wenigstens 2.500 N/mm2 aufweist.
3. Kathodenblock (20, 20', 20") nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der in der Deckschicht (32, 32', 32") enthaltende Hartstoff aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Titandiborid, Zirkoniumdiborid, Tantaldiborid, Titancarbid, Borcarbid, Titancarbonithd, Siliciumcarbid, Wolframcarbid, Vanadiumcarbid, Titannitrid, Bornitrid, Siliciumnitrid, Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxid und beliebigen chemischen Kombinationen und/oder Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Verbindungen besteht.
4. Kathodenblock (20, 20', 20") nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der in der Deckschicht (32, 32', 32") enthaltende Hartstoff eine monomodale Partikelgrößenverteilung aufweist, wobei die durch statische Lichtstreuung gemäß der ISO 13320-1 bestimmte mittlere volumengewichtete Partikelgröße (d35o) 10 bis 20 pm, bevorzugt 12 bis 18 pm und besonders bevorzugt 14 bis 16 pm beträgt.
5. Kathodenblock (20, 20', 20") nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
der in der Deckschicht (32, 32', 32") enthaltende Hartstoff eine monomodale Partikelgrößenverteilung aufweist, wobei die durch statische Lichtstreuung gemäß der ISO 13320-1 bestimmte mittlere volumengewichtete Partikelgröße (d35o) 3 bis 10 m und bevorzugt 4 bis 6 pm beträgt.
6. Kathodenblock (20, 20', 20") nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die durch statische Lichtstreuung gemäß der ISO 13320-1 bestimmte d39o- Partikelgröße des Hartstoffs 20 bis 40 pm und bevorzugt 25 bis 30 pm beträgt.
7. Kathodenblock (20, 20', 20") nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
die durch statische Lichtstreuung gemäß der ISO 13320-1 bestimmte d39o- Partikelgröße des Hartstoffs 10 bis 20 pm und bevorzugt 12 bis 18 pm beträgt.
8. Kathodenblock (20, 20', 20") nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die durch statische Lichtstreuung gemäß der ISO 13320-1 bestimmte d3 i0- Partikelgröße des Hartstoffs 2 bis 7 pm und bevorzugt 3 bis 5 pm beträgt.
9. Kathodenblock (20, 20', 20") nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
die durch statische Lichtstreuung gemäß der ISO 13320-1 bestimmte d3 i0- Partikelgröße des Hartstoffs 1 bis 3 pm und bevorzugt 1 bis 2 pm beträgt.
10. Kathodenblock (20, 20', 20") nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Hartstoff eine nichtoxidische Titankeramik und bevorzugt Titandiborid ist und eine Partikelgrößenverteilung aufweist, welche einen gemäß der nachfolgenden Gleichung berechneten Span-Wert:
Span = (d3,9o - d3,io) d3,5o von 0,65 bis 3,80 und besonders bevorzugt von 1 ,00 bis 2,25 aufweist.
11. Kathodenblock (20, 20', 20") nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Hartstoff wenigstens 80 Gew.-%, bevorzugt wenigstens 90 Gew.-%, besonders bevorzugt wenigstens 95 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt wenigstens 99 Gew.-% und höchst bevorzugt 100 Gew.-% einer nichtoxidischen Titankeramik und bevorzugt Titandiborid enthält.
12. Kathodenblock (20, 20', 20") nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Deckschicht (32, 32', 32") 15 bis 40 Gew.-% und bevorzugt 15 bis 30 Gew.-% eines Hartstoffs mit einem Schmelzpunkt von wenigstens 1.000°C enthält.
13. Kathodenblock (20, 20', 20") nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Deckschicht (32, 32', 32") 85 bis mehr als 50 Gew.-%, bevorzugt 85 bis 60 Gew.-% und besonders bevorzugt 85 bis 70 Gew.-% Kohlenstoff enthält.
14. Kathodenblock (20, 20', 20") nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kohlenstoff amorpher Kohlenstoff, Graphit oder eine Mischung aus amorphem Kohlenstoff und Graphit ist.
15. Kathodenblock (20, 20', 20") nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Deckschicht (32, 32', 32") einen vertikalen spezifischen elektrischen Widerstand bei 950°C von 20 bis 32 Ω m und bevorzugt von 22 bis 28 Ω m aufweist.
16. Kathodenblock (20, 20', 20") nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Dicke der Deckschicht (32, 32', 32") 1 bis 50 %, bevorzugt 5 bis 40 %, besonders bevorzugt 10 bis 30 % und ganz besonders bevorzugt 15 bis 25 % der Gesamthöhe des Kathodenblocks (20, 20', 20") beträgt.
17. Kathodenblock (20, 20', 20") nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberfläche der Deckschicht (32, 32', 32") durch wenigstens eine Vertiefung (34, 34') und/oder wenigstens eine Erhebung (36) profiliert ist.
18. Kathodenblock (20, 20', 20") nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Vertiefung (34, 34') und/oder die wenigstens eine Erhebung (36), in der Querrichtung des Kathodenblocks (20, 20', 20") gesehen, konvex, konkav oder polygonal, wie beispielsweise trapezförmig, dreiecksförmig, rechteckig oder quadratisch, ausgebildet ist.
19. Kathodenblock (20, 20', 20") nach Anspruch 17 oder 18,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberfläche der Deckschicht (32, 32', 32") wenigstens eine Vertiefung (34, 34') aufweist, wobei das Verhältnis von Tiefe zu Breite der wenigstens einen Vertiefung (34, 34') 1:3 bis 1:1 und bevorzugt 1:2 bis 1:1 beträgt.
20. Kathodenblock (20, 20', 20") nach zumindest einem der Ansprüche 17 bis 19,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberfläche der Deckschicht (32, 32', 32") wenigstens eine Vertiefung (34, 34') aufweist, wobei die Tiefe der wenigstens einen Vertiefung (34, 34') 10 bis 90 mm, bevorzugt 40 bis 90 mm und besonders bevorzugt 60 bis 80 mm beträgt.
21. Kathodenblock (20, 20', 20") nach zumindest einem der Ansprüche 17 bis 20,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberfläche der Deckschicht (32, 32', 32") wenigstens eine Vertiefung (34, 34') aufweist, wobei die Breite der wenigstens einen Vertiefung (34, 34') 100 bis 200 mm, besonders bevorzugt 120 bis 180 mm und ganz besonders bevorzugt 140 bis 160 mm beträgt.
22. Kathodenblock (20, 20', 20") nach zumindest einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberfläche der Deckschicht (32, 32', 32") wenigstens eine Erhebung (36) aufweist, wobei das Verhältnis von Höhe zu Breite der wenigstens einen Erhebung (36) 1:2 bis 2:1 und bevorzugt 1:1 beträgt.
23. Kathodenblock (20, 20', 20") nach zumindest einem der Ansprüche 17 bis
22,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberfläche der Deckschicht (32, 32', 32") wenigstens eine Erhebung (36) aufweist, wobei die Höhe der wenigstens einen Erhebung (36) 10 bis 150 mm, bevorzugt 40 bis 90 mm und besonders bevorzugt 60 bis 80 mm beträgt.
24. Kathodenblock (20, 20', 20") nach zumindest einem der Ansprüche 17 bis
23,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberfläche der Deckschicht (32, 32', 32") wenigstens eine Erhebung (36) aufweist, wobei die Breite der wenigstens einen Erhebung (36) 50 bis 150 mm, besonders bevorzugt 55 bis 100 mm und ganz besonders bevorzugt 60 bis 90 mm beträgt.
25. Kathodenblock (20, 20', 20") nach zumindest einem der Ansprüche 17 bis 24,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberfläche der Deckschicht (32, 32', 32") wenigstens eine Vertiefung (34, 34') sowie wenigstens eine Erhebung (36) umfasst, wobei das Verhältnis der Breite der wenigstens einen Vertiefung (34, 34') zu der Breite der wenigstens einen Erhebung (36) 4:1 bis 1:1 und besonders bevorzugt 2:1 beträgt.
26. Kathodenblock (20, 20', 20") nach zumindest einem der Ansprüche 17 bis
25, dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberfläche der Deckschicht (32, 32', 32") 1 bis 3 und besonders bevorzugt 2 Vertiefungen (34, 34') aufweist.
27. Kathodenblock (20, 20', 20") nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Grundschicht (30, 30', 30") zu wenigstens 80 Gew.-%, bevorzugt zu wenigstens 90 Gew.-%, besonders bevorzugt zu wenigstens 95 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt zu wenigstens 99 Gew.-% und höchst bevorzugt vollständig aus Graphit und Bindemittel zusammengesetzt ist.
28. Kathodenblock (20, 20', 20") nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Grundschicht (30, 30', 30") einen vertikalen spezifischen elektrischen Widerstand bei 950°C von 13 bis 18 Ω pm und bevorzugt von 14 bis 16 Ω pm aufweist.
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