EP2673399A2 - Kathodenblock mit einer hartstoff enthaltenden deckschicht - Google Patents

Kathodenblock mit einer hartstoff enthaltenden deckschicht

Info

Publication number
EP2673399A2
EP2673399A2 EP12702278.8A EP12702278A EP2673399A2 EP 2673399 A2 EP2673399 A2 EP 2673399A2 EP 12702278 A EP12702278 A EP 12702278A EP 2673399 A2 EP2673399 A2 EP 2673399A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cathode block
hard material
cover layer
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Withdrawn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
EP12702278.8A
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 Cfl Ce GmbH
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 EP2673399A2 publication Critical patent/EP2673399A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

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

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 which is conventionally 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.
  • anode formed of individual anode blocks between which and the surface of the aluminum is the electrolyte, ie the melt containing alumina and cryolite.
  • the electrolyte ie the melt containing alumina and cryolite.
  • the aluminum formed is deposited below the electrolyte layer due to its greater density compared to that of the electrolyte, ie as an intermediate layer between the upper side 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 performed at a higher current, which allows an increase in the production of aluminum per electrolytic cell.
  • cathode blocks made of graphite have a very low and in particular a lower resistance compared to the occurring during operation of the electrolytic cell abrasive wear processes and thus a shorter service life than consisting of amorphous carbon cathode blocks.
  • undissolved alumina sludge readily deposits on the surface of graphite cathode blocks, which, on the one hand, significantly reduces the wear resistance of the cathode block due to the particle abrasion resulting from the sludge formation and, on the other hand, hinders the flow of current at the cathode block surface due to the reduction of the effective cathode surface. which results in an increase in the specific energy consumption during the electrolysis. As a result, the current density is additionally increased, which can lead to a shorter life of the electrolytic cell.
  • the object of the present invention is therefore to provide a cathode block which has a low electrical resistivity, which is characterized by a high thermal conductivity, which is well wettable with molten aluminum, which has a high wear resistance against the abrasive in the operation in a fused-salt electrolysis , chemical and thermal conditions, and which is special also distinguished by the fact that when carrying out a melt electrolysis no sludge deposited on the surface or at most deposit small amounts of sludge.
  • a cathode block for an aluminum electrolytic cell having a base layer and a cover layer, wherein the base layer contains graphite and the cover layer of a 15 to less than 50 wt .-% hard material having a melting point of at least 1, 000 ° C containing carbon composite material is composed.
  • This solution is based on the finding that by providing a cover layer of a carbon composite material which contains 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. a graphite-containing base layer, a cathode block is obtained, which has a sufficiently low for an energy-efficient operation of a fused-salt electrolysis resistivity and also very resistant to wear prevailing in the melt electrolysis, abrasive, chemical and thermal conditions.
  • the cathode block according to the present invention is characterized by the provision of graphite in the base layer of the cathode block.
  • advantages include, in particular, low electrical resistance of the cathode block and high thermal conductivity of the cathode block, without, however, the disadvantages resulting from the use of graphite, such as low wear resistance and lack of wettability due to aluminum melt. Rather, good wettability of the cathode block surface with molten aluminum is achieved on account of the cover layer provided in the cathode block according to the invention, which is why sludge formation or sludge deposition on the surface of the cathode block is reliably prevented.
  • the movement of the molten aluminum is significantly reduced thereby, so that the distance between the surface of the molten aluminum layer and the anode in the electrolytic cell is reduced, for example, to 2.5 to 4.0 cm, and preferably to 3 to 3.5 cm which further reduces the specific energy consumption of the electrolysis process.
  • the surface of the cathode block according to the invention surprisingly does not tend to crack despite the use of a cover layer containing hard material and in particular is not distinguished by a disadvantageously high brittleness.
  • 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 above-mentioned combination of a graphite-containing base layer and a hard layer in an amount of less than 50 wt .-% containing top layer based on a carbon composite material.
  • This was particularly surprising because the known from the prior art cathode blocks containing a titanium diboride coating necessarily contain relatively high amounts of titanium diboride, which makes the known coatings brittle.
  • hard material in accordance with the definition of this term in the art is understood to be a material which is characterized by a particularly high hardness, especially at high temperatures of 1 000 ° 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 from these groups are titanium diboride, zirconium diboride, tantalum boride, titanium carbide, boron carbide, titanium carbonitride, silicon carbide, tungsten carbide, vanadium carbide, titanium nitride, boron nitride and silicon nitride.
  • a non-oxidic titanium ceramic as the 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 chemical combination and / or mixture of two or more of the aforementioned compounds may be used.
  • the hard material contained in the cover layer of the cathode block has a monomodal particle size distribution, wherein the determined by static light scattering according to International Standard ISO 13320-1 mean volume-weighted particle size (d 3 , 5 o) 10 bis 20 pm.
  • a non-oxidic titanium ceramic and most preferably titanium diboride having a monomodal particle size distribution as defined above.
  • a hard material in particular non-oxidic titanium ceramic and especially titanium diboride, having a monomodal particle size distribution as defined above not only results in very good wettability of the surface of the cathode block, and therefore sludge formation and sludge deposition on the surface of the cathode block is reliably prevented , increases the wear resistance of the cathode block and reduces the specific energy consumption during 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, with a monomodal particle size distribution as defined above, is also distinguished by very good processability.
  • the dust tendency of such a hard material is sufficient, for example, when it is filled into a mixing container or during the transport of the hard material powder 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 has such a d 3 9 o value in combination with a d 3 50 value defined above.
  • 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.
  • the hard material in particular a non-oxidic titanium ceramic and particularly preferably titanium diboride, has a particle size distribution which is calculated 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 cover layer contains sufficient hard material to impart on the one hand the cover layer to increase the wear resistance excellent hardness and abrasion resistance, and on the other hand to give a sufficiently high wettability of the cover layer surface with liquid aluminum to avoid sludge formation and sludge deposition whereby the wear resistance of the cathode block is further increased and the specific energy consumption during a fused-salt electrolysis is further reduced; at the same time, however, the topcoat contains sufficient low amount of hard material, so that the surface of the cover layer due to the addition of hard material does not have too high a brittleness 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.
  • the cover layer of the cathode block according to the invention contains as carbon exclusively amorphous carbon or a mixture of amorphous carbon and graphite. If a mixture of amorphous carbon and graphite is used, this mixture preferably contains 10 to 99 wt .-%, particularly preferably 30 to 95 wt .-% and most preferably 60 to 90 wt .-% amorphous carbon and the balance graphite, wherein as graphite both natural graphite and synthetic graphite can be used.
  • Anthracite is preferably used as the starting material for the amorphous carbon, which is then calcined at a temperature of 800 and 2,200 ° C., and more preferably between 1,200 and 2,000 ° C.
  • the cathode block cover layer containing amorphous carbon it is proposed for the cathode block cover layer containing amorphous carbon that the cover layer has a vertical electrical resistivity 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 ⁇ m or from 25 to 30 ⁇ pm.
  • 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 low as possible in order to keep the cost of the expensive hard material as low as possible, but sufficiently large for the cover layer to have sufficiently high wear resistance and service life. 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 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, more preferably from 400 to 500 mm, most preferably from 425 to 475 mm and most preferably about 450 mm.
  • the cover layer of the cathode block has an at least partially profiled surface. Due to a profiled surface, the movement of the molten aluminum caused by the electromagnetic interaction in the electrolysis is reduced, resulting in less corrugation and bulging of the aluminum layer. For this reason, by using surface-profiled cathode blocks, the distance between the molten aluminum and the anode can be further reduced so that the cell electrical resistance is further reduced due to the reduction of the ohmic resistance and thus the specific energy consumption.
  • 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 in a direction extending 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 0.5 mm can be the least restrict a depression and / or elevation exclusively to the cover layer or the at least one depression and / or elevation may extend into the base layer.
  • the at least one depression and / or elevation extends exclusively in the cover layer.
  • a depression is understood to be a recess directed inwards from the surface of the cathode block, whereas the term elevation means an elevation directed outward from the surface of the cathode block. It may, for example, in the case of rectangular recesses or elevations each have the same depth or height depend on the viewer, whether they are regarded as depressions or surveys. This blurring between the terms indentation and survey should be taken into account in the formulation of "deepening and / or survey”.
  • 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 surface profiling comprises at least one depression, the ratio of depth to width of the at least one depression being 1: 3 to 1: 1 and preferably 1: 2 to 1: 1.
  • Good results are obtained, in particular, if 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 projection
  • 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.
  • any angled and in particular rectangular regions in the profiled surface For example, if a substantially rectangular cross-section of the at least one recess and / or bump is selected, it is preferred in accordance with a preferred embodiment of the present invention to round off the rectangular areas.
  • the radius of curvature of these roundings may be, for example, 5 to 50 mm, preferably 10 to 30 mm and particularly preferably about 20 mm.
  • any geometry is conceivable in principle, all fall under the term rounding.
  • 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 most 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 kalen electrical resistivities 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 circumferential surface has a sheath 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 is used for carrying out a fused-salt electrolysis with a melt of cryolite and aluminum oxide for the production of aluminum, wherein the fused-salt electrolysis is particularly preferably carried out as a Hall-Heroult process.
  • the present invention will be described purely by way of example with reference to advantageous embodiments and with reference to the accompanying drawings.
  • FIG. 1 shows a schematic cross section of a section of a
  • An aluminum electrolytic cell comprising a cathode block according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a cross-section of a section of an aluminum electrolysis cell 10 with a cathode 12, which at the same time forms the bottom of a trough for aluminum melt 14 produced during operation of the electrolysis cell 10 and for a cryolite-alumina melt located above the aluminum melt 14 16 forms.
  • the cryolite-alumina melt 16 is an anode 18 of the electrolytic cell 10 in contact.
  • 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 ', with the anode blocks 26, 26' being each about twice as wide and about half as long as the cathode blocks 20, 20 ', 20 ", with the anode blocks 26, 26' being such arranged above the cathode blocks 20, 20 ', 20 "such that one anode block 26, 26' in width covers two adjacent cathode blocks 20, 20 ', 20" and one cathode block 20, 20', 20 "in length two adjacent 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 titanium diboride contained in the cover layers 32, 32 ', 32 "has an average volume-weighted particle size (d 3 5 o) of 15 ⁇ m, determined by static light scattering according to standard ISO 13320-1, a d 3 9 o particle size of 27 pm and a d 3 i o particle size of 4 pm.
  • Each cathode block 20, 20 ', 20 has a width of 650 mm and a height of 550 mm in total, wherein the base layers 30, 30', 30" each have a height of 450 mm and the cover layers 32, 32 ', 32nd each have a height of 100 mm.
  • 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 16th has a thickness of about 50 mm and the underlying layer of molten aluminum 14 also has a thickness of about 150 to about 300 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 a rectangular or substantially rectangular cross-section.
  • NEN 40, 40 'and the grooves 38, 38' delimiting walls are each cast with cast iron (not shown), whereby the busbars 40, 40 'fixed to the grooves 38, 38' bounding walls are connected.
  • both the grooves 38, 38 'and the depressions 34, 34' are applied to the top of the cover layers 32, 32 ', 32 "during the molding process, for example, by vibratory molding and / or stamping.

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Description

Kathodenblock mit einer Hartstoff enthaltenden Deckschicht
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 herkömmlicherweise 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 in 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 pro Elektrolysezelle ermöglicht. Allerdings weisen Kathodenblöcke aus Graphit eine sehr geringe und insbesondere eine geringere Beständigkeit gegenüber den bei dem Betrieb der Elektrolysezelle auftretenden abrasiven Verschleißprozessen und mithin eine kürzere Standzeit als aus amorphen Kohlenstoff bestehende Kathodenblöcke auf. Insbesondere lagert sich auf der Oberfläche von Graphit-Kathodenblöcken leicht Schlamm aus nicht gelöstem Aluminiumoxid ab, welcher zum einen aufgrund der aus der Schlammbildung resultierenden Partikelabrasion die Verschleißbeständigkeit des Kathodenblocks beträchtlich verringert und zum anderen aufgrund der Verringerung der effektiven Kathodenoberfläche den Stromfluss an der Kathodenblockoberfläche behindert, woraus eine Erhöhung des spezifischen Energieverbrauchs bei der Elektrolyse resultiert. Dadurch 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 amorphem Kohlenstoff bzw. Graphit, weswegen diese bei der Verwendung in einer Schmelzflusselektrolyse nur eine geringe Lebensdauer aufweisen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen 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 ins- besondere auch dadurch auszeichnet, dass sich bei der Durchführung einer Schmelzflusselektrolyse auf dessen Oberfläche 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 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 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 auf der Oberfläche 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 zeichnet sich der Kathodenblock gemäß der vorliegenden Erfindung durch die mit dem Vorsehen von Graphit in der Grundschicht des Kathodenblocks ver- bundenen Vorteile aus, wie insbesondere durch einen geringen elektrischen Widerstand des Kathodenblocks und durch eine hohe thermische Leitfähigkeit des Kathodenblocks, ohne allerdings die aus der Verwendung von Graphit resultierenden Nachteile aufzuweisen, wie eine geringe Verschleißbeständigkeit und mangelnde Benetzbarkeit durch Aluminiumschmelze. Vielmehr wird aufgrund der in dem erfindungsgemäßen Kathodenblock vorgesehenen Hartstoff enthaltenden Deckschicht eine gute Benetzbarkeit der Kathodenblockoberfläche mit schmelzflüssigem Aluminium erreicht, weswegen eine Schlammbildung bzw. Schlammablagerung auf der Oberfläche des Kathodenblocks zuverlässig verhindert wird. Ferner wird dadurch die Bewegung des schmelzflüssigen Aluminiums signifikant verringert, so dass der Abstand zwischen der Oberfläche der Schicht aus schmelzflüssigem Aluminium und der Anode in der Elektrolysezelle beispielsweise auf 2,5 bis 4,0 cm und bevorzugt auf 3 bis 3,5 cm verringert werden kann, was den spezifischen Energieverbrauch des Elektrolyseverfahrens weiter verringert. Zudem tendiert die Oberfläche des erfindungsgemäßen Kathodenblocks 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 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 Beschichtungen 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 Titandiborid, Zirkoniumdiborid, Tantaldiborid, Titancarbid, Borcarbid, Titancarbonitrid, Siliciumcarbid, Wolframcar- bid, Vanadiumcarbid, Titannitrid, Bornitrid und Siliciumnitrid. Ganz besonders bevorzugt wird als Hartstoff in der Deckschicht des erfindungsgemäßen Kathodenblocks eine nichtoxidische Titankeramik eingesetzt, und zwar vorzugsweise Titandiborid, Titancarbid, Titancarbonitrid 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 (d3,5o) 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 ein 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 auf 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 Kathodenblockoberfläche führt, verzichtet werden. Ferner zeichnet sich Hartstoff, insbesondere nichtoxidische Titankeramik und speziell Titandiborid, mit einer vorstehend definierten, monomodalen Partikelgrößenverteilung auch durch eine sehr gute Verarbeitbarkeit 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 Titandibo- rid. 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.
Gemäß einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die Deckschicht des erfindungsgemäßen Kathodenblocks als Kohlenstoff ausschließlich amorphen Kohlenstoff oder eine Mischung aus amorphem Kohlenstoff und Graphit. Sofern eine Mischung aus amorphem Kohlenstoff und Graphit eingesetzt wird, enthält diese Mischung bevorzugt 10 bis 99 Gew.-%, besonders bevorzugt 30 bis 95 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt 60 bis 90 Gew.-% amorphen Kohlenstoff und Rest Graphit, wobei als Graphit sowohl Naturgraphit als auch synthetischer Graphit eingesetzt werden kann. Erfindungsgemäße Kathodenblöcke mit einer Deckschicht aus Hartstoff enthaltendem Kohlenstoffverbundwerkstoff, welcher als Kohlenstoffkomponente eine gegebenenfalls carbonisiertes Bindemittel enthaltende Mischung aus amorphem Kohlenstoff und Graphit (wie beispielsweise eine Mischung aus calciniertem Anthrazit, Graphit und carbonisiertem Pech) oder ganz besonders bevorzugt gegebenenfalls carbonisiertes Bindemittel enthaltenden amorphen Kohlenstoff (wie beispielsweise eine Mischung aus calciniertem Anthrazit und carbonisiertem Pech) enthält, weisen eine besonders hohe Abriebsfestigkeit auf. Als Ausgangsmaterial für den amorphen Kohlenstoff wird bevorzugt Anthrazit eingesetzt, welcher dann bei einer Temperatur 800 und 2.200°C und besonders bevorzugt zwischen 1 .200 und 2.000°C calciniert wird.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird für die amorphen Kohlenstoff enthaltende Kathodenblock-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 m bzw. von 25 bis 30 Ω pm. 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 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.
Prinzipiell ist es möglich, dass die Deckschicht des Kathodenblocks eine zumindest bereichsweise profilierte Oberfläche aufweist. Aufgrund einer profilierten Oberfläche wird die durch die bei der Elektrolyse vorliegende elektromagnetische Wechselwirkung hervorgerufene Bewegung des geschmolzenen Aluminiums verringert, woraus eine geringere Wellenbildung und Aufwölbung der Aluminiumschicht resultiert. Aus diesem Grund kann durch den Einsatz von oberflächenprofilierten Kathodenblöcke der Abstand zwischen dem schmelzflüssigen Aluminium und der Anode weiter verringert werden, so dass der elektrische Zellwiderstand infolge der Verringerung des ohmschen Widerstandes und somit der spezifische Energieverbrauch weiter reduziert wird.
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 Oberflächenrauhigkeit, quer zu der Kathodenblockoberfläche gesehen, zumindest eine Tiefe bzw. Höhe von 0,05 mm und bevorzugt von 0,5 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.
Unter einer Vertiefung wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine von der Oberfläche des Kathodenblocks nach innen gerichtete Aussparung verstanden, wohingegen mit dem Begriff Erhebung eine von der Oberfläche des Kathodenblocks nach außen gerichtete Erhöhung gemeint ist. Dabei kann es beispielsweise in dem Fall rechteckiger Aussparungen bzw. Erhebungen jeweils gleicher Tiefe bzw. Höhe vom Betrachter abhängen, ob diese als Vertiefungen oder Erhebungen angesehen werden. Dieser Unschärfe zwischen den Begriffen Vertiefung bzw. Erhebung soll die Formulierung 'Vertiefung und/oder Erhebung" Rechnung getragen werden.
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 abzurunden. 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 ganz besonders 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 μΓη und bevorzugt von 14 bis 16 Ω μηι aufweist. Dies entspricht verti- kalen 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 beigefügte Zeichnung beschrieben.
Dabei zeigt:
Figur 1 einen schematischen Querschnitt eines Ausschnitts einer
Aluminium-Elektrolysezelle, welche einen Kathodenblock gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung umfasst.
In der Fig. 1 ist ein Querschnitt eines Ausschnitts einer Aluminium-Elektrolysezelle 10 mit einer Kathode 12 gezeigt, 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 graphitischem Kohlenstoff, enthaltend synthetischen oder Naturgraphit und carbonisiertes Bindepech 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 mittlere volumengewich- tete Partikelgröße (d3 5o) von 15 pm, eine d3 9o-Partikelgröße von 27 pm und eine d3 i o-Partikelgröße von 4 pm auf.
Jeder Kathodenblock 20, 20', 20" weist eine Breite von 650 mm und eine 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 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.
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 Stromschie- nen 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.
Bezugszeichenliste
10 Aluminium-Elektrolysezelle
12 Kathode
14 Aluminiumschmelze
16 Kryolith-Aluminiumoxid-Schmelze
18 Anode
20, 20', 20" Kathodenblock
22, 22' Stampfmassenfuge
24, 24' Stampfmasse
26, 26' Anodenblock
30, 30', 30" Grundschicht
32, 32', 32" Deckschicht
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 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, Ti- tancarbid, Borcarbid, Titancarbonitrid, Siliciumcarbid, Wolframcarbid, Va- nadiumcarbid, Titannitrid, Bornitrid, Siliciumnitrid 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 gekennze ichnet, 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 pm und bevorzugt 4 bis 6 pm beträgt.
6. Kathodenblock (20, 20', 20") nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennze ichnet, dass
die durch statische Lichtstreuung gemäß der ISO 13320-1 bestimmte d39o- Partikelgröße des Hartstoffs 20 bis 40 m und bevorzugt 25 bis 30 pm beträgt.
7. Kathodenblock (20, 20', 20") nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennze ichnet, 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 gekennze ichnet, 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 nichtoxidi- schen 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 Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kohlenstoff amorpher Kohlenstoff ist oder eine Mischung aus 10 bis 99 Gew.-%, besonders bevorzugt 30 bis 95 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt 60 bis 90 Gew.-% amorphem Kohlenstoff und Rest Graphit ist.
16. 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 pm und bevorzugt von 22 bis 28 Ω pm aufweist.
17. 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.
18. 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.
19. 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 Ωμηπ und bevorzugt von 14 bis 16 Ω pm aufweist.
20. Kathode (12), welche wenigstens einen Kathodenblock (20, 20', 20") nach einem der vorstehenden Ansprüche enthält, wobei der Kathodenblock (20, 20', 20") an der der Deckschicht (32, 32', 32") gegenüberliegenden Seite der Grundschicht (30, 30', 30") wenigstens eine Nut (38, 38') aufweist, wobei in der wenigstens einen Nut (38, 38') wenigstens eine Stromschiene (40, 40') vorgesehen ist, um der Kathode (12) während der Elektrolyse Strom zuzuführen.
21. Verwendung eines Kathodenblocks (20, 20', 20") nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 19 oder einer Kathode (12) nach Anspruch 20 zur Durch- führung einer Schmelzflusselektrolyse zur Herstellung von Metall, wie insbesondere von Aluminium.
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