EP2673400A2 - Kathodenanordnung und kathodenblock mit einer eine führungsvertiefung aufweisenden nut - Google Patents

Kathodenanordnung und kathodenblock mit einer eine führungsvertiefung aufweisenden nut

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Publication number
EP2673400A2
EP2673400A2 EP12702548.4A EP12702548A EP2673400A2 EP 2673400 A2 EP2673400 A2 EP 2673400A2 EP 12702548 A EP12702548 A EP 12702548A EP 2673400 A2 EP2673400 A2 EP 2673400A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
groove
cathode
recess
arrangement according
cathode arrangement
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Withdrawn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
EP12702548.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Hiltmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SGL Carbon SE
Original Assignee
SGL Carbon SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SGL Carbon SE filed Critical SGL Carbon SE
Publication of EP2673400A2 publication Critical patent/EP2673400A2/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Withdrawn legal-status Critical Current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
    • C25C7/00—Constructional parts, or assemblies thereof, of cells; Servicing or operating of cells
    • C25C7/02—Electrodes; Connections thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/08—Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • 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
    • C25C3/16—Electric current supply devices, e.g. bus bars

Definitions

  • the present invention relates to a cathode assembly for an aluminum electrolysis cell, a cathode block for such a cathode assembly, and a method of manufacturing such a cathode assembly.
  • 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 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 cathode assemblies used in the Hall-Heroult method is their relatively low wear resistance, which manifests itself by a removal of the cathode block surfaces during the electrolysis.
  • the removal of the cathode block surfaces due to an inhomogeneous current distribution within the cathode blocks is not uniform over the length of the cathode blocks, but to an increased extent at the cathode block ends, so that the surfaces of the cathode blocks change after a certain electrolysis time to a W-shaped profile. Due to the uneven removal of the cathode block surfaces, the service life of the cathode blocks is limited by the places with the largest removal.
  • WO 2007/1 18510 A2 proposes a cathode block whose groove, which is intended to receive a conductor rail, has a greater depth in the middle, relative to the cathode block length, than at the cathode block ends.
  • Another disadvantage of the cathode arrangement used in the Hall-Heroult process is its comparatively high electrical resistance.
  • One of several reasons for the comparatively high electrical resistance is that the contact resistance between the bus bars and the cathode blocks of the cathode is comparatively high, and this contact resistance also increases with increasing service life of the cathode.
  • the graphite foil reduces the electrical contact resistance between the busbar or the surrounding layer of solidified cast iron and the cathode block due to their good two-sided positive locking
  • the graphite foil due to their elasticity in particular reduces the increase of this contact resistance with increasing operating time of the cathode, because the graphite foil filling gaps formed between the walls of the cathode block and the bus bar during the creeping of the steel of the bus bar and the carbon of the cathode block.
  • graphite foils have a smooth and very lubricious surface.
  • graphite foil is not or only to a very limited extent connectable with cast iron, so that a pouring of the gap between busbar and graphite foil with liquid cast iron and a subsequent hardening or solidification of the cast iron not to a compound of graphite foil with the cast iron, but only a cladding of the busbar with cast iron leads.
  • a cathode arrangement for an aluminum electrolysis cell having at least one cathode block based on carbon and / or graphite, which has at least one groove lined at least in regions with a graphite foil, wherein at least one bus bar is provided in the at least one groove, which at least partially has a casing made of cast iron, wherein in the at least one groove bounding wall of the cathode block at least one recess is provided and engages the casing of cast iron at least partially into the at least one recess.
  • This solution is based on the recognition that a precisely fitting and in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the cathode block displacement positive connection of a busbar with a graphite foil lined groove having cathode block is achieved if provided in at least one groove defining wall of the cathode block at least one recess is introduced and at least partially covered with cast iron busbar so in the groove that the casing of cast iron engages at least partially into the recess.
  • the cathode assembly according to the invention has the advantage of improved current transfer between the bus bar and the cathode block and thus improved energy efficiency due to the electrical and mechanical properties of graphite foil with the lining of the groove with graphite foil, while avoiding the associated with the high lubricity of graphite Disadvantage of an uncontrolled mobility of the busbar in the groove in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the cathode block and a concomitant possible impairment of the electrical connection between the busbar and the cathode block during prolonged operation of the electrolysis cell.
  • the present invention makes it possible to use the lubricious properties of the graphite foil specifically to selectively ensure a longitudinal displacement of the busbar in the groove, especially in movements caused by temperature changes during startup.
  • the cathode arrangement according to the invention with the advantages described above can be produced with extremely little effort and without expensive additional process steps.
  • the proposed mechanical connection between the busbar and the cathode block can be achieved simply by filling a depression of the cathode block at least partially with the cast iron in the course of the already required potting of the busbar with the cast iron.
  • a very intimate contact between the busbar, the casing of cast iron, the graphite foil and the cathode block is achieved, which contributes to a particularly low electrical contact resistance between the busbar and the cathode block.
  • the graphite foil absorbs the mechanical pressure occurring during the operation of the cathode arrangement perpendicular to the film plane.
  • a recess is defined as a recess, in contrast to a mere surface roughness, which has a depth of at least 0.05 mm, and preferably 0.5 mm, relative to the surface of the wall delimiting the groove.
  • a graphite foil in the sense of the present invention does not only mean thin graphite sheet, but in particular also a partially compressed preform or a flexible sheet of expanded graphite.
  • a cathode arrangement is understood to mean a cathode block having at least one groove, wherein in each of the at least one groove at least one conductor rail possibly having a cast iron envelope is accommodated.
  • this term refers to an arrangement of several, each having at least one groove having cathode blocks, wherein in each of the at least one groove at least one possibly a cast iron casing having bus bar is added.
  • the casing of cast iron can be in direct contact, at least in the region of the depression, with the graphite foil or with the cathode block itself. Although this is preferred according to the present invention, this is not mandatory.
  • the casing of cast iron at least partially engages in the at least one recess, so at least partially fills the cavity formed by the at least one recess.
  • the portion of the cast-iron casing, which engages in the at least one depression is designed to be complementary to the depression. In this way, a particularly good form-locking engagement of the cast iron casing in the depression and thus a particularly effective mechanical attachment of the cast iron casing and the associated busbar to the cathode block can be achieved.
  • the at least one recess engaging portion of the envelope and possibly the sheathed busbar at least 70%, preferably at least 80%, especially preferably at least 90%, most preferably at least 95% and most preferably 100% of the well fills.
  • each of the at least one recess extends continuously over at least 20%, preferably over at least 40%, more preferably over at least 60%, most preferably over at least 80% and most preferably at least approximately over the entire length of the groove.
  • a possible slipping out of the busbar can be prevented from the groove during assembly.
  • the recess extends over a considerable part of the groove length as described above, good slidability of the bus bar in the longitudinal direction of the groove can be ensured while still reliably preventing unwanted displacement of the bus bar parallel to the depth direction of the groove.
  • the cathode block can also have a multiplicity of depressions which follow one another in the longitudinal direction of the groove and which are separated from one another by depression-free sections of the groove. This embodiment is particularly especially advantageous if a longitudinal displacement of the busbar in the cathode block is not desired.
  • the at least one depression preferably has a depth of 2 mm to 40 mm, more preferably 5 mm to 30 mm and most preferably 10 mm to 20 mm.
  • the at least one recess preferably has an opening width of 2 mm to 40 mm, particularly preferably 5 mm to 30 mm and very particularly preferably 10 mm to 20 mm, based on the height of the cathode block.
  • the at least one depression in cross-section preferably has an area of 1.5 mm 2 to 1.600 mm 2 , particularly preferably 10 mm 2 to 900 mm 2 and very particularly preferably 40 mm 2 to 400 mm 2 , These values are particularly preferred for wells with a polygonal and especially with a rectangular cross-section. If the at least one depression has a curved cross section, such as a substantially semicircular cross section, the at least one depression in cross section preferably has an area of 1.5 mm 2 to 630 mm 2 , particularly preferably 10 mm 2 to 350 mm 2 and most preferably from 40 mm 2 to 160 mm 2 .
  • the at least one recess can have any polygonal or curved cross section.
  • Good results in terms of a good positive engagement of the cast iron casing in the at least one depression and at the same time with regard to a reliable and unproblematic Brownier- the recess with cast iron during the casting are achieved in particular if the at least one depression has an at least substantially semicircular, triangular, rectangular or trapezoidal cross-section.
  • the at least one recess extends substantially perpendicularly into the wall of the cathode block delimiting the groove. In this way, a particularly reliable fixing effect in the depth direction of the groove is effected.
  • the at least one depression viewed in the depth direction of the groove, is delimited at each of its ends by a transitional area between the depression and an adjoining portion of the groove wall.
  • the angle between the adjacent portion of the groove wall and the wall of the depression, viewed from the cathode block inner side is preferably 90 degrees to 160 degrees, more preferably 90 degrees to 135 degrees, and most preferably 100 degrees to 120 Degree.
  • the radius of curvature of the transition region is preferably at most 50 mm, more preferably at most 20 mm and most preferably at most 5 mm.
  • the groove bounding wall comprises a bottom wall and two side walls, each side wall each having at least one, preferably a recess extending perpendicularly to the surface of the respective side wall.
  • a two-sided mounting of the busbar is achieved in the groove, whereby the busbar is particularly effective in the desired position can be fixed.
  • a plurality of, for example per side wall at least 1, at least 2, at least 3 or at least 4 recesses may be provided, in each of which the enclosure the busbar made of cast iron engages at least in sections.
  • the depth and / or the volume of the individual depressions is lower, the more depressions are provided in the groove.
  • the at least one recess has over its length an at least substantially constant distance to the bottom wall of the groove and extends parallel to this.
  • a displaceability of the busbar is ensured parallel to the groove bottom.
  • each of the at least one recess is at least partially and preferably fully lined with the graphite foil, wherein of course preferably also the remaining areas of the groove are fully lined with the graphite foil.
  • a displaceability of the busbar in the longitudinal direction of the at least one depression and thus in the longitudinal direction of the cathode block as described above can be ensured if a majority of the surface and preferably at least approximately the entire surface of the wall delimiting the groove Graphite foil is lined.
  • the graphite foil can be pressed by the sheathing of the busbar made of cast iron against the boundary of the recess to cause both a particularly good electrical contact and a particularly effective positive locking. This effect is particularly useful when heating the electrolysis cell for commissioning, since the specific thermal expansion of steel or iron is about three times the specific thermal expansion of conventional cathode materials.
  • the lining of the at least one recess of the groove with the graphite foil can be achieved in the manufacture of the cathode assembly in a simple manner that the graphite foil is inserted into the groove so that it fills the depression, and then the cast iron is poured into the groove in that the graphite foil is pressed into the depression and in particular pressed directly there against the cathode block material delimiting the depression.
  • the at least one groove has a varying depth along its length or the length of the cathode block, it being particularly preferred that these be based on the Longitudinal direction, in its center has a greater depth than at its two longitudinal ends.
  • the practically unique cross-sectional shape for the groove is rectangular, and therefore the effect of the present invention, namely reliable avoidance of the bus bar falling out of the slot opening, is particularly pronounced here.
  • the cathode block has a groove of varying depth
  • the at least one recess of the cathode block is preferably formed to have a substantially constant distance from the bottom of the groove over the length of the groove so as to have If necessary, to move the busbar along the longitudinal direction of the cathode block.
  • the cathode arrangement according to the invention is also particularly suitable for the use of conventional groove and / or busbar geometries.
  • the groove and / or the busbar may have a substantially rectangular cross-section in a conventional manner. This is particularly preferred when the groove has a depth varying in the longitudinal direction.
  • the busbar may in particular also consist of steel in a conventional manner.
  • the graphite foil lining the groove at least in regions contains expanded graphite and in particular preferably compressed expanded graphite, which is particularly preferably binder-free.
  • the graphite foil lining the groove at least regionally consists of expanded graphite and particularly preferably compressed binder-free expanded graphite.
  • the film may in principle also be formed by a substantially plate-shaped preform which contains expanded graphite and thereby has sufficient elasticity to be elastically deformed so as to permit the above-described filling of the recess by the cast iron envelope and thereby into the recess between the cast iron and the wall bounding the groove.
  • the graphite content of the graphite foil is at least 60%, more preferably at least 70%, particularly preferably at least 80%, particularly preferably at least 90% and very particularly preferably at least approximately 100%.
  • the graphite foil has a thickness between 0.2 mm and 3 mm, preferably between 0.2 mm and 1 mm and particularly preferably between 0.3 mm and 0.5 mm.
  • the graphite foil can be inserted or glued into the groove.
  • An adhesion of the graphite foil into the groove is particularly preferred if the graphite foil is pressed against the surface of the depression only comparatively little or if even the slightest displacement of the graphite foil in the longitudinal direction of the cathode block is to be avoided.
  • the cathode block has one or two grooves for receiving in each case at least one bus bar.
  • a groove of the cathode block can accommodate exactly one busbar, but in particular also two busbars which are inserted into different longitudinal sections of the slot.
  • the busbars can be arranged opposite one another on the front side.
  • Another object of the present invention is a cathode block for a cathode assembly of an aluminum electrolytic cell based on carbon and / or graphite, which has at least one groove for receiving a bus bar, wherein provided in the at least one groove defining wall of the cathode block at least one recess is.
  • a cathode block can be used with advantage as part of the previously described cathode arrangement.
  • the cathode block may be based on amorphous carbon, graphitic carbon, graphitized carbon or any mixture of the above carbons.
  • the present invention relates to a method for producing a cathode arrangement for an aluminum electrolysis cell, which comprises the following steps:
  • the graphite foil located in the groove Due to the static pressure of the cast iron column, the graphite foil located in the groove is forced into the at least one depression, where it is pressed against the cathode block defining the at least one depression, in particular. In this way, it is particularly easy to produce a cathode arrangement with a recess which is partially or completely lined by the graphite foil and has a particularly low electrical contact resistance between the conductor rail and the cathode block.
  • the different thermal expansion tions of steel or iron and cathode material reaches a particularly intimate contact.
  • the graphite foil can be inserted and / or glued into place prior to insertion of the busbar.
  • a loose insertion of the graphite foil in the groove may be sufficient as a prefixing, since the graphite foil is preferably pressed by the cast iron during casting onto the at least one wall of the cathode block delimiting the groove.
  • a carbonaceous or graphite-containing starting material or a mixture of several such materials can be brought into a mold and then compacted to form a green body.
  • the starting materials are preferably present in particulate or granular form.
  • the green body can be heated while carbonized and optionally graphitized.
  • both carbonized cathode blocks which are understood to mean those cathode blocks which have been subjected to a temperature treatment of up to a maximum of 1, 500 ° C. and preferably between 800 and 1 200 ° C.
  • cathode blocks which are understood as those cathode blocks, which have been subjected to a temperature treatment of more than 2,000 ° C and preferably between 2,300 and 2,700 ° C in their preparation and have a high proportion of graphitic carbon.
  • cathode blocks based on graphitic carbon can be used, that is, those which have not been graphitized, but have been added with graphite as the starting material.
  • carbonized cathode blocks for example, a mixture of calcined anthracite, graphite and hard coal and / or Petroleumpech is used, whereas graphitic cathode blocks, for example from a mixture containing graphite and coal and / or petroleum pitch.
  • graphite refers here to both natural and synthetic graphite.
  • the starting material containing carbon and / or graphite is introduced into a mold which has a projection which is complementary to the at least one recess.
  • the at least one recess can be produced by subsequently removing and / or displacing cathode block material of the at least one wall of the cathode block delimiting the groove.
  • the recess can be subsequently introduced by a milling process, wherein a milling head used for introducing the depression preferably has a cross section corresponding to the recess.
  • Another object of the present invention is a cathode assembly, which is obtainable by a method as described above.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a portion of an aluminum electrolytic cell having a cathode assembly according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 2 is a longitudinal section of the cathode assembly shown in Fig. 1
  • 3a-d are exemplary cross-sections of depressions, which are provided in a groove of a cathode block according to the invention.
  • FIG. 1 shows in cross-section a section of an aluminum electrolysis cell 10 with a cathode arrangement 12 which at the same time forms the bottom of a trough for an aluminum melt 14 produced during operation of the electrolysis cell 10 and for a cryolite present above the aluminum melt 14.
  • Alumina melt 16 forms. With the cryolite-alumina melt 16 is an anode 18 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 arrangement 12 comprises a plurality of cathode blocks 20, which are each connected to one another via a ramming mass 24 inserted into a ramming mass gap 22 arranged between the cathode blocks 20.
  • a cathode block 20 in this case comprises two grooves 26 arranged on its underside and having a rectangular, namely substantially rectangular cross section, wherein in each groove 26 in each case a bus bar 28 made of steel with likewise rectangular cross section is accommodated.
  • Each of the groove 26 delimiting wall 32, 34 is lined by a dashed lines in Fig. 1 graphite foil 30 shown.
  • the grooves 26 are each bounded by two side walls 32 and a bottom wall 34 of the cathode block 20, wherein in each of the side walls 32 is provided a substantially perpendicular in the side wall 32 extending recess 36 having an approximately semicircular cross-section.
  • Each recess 36 is bounded by an upper and a lower transition region 37 of the cathode block 20, respectively.
  • the transition regions 37 are in the present Embodiment angularly formed at an angle ⁇ between the adjacent portion of the groove wall and the wall of the recess of 90 degrees.
  • the gap between the busbar 28 and the lined with the graphite foil 30 groove 26 is in each case cast with cast iron 38, so that the graphite foil 30 is fixed between the cast iron 38 and the cathode block 20.
  • the graphite foil 30 is pressed by the cast iron 38 against the respective groove 26 bounding walls 32, 34.
  • the recesses 36 are each lined by the graphite foil 30, wherein the cast iron 38 form-fittingly fills the lined depressions 36 and presses the graphite foil 30 against the cathode block 20 delimiting the depression 36. In this way, over the entire cross section of the groove 26, a low electrical contact resistance between the bus bar 28 and the cathode block 20 is ensured.
  • the cast iron 38 forms a sheath 39 for the busbar 28 and communicates with the busbar 28 in material connection.
  • the received in the wells 36 cast iron 38 forms with the recess 36 delimiting material of the cathode block 20 each have a positive connection, which prevents movement of the connected to the cast iron 38 busbar 28 in the direction of the arrow 40. An unwanted movement of the bus bar 28 in the depth direction of the groove 26 or even falling out of the bus bar 28 from the groove 26 are prevented.
  • the cross section of the cathode assembly 10 is shown concretely at a longitudinal end of the cathode block 20.
  • the depth of the grooves 26 of the cathode block 20 varies over the length of the grooves 26.
  • the groove cross section in the region of the center of the groove 26 is indicated in Fig. 1 by a dashed line 42.
  • the difference between the groove depth at the longitudinal ends of the groove 26 and in the middle of the groove 26 in the present embodiment is about 10 cm.
  • the width 44 of each groove 26 is over the entire groove length in Essentially constant and is about 15 cm, whereas the width 46 of the cathode blocks 20 is about 65 cm each.
  • a plurality of anodes 18 and a plurality of cathode blocks 20 are arranged one above the other so that each anode 18 covers two juxtaposed cathode blocks 20 and covers in length half of a cathode block 20, wherein each two juxtaposed anodes 18 the length of a Cover cathode block 20.
  • FIG. 2 shows the cathode block 20 shown in FIG. 1 in longitudinal section.
  • the groove 26 viewed in its longitudinal section extends towards the center of the cathode block 20 in the shape of a triangle, thereby ensuring a substantially uniform electrical vertical current density over the entire cathode length.
  • the recesses 36 extend as indicated in FIG. 2 by a dashed line parallel to the groove bottom 34 and have over the length of the groove 26 at a constant distance from the groove bottom 34.
  • bus bar 28 is bar-shaped in the present exemplary embodiment and has a rectangular longitudinal section, so that between the bus bar and the groove bottom 34 there is an intermediate space becoming larger towards the center of the groove 26 which may be filled either by cast iron 38 or by additional metal plates connected to the bus bar 28.
  • a bus bar 28 could be used, which is adapted in its longitudinal section to the triangular course of the groove 26.
  • FIGS. 3a to d show exemplary depressions 36, which are provided in a groove of a cathode block 20 according to the invention, in cross-section.
  • the depressions 36 each have a substantially semicircular cross section (FIG. 3 a), a substantially trapezoidal cross section (FIG. 3b) or a substantially triangular cross section (Fig. 3c).
  • the angle ⁇ of the transition regions 37 between the wall of the recess 36 and the adjacent portion of the groove wall 32, viewed from the inside of the cathode block 20, is approximately 90 degrees in FIG. 3a, approximately 120 degrees in FIG Fig. 3c about 125 degrees.
  • FIG. 3 d shows an embodiment in which a plurality of recesses 36 with a triangular cross-section as shown in FIG. 3 c are arranged consecutively in the depth direction of the groove 26 in order to effect a particularly reliable support of an inserted bus bar 28.
  • the transition regions 48 between two adjoining recesses 36 have between the walls of two adjacent recesses 36, seen from the inside of the cathode block 20, an angle ß of about 70 degrees.
  • 3 a to d each extend perpendicularly into the side wall 32 of the cathode block 20 delimiting the groove 26 so that they form a fixation with cast iron received in the depressions 36 which is effective in the depth direction of the groove 26 and prevents unwanted movement of the bus bar 28 parallel to the depth direction of the groove 26 after casting the bus bar 28 with cast iron 38.

Description

Kathodenanordnung und Kathodenblock mit einer eine
Führungsvertiefung aufweisenden Nut
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kathodenanordnung für eine Aluminium- Elektrolysezelle, einen Kathodenblock für eine solche Kathodenanordnung und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Kathodenanordnung.
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 der bei dem Hall-Heroult-Verfahren eingesetzten Kathodenanordnungen ist deren vergleichsweise geringe Verschleißbeständigkeit, welche sich durch einen Abtrag der Kathodenblockoberflächen während der Elektrolyse manifestiert. Dabei erfolgt der Abtrag der Kathodenblockoberflächen aufgrund einer inhomogenen Stromverteilung innerhalb der Kathodenblöcke nicht gleichmäßig über die Länge der Kathodenblöcke, sondern in erhöhtem Ausmaß an den Kathodenblockenden, so dass sich die Oberflächen der Kathodenblöcke nach einer gewissen Elektrolysedauer zu einem W-förmigen Profil verändern. Durch den ungleichmäßigen Abtrag der Kathodenblockoberflächen wird die Nutzungsdauer der Kathodenblöcke durch die Stellen mit dem größten Abtrag begrenzt.
Um diesem Problem zu begegnen, wird in der WO 2007/1 18510 A2 ein Kathodenblock vorgeschlagen, dessen zur Aufnahme einer Stromschiene bestimmte Nut, bezogen auf die Kathodenblocklänge, in der Mitte eine größere Tiefe aufweist als an den Kathodenblockenden. Dadurch wird bei dem Betrieb der Elektrolysezelle über die Kathodenblocklänge eine im Wesentlichen homogene vertikale Stromverteilung erreicht, wodurch der erhöhte Verschleiß an den Kathodenblockenden verringert wird und so die Lebensdauer der Kathode erhöht wird.
Ein weiterer Nachteil der bei dem Hall-Heroult-Verfahren eingesetzten Kathodenanordnung ist ihr vergleichsweise hoher elektrischer Widerstand. Einer von mehreren Gründen für den vergleichsweise hohen elektrischen Widerstand ist es, dass der Übergangswiderstand zwischen den Stromschienen und den Kathodenblöcken der Kathode vergleichsweise hoch ist und dieser Übergangswiderstand zudem mit zunehmender Betriebsdauer der Kathode zunimmt. Ursächlich hierfür ist zum einen, dass während der Elektrolyse unerwünscht Schmelzebestandteile in die Kathodenblöcke diffundieren, was zu der Ausbildung von isolierenden Schichten aus beispielsweise ß-Aluminiumoxid führt, und zum anderen, dass der Stahl der Stromschienen, das Gusseisen und der Kohlenstoff der Kathodenblöcke nach längerer Beanspruchung anfangen, zu kriechen, d.h. sich der Stahl der Stromschienen, das Gusseisen und der Kohlenstoff der Kathodenblöcke nach längerer Beanspruchung irreversibel verformen.
Um den elektrischen Übergangswiderstand zwischen den Stromschienen und den Kathodenblöcken zu verringern und somit die Energieeffizienz des Elektrolyseprozesses zu steigern, ist es in der WO 2007/071392 A2 vorgeschlagen worden, die Nut eines kohlenstoff- oder graphitbasierten Kathodenblocks zumindest bereichsweise mit einer Graphitfolie auszukleiden. Abgesehen davon, dass die Graphitfolie aufgrund ihres guten beidseitigen Formschlusses den elektrischen Übergangswiderstand zwischen der Stromschiene bzw. der sie umhüllenden Schicht aus erstarrtem Gusseisen und dem Kathodenblock verringert, reduziert die Graphitfolie aufgrund ihrer Elastizität insbesondere auch die Zunahme dieses Übergangswiderstandes mit zunehmender Betriebsdauer der Kathode, weil die Graphitfolie die sich während des Kriechens des Stahls der Stromschiene und des Kohlenstoffs des Kathodenblocks ausbildenden Spalten zwischen den die Nut des Kathodenblocks begrenzenden Wänden und der Stromschiene ausfüllt. Allerdings weisen Graphitfolien eine glatte und sehr gleitfähige Oberfläche auf. Daher besteht bei einem Kathodenblock, dessen Nut mit einer Graphitfolie ausgekleidet ist, die Gefahr, dass sich die darin aufgenommene Stromschiene, die üblicherweise mehrere Meter lang und mehrere hundert Kilogramm schwer ist, in der Nut nachträglich unkontrolliert in der Tiefenrichtung der Nutöffnung verschiebt oder sogar aus der Nut herausfällt, wenn der Kathodenblock zum Beispiel während seiner Montage angehoben oder aus einem anderen Grund bewegt wird. Diese Gefahr besteht insbesondere bei einer im Querschnitt rechtwinklig ausgestalteten Nut, welche praktisch die einzig anwendbare Form für die Nut eines Kathodenblocks mit über dessen Länge variabler Nuttiefe ist. Zudem geht durch ein Verrutschen der Stromschiene in der Nut der passgenaue Kontakt zwischen der Nut und dem Gusseisen verloren, was zu einem schlechteren Stromübergang von der Stromschiene zu dem Kathodenblock und somit zu einer Abnahme der Energieeffizienz führt. Schließlich ist Graphitfolie nicht bzw. nur in sehr geringem Ausmaß mit Gusseisen verbindbar, so dass ein Ausgießen des Spalts zwischen Stromschiene und Graphitfolie mit flüssigem Gusseisen und ein anschließendes Aushärten bzw. Erstarren des Gusseisens nicht zu einer Verbindung der Graphitfolie mit dem Gusseisen, sondern nur zu einer Umhüllung der Stromschiene mit Gusseisen führt.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kathodenanordnung für eine Aluminium-Elektrolysezelle der eingangs genannten Art zu schaffen, welche einen niedrigen und insbesondere auch über einen ausgedehnten Elektrolysezeitraum dauerhaft niedrigen elektrischen Widerstand und insbesondere auch niedrigen Übergangswiderstand zwischen Stromschiene und Kathodenblock aufweist, und bei der eine ungewollte nachträgliche Verschiebung der Stromschiene in der Nut des Kathodenblocks senkrecht zu der Längsrichtung des Kathodenblocks, also in der Tiefenrichtung der Nut, und insbesondere ein Herausfallen der Stromschiene aus der Nut zuverlässig verhindert wird, und zwar insbesondere auch bei einer Nut mit einem rechtwinkligen Querschnitt, wie diese in Kathodenblöcken mit über die Kathodenblocklänge variierender Nuttiefe üblicherweise eingesetzt wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Kathodenanordnung für eine Aluminium-Elektrolysezelle mit wenigstens einem Kathodenblock auf Basis von Kohlenstoff und/oder Graphit, der wenigstens eine zumindest bereichsweise mit einer Graphitfolie ausgekleidete Nut aufweist, wobei in der wenigstens einen Nut wenigstens eine Stromschiene vorgesehen ist, welche zumindest bereichsweise eine Umhüllung aus Gusseisen aufweist, wobei in der die wenigstens eine Nut begrenzenden Wand des Kathodenblocks wenigstens eine Vertiefung vorgesehen ist und die Umhüllung aus Gusseisen zumindest abschnittsweise in die wenigstens eine Vertiefung eingreift.
Diese Lösung basiert auf der Erkenntnis, dass eine passgenaue und in der Richtung senkrecht zu der Längsrichtung des Kathodenblocks verschiebungsfeste Formschlussverbindung einer Stromschiene mit einem eine mit Graphitfolie ausgekleidete Nut aufweisenden Kathodenblock erreicht wird, wenn in wenigstens einer die Nut begrenzenden Wand des Kathodenblocks wenigstens eine Vertiefung vorgesehen wird und eine zumindest bereichsweise mit Gusseisen umhüllte Stromschiene so in die Nut eingebracht wird, dass die Umhüllung aus Gusseisen zumindest abschnittsweise in die Vertiefung eingreift. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass auf diese Weise unabhängig von der hohen Gleitfähigkeit der verwendeten Graphitfolie eine feste mechanische Verbindung zwischen der mit Gusseisen umhüllten Stromschiene und dem Kathodenblock senkrecht zu der Längsrichtung des Kathodenblocks erreicht wird, die einer ungewollten Verschiebung der Stromschiene in dieser Richtung und insbesondere einem Herausfallen der Stromschiene aus der mit Graphitfolie ausgekleideten Nut entgegenwirkt, und zwar insbesondere auch bei einer Nut mit einer rechtwinkligen Querschnittsform, wie diese für Kathodenblöcke mit einer über die Kathodenblocklänge variierende Nuttiefe bevorzugt ist. Somit weist die erfindungsgemäße Kathodenanordnung den aufgrund der elektrischen und mechanischen Eigenschaften von Graphitfolie mit der Auskleidung der Nut mit Graphitfolie verbundenen Vorteil eines verbesserten Stromübergangs zwischen der Stromschiene und dem Kathodenblock und somit einer verbesserten Energieeffizienz auf, unter gleichzeitiger Vermeidung des mit der hohen Gleitfähigkeit von Graphit verbundenen Nachteils einer unkontrollierten Beweglichkeit der Stromschiene in der Nut in der Richtung senkrecht zu der Längsrichtung des Kathodenblocks und einer damit einhergehenden möglichen Beeinträchtigung der elektrischen Verbindung zwischen der Stromschiene und dem Kathodenblock bei längerem Betrieb der Elektrolysezelle.
Zudem ermöglicht es die vorliegende Erfindung, die gleitfähigen Eigenschaften der Graphitfolie gezielt dazu zu nutzen, selektiv eine Längsverschiebbarkeit der Stromschiene in der Nut, speziell bei durch Temperaturwechsel während der Inbetriebnahme hervorgerufenen Bewegungen, zu gewährleisten.
Die erfindungsgemäße Kathodenanordnung mit den vorstehend beschriebenen Vorteilen ist darüber hinaus mit äußerst geringem Aufwand und ohne aufwendige zusätzliche Prozessschritte herstellbar. So kann die vorgesehene mechanische Verbindung zwischen der Stromschiene und dem Kathodenblock einfach dadurch erreicht werden, dass eine Vertiefung des Kathodenblocks im Zuge des ohnehin erforderlichen Vergießens der Stromschiene mit dem Gusseisen zumindest teilweise mit dem Gusseisen ausgefüllt wird. Dadurch wird ein sehr inniger Kontakt zwischen der Stromschiene, der Umhüllung aus Gusseisen, der Graphitfolie und dem Kathodenblock erreicht, was zu einem besonders niedrigen elektrischen Übergangswiderstand zwischen der Stromschiene und dem Kathodenblock beiträgt. Zudem nimmt die Graphitfolie den bei dem Betrieb der Kathodenanordnung auftretenden mechanischen Druck senkrecht zu der Folienebene auf. Unter einer Vertiefung wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung in Abgrenzung zu einer bloßen Oberflächenrauigkeit eine Aussparung verstanden, welche bezogen auf die Oberfläche der die Nut begrenzenden Wand eine Tiefe von mindestens 0,05 mm und bevorzugt von 0,5 mm aufweist.
Zudem wird unter einer Graphitfolie im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht nur dünnes Graphitblatt verstanden, sondern insbesondere auch ein teilkomprimierter Vorpressling oder eine flexible Platte aus expandiertem Graphit.
Unter einer Kathodenanordnung wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein wenigstens eine Nut aufweisender Kathodenblock verstanden, wobei in jeder der wenigstens einen Nut wenigstens eine ggf. eine Gusseisenumhüllung aufweisende Stromschiene aufgenommen ist. Ebenso bezeichnet dieser Begriff eine Anordnung aus mehreren, jeweils wenigstens eine Nut aufweisenden Kathodenblöcken, wobei in jeder der wenigstens einen Nut wenigstens eine ggf. eine Gusseisenumhüllung aufweisende Stromschiene aufgenommen ist.
Prinzipiell kann die Umhüllung aus Gusseisen zumindest in dem Bereich der Vertiefung direkt mit der Graphitfolie oder mit dem Kathodenblock selbst in Kontakt stehen. Obwohl dies gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt ist, ist dies aber nicht zwingend erforderlich. Zur Herstellung der gewünschten mechanischen Verbindung zwischen der Stromschiene und dem Kathodenblock kommt es vielmehr vornehmlich darauf an, dass die Umhüllung aus Gusseisen zumindest abschnittsweise in die wenigstens eine Vertiefung eingreift, also den durch die wenigstens eine Vertiefung gebildeten Hohlraum zumindest bereichsweise ausfüllt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der in die wenigstens eine Vertiefung eingreifende Abschnitt der Umhüllung aus Gusseisen komplementär zu der Vertiefung ausgestaltet. Auf diese Weise kann ein besonders guter formschlüssiger Eingriff der Umhüllung aus Gusseisen in die Ver- tiefung und somit eine besonders wirksame mechanische Befestigung der Gusseisenumhüllung und der damit verbundenen Stromschiene an dem Kathodenblock erreicht werden.
Um einen besonders guten Formschluss zwischen der Gusseisenumhüllung und dem Kathodenblock zu erreichen, wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, dass der in die wenigstens eine Vertiefung eingreifende Abschnitt der Umhüllung und ggf. die davon umhüllte Stromschiene wenigstens 70 %, bevorzugt wenigstens 80 %, besonders bevorzugt wenigstens 90 %, ganz besonders bevorzugt wenigstens 95 % und höchst bevorzugt 100 % der Vertiefung ausfüllt. Dadurch kann eine ungewollte Verschiebung der Stromschiene in der Richtung senkrecht zu der Längsrichtung des Kathodenblocks und insbesondere ein Herausfallen der Stromschiene aus der Nut besonders zuverlässig vermieden werden.
Vorteilhafterweise erstreckt sich jede der wenigstens einen Vertiefung durchgehend über wenigstens 20 %, bevorzugt über wenigstens 40 %, besonders bevorzugt über wenigstens 60 %, ganz besonders bevorzugt über wenigstens 80 % und höchst bevorzugt zumindest annähernd über die gesamte Länge der Nut. Auf diese Weise kann während der Montage ein mögliches Herausrutschen der Stromschiene aus der Nut verhindert werden. Außerdem kann, wenn sich die Vertiefung wie vorstehend beschrieben über einen beträchtlichen Teil der Nutlänge erstreckt, eine gute Verschiebbarkeit der Stromschiene in der Längsrichtung der Nut gewährleistet werden, wobei nach wie vor zuverlässig eine ungewollte Verschiebung der Stromschiene parallel zur Tiefenrichtung der Nut verhindert wird.
Prinzipiell kann der Kathodenblock auch eine Vielzahl von in Längsrichtung der Nut aufeinander folgenden Vertiefungen aufweisen, die untereinander durch vertiefungsfreie Abschnitte der Nut getrennt sind. Diese Ausführungsform ist insbe- sondere dann vorteilhaft, wenn eine Längsverschiebbarkeit der Stromschiene in dem Kathodenblock nicht gewünscht ist.
Um eine zuverlässige Verankerung der Gusseisenumhüllung und der Stromschiene in dem Kathodenblock zu gewährleisten, weist die wenigstens eine Vertiefung bevorzugt eine Tiefe von 2 mm bis 40 mm, besonders bevorzugt von 5 mm bis 30 mm und ganz besonders bevorzugt von 10 mm bis 20 mm auf.
Aus dem gleichen Grund weist die wenigstens eine Vertiefung bevorzugt eine auf die Höhe des Kathodenblocks bezogene Öffnungsbreite von 2 mm bis 40 mm, besonders bevorzugt von 5 mm bis 30 mm und ganz besonders bevorzugt von 10 mm bis 20 mm auf.
Daraus ergibt sich, dass die wenigstens eine Vertiefung im Querschnitt bevorzugt eine Fläche von 1 ,5 mm2 bis 1 .600 mm2, besonders bevorzugt von 10 mm2 bis 900 mm2 und ganz besonders bevorzugt von 40 mm2 bis 400 mm2 aufweist. Diese Werte sind insbesondere für Vertiefungen mit einem polygonalen und besonders mit einem rechteckigen Querschnitt bevorzugt. Wenn die wenigstens eine Vertiefung einen gekrümmten Querschnitt, wie beispielsweise einen im Wesentlichen halbkreisförmigen Querschnitt aufweist, weist die wenigstens eine Vertiefung im Querschnitt bevorzugt eine Fläche von 1 ,5 mm2 bis 630 mm2, besonders bevorzugt von 10 mm2 bis 350 mm2 und ganz besonders bevorzugt von 40 mm2 bis 160 mm2 auf.
Grundsätzlich kann die wenigstens eine Vertiefung jeden polygonalen oder gebogenen Querschnitt aufweisen. Gute Ergebnisse im Hinblick auf einen guten formschlüssigen Eingriff der Gusseisenumhüllung in die wenigstens eine Vertiefung und gleichzeitig im Hinblick auf eine zuverlässige und unproblematische Füllbar- keit der Vertiefung mit Gusseisen beim Vergießen werden insbesondere erreicht, wenn die wenigstens eine Vertiefung einen zumindest im Wesentlichen halbkreisförmigen, dreieckigen, rechteckigen oder trapezförmigen Querschnitt aufweist.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass sich die wenigstens eine Vertiefung im Wesentlichen senkrecht in die die Nut begrenzende Wand des Kathodenblocks hinein erstreckt. Auf diese Weise wird eine besonders zuverlässige Fixierwirkung in der Tiefenrichtung der Nut bewirkt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die wenigstens eine Vertiefung - in der Tiefenrichtung der Nut betrachtet - an jedem ihrer Enden durch einen Übergangsbereich zwischen der Vertiefung und einem daran angrenzenden Abschnitt der Nutwand begrenzt. Wenn dieser Übergangsbereich winklig ausgestaltet ist, beträgt der Winkel zwischen dem angrenzenden Abschnitt der Nutwand und der Wand der Vertiefung, von der Kathodenblockinnenseite aus gesehen, vorzugsweise 90 Grad bis 160 Grad, besonders bevorzugt 90 Grad bis 135 Grad und ganz besonders bevorzugt 100 Grad bis 120 Grad. In dem Fall, dass dieser Übergangsbereich gekrümmt, möglicherweise, aber nicht notwendigerweise ideal kreisförmig gekrümmt, ausgestaltet ist, beträgt der Krümmungsradius des Übergangsbereichs bevorzugt maximal 50 mm, besonders bevorzugt maximal 20 mm und höchst bevorzugt maximal 5 mm.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die die Nut begrenzende Wand eine Bodenwand und zwei Seitenwände, wobei jede Seitenwand jeweils wenigstens eine, vorzugsweise eine sich senkrecht zu der Oberfläche der jeweiligen Seitenwand erstreckende, Vertiefung aufweist. Auf diese Weise wird eine beidseitige Halterung der Stromschiene in der Nut erreicht, wodurch die Stromschiene besonders wirksam in der gewünschten Position festlegbar ist. Grundsätzlich können in einer oder in beiden der Seitenwände auch mehrere, zum Beispiel pro Seitenwand wenigstens 1 , wenigstens 2, wenigstens 3 oder wenigstens 4 Vertiefungen vorgesehen sein, in welche jeweils die Umhüllung der Stromschiene aus Gusseisen zumindest abschnittsweise eingreift. Dadurch wird eine besonders starke Verbindung zwischen der Stromschiene und dem Kathodenblock erreicht. Vorzugsweise ist die Tiefe und/oder das Volumen der einzelnen Vertiefungen umso geringer, desto mehr Vertiefungen in der Nut vorgesehen sind.
Vorzugsweise weist die wenigstens eine Vertiefung über ihre Länge einen zumindest im Wesentlichen konstanten Abstand zu der Bodenwand der Nut auf und verläuft parallel zu dieser. Bei einer solchen Ausgestaltung wird eine Verschiebbarkeit der Stromschiene parallel zu dem Nutboden gewährleistet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist jede der wenigstens einen Vertiefung zumindest bereichsweise und bevorzugt vollumfänglich mit der Graphitfolie ausgekleidet, wobei selbstverständlich vorzugsweise auch die restlichen Bereiche der Nut vollumfänglich mit der Graphitfolie ausgekleidet sind. Dadurch ergibt sich auch in dem Bereich der Vertiefungen ein besonders niedriger elektrischer Übergangswiderstand zwischen dem Gusseisen und dem Kathodenblock. Außerdem kann aufgrund der gleitfähigen Eigenschaften der Graphitfolie eine wie vorstehend beschriebene Verschiebbarkeit der Stromschiene in der Längsrichtung der wenigstens einen Vertiefung und damit in der Längsrichtung des Kathodenblocks gewährleistet werden, wenn ein Großteil der Oberfläche und bevorzugt zumindest annähernd die gesamte Oberfläche der die Nut begrenzenden Wand mit Graphitfolie ausgekleidet ist. Die Graphitfolie kann dabei durch die Umhüllung der Stromschiene aus Gusseisen gegen die Begrenzung der Vertiefung gepresst werden, um sowohl einen besonders guten elektrischen Kontakt als auch einen besonders wirksamen Formschluss zu bewirken. Dieser Effekt kommt besonders beim Aufheizen der Elektrolysezelle zur Inbetriebnahme zum Tragen, da die spezifische thermische Ausdehnung von Stahl oder Eisen etwa das dreifache der spezifischen thermischen Ausdehnung konventioneller Kathodenmaterialien beträgt. Die Auskleidung der wenigstens einen Vertiefung der Nut mit der Graphitfolie kann bei der Herstellung der Kathodenanordnung in einfacher Weise dadurch erreicht werden, dass die Graphitfolie so in die Nut eingelegt wird, dass sie die Vertiefung ausfüllt, und anschließend das Gusseisen derart in die Nut eingegossen wird, dass die Graphitfolie in die Vertiefung gepresst und dort insbesondere direkt an das die Vertiefung begrenzende Kathodenblockmaterial gepresst wird.
Um eine über die Kathodenblocklänge gleichmäßige vertikale Stromdichteverteilung zu erreichen, wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, dass die wenigstens eine Nut eine über ihre Länge bzw. die Länge des Kathodenblocks variierende Tiefe aufweist, wobei es insbesondere bevorzugt ist, dass diese, bezogen auf die Längsrichtung, in ihrer Mitte eine größere Tiefe aufweist als an ihren beiden längsseitigen Enden. Auf diese Weise wird eine gleichmäßige Verteilung des über die Kathodenanordnung zugeführten elektrischen Stroms über die gesamte Länge des Kathodenblocks erreicht, wodurch eine übermäßige elektrische Stromdichte an den längsseitigen Enden des Kathodenblocks und so ein vorzeitiger Verschleiß an den Enden des Kathodenblocks vermieden wird. Bei dieser Ausführungsform ist die praktisch einzig anwendbare Querschnittsform für die Nut rechtwinklig, weswegen der Effekt der vorliegenden Erfindung, nämlich ein zuverlässiges Vermeiden des Herausfallens der Stromschiene aus der Nutöffnung, hier besonders ausgeprägt ist.
Durch eine solche gleichmäßige Stromdichteverteilung über die Länge des Kathodenblocks werden durch Wechselwirkung elektromagnetischer Felder hervorgerufene Bewegungen in der Aluminiumschmelze vermieden, wodurch es möglich wird, die Anode in einer geringeren Höhe über der Oberfläche der Aluminiumschmelze anzuordnen. Dadurch wird der elektrische Widerstand zwischen Anode und Aluminiumschmelze verringert und die Energieeffizienz der durchgeführten Schmelzflusselektrolyse erhöht. Auch bei der vorstehend beschrieben Ausführungsform, bei welcher der Kathodenblock eine Nut mit variierender Tiefe aufweist, ist die wenigstens eine Vertiefung des Kathodenblocks vorzugsweise so ausgebildet, dass diese über die Länge der Nut einen im Wesentlichen konstanten Abstand von dem Boden der Nut aufweist, um so die Stromschiene bei Bedarf entlang der Längsrichtung des Kathodenblocks verschieben zu können.
Die erfindungsgemäße Kathodenanordnung eignet sich insbesondere auch problemlos für den Einsatz von herkömmlichen Nut- und/oder Stromschienengeometrien. So können beispielsweise die Nut und/oder die Stromschiene in herkömmlicher Weise einen im Wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt aufweisen. Dies ist insbesondere bevorzugt, wenn die Nut eine in Längsrichtung variierende Tiefe aufweist. Die Stromschiene kann insbesondere auch in herkömmlicher Weise aus Stahl bestehen.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass die die Nut zumindest bereichsweise auskleidende Graphitfolie expandierten Graphit und insbesondere bevorzugt komprimierten expandierten Graphit enthält, welcher besonders bevorzugt bindemittelfrei ist. Ganz besonders bevorzugt besteht die die Nut zumindest bereichsweise auskleidende Graphitfolie aus expandiertem Graphit und insbesondere bevorzugt aus komprimiertem bindemittelfreiem expandiertem Graphit. Wie vorstehend dargelegt kann die Folie grundsätzlich auch durch einen im Wesentlichen plattenförmigen Vorpressling gebildet sein, der expandierten Graphit enthält und dabei eine ausreichende Elastizität aufweist, um elastisch so verformt zu werden, dass er die vorstehend beschriebene Ausfüllung der Vertiefung durch die Gusseisenumhüllung zulässt und sich dabei in die Vertiefung zwischen das Gusseisen und die die Nut begrenzende Wand einfügen lässt. Vorzugsweise beträgt der Graphitanteil der Graphitfolie wenigstens 60 %, weiter bevorzugt wenigstens 70 %, insbesondere bevorzugt wenigstens 80%, besonders bevorzugt wenigstens 90 % und ganz besonders bevorzugt zumindest annähernd 100 %.
Gute Ergebnisse im Hinblick auf eine optimale Ausnutzung der mechanischen und elektrischen Eigenschaften des Graphits werden insbesondere erreicht, wenn die Graphitfolie eine Dicke zwischen 0,2 mm und 3 mm, bevorzugt zwischen 0,2 mm und 1 mm und besonders bevorzugt zwischen 0,3 mm und 0,5 mm aufweist.
In Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschaften kann die Graphitfolie in die Nut eingelegt oder eingeklebt sein. Ein Einkleben der Graphitfolie in die Nut ist insbesondere bevorzugt, wenn die Graphitfolie an die Oberfläche der Vertiefung nur vergleichsweise wenig angepresst ist oder wenn eine auch noch so geringe Verschiebung der Graphitfolie in Längsrichtung des Kathodenblocks vermieden werden soll.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Kathodenblock eine oder zwei Nuten zur Aufnahme jeweils wenigstens einer Stromschiene auf. Grundsätzlich kann im Rahmen der Erfindung eine Nut des Kathodenblocks genau eine Stromschiene aufnehmen, insbesondere aber auch zwei Stromschienen, die in verschiedene Längenabschnitte der Nut eingesetzt sind. Die Stromschienen können dabei einander stirnseitig gegenüberliegend angeordnet sein.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Kathodenblock für eine Kathodenanordnung einer Aluminium-Elektrolysezelle auf Basis von Kohlenstoff und/oder Graphit, der wenigstens eine Nut zur Aufnahme einer Stromschiene aufweist, wobei in der die wenigstens eine Nut begrenzenden Wand des Kathodenblocks wenigstens eine Vertiefung vorgesehen ist. Ein solcher Kathodenblock kann mit Vorteil als Bestandteil der zuvor beschriebenen Kathodenanordnung eingesetzt werden. Dabei kann der Kathodenblock auf Basis von amorphen Kohlenstoff, graphitischem Kohlenstoff, graphitiertem Kohlenstoff oder einer beliebigen Mischung der vorstehenden Kohlenstoffe aufgebaut sein.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Kathodenanordnung für eine Aluminium-Elektrolysezelle, welches die nachfolgenden Schritte umfasst:
Bereitstellen eines Kathodenblocks auf Basis von Kohlenstoff und/oder Graphit, der wenigstens eine Nut zur Aufnahme einer Stromschiene aufweist, wobei in der die wenigstens eine Nut begrenzenden Wand des Kathodenblocks wenigstens eine Vertiefung vorgesehen ist,
Auskleiden zumindest eines Bereichs der wenigstens einen Nut mit einer Graphitfolie,
Einsetzen einer Stromschiene in die wenigstens eine Nut,
Einfüllen von flüssigem Gusseisen in zumindest einen Abschnitt der wenigstens einen Vertiefung zwischen die Graphitfolie und die Stromschiene und
Erstarrenlassen des Gusseisens.
Durch den statischen Druck der Gusseisensäule wird die in der Nut befindliche Graphitfolie in die wenigstens eine Vertiefung gedrängt und dort insbesondere an den die wenigstens eine Vertiefung begrenzenden Kathodenblock angepresst. Auf diese Weise lässt sich besonders einfach eine Kathodenanordnung mit einer durch die Graphitfolie teilweise oder vollständig ausgekleideten Vertiefung herstellen, die einen besonders geringen elektrischen Übergangswiderstand zwischen Stromschiene und Kathodenblock aufweist. Beim Aufheizen der Elektrolysezelle zur Inbetriebnahme wird durch die unterschiedlichen thermischen Ausdeh- nungen von Stahl oder Eisen und Kathodenmaterial ein besonders inniger Kontakt erreicht.
Die Graphitfolie kann vor dem Einsetzen der Stromschiene in die Nut eingelegt und/oder eingeklebt werden. Ein lockeres Einlegen der Graphitfolie in der Nut kann als Vorfixierung ausreichend sein, da die Graphitfolie bei dem Vergießen bevorzugt durch das Gusseisen an die wenigstens eine die Nut begrenzende Wand des Kathodenblocks angepresst wird.
Zur Herstellung des Kathodenblocks kann ein kohlenstoff- oder graphithaltiges Ausgangsmaterial oder eine Mischung mehrerer solcher Materialien in eine Form gebracht und anschließend zu einem Grünkörper verdichtet werden. Die Ausgangsmaterialien liegen dabei bevorzugt in partikelförmiger oder granulärer Form vor. Anschließend kann der Grünkörper erhitzt und dabei carbonisiert und gegebenenfalls graphitiert werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können sowohl carbonisierte Kathodenblöcke verwendet werden, worunter solche Kathodenblöcke verstanden werden, die bei ihrer Herstellung einer Temperaturbehandlung von bis zu maximal 1 .500°C und vorzugsweise zwischen 800 und 1 .200°C unterworfen worden sind und einen hohen Anteil von amorphem Kohlenstoff aufweisen, als auch graphitierte Kathodenblöcke, worunter solche Kathodenblöcke verstanden werden, die bei ihrer Herstellung einer Temperaturbehandlung von mehr als 2.000°C und vorzugsweise zwischen 2.300 und 2.700°C unterworfen worden sind und einen hohen Anteil von graphitförmigem Kohlenstoff aufweisen. Schließlich können Kathodenblöcke auf Basis von graphitischem Kohlenstoff verwendet werden, also solche, die nicht graphitiert worden sind, sondern denen Graphit als Ausgangsmaterial zugesetzt worden ist.
Als Ausgangsstoffe für carbonisierte Kathodenblöcke wird beispielsweise eine Mischung aus kalziniertem Anthrazit, Graphit und Steinkohlen- und/oder Petroleumpech eingesetzt, wohingegen graphitische Kathodenblöcke beispielsweise aus einer Graphit und Steinkohlen- und/oder Petroleumpech enthaltenden Mischung hergestellt werden. Graphit bezeichnet hier sowohl Natur- als auch synthetischen Graphit.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird bei der Herstellung des Kathodenblocks das Kohlenstoff und/oder Graphit enthaltende Ausgangsmaterial in eine Form eingebracht wird, die einen zu der wenigstens einen Vertiefung komplementär ausgebildeten Vorsprung aufweist.
Ebenso kann die wenigstens eine Vertiefung durch nachträgliches Entfernen und/oder Verdrängen von Kathodenblockmaterial der wenigstens einen die Nut begrenzenden Wand des Kathodenblocks hergestellt werden. Insbesondere kann die Vertiefung nachträglich durch einen Fräsprozess eingebracht werden, wobei ein zum Einbringen der Vertiefung verwendeter Fräskopf vorzugsweise einen der Vertiefung entsprechenden Querschnitt aufweist.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Kathodenanordnung, die nach einem wie vorstehend beschriebenen Verfahren erhältlich ist.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Dabei zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt eines Ausschnitts einer Aluminium-Elektrolysezelle mit einer Kathodenanordnung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, Fig. 2 einen Längsschnitt der Kathodenanordnung der in Fig. 1 gezeigten
Aluminium-Elektrolysezelle und
Fig. 3a-d beispielhafte Querschnitte von Vertiefungen, die in einer Nut eines erfindungsgemäßen Kathodenblocks vorgesehen sind.
In der Fig. 1 ist im Querschnitt ein Ausschnitt einer Aluminium-Elektrolysezelle 10 mit einer Kathodenanordnung 12 gezeigt, die gleichzeitig den Boden einer Wanne für eine während des Betriebs der Elektrolysezelle 10 erzeugte Aluminiumschmelze 14 und für eine oberhalb der Aluminiumschmelze 14 befindliche Kryo- lith-Aluminiumoxid-Schmelze 16 bildet. Mit der Kryolith-Aluminiumoxid-Schmelze 16 steht eine Anode 18 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 Kathodenanordnung 12 umfasst mehrere Kathodenblöcke 20, die jeweils über eine in eine zwischen den Kathodenblöcken 20 angeordnete Stampfmassenfuge 22 eingefügte Stampfmasse 24 miteinander verbunden sind. Ein Kathodenblock 20 umfasst dabei zwei an seiner Unterseite angeordnete Nuten 26 mit einem rechtwinkligen, nämlich im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt, wobei in jeder Nut 26 jeweils eine Stromschiene 28 aus Stahl mit ebenfalls rechtwinkligem Querschnitt aufgenommen ist. Jede die Nut 26 begrenzende Wand 32, 34 ist dabei durch eine in der Fig. 1 gestrichelt dargestellte Graphitfolie 30 ausgekleidet.
Die Nuten 26 werden jeweils durch zwei Seitenwände 32 und eine Bodenwand 34 des Kathodenblocks 20 begrenzt, wobei in jeder der Seitenwände 32 eine sich im Wesentlichen senkrecht in die Seitenwand 32 hinein erstreckende Vertiefung 36 mit annähernd halbkreisförmigem Querschnitt vorgesehen ist. Jede Vertiefung 36 wird jeweils durch einen oberen und einen unteren Übergangsbereich 37 des Kathodenblocks 20 begrenzt. Die Übergangsbereiche 37 sind in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel winklig mit einem Winkel α zwischen dem angrenzenden Abschnitt der Nutwand und der Wand der Vertiefung von 90 Grad ausgebildet. Der Zwischenraum zwischen der Stromschiene 28 und der mit der Graphitfolie 30 ausgekleideten Nut 26 ist dabei jeweils mit Gusseisen 38 ausgegossen, so dass die Graphitfolie 30 zwischen dem Gusseisen 38 und dem Kathodenblock 20 fixiert ist. Dabei wird die Graphitfolie 30 durch das Gusseisen 38 gegen die die jeweilige Nut 26 begrenzenden Wände 32, 34 gepresst. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind auch die Vertiefungen 36 jeweils durch die Graphitfolie 30 ausgekleidet, wobei das Gusseisen 38 die ausgekleideten Vertiefungen 36 formschlüssig ausfüllt und die Graphitfolie 30 gegen den die Vertiefung 36 begrenzenden Kathodenblock 20 presst. Auf diese Weise wird über den gesamten Querschnitt der Nut 26 ein geringer elektrischer Übergangswiderstand zwischen der Stromschiene 28 und dem Kathodenblock 20 gewährleistet. Das Gusseisen 38 bildet eine Umhüllung 39 für die Stromschiene 28 und steht mit der Stromschiene 28 in stoffschlüssiger Verbindung.
Darüber hinaus bildet das in den Vertiefungen 36 aufgenommene Gusseisen 38 mit dem die Vertiefung 36 begrenzenden Material des Kathodenblocks 20 jeweils eine formschlüssige Verbindung, die eine Bewegung der mit dem Gusseisen 38 verbundenen Stromschiene 28 in Richtung des Pfeils 40 verhindert. Eine ungewollte Bewegung der Stromschiene 28 in Tiefenrichtung der Nut 26 oder gar ein Herausfallen der Stromschiene 28 aus der Nut 26 werden dadurch verhindert.
In der Fig. 1 ist konkret der Querschnitt der Kathodenanordnung 10 an einem längsseitigen Ende des Kathodenblocks 20 gezeigt. Die Tiefe der Nuten 26 des Kathodenblocks 20 variiert dabei über die Länge der Nuten 26. Der Nutquerschnitt im Bereich der Mitte der Nut 26 ist in der Fig. 1 durch eine gestrichelte Linie 42 angedeutet. Der Unterschied zwischen der Nuttiefe an den längsseitigen Enden der Nut 26 und in der Mitte der Nut 26 beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel etwa 10 cm. Die Breite 44 jeder Nut 26 ist über die gesamte Nutlänge im Wesentlichen konstant und beträgt etwa 15 cm, wohingegen die Breite 46 der Kathodenblöcke 20 jeweils etwa 65 cm beträgt.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind mehrere Anoden 18 und mehrere Kathodenblöcke 20 derart übereinander angeordnet, dass jede Anode 18 in der Breite zwei nebeneinander angeordnete Kathodenblöcke 20 abdeckt und in der Länge die Hälfte eines Kathodenblockes 20 abdeckt, wobei jeweils zwei nebeneinander angeordnete Anoden 18 die Länge eines Kathodenblockes 20 überdecken.
Die Fig. 2 zeigt den in der Fig. 1 dargestellten Kathodenblock 20 im Längsschnitt. Wie aus der Fig. 2 ersichtlich, läuft die in ihrem Längsschnitt betrachtete Nut 26 zur Mitte des Kathodenblocks 20 hin in der Form eines Dreiecks zu, wodurch eine im Wesentlichen gleichmäßige elektrische vertikale Stromdichte über die gesamte Kathodenlänge hinweg gewährleistet wird. Die Vertiefungen 36 verlaufen dabei wie in der Fig. 2 durch eine gestrichelte Linie angedeutet parallel zu dem Nutboden 34 und weisen über die Länge der Nut 26 einen konstanten Abstand von dem Nutboden 34 auf. Die in der Fig. 2 der besseren Übersichtlichkeit halber nicht dargestellte Stromschiene 28 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel bar- renförmig ausgebildet und weist einen rechtwinkligen Längsschnitt auf, so dass zwischen der Stromschiene und dem Nutboden 34 ein zur Mitte der Nut 26 hin größer werdender Zwischenraum besteht, der entweder durch Gusseisen 38 oder durch zusätzliche mit der Stromschiene 28 verbundene Metallplatten ausgefüllt sein kann. Ebenso könnte auch eine Stromschiene 28 verwendet werden, die in ihrem Längsschnitt an den dreieckförmigen Verlauf der Nut 26 angepasst ist.
Schließlich zeigen die Fig. 3a bis d beispielhafte Vertiefungen 36, die in einer Nut eines erfindungsgemäßen Kathodenblocks 20 vorgesehen sind, im Querschnitt. Dabei weisen die Vertiefungen 36 jeweils einen im Wesentlichen halbkreisförmigen Querschnitt (Fig. 3a), einen im Wesentlichen trapezförmigen Querschnitt (Fig. 3b) oder einen im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt (Fig. 3c) auf. Der Winkel α der Übergangsbereiche 37 zwischen der Wand der Vertiefung 36 und dem angrenzenden Abschnitt der Nutwand 32, von der Innenseite des Kathodenblocks 20 aus gesehen, beträgt dabei in Fig. 3a etwa 90 Grad, in der Fig. 3b etwa 120 Grad und in der Fig. 3c etwa 125 Grad. Die Fig. 3d zeigt eine Ausgestaltung, bei der mehrere wie in der Fig. 3c gezeigte Vertiefungen 36 mit dreieckigem Querschnitt in Tiefenrichtung der Nut 26 aufeinander folgend angeordnet sind, um eine besonders zuverlässige Halterung einer eingesetzten Stromschiene 28 zu bewirken. Die Übergangsbereiche 48 zwischen zwei aneinander angrenzenden Vertiefungen 36 weisen dabei zwischen den Wänden von zwei aneinander angrenzenden Vertiefungen 36, von der Innenseite des Kathodenblocks 20 aus gesehen, einen Winkel ß von etwa 70 Grad auf. Die in den Fig. 3a bis d gezeigten Vertiefungen 36 erstrecken sich jeweils senkrecht in die die Nut 26 begrenzende Seitenwand 32 des Kathodenblocks 20, so dass sie mit in den Vertiefungen 36 aufgenommenem Gusseisen eine Fixierung bilden, die in Tiefenrichtung der Nut 26 wirksam ist und eine ungewollte Bewegung der Stromschiene 28 parallel zu der Tiefenrichtung der Nut 26 nach dem Vergießen der Stromschiene 28 mit Gusseisen 38 verhindert.
Bezugszeichenliste
10 Aluminium-Elektrolysezelle
12 Kathodenanordnung
14 Aluminiumschmelze
16 Kryolith-Aluminiumoxid -Schmelze
18 Anode
20 Kathodenblock
22 Stampfmassenfuge
24 Stampfmasse
26 Nut
28 Stromschiene 30 Graphitfolie
32 Seitenwand
34 Bodenwand
36 Vertiefung
37 Übergangsbereich zwischen der Wand der Vertiefung und dem angrenzenden Abschnitt der Nutwand
38 Gusseisen
39 Umhüllung
40 Pfeil
42 gestrichelte Linie
44 Breite der Nut 26
46 Breite des Kathodenblocks 20
48 Übergangsbereich zwischen zwei aneinander angrenzenden Vertiefungen
α Winkel zwischen der Wand der Vertiefung und dem angrenzenden
Abschnitt der Nutwand
ß Winkel zwischen den Wänden von zwei aneinander angrenzenden
Vertiefungen

Claims

Patentansprüche
1. Kathodenanordnung für eine Aluminium-Elektrolysezelle (10) mit wenigstens einem Kathodenblock (20) auf Basis von Kohlenstoff und/oder Graphit, der wenigstens eine zumindest bereichsweise mit einer Graphitfolie (30) ausgekleidete Nut (26) aufweist, wobei in der wenigstens einen Nut (26) wenigstens eine Stromschiene (28) vorgesehen ist, welche zumindest bereichsweise eine Umhüllung (39) aus Gusseisen (38) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der die wenigstens eine Nut (26) begrenzenden Wand (32, 34) des Kathodenblocks (20) wenigstens eine Vertiefung (36) vorgesehen ist und die Umhüllung (39) aus Gusseisen (38) zumindest abschnittsweise in die wenigstens eine Vertiefung (36) eingreift.
2. Kathodenanordnung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der in die wenigstens eine Vertiefung (36) eingreifende Abschnitt der Umhüllung (39) aus Gusseisen (38) komplementär zu der Vertiefung (36) ausgestaltet ist.
3. Kathodenanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der in die wenigstens eine Vertiefung (36) eingreifende Abschnitt der Umhüllung (39) und ggf. die davon umhüllte Stromschiene (28) wenigstens 70 %, bevorzugt wenigstens 80 %, besonders bevorzugt wenigstens 90 %, ganz besonders bevorzugt wenigstens 95 % und höchst bevorzugt wenigstens 100 % der Vertiefung (36) ausfüllt.
4. Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
sich jede der wenigstens einen Vertiefung (36) durchgehend über wenigstens 20 %, bevorzugt über wenigstens 40 %, besonders bevorzugt über wenigstens 60 %, ganz besonders bevorzugt über wenigstens 80 % und höchst bevorzugt zumindest annähernd über die gesamte Länge der Nut (26) erstreckt.
Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
jede der wenigstens einen Vertiefung (36) eine Tiefe von 2 mm bis 40 mm, bevorzugt von 5 mm bis 30 mm und besonders bevorzugt von 10 mm bis 20 mm aufweist.
Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
jede der wenigstens einen Vertiefung (36) eine auf die Höhe des Kathodenblocks bezogene Öffnungsbreite von 2 mm bis 40 mm, bevorzugt von 5 mm bis 30 mm und besonders bevorzugt von 10 mm bis 20 mm aufweist.
Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
jede der wenigstens einen Vertiefung (36) im Querschnitt bevorzugt eine Fläche von 1 ,5 mm2 bis 1.600 mm2, bevorzugt von 10 mm2 bis 900 mm2 und besonders bevorzugt von 40 mm2 bis 400 mm2 aufweist.
Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Vertiefung (36) einen zumindest im Wesentlichen halbkreisförmigen, dreieckigen, rechteckigen oder trapezförmigen Querschnitt aufweist.
9. Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
sich die Vertiefung (36) im Wesentlichen senkrecht in die die Nut (26) begrenzende Wand (32, 34) des Kathodenblocks (20) erstreckt.
10. Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Vertiefung (36), in der Tiefenrichtung der Nut (26) betrachtet, an jedem ihrer Enden durch einen Übergangsbereich (37) zwischen der Vertiefung (36) und einem daran angrenzenden Abschnitt der Nutwand (32, 34) begrenzt wird, wobei jeder der Übergangsbereiche (37) winklig ausgestaltet ist, wobei der Winkel (a) zwischen der Wand der Vertiefung (36) und dem angrenzenden Abschnitt der Nutwand (32, 34), von der Kathodenblockinnenseite aus gesehen, 90 Grad bis 160 Grad, bevorzugt 90 Grad bis 135 Grad und besonders bevorzugt 100 Grad bis 120 Grad beträgt.
11. Kathodenanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Vertiefung (36), in der Tiefenrichtung der Nut (26) betrachtet, an jedem ihrer Enden durch einen Übergangsbereich (37) zwischen der Vertiefung (36) und einem daran angrenzenden Abschnitt der Nutwand (32, 34) begrenzt wird, wobei jeder der Übergangsbereiche (37) gekrümmt ausgestaltet ist, wobei der Krümmungsradius des Übergangsbereichs maximal 50 mm, bevorzugt maximal 20 mm und besonders bevorzugt maximal 5 mm beträgt.
12. Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die Nut (26) begrenzende Wand (32, 34) eine Bodenwand (34) und zwei Seitenwände (32) umfasst, wobei jede Seitenwand (32) jeweils wenigstens eine Vertiefung (36) aufweist.
13. Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Vertiefung (36) über ihre Länge einen im Wesentlichen konstanten Abstand zu der Bodenwand (34) der Nut (26) aufweist.
14. Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
jede der wenigstens einen Vertiefung (36) zumindest bereichsweise und bevorzugt vollumfänglich mit der Graphitfolie (30) ausgekleidet ist und vorzugsweise jede der wenigstens einen Nut (26) vollumfänglich mit der Graphitfolie (30) ausgekleidet ist.
15. Kathodenanordnung nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Graphitfolie (30) durch die Umhüllung (39) der Stromschiene (28) aus Gusseisen (38) gegen die Begrenzung der Vertiefung (36) gepresst ist.
16. Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Nut (26) eine über ihre Länge variierende Tiefe aufweist.
17. Kathodenanordnung nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Nut (26) an ihren längsseitigen Enden eine geringere Tiefe aufweist als in ihrer Mitte.
18. Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
jede der wenigstens einen Nut (26) einen wenigstens im Wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt aufweist.
19. Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
jede der wenigstens einen Stromschiene (28) einen im Wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt aufweist.
20. Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Graphitfolie (30) expandierten Graphit, bevorzugt zumindest teilweise komprimierten expandierten Graphit, enthält oder daraus besteht.
21. Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Graphitfolie (30) eine Dicke zwischen 0,2 mm und 3 mm, bevorzugt zwischen 0,2 mm und 1 mm und besonders bevorzugt zwischen 0,3 mm und 0,5 mm aufweist.
22. Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Graphitfolie (30) in die Nut (26) eingelegt und/oder eingeklebt ist.
23. Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Kathodenblock (20) ein oder zwei Nuten (26) zur Aufnahme jeweils wenigstens einer Stromschiene (28) aufweist.
24. Kathodenblock für eine Kathodenanordnung (12) einer Aluminium-Elektrolysezelle (10) auf Basis von Kohlenstoff und/oder Graphit mit wenigstens einer Nut (26) zur Aufnahme einer Stromschiene (28),
dadurch gekennzeichnet, dass
in der die wenigstens eine Nut (26) begrenzenden Wand (32, 34) des Kathodenblocks (20) wenigstens eine Vertiefung (36) vorgesehen ist.
25. Verfahren zur Herstellung einer Kathodenanordnung (12) für eine Aluminium-Elektrolysezelle (10), welches die nachfolgenden Schritte umfasst:
Bereitstellen eines Kathodenblocks (20) auf Basis von Kohlenstoff und/oder Graphit, der wenigstens eine Nut (26) zur Aufnahme einer Stromschiene (28) aufweist, wobei in der die wenigstens eine Nut (26) begrenzenden Wand (32, 34) des Kathodenblocks (20) wenigstens eine Vertiefung (36) vorgesehen ist,
Auskleiden zumindest eines Bereichs der wenigstens einen Nut (26) mit einer Graphitfolie (30),
Einsetzen einer Stromschiene (28) in die wenigstens eine Nut (26), Einfüllen von flüssigem Gusseisen in zumindest einen Abschnitt der wenigstens einen Vertiefung (36) zwischen die Graphitfolie (36) und die Stromschiene (28) und
Erstarrenlassen des Gusseisens (38).
26. Verfahren nach Anspruch 25,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Graphitfolie (30) in die Nut (26) eingelegt und/oder eingeklebt wird.
27. Verfahren nach Ansprüche 25 oder 26,
dadurch gekennzeichnet, dass bei der Herstellung des Kathodenblocks (20) Kohlenstoff und/oder Graphit enthaltendes Material in eine Form eingebracht wird, die einen zu der wenigstens einen Vertiefung (36) komplementär ausgebildeten Vorsprung aufweist.
28. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 25 bis 27,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Vertiefung (36) durch Entfernen und/oder Verdrängen von Material der die Nut (26) begrenzenden Wand (32, 34) des Kathodenblocks (20) hergestellt wird.
29. Kathodenanordnung erhältlich durch ein Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 25 bis 28.
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