EP2989234A1 - Kathodenblock mit einer nut mit variierender tiefe und gefülltem zwischenraum - Google Patents

Kathodenblock mit einer nut mit variierender tiefe und gefülltem zwischenraum

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EP2989234A1
EP2989234A1 EP14720118.0A EP14720118A EP2989234A1 EP 2989234 A1 EP2989234 A1 EP 2989234A1 EP 14720118 A EP14720118 A EP 14720118A EP 2989234 A1 EP2989234 A1 EP 2989234A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cathode block
groove
steel
cathode
busbar
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Withdrawn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
EP14720118.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Hiltmann
Markus Pfeffer
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.)
Tokai Cobex 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 EP2989234A1 publication Critical patent/EP2989234A1/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Withdrawn legal-status Critical Current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
    • C25C3/16—Electric current supply devices, e.g. bus bars
    • 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 electrolysis cell, its use and a cathode comprising this.
  • Electrolysis cells are used, for example, 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 2045 ° 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 electrolytic cell used in this method has a cathode bottom, which is composed of a plurality of, for example, up to 28 adjacent cathode blocks forming the cathode.
  • the spaces between the cathode blocks are usually filled with a carbon-containing ramming mass to seal the cathode against molten components of the electrolytic cell, and to compensate for mechanical stresses that occur during commissioning of the electrolysis cell.
  • the cathode blocks are usually composed of a carbonaceous material, such as graphite.
  • each of the cathode blocks On the undersides of the cathode blocks are usually provided in each case grooves, in each of which at least one or two bus bars are arranged, through which the current supplied via the anodes is dissipated.
  • the gaps between the individual walls delimiting the grooves of the cathode blocks and the busbars are often poured with cast iron to to thereby electrically and mechanically connect the bus bars to the cathode blocks by the covering of the bus bars with cast iron produced thereby.
  • layer of liquid aluminum is arranged, in particular from individual anode blocks, anode, between the and the surface of the aluminum, the electrolyte, ie the Alumina and cryolite-containing melt is located.
  • 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 and the electrolyte layer.
  • the dissolved in the melt aluminum oxide is split by electric current flow to aluminum and oxygen. From an electrochemical point of view, the layer of liquid aluminum is the actual cathode, since aluminum ions are reduced to elemental aluminum on its surface.
  • cathode will not be understood below to mean the cathode from an electrochemical point of view, ie the layer of liquid aluminum, but rather the component forming the base of the electrolytic cell, for example 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 locations with the greatest removal.
  • a cathode block has been proposed in WO 2007/1 18510 A2, which has a greater depth in the middle in relation to the cathode block length in the center than at the cathode block ends for receiving one or more busbars.
  • the busbar (s) is or are wrapped in a conventional manner with cast iron, which sheathing is done by pouring liquid cast iron in the space between the groove and the or the busbar (s).
  • Such a cathode block is subject to disadvantages.
  • the cathode block is comparatively large Subjected to temperature changes, which lead to expansion or shrinkage of the cast iron and the bus bar (s) relative to the cathode block. This effect of expansion or shrinkage can be enhanced by occurring temperature gradients.
  • the bus bar (s) are movable in the space between the groove and the bus bar (s) both in the vertical and in the horizontal direction before pouring the molten cast iron so that they are poured of the molten cast iron and during the subsequent cooling and solidification of the cast iron can move uncontrollably in the groove, which can also lead to a non-uniform electrical contact between busbar, cast iron and cathode block. This also leads to an increased electrical resistance of the arrangement and thus to a poor energy efficiency of the electrolysis process.
  • the cast iron ramming mass can also be used.
  • ramming mass ramming compounds based on anthracite, graphite and any mixtures thereof can be used.
  • a ramming mass based on graphite is used.
  • cathode block which is suitable, in particular, for use with an aluminum electrolysis cell, with which a substantially homogeneous vertical current distribution is achieved over the cathode block length during operation of the electrolysis cell, which also has a low and, in particular, high temperature changes it also has permanently low resistivity and low contact resistance between the bus bar and the cathode block over an extended period of electrolysis, and which is stable to mechanical damage such as cracking at high temperature changes.
  • a cathode block for an aluminum electrolysis cell based on carbon and / or graphite having at least one groove extending in the longitudinal direction of the cathode block, at least one of the at least one groove extending over the length of the Seen cathode block, varying depth and in the at least one groove at least one bus bar is provided, wherein the gap between the at least one bus bar and the at least one groove of varying depth limiting wall is at least partially filled with steel.
  • steel and other suitable material such as other metals such as
  • Copper or silver, alloys, composites of the above materials, such as steel core with copper core, composites such as metal-infiltrated graphite or carbon materials or electrically conductive materials may be used.
  • metal in the above-mentioned metal-infiltrated graphite or carbon materials all metals can be considered, which have a melting point above the operating temperature of the electrolytic cell, which is about 1,000 ° C. Copper with a melting point of 1080 ° C is a preferred metal.
  • the proportion of metal in the composite may be between 40 and 90 weight percent.
  • the carbon in the composite may be anthracite and the graphite composite may include graphitized graphite or graphitic carbon.
  • steel is used synonymously in this context for all these materials.
  • a cathode assembly is created, which is due to the groove of varying depth over the length of the cathode assembly by a substantially homogeneous vertical current distribution and at the same time despite the groove of varying depth has a permanently low electrical resistance and low contact resistance between the busbar and the cathode block, and which at large Temperature changes to mechanical damage, such as cracking, is stable.
  • the intermediate space is filled with steel, ie the material from which conventional busbars are made, this material behaves in the event of temperature changes and in particular also at rapid temperatures. Changes in the temperature such as the busbar, so that a net shrinkage reliably prevented and thereby a bad electrical contact in the gap is reliably prevented.
  • the filling of the gap may be achieved by one or more steel packings, which may be made separately by casting, rolling, milling, or other suitable molding techniques.
  • At least 50%, preferably at least 75%, more preferably at least 90%, most preferably at least 95%, most preferably at least 98%, and most preferably 100% of the gap is filled with steel.
  • the steel, with which the intermediate space is at least partially filled preferably the same, from which the at least one busbar is composed.
  • the thermal expansion coefficients of both materials are the same, so that mechanical stresses between the bus bar and the steel, with which the gap is at least partially filled, are reliably minimized in the heating for adjusting the operating temperature of the electrolytic cell.
  • steel with a very high electrical conductivity is used here as the material for the busbars and the shaped body filling the intermediate space.
  • This is characterized, for example, by a low carbon content of ⁇ 0.1%, a silicon content of ⁇ 0.1% and a phosphorus content of ⁇ 0.05%.
  • at least 50%, preferably at least 75%, more preferably at least 90%, most preferably at least 95%, and most preferably at least 98% of the space is filled with steel and is between the steel and the at least one groove with varying depth limiting wall provided cast iron.
  • the cast iron achieves a good mechanical connection of the steel, with which the intermediate space is at least partially filled, and the at least one bus bar with the cathode block of the cathode arrangement, wherein at least 50%, and preferably, due to the steel, with which the intermediate space At least 90% is filled, comparatively small amounts of cast iron are needed, so that the disadvantages described above in terms of filling the gap completely made of cast iron, at least as far as possible.
  • at least 50%, preferably at least 75%, and more preferably at least 90% of the space is filled with steel, wherein between the bus bar and the wall defining the at least one groove of varying depth, one or more plates or balls Steel are provided.
  • At least one of the at least one groove and preferably all of the grooves of varying depth have or have a smaller depth at their longitudinal ends than in their middle (s).
  • a uniform distribution of the electric current supplied in the electrolysis operation is achieved over the entire length of the cathode block, whereby an excessive electric current density at the longitudinal ends of the cathode block and thus premature wear at the ends of the cathode block is avoided.
  • each of the at least one groove has an at least substantially perpendicular rectangular, preferably rectangular, cross-section.
  • the at least one bus bar is at least substantially parallelepiped-shaped or barren-shaped, preferably parallelepiped-shaped or barren-shaped.
  • the cathode block according to the invention is obtainable thereby and is particularly preferably obtained by providing a cathode block with at least one groove, which has a varying depth over the length of the cathode block, into which at least one groove at least a preferably bar renförmigen busbar is used, the gap between the at least one busbar and the at least one groove of varying depth limiting wall is at least partially filled with one or more moldings made of steel.
  • the gap such as at least 50%, preferably at least 75% and more preferably at least 90% of the gap, are filled with one or more moldings made of steel, and between these and the at least one groove with varying the depth-limiting wall of the cathode block cast iron melt is introduced and the molten cast iron is allowed to solidify.
  • Another object of the present invention is a cathode assembly comprising at least one previously described cathode block.
  • the present invention relates to the use of a previously described cathode arrangement for carrying out a fused-salt electrolysis for the production of metal, preferably for the production of aluminum.
  • Fig. 1 is a longitudinal section of a cathode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • Fig. 1 shows a cathode assembly 12 'according to an embodiment of the present invention shown in longitudinal section, standing upside down.
  • the cathode assembly 12 ' includes a cathode block 20, in the bottom of which a groove 26 is provided whose depth varies along the length of the groove 26, such that the groove 26 has a smaller depth at its longitudinal ends than at its center.
  • the difference between the groove depth at the longitudinal ends of the groove 26 and in the center of the groove 26 in the present embodiment is about 5 cm, with respect to the longitudinal direction of the cathode block.
  • the depth of the groove 26 at the two longitudinal ends of the groove 26 is about 16 cm, whereas the depth of the groove 26 in the - relative to the longitudinal direction of the cathode block - center of the groove 26 is about 21 cm.
  • the width 44 each groove 26 is substantially constant over the entire groove length and is about 15 cm, whereas the width 46 of the cathode blocks 20 is about 42 cm each.
  • a barrenformig trained and a rectangular longitudinal section having bus bar 28 is arranged, wherein between the busbar 28 and the groove bottom 34 to the middle of the groove 26 toward increasing interspace 56 consists.
  • this intermediate space 56 is filled at least partially and in the case shown in FIG. 1 completely with steel, specifically with the same steel from which the bus bar 28 is made.

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Abstract

Ein Kathodenblock für eine Aluminium-Elektrolysezelle auf Basis von Kohlenstoff und/oder Graphit, wobei der Kathodenblock wenigstens eine sich in der Längsrichtung des Kathodenblocks erstreckende Nut aufweist, wobei wenigstens eine der wenigstens einen Nut eine, über die Länge des Kathodenblocks gesehen, variierende Tiefe aufweist und in der wenigstens einen Nut wenigstens eine Stromschiene vorgesehen ist, wobei der Zwischenraum zwischen der wenigstens einen Stromschiene und der die wenigstens eine Nut mit variierender Tiefe begrenzenden Wand zumindest teilweise mit Stahl ausgefüllt ist.

Description

Kathodenblock mit einer Nut mit variierender Tiefe und
gefülltem Zwischenraum
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kathodenblock für eine Aluminium-Elek- trolysezelle, dessen Verwendung sowie eine diesen umfassende Kathode.
Elektrolysezellen werden beispielsweise zur elektrolytischen Herstellung von Aluminium eingesetzt, welche industriell üblicherweise nach dem Hall-Heroult-Verfah- ren durchgeführt wird. 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 Alumini- umfluorid und Calciumfluorid, enthaltende Mischung zu senken.
Die bei diesem Verfahren eingesetzte Elektrolysezelle weist einen Kathodenboden auf, der aus einer Vielzahl von beispielsweise bis zu 28 aneinander angrenzenden, die Kathode ausbildenden Kathodenblöcken zusammengesetzt ist. Dabei sind die Zwischenräume zwischen den Kathodenblöcken üblicherweise mit einer kohlenstoffhaltigen Stampfmasse gefüllt, um die Kathode gegenüber schmelzflüssigen Bestandteilen der Elektrolysezelle abzudichten, und, um mechanische Spannungen, welche während der Inbetriebnahme der Elektrolysezelle auftreten, zu kompensieren. Um den bei dem Betrieb der Zelle herrschenden thermischen und chemischen Bedingungen standzuhalten, sind die Kathodenblöcke üblicher- weise aus einem kohlenstoffhaltigen Material, wie Graphit, zusammengesetzt. An den Unterseiten der Kathodenblöcke sind üblicherweise jeweils Nuten vorgesehen, in denen jeweils wenigstens eine oder zwei Stromschiene angeordnet sind, 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, üblicherweise 15 bis 50 cm hohen, Schicht aus flüssigem Aluminium ist eine, insbeson- dere 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 Kathode und der Elektrolytschicht. Bei der Elektrolyse wird das in der Schmelze gelöste Aluminiumoxid durch elektrischen Stromfluss zu Aluminium und Sauerstoff aufgespalten. Elektrochemisch gesehen handelt es sich bei der Schicht aus flüssigem Aluminium um die eigentliche Kathode, da an dessen Oberfläche Aluminiumionen zu elementa- rem Aluminium reduziert werden. Nichtsdestotrotz wird nachfolgend unter dem Begriff Kathode nicht die Kathode aus elektrochemischer Sicht, also die Schicht aus flüssigem Aluminium verstanden, sondern das den Elektrolysezellenboden ausbildende, beispielsweise 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 Nutzungs- dauer der Kathodenblöcke durch die Stellen mit dem größten Abtrag begrenzt. Um diesem Problem zu begegnen, ist in der WO 2007/1 18510 A2 ein Kathodenblock vorgeschlagen worden, dessen zur Aufnahme einer oder mehrerer Stromschienein) 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. Die Stromschiene(n) ist bzw. sind dabei in herkömmlicher Weise mit Gusseisen umhüllt, wobei diese Umhüllung durch Eingießen von flüssigem Guss- eisen in den Zwischenraum zwischen der Nut und der bzw. den Stromschiene(n) erfolgt. Ein solcher Kathodenblock ist allerdings mit Nachteilen behaftet. Während und nach dem Eingießen des flüssigen Gusseisens in den Zwischenraum zwischen der Nut und der bzw. den Stromschiene(n), während und nach der Inbetriebnahme der den Kathodenblock umfassenden Elektrolysezelle sowie während und nach dem Abschalten der Elektrolysezelle und späterer Wiederinbetriebnahme ist der Kathodenblock vergleichsweise großen Temperaturänderungen ausgesetzt, welche zu einer Ausdehnung bzw. einem Schrumpf des Gusseisens und der Stromschiene(n) relativ zu dem Kathodenblock führen. Dieser Effekt der Ausdehnung bzw. des Schrumpfes kann durch auftretende Temperaturgradienten verstärkt werden. Im Folgenden wird, wenn von„großen Temperaturänderung(en)" gesprochen wird, verstanden, dass einer oder beide der genannten Effekte, d.h. Ausdehnung/Schrumpf oder Temperaturgradient, vorhanden ist/sind. Aufgrund der höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten von Gusseisen und dem Material der Stromschiene(n) als dem Wärmeausdehnungskoeffizient des Kathodenblockmate- rials dehnen sich das Gusseisen und die Stromschiene(n) bei einer Temperaturerhöhung nämlich relativ zu dem Kathodenblock aus, wohingegen diese bei einer Temperaturverringerung relativ zu dem Kathodenblock schrumpfen. Dadurch verschlechtert sich insbesondere bei üblichen Nuten mit rechteckiger Querschnittsform der elektrische Kontakt zwischen Stromschiene, Gusseisen und Ka- thodenblock, was zu einem erhöhten elektrischen Widerstand der Anordnung und damit zu einer schlechten Energieeffizienz des Elektrolyseverfahrens führt. Abgesehen davon ist die Stromschiene bzw. sind die Stromschienen vor dem Eingießen des flüssigen Gusseisens in den Zwischenraum zwischen der Nut und der bzw. den Stromschiene(n) sowohl in der vertikalen als auch in der horizontalen Richtung beweglich, so dass sich diese bei dem Eingießen des flüssigen Gusseisens und während dem nachfolgenden Abkühlen und Erstarren des Gusseisens unkontrolliert in der Nut bewegen können, was ebenfalls zu einem ungleichmäßigen elektrischen Kontakt zwischen Stromschiene, Gusseisen und Kathodenblock führen kann. Auch dies führt zu einem erhöhten elektrischen Widerstand der Anordnung und damit zu einer schlechten Energieeffizienz des Elektrolyseverfahrens. Anstelle des Gusseisens kann auch Stampfmasse verwendet werden. Als Stampfmasse können Stampfmassen auf Basis von Anthrazit, Graphit und beliebigen Mischungen davon eingesetzt werden. Vorzugsweise wird eine Stampfmasse auf Basis von Graphit verwendet.
Wenn im Folgenden von Gusseisen gesprochen wird, ist zu verstehen, dass das Gusseisen durch Stampfmasse ersetzt werden kann, ohne dass es jedes Mal explizit beschrieben wird. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen insbesondere zur Verwendung für eine Aluminium-Elektrolysezelle geeigneten Kathodenblock bereitzustellen, mit dem bei dem Betrieb der Elektrolysezelle über die Kathodenblocklänge eine im Wesentlichen homogene vertikale Stromverteilung erreicht wird, welche zudem auch bei großen Temperaturänderungen einen niedrigen und insbeson- dere auch über einen ausgedehnten Elektrolysezeitraum dauerhaft niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand und niedrigen Übergangswiderstand zwischen der Stromschiene und dem Kathodenblock aufweist, und, welche bei großen Temperaturänderungen gegenüber mechanischen Beschädigungen, wie Rissbildung, stabil ist. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Kathodenblock für eine Aluminiunn-Elektrolysezelle auf Basis von Kohlenstoff und/oder Graphit, wobei der Kathodenblock wenigstens eine sich in der Längsrichtung des Kathodenblocks erstreckende Nut aufweist, wobei wenigstens eine der wenigstens einen Nut eine, über die Länge des Kathodenblocks gesehen, variierende Tiefe aufweist und in der wenigstens einen Nut wenigstens eine Stromschiene vorgesehen ist, wobei der Zwischenraum zwischen der wenigstens einen Stromschiene und der die wenigstens eine Nut mit variierender Tiefe begrenzenden Wand zumindest teilweise mit Stahl ausgefüllt ist. Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann statt Stahl auch ein anderes geeignetes Material, wie beispielsweise andere Metalle wie
Kupfer oder Silber, Legierungen, Verbundwerkstoffe der vorstehenden Materialien, wie beispielsweise Stahlkörper mit Kupferkern, Verbundwerkstoffe wie beispielsweise metallinfiltrierte Graphit- oder Kohlenstoffwerkstoffe oder elektrisch leitfähige Massen verwendet werden. Als Metall bei den genannten metallinfiltrierten Graphit- oder Kohlenstoffwerkstoffen können alle Metalle in Frage kommen, welche einen Schmelzpunkt oberhalb der Betriebstemperatur der Elektrolysezelle aufweisen, welche bei etwa 1 .000 °C liegt. Kupfer mit einem Schmelzpunkt von 1080 °C stellt ein bevorzugtes Metall dar. Der Anteil des Metalls in dem Verbundwerkstoff kann zwischen 40 und 90 Gewichtsprozent betragen. Der Kohlenstoff in dem Verbundwerkstoff kann Anthrazit sein und der Graphitverbundwerkstoff kann als Graphit graphitierten oder graphitischen Kohlenstoff enthalten. Im Folgenden wird der Begriff Stahl in diesem Zusammenhang synonym für alle diese Materialien verwendet. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass durch das zumindest teilweise Ausfüllen des Zwischenraums, welcher durch das Einsetzen einer barrenförmigen Stromschiene in die Nut eines Kathodenblocks, welche eine, über die Länge des Kathodenblocks gesehen, variierende Tiefe aufweist, zwischen der Stromschiene und der die wenigstens eine Nut mit variierender Tiefe begrenzenden Wand entsteht, mit Stahl einfach und kostengünstig eine Kathodenanordnung geschaffen wird, welche sich aufgrund der Nut mit variierender Tiefe über die Länge der Kathodenanordnung durch eine im Wesentlichen homogene vertikale Stromverteilung auszeichnet und gleichzeitig trotz der Nut mit variierender Tiefe einen dauerhaft niedrigen elektrischen Widerstand und niedrigen Übergangswiderstand zwischen der Stromschiene und dem Kathodenblock aufweist, und, welche bei großen Temperaturänderungen gegenüber mechanischen Beschädigungen, wie Rissbildung, stabil ist. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kathodenanordnungen ist das zusätzliche Volumen des Zwischenraums, welches sich bei Einsatz einer herkömmlichen barrenförmigen Stromschiene aufgrund der über die Länge des Kathodenblocks variierende Tiefe der Nut ergibt, ganz oder teilweise mit Gusseisen gefüllt worden. Eine erhöhte Gusseisenmenge bedeutet jedoch einen höheren Wärmeeintrag bei dem Eingießen des Gusseisens und dies führt zu erhöhten thermischen Spannungen, infolge der Risse in dem Kathodenblock auftreten können, und zwar unter Umständen erst bei der Elektrolyse, was zu einem schlechten Betriebsverhalten oder sogar zu einem vorzeitigen Ausfall der gesamten Elektrolysezelle führen kann. Zudem führt eine solche voluminöse Gusseisenschicht zu einem schlechten elektrischen Kontakt zwischen der Stromschiene und dem Kathodenblock über das dazwischen liegende Gusseisen, weil die Gusseisenschicht von dem Erstarrungszeitpunkt bis zu dem Betrieb der Elektrolysezelle einen Netto- Schrumpf erfährt, da die Betriebstemperatur der Elektrolysezelle mit 850 bis 950 °C deutlich unterhalb der Erstarrungstemperatur von Gusseisen von ca. 1 .150 °C liegt. Zwar ist es bereits in der WO 2007/1 18510 A2 vorgeschlagen worden, diese Nachteile dadurch zu überwinden, dass der Zwischenraum zumindest teilweise mit Platten aus Stahl ausgefüllt oder gar eine Stromschiene mit einer an die Nutform angepassten Geometrie eingesetzt wird. Allerdings ist mit diesen Lösungen ein erhöhter verfahrenstechnischer Aufwand verbunden. Zudem ist insbesondere das Anfertigen einer Stromschiene mit einer an die Nutform angepassten Geometrie teuer. Indem erfindungsgemäß der Zwischenraum mit Stahl gefüllt wird, also dem Material, aus welchem herkömmliche Stromschienen bestehen, verhält sich dieses Material bei Temperaturänderungen und insbesondere auch bei schnellen Tempe- raturänderungen wie die Stromschiene, so dass ein Netto-Schrumpf zuverlässig verhindert und dadurch ein schlechter elektrischer Kontakt in dem Zwischenraum zuverlässig verhindert wird. Das Füllen des Zwischenraums kann durch einen oder mehrere Füllkörper aus Stahl, die durch Gießen, Walzen, Fräsen, oder andere geeignete Formgebungsverfahren separat hergestellt werden können, erreicht werden. Dadurch ist die Bereitstellung und Verwendung der erfindungsgemäßen Lösung besonders einfach, schnell und kostengünstig zu realisieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden wenigstens 50%, bevorzugt wenigstens 75%, besonders bevorzugt wenigstens 90%, insbesondere bevorzugt wenigstens 95% ,ganz besonders bevorzugt wenigstens 98% und höchst bevorzugt 100% des Zwischenraums mit Stahl ausgefüllt. In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass der Stahl, mit dem der Zwischenraum zumindest teilweise ausgefüllt ist, vorzugsweise derselbe ist, aus welchem die wenigstens eine Stromschiene zusammengesetzt ist. In diesem Fall sind die Wärmeausdehnungskoeffizienten beider Materialien gleich, so dass mechanische Spannungen zwischen der Stromschiene und dem Stahl, mit dem der Zwischenraum zumindest teilweise ausgefüllt ist, bei dem Aufheizen zum Einstellen der Betriebstemperatur der Elektrolysezelle zuverlässig minimiert werden.
Vorzugsweise wird hier als Material für die Stromschienen und den den Zwischen- räum ausfüllenden Formkörper Stahl mit einer sehr hohen elektrischen Leitfähigkeit verwendet. Dieser zeichnet sich beispielsweise durch einen niedrigen Kohlenstoffgehalt von < 0,1 %, einen Siliziumgehalt von < 0,1 % und einen Phosphorgehalt von < 0,05 % aus. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind wenigstens 50 %, bevorzugt wenigstens 75 %, besonders bevorzugt wenigstens 90 %, insbesondere bevorzugt wenigstens 95 % und ganz besonders bevorzugt wenigstens 98 % des Zwischenraums mit Stahl ausgefüllt und ist zwi- sehen dem Stahl und der die wenigstens eine Nut mit variierender Tiefe begrenzenden Wand Gusseisen vorgesehen. Durch das Gusseisen wird eine gute mechanische Verbindung des Stahls, mit dem der Zwischenraum zumindest teilweise ausgefüllt ist, und der wenigstens einen Stromschiene mit dem Kathodenblock der Kathodenanordnung erreicht, wobei aufgrund des Stahls, mit dem der Zwischen- räum zu zumindest 50 % und bevorzugt zu zumindest 90 % ausgefüllt ist, vergleichsweise geringe Mengen an Gusseisen benötigt werden, so dass die vorstehend in Bezug auf das Ausfüllen des Zwischenraums vollständig aus Gusseisen beschriebenen Nachteile zumindest weitestgehend überwunden werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind wenigstens 50 %, bevorzugt wenigstens 75 % und besonders bevorzugt wenigstens 90 % des Zwischenraums mit Stahl ausgefüllt, wobei zwischen der Stromschiene und der die wenigstens eine Nut mit variierender Tiefe begrenzenden Wand ein oder mehrere Platten oder Kugeln aus Stahl vorgesehen sind.
Um bei dem Elektrolysebetrieb eine besonders gleichmäßige vertikale Stromdichteverteilung an der Kathodenblockoberfläche zu erreichen, wird in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, dass wenigstens eine der wenigstens einen Nut und bevorzugt alle der Nuten mit variierender Tiefe an ihren längsseiti- gen Enden eine geringere Tiefe aufweist bzw. aufweisen als in ihrer bzw. ihren Mitte(n). Auf diese Weise wird eine gleichmäßige Verteilung des bei dem Elektrolysebetrieb 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. Durch eine solche gleichmäßige Stromdichteverteilung über die Länge des Kathodenblocks werden zudem bei der Elektrolyse 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 der Anode und der Aluminiumschmelze verringert und die Energieeffizienz der durchgeführten Schmelzflusselektrolyse erhöht.
Vorzugsweise weist jede der wenigstens einen Nut einen zumindest im Wesent- liehen rechtwinkligen, bevorzugt rechtwinkligen, Querschnitt auf.
Gleichermaßen ist es bevorzugt, dass die wenigstens eine Stromschiene zumindest im Wesentlichen quaderförmig bzw. barrenförmig, bevorzugt quaderförmig bzw. barrenförmig, ausgestaltet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der erfindungsgemäße Kathodenblock dadurch erhältlich und wird besonders bevorzugt dadurch erhalten, dass ein Kathodenblock mit wenigstens einer Nut, welche eine über die Länge des Kathodenblocks gesehen, variierende Tiefe aufweist, bereitgestellt wird, in die wenigstens eine Nut wenigstens eine vorzugsweise bar- renförmige Stromschiene eingesetzt wird, der Zwischenraum zwischen der wenigstens einen Stromschiene und der die wenigstens eine Nut mit variierender Tiefe begrenzenden Wand zumindest teilweise mit einem oder mehreren Formkörpern aus Stahl gefüllt wird.
Bei dieser Ausführungsform ist es aus den vorstehend dargelegten Gründen besonders bevorzugt, wenn nur ein Teil des Zwischenraums, wie beispielsweise wenigstens 50 %, bevorzugt wenigstens 75 % und besonders bevorzugt wenigstens 90 % des Zwischenraums, mit einem oder mehreren Formkörpern aus Stahl gefüllt werden, und zwischen diese und der die wenigstens eine Nut mit variieren- der Tiefe begrenzenden Wand des Kathodenblocks Gusseisenschmelze eingebracht wird und die Gusseisenschmelze Erstarren gelassen wird.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Kathodenanordnung, welche wenigstens einen zuvor beschriebenen Kathodenblock umfasst.
Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einer zuvor beschriebenen Kathodenanordnung zur Durchführung einer Schmelzflusselektrolyse zur Herstellung von Metall, bevorzugt zur Herstellung von Aluminium.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt einer Kathodenanordnung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Fig. 1 zeigt eine Kathodenanordnung 12' gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung im Längsschnitt dargestellt, und zwar auf dem Kopf stehend. Die Kathodenanordnung 12' umfasst einen Kathodenblock 20, in dessen Boden eine Nut 26 vorgesehen ist, deren Tiefe über die Länge der Nut 26 variiert, und zwar so, dass die Nut 26 an ihren längsseitigen Enden eine geringere Tiefe aufweist als in ihrer Mitte. Der Unterschied zwischen der Nuttiefe an den längsseitigen Enden der Nut 26 und in der - bezogen auf die Längsrichtung des Kathodenblocks - Mitte der Nut 26 beträgt in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel etwa 5 cm. Dabei beträgt die Tiefe der Nut 26 an den beiden längsseitigen Enden der Nut 26 etwa 16 cm, wohingegen die Tiefe der Nut 26 in der - bezogen auf die Längs- richtung des Kathodenblocks - Mitte der Nut 26 etwa 21 cm beträgt. 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 42 cm beträgt. In der Nut 26 ist eine barrenformig ausgebildete und einen rechtwinkligen Längsschnitt aufweisende Stromschiene 28 angeordnet, wobei zwischen der Stromschiene 28 und dem Nutboden 34 ein zur Mitte der Nut 26 hin größer werdender Zwischenraum 56 besteht. Erfindungsgemäß ist dieser Zwischenraum 56 zumindest teilweise und in dem in der Fig. 1 gezeigten Fall vollständig mit Stahl ausgefüllt und zwar mit demselben Stahl, aus welchem die Stromschiene 28 besteht.
Bezugszeichenliste
12, 12' Kathodenanordnu
20 Kathodenblock
26 Nut
28 Stromschiene
34 Bodenwand
56 Zwischenraum

Claims

Patentansprüche
Kathodenblock (20) für eine Aluminium-Elektrolysezelle auf Basis von Kohlenstoff und/oder Graphit wobei der Kathodenblock (20) wenigstens eine sich in der Längsrichtung des Kathodenblocks (20) erstreckende Nut (26) aufweist, wobei wenigstens eine der wenigstens einen Nut (26) eine, über die Länge des Kathodenblocks (20) gesehen, variierende Tiefe aufweist und in der wenigstens einen Nut (26) wenigstens eine Stromschiene (28) vorgesehen ist, wobei der Zwischenraum (56) zwischen der wenigstens einen Stromschiene (28) und der die wenigstens eine Nut (26) mit variierender Tiefe begrenzenden Wand (32, 34) zumindest teilweise mit Stahl ausgefüllt ist.
Kathodenblock (20) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens 50%, bevorzugt wenigstens 75%, besonders bevorzugt wenigstens 90%, insbesondere bevorzugt wenigstens 95%, ganz besonders bevorzugt wenigstens 98% und höchst bevorzugt 100% des Zwischenraums (56) mit Stahl ausgefüllt sind.
Kathodenblock (20) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Stahl, mit dem der Zwischenraum (56) zumindest teilweise ausgefüllt ist, derselbe ist, aus welchem die wenigstens eine Stromschiene (28) zusammengesetzt ist.
Kathodenblock (20) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für die Stromschienen und den den Zwischenraum ausfüllenden Formkörper Stahl mit einer sehr hohen elektrischen Leitfähigkeit verwendet wird, wobei der Stahl einen niedrigen Kohlenstoffgehalt von
< 0,1 %, einen Siliziumgehalt von < 0,1 % und einen Phosphorgehalt von < 0,05 % aus.
5. Kathodenblock (20) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens 50 %, bevorzugt wenigstens 75 %, besonders bevorzugt wenigstens 90 %, insbesondere bevorzugt wenigstens 95 % und ganz besonders bevorzugt wenigstens 98 % des Zwischenraums (56) mit Stahl ausgefüllt sind und zwischen dem Stahl und der die wenigstens eine Nut (26) mit variierender Tiefe begrenzenden Wand (32, 34) Gusseisen vorgesehen ist.
6. Kathodenblock (20) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens 50 % , bevorzugt wenigstens 75 % und besonders bevorzugt wenigstens 90 % des Zwischenraums (56) mit Stahl ausgefüllt sind und zwischen dem Stahl und der die wenigstens eine Nut (26) mit variierender Tiefe begrenzenden Wand ein oder mehrere Platten oder Kugeln aus Stahl vorgesehen sind.
7. Kathodenblock (20) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens eine der wenigstens einen Nut (26) mit variierender Tiefe an ihren längsseitigen Enden eine geringere Tiefe aufweist als in ihrer Mitte.
8. Kathodenblock (20) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass jede der wenigstens einen Nut (26) einen zumindest im Wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt aufweist.
9. Kathodenblock (20) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die wenigstens eine Stromschiene (28) zumindest im Wesentlichen quaderförmig ausgestaltet ist.
10. Kathodenanordnung,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
sie wenigstens einen Kathodenblock (20) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9 enthält.
11. Verwendung einer Kathodenanordnung nach Anspruch 10 zur Durchführung einer Schmelzflusselektrolyse zur Herstellung von Metall, bevorzugt zur Herstellung von Aluminium.
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