EP2989235B1 - Kathodenblock mit einer nut mit variierender tiefe und einer fixiereinrichtung - Google Patents

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EP2989235B1
EP2989235B1 EP14721300.3A EP14721300A EP2989235B1 EP 2989235 B1 EP2989235 B1 EP 2989235B1 EP 14721300 A EP14721300 A EP 14721300A EP 2989235 B1 EP2989235 B1 EP 2989235B1
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EP
European Patent Office
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cathode block
cathode
groove
recess
busbar
Prior art date
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Active
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EP14721300.3A
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English (en)
French (fr)
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EP2989235B9 (de
EP2989235A1 (de
Inventor
Frank Hiltmann
Markus Pfeffer
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Tokai Cobex GmbH
Original Assignee
Cobex GmbH
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Publication date
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    • 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 block for an aluminum electrolysis cell, its use and a cathode assembly comprising the same.
  • 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 [AlF 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 formed, in particular of 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.
  • the layer of liquid aluminum is the actual cathode because aluminum ions are reduced to elemental aluminum on its surface.
  • the term 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.
  • the useful life of the cathode blocks is limited by the locations with the largest removal.
  • a cathode block has been proposed, whose groove for receiving one or more busbars, relative to the cathode block length, has a greater depth in the middle than at the cathode block ends.
  • the bus bar (s) is or are wrapped in a conventional manner with cast iron, said wrapping is done by pouring liquid cast iron in the space between the groove and the or the bus bar (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.
  • large temperature change (s) it is understood that one or both of said effects, ie, expansion / shrinkage or temperature gradient, is / are present.
  • the cast iron and the bus bar (s) expand with a temperature increase relative to the cathode block, whereas they shrink with a temperature decrease relative to the cathode block.
  • the electrical contact between the busbar, cast iron and cathode block deteriorates, which leads to an increased electrical resistance of the arrangement and thus to a poor energy efficiency of the electrolysis process.
  • 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.
  • DE 2 405 461 and EP 0 052 577 describe a cathode block based on carbon having a groove in whose side walls in each case a recess is present.
  • the at least one depression should run parallel to the groove bottom-that is, obliquely relative to the horizontal direction-that is to say have a constant distance from the bottom wall of the groove, in order to be displaceable the busbar (s) to ensure parallel to the groove bottom.
  • a cathode block for an aluminum electrolytic cell based on carbon and / or graphite wherein the cathode block has at least one extending in the longitudinal direction of the cathode block groove for receiving at least one busbar, wherein at least one of the at least one groove , seen in the length of the cathode block, varying depth, wherein in the at least one groove of varying depth bounding wall of the cathode block at least one recess having a semicircular, triangular, rectangular or trapezoidal cross section is provided, which in the longitudinal direction of the cathode block at least extends horizontally over approximately the entire length of the at least one groove.
  • the recess extends parallel to the longitudinal plane of the cathode block.
  • a parallel extension is understood to mean that the depression has an angle of less than 5 °, particularly preferably less than 2 °, very particularly preferably less than 1 °, most preferably less than 0.5 °, at each of its points. and most preferably less than 0.1 ° to the longitudinal plane of the cathode block.
  • the longitudinal plane is understood to mean the plane which extends in the direction of the longitudinal axis of the cathode block and runs parallel to the surface of the side of the cathode block opposite the groove.
  • a depression in contrast to a mere surface roughness, is understood to be a recess which has a depth of at least 0.5 mm, and preferably of at least 2 mm, relative to the surface of the wall delimiting the groove.
  • a cathode block is created, which also has inserted into the groove and sheathed with cast iron power rail has a low electrical resistance and low contact resistance.
  • the use of a variable depth groove in the longitudinal direction of the cathode block achieves such a uniform current density distribution on the cathode block surface that the operation of the electrolysis cell comprising the cathode block effectively avoids excessive erosion of cathode block material in those areas where, in use Cathode blocks with in the longitudinal direction of the cathode block groove depth same high local current density would be present.
  • the cathode block has in its groove a horizontally extending in the longitudinal direction of the cathode block recess, a vertical fixation of the cast iron sheathed busbar is achieved in the groove of the cathode block, but which some movement in the horizontal direction of the Cathode blocks allowed.
  • At least one of the at least one groove and preferably all of the grooves with varying depth have or have a smaller depth at their longitudinal ends than in FIG 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.
  • Another particular advantage of this embodiment is that in this embodiment of the groove provided in the recess of the groove possibly sheathed with cast iron busbar (s) during and after the occurring during commissioning of the electrolytic cell increasing the temperature in the horizontal direction expands As a result, the bus bar (s) are respectively pressed against the bottom wall of the cathode block delimiting the groove at this point, whereby the contact resistance between the busbar-covered bus bar and the cathode block is reduced.
  • the depth of at least one of the at least one groove of varying depth, seen in the longitudinal direction of the cathode block, preferably at least substantially monotonically increases from one longitudinal end to the center of the cathode block and takes it from the center to the other longitudinal side End of the cathode block at least substantially monotonically, so that, as seen in the longitudinal section of the cathode block, results in an at least substantially triangular groove.
  • the wall bounding the at least one groove of varying depth comprises a bottom wall and two side walls, each of the two side walls each having at least one recess extending horizontally in the longitudinal direction of the cathode block.
  • the wall bounding the at least one groove of varying depth comprises a bottom wall and two side walls, each side wall each having exactly one recess extending horizontally in the longitudinal direction of the cathode block.
  • a particularly good vertical fixation of the busbar in the groove is achieved at a comparatively low production cost, at the same time sufficiently high mobility in the horizontal direction to reliably avoid the occurrence of shear stresses due to the different thermal expansion coefficients of cast iron, busbar and cathode block at large temperature changes ,
  • the wall bounding the at least one groove of varying depth comprises a bottom wall and two side walls, each side wall each having two recesses each extending horizontally in the longitudinal direction of the cathode block.
  • the cathode block may have two grooves arranged on the same side of the cathode block, wherein both grooves have the same dimensions and the limiting walls each comprise a bottom wall and two side walls, each side wall each having a recess which extends horizontally in the longitudinal direction of the cathode block, or wherein each side wall each has two recesses extending horizontally in the longitudinal direction of the cathode block.
  • the cathode block may also comprise only one groove.
  • the at least one recess extends at least approximately over the entire length of the at least one groove.
  • At least one of the at least one recess and more preferably each of the at least one recess has a depth of 0.5 mm to 40 mm, preferably 2 mm to 30 mm, and more preferably 5 mm to 20 mm having.
  • At least one of the at least one depression, and more preferably each of the at least one depression has an opening width of 2 mm to 40 mm, preferably 5 mm to 30 mm and more preferably of the cathode block 10 mm to 20 mm.
  • the at least one recess can have any polygonal or curved cross section.
  • Good results with regard to a good engagement of the cast iron casing in the at least one depression and at the same time with regard to a reliable and unproblematic fillability of the recess with cast iron during casting are achieved in particular if at least one of the at least one depression and particularly preferably each of the at least one depression an at least substantially semicircular, triangular, has rectangular or trapezoidal, preferably semi-circular, triangular, rectangular or trapezoidal, cross-section.
  • the at least one recess extends at least substantially perpendicularly, preferably perpendicularly, into the wall of the cathode block bounding the at least one groove.
  • 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 present invention relates to a cathode assembly, which contains at least one cathode block described above, wherein at least one of the at least one groove with varying depth of the at least one cathode block at least one bus bar is provided which at least partially has a cladding made of cast iron, which at least partially in which engages at least one depression.
  • the portion of the cast-iron casing engaging in the at least one recess is designed to be complementary to the recess.
  • a particularly good positive engagement of the casing of cast iron in the recess and thus a particularly effective mechanical attachment of the cast iron casing and the associated bus bar to the cathode block can be achieved, which nevertheless due to avoid shear stress between cast iron, busbar and cathode block of large temperature changes sufficient mobility of the busbar in the horizontal direction allows.
  • the cast iron shell engages over at least 50%, more preferably at least 80%, more preferably at least 90%, most preferably at least 95%, and most preferably at least substantially all of its length into the at least one recess.
  • the advantages described above are achieved to a particularly high degree.
  • the portion of the envelope engaging in the at least one recess and possibly the conductor rail covered therewith at least 70%, preferably at least 80%, particularly preferably at least 90%, completely more preferably at least 95% and most preferably 100% of the well fills.
  • the cathode block of the cathode arrangement has a groove with an at least substantially rectangular, preferably a rectangular, cross-section and in the groove one or two adjacent busbar (s) are used, wherein the gap between the groove and the busbar (s) is filled with cast iron so that the cast iron on at least substantially the same entire length engages the at least one recess.
  • a further subject of the present invention is a cathode, which comprises at least one previously described cathode block or at least one previously described cathode arrangement.
  • the present invention relates to the use of a previously described cathode block, a previously described cathode assembly or a previously described cathode for performing a fused-salt electrolysis to produce metal, preferably for the production of aluminum.
  • 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 block, a previously described cathode assembly for carrying out a fused-salt electrolysis for the production of metal, preferably for the production of aluminum.
  • Fig. 1 is a cross section of a section of an aluminum electrolytic cell 10 is shown with a cathode assembly 12, which simultaneously forms the bottom of a trough for an aluminum melt 14 produced during operation of the electrolytic cell 10 and for above the molten aluminum 14 located cryolite-alumina melt 16. With the cryolite-alumina melt 16 is an anode 18 in contact. Laterally formed by the lower part of the aluminum electrolysis cell 10 trough by a in the Fig. 1 not shown lining of carbon and / or graphite limited.
  • 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 case Groove 26 each a bus bar 28 made of steel is also included with rectangular cross-section.
  • 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 areas 37 are formed in the present embodiment at an angle ⁇ between the adjacent portion of the groove wall and the wall of the recess of 90 degrees.
  • the space between the busbar 28 and the groove 26 is in each case cast with cast iron 38. In this case, the cast iron 38 forms an enclosure 39 for the busbar 28 and is connected to the busbar 28 in a material-locking 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.
  • the cross section of the cathode assembly 12 is shown at a longitudinal end of the cathode block 20.
  • the depth of the groove 26 of the cathode block 20 varies over the length of the groove 26.
  • the groove cross-section in the region of - relative to the longitudinal direction of the cathode block - the middle of the groove 26 is in the Fig. 1 indicated by a dashed line 42.
  • the difference between the groove depth at the longitudinal ends of the groove 26 and in the - with respect to the longitudinal direction of the cathode block - the middle of the groove 26 in the present embodiment is about 5 cm.
  • the depth of the groove 26 at the two longitudinal ends of the groove 26 is about 16 cm, whereas the depth 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 of 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 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.
  • the Fig. 2 shows the in the Fig. 1 shown cathode block 20 in longitudinal section.
  • the groove 26 viewed in its longitudinal section extends toward 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 recess 36 extends as in the Fig. 2 indicated by the corresponding marked line parallel to the horizontal direction, ie parallel to the surface of the groove 26 opposite side of the cathode block 20.
  • busbar 28 is bar-shaped in the present embodiment and has a rectangular longitudinal section, so that between the busbar and the groove bottom 34 to the middle of the groove 26 toward increasing interspace consists of either by cast iron 38 or through additional metal plates connected to the busbar 28 may be filled.
  • cathode assembly and cathode block according to a second embodiment of the present invention differs from that in the Fig. 1 and 2 shown thereby, that in the cathode block 20, only one groove 26 is provided, which has two recesses 36,36 '.
  • Fig. 5a to d exemplary depressions 36 which are provided in a groove 26 of a cathode block 20 according to the invention, in cross section.
  • the recesses 36 each have a substantially semicircular cross-section ( Fig. 5a ), a substantially trapezoidal cross section ( Fig. 5b ) or a substantially triangular cross section ( Fig. 5c ) on.
  • 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 in Fig. 5a about 90 degrees, in the Fig. 5b about 120 degrees and in the Fig. 5c about 125 degrees.
  • the Fig. 5a about 90 degrees
  • Fig. 5b about 120 degrees
  • Fig. 5c about 125 degrees.
  • FIG. 5d shows an embodiment in which several as in the Fig. 5c shown depressions 36 are arranged with triangular cross-section in the depth direction of the groove 26 consecutively to effect a particularly reliable support of a bus bar 28 used.
  • 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.
  • depressions 36 each extend perpendicularly into the groove 26 delimiting side wall 32 of the cathode block 20 so that they form a recorded in the recesses 36 cast iron, which is effective in the depth direction of the groove 26 and an unwanted movement of the bus bar 28 parallel to prevents the depth direction of the groove 26 after pouring the bus bar 28 with cast iron 38, but a horizontal movement of the cast iron sheathed busbar - for example, due to an expansion of the cast iron sheathed busbar due to a large change in temperature - allows.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kathodenblock für eine Aluminium-Elektrolysezelle, dessen Verwendung sowie eine diesen umfassende Kathodenanordnung.
  • Elektrolysezellen werden beispielsweise zur elektrolytischen Herstellung von Aluminium eingesetzt, welche industriell üblicherweise nach dem Hall-Heroult-Verfahren durchgeführt wird. Bei dem Hall-Heroult-Verfahren wird eine aus Aluminiumoxid und Kryolith zusammengesetzte Schmelze elektrolysiert. Dabei dient der Kryolith, Na3[AlF6], dazu, den Schmelzpunkt von 2.045 °C für reines Aluminiumoxid auf ca. 950 °C für eine Kryolith, Aluminiumoxid und Zusatzstoffe, wie Aluminiumfluorid 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 üblicherweise 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, insbesondere 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 elementarem 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 Nutzungsdauer der Kathodenblöcke durch die Stellen mit dem größten Abtrag begrenzt. Um diesem Problem zu begegnen, ist in der WO 2007/118510 A2 ein Kathodenblock vorgeschlagen worden, dessen zur Aufnahme einer oder mehrerer Stromschiene(n) 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 Gusseisen 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 Kathodenblockmaterials 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 Kathodenblock, 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. DE 2 405 461 und EP 0 052 577 beschreiben einen Kathodenblock auf Basis von Kohlenstoff aufweisend eine Nut, in deren Seitenwänden jeweils eine Ausnehmung vorhanden ist.
  • Um ein Verschieben einer Stromschiene in der Nut eines Kathodenblocks zu verhindern oder zumindest zu erschweren, ist es in der WO 2012/107412 A2 vorgeschlagen worden, in der die mit einer Graphitfolie ausgekleideten Nut eines Kathodenblocks begrenzenden Wand wenigstens eine Vertiefung vorzusehen und nach dem Einsetzen der Stromschiene(n) in die Nut den sich bildenden Zwischenraum zwischen der Nut und der bzw. den Stromschiene(n) so mit flüssigen Gusseisen auszufüllen, dass das erstarrte Gusseisen in die wenigstens eine Vertiefung eingreift. Sofern die Nut eine, über die Länge des Kathodenblocks gesehen, variierende Tiefe aufweist, soll die wenigstens eine Vertiefung parallel zu dem Nutboden - also bezogen auf die horizontale Richtung schräg - verlaufen, also einen konstanten Abstand zu der Bodenwand der Nut aufweisen, um eine Verschiebbarkeit der Stromschiene(n) parallel zu dem Nutboden zu gewährleisten. Dies ist jedoch nachteilhaft, weil aufgrund der höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten von Gusseisen und dem Material der Stromschiene(n) im Vergleich zu dem des Kathodenblocks während und nach dem Eingießen des flüssigen Gusseisens in den Zwischenraum zwischen der Nut und der bzw. den Stromschiene(n) des Kathodenblocks auftretenden Temperaturänderungen sowie den während der Inbetriebnahme und dem Ausschalten, und gegebenenfalls der Wiederinbetriebnahme, der den Kathodenblock umfassenden Elektrolysezelle auftretenden Temperaturänderungen zwischen dem Gusseisen und der bzw. den Stromschiene(n) einerseits und dem Kathodenblock andererseits Scherspannungen auftreten, welche zu einer die Funktion des Kathodenblocks beeinträchtigenden Beschädigung des Kathodenblocks in Form von beispielsweise Rissbildung in dem Kathodenblock oder gar einem Zerbrechen des Kathodenblocks führen kann. Eine solche Schädigung führt zu einer verringerten elektrischen Leitfähigkeit zwischen der Stromschiene bzw. dem Gusseisen und dem Kathodenblock und zu einer geringeren Stabilität der Anordnung oder führt sogar zum Versagen der gesamten Anordnung. Anstelle des Gusseisens kann hier auch Stampfmasse - wie oben beschrieben - verwendet werden.
  • 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, welcher zudem mit eingesetzter und mit Gusseisen ummantelter Stromschiene(n) auch bei großen Temperaturänderungen einen niedrigen und insbesondere auch über längere Betriebszeiten dauerhaft niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand und niedrigen Übergangswiderstand zwischen der mit Gusseisen ummantelten Stromschiene und dem Kathodenblock aufweist, und, welcher bei großen Temperaturänderungen auch mit eingesetzter und mit Gusseisen ummantelter Stromschiene(n) gegenüber mechanischen Schädigungen, wie Rissbildung, stabil ist. Anstelle des Gusseisens kann auch Stampfmasse eingesetzt werden.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen 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 zur Aufnahme wenigstens einer Stromschiene aufweist, wobei wenigstens eine der wenigstens einen Nut eine, über die Länge des Kathodenblocks gesehen, variierende Tiefe aufweist, wobei in der die wenigstens eine Nut mit variierender Tiefe begrenzenden Wand des Kathodenblocks wenigstens eine Vertiefung aufweisend einen halbkreisförmigen, dreieckigen, rechteckigen oder trapezförmigen Querschnitt vorgesehen ist, welche sich in der Längsrichtung des Kathodenblocks zumindest annähernd über die gesamte Länge der wenigstens einen Nut horizontal erstreckt.
  • Unter einer sich in der Längsrichtung des Kathodenblocks horizontal erstreckenden Vertiefung wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung verstanden, dass sich die Vertiefung parallel zu der Längsebene des Kathodenblocks erstreckt. Unter einer parallelen Erstreckung wird dabei verstanden, dass die Vertiefung an jeder ihrer Stellen einen Winkel von weniger als 5°, besonders bevorzugt von weniger als 2°, ganz besonders bevorzugt von weniger als 1°, höchst bevorzugt von weniger als 0,5°, und am höchsten bevorzugt von weniger als 0,1° zu der Längsebene des Kathodenblocks aufweist. In diesem Zusammenhang wird unter Längsebene die Ebene verstanden, welche sich in der Richtung der Längsachse des Kathodenblocks erstreckt und parallel zu der Oberfläche der der Nut gegenüberliegenden Seite des Kathodenblocks verläuft.
  • Zudem wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter einer Vertiefung in Abgrenzung zu einer bloßen Oberflächenrauigkeit eine Aussparung verstanden, welche bezogen auf die Oberfläche der die Nut begrenzenden Wand eine Tiefe von mindestens 0,5 mm und bevorzugt von mindestens 2 mm aufweist.
  • Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass durch das Vorsehen wenigstens einer sich in der Längsrichtung des Kathodenblocks horizontal erstreckenden Vertiefung in der die Nut des Kathodenblocks begrenzenden Wand, und zwar bevorzugt in beiden der Seitenwände, insbesondere auch bei Ausgestalten der Nut mit variierender Tiefe in dem Kathodenblock ein Kathodenblock geschaffen wird, welcher auch mit in die Nut eingesetzter und mit Gusseisen ummantelter Stromschiene einen niedrigen elektrischen Widerstand und niedrigen Übergangswiderstand aufweist. Abgesehen davon wird aufgrund des Vorsehens der sich in der Längsrichtung des Kathodenblocks horizontal erstreckenden Vertiefung in der die Nut des Kathodenblocks begrenzenden Wand auch bei großen Temperaturänderungen eine mechanische Schädigung des Kathodenblocks mit in die Nut eingesetzter und mit Gusseisen ummantelter Stromschiene, wie beispielsweise eine Rissbildung des Kathodenblocks, zuverlässig vermieden. Zum einen wird durch die Verwendung einer Nut mit variabler Tiefe in der Längsrichtung des Kathodenblocks eine derart gleichmäßige Stromdichteverteilung an der Kathodenblockoberfläche erreicht, dass bei dem Betrieb der den Kathodenblock umfassenden Elektrolysezelle ein übermäßiger Abtrag von Kathodenblockmaterial in denjenigen Bereichen wirksam vermieden wird, wo bei Verwendung eines Kathodenblocks mit in der Längsrichtung des Kathodenblocks gleicher Nuttiefe eine hohe lokale Stromdichte vorliegen würde. Durch entsprechende Anpassung der Nuttiefe kann die Stromdichteverteilung in breiten Grenzen modifiziert und vergleichmäßigt werden. Indem der Kathodenblock in seiner Nut eine sich in der Längsrichtung des Kathodenblocks horizontal erstreckende Vertiefung aufweist, wird eine vertikale Fixierung der mit Gusseisen ummantelten Stromschiene in der Nut des Kathodenblocks erreicht, welche aber eine gewisse Bewegung in horizontaler Richtung des Kathodenblocks zulässt. Aufgrund dieser horizontalen Beweglichkeit der mit Gusseisen ummantelten Stromschiene wird insbesondere auch bei den während und nach der Inbetriebnahme bzw. während dem Abschalten einer den Kathodenblock umfassenden Elektrolysezelle auftretenden raschen Temperaturänderungen das Auftreten von Scherspannungen zwischen der mit Gusseisen ummantelten Stromschiene und dem Kathodenblock zuverlässig vermieden, wie diese bei einer schräg angeordneten Vertiefung infolge der - aufgrund der höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten von Gusseisen und dem Material der Stromschienen im Vergleich zu dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials des Kathodenblocks auftretenden - höheren Ausdehnung bzw. Schrumpfung des Gusseisens und der Stromschiene relativ zu dem Kathodenblock auftreten würden. Dadurch wird eine Schädigung des Kathodenblocks beispielsweise in Form von Rissbildung oder gar ein Zerbrechen des Kathodenblocks auch während langer Betriebsdauer der Elektrolysezelle zuverlässig verhindert, bei gleichzeitiger Gewährleistung einer hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit zwischen der Stromschiene bzw. dem Gusseisen und dem Kathodenblock. Aufgrund der vertikalen Fixierung der mit Gusseisen ummantelten Stromschiene in der Nut der Kathodenblockes kommt es zu einer vorteilhaften Anpressung der Kathodenbarren / Gusseisenanordnung gegen den Nutboden durch die thermische Ausdehnung der Barren/Gusseisenanordnung relativ zum Kathodenblock während der Inbetriebnahme. Damit wird ein verbesserter elektrischer Kontakt erreicht, der zu einem geringeren elektrischen Widerstand und damit zu einer höheren Energieeffizienz führt. Im weiteren Vorteil zu dem aus der WO 2012/107412 A2 bekannten Kathodenblock werden diese hervorragenden Eigenschaften insbesondere auch dann erreicht, wenn die Nut des Kathodenblocks nicht mit einer teuren und aufwendig einzubringenden Graphitfolie ausgekleidet ist. Insgesamt wird somit auch bei großen Temperaturänderungen eine Kontrolle von - infolge der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Gusseisen, Stromschiene und Kathodenblock auftretenden - Zugspannungen, Scherspannungen und Druckspannungen erreicht, welche eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit und eine exzellente mechanische Stabilität des Kathodenblocks auch mit in die Nut eingesetzter und mit Gusseisen ummantelter Stromschiene gewährleistet.
  • 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 längsseitigen 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. Ein weiterer besonderer Vorteil dieser Ausführungsform ist es, dass sich bei dieser Ausgestaltung der Nut die in der Vertiefung der Nut vorgesehene ggf. mit Gusseisen umhüllte Stromschiene(n) während und nach der bei der Inbetriebnahme der Elektrolysezelle auftretenden Erhöhung der Temperatur in der horizontalen Richtung ausdehnt bzw. ausdehnen, infolge dessen die Stromschiene(n) jeweils an die die Nut an dieser Stelle begrenzende Bodenwand des Kathodenblocks angepresst werden, wodurch der Übergangswiderstand zwischen der mit Gusseisen ummantelten Stromschiene und dem Kathodenblock verringert wird.
  • Bei der vorstehenden Ausführungsform nimmt die Tiefe wenigstens einer der wenigstens einen Nut mit variierender Tiefe, in der Längsrichtung des Kathodenblocks gesehen, vorzugsweise von einem längsseiteigen Ende bis zu der Mitte des Kathodenblocks zumindest im Wesentlichen monoton zu und nimmt diese von der Mitte zu dem anderen längsseitigen Ende des Kathodenblocks zumindest im Wesentlichen monoton ab, so dass sich, im Längsschnitt des Kathodenblocks gesehen, eine zumindest im Wesentlichen dreiecksförmige Nut ergibt. Dadurch werden die vorstehend genannten Vorteile in verstärktem Ausmaß erreicht.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die die wenigstens eine Nut mit variierender Tiefe begrenzende Wand eine Bodenwand und zwei Seitenwände, wobei jede der beiden Seitenwände jeweils wenigstens eine Vertiefung aufweist, welche sich in der Längsrichtung des Kathodenblocks horizontal erstreckt. Auf diese Weise wird eine besonders gute vertikale Fixierung der Stromschiene in der Nut erreicht, bei gleichzeitig ausreichend hoher Beweglichkeit der Stromschiene in horizontaler Richtung, um auch bei großen Temperaturänderungen das Auftreten von Scherspannungen infolge der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Gusseisen, Stromschiene und Kathodenblock zuverlässig zu vermeiden.
  • Vorzugsweise umfasst die die wenigstens eine Nut mit variierender Tiefe begrenzende Wand eine Bodenwand und zwei Seitenwände, wobei jede Seitenwand jeweils genau eine Vertiefung aufweist, welche sich in der Längsrichtung des Kathodenblocks horizontal erstreckt. Auf diese Weise wird bei vergleichsweise geringem Herstellungsaufwand eine besonders gute vertikale Fixierung der Stromschiene in der Nut erreicht, bei gleichzeitig ausreichend hoher Beweglichkeit in horizontaler Richtung, um bei großen Temperaturänderungen das Auftreten von Scherspannungen infolge der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Gusseisen, Stromschiene und Kathodenblock zuverlässig zu vermeiden.
  • Gleichermaßen ist es bevorzugt, dass die die wenigstens eine Nut mit variierender Tiefe begrenzende Wand eine Bodenwand und zwei Seitenwände umfasst, wobei jede Seitenwand jeweils zwei Vertiefungen aufweist, welche sich in der Längsrichtung des Kathodenblocks jeweils horizontal erstrecken. Auf diese Weise wird eine besonders gute vertikale Fixierung der Stromschiene in der Nut bei gleichzeitig ausreichend hoher Beweglichkeit in horizontaler Richtung auch erreicht, wenn die Tiefe der einzelnen Vertiefungen vergleichsweise gering ist.
  • Dabei kann der Kathodenblock zwei auf derselben Seite des Kathodenblocks angeordnete Nuten aufweisen, wobei beide Nuten dieselben Ausmaße aufweisen und deren begrenzende Wände jeweils eine Bodenwand und zwei Seitenwände umfassen, wobei jede Seitenwand jeweils eine Vertiefung aufweist, welche sich in der Längsrichtung des Kathodenblocks horizontal erstreckt, oder wobei jede Seitenwand jeweils zwei Vertiefungen aufweist, welche sich in der Längsrichtung des Kathodenblocks horizontal erstrecken. So wird für einen zwei Nuten aufweisenden Kathodenblock bei vergleichsweise geringem Herstellungsaufwand eine besonders gute vertikale Fixierung beider Stromschienen in den Nuten erreicht, bei gleichzeitig ausreichend hoher Beweglichkeit in horizontaler Richtung, um bei großen Temperaturänderungen das Auftreten von Scherspannungen infolge der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Gusseisen, Stromschiene und Kathodenblock zuverlässig zu vermeiden.
  • Alternativ zu der vorstehenden Ausführungsform kann der Kathodenblock auch nur eine Nut umfassen.
  • Um eine besonders gute Fixierung der ggf. mit Gusseisen ummantelten Stromschiene in der Nut in vertikaler Richtung bei gleichzeitig ausreichender Beweglichkeit in horizontaler Richtung zu gewährleisten, kann es sein, dass sich wenigstens eine der wenigstens einen Vertiefung und besonders bevorzugt jede der wenigstens einen Vertiefung durchgehend über wenigstens 60 %, bevorzugt über wenigstens 80 %, besonders bevorzugt über wenigstens 90 %, ganz besonders bevorzugt über wenigstens 95 % der Länge der wenigstens einen Nut erstreckt, was nicht Teil der Erfindung ist. Erfindungsgemäß erstreckt sich die wenigstens eine Vertiefung zumindest annähernd über die gesamte Länge der wenigstens einen Nut.
  • Aus dem gleichen Grund ist es bevorzugt, dass wenigstens eine der wenigstens einen Vertiefung und besonders bevorzugt jede der wenigstens einen Vertiefung eine Tiefe von 0,5 mm bis 40 mm, bevorzugt von 2 mm bis 30 mm und besonders bevorzugt von 5 mm bis 20 mm aufweist.
  • Aus dem gleichen Grund ist es zudem bevorzugt, dass wenigstens eine der wenigstens einen Vertiefung und besonders bevorzugt jede der wenigstens einen Vertiefung 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.
  • Grundsätzlich kann die wenigstens eine Vertiefung jeden polygonalen oder gebogenen Querschnitt aufweisen. Gute Ergebnisse im Hinblick auf einen guten Eingriff der Gusseisenumhüllung in die wenigstens eine Vertiefung und gleichzeitig im Hinblick auf eine zuverlässige und unproblematische Füllbarkeit der Vertiefung mit Gusseisen beim Vergießen werden insbesondere erreicht, wenn wenigstens eine der wenigstens einen Vertiefung und besonders bevorzugt jede der wenigstens einen Vertiefung einen zumindest im Wesentlichen halbkreisförmigen, dreieckigen, rechteckigen oder trapezförmigen, bevorzugt halbkreisförmigen, dreieckigen, rechteckigen oder trapezförmigen, Querschnitt aufweist.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erstreckt sich die wenigstens eine Vertiefung zumindest im Wesentlichen senkrecht, bevorzugt senkrecht, in die die wenigstens eine Nut begrenzende Wand des Kathodenblocks hinein.
  • 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.
  • Zudem betrifft die vorliegende Erfindung eine Kathodenanordnung, welche wenigstens einen zuvor beschriebenen Kathodenblock enthält, wobei in wenigstens einer der wenigstens einen Nut mit variierender Tiefe des wenigstens einen Kathodenblocks wenigstens eine Stromschiene vorgesehen ist, welche zumindest bereichsweise eine Umhüllung aus Gusseisen aufweist, welche zumindest abschnittsweise in die wenigstens eine Vertiefung eingreift.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der in die wenigstens eine Vertiefung eingreifenden 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 Vertiefung und somit eine besonders wirksame mechanische Befestigung der Gusseisenumhüllung und der damit verbundenen Stromschiene an dem Kathodenblock erreicht werden, welche dennoch eine zur Vermeidung von Scherspannungen zwischen Gusseisen, Stromschiene und Kathodenblock infolge von großen Temperaturänderungen hinreichende Beweglichkeit der Stromschiene in horizontaler Richtung zulässt.
  • Vorzugsweise greift die Umhüllung aus Gusseisen über wenigstens 50 %, weiter bevorzugt über wenigstens 80 %, besonders bevorzugt über wenigstens 90%, ganz besonders bevorzugt über wenigstens 95 % und höchst bevorzugt über zumindest im Wesentlichen deren gesamte Länge in die wenigstens eine Vertiefung ein. Dadurch werden die vorstehend beschriebenen Vorteile in besonders hohem Ausmaß erreicht.
  • Aus dem gleichen Grund ist es gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen, 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 vertikalen Richtung des Kathodenblocks und insbesondere ein Herausfallen der Stromschiene aus der Nut besonders zuverlässig vermieden werden.
  • In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird vorgeschlagen, dass der Kathodenblock der Kathodenanordnung eine Nut mit einem zumindest im Wesentlichen rechteckigen, bevorzugt einem rechteckigen, Querschnitt aufweist und in die Nut eine oder zwei aneinander angrenzende Stromschiene(n) eingesetzt sind, wobei der Zwischenraum zwischen der Nut und der Stromschiene(n) so mit Gusseisen ausgefüllt ist, dass das Gusseisen über zumindest im Wesentlichen dessen gesamte Länge in die wenigstens eine Vertiefung eingreift.
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Kathode, welche wenigstens einen zuvor beschriebenen Kathodenblock oder zumindest eine zuvor beschriebene Kathodenanordnung umfasst.
  • Ferner betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung eines zuvor beschriebenen Kathodenblocks, einer zuvor beschriebenen Kathodenanordnung oder einer zuvor beschriebenen Kathode zur Durchführung einer Schmelzflusselektrolyse zur Herstellung von Metall, und zwar bevorzugt zur Herstellung von Aluminium.
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Kathodenanordnung, welche wenigstens einen zuvor beschriebenen Kathodenblock umfasst.
  • Ferner betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung eines zuvor beschriebenen Kathodenblocks, einer zuvor beschriebenen Kathodenanordnung zur Durchführung einer Schmelzflusselektrolyse zur Herstellung von Metall, und zwar bevorzugt zur Herstellung von Aluminium.
  • 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 ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
    Fig. 2
    einen Längsschnitt der Kathodenanordnung der in der Fig. 1 gezeigten Aluminium-Elektrolysezelle,
    Fig. 3
    einen Längsschnitt eines Ausschnitts einer Aluminium-Elektrolysezelle mit einer Kathodenanordnung gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
    Fig. 4
    einen Querschnitt der Kathodenanordnung der in der Fig. 3 gezeigten Aluminium-Elektrolysezelle,
    Fig. 5a-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 Kryolith-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.
  • 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 Nut 26 ist dabei jeweils mit Gusseisen 38 ausgegossen. Dabei bildet das Gusseisen 38 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.
  • In der Fig. 1 ist konkret der Querschnitt der Kathodenanordnung 12 an einem längsseitigen Ende des Kathodenblocks 20 gezeigt. Die Tiefe der Nut 26 des Kathodenblocks 20 variiert dabei über die Länge der Nut 26. Der Nutquerschnitt im Bereich der - bezogen auf die Längsrichtung des Kathodenblocks - 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 - bezogen auf die Längsrichtung des Kathodenblocks - Mitte der Nut 26 beträgt im 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 Längsrichtung 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 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 Vertiefung 36 verläuft dabei wie in der Fig. 2 durch die entsprechend gekennzeichnete Linie angedeutet parallel zu der horizontalen Richtung, d.h. parallel zu der Oberfläche der der Nut 26 gegenüberliegenden Seite des Kathodenblocks 20. Die in der Fig. 2 der besseren Übersichtlichkeit halber nicht dargestellte Stromschiene 28 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel barrenförmig 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.
  • Die in den Fig. 3 und 4 im Längsschnitt und Querschnitt gezeigte Kathodenanordnung und Kathodenblock gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von der in den Fig. 1 und 2 gezeigten dadurch, dass in dem Kathodenblock 20 nur eine Nut 26 vorgesehen ist, welche zwei Vertiefungen 36,36' aufweist.
  • Ferner zeigen die Fig. 5a bis d beispielhafte Vertiefungen 36, die in einer Nut 26 eines erfindungsgemäßen Kathodenblocks 20 vorgesehen sind, im Querschnitt. Dabei weisen die Vertiefungen 36 jeweils einen im Wesentlichen halbkreisförmigen Querschnitt (Fig. 5a), einen im Wesentlichen trapezförmigen Querschnitt (Fig. 5b) oder einen im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt (Fig. 5c) 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. 5a etwa 90 Grad, in der Fig. 5b etwa 120 Grad und in der Fig. 5c etwa 125 Grad. Die Fig. 5d zeigt eine Ausgestaltung, bei der mehrere wie in der Fig. 5c 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. 5a 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, aber eine horizontale Bewegung der mit Gusseisen ummantelten Stromschiene - beispielsweise infolge einer Ausdehnung der mit Gusseisen ummantelten Stromschiene infolge eine großen Temperaturänderung - zulässt.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Aluminium-Elektrolysezelle
    12
    Kathodenanordnung
    14
    Aluminiumschmelze
    16
    Kryolith-Aluminiumoxid -Schmelze
    18
    Anode
    20
    Kathodenblock
    22
    Stampfmassenfuge
    24
    Stampfmasse
    26
    Nut
    28
    Stromschiene
    32
    Seitenwand
    34
    Bodenwand
    36, 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 (7)

  1. 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) zur Aufnahme wenigstens einer Stromschiene (28) aufweist, wobei wenigstens eine der wenigstens einen Nut (26) eine, über die Länge des Kathodenblocks (20) gesehen, variierende Tiefe aufweist, wobei die wenigstens eine Nut (26) mit variierender Tiefe eine begrenzende Wand (32, 34) des Kathodenblocks (20) umfasst, wobei in wenigstens eine Seitenwand (32) wenigstens eine Vertiefung (36, 36') aufweisend einen halbkreisförmigen, dreieckigen, rechteckigen oder trapezförmigen Querschnitt vorgesehen ist, weiche sich in der Längsrichtung des Kathodenblocks (20) horizontal erstreckt, wobei horizontal bedeutet, dass die wenigstens eine Vertiefung (36, 36') an jeder ihrer Stellen einen Winkel von weniger als 8-5° zu der Ebene des Kathodenblocks (20) aufweist, welche sich in Richtung der Längsachse des Kathodenblocks (20) zumindest annähernd über die gesamte Länge der wenigstens einen Nut erstreckt und parallel zu der Oberfläche der der Nut gegenüberliegenden Seite des Kathodenblocks (20) verläuft.
  2. Kathodenblock (20) nach Anspruch 1,
    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.
  3. Kathodenblock (20) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die die wenigstens eine Nut (26) mit variierender Tiefe begrenzende Wand (32, 34) eine Bodenwand (34) und zwei Seitenwände (32) umfasst, wobei jede Seitenwand (32) jeweils wenigstens eine Vertiefung (36, 36') aufweist, welche sich in der Längsrichtung des Kathodenblocks (20) horizontal erstreckt.
  4. Kathodenblock (20) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
    wenigstens eine der wenigstens einen Vertiefung (36, 36') eine Tiefe von 0,5 mm bis 40 mm aufweist.
  5. Kathodenblock (20) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
    wenigstens eine der wenigstens einen Vertiefung (36, 36') eine auf die Höhe des Kathodenblocks (20) bezogene Öffnungsbreite von 2 mm bis 40 mm aufweist.
  6. Kathodenanordnung (12), welche wenigstens einen Kathodenblock (20) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5 enthält, wobei in wenigstens einer der wenigstens einen Nut (26) mit variierender Tiefe des wenigstens einen Kathodenblocks (20) wenigstens eine Stromschiene (28) vorgesehen ist, welche zumindest bereichsweise eine Umhüllung (39) aus Gusseisen (38) oder Stampfmasse aufweist, welche zumindest abschnittsweise in die wenigstens eine Vertiefung (36, 36') eingreift.
  7. Verwendung eines Kathodenblocks (20) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5 oder einer Kathodenanordnung (12) nach Anspruch 6 zur Durchführung einer Schmelzflusselektrolyse zur Herstellung von Metall, bevorzugt zur Herstellung von Aluminium.
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