RU2771724C2

RU2771724C2 - Cathode block with variable depth groove and attachment system

Info

Publication number: RU2771724C2
Application number: RU2020114123A
Authority: RU
Inventors: Франк ХИЛЬТМАНН; Маркус ПФЕФФЕР
Original assignee: Токай КОБЕКС ГмбХ
Priority date: 2013-04-26
Filing date: 2014-04-25
Publication date: 2022-05-11

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: cathode block for aluminum electrolyzer based on carbon and/or graphite has at least one groove for receiving at least one bus, while the mentioned groove passes in a longitudinal direction of the cathode block, while at least one of at least one groove has a depth that varies, when viewed along the length of the cathode block. At least one recess that passes horizontally in the longitudinal direction of the cathode block is provided in a wall of the cathode block, adjacent to at least one groove. The cathode block for aluminum electrolyzer based on carbon and/or graphite has at least one groove for receiving at least one bus, while the mentioned groove passes in the longitudinal direction of the cathode block, while at least one of at least one groove has a depth that varies, when viewed along the length of the cathode block, while this groove is limited with a wall, while at least one protrusion that protrudes to the groove is provided on the mentioned wall.

EFFECT: in cathode block, in particular for use in aluminum electrolyzer, homogenous vertical current distribution is achieved along the length of the cathode block, when operating electrolyzer.

9 cl, 7 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к катодному блоку для алюминиевого электролизера, к его использованию, а также к содержащему его катоду.The present invention relates to a cathode block for an aluminum cell, to its use, and to a cathode containing it.

Электролизеры, например, применяются в электролитическом производстве алюминия, которое в промышленных масштабах обычно осуществляется в соответствии с процессом Холла-Эру. В рамках процесса Холла-Эру проводится электролиз расплавленной смеси оксида алюминия и криолита. В данном случае криолит, Na₃[AIF₆], применяется для снижения температуры плавления 2045°C для чистого оксида алюминия до приблизительно 950°C для смеси, содержащей криолит, оксид алюминия и дополнительные вещества, такие как фторид алюминия и фторид кальция.Electrolyzers, for example, are used in the electrolytic production of aluminum, which is usually carried out on an industrial scale according to the Hall-Héroult process. The Hall-Héroult process involves the electrolysis of a molten mixture of alumina and cryolite. In this case, a cryolite, Na ₃ [AIF ₆ ], is used to lower the melting point of 2045° C. for pure alumina to approximately 950° C. for a mixture containing cryolite, alumina and additional substances such as aluminum fluoride and calcium fluoride.

Электролизер, применяемый в данном процессе, содержит катодное дно, которое образовано из множества, например, до 28, смежных катодных блоков, формирующих катод. В данном случае промежуточные пространства между катодными блоками обычно заполняются углеродистой набивной подовой массой для изоляции катода от расплавленных составляющих электролизера и компенсации механических напряжений, которые возникают при вводе электролизера в эксплуатацию. Катодные блоки обычно изготавливают из углеродистого материала, такого как графит, чтобы они могли выдерживать термические и химические условия, преобладающие при эксплуатации электролизера. Нижние части катодных блоков обычно обеспечены пазами, в каждом из которых размещена одна или две шины, по которым подается ток, поступающий посредством анодов. В данном случае промежуточные пространства между шинами и отдельными стенками катодного блока, ограничивающими пазы, часто заполняют чугуном, так что созданная таким образом чугунная оболочка шин электрически и механически соединяет шины с катодными блоками. Приблизительно на 3-5 см над слоем жидкого алюминия на верхней части катода, который обычно имеет толщину 15-50 см, находится анод, в частности, образованный из отдельных анодных блоков. Электролит или, иными словами, расплавленная масса, содержащая оксид алюминия и криолит, находится между этим анодом и поверхностью алюминия. В процессе электролиза, который проводится при приблизительно 1000°C, сформированный таким образом алюминий, будучи более плотным, чем электролит, оседает ниже слоя электролита, то есть, иными словами, как промежуточный слой между верхней частью катода и слоем электролита. В процессе электролиза оксид алюминия, растворенный в расплавленной массе, распадается на алюминий и кислород под действием электрического тока. С точки зрения электрохимии, слой жидкого алюминия фактически представляет собой катод, поскольку ионы алюминия восстанавливаются до элементарного алюминия на его поверхности. Тем не менее, ниже термин «катод» будет относиться не к катоду с точки зрения электрохимии или, иными словами, слою жидкого алюминия, а к компоненту, образованному, например, из одного или более катодных блоков и формирующему дно электролизера.The cell used in this process contains a cathode bottom, which is formed from a plurality, for example, up to 28, adjacent cathode blocks forming the cathode. In this case, the interspaces between the cathode blocks are usually filled with a carbonaceous rammed hearth mass to isolate the cathode from the molten constituents of the cell and compensate for mechanical stresses that occur when the cell is put into operation. The cathode blocks are usually made from a carbonaceous material such as graphite so that they can withstand the thermal and chemical conditions prevailing during cell operation. The lower parts of the cathode blocks are usually provided with slots, each of which contains one or two bars, through which the current supplied by the anodes is supplied. In this case, the interspaces between the bars and the individual walls of the cathode block delimiting the slots are often filled with cast iron, so that the cast-iron sheath of the bars thus created electrically and mechanically connects the bars to the cathode blocks. Approximately 3-5 cm above the layer of liquid aluminum on top of the cathode, which is usually 15-50 cm thick, is an anode, in particular formed from individual anode blocks. An electrolyte or, in other words, a molten mass containing aluminum oxide and cryolite, is located between this anode and the aluminum surface. During the electrolysis process, which is carried out at about 1000° C., the aluminum thus formed, being denser than the electrolyte, settles below the electrolyte layer, that is, in other words, as an intermediate layer between the top of the cathode and the electrolyte layer. During electrolysis, aluminum oxide dissolved in the molten mass decomposes into aluminum and oxygen under the influence of an electric current. From an electrochemical point of view, the layer of liquid aluminum is actually the cathode, as the aluminum ions are reduced to elemental aluminum on its surface. However, below the term "cathode" will not refer to the cathode in terms of electrochemistry, or, in other words, a layer of liquid aluminum, but to a component formed, for example, from one or more cathode blocks and forming the bottom of the cell.

Одним из основных недостатков конструкций катода, применяемых в рамках процесса Холла-Эру, является их сравнительно низкая износоустойчивость, которая проявляется в виде съема материала с поверхностей катодных блоков во время электролиза. В данном случае, ввиду неоднородного распределения тока в пределах катодных блоков, не происходит равномерного съема материала с поверхностей катодных блоков по длине катодных блоков, но в большей степени это происходит на концах катодных блоков, в результате чего после прохождения электролиза в течение определенного времени поверхности катодных блоков приобретают W-образный профиль. Ввиду неравномерного съема материала с поверхностей катодных блоков срок эксплуатации катодных блоков ограничен зонами с наибольшим съемом материала. Для разрешения данной проблемы в WO 2007/118510 A2 предложен катодный блок, в котором паз, предназначенный для размещения одной или более шин, имеет по отношению к длине катодного блока большую глубину в центре, чем на концах катодного блока. В ходе работы электролизера это приводит к по существу однородному вертикальному распределению тока по длине катодного блока, посредством чего более высокий уровень износа на концах катодного блока снижается, и, таким образом, срок службы катодного блока увеличивается. В данном случае шина(-ы) заключена(-ы) в чугунную оболочку обычным образом, при котором данная оболочка создается путем выливания жидкого чугуна в промежуточное пространство между пазом и шиной(-ами). Однако катодный блок данного типа обременен множеством недостатков. При выливании жидкого чугуна в промежуточное пространство между пазом и шиной(-ами) и впоследствии, при вводе в эксплуатацию электролизера, содержащего катодный блок, и впоследствии, при отключении электролизера и его дальнейшем повторном включении и впоследствии катодный блок подвергается сравнительно большим изменениям температуры, которые приводят к расширению или сжатию чугуна и шины (шин) относительно катодного блока. Этот эффект расширения или сжатия может усиливаться за счет возникающих температурных градиентов. При применении выражения «большое(-ие) изменение(-я) температуры» ниже его следует понимать как указание на наличие одного или обоих из упомянутых эффектов - иными словами, расширение/сжатие или температурный градиент. Поскольку чугун и материал шины (шин) имеют более высокий коэффициент термического расширения, чем материал катодного блока, то при повышении температуры чугун и шина(-ы) расширяются относительно катодного блока, тогда как, с другой стороны, при снижении температуры происходит их сжатие относительно катодного блока. Это вызывает ухудшение электрического контакта между шиной, чугуном и катодным блоком, особенно в случае обычных пазов с их прямоугольным поперечным сечением, а это, в свою очередь, приводит к повышению электрического сопротивления конструкции и, таким образом, низкой энергетической эффективности электролитического процесса. Кроме того, до выливания жидкого чугуна в промежуточное пространство между пазом и шиной(-ами) шина(-ы) выполнена(-ы) с возможностью перемещения не только вертикально, но также и горизонтально, так что они могут неконтролируемо перемещаться в пазу во время выливания жидкого чугуна, а затем во время его охлаждения и отверждения. Это также может привести к неравномерному электрическому контакту между шиной, чугуном и катодным блоком. Это также приводит к повышению электрического сопротивления конструкции и, таким образом, низкой энергетической эффективности электролитического процесса. Вместо чугуна можно также применять набивную подовую массу. В качестве набивной подовой массы можно применять набивные подовые массы на основе антрацита, графита или любой их смеси. Предпочтительно применяют набивную подовую массу на основе графита.One of the main disadvantages of the cathode designs used in the Hall-Héroult process is their relatively low wear resistance, which manifests itself in the form of material removal from the surfaces of the cathode blocks during electrolysis. In this case, due to the inhomogeneous distribution of current within the cathode blocks, there is no uniform removal of material from the surfaces of the cathode blocks along the length of the cathode blocks, but to a greater extent this occurs at the ends of the cathode blocks, as a result of which, after undergoing electrolysis for a certain time, the surfaces of the cathode blocks blocks acquire a W-shaped profile. Due to the uneven removal of material from the surfaces of the cathode blocks, the service life of the cathode blocks is limited to areas with the highest material removal. To solve this problem, WO 2007/118510 A2 proposes a cathode block in which the groove for receiving one or more busbars has, relative to the length of the cathode block, a greater depth at the center than at the ends of the cathode block. During cell operation, this results in a substantially uniform vertical current distribution along the length of the cathode block, whereby the higher level of wear at the ends of the cathode block is reduced and thus the life of the cathode block is increased. In this case, the busbar(s) are encapsulated in the cast iron casing in the usual manner, in which the casing is created by pouring liquid iron into the interstitial space between the groove and the busbar(s). However, this type of cathode block is burdened with many disadvantages. When molten iron is poured into the interstitial space between the slot and the busbar(s), and subsequently, when the cell containing the cathode block is put into operation, and subsequently, when the cell is turned off and then restarted, and subsequently, the cathode block is subjected to relatively large temperature changes, which lead to expansion or contraction of the cast iron and tire(s) relative to the cathode block. This expansion or contraction effect can be enhanced by the resulting temperature gradients. When using the expression "large change(s) in temperature" below, it should be understood as indicating the presence of one or both of the mentioned effects - in other words, an expansion/contraction or a temperature gradient. Since the cast iron and the material of the tire(s) have a higher coefficient of thermal expansion than the material of the cathode block, when the temperature rises, the cast iron and the tire(s) expand relative to the cathode block, while, on the other hand, when the temperature decreases, they shrink relative to cathode block. This causes deterioration of the electrical contact between the busbar, the cast iron and the cathode block, especially in the case of conventional slots with their rectangular cross section, and this in turn leads to an increase in the electrical resistance of the structure and thus a low energy efficiency of the electrolytic process. In addition, prior to pouring the liquid iron into the interstitial space between the groove and the bar(s), the bar(s) are movable not only vertically but also horizontally, so that they can move uncontrollably in the groove during pouring liquid iron, and then during its cooling and solidification. It can also lead to uneven electrical contact between the bus bar, the cast iron and the cathode block. This also leads to an increase in the electrical resistance of the structure and thus a low energy efficiency of the electrolytic process. Instead of cast iron, rammed hearth mass can also be used. Anthracite-based, graphite-based or any mixture thereof can be used as hearth ramming mass. Preferably, a graphite-based hearth ramming mass is used.

Для предотвращения или, по меньшей мере, ограничения скольжения шины в пазу катодного блока в WO 2012/107412 A2 предложено обеспечить по меньшей мере одну выемку в стенке, ограничивающей выложенный графитовой фольгой паз катодного блока, и после установки шины (шин) в пазу заполнить промежуточное пространство между пазом и шиной(-ами) жидким чугуном таким образом, чтобы затвердевший чугун зацеплялся с по меньшей мере одной выемкой. Если паз варьируется в глубину по длине катодного блока, по меньшей мере одна выемка должна проходить параллельно дну паза, то есть наклонно по отношению к горизонтальному направлению, или, иными словами, поддерживать постоянное расстояние от нижней стенки паза так, чтобы обеспечивать возможность смещения шины (шин) параллельно дну паза. Однако это является недостатком, поскольку ввиду того, что чугун и материал шины (шин) имеют более высокий коэффициент термического расширения, чем материал катодного блока, формируются напряжения сдвига из-за изменений температуры, возникающих во время выливания жидкого чугуна в промежуточное пространство между пазом и шиной(-ами) и впоследствии, а также при вводе в эксплуатацию электролизера, содержащего катодный блок, и при выключении электролизера и его дальнейшем повторном включении в соответствующих случаях, при этом данные изменения температуры возникают между чугуном и шиной(-ами), с одной стороны, и катодным блоком, с другой стороны. Эти напряжения сдвига могут приводить к повреждению, такому как растрескивание катодного блока или даже раскалывание катодного блока, что ухудшает функционирование катодного блока. Повреждение данного типа приводит к снижению электропроводности между шиной или чугуном и катодным блоком и к ухудшению устойчивости конструкции или даже к отказу всей конструкции. Как описано выше, вместо чугуна в данном случае можно также применять набивную подовую массу.To prevent or at least limit the sliding of the tire in the cathode block slot, WO 2012/107412 A2 proposes to provide at least one recess in the wall delimiting the cathode block slot lined with graphite foil, and after installing the tire(s) in the slot, fill the intermediate the space between the groove and the busbar(s) with liquid iron so that the solidified iron engages with at least one notch. If the groove varies in depth along the length of the cathode block, at least one notch should extend parallel to the bottom of the groove, i.e. obliquely with respect to the horizontal direction, or in other words maintain a constant distance from the bottom wall of the groove so as to allow the tire to move ( tires) parallel to the bottom of the groove. However, this is disadvantageous because, since cast iron and the material of the bar(s) have a higher coefficient of thermal expansion than the material of the cathode block, shear stresses are generated due to temperature changes that occur during pouring of liquid iron into the interspace between the groove and busbar(s) and subsequently, as well as during commissioning of the cell containing the cathode block, and when the cell is switched off and then restarted, as appropriate, these temperature changes occur between the cast iron and the busbar(s), with one side, and the cathode block, on the other hand. These shear stresses can lead to damage such as cracking of the cathode block or even splitting of the cathode block, which degrades the performance of the cathode block. This type of damage leads to a decrease in electrical conductivity between the busbar or cast iron and the cathode block and to a deterioration in the stability of the structure or even to failure of the entire structure. As described above, instead of cast iron, hearth ramming mass can also be used in this case.

При упоминании чугуна далее в настоящем документе следует понимать, что набивную подовую массу можно замещать чугуном без особых оговорок в каждом случае.When referring to cast iron later in this document, it should be understood that the hearth ramming mass can be replaced by cast iron without special reservation in each case.

Поэтому цель изобретения заключается в обеспечении катодного блока, подходящего, в частности, для применения в алюминиевом электролизере, с помощью которого достигается по существу однородное вертикальное распределение тока по длине катодного блока при эксплуатации электролизера, который также при установленной(-ых) и заключенной(-ых) в чугунную оболочку шине(-ах), даже при больших изменениях температуры, имеет низкое удельное электрическое сопротивление и, в частности, в течение долгих часов эксплуатации постоянно низкое удельное электрическое сопротивление и низкое переходное сопротивление между шиной, заключенной в чугунную оболочку, и катодным блоком, и который в случае больших изменений температуры является устойчивым по отношению к механическим повреждениям, таким как растрескивание, даже при установленной(-ых) и заключенной(-ых) в чугунную оболочку шине(-ах). Вместо чугуна можно также применять набивную подовую массу.Therefore, the aim of the invention is to provide a cathode block, suitable in particular for use in an aluminum cell, with which a substantially uniform vertical current distribution along the length of the cathode block is achieved during operation of the cell, which, also when installed (s) and closed (- s) into the cast-iron sheath of the busbar(s), even under large temperature changes, has a low electrical resistivity and, in particular, during long hours of operation, a constantly low electrical resistivity and a low contact resistance between the busbar enclosed in the cast-iron sheath, and cathode block, and which, in the event of large temperature changes, is resistant to mechanical damage such as cracking, even with the tire(s) installed and encased in cast iron. Instead of cast iron, rammed hearth mass can also be used.

В соответствии с изобретением данная проблема решается за счет катодного блока для алюминиевого электролизера на основе углерода и/или графита, при этом катодный блок имеет по меньшей мере один паз, проходящий в продольном направлении катодного блока, для размещения по меньшей мере одной шины, при этом по меньшей мере один из по меньшей мере одного паза имеет переменную глубину, если смотреть по длине катодного блока, при этом по меньшей мере одна выемка обеспечена в стенке катодного блока, ограничивающей по меньшей мере один паз переменной глубины, при этом упомянутая выемка проходит горизонтально в продольном направлении катодного блока.According to the invention, this problem is solved by providing a cathode block for an aluminum cell based on carbon and/or graphite, wherein the cathode block has at least one slot extending in the longitudinal direction of the cathode block to receive at least one bus bar, wherein at least one of the at least one slot has a variable depth as viewed along the length of the cathode block, wherein at least one recess is provided in the wall of the cathode block defining at least one variable depth slot, said recess extending horizontally in longitudinal direction of the cathode block.

В контексте настоящего изобретения выемку, проходящую горизонтально в продольном направлении катодного блока, следует понимать как выемку, проходящую параллельно продольной плоскости катодного блока. В данном случае «проходить параллельно» означает, что выемка во всех местах своего размещения имеет угол менее чем 8°, предпочтительно менее чем 5°, очень предпочтительно менее чем 2°, особенно предпочтительно менее чем 1°, исключительно предпочтительно менее чем 0,5° и максимально предпочтительно менее чем 0,1° по отношению к продольной плоскости катодного блока. В данном контексте продольную плоскость следует понимать как плоскость, которая проходит в направлении продольной оси катодного блока и проходит параллельно поверхности стороны катодного блока, противоположной пазу.In the context of the present invention, a recess extending horizontally in the longitudinal direction of the cathode block is to be understood as a recess extending parallel to the longitudinal plane of the cathode block. In this case, "run parallel" means that the recess at all its locations has an angle of less than 8°, preferably less than 5°, very preferably less than 2°, particularly preferably less than 1°, extremely preferably less than 0.5 ° and most preferably less than 0.1° with respect to the longitudinal plane of the cathode block. In this context, the longitudinal plane should be understood as a plane that 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.

Более того, в контексте настоящего изобретения выемку, которая отличается от простых неровностей поверхности, следует понимать как выемку, которая по отношению к поверхности стенки, ограничивающей паз, имеет глубину по меньшей мере 0,5 мм и предпочтительно по меньшей мере 2 мм.Moreover, in the context of the present invention, a recess, which is different from simple surface irregularities, should be understood as a recess that, with respect to the surface of the wall defining the groove, has a depth of at least 0.5 mm and preferably at least 2 mm.

В соответствии с изобретением стало понятно, что ввиду обеспечения в стенке, ограничивающей паз катодного блока, по меньшей мере одной выемки, проходящей горизонтально в продольном направлении катодного блока, а предпочтительно в обеих боковых стенках, в частности, также при формировании паза переменной глубины в катодном блоке, создан катодный блок, который даже при установленной в пазу и заключенной в чугунную оболочку шине имеет низкое электрическое сопротивление и низкое переходное сопротивление. Кроме того, ввиду обеспечения выемки, проходящей горизонтально в продольном направлении катодного блока, в стенке, ограничивающей паз катодного блока, надежно предотвращается механическое повреждение катодного блока, такое как растрескивание катодного блока, при установленной в пазу и заключенной в чугунную оболочку шине, даже при больших изменениях температуры. С одной стороны, применение паза переменной длины в продольном направлении катодного блока дает настолько однородное распределение плотности тока на поверхности катодного блока, что при эксплуатации электролизера, содержащего катодный блок, эффективно предотвращается чрезмерный съем материала катодного блока в тех местах, где наблюдалась бы высокая локальная плотность тока при применении катодного блока с постоянной глубиной паза в продольном направлении катодного блока. Путем соответствующего регулирования глубины паза можно модифицировать распределение плотности тока и выравнивать его в широких пределах. В катодном блоке, имеющем в своем пазу выемку, проходящую горизонтально в продольном направлении катодного блока, достигается вертикальная фиксация шины, заключенной в чугунную оболочку, в пазу катодного блока, при которой тем не менее допустим определенный объем перемещения в горизонтальном направлении катодного блока. Ввиду данной горизонтальной подвижности шины, заключенной в чугунную оболочку, особенно при резких изменениях температуры, возникающих при вводе в эксплуатацию или выключении электролизера, содержащего катодный блок, и впоследствии, надежно предотвращается возникновение напряжений сдвига между шиной, заключенной в чугунную оболочку, и катодным блоком, которые возникали бы при наклонно расположенной выемке вследствие большего расширения или сжатия чугуна и шины относительно катодного блока ввиду того, что чугун или материал шины (шин) имеют более высокий коэффициент термического расширения, чем материал катодного блока. Таким образом, повреждение катодного блока, например, в форме растрескивания или даже раскалывания катодного блока, надежно предотвращается, даже если электролизер эксплуатируется в течение длительных периодов времени, и при этом одновременно гарантируется превосходная электропроводность между шиной или чугуном и катодным блоком. В результате вертикальной фиксации шины, заключенной в чугунную оболочку, в пазу катодного блока возникает преимущество в виде прижатия конструкции катодных балок/чугуна ко дну паза ввиду термического расширения конструкции балок/чугуна относительно катодного блока при вводе электролизера в эксплуатацию. Таким образом достигается улучшенный электрический контакт, который приводит к более низкому электрическому сопротивлению и, таким образом, более высокой энергетической эффективности. С точки зрения дополнительного преимущества по сравнению с катодным блоком, описанным в WO 2012/107412 A2, эти превосходные свойства, в частности, также достигаются в том случае, когда катодный блок не покрыт дорогостоящей графитовой фольгой, нанесение которой также затратно. Итак, таким образом, даже при больших изменениях температуры достигается контроль напряжений растяжения, напряжений сдвига и напряжений сжатия, таких как те, которые возникают из-за разных коэффициентов термического расширения чугуна, шины и катодного блока, что обеспечивает превосходную электропроводность и отличную механическую устойчивость катодного блока, даже если шина установлена в пазу и заключена в чугунную оболочку.In accordance with the invention, it has become clear that in view of the provision in the wall delimiting the groove of the cathode block, at least one recess extending horizontally in the longitudinal direction of the cathode block, and preferably in both side walls, in particular also when forming a groove of variable depth in the cathode block, a cathode block is created, which, even with a busbar installed in a groove and enclosed in a cast-iron shell, has a low electrical resistance and a low transient resistance. In addition, by providing a recess extending horizontally in the longitudinal direction of the cathode block in the wall defining the groove of the cathode block, mechanical damage to the cathode block, such as cracking of the cathode block, is reliably prevented when the tire is installed in the groove and encased in cast iron, even at large temperature changes. On the one hand, the use of a slot of variable length in the longitudinal direction of the cathode block gives such a uniform current density distribution on the surface of the cathode block that, during operation of the cell containing the cathode block, excessive material removal of the cathode block is effectively prevented in those places where a high local density would be observed. current when using a cathode block with a constant groove depth in the longitudinal direction of the cathode block. By suitably adjusting the depth of the groove, the current density distribution can be modified and equalized over a wide range. In the cathode block, which has a recess in its groove extending horizontally in the longitudinal direction of the cathode block, a vertical fixation of the cast-iron sheathed tire in the groove of the cathode block is achieved, at which a certain amount of movement in the horizontal direction of the cathode block is nevertheless allowed. In view of this horizontal mobility of the cast-iron sheathed busbar, especially during abrupt temperature changes occurring when commissioning or shutting down the cell containing the cathode block and subsequently, the generation of shear stresses between the cast iron sheathed busbar and the cathode block is reliably prevented, which would occur with an oblique recess due to the greater expansion or contraction of the cast iron and the tire relative to the cathode block due to the fact that the cast iron or the material of the tire (s) have a higher coefficient of thermal expansion than the material of the cathode block. Thus, damage to the cathode block, for example in the form of cracking or even splitting of the cathode block, is reliably prevented even if the cell is operated for long periods of time, while at the same time excellent electrical conductivity between the bar or cast iron and the cathode block is guaranteed. As a result of the vertical fixation of the cast iron sheathed busbar in the cathode block slot, there is an advantage in pressing the cathode beam/iron structure against the bottom of the slot due to the thermal expansion of the beam/iron structure relative to the cathode block when the cell is put into operation. In this way, an improved electrical contact is achieved, which results in a lower electrical resistance and thus a higher energy efficiency. In terms of an additional advantage over the cathode block described in WO 2012/107412 A2, these excellent properties are in particular also achieved when the cathode block is not covered with expensive graphite foil, which is also expensive to apply. So, in this way, even under large temperature changes, control of tensile stresses, shear stresses and compressive stresses, such as those arising from different thermal expansion coefficients of cast iron, busbar and cathode block, is achieved, which ensures excellent electrical conductivity and excellent mechanical stability of the cathode block, even if the tire is installed in the groove and enclosed in a cast-iron shell.

Для достижения особенно равномерного вертикального распределения плотности тока на поверхности катодного блока во время операции электролиза при разработке концепции, обладающей признаками изобретения, предлагается, чтобы по меньшей мере один из по меньшей мере одного паза или предпочтительно все из пазов переменной глубины имел или имели на своих продольных концах глубину меньше, чем в своем центре или своих центрах. Таким образом достигается равномерное распределение электрического тока, подаваемого во время операции электролиза, по всей длине катодного блока, посредством чего удается избежать чрезмерно высокой плотности электрического тока на продольных концах катодного блока и, таким образом, предотвратить преждевременный износ на концах катодного блока. Ввиду такого равномерного распределения плотности тока по длине катодного блока удается избежать перемещений в расплаве алюминия, вызванных взаимодействием электромагнитных полей во время электролиза, посредством чего становится возможно размещать анод на меньшей высоте над поверхностью расплава алюминия. Это снижает электрическое сопротивление между анодом и расплавом алюминия и повышает энергетическую эффективность проводимого электролиза расплавленных солей. Другое особое преимущество этого варианта осуществления заключается в том, что при такой конфигурации паза шина(-ы), обеспеченная(-ые) в выемке паза и, возможно, заключенная(-ые) в чугунную оболочку, расширяется(-ются) горизонтально во время и после повышения температуры, которое происходит при вводе электролизера в эксплуатацию, в результате чего каждая из шин прижимается к нижней стенке катодного блока, ограничивающей паз, в этот момент, посредством чего снижается переходное сопротивление между шиной, заключенной в чугунную оболочку, и катодным блоком.In order to achieve a particularly uniform vertical distribution of the current density on the surface of the cathode block during the electrolysis operation, the inventive concept proposes that at least one of at least one slot, or preferably all of the variable depth slots, have or have on their longitudinal ends the depth is less than at its center or its centers. In this way, a uniform distribution of the electric current supplied during the electrolysis operation over the entire length of the cathode block is achieved, whereby an excessively high electric current density at the longitudinal ends of the cathode block is avoided and thus premature wear is prevented at the ends of the cathode block. Due to such a uniform distribution of the current density along the length of the cathode block, it is possible to avoid movements in the aluminum melt caused by the interaction of electromagnetic fields during electrolysis, whereby it becomes possible to place the anode at a lower height above the surface of the aluminum melt. This reduces the electrical resistance between the anode and the aluminum melt and increases the energy efficiency of the ongoing electrolysis of molten salts. Another particular advantage of this embodiment is that with this groove configuration, the bar(s) provided in the groove recess and possibly encapsulated in the cast iron shell expand(s) horizontally during and after the temperature increase that occurs when the cell is put into operation, whereby each of the bars is pressed against the bottom wall of the cathode block defining the groove at this point, whereby the transition resistance between the cast iron-clad busbar and the cathode block is reduced.

В упомянутом выше варианте осуществления глубина по меньшей мере одного из по меньшей мере одного паза переменной глубины, если смотреть в продольном направлении катодного блока, увеличивается с по меньшей мере по существу постоянным градиентом, предпочтительно от одного продольного конца к центру катодного блока, и уменьшается с по меньшей мере по существу постоянным градиентом, предпочтительно от центра катодного блока к другому продольному концу, так что, если смотреть в продольном направлении катодного блока, создается по меньшей мере по существу треугольный паз. Таким образом, упомянутые выше преимущества достигаются в еще большей степени.In the embodiment mentioned above, the depth of at least one of the at least one variable depth slot, as seen in the longitudinal direction of the cathode block, increases with at least a substantially constant gradient, preferably from one longitudinal end towards the center of the cathode block, and decreases with at least a substantially constant gradient, preferably from the center of the cathode block to the other longitudinal end, such that, when viewed in the longitudinal direction of the cathode block, at least a substantially triangular groove is created. Thus, the advantages mentioned above are achieved to an even greater extent.

В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения стенка, ограничивающая по меньшей мере один паз переменной глубины, имеет нижнюю стенку и две боковые стенки, при этом каждая из двух боковых стенок имеет по меньшей мере одну выемку, которая проходит горизонтально в продольном направлении катодного блока. Таким образом достигается особенно хорошая вертикальная фиксация шины в пазу одновременно с достаточно большой подвижностью шины в горизонтальном направлении для надежного предотвращения, даже при больших изменениях температуры, возникновения напряжений сдвига вследствие разных коэффициентов термического расширения чугуна, шины и катодного блока.According to a further preferred embodiment of the present invention, the wall defining at least one variable depth slot has a bottom wall and two side walls, each of the two side walls having at least one recess that extends horizontally in the longitudinal direction of the cathode block. . In this way, a particularly good vertical fixation of the bar in the groove is achieved at the same time as a sufficiently large movement of the bar in the horizontal direction to reliably prevent, even with large temperature changes, the occurrence of shear stresses due to different coefficients of thermal expansion of cast iron, bar and cathode block.

Предпочтительно стенка, ограничивающая по меньшей мере один паз переменной глубины, содержит нижнюю стенку и две боковые стенки, при этом каждая боковая стенка имеет точно одну выемку, которая проходит горизонтально в продольном направлении катодного блока. Таким образом, при сравнительно низких производственных затратах достигается особенно хорошая вертикальная фиксация шины в пазу одновременно с достаточно большой подвижностью шины в горизонтальном направлении для надежного предотвращения, даже при больших изменениях температуры, возникновения напряжений сдвига вследствие разных коэффициентов термического расширения чугуна, шины и катодного блока.Preferably, the wall defining the at least one variable depth slot comprises a bottom wall and two side walls, each side wall having exactly one recess that extends horizontally in the longitudinal direction of the cathode block. Thus, at comparatively low production costs, a particularly good vertical fixation of the bar in the groove is achieved at the same time as a sufficiently large movement of the bar in the horizontal direction to reliably prevent, even with large temperature changes, the occurrence of shear stresses due to different coefficients of thermal expansion of cast iron, bar and cathode block.

Аналогичным образом предпочтительно, чтобы стенка, ограничивающая по меньшей мере один паз переменной глубины, содержала нижнюю стенку и две боковые стенки, при этом каждая боковая стенка имеет две выемки, которые проходят горизонтально в продольном направлении катодного блока. Таким образом, также достигается особенно хорошая вертикальная фиксация шины в пазу одновременно с достаточно большой подвижностью в горизонтальном направлении, если глубина отдельных выемок сравнительно невелика.Likewise, it is preferred that the wall defining the at least one variable depth slot comprises a bottom wall and two side walls, each side wall having two recesses that extend horizontally in the longitudinal direction of the cathode block. In this way, a particularly good vertical fixation of the tire in the groove is also achieved, at the same time as a sufficiently large movement in the horizontal direction, if the depth of the individual recesses is relatively small.

В данном случае катодный блок может иметь два паза, расположенных с одной и той же стороны катодного блока, при этом два паза имеют одинаковые размеры, и их ограничивающие стенки в каждом случае содержат нижнюю стенку и две боковые стенки, где каждая боковая стенка имеет одну выемку, которая проходит горизонтально в продольном направлении катодного блока, или где каждая боковая стенка имеет две выемки, которые проходят горизонтально в продольном направлении катодного блока. Таким образом, при сравнительно низких производственных затратах для катодного блока, имеющего два паза, достигается особенно хорошая вертикальная фиксация двух шин в пазах одновременно с достаточно большой подвижностью в горизонтальном направлении для надежного предотвращения, даже при значительных изменениях температуры, возникновения напряжений сдвига вследствие разных коэффициентов термического расширения чугуна, шины и катодного блока.In this case, the cathode block may have two slots located on the same side of the cathode block, the two slots having the same dimensions and their bounding walls in each case comprising a bottom wall and two side walls, where each side wall has one recess , which extends horizontally in the longitudinal direction of the cathode block, or where each side wall has two recesses that extend horizontally in the longitudinal direction of the cathode block. Thus, at a comparatively low production cost for a cathode block having two slots, a particularly good vertical fixation of the two bars in the slots is achieved simultaneously with a sufficiently large movement in the horizontal direction to reliably prevent, even with significant temperature changes, the occurrence of shear stresses due to different thermal coefficients. expansion of cast iron, tire and cathode block.

В качестве альтернативы приведенному выше варианту осуществления, катодный блок также может иметь только один паз.As an alternative to the above embodiment, the cathode block may also have only one slot.

В принципе, по меньшей мере один паз может иметь любую известную форму поперечного сечения, однако при этом особенно хорошие результаты достигаются, если по меньшей мере один из по меньшей мере одного паза, а предпочтительно если каждый из по меньшей мере одного паза имеет поперечное сечение, которое по меньшей мере по существу прямоугольное, но предпочтительно фактически прямоугольное.In principle, at least one groove can have any known cross-sectional shape, however, particularly good results are achieved if at least one of the at least one groove, and preferably if each of the at least one groove has a cross section, which is at least substantially rectangular, but preferably substantially rectangular.

Для обеспечения того, чтобы шина, в соответствующих случаях заключенная в чугунную оболочку, была особенно хорошо зафиксирована в пазу в вертикальном направлении и одновременно имела достаточную подвижность в горизонтальном направлении, при разработке концепции, обладающей признаками изобретения, предлагается, чтобы по меньшей мере одна из по меньшей мере одной выемки и, особенно предпочтительно, каждая из по меньшей мере одной выемки проходила непрерывно по меньшей мере по 60%, предпочтительно по меньшей мере по 80%, особенно предпочтительно по меньшей мере по 90%, очень предпочтительно по меньшей мере по 95% и максимально предпочтительно по меньшей мере по приблизительно всей длине по меньшей мере одного паза.In order to ensure that the tire, where appropriate encapsulated in cast iron, is particularly well fixed in the groove in the vertical direction and at the same time has sufficient mobility in the horizontal direction, it is proposed when developing the inventive concept that at least one of the of at least one recess and particularly preferably each of the at least one recess runs continuously for at least 60%, preferably at least 80%, particularly preferably at least 90%, very preferably at least 95% and most preferably at least approximately the entire length of at least one slot.

По этой же причине предпочтительно, чтобы по меньшей мере одна из по меньшей мере одной выемки и особенно предпочтительно каждая из по меньшей мере одной выемки имела глубину от 0,5 мм до 40 мм, предпочтительно в диапазоне от 2 мм до 30 мм и особенно предпочтительно в диапазоне от 5 мм до 20 мм.For the same reason, it is preferred that at least one of the at least one recess, and particularly preferably each of the at least one recess, has a depth of 0.5 mm to 40 mm, preferably in the range of 2 mm to 30 mm, and particularly preferably in the range from 5 mm to 20 mm.

По этой же причине также предпочтительно, чтобы по меньшей мере одна из по меньшей мере одной выемки и особенно предпочтительно каждая из по меньшей мере одной выемки имела ширину отверстия от 2 мм до 40 мм, предпочтительно в диапазоне от 5 мм до 30 мм и особенно предпочтительно в диапазоне от 10 мм до 20 мм по отношению к высоте катодного блока.For the same reason, it is also preferred that at least one of the at least one recess, and particularly preferably each of the at least one recess, has an opening width of 2 mm to 40 mm, preferably in the range of 5 mm to 30 mm, and particularly preferably in the range from 10 mm to 20 mm in relation to the height of the cathode block.

В принципе, по меньшей мере одна выемка может иметь любое многоугольное или изогнутое поперечное сечение. Хорошие результаты в отношении хорошего взаимодействия чугунной оболочки с по меньшей мере одной выемкой и одновременно в отношении надежной и не вызывающей затруднений способности заполнения выемки чугуном при отливке достигаются, в частности, если по меньшей мере одна из по меньшей мере одной выемки и особенно предпочтительно каждая из по меньшей мере одной выемки имеет поперечное сечение, которое по меньшей мере по существу полукруглое, треугольное, прямоугольное или трапециевидное, а предпочтительно полукруглое, треугольное, прямоугольное или трапециевидное.In principle, the at least one recess may have any polygonal or curved cross section. Good results with regard to good interaction of the cast iron shell with at least one recess and at the same time with respect to a reliable and unproblematic ability to fill the recess with iron during casting are achieved in particular if at least one of the at least one recess, and particularly preferably each of at least one recess has a cross section that is at least substantially semicircular, triangular, rectangular or trapezoidal, and preferably semicircular, triangular, rectangular or trapezoidal.

В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения по меньшей мере одна выемка проходит по меньшей мере по существу ортогонально, предпочтительно ортогонально, в стенку катодного блока, ограничивающую по меньшей мере один паз.According to a further preferred embodiment of the present invention, the at least one recess extends at least substantially orthogonally, preferably orthogonally, into the wall of the cathode block defining at least one slot.

В соответствии с настоящим изобретением по меньшей мере одна выемка, если смотреть в направлении глубины паза, ограничена на каждом из своих концов с переходной областью между выемкой и смежным с ней участком стенки паза. Если данная переходная область имеет форму угла, то угол между смежным участком стенки паза и стенкой выемки, если смотреть изнутри катодного блока, будет предпочтительно составлять от 90° до 160°, особенно предпочтительно от 90° до 135° и очень предпочтительно от 100° до 120°.In accordance with the present invention, at least one recess, when viewed in the direction of the depth of the groove, is bounded at each of its ends with a transition region between the recess and the portion of the groove wall adjacent thereto. If this transition region is in the form of an angle, then the angle between the adjacent portion of the groove wall and the recess wall, as viewed from inside the cathode block, will preferably be between 90° and 160°, particularly preferably between 90° and 135°, and very preferably between 100° and 120°.

В случае, если данная переходная область имеет форму, которая изогнута, возможно, но необязательно, идеально кругообразно изогнута, то радиус кривизны переходной области будет предпочтительно составлять максимум 50 мм, особенно предпочтительно максимум 20 мм и максимально предпочтительно максимум 5 мм.In case this transition region has a shape that is curved, optionally but not necessarily perfectly circularly curved, then the radius of curvature of the transition region will preferably be at most 50 mm, particularly preferably at most 20 mm, and most preferably at most 5 mm.

Более того, настоящее изобретение относится к конструкции катода, которая содержит по меньшей мере один описанный ранее катодный блок, при этом в по меньшей мере одном из по меньшей мере одного паза переменной глубины по меньшей мере одного катодного блока обеспечена по меньшей мере одна шина, которая по меньшей мере частично заключена в чугунную оболочку, которая по меньшей мере в участках взаимодействует с по меньшей мере одной выемкой.Moreover, the present invention relates to a cathode structure that comprises at least one cathode block as previously described, wherein at least one of at least one variable depth slot of at least one cathode block is provided with at least one bus bar which at least partially enclosed in a cast-iron shell, which interacts at least in sections with at least one recess.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения участок чугунной оболочки, взаимодействующий с по меньшей мере одной выемкой, имеет форму, комплементарную выемке. Таким образом, можно добиться особенно хорошего сцепляющего взаимодействия чугунной оболочки с выемкой и, таким образом, особенно эффективного механического прикрепления чугунной оболочки и соответствующей шины к катодному блоку, которое, однако, по-прежнему допускает достаточную подвижность шины в горизонтальном направлении во избежание напряжений сдвига между чугуном, шиной и катодным блоком в результате больших изменений температуры.In accordance with a preferred embodiment of the present invention, the section of the cast iron shell that interacts with at least one recess has a shape complementary to the recess. In this way, a particularly good bonding interaction between the cast iron sheath and the recess can be achieved, and thus a particularly effective mechanical attachment of the cast iron sheath and the corresponding tire to the cathode block, which, however, still allows sufficient movement of the tire in the horizontal direction to avoid shear stresses between cast iron, bus bar and cathode block as a result of large temperature changes.

Предпочтительно чугунная оболочка взаимодействует с по меньшей мере одной выемкой на по меньшей мере 50% ее длины, более предпочтительно на по меньшей мере 80%, особенно предпочтительно на по меньшей мере 90%, очень предпочтительно на по меньшей мере 95% и максимально предпочтительно по существу по всей ее длине. Таким образом, упомянутые выше преимущества достигаются в особенно высокой степени.Preferably, the cast iron shell interacts with at least one recess for at least 50% of its length, more preferably at least 80%, particularly preferably at least 90%, very preferably at least 95% and most preferably substantially along its entire length. The advantages mentioned above are thus achieved to a particularly high degree.

По этой же причине в соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения предусмотрено, что участок оболочки, взаимодействующий с по меньшей мере одной выемкой и, в соответствующих случаях, с заключенной в него шиной, заполняет по меньшей мере 70% выемки, предпочтительно по меньшей мере 80%, особенно предпочтительно по меньшей мере 90%, очень предпочтительно по меньшей мере 95% и максимально предпочтительно 100% выемки. Таким образом можно особенно надежно предотвратить нежелательное смещение шины в вертикальном направлении катодного блока и, в частности, выпадение шины из паза.For the same reason, in accordance with a further preferred embodiment of the present invention, it is provided that the section of the shell cooperating with at least one recess and, where appropriate, with the tire enclosed therein, fills at least 70% of the recess, preferably at least 80%, particularly preferably at least 90%, very preferably at least 95% and most preferably 100% of the recess. In this way, undesirable displacement of the bar in the vertical direction of the cathode block and, in particular, the bar falling out of the groove can be particularly reliably prevented.

При разработке концепции, обладающей признаками изобретения, предлагается, чтобы катодный блок конструкции катода имел паз с по меньшей мере по существу прямоугольным, но предпочтительно прямоугольным поперечным сечением, а также чтобы в пазу были установлены одна или две смежные шины, при этом промежуточное пространство между пазом и шиной (-ами) было заполнено чугуном таким образом, чтобы чугун взаимодействовал с по меньшей мере одной выемкой по меньшей мере по существу по всей ее длине.In developing the inventive concept, it is proposed that the cathode structural block of the cathode has a groove with at least a substantially rectangular, but preferably rectangular cross-section, and that one or two adjacent bars are installed in the groove, while the intermediate space between the groove and the tire(s) was filled with cast iron such that the cast iron interacts with the at least one recess for at least substantially its entire length.

Дополнительным объектом настоящего изобретения является катод, который содержит по меньшей мере один описанный ранее катодный блок или по меньшей мере одну описанную ранее конструкцию катода.A further aspect of the present invention is a cathode that comprises at least one cathode block as previously described, or at least one cathode structure as previously described.

Более того, настоящее изобретение относится к применению описанного ранее катодного блока, описанной ранее конструкции катода или описанного ранее катода для проведения электролиза расплавленных солей для производства металла, а именно предпочтительно для производства алюминия.Moreover, the present invention relates to the use of the previously described cathode block, the previously described cathode design, or the previously described cathode for carrying out the electrolysis of molten salts for the production of metal, namely, preferably for the production of aluminum.

Дополнительным объектом настоящего изобретения является катодный блок для алюминиевого электролизера на основе углерода и/или графита, в частности, описанный ранее катодный блок, который имеет по меньшей мере один паз, проходящий в продольном направлении катодного блока и служащий для размещения по меньшей мере одной шины, при этом по меньшей мере один из по меньшей мере одного паза имеет переменную глубину, если смотреть по длине катодного блока, при этом данный паз ограничен стенкой, при этом в стенке обеспечен по меньшей мере один выступ, который проходит в паз.A further object of the present invention is a cathode block for an aluminum cell based on carbon and/or graphite, in particular the previously described cathode block, which has at least one groove extending in the longitudinal direction of the cathode block and serving to receive at least one busbar, wherein at least one of the at least one groove has a variable depth as viewed along the length of the cathode block, wherein the groove is bounded by a wall, wherein at least one protrusion is provided in the wall that extends into the groove.

В соответствии с изобретением было признано, что путем обеспечения по меньшей мере одного выступа, проходящего в паз, который служит в качестве опорной поверхности для концов шины или их чугунной оболочки, в частности, также путем обеспечения переменной глубины паза в катодном блоке создается катодный блок, в котором шина установлена в паз и, в частности, также в случае двух шин, установленных смежно друг с другом в пазу в каждом случае на половину длины по отношению к длине катодного блока, такая(-ие) шина(-ы) в зависимости от конструкции выступа зафиксирована(-ы) в вертикальном и/или горизонтальном направлении так, что неконтролируемое перемещение или смещение шин надежно предотвращается, когда во время создания конструкции катода с одним катодным блоком и одной или более шинами, установленными в его пазу и заключенными в чугунную оболочку, расплавленный чугун выливают в промежуточное пространство между пазом и шиной(-ами) и, в частности, также во время последующего охлаждения и отверждения чугуна, несмотря на обычно более высокий коэффициент термического расширения чугуна и материала шины (шин) по сравнению с коэффициентом термического расширения материала катодного блока, при этом данное перемещение, или смещение, может приводить к плохому или неравномерному электрическому контакту между шиной, чугуном и катодным блоком. Таким образом, по меньшей мере один выступ, проходящий в паз, представляет собой опорный прилив или опорную стойку, на которой может находиться один конец шины или два конца двух шин. В результате этого конструкция катода, состоящая из катодного блока с одной или более установленными шинами, заключенными в чугунную оболочку, имеет низкое удельное электрическое сопротивление и низкое переходное сопротивление между шиной(-ами), заключенной(-ыми) в чугунную оболочку, и катодным блоком, и, в частности, также постоянно низкое удельное электрическое сопротивление и низкое переходное сопротивление между шиной(-ами), заключенной(-ыми) в чугунную оболочку, и катодным блоком, даже при больших изменениях температуры. Таким образом, катодный блок в соответствии с изобретением является подходящим, в частности, для размещения двух шин, установленных смежно друг с другом в пазу, который в каждом случае имеет половинную длину по отношению к длине катодного блока, при этом в данном случае выступ предпочтительно обеспечен в центре катодного блока, так что в каждом случае один конец двух шин может находиться на опорной поверхности, созданной выступом. Более того, катодный блок в соответствии с изобретением также является подходящим, в частности, для шин с прямоугольным поперечным сечением. В особенности в случае, в котором в стенке паза катодного блока дополнительно обеспечена выемка, проходящая горизонтально в продольном направлении катодного блока, механическое повреждение катодного блока в стенке, ограничивающей паз в катодном блоке, такое как растрескивание катодного блока, с шиной, установленной в пазу и заключенной в чугунную оболочку, надежно предотвращается. В данном случае применение паза переменной длины в продольном направлении катодного блока дает настолько однородное распределение плотности тока на поверхности катодного блока, что при эксплуатации электролизера, содержащего катодный блок, эффективно предотвращается чрезмерный съем материала катодного блока в тех зонах, в которых наблюдалась бы высокая локальная плотность тока при применении катодного блока с постоянной глубиной паза в продольном направлении катодного блока. Путем соответствующего регулирования глубины паза можно модифицировать распределение плотности тока и выравнивать его в широких пределах. В целом, таким образом, даже при больших или резких изменениях температуры достигается контроль напряжений растяжения, напряжений сдвига и напряжений сжатия, которые возникают вследствие разных коэффициентов термического расширения чугуна, шины и катодного блока, что обеспечивает превосходную электропроводность и отличную механическую устойчивость катодного блока, даже если шина установлена в пазу и заключена в чугунную оболочку.In accordance with the invention, it has been recognized that by providing at least one protrusion extending into a groove which serves as a bearing surface for the ends of the tire or their cast iron casing, in particular also by providing a variable depth of the groove in the cathode block, a cathode block is created, in which the bar is inserted into the groove and in particular also in the case of two bars placed adjacent to each other in the groove in each case by half the length with respect to the length of the cathode block, such bar(s), depending on of the projection structure is fixed(-s) in the vertical and/or horizontal direction so that uncontrolled movement or displacement of the bars is reliably prevented when, during the creation of the cathode structure with one cathode block and one or more bars mounted in its groove and enclosed in a cast iron shell , the molten iron is poured into the interspace between the groove and the bar(s) and in particular also during the subsequent cooling and iron, despite the generally higher coefficient of thermal expansion of the iron and the material of the tire(s) compared to the coefficient of thermal expansion of the material of the cathode block, and this movement, or displacement, can lead to poor or uneven electrical contact between the tire, iron and the cathode block. Thus, at least one protrusion extending into the groove is a support boss or support leg, on which one end of the tire or two ends of two tires can be located. As a result, the cathode structure, consisting of a cathode block with one or more mounted cast iron-clad busbars, has a low electrical resistivity and a low contact resistance between the cast iron-clad busbar(s) and the cathode block. , and in particular also a consistently low electrical resistivity and a low contact resistance between the cast-iron sheathed bus(s) and the cathode block, even with large temperature changes. Thus, the cathode block according to the invention is suitable in particular for accommodating two busbars placed adjacent to each other in a groove which in each case is half the length of the cathode block, in which case the protrusion is preferably provided in the center of the cathode block, so that in each case one end of the two tires can rest on the bearing surface created by the protrusion. Moreover, the cathode block according to the invention is also suitable, in particular, for tires with a rectangular cross section. Particularly in a case in which a recess extending horizontally in the longitudinal direction of the cathode block is further provided in the groove wall of the cathode block, mechanical damage to the cathode block in the wall defining the groove in the cathode block, such as cracking of the cathode block, with the tire installed in the groove and enclosed in a cast-iron sheath is reliably prevented. In this case, the use of a slot of variable length in the longitudinal direction of the cathode block gives such a uniform distribution of current density on the surface of the cathode block that during operation of the cell containing the cathode block, excessive material removal of the cathode block in those areas in which a high local density would be observed is effectively prevented. current when using a cathode block with a constant groove depth in the longitudinal direction of the cathode block. By suitably adjusting the depth of the groove, the current density distribution can be modified and equalized over a wide range. Overall, in this way, even under large or abrupt temperature changes, control of tensile stresses, shear stresses and compressive stresses that arise due to different coefficients of thermal expansion of cast iron, tire and cathode block is achieved, which ensures excellent electrical conductivity and excellent mechanical stability of the cathode block, even if the tire is installed in a groove and enclosed in a cast-iron shell.

Для достижения особенно равномерного вертикального распределения плотности тока на поверхности катодного блока во время операции электролиза при разработке концепции, обладающей признаками изобретения, предлагается, чтобы по меньшей мере один паз из по меньшей мере одного паза или предпочтительно все из пазов переменной глубины имел или имели на своих продольных окончаниях глубину меньше, чем в своем центре или своих центрах. Таким образом достигается равномерное распределение электрического тока, подаваемого во время операции электролиза, по всей длине катодного блока, посредством чего удается избежать чрезмерно высокой плотности электрического тока на продольных концах катодного блока и, таким образом, предотвратить преждевременный износ на концах катодного блока. Ввиду такого равномерного распределения плотности тока по длине катодного блока удается избежать перемещений в расплаве алюминия, вызванных взаимодействием электромагнитных полей во время электролиза, посредством чего становится возможно размещать анод на меньшей высоте над поверхностью расплава алюминия. Это снижает электрическое сопротивление между анодом и расплавом алюминия и повышает энергетическую эффективность проводимого электролиза расплавленных солей. Другое особое преимущество этого варианта осуществления заключается в том, что при такой конфигурации шина(-ы), зафиксированная(-ые) на месте с помощью по меньшей мере одного выступа и, возможно, заключенная(-ые) в чугунную оболочку, расширяется(-ются) горизонтально во время и после повышения температуры, которое происходит при вводе электролизера в эксплуатацию, в результате чего шина(-ы) прижимается(-ются) к нижней стенке паза(-ов) катодного блока, которая ограничивает паз в этой точке, посредством чего снижается переходное сопротивление между шиной(-ами), заключенной(-ыми) в чугунную оболочку, и катодным блоком.In order to achieve a particularly uniform vertical distribution of the current density on the surface of the cathode block during the electrolysis operation, the inventive concept proposes that at least one slot of at least one slot, or preferably all of the slots of variable depth, has or has on its longitudinal endings the depth is less than in its center or its centers. In this way, a uniform distribution of the electric current supplied during the electrolysis operation over the entire length of the cathode block is achieved, whereby an excessively high electric current density at the longitudinal ends of the cathode block is avoided and thus premature wear is prevented at the ends of the cathode block. Due to such a uniform distribution of the current density along the length of the cathode block, it is possible to avoid movements in the aluminum melt caused by the interaction of electromagnetic fields during electrolysis, whereby it becomes possible to place the anode at a lower height above the surface of the aluminum melt. This reduces the electrical resistance between the anode and the aluminum melt and increases the energy efficiency of the ongoing electrolysis of molten salts. Another particular advantage of this embodiment is that, with this configuration, the tire(s) fixed in place by at least one protrusion and possibly encapsulated in a cast iron shell expand(- are) horizontally during and after the rise in temperature that occurs when the cell is put into service, whereby the bar(s) are pressed against the bottom wall of the slot(s) of the cathode block, which delimits the slot at that point, by means of which reduces the transition resistance between the tire(s), enclosed(s) in a cast-iron shell, and the cathode block.

В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения стенка, ограничивающая по меньшей мере один паз переменной глубины, содержит нижнюю стенку и две боковые стенки, при этом в нижней стенке обеспечен выступ, который проходит в паз и который предпочтительно проходит вертикально в по меньшей мере один паз. Таким образом, можно достичь особенно хорошей фиксации шины, а именно одновременно с достаточно большой подвижностью шины в горизонтальном направлении, для надежного предотвращения, даже при больших изменениях температуры, возникновения напряжений сдвига вследствие разных коэффициентов термического расширения чугуна, шины и катодного блока.In accordance with a further preferred embodiment of the present invention, the wall delimiting at least one slot of variable depth comprises a bottom wall and two side walls, wherein a ledge is provided in the bottom wall which extends into the slot and which preferably extends vertically into at least one groove. In this way, a particularly good fixation of the tire can be achieved, namely at the same time as a sufficiently large movement of the tire in the horizontal direction, to reliably prevent, even with large temperature changes, the occurrence of shear stresses due to different coefficients of thermal expansion of the cast iron, the busbar and the cathode block.

В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения по меньшей мере один выступ в описанном выше варианте осуществления содержит на своей стороне, противоположной нижней стенке, по меньшей мере одну опорную поверхность для по меньшей мере одной шины, которая по меньшей мере участками проходит по меньшей мере по существу параллельно, предпочтительно параллельно, поверхности стороны катодного блока, противоположной пазу, - иными словами, ортогонально нижнему концу боковой стенки, которая ограничивает паз в катодном блоке. Опорная поверхность такого типа является особенно подходящей в качестве опоры для одной шины или в качестве опоры для двух шин.In accordance with a further preferred embodiment of the present invention, at least one protrusion in the embodiment described above comprises on its side opposite the bottom wall at least one bearing surface for at least one tire, which extends at least in sections substantially parallel, preferably parallel, to the surface of the side of the cathode block opposite the slot, in other words, orthogonal to the lower end of the side wall which defines the slot in the cathode block. This type of support surface is particularly suitable as a support for a single tire or as a support for two tires.

Хорошие результаты в этом отношении получаются, в частности, если по меньшей мере одна из по меньшей мере одной опорной поверхности по меньшей мере одного выступа выполнена так, чтобы проходить планарно, предпочтительно по меньшей мере по существу прямоугольно и параллельно, особенно предпочтительно прямоугольно и параллельно, по отношению к поверхности стороны катодного блока, противоположной пазу.Good results in this regard are obtained in particular if at least one of the at least one bearing surface of the at least one protrusion is designed to extend planarly, preferably at least substantially rectangular and parallel, particularly preferably rectangular and parallel, with respect to the surface of the side of the cathode block opposite the groove.

Для обеспечения достаточно большой опорной поверхности даже для двух смежных концов двух шин при разработке концепции, обладающей признаками изобретения, предлагается, чтобы сторона, противоположная нижней стенке по меньшей мере одного выступа, была ограничена опорной поверхностью, которая выполнена таким образом, чтобы проходить полностью планарно, предпочтительно по меньшей мере по существу прямоугольно и параллельно, особенно предпочтительно прямоугольно и параллельно, по отношению к поверхности стороны катодного блока, противоположной пазу. В данном варианте осуществления вся поверхность выступа, противоположная нижней стенке катодного блока, таким образом, выполнена в виде опорной поверхности для одного или более концов одной или более шин.In order to provide a sufficiently large bearing surface even for two adjacent ends of two tires, in developing the inventive concept, it is proposed that the side opposite the bottom wall of at least one projection be defined by a bearing surface which is designed to extend completely planar, preferably at least substantially rectangular and parallel, particularly preferably rectangular and parallel, with respect to the surface of the side of the cathode block opposite the groove. In this embodiment, the entire protrusion surface opposite the bottom wall of the cathode block is thus provided as a support surface for one or more ends of one or more bars.

Описанный выше вариант осуществления может, например, быть реализован путем выполнения по меньшей мере одного выступа, который, если смотреть в разрезе в продольной протяженности катодного блока, по всей своей высоте является по меньшей мере по существу прямоугольным или трапециевидным, предпочтительно прямоугольным или трапециевидным, при этом сторона по меньшей мере одного выступа, противоположная нижней стенке, ограничена опорной поверхностью, которая выполнена таким образом, чтобы проходить планарно, по меньшей мере по существу прямоугольно и параллельно, предпочтительно прямоугольно и параллельно, по отношению к поверхности стороны катодного блока, противоположной пазу.The embodiment described above can, for example, be realized by providing at least one protrusion which, when viewed in section along the longitudinal extent of the cathode block, is at least substantially rectangular or trapezoidal over its entire height, preferably rectangular or trapezoidal, with in this case, the side of at least one protrusion opposite the bottom wall is limited by a support surface, which is designed to extend planarly, at least substantially rectangularly and parallel, preferably rectangularly and parallel, with respect to the surface of the side of the cathode block opposite the groove.

Предпочтительно протяженность прямоугольной опорной поверхности, проходящей в продольной протяженности катодного блока, будет составлять от 20 до 600 мм, особенно предпочтительно от 50 до 400 мм, очень предпочтительно от 100 до 300 мм и максимально предпочтительно от 150 до 250 мм, например, 200 мм, тогда как, с другой стороны, протяженность прямоугольной опорной поверхности, проходящей в поперечном направлении катодного блока, будет предпочтительно составлять по меньшей мере 50%, более предпочтительно по меньшей мере 80%, особенно предпочтительно по меньшей мере 90% и весьма предпочтительно 100% ширины паза, измеряемой в плоскости прямоугольной опорной поверхности.Preferably, the length of the rectangular support surface extending in the longitudinal extent of the cathode block will be from 20 to 600 mm, particularly preferably from 50 to 400 mm, very preferably from 100 to 300 mm and most preferably from 150 to 250 mm, for example 200 mm, while, on the other hand, the extent of the rectangular bearing surface extending in the transverse direction of the cathode block will preferably be at least 50%, more preferably at least 80%, particularly preferably at least 90% and very preferably 100% of the slot width measured in the plane of a rectangular reference surface.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, который является альтернативой упомянутому выше варианту осуществления и особенно предпочтительным вариантом осуществления, сторона по меньшей мере одного выступа, противоположная нижней стенке, ограничена поверхностью, которая содержит, если смотреть в продольном направлении катодного блока, два внешних участка и между ними один средний участок, при этом два внешних участка в каждом случае формируют опорную поверхность для одной шины, и в каждом случае выполнены таким образом, чтобы проходить планарно, предпочтительно по меньшей мере по существу прямоугольно и параллельно, особенно предпочтительно прямоугольно и параллельно, по отношению к поверхности стороны катодного блока, противоположной пазу, и которые по отношению к глубине паза находятся на одинаковой высоте, тогда как, с другой стороны, средний участок, в отличие от двух внешних участков, если смотреть со стороны нижней стенки, выполнен в форме подъема, чтобы проходить в паз. Этот вариант осуществления является предпочтительным, в частности, для катодных блоков, которые выполнены с возможностью удержания двух шин с приблизительно половинной длиной в каждом случае по отношению к длине катодного блока. Это связано с тем, что ввиду подъема, обеспеченного на среднем участке выступа, два смежных внешних участка выступа, формирующие опорную поверхность в каждом случае для одного конца шины, отделены разделительной стенкой, проходящей в направлении глубины паза, так что концы двух шин находятся на противоположных сторонах разделительной стенки, посредством чего две шины фиксируются не только в вертикальном направлении, но также на этих двух концах в горизонтальном направлении. Достигаемый при этом результат заключается в том, что в случае расширения ввиду повышения температуры две шины будут расширяться в заданном направлении, а именно в направлении конца катодного блока. Таким образом, две шины, которые могут быть заключены в чугунную оболочку, во время и после повышения температуры, которое происходит при вводе электролизера в эксплуатацию, в результате расширения в направлении конца катодного блока будут прижаты в горизонтальном направлении к нижней стенке катодного блока, ограничивающей паз, в этой точке, посредством чего снижается переходное сопротивление между шиной, заключенной в чугунную оболочку, и катодным блоком.According to an embodiment of the present invention, which is an alternative to the above-mentioned embodiment and a particularly preferred embodiment, the side of the at least one protrusion opposite the bottom wall is defined by a surface which comprises, as seen in the longitudinal direction of the cathode block, two outer portions and there is one middle section between them, the two outer sections in each case forming a bearing surface for one tire, and in each case designed to extend planarly, preferably at least substantially rectangular and parallel, particularly preferably rectangular and parallel, with respect to the surface of the side of the cathode block opposite to the groove, and which are at the same height with respect to the depth of the groove, while, on the other hand, the middle section, in contrast to the two outer sections, when viewed from the side of the bottom wall, is made in the form of a rise to pro walk into the groove. This embodiment is preferred in particular for cathode blocks which are configured to hold two tires with approximately half the length in each case relative to the length of the cathode block. This is because, in view of the lift provided in the middle portion of the rib, two adjacent outer portions of the rib, forming a bearing surface in each case for one end of the tire, are separated by a partition wall extending in the groove depth direction, so that the ends of the two tires are on opposite sides. sides of the partition wall, whereby the two busbars are fixed not only in the vertical direction, but also at these two ends in the horizontal direction. The result achieved in this case is that, in the case of expansion due to the rise in temperature, the two tires will expand in the desired direction, namely towards the end of the cathode block. Thus, the two bars which can be encased in cast iron will, during and after the temperature rise that occurs when the cell is put into service, by expansion towards the end of the cathode block will be pressed in a horizontal direction against the bottom wall of the cathode block delimiting the groove. , at this point, whereby the transition resistance between the cast iron-clad busbar and the cathode block is reduced.

Для достижения особенно высокой степени описанных выше преимуществ предпочтительно, чтобы средний участок выступа, если смотреть в разрезе в продольном направлении катодного блока, имел прямоугольную конфигурацию - иными словами, форму прямоугольного прилива, - так чтобы в каждом случае между двумя внешними участками и средним участком формировалась ступенька. В переходной области между опорной поверхностью и частью подъема эта ступенька может быть прямоугольной или закругленной.In order to achieve a particularly high degree of the advantages described above, it is preferable that the middle section of the protrusion, when viewed in a section in the longitudinal direction of the cathode block, has a rectangular configuration - in other words, the shape of a rectangular boss - so that in each case between the two outer sections and the middle section is formed step. In the transition region between the support surface and the part of the rise, this step may be rectangular or rounded.

Хорошие результаты, в частности, достигаются, если высота ступенек составляет от 10 до 100 мм, предпочтительно от 40 до 80 мм и особенно предпочтительно от 50 до 70 мм, тогда как, с другой стороны, протяженность ступенек, проходящих в поперечном направлении катодного блока, предпочтительно составляет по меньшей мере 50%, более предпочтительно по меньшей мере 80%, особенно предпочтительно по меньшей мере 90% и весьма предпочтительно 100% ширины паза.Good results are achieved in particular if the height of the steps is between 10 and 100 mm, preferably between 40 and 80 mm and particularly preferably between 50 and 70 mm, while, on the other hand, the length of the steps extending in the transverse direction of the cathode block, preferably at least 50%, more preferably at least 80%, particularly preferably at least 90% and very preferably 100% of the slot width.

Настоящий вариант осуществления может, например, быть реализован с помощью по меньшей мере одного выступа, если смотреть в разрезе в продольном направлении катодного блока, который выполнен в по меньшей мере по существу прямоугольной или трапециевидной форме, предпочтительно прямоугольной или трапециевидной форме, на участке от 20% до 80% и предпочтительно от 30% до 50% своей высоты, при этом на стороне этого участка выступа, противоположной нижней стенке, обеспечен подъем или прилив по центру, если смотреть в продольном направлении катодного блока, который проходит по оставшейся высоте выступа.The present embodiment can, for example, be implemented with at least one protrusion, when viewed in a section in the longitudinal direction of the cathode block, which is made in at least a substantially rectangular or trapezoidal shape, preferably a rectangular or trapezoidal shape, in the area from 20 % up to 80% and preferably from 30% to 50% of its height, while on the side of this section of the protrusion opposite the bottom wall, a rise or tide is provided in the center, when viewed in the longitudinal direction of the cathode block, which passes along the remaining height of the protrusion.

В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения предполагается, что по меньшей мере один выступ по отношению к продольному направлению катодного блока расположен в месте, в котором паз имеет наибольшую глубину, при этом сам выступ в данном случае не учитывается. Если, как ранее было представлено в качестве особенно предпочтительного варианта, паз переменной глубины имеет меньшую глубину на своих продольных концах, чем в своем центре, и, в частности, глубина паза, если смотреть в продольном направлении катодного блока, по меньшей мере увеличивается по меньшей мере по существу непрерывно от одного продольного конца до центра катодного блока и уменьшается с по меньшей мере по существу постоянным градиентом от центра катодного блока до другого продольного конца, то по меньшей мере один выступ вследствие этого предпочтительно расположен по центру по отношению к продольной протяженности катодного блока.In accordance with a further preferred embodiment of the present invention, it is assumed that at least one protrusion with respect to the longitudinal direction of the cathode block is located at the place where the groove has the greatest depth, while the protrusion itself is not taken into account in this case. If, as previously presented as a particularly preferred option, the variable depth groove has a shallower depth at its longitudinal ends than at its center, and in particular the depth of the groove, as seen in the longitudinal direction of the cathode block, at least increases by at least is substantially continuous from one longitudinal end to the center of the cathode block and decreases with an at least substantially constant gradient from the center of the cathode block to the other longitudinal end, then at least one protrusion is therefore preferably located centrally with respect to the longitudinal extent of the cathode block .

Более того, оказалось, что преимущество обеспечивает то, что по меньшей мере один выступ проходит по меньшей мере на 50% полной ширины паза, предпочтительно на 80%, особенно предпочтительно на 90% и весьма предпочтительно на всю ширину паза. В результате этого, во-первых, выступ приобретает достаточную механическую устойчивость и, во-вторых, концы шины (шин) находятся на по меньшей мере большей части или на всей ширине опорной(-ых) поверхности(-ей), сформированной(-ых) выступом.Moreover, it has proven to be an advantage that the at least one protrusion extends over at least 50% of the full width of the slot, preferably 80%, particularly preferably 90% and very preferably the full width of the slot. As a result of this, firstly, the protrusion acquires sufficient mechanical stability and, secondly, the ends of the tire (s) are located on at least a large part or the entire width of the supporting surface(s) formed(s). ) protrusion.

В принципе, по меньшей мере один выступ может состоять из любого материала, такого как, например, металл. Тем не менее предпочтительно, чтобы по меньшей мере один выступ состоял из материала, который имеет такой же коэффициент термического расширения, как и материал остального катодного блока. Особенно предпочтительно, чтобы по меньшей мере один выступ состоял из того же материала, что и остальная часть катодного блока.In principle, the at least one protrusion may consist of any material, such as, for example, metal. However, it is preferable that at least one protrusion consists of a material that has the same coefficient of thermal expansion as the material of the rest of the cathode block. It is especially preferred that at least one protrusion consists of the same material as the rest of the cathode block.

В соответствии с изобретением композиция катодного блока основана на углероде и/или графите. Что касается достаточно высокой электропроводности и достаточно высокой износостойкости, то высокие показатели в данном случае, в частности, достигаются, если по меньшей мере один выступ и остальной катодный блок изготовлены из аморфного, графитового и/или графитизированного углерода.According to the invention, the composition of the cathode block is based on carbon and/or graphite. With regard to a sufficiently high electrical conductivity and a sufficiently high wear resistance, high values in this case, in particular, are achieved if at least one protrusion and the rest of the cathode block are made of amorphous, graphitic and/or graphitized carbon.

В рамках дальнейшей разработки концепции, обладающей признаками изобретения, предлагается, чтобы по меньшей мере один выступ и остальной катодный блок были монолитными, то есть представляли собой цельный компонент. Это обеспечивает особенно высокую механическую устойчивость соединения выступа с остальной частью катодного блока.As part of a further development of the inventive concept, it is proposed that at least one protrusion and the rest of the cathode block be monolithic, that is, they are a single component. This ensures a particularly high mechanical stability of the connection between the protrusion and the rest of the cathode block.

В качестве альтернативы этому по меньшей мере один выступ может быть даже прикреплен с помощью крепежного средства к нижней стенке катодного блока. Этого, например, можно достичь за счет прикрепления по меньшей мере одного выступа к остальной части катодного блока посредством адгезива, такого как, например, синтетическая смола, мастика, гудрон или аналогичные вещества или же любая смесь упомянутых выше веществ, или крепления упомянутого(-ых) выступа(-ов) механически к остальной части катодного блока посредством крепежного элемента.As an alternative, at least one protrusion can even be fastened to the bottom wall of the cathode block by means of a fastener. This can be achieved, for example, by attaching at least one protrusion to the rest of the cathode block by means of an adhesive, such as, for example, synthetic resin, mastic, tar or similar substances, or any mixture of the above-mentioned substances, or by attaching the aforementioned(s). ) protrusion(s) mechanically to the rest of the cathode block by means of a fastening element.

Более того, настоящее изобретение относится к конструкции катода, которая содержит по меньшей мере один описанный ранее катодный блок, в котором в по меньшей мере одном из по меньшей мере одного паза переменной глубины в по меньшей мере одном катодном блоке обеспечена по меньшей мере одна шина, которая предпочтительно по меньшей мере частично заключена в чугунную оболочку, при этом шина, которая может быть заключена в чугунную оболочку, находится по меньшей мере на участке по меньшей мере одного выступа.Moreover, the present invention relates to a cathode structure that comprises at least one cathode block as previously described, wherein at least one of at least one variable depth slot in at least one cathode block is provided with at least one bus bar, which is preferably at least partially enclosed in a cast iron shell, while the tire, which can be enclosed in an iron shell, is at least in the area of at least one ledge.

Конструкция катода предпочтительно содержит по меньшей мере один катодный блок, в котором в по меньшей мере одном из по меньшей мере одного паза переменной глубины в по меньшей мере одном катодном блоке обеспечены две шины, предпочтительно по меньшей мере частично заключенные в чугунную оболочку, которые в каждом случае находятся одним из своих концов по меньшей мере на одном участке по меньшей мере одного выступа.The cathode structure preferably comprises at least one cathode block, in which at least one of the at least one variable depth slot in at least one cathode block is provided with two bars, preferably at least partially enclosed in a cast iron shell, which in each case, they are located at one of their ends on at least one section of at least one ledge.

В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения по меньшей мере одна шина заключена в чугунную оболочку по меньшей мере участками и особенно предпочтительно полностью.In accordance with a further preferred embodiment of the present invention, at least one tire is encased in a cast iron casing at least in portions and particularly preferably completely.

Дополнительным объектом настоящего изобретения является конструкция катода, которая содержит по меньшей мере один описанный ранее катодный блок или по меньшей мере одну описанную ранее конструкцию катода.A further object of the present invention is a cathode structure that comprises at least one cathode block as previously described, or at least one cathode structure as previously described.

Более того, настоящее изобретение относится к применению описанного ранее катодного блока, описанной ранее конструкции катода или описанной ранее конструкции катода для проведения электролиза расплавленных солей для производства металла, а именно предпочтительно для производства алюминия.Moreover, the present invention relates to the use of the previously described cathode block, the previously described cathode structure, or the previously described cathode structure for carrying out the electrolysis of molten salts for metal production, namely, preferably for aluminum production.

Ниже настоящее изобретение описано исключительно для примера посредством преимущественных вариантов осуществления и со ссылкой на прилагаемые чертежи.Below, the present invention is described solely by way of example by way of preferred embodiments and with reference to the accompanying drawings.

Здесь:Here:

на Фиг.1 показано поперечное сечение участка алюминиевого электролизера с конструкцией катода в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения,1 shows a cross section of a section of an aluminum cell with a cathode structure according to the first embodiment of the present invention,

на Фиг.2 показано продольное сечение конструкции катода алюминиевого электролизера, показанного на Фиг.1,figure 2 shows a longitudinal section of the design of the cathode of the aluminum cell shown in figure 1,

на Фиг.3 показано продольное сечение участка алюминиевого электролизера с конструкцией катода в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения,3 shows a longitudinal section of a section of an aluminum cell with a cathode structure according to a second embodiment of the present invention,

на Фиг.4 показано поперечное сечение конструкции катода алюминиевого электролизера, показанного на Фиг.3,figure 4 shows a cross section of the structure of the cathode of the aluminum cell shown in figure 3,

на Фиг.5a-d показаны примеры поперечных сечений выемок, которые обеспечены в пазу катодного блока в соответствии с изобретением,5a-d show examples of cross-sections of the recesses that are provided in the groove of the cathode block according to the invention,

на Фиг.6 показано продольное сечение катодного блока в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения,Fig. 6 shows a longitudinal section of a cathode block according to a third embodiment of the present invention,

на Фиг.7 показано продольное сечение катодного блока в соответствии с четвертым вариантом осуществления настоящего изобретения, иFig. 7 shows a longitudinal section of a cathode block according to a fourth embodiment of the present invention, and

на Фиг.1 в поперечном сечении показан в разрезе алюминиевый электролизер 10 с конструкцией 12 катода, которая одновременно формирует дно емкости для расплава 14 алюминия, формируемого во время эксплуатации электролизера 10, а также для расплава 16 криолита и оксида алюминия, размещенного над расплавом 14 алюминия. Анод 18 находится в контакте с расплавом 16 криолита и оксида алюминия. Емкость, формируемая нижней частью алюминиевого электролизера 10, в боковом направлении ограничена углеродной и/или графитовой футеровкой, не показанной на Фиг.1.1 is a cross-sectional view of an aluminum cell 10 with a cathode structure 12 that simultaneously forms the bottom of the vessel for the aluminum melt 14 formed during the operation of the cell 10, as well as for the cryolite and aluminum oxide melt 16 placed above the aluminum melt 14 . The anode 18 is in contact with the melt 16 of cryolite and alumina. The container formed by the bottom of the aluminum pot 10 is laterally limited by a carbon and/or graphite lining, not shown in FIG.

Конструкция 12 катода содержит множество катодных блоков 20, которые в каждом случае соединены друг с другом посредством набивной подовой массы 24, вводимой в просвет 22 для набивной подовой массы, расположенный между катодными блоками 20. В данном случае катодный блок 20 содержит два паза 26, размещенные на его нижней части, которые имеют прямоугольное, а именно по существу прямоугольное поперечное сечение, при этом в каждом случае в каждом пазу 26 размещается одна шина 28, изготовленная из стали и также имеющая прямоугольное поперечное сечение.The cathode structure 12 comprises a plurality of cathode blocks 20, which in each case are connected to each other by means of a rammed hearth mass 24 introduced into the rammed hearth mass gap 22 located between the cathode blocks 20. In this case, the cathode block 20 comprises two slots 26 placed on its lower part, which have a rectangular, namely essentially rectangular cross-section, and in each case in each groove 26 is placed one tire 28, made of steel and also having a rectangular cross-section.

Пазы 26 в каждом случае ограничены двумя боковыми стенками 32 и нижней стенкой 34 катодного блока 20, при этом в каждой из боковых стенок 32 обеспечена выемка 36, проходящая по существу ортогонально в боковую стенку 32 и имеющая приблизительно полукруглое поперечное сечение. Каждая выемка 36 ограничена верхней и нижней переходной областью 37 катодного блока 20. Переходные области 37 в настоящем примере осуществления имеют угловую форму с углом α, равным 90°, между смежным участком стенки паза и стенкой выемки. В данном случае промежуточное пространство между шиной 28 и пазом 26 во всех случаях заполняется чугуном 38. В данном случае чугун 38 формирует оболочку 39 для шины 28 и имеет прочную связь с шиной 28.The slots 26 are in each case defined by two side walls 32 and a bottom wall 34 of the cathode block 20, with a recess 36 provided in each of the side walls 32 extending substantially orthogonally into the side wall 32 and having an approximately semi-circular cross section. Each recess 36 is defined by an upper and lower transition region 37 of the cathode block 20. The transition regions 37 in the present embodiment are angular in shape with an angle α of 90° between an adjacent portion of the groove wall and the recess wall. In this case, the intermediate space between the busbar 28 and the groove 26 is in all cases filled with cast iron 38. In this case, the cast iron 38 forms a shell 39 for the busbar 28 and has a strong bond with the busbar 28.

Более того, чугун 38, поступающий в выемку 36, формирует механическое сцепляющее соединение с материалом катодного блока 20, ограничивающего выемку 36, при этом упомянутое соединение предотвращает перемещение шины 28, связанной с чугуном 38, в направлении стрелки 40.Moreover, the cast iron 38 entering the recess 36 forms a mechanical interlocking connection with the material of the cathode block 20 defining the recess 36, said connection preventing the tire 28 associated with the cast iron 38 from moving in the direction of arrow 40.

На Фиг.1 на конкретном примере показано поперечное сечение конструкции 12 катода на одном продольном конце катодного блока 20. Глубина паза 26 катодного блока 20 в данном случае варьируется по длине паза 26. Поперечное сечение паза в области центра - по отношению к продольному направлению катодного блока - паза 26 показано на Фиг.1 пунктирной линией 42. Разница между глубиной паза на продольных концах паза 26 и в центре - по отношению к продольному направлению катодного блока - паза 26 в настоящем примере осуществления составляет приблизительно 5 см. В данном случае глубина паза 26 на двух продольных концах паза 26 составляет приблизительно 16 см, тогда как, с другой стороны, глубина паза 26 по центру - по отношению к продольному направлению катодного блока - паза 26 составляет приблизительно 21 см. Ширина 44 каждого паза 26 является по существу постоянной по всей длине паза и составляет приблизительно 15 см, тогда как, с другой стороны, ширина 46 катодных блоков 20 в каждом случае составляет приблизительно 42 см.In Fig.1, a specific example shows the cross-section of the structure 12 of the cathode at one longitudinal end of the cathode block 20. The depth of the groove 26 of the cathode block 20 in this case varies along the length of the groove 26. The cross section of the groove in the center region is relative to the longitudinal direction of the cathode block - groove 26 is shown in FIG. at the two longitudinal ends of the slot 26 is approximately 16 cm, while, on the other hand, the depth of the slot 26 in the center - with respect to the longitudinal direction of the cathode block - of the slot 26 is approximately 21 cm. The width 44 of each slot 26 is substantially constant throughout the length of the groove and is approximately 15 cm, while, on the other hand, the width 46 of the cathode blocks 20 in each case is measures approximately 42 cm.

В настоящем примере осуществления несколько анодов 18 и несколько катодных блоков 20 расположены друг над другом таким образом, что каждый анод 18 по своей ширине перекрывает два смежно расположенных катодных блока 20, а по своей длине перекрывает половину катодного блока 20, при этом в каждом случае два смежно расположенных анода 18 перекрывают длину одного катодного блока 20.In the present exemplary embodiment, several anodes 18 and several cathode blocks 20 are arranged one above the other in such a way that each anode 18 overlaps two adjacent cathode blocks 20 in its width, and overlaps half of the cathode block 20 in its length, in each case two adjacent anodes 18 overlap the length of one cathode block 20.

На Фиг.2 показано продольное сечение катодного блока 20, показанного на Фиг.1. Как можно увидеть на Фиг.2, паз 26, если смотреть в его продольном разрезе, сужается к центру катодного блока 20 в форме треугольника, посредством чего обеспечивается по существу равномерная вертикальная плотность электрического тока по всей длине катода. В данном случае, как показывает соответствующим образом маркированная линия на Фиг.2, выемка 36 проходит параллельно горизонтальному направлению или, иными словами, параллельно поверхности стороны катодного блока 20, противоположной пазу 26. Шина 28, которая для большей наглядности не показана на Фиг.2, в настоящем примере осуществления имеет форму балки и прямоугольное поперечное сечение, так что между шиной и дном 34 паза имеется промежуточное пространство, которое становится больше к центру паза 26 и которое может быть заполнено либо чугуном 38, либо дополнительными металлическими пластинами, соединенными с шиной 28.Figure 2 shows a longitudinal section of the cathode block 20 shown in Figure 1. As can be seen in FIG. 2, the slot 26, when viewed in its longitudinal section, tapers towards the center of the cathode block 20 in the shape of a triangle, thereby providing a substantially uniform vertical current density along the entire length of the cathode. In this case, as shown by the appropriately marked line in FIG. 2, the notch 36 extends parallel to the horizontal direction, or in other words, parallel to the surface of the side of the cathode block 20 opposite to the groove 26. The tire 28, which is not shown in FIG. 2 for greater clarity , in the present exemplary embodiment is beam-shaped and rectangular in cross-section so that between the bar and the bottom 34 of the groove there is an intermediate space that becomes larger towards the center of the groove 26 and which can be filled with either cast iron 38 or additional metal plates connected to the bar 28 .

Конструкция катода и катодный блок, показанные в продольном сечении и поперечном сечении на Фиг. 3 и 4, в соответствии со вторым примером осуществления настоящего изобретения отличаются от показанных на Фиг. 1 и 2 тем, что катодный блок 20 обеспечен только одним пазом 26, который имеет две выемки 36, 36'.The cathode structure and cathode block shown in longitudinal section and cross section in FIG. 3 and 4 according to the second embodiment of the present invention are different from those shown in FIGS. 1 and 2 in that the cathode block 20 is provided with only one slot 26 which has two recesses 36, 36'.

Более того, на Фиг. 5a-d показаны примеры в поперечном сечении выемок 36, обеспеченных в пазу 26 катодного блока 20 в соответствии с изобретением. В данном случае выемки 36 в каждом случае имеют по существу полукруглое поперечное сечение (Фиг.5a), по существу трапециевидное поперечное сечение (Фиг.5b) или по существу треугольное поперечное сечение (Фиг.5c). В данном случае угол α переходных областей 37 между стенкой выемки 36 и смежным участком стенки 32 паза, если смотреть изнутри катодного блока 20, составляет приблизительно 90° на Фиг.5a, приблизительно 120° на Фиг.5b и приблизительно 125° на Фиг.5c. На Фиг.5d показан вариант осуществления, в котором несколько выемок 36 треугольного поперечного сечения, как показано на Фиг.5c, расположены последовательно в направлении глубины паза 26, обеспечивая особенно надежное удержание установленной шины 28. В данном случае переходные области 48 между двумя смежными выемками 36 имеют угол β приблизительно 70° между стенками двух смежных выемок 36, если смотреть изнутри катодного блока 20. Выемки 36, показанные на Фиг. 5a-d, в каждом случае проходят ортогонально в боковую стенку 32 катодного блока 20, ограничивающую паз 26, так что при поступлении чугуна в выемки 36 они формируют фиксацию, которая действует в направлении глубины паза 26 и которая предотвращает нежелательное перемещение шины 28 параллельно направлению глубины паза 26 после заливки шины 28 чугуном 38, но допускает горизонтальное перемещение шины, заключенной в чугунную оболочку, например, в результате расширения шины, заключенной в чугунную оболочку, ввиду большого изменения температуры.Moreover, in FIG. 5a-d show examples in cross section of recesses 36 provided in the slot 26 of the cathode block 20 in accordance with the invention. In this case, 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). In this case, the angle α of the transition regions 37 between the wall of the recess 36 and the adjacent section of the wall 32 of the groove, as viewed from inside the cathode block 20, is approximately 90° in Fig. 5a, approximately 120° in Fig. 5b and approximately 125° in Fig. 5c . FIG. 5d shows an embodiment in which several recesses 36 of triangular cross-section, as shown in FIG. 5c, are arranged in series in the direction of the depth of the recess 26, providing a particularly secure retention of the mounted tire 28. In this case, the transition areas 48 between two adjacent recesses 36 have an angle β of approximately 70° between the walls of two adjacent recesses 36 as viewed from inside the cathode block 20. The recesses 36 shown in FIG. 5a-d, in each case extend orthogonally into the side wall 32 of the cathode block 20 delimiting the groove 26, so that when the iron enters the recesses 36 they form a fixation which acts in the direction of the depth of the groove 26 and which prevents the tire 28 from undesirably moving parallel to the direction of the depth. slot 26 after pouring the tire 28 with iron 38, but allows horizontal movement of the tire enclosed in the iron casing, for example, as a result of the expansion of the tire enclosed in the iron casing, due to a large change in temperature.

На Фиг.6 показано продольное сечение катодного блока 20 в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения, а именно в противоположность показанным на Фиг.1-4, в данном случае в перевернутом виде по отношению к его более поздней установке в электролизере, так чтобы наглядно проиллюстрировать расположение во время заливки расплавленного чугуна. Этот катодный блок 20 отличается от показанных на Фиг. 1-4 тем, что не имеет выемки в стенке, ограничивающей паз 26. Напротив, этот катодный блок 20 имеет выступ 50 в своем пазу 26, который по отношению к продольному направлению катодного блока 20 расположен по центру и, если смотреть в разрезе в продольном направлении катодного блока, имеет трапециевидную форму. В данном случае поверхность, прилегающая к стороне выступа 50, противоположной нижней стенке 34 катодного блока 20, выполнена с возможностью проходить планарно, прямоугольно и параллельно поверхности стороны катодного блока, противоположной пазу, и таким образом формировать опорную поверхность для концов двух шин 28. Конечно, одна выемка, как показано на Фиг. 1 и 2, или две выемки, как показано на Фиг. 3 и 4, также могут быть обеспечены на по меньшей мере одной или на обеих боковых стенках катодного блока 20, ограничивающих паз 26.Figure 6 shows a longitudinal section of the cathode block 20 in accordance with the third embodiment of the present invention, namely in contrast to those shown in Figures 1-4, in this case inverted with respect to its later installation in the cell, so that clearly Illustrate the location during the pouring of molten iron. This cathode block 20 differs from those shown in FIGS. 1-4 in that it does not have a recess in the wall delimiting the slot 26. On the contrary, this cathode block 20 has a protrusion 50 in its slot 26, which is located in the center with respect to the longitudinal direction of the cathode block 20 and, when viewed in a section in the longitudinal direction of the cathode block, has a trapezoidal shape. In this case, the surface adjacent to the side of the protrusion 50 opposite the bottom wall 34 of the cathode block 20 is configured to extend planarly, rectangularly, and parallel to the surface of the side of the cathode block opposite the groove, and thus form a bearing surface for the ends of the two busbars 28. Of course, one notch, as shown in Fig. 1 and 2, or two recesses as shown in FIG. 3 and 4 may also be provided on at least one or both of the side walls of the cathode block 20 defining the slot 26.

Кроме того, катодный блок 20 в соответствии с четвертым примером осуществления настоящего изобретения показан на Фиг.7, а именно вновь показан в перевернутом виде в противоположность приведенным на Фиг. 1-4. Этот катодный блок 20 отличается от показанных на Фиг.6 тем, что выступ 50, показанный в данном случае заштрихованным, не имеет трапециевидной формы, если смотреть в разрезе вдоль продольного направления катодного блока, но имеет прямоугольную форму в своей нижней части, при этом на стороне этой части выступа 50, которая противоположна нижней стенке 34 катодного блока 20, имеется прилив 54, который расположен по центру, если смотреть в продольной протяженности катодного блока 20, и который проходит по остальной высоте выступа 50. Иными словами, сторона по меньшей мере одного выступа 50, противоположная нижней стенке 34, ограничена поверхностью, которая содержит, если смотреть в продольном направлении катодного блока, два внешних участка 52, 52' и расположенный между ними один средний участок 54, при этом два внешних участка 52, 52' в каждом случае формируют опорную поверхность для одной шины 28 и в каждом случае выполнены с возможностью проходить планарно, прямоугольно и параллельно по отношению к поверхности стороны катодного блока 20, противоположной пазу 26, и которые по отношению к глубине паза 26 находятся на одинаковой высоте, тогда как, с другой стороны, средний участок 54, в отличие от двух внешних участков 52, 52', если смотреть со стороны нижней стенки, выполнен в форме подъема, так чтобы проходить в паз 26. В данном случае средний участок 54, если смотреть в разрезе в продольном направлении катодного блока 20, имеет прямоугольную форму, так что в каждом случае между двумя внешними участками 52, 52' и средним участком 54 формируется ступенька. Конечно, одна выемка, как показано на Фиг. 1 и 2, или две выемки, как показано на Фиг. 3 и 4, также могут быть обеспечены на по меньшей мере одной или на обеих боковых стенках катодного блока 20, ограничивающих паз 26.In addition, the cathode block 20 according to the fourth embodiment of the present invention is shown in FIG. 1-4. This cathode block 20 differs from those shown in FIG. 6 in that the protrusion 50, shown in this case shaded, is not trapezoidal in shape when viewed in section along the longitudinal direction of the cathode block, but is rectangular in its lower part, while on side of this part of the ledge 50, which is opposite the bottom wall 34 of the cathode block 20, there is a boss 54, which is located centrally, when viewed in the longitudinal extent of the cathode block 20, and which runs along the remaining height of the ledge 50. In other words, the side of at least one the protrusion 50 opposite the bottom wall 34 is defined by a surface which comprises, as viewed in the longitudinal direction of the cathode block, two outer portions 52, 52' and one middle portion 54 located therebetween, the two outer portions 52, 52' in each case form a bearing surface for one tire 28 and in each case are made with the ability to pass planar, rectangular and parallel along in relation to the surface of the side of the cathode block 20 opposite to the groove 26, and which are at the same height with respect to the depth of the groove 26, while, on the other hand, the middle section 54, in contrast to the two outer sections 52, 52', when viewed from side of the bottom wall, is made in the form of a rise so as to pass into the groove 26. In this case, the middle section 54, when viewed in a section in the longitudinal direction of the cathode block 20, has a rectangular shape, so that in each case between the two outer sections 52, 52 ' and the middle section 54 is formed step. Of course, one notch, as shown in FIG. 1 and 2, or two recesses as shown in FIG. 3 and 4 may also be provided on at least one or both of the side walls of the cathode block 20 defining the slot 26.

Перечень ссылочных номеровReference Number List

10 алюминиевый электролизер10 aluminum electrolyzer

12, 12' конструкция катода12, 12' cathode design

14 расплав алюминия14 aluminum melt

16 расплав криолита и оксида алюминия16 melt of cryolite and aluminum oxide

18 анод18 anode

20 катодный блок20 cathode block

22 просвет для набивной подовой массы22 gap for rammed hearth material

24 набивная подовая масса24 hearth ramming mass

26 паз26 groove

28 шина28 tire

32 боковая стенка32 side wall

34 нижняя стенка34 bottom wall

36, 36' выемка36, 36' notch

37 переходная область между стенкой выемки и смежным участком стенки паза37 transitional area between the wall of the recess and the adjacent section of the wall of the groove

38 чугун38 cast iron

39 оболочка39 shell

40 стрелка40 arrow

42 пунктирная линия42 dotted line

44 ширина паза 2644 groove width 26

46 ширина катодного блока 2046 cathode block width 20

48 переходная область между двумя смежными выемками48 transition area between two adjacent recesses

50 выступ50 ledge

52, 52' внешний участок выступа52, 52' outer section of the ledge

54 средний участок выступа/прилив54 middle ledge/tide

α угол между стенкой выемки и смежным участком стенки пазаα is the angle between the recess wall and the adjacent section of the groove wall

β угол между стенками двух смежных выемокβ is the angle between the walls of two adjacent recesses

Claims

1. Cathode block (20) for aluminum cell based on carbon and/or graphite, while the cathode block (20) has at least one groove (26) extending in the longitudinal direction of the cathode block (20) to accommodate at least one tire (28), while at least one of at least one groove (26) has a variable depth, if you look at the length of the cathode block (20), while in the wall (32, 34) of the cathode block (20), limiting at least one groove (26) of variable depth, at least one recess (36, 36') is made, having a semicircular, triangular, rectangular or trapezoidal cross section and extending horizontally in the longitudinal direction of the cathode block (20).

2. Cathode block (20) according to claim 1,

characterized in that at least one of the at least one variable depth groove (26) has a smaller depth at its longitudinal ends than at its center.

3. The cathode block (20) according to claim 1 or 2, characterized in that the wall (32, 34), limiting at least one groove (26) of variable depth, contains a bottom wall (34) and two side walls (32) , wherein each side wall (32) contains at least one recess (36, 36') that extends horizontally in the longitudinal direction of the cathode block (20).

4. Cathode block (20) according to claim 3, characterized in that at least one of the at least one recess (36, 36') extends over at least 60% of the total length of at least one slot (26).

5. The cathode block (20) according to claim 4, characterized in that at least one of the at least one recess (36, 36') has a depth in the range from 0.5 mm to 40 mm.

6. The cathode block (20) according to claim 5, characterized in that at least one of the at least one recess (36, 36') has a width of the open part in the range from 2 mm to 40 mm relative to the height of the cathode block (20 ).

7. Cathode containing at least one cathode block (20) in accordance with at least one of paragraphs. 1-6, wherein at least one of at least one slot (26) of variable depth in at least one cathode block (20) is provided with at least one tire (28), which at least partially has a shell ( 39) of cast iron (38) or rammed hearth mass, which interacts at least in sections with at least one recess (36, 36').

8. The use of the cathode block (20) according to at least one of paragraphs. 1-6 for electrolysis of molten salts for metal production, preferably for aluminum production.

9. The use of the cathode (12) according to claim 7 for carrying out the electrolysis of molten salts for the production of metal, preferably for the production of aluminum.