WO2004059039A1 - Kathodensysteme zur elektrolytischen aluminiumgewinnung - Google Patents

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WO2004059039A1
WO2004059039A1 PCT/EP2003/014558 EP0314558W WO2004059039A1 WO 2004059039 A1 WO2004059039 A1 WO 2004059039A1 EP 0314558 W EP0314558 W EP 0314558W WO 2004059039 A1 WO2004059039 A1 WO 2004059039A1
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cathode
systems according
different
contact
collector
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PCT/EP2003/014558
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Manfred Banek
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Sgl Carbon Ag
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/08—Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/16—Electric current supply devices, e.g. bus bars

Definitions

  • the invention relates to cathode systems for electrolytic Almnim extraction, in particular those with improved service life.
  • Tub serving the cathode under the melt, which largely protects against reoxidation.
  • the carbon electrodes acting as an anode (block or Söderberg anodes) are gradually used up by the released oxygen.
  • Suitable electrolytic cells usually consist of a steel tub, which is covered on the inside with a heat-insulating material.
  • the bottom of the electrolytic cells consists of several cathode blocks arranged in parallel on the insulating material, the joints of which are sealed to one another and to the edge with ramming compounds made from mixtures of carbon granules and coal tar or coal tar pitch.
  • the material for the cathode blocks mostly consists of anthracite (recently also graphite or coke or their mixtures with anthracite), which is calcined at 1200 ° C or higher, then ground and classified according to the particle size. A suitable particle size fraction is mixed with pitch and formed into blocks.
  • the binding pitch is then converted at elevated temperature to a material consisting essentially of carbon.
  • a material consisting essentially of carbon Thereby, graphitized (treatment at approx. 3000 ° C), so-called “semi-graphitized” (treatment at approx. 2300 ° C), so-called “semi-graphitic” (graphitic particles, but treatment of the block at approx. 1200 ° C), and Amorphous blocks (particles are not or only partially graphitized, treatment of the block at approx. 1200 ° C) is differentiated.
  • Aluminum melt takes place through steel bars or collectors, which are connected to the cathode blocks in an electrically conductive manner.
  • a consumption of the material by removal is observed, which determines the service life of the electrolysis cell; this is usually 1500 to 3000 days.
  • the removal is not uniform over the length of the cathode blocks, but one observes, particularly with graphitized cathode blocks, two maxima of the removal near the side stones, and a minimum in the middle of the length of the cathode blocks (W-shaped profile). Due to the uneven removal, the useful life is determined by the places of the largest removal.
  • EP-A 0 284 298 describes improved sealing materials for connecting the
  • Cathode blocks described They are less prone to cracking than known sealing materials and thus reduce the risk of failure. However, this measure does not change the non-uniform abrasion over the length of the block.
  • WO-A 00/46426 describes a one-piece graphite cathode block which has different specific electrical resistances parallel to the longitudinal axis, the resistance near the ends of the block being higher than in the middle. This differentiation is achieved by different heat treatment in the graphitization, namely the use of temperatures from 2200 to 2500 ° C in the area of the ends, and 2700 to 3000 ° C in the area of the center of the cathode blocks. Such different temperatures can be achieved through poor insulation of the graphitization furnaces. Another possibility is to choose the current density differently during the graphitization, and thus the to distribute the Joule heat generated unevenly over the cathode block to be graphitized. While the former possibility has to be discarded for economic reasons, the second possibility requires an additional effort in the production in the graphitization step, which has to be optimized for the special cathode shape.
  • a cathode with an improved service life is described in WO-A 00/46427.
  • a graphite cathode is impregnated with a carbonizable substance under reduced pressure at elevated temperature, the temperature and time having to be chosen so that the substance is sufficiently fluid to fill the pores of the cathode, and then the impregnated cathode is at a Temperature below
  • WO-A 00/46428 describes a graphite cathode whose specific electrical resistance in the direction perpendicular to its longitudinal axis is higher than that in FIG
  • the task is solved by dividing the power dissipation from the
  • Carbon cathode in multiple zones This can be achieved by dividing the contact mass or tamping mass effecting the electrical connection between the cathode and the collectors into several zones in which material with different conductivity or different electrical resistance is used, or by multi-part design of the steel bars or collectors.
  • the invention therefore relates to cathode systems for electrolytic aluminum production, characterized in that they are arranged in the direction of their long axis on the
  • Cathode system is understood here to mean the combination of the cathode block, the collector and the contact or ramming mass, which brings about the electrical contact between the cathode block and the collector.
  • One way of realizing the solution according to the invention is to use different materials with different contact resistance between the collector and the carbon material of the cathode along the length of the cathode systems. Another way of realizing this is to use multi-part collectors, the material and line cross section of the collector parts being chosen according to the desired resistance between a given (melt-facing) point of the cathode block and the free end of the collectors.
  • Further objects of the invention are methods for contacting cathodes and collectors by at least two different contact or ramming masses in terms of their electrical conductivity, methods for producing suitable collectors with the multi-part structure described, and the use of different contact or ramming masses or multi-part collector filling forms in cathode systems for the electrolytic extraction of metallic aluminum.
  • the contact or ramming mass serves both the mechanical strength of the combination of collector and cathode and the electrical contact between these parts of the cathode system. It is customary, for example, to pour the gap between the collector and the cathode with cast iron.
  • ramming compounds filled with particulate carbon anthracite and / or graphite
  • metal particles such as iron or iron alloys such as steel
  • their binders tars especially coal tar
  • pitches especially coal tar pitches
  • the conductivity or the electrical resistance can be varied by selecting the type (composition, particle size and its distribution) and amount of the filler causing the conductivity.
  • adhesives in particular two- or multi-component adhesives, such as those based on epoxy resins or phenolic resins, which are also adequate by adding particulate metal and / or carbon in the form of anthracite and / or graphite powders Maintain conductivity in the desired degree.
  • At least two different contact masses are preferably used for contacting cathodes and collectors, the boundary between zones of different materials running perpendicular to the long axis of the collectors.
  • the contact resistance between the collector and the cathode is in the middle of the length of the cathode.
  • Mine is the contact resistance in the region of the ends of the cathode.
  • the contact mass is cast iron in the region of the center of the cathode length.
  • a contact mass is preferably used, which is selected from tars filled with electrically conductive particles, tar pitches, synthetic resins based on epoxy resins and / or phenolic resins, and
  • Adhesives based on epoxy resins and / or phenolic resins are based on epoxy resins and / or phenolic resins.
  • Particles of particulate carbon and metal particles in the form of powders, shot, fibers, whiskers and / or platelets are particularly preferred as electrically conductive particles.
  • the division of the contact mass or the collector into zones of different conductivity or different electrical resistance is preferably carried out in such a way that the current density at the point of transition from the cathode to the aluminum melt covering its base is as uniform as possible over the length of the cathode.
  • an embodiment is referred to as “as uniform as possible” in which the current density does not change by more than a factor of 2 over the cathode length.
  • a change by a factor of at most 1.5 is preferred, particularly preferably by a factor of at most 1.3.
  • the recess on the underside of the cathode blocks is preferably filled with the contact masses of different resistance to such an extent that only small amounts emerge when the collector rods are mounted.
  • the different contact possibilities can also be implemented in succession on the same cathode blocks.
  • the specific resistance of the selected contact masses can be set in a simple manner by different compositions.
  • the same binders or binder mixtures can be used as a matrix with (depending on type and / or quantity) different ones
  • Conducting additives are filled; However, it is also possible to vary the binders or cement mixtures depending on the type and amount of the conductive filler in order to achieve a similar processing viscosity and thereby to compensate for the forces acting on the cathode block during assembly.
  • the division of the collectors into zones with different resistance can be carried out in such a way that the collector is divided into pieces of different cross-section, the metals used being the same or different, or into pieces of metals with different conductivity, such as copper and steel. Of course it is it is also possible to vary the cross-section and material of the collector parts at the same time. Because of the mostly different thermal expansion of different metals, it is preferred to realize the desired different resistance by using the same metal and different cross sections.
  • metal parts with different specific resistance in the direction of the side of the carbon cathode facing the melt are then preferably arranged on a common carrier made of a highly conductive metal (for example copper).
  • the zones of the collector with different resistance are separated from each other by a flat insulator. Gliminer film is preferred (because of its high thermal stability).
  • suitable fastening means in particular sleeves made of sheet metal.
  • FIG. 2 shows a cross section along the line II-II 'through a cathode system with a
  • Zone with higher resistance is designed in the form of a sleeve.
  • 1 shows a longitudinal section through a cathode system with conventional collector rod 2, which is connected to the cathode 1 via two contact masses 13 and 14 with differing electrical resistance.
  • the contact resistance is from the collector
  • the material of the contact mass 14 is cast iron, while the material of the contact mass 13 is a tar pitch, synthetic resin or synthetic resin adhesive filled with carbon and / or metal particles.
  • the collector consists of two zones 4 and 5, which have different electrical resistances due to their different cross-sections.
  • the materials 4 and 5 can be the same or different.
  • the two zones 4 and 5 are electrically separated from one another by an intermediate layer 6 of an insulating material which must survive the operating temperature of the cathode of approximately 960 ° C. without damage.
  • Mineral insulating materials such as Glimn discs are preferred.
  • the required mechanical strength is achieved in this embodiment in that the zone 4 with the higher conductivity also has the larger cross section.
  • a sleeve 15 made of a metal band for example a steel band
  • the sleeve 15 being insulated from collector parts 4 and 5 by an insulator 6 ', for example a mica liner is insulated.
  • Parts 4 and 5 of the collector are electrically separated from one another by an insulating intermediate layer 6.
  • the tensioning device for the cuff is not shown in this drawing.
  • FIG. 5 Another embodiment of the invention with a multi-part collector 2 is shown in FIG. 5, the collector being composed of a thin plate 11 of a metal with a low resistance, such as copper, and two thicker plates 9 and 10 of a metal with a higher resistance, however also higher strength and rigidity, such as steel.
  • the plate 11 is electrically insulated from the plate 9, but is conductively connected to the plate 10.
  • Ratio of the resistors chosen so that the current density in the transition from cathode 1 to almrinium melt in the bottom of the cell is as uniform as possible.
  • the plates 9, 10 and 11 are mechanically connected to one another, as is shown in principle in FIG. 9.
  • the ratio of the current density in the peripheral zone to the current density in the central zone of the cathode 1 is not more than 2: 1, preferably not more than 1.5: 1, and particularly preferably not more than 1.2: 1.
  • 6 and 7 are alternative embodiments of the insulation in the case of a two-part
  • This embodiment according to FIG. 7 has proven to be advantageous for the introduction of the insulating intermediate layer 6.
  • FIG. 8 shows a structure of a cathode system with a cathode 1, the current being dissipated via a collector 2.
  • the collectors 2 are each composed of three parts or zones 5, 7 and 8, the sleeves again not being shown for reasons of clarity.
  • FIG. 9 Longitudinal section
  • FIG. 9 cross section
  • a flat insulator for example a mica foil, is inserted on both sides of the collector according to the length of the divided zones, so that no electrical
  • FIG. 10 shows a corresponding structure (section XX 'in FIG. 4), in which isoher foils 6 "and 6"' are inserted on both sides of the collector in the region of the divided zones, and which is in position by the ramming sleeve 13 can be fixed. Otherwise, the ramming mass effects the electrical contacting (here between zone 5 and the cathode) and the fixing of collector 2 and cathode 1 in a known manner. In the area of the section XI-XI 'in FIG. 4, which is shown in FIG. 11, such insulation on the side is naturally no longer necessary. Therefore, the contact resistance between the cathode 1 and the collector 2 via the ramming mass 13 is also considerably lower in this area because of the larger contact area, which also serves to increase the current density in this area.
  • the collectors are divided into more than two zones, insulation must also be carried out on the sides.
  • the need for insulation on the sides can be avoided if the zone of higher resistance in the collector is not designed as a plate facing the cathode, but in the form of a sleeve which encloses the collector at least as far as the
  • FIG. 12 An embodiment of this type is shown in cross section in FIG. 12, the inner part 4 of the collector 2 being surrounded on three sides by a sleeve 5 of higher resistance.
  • insulation 6 is only required inside the collector; the lower effort in the assembly of the collector contrasts with the increased construction effort of this form, depending on the circumstances of the
  • Graphite cathodes of conventional design with a length of 3300 mm were equipped with conventional steel supports as collectors and were connected with different resistance by introducing rammers.
  • the specific resistances of the ramming masses in the area near the edge compared to those in the center area were 5: 1.
  • An electrolysis cell equipped in this way with 20 cathode blocks was operated for 1000 days with a current of 220 kA and 4.4 V. As a comparison, cells were operated with the same cathode system, using a uniform ramming mass.
  • the cells were emptied and disassembled, and the cathodes were examined for wear. While in the cathodes of the comparison set-up, the removal was approximately 7.5 cm in both edge zones, and the removal in the middle of the cathode single 2.5 cm, only a removal of approx. 4 cm could be measured in the embodiment according to the invention in the edge zones, whereas a removal of approx. 3.5 cm was measured in the middle.
  • Grapl ⁇ t cathodes of conventional design with a length of 3300 mm were equipped with conventional steel supports as collectors and connected in the usual way by introducing a ramming compound.
  • An electrolysis cell with 20 cathode blocks was operated for 1000 days with a current of 220 kA and 4.4 V (comparison).
  • the same cathodes were connected to steel supports according to 2 in FIG. 4, the ends of which were milled to a distance from the end of the cathode of approximately 700 mm to 5/6 of their original thickness.
  • the transition to the unprocessed central zone was carried out according to FIG. 7 at an angle of approximately 160 °.
  • the milled surface was covered with a GlimrnerfoHe 6 with a thickness of approx. 0.3 mm
  • a steel plate 5 of suitable dimensions is fastened to the carrier with the aid of cuffs which are insulated with geothermal elements according to FIG. 9.
  • the steel beams or connectors were insulated according to the structure shown in FIG. 4 by inserting mica foils on both sides as far as the multi-part zone of the
  • the toes were emptied and dismantled, and the cathodes were examined for wear. While in the cathodes of the comparison set-up, the removal in both edge zones was approx. 8 cm, and in the middle of the cathode the removal was only high
  • Border zone could be reached. Since the useful life of the cathode is limited by the location of the greatest removal, the use of cathode systems results in the invention significantly extends the life of the cathodes in a simple and inexpensive manner.

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Abstract

Kathodensysteme für die elektrolytische Aluminiumgewinnung, die in Richtung ihrer langen Achse auf der Seite der Stromabführungen von der Kathode in mindestens zwei Teile mit unterschiedlichem elektrischen Widerstand geteilt sind, derart dass der elektrische Widerstand von den Enden des Kollektors (2) bis zum dem Kollektor zugewandten Teil der Randzone der Kathode mindestens das 1,2fache des elektrischen Widerstands von den Enden des Kollektors bis zum dem Kollektor zugewandten Teil der Mitte der Kathode beträgt, wobei entweder die Kontaktmasse oder der Kollektor in Zonen (13), (14) unterschiedlichen Widerstands aufgeteilt sind, Verfahren zu deren Herstellung und deren Anwendung bei der elektrolytischen Gewinnung von Aluminium

Description

Kathodensysteme zur elekttolytischen Aluininiurngewinniing
Die Erfindung betrifft Kathodensysteme zur elektrolytischen Almnim ngewinnung, insbesondere solche mit verbesserter Standzeit.
Bei der elektrolytischen Gewinnung von metallischem Aluminium im Hall-Heroult-Prozeß wird Al ταiniumoxid, gelöst in der ca. 20-fachen Menge an geschmolzenem Kryolith (Na3[AlFfi]) als Flussmittel, bei einer Temperatur von ca. 960 °C in Elektrolysezellen durch Gleichstrom zerlegt (bei einer Spannung von 4 bis 5 V und einer Stromstärke von 80 000 bis 500 000 A). Das flüssige Aluminium sammelt sich auf dem Boden der mit Kohlenstoff ausgekleideten, als
Kathode dienenden Wanne unter der vor Rückoxidation weitgehend schützenden Schmelze. Die als Anode wirkenden Kohlenstoffelektroden (Block- oder Söderberg-Anoden) werden allmählich durch den freiwerdenden Sauerstoff verbraucht.
Geeignete Elektrolysezellen bestehen üblicherweise aus einer Stahlwanne, die innen mit einem wärmeisolierenden Material belegt ist. Der Boden der Elektrolysezellen besteht aus mehreren auf dem Isoliermaterial parallel angeordneten Kathodenblöcken, deren Fugen untereinander und zum Rand mit Stampfmassen aus Mischungen von Kohlenstoff-Körnungen und Steinkohlenteer oder Steinkohlenteerpech abgedichtet werden. Das Material für die Kathodenblöcke besteht meist aus Anthrazit (neuerdings auch Graphit oder Koks oder deren Mischungen mit Anthrazit), der bei 1200 °C oder höher calciniert, dann gemahlen und nach der Teilchengröße klassifiziert wird. Eine geeignete Teilchengrößefraktion wird mit Pech gemischt und zu Blöcken geformt. Anschließend wird das Bindepech bei erhöhter Temperatur zu einem im wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden Material umgewandelt. Dabei werden graphitierte (Behandlung bei ca. 3000 °C), sogenannte "halbgraphitierte" (Behandlung bei ca. 2300 °C), sogenannte "halb- graphitische" (graphitische Partikel, jedoch Behandlung des Blocks bei ca. 1200 °C), und amorphe Blöcke (Partikel sind nicht oder nur teilweise graphitiert, Behandlung des Blocks bei ca. 1200 °C) unterschieden.
Die Sttomabführung aus dem flüssigen Elektrolyten und der den Boden bedeckenden
Alumimumschmelze erfolgt durch Stahlbarren oder Kollektoren, die elektrisch leitend mit den Kathodenblöcken verbunden sind. Auch bei den Kathodenblöcken wird ein Verbrauch des Materials durch Abtrag beobachtet, der die Lebensdauer der ElektrolysezeEe bestimmt; üblicherweise liegt diese bei 1500 bis 3000 Tagen. Der Abtrag ist nicht gleichmäßig über die Länge der Kathodenblöcke, sondern man beobachtet, insbesondere bei graphitierten Kathodenblöcken, zwei Maxima des Abtrags in der Nähe der Seitensteine, und ein Minimum in der Mitte der Länge der Kathodenblöcke (W- förmiges Profil) . Durch den ungleichmäßigen Abtrag wird naturgemäß die Nutzungsdauer durch die Stellen des größten Abtrags bestimmt.
Die Nutzungsdauer der Kathodenblöcke ist Gegenstand zahlreicher Untersuchungen.
M. Serlie und H.A. 0ye haben in J. Appl. Electrochemistry 19 (1989), S. 580 bis 588, systematisch über die verschiedenen Einwirkungen auf die Kathodem-naterialien, Abdichtungen und Seitensteine und deren Auswirkungen auf die Nutzungsdauer berichtet.
In der EP-A 0 284 298 werden verbesserte Abdichtmaterialien zur Verbindung der
Kathodenblöcke beschrieben. Sie neigen weniger zur Rißbildung als bekannte Abdichtmaterialien und verringern dadurch das Versagensrisiko. DieseMaßnahme ändert jedoch nichts an dem ungleichförmigen Abtrag über die Karhodenblocklänge.
In der WO-A 97/48838 sowie in Aluιxιiniuιτι 72, 1996, Heft 11, Seiten 822 bis 826, wird die
Verbesserung des Stromübergangs zwischen den (hier plattenför nig ausgeführten) Stahllcollektoren und der Kathode durch Einsatz von Kontaktstiften in der Grenzfläche beschrieben. Das Anbringen dieser Kontaktstifte und das Herausarbeiten der Aussparungen auf der Gegenseite sind jedoch mit erheblichem Aufwand verbunden.
In der WO-A 00/46426 wird ein einteiliger Graphit-Kathodenblock beschrieben, der parallel zur Längsachse unterschiedliche spezifische elektrische Widerstände aufweist, wobei der Widerstand in der Nähe der Enden des Blocks höher ist als in der Mitte. Diese Differenzierung wird erreicht durch unterschiedliche Wärmebehandlung bei der Graphitierung, nämlich die Anwendung von Temperaturen von 2200 bis 2500 °C im Bereich der Enden, und 2700 bis 3000 °C im Bereich der Mitte der Kathodenblöcke. Solche unterschiedlichen Temperaturen lassen sich durch mangelhafte Isolation der Graphitierungsöfen erreichen. Eine andere Möglichkeit ist, die Stromdichte bei der Graphitierung entsprechend unterschiedlich zu wählen, und dadurch die erzeugte Joule'sche Wärme ungleichmäßig über den zu graphitierenden Kathodenblock zu verteilen. Während die erstgenannte Möglichkeit aus ökonomischen Gründen zu verwerfen ist, bedingt die zweite Möglichkeit einen zusätzlichen Aufwand in der Fertigung im Graphitierungsschritt, der jeweils auf die spezielle Kathodenform hin zu optimieren ist.
Eine andere Ausführungsforrn einer Kathode mit verbesserter Lebensdauer wird in der WO-A 00/46427 beschrieben. Hier wird eine Graphit-Kathode mit einer carbonisierbaren Substanz unter vermindertem Druck bei erhöhter Temperatur imprägniert, wobei Temperatur und Zeit so gewählt werden müssen, daß die Substanz ausreichend fließfähig ist, um die Poren der Kathode zu füllen, und anschließend wird die imprägnierte Kathode bei einer Temperatur unterhalb von
1600 °C carbonisiert. Es werden daher zusätzliche Arbeitsschritte bei der Karhodenfertigung erforderlich.
In der WO-A 00/46428 schließlich wird eine Graphitkathode beschrieben, deren spezifischer elektrischer Widerstand in der Richtung senkrecht zu ihrer Längsachse höher ist als der in
Richtung der Längsachse. Dieser Unterschied im Widerstand wird erreicht durch Einsatz unterschiedlicher Materialien zur Herstellung der Kathode, wobei mindestens einige anisotrop sind, und durch Herstellung unter Bedingungen, die die Orientierung von Teilchen begünstigen, wie Extrusion oder Rüttelverdichtung. Diese Verfahrensweise erfordert spezielle (Zusatz)- Materialien sowie angepaßte Herstellungsverfahren.
Alle genannten Maßnahmen implizieren also besonderen zusätzHchen Aufwand bei der Herstellung der Kathoden.
Es besteht daher die Aufgabe, durch einfache Maßnahmen den Abtrag der Kathodenblöcke über die Länge der Blöcke möglichst gleichmäßig zu gestalten. Insbesondere ist es gewünscht, den HersteEprozeß für die Kathoden einheitlich zu belassen, um die Vielfalt in der Produktion nicht unnötig zu erhöhen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Unterteilung der Steomabführung von der
Kohlenstoffkathode in mehrere Zonen. Dies kann erreicht werden durch Aufteilung der die elektrische Verbindung zwischen der Kathode und den Kollektoren bewirkende Kontaktmasse oder Stampfmasse in mehrere Zonen, in denen Material mit unterschiedlicher Leitfähigkeit bzw. unterschiedlichem elektrischen Widerstand eingesetzt wird, oder durch mehrteilige Ausführung der Stahlbarren oder Kollektoren.
Gegenstand der Erfindung sind daher Kathodensysteme für die elektrolytische Aluminiutngewinnung, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Richtung ihrer langen Achse auf der
Seite der Stromabführungen von der Kathode zum Kollektor in mindestens zwei Teile mit unterschiedlichem elektrischen Widerstand geteilt sind, derart daß der elektrische Widerstand von den freien Enden des Kollektors bis zum dem Kollektor zugewandten Teil der Randzone der Kathode mindestens das 1,2-fache des elektrischen Widerstands von den freien Enden des Kollektors bis zum dem Kollektor zugewandten Teil der Mitte der Kathode beträgt. Dabei sind entweder die Kontaktmasse oder der Kollektor in Zonen unterschiedlichen Widerstands aufgeteilt.
Unter Kathodensystem wird hier die Kombination aus Kathodenblock, dem Kollektor und der Kontakt- oder Stampfmasse verstanden, die den elektrischen Kontakt zwischen Kathodenblock und Kollektor bewirkt.
Ein Weg zur Realisierung der erfindungsgemäßen Lösung ist dadurch gegeben, entlang der Länge der Kathodensysteme unterschiedliche Materialien mit unterschiedlichem Übergangswiderstand zwischen dem Kollektor und dem Kohlenstoffmaterial der Kathode einzusetzen. Ein weiterer Weg zur Realisierung ist, mehrteilige Kollektoren einzusetzen, wobei Material und Leitungsquerschnitt der Kollektorenteile entsprechend dem gewünschten Widerstand zwischen einer gegebenen (der Schmelze zugewandten) Stelle des Kathodenblocks und den freien Ende der Kollektoren gewählt werden.
Weitere Gegenstände der Erfindung sind Verfahren zur Kontaktierung von Kathoden und Kollektoren durch mindestens zwei in ihrer elektrischen Leitfähigkeit unterschiedlichen Kontakt- oder Stampfmassen, Verfahren zur Herstellung geeigneter Kollektoren mit dem beschriebenen mehrteiligen Aufbau sowie die Anwendung unterschiedlicher Kontakt- oder Stampfmassen oder mehrteiliger Kollektor-Ausfülirungsformen in Kathodensystemen zur elektrolytischen Gewinnung von metallischem Al ninium. Die Kontakt- oder Stampfmasse dient sowohl der mechanischen Festigkeit der Kombination aus Kollektor und Kathode sowie auch der elektrischen Kontaktierung zwischen diesen Teilen des Kathodensystems. Üblich ist beispielsweise das Ausgießen des Spalts zwischen Kollektor und der Kathode mit Gußeisen. Andererseits werden auch mit partüαdärem Kohlenstoff (Anthrazit und/oder Graphit) und/oder mit Metallteilchen (Pulver, Schrot, Fasern, Whisker oder Plättchen; insbesondere aus Eisen oder Eisenlegierungen wie Stahl) gefüllte Stampfmassen verwendet, deren Bindemittel Teere (besonders Steinkohlenteer) oder Peche (besonders Steinkohlenteerpeche) sind. Durch die Wahl von Art (Zusammensetzung, Teilchengröße und deren Verteilung) und Menge des die Leitfähigkeit bewirkenden Füllstoffes kann die Leitfähigkeit bzw. der elektrische Widerstand variiert werden. Ebenso ist es möglich, Klebstoffe, insbesondere Zwei- oder Mehr-Komponenten-Klebstoffe wie solche auf Basis von Epoxidharzen oder Phenolharzen einzusetzen, die ebenfalls durch Zusatz von partikulärem Metall und/oder Kohlenstoff in Form von Anthrazit- und/oder Graphit-Pulvern eine ausreichende Leitfähigkeit im gewünschten Maß erhalten.
Bevorzugt werden mindestens zwei unterschiedliche Kontaktmassen zur Kontaktierung von Kathoden und Kollektoren eingesetzt, wobei die Grenze zwischen Zonen unterschiedlichen Materials senkrecht zur langen Achse der Kollektoren verläuft. Dabei ist der Übergangswiderstand zwischen Kollektor und Kathode in der Mitte der Länge der Kathode Meiner ist als der Übergangswiderstand im Bereich der Enden der Kathode.
Es ist weiter bevorzugt, daß im Bereich der Mitte der Kathodenlänge die Kontaktmasse Gußeisen ist. Im Bereich der Enden der Kathodenlänge wird vorzugsweise eine Kontaktmasse eingesetzt, die ausgewählt ist aus mit elektrisch leitfähigen Teilchen gefüllten Teeren, Teerpechen, Kunstharzen auf Basis von Epoxidharzen und/oder Phenolharzen, und
Klebstoffen auf Basis von Epoxidharzen und/oder Phenolharzen.
Als elektrisch leitfähige Teilchen sind Teilchen aus partikulärem Kohlenstoff und Metallteilchen in Form von Pulvern, Schrot, Fasern, Whiskern und/oder Plättchen besonders bevorzugt.
Toda et. al., in "Light Metals 1999", hrsg. von C. E. Eckert, Warrendale, PA, USA, beschreibt Untersuchungen über den Übergangswiderstand zwischen Kollektorstäben und Kathodenmaterial mit zwei verschiedenen Kontaktmassen unterschiedlicher Leitfähigkeit. Beide untersuchten Massen führten zu sehr niedrigem Übergangswiderstand von unter 0,1 Ω/mm2. Es gibt jedoch keinen Hinweis darauf, Kontaktmassen unterschiedlicher Leitfähigkeit nebeneinander zu verwenden und dadurch den Übergangswiderstand in einer Zone gezielt niedriger einzustellen als in einer benachbarten Zone.
Die Aufteilung der Kontaktmasse bzw. des Kollektors in Zonen unterschiedlicher Leitfähigkeit bzw. unterschiedlichen elektrischen Widerstands wird bevorzugt so vorgenommen, daß die Stromdichte an der Stelle des Übergangs von der Kathode zu der ihren Boden bedeckenden Aluminiumschmelze über die Kathodenlänge möglichst gleichmäßig ist. Als "möglichst gleichmäßig" wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Ausführungsform bezeichnet, bei der die Stromdichte sich über die Kathodenlänge um nicht mehr als den Faktor 2 ändert. Bevorzugt ist einen Änderung um einen Faktor von maximal 1,5, besonders bevorzugt um einen Faktor von maximal 1,3.
Werden unterschiedliche Kontaktmassen auf Basis von Klebstoffen bzw. Kontaktmassen mit
Teeren oder Pechen als Binder eingesetzt, so wird bevorzugt die Aussparung auf der Unterseite der Kathodenblöcke mit den Kontaktmassen unterschiedlichen Widerstands so weit gefüllt, daß nur geringe Mengen beim Montieren der Kollektorstäbe austreten. Es ist erfindungsgemäß auch möglich, Zonen durch Ausgießen mit geschmolzenen Metallen, bevorzugt wird dafür Gußeisen, zu kontaktieren. Die unterschiedlichen Kontaktieπmgsmögkchkeiten lassen sich auch nacheinander an denselben Kathodenblöcken realisieren.
Der spezifische Widerstand der gewählten Kontaktmassen läßt sich in einfacher Weise durch unterschiedliche Zusammensetzung gezielt einstellen. Dabei können dieselben Bindemittel oder Bindemittehxtischungen als Matrix mit (nach Art und/oder Menge) unterschiedlichen die
Leitfähigkeit bewirkenden Zusätzen gefüllt werden; es ist aber auch möglich, die Bindemittel oder B demitteknischungen je nach Art und Menge des leitfähigen Füllstoffs zu variieren, um eine ähnliche Verarbeitungsviskosität zu erreichen und dadurch die auf den Kathodenblock bei der Montage wirkenden Kräfte auszugleichen. Die Teilung der Kollektoren in Zonen mit unterschiedlichem Widerstand läßt sich so durchführen, daß der Kollektor aufgeteilt wird in Stücke von unterschiedlichem Querschnitt, wobei die verwendeten Metalle gleich oder verschieden sein können, oder in Stücke aus Metallen mit unterschiedlicher Leitfähigkeit, wie beispielsweise Kupfer und Stahl. Selbstverständlich ist es auch möglich, Querschnitt und Material der Kollektorteile gleichzeitig zu variieren. Wegen der meist unterschiedlichen thermischen Ausdehnung verschiedener Metalle ist es bevorzugt, den gewünschten unterschiedlichen Widerstand durch Verwendung desselben Metalls und unterschiedlicher Querschnitte zu realisieren. Erfindungsgemäß ist es jedoch auch möglich, verschiedene Metalle einzusetzen, wobei dann bevorzugt Metallteile mit unterschiedhchem spezifischen Widerstand in Richtung zu der der Schmelze zugewandten Seite der Kohlenstofflcathode auf einem gemeinsamen Träger aus einem gut leitenden Metall (beispielsweise Kupfer) angeordnet werden.
Die Zonen des Kollektors mit unterschiedlichem Widerstand werden voneinander durch einen flächigen Isolator getrennt. Bevorzugt wird (wegen seine hohem thermischen Stabilität) Gliminerfolie eingesetzt. Der Zusammenhalt von derart zusammengesetzten Kollektoren wird durch geeignete Befestigungsmittel sichergestellt, insbesondere Manschetten aus Blech.
Es ist auch möglich, ohne derartige Befestigungsmittel auszukommen, wenn ein Aufbau gewählt wird, bei dem ein Metallbarren aus einem gut elektrisch leitenden Material mit einer isolierenden Folie und einer Hülse aus schlechter leitendem Material umkleidet wird. Diese Umkleidung wird so weit ausgeführt, daß der Barren in der Mitte der Kathodensystem-Länge direkt mit der Kohlenstoffkathode in Verbindung steht. Im Außenbereich, also zu den Enden des Kathodensystems hin, erfolgt die elektrische Verbindung ausschließlich über die Hülse.
In allen Fällen ist es möglich, zwei Kollektor-Halbstäbe oder einen durchgehenden Kollektor einzusetzen, wobei der durchgehende Kollektor und die Halbstäbe in geeigneter Weise in Zonen unterschiedlichen Widerstands geteilt sind.
Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden durch die Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen
die Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Kathodensystem mit zwei Kontaktmassen unter- schiedlichen Widerstands; und
die Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie II-II' durch ein Kathodensystem mit einem
Kollektor, der mit der Kathode durch eine Kontaktmasse verbunden ist; und einen Querschnitt längs der Linie III-III' durch ein Kathodensystem mit einem
Kollektor, der mit der Kathode an dieser Stelle durch Ausgießen mit Gußeisen verbunden ist; und
einen Längsschnitt durch ein Kathodenende, in dem der Kollektor (Stahlträger) in zweigeteilter Form zu sehen ist; und
einen Längsschnitt durch ein Kathodenende, in dem der Kollektor aus verschiedenen Metallen unterschiedlicher Leitfähigkeit ausgeführt ist; und
einen Längsschnitt durch ein Kathodenende, in dem der Kollektor (Stahlträger) in zweigeteilter Form zu sehen ist, und worin die Ausführung der Isolation mit rechtwinkliger Einpassung vergrößert dargestellt ist; und
eine alternative Ausführungsform zu der in Fig. 6 dargestellten, hier mit sl npfwinkliger Einpassung; und
einen Längsschnitt durch eine Kathode mit einem dreigeteilten Kollektor; und
den Querschnitt durch einen in zwei Zonen aufgeteilten Kollektor, dessen Teile durch eine Manschette mechanisch und elektrisch isoliert verbunden sind; und
einen Querschnitt der in Fig.4 dargestellten Ausführungsform längs der Linie X- X'; und
einen Querschnitt der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform längs der Linie XI-XT; und
einen Querschnitt durch einen in zwei Zonen aufgeteilten Kollektor, wobei die
Zone mit höherem Widerstand in Form einer Hülse ausgebildet ist. Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Katliodensystem mit herkörn nlichern Kollektorstab 2, der über zwei Kontaktmassen 13 und 14 mit unterschiedhchem elektrischen Widerstand mit der Kathode 1 verbunden ist. Dabei ist der Übergangswiderstand vom Kollektor
2 durch die Kontaktmasse 13 größer als der über die Kontaktmasse 14, erfindungsgemäß mindestens um einen Faktor 1,2, bevorzugt mindestens 1,5, und insbesondere mindestens einen
Faktor 2. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Material der Kontaktmasse 14 Gußeisen, während das Material der Kontaktmasse 13 ein mit Kohlenstoff- und/oder Metallteilchen gefülltes Teerpech, Kunstharz oder Kunstharz-Kleber ist.
Die Fig. 2 und 3 zeigen Querschnitte längs der Linien II-II' bzw. III-III' aus der Fig. 1. Auch in diesen Fällen werden die Kontaktmassen 13 und 14 so gewählt, daß sich für den Übergangswiderstand zwischen dem Kollektor 2 und der Kathode 1 an den Stellen der Schnitte II-II' (Rπ) und an der Stelle III-III' (RπI) die folgenden Verhältnisse ergeben: Rπι . Rπ _ 1 :lj2 bis L100; bevorzugt 1:2 bis 1:80, und insbesondere 1:5 bis 1:60.
In der Fig. 4 ist ein Längsschnitt durch eine Kathode 1 mit Kollektor 2 dargestellt, das Material
3 der Kathode ist ausgewählt aus Graphit, halbgraphitischen, halb-grapliitiertem und amorphen Kohlenstoff, wobei Graphit-Kathoden wegen ihrer besseren Leitfähigkeit bevorzugt werden. Der Kollektor besteht in dieser Ausfuhrungsform aus zwei Zonen 4 und 5, die wegen ihres unterschiedlichen Querschnitts unterschiedlichen elektrischen Widerstand aufweisen. Dabei können die Materialien 4 und 5 gleich oder verschieden sein. Die beiden Zonen 4 und 5 sind durch eine Zwischenlage 6 eines isolierenden Materials elektrisch voneinander getrennt, das die Betriebstemperatur der Kathode von ca. 960 °C unbeschadet überstehen muß. Bevorzugt werden mineralische Isoliermaterialien wie Glimn erscheiben verwendet. Die erforderliche mechanische Festigkeit wird in dieser Ausführungsform dadurch erreicht, daß die Zone 4 mit der höheren Leitfähigkeit auch den größeren Querschnitt aufweist. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist es möglich, die Teile 5 und 4 des 'Kollektors mechanisch miteinander zu verbinden, ohne sie elektrisch zu verbinden.
Dazu kann beispielsweise, wie in Fig. 9 dargestellt, eine Manschette 15 aus einem Metallband, beispielsweise einem Stahlband, um den Kollektor aus den Teilen 4 und 5 angebracht werden, wobei die Manschette 15 gegenüber den Kollektorteilen 4 und 5 durch einen Isolator 6', beispielsweise eine Glimmer-Zwischenlage, isoliert ist. Die Teile 4 und 5 des Kollektors sind durch eine isolierende Zwischenlage 6 voneinander elektrisch getrennt. Die Spannvorrichtung für die Manschette ist auf dieser Zeichnung nicht dargestellt.
Eine andere Ausfuhrungsform der Erfindung mit einem mehrteiligen Kollektor 2 zeigt die Fig. 5, wobei der Kollektor zusammengesetzt ist aus einer dünnen Platte 11 eines Metalls mit niedrigem Widerstand, wie beispielsweise Kupfer, und zwei dickeren Platten 9 und 10 eines Metalls mit höherem Widerstand, aber auch höherer Festigkeit und Steifigkeit, wie bevorzugt Stahl. Die Platte 11 ist gegen die Platte 9 elektrisch isoliert, aber mit der Platte 10 leitend verbunden. Dadurch wird der Widerstand auf dem Weg vom Kontakt am Ende 12 des Kollektors bis zu Berührungszone zwischen der Platte 10 und der Kathode geringer als der
Widerstand auf dem Weg vom Kontakt am Ende des Kollektors 12 bis zur Bei-ührungszone der Platte 9 und der Kathode 1. Der spezifische elektrische Widerstand der Materialien der Platten 9, 10 und 11 und ihre Geometrie (Querschnittsfläche) ist gemäß den obigen Ausführungen so gewählt, daß der Widerstand vom Ende 12 des Kollektors bis zur Berührungszone der Kathode 1 und den Platten 10 bzw. 9 ein Verhältnis von mindestens 1:1,2 aufweist, insbesondere ist das
Verhältnis der Widerstände so gewählt, daß die Stromdichte beim Übergang von der Kathode 1 zur Almrriniumschmelze im Boden der Zelle möglichst gleichmäßig ist. Auch in dieser Ausführungsform werden die Platten 9, 10 und 11 mechanisch miteinander verbunden, wie es prinzipiell in Fig. 9 dargestellt ist.
Unter möglichst gleichmäßig wird verstanden, daß das Verhältnis der Stromdichte in der Randzone zur Stromdichte in der Mittelzone der Kathode 1 nicht mehr als 2:1 beträgt, bevorzugt nicht rnehr als 1,5:1, und besonders bevorzugt nicht mehr als 1,2:1.
In den Fig. 6 und 7 sind alternative Ausführungsformen der Isolation im Fall eines zweigeteilten
Kollektors 2 dargestellt: in Fig. 6 hat das Kollektorteil 4 eine rechtwinklig begrenzte Aussparung, während in Fig. 7 die Aussparung im Teil 4 einen stumpfen Winkel aufweist. Diese Ausführung gemäß Fig. 7 hat sich als vorteilhaft für die Einbringung der isolierenden Zwischenschicht 6 erwiesen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, die nicht gezeigt ist, ist es auch möglich, den Winkel derart zu verrunden, daß ein plättchenförmiger mineralischer Isolator wie
Glimmer nicht bricht. Die Fig. 8 zeigt einen Aufbau eines Kathodensystems mit einer Kathode 1, wobei der Strom über einen Kollektor 2 abgeführt wird. In dieser Ausführungsform sind die Kollektoren 2 jeweils aus drei Teilen oder Zonen 5, 7 und 8 zusammengesetzt, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit wieder die Manschetten nicht dargestellt werden.
Die Widerstände in der Ausführungsform mit Kollektoren mit drei Zonen unterschiedlichen elektrischen Widerstands gemäß der Fig. 8 von dem Ende 12 zu Zone 5 (=R 12/5), von dem Ende 12 zur Zone 7 (=R 12/7) und von dem Ende 12 zur Zone 8 (=R 12/8) verhalten sich bevorzugt wie in der folgenden Tabelle dargestellt:
Figure imgf000013_0001
Bei der Montage von Kollektor und Kathodenblock muß darauf geachtet werden, daß die StiOmabführung im Bereich mit mehreren Kollektorzonen gemäß der in den Fig. 4
(Längssclτnitt) und Fig. 9 (Querschnitt) gezeigte Ausführungsform nur über die der Kathode zugewandte Kollektorzone erfolgt.
Dazu wird an den beiden Seiten des Kollektors entsprechend der Länge der geteilten Zonen ein flächiger Isolator, beispielsweise eine GlimmerfoHe, so eingelegt, daß keine elektrische
Verbindung der Kathode mit der Zone des niedrigeren Widerstands des Kollektors in diesem Bereich vorliegt. Die Fig. 10 zeigt einen entsprechenden Aufbau (Schnitt X-X' in der Fig. 4), bei dem an beiden Seiten des Kollektors im Bereich der geteilten Zonen Isoherfolien 6" und 6"' eingelegt sind, und die durch die Stampfinasse 13 in ihrer Position fixiert werden können. Ansonsten bewirkt die Stampfmasse in bekannte Weise die elektrische Kontaktierung (hier zwischen der Zone 5 und der Kathode) und die Fixierung von Kollektor 2 und Kathode 1. Im Bereich des Schnitts XI-XI' der Fig. 4, der in Fig. 11 dargestellt ist, ist naturgemäß eine derartige Isolierung an der Seite nicht mehr erforderlich. Daher ist in diesem Bereich der Übergangswiderstand zwischen der Kathode 1 und dem Kollektor 2 über die Stampfmasse 13 wegen der größeren Kontaktfläche auch erhebUch geringer, was ebenfalls zu einer Erhöhung der Stromdichte in diesem Bereich dient.
Bei einer Aufteilung der Kollektoren in mehr als zwei Zonen muß ebenfalls an den Seiten isoliert werden. Die Notwendigkeit der Isolierung an den Seiten läßt sich vermeiden, wenn die Zone höheren Widerstands im Kollektor nicht als der Kathode zugekehrte Platte, sondern in Form einer Hülse ausgeführt ist, die den Kollektor mindestens soweit umschließt, wie der
Kontakt über die Stampfmasse gegeben ist. In der Fig. 12 ist eine Ausführungsform dieser Art im Querschnitt dargestellt, wobei der Innenteil 4 des Kollektors 2 an drei Seiten von einer Hülse 5 höheren Widerstands umgeben ist. Hier ist eine Isolierung 6 nur im Inneren des Kollektors erforderlich; der geringere Aufwand bei der Montage des Kollektors steht dem erhöhten Konstruktionsaufwand dieser Form gegenüber, wobei je nach den Gegebenheiten der
ZelUconstruktion die eine oder die andere Form der Ausführung vorzuziehen ist.
Beispiele:
Beispiel 1
Graphitkathoden üblicher Bauweise mit einer Lange von 3300 mm wurden mit herkömmlichen Stahlträgern als Kollektoren ausgerüstet und durch Einbringen von Stampfinassen mit unterschiedlichem Widerstand verbunden. Dabei verhielten sich die spezifischen Widerstände der Stampfmassen im randnahen Bereich zu den im Zentrumsbereich wie 5:1. Eine derart ausgerüstete Elektrolysezelle mit 20 Kathodenblöcken wurde 1000 Tage mit einer Stromstärke von 220 kA und 4,4 V betrieben. Als Vergleich wurden Zellen mit dein gleichen Katliodensystem betrieben, wobei eine einheitiiche Stampfmasse verwendet wurde.
Nach der angegebenen Laufzeit wurden die Zellen entleert und zerlegt, und die Kathoden wurden auf ihren Verschleiß untersucht. Während bei den Kathoden des Vergleichsaufbaus der Abtrag in beiden Randzonen ca. 7,5 cm betrug, und in der Mitte der Kathode der Abtrag ledigHch 2,5 cm war, konnte bei der erfindungsgemäßen Ausführung in den Randzonen nur ein Abtrag von ca.4 cm, dagegen in der Mitte ein Abtrag von ca. 3,5 cm gemessen werden.
Beispiel 2
Graplήtkathoden üblicher Bauweise mit einer Länge von 3300 mm wurden mit herkömmHchen Stahlträgern als Kollektoren ausgerüstet und auf übHche Weise durch Einbringen einer Stampfmasse verbunden. Eine ElektrolysezeHe mit 20 Kathodenblöcken wurde 1000 Tage mit einer Stromstärke von 220 kA und 4,4 V betrieben (Vergleich). Erfindungsgemäß wurden die gleichen Kathoden mit Stahlträgern gemäß 2 in Fig. 4 verbunden, deren Enden bis zu einer Entfernung vom Ende der Kathode von ca. 700 mm auf 5/6 ihrer ursprüngHchen Dicke abgefräst wurden. Der Übergang zu der unbearbeiteten Mittelzone wurde entsprechend der Fig. 7 mit einem Winkel von ca. 160 ° ausgeführt. Die abgefräste Fläche wurde mit einer GlimrnerfoHe 6 mit einer Dicke von ca. 0,3 mm belegt, darüber wurde an jedem Ende des
Trägers eine Stahlplatte 5 mit geeigneten Abmessungen mit Hilfe, von mit GHixrmerfoHen isoHerten Manschetten gemäß Fig. 9 befestigt.
Die Stahlträger oder KoHektoren wurden gemäß dem in Fig. 4 dargesteHten Aufbau soweit durch Einlegen von GlimmerfoHen auf beiden Seiten isoHert, wie die mehrteilige Zone des
Kollektors reichte, und mit einer übHche Stampfmasse mit der Kathode montiert.
Nach der angegebenen Laufzeit wurden die Zehen entleert und zerlegt, und die Kathoden wurden auf ihren Verschleiß untersucht. Während bei den Kathoden des Vergleichsaufbaus der Abtrag in beiden Randzonen ca. 8 cm betrug, und in der Mitte der Kathode der Abtrag ledigHch
2 cm war, konnte bei der erfindungsgemäßen Ausführung in den Randzonen nur ein Abtrag von 3,5 cm, dagegen in der Mitte ein Abtrag von ca. 3 cm gemessen werden.
Es zeigte sich, daß durch derartige erfindungsgemäße Kathodensysteme ein erhebhch gleich- mäßigerer Abtrag der Kathoden mit einer deutlichen Verminderung des Abtrags in der
Randzone erreicht werden konnte. Da die Nutzungsdauer der Kathode durch die Stelle des größten Abtrags begrenzt wird, ergibt sich durch Verwendung von Kathodensystemen gemäß der Erfindung eine erhebHche Verlängerung der Lebensdauer der Kathoden auf einfache und wenig arbeitsaufwendige Weise.
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Bezugszeichenliste
1 Kathode
2 Kollektor
3 Material der Kathode (Graphit, halbgraphitischer, halb-graphitierter oder amorpher Kohlenstoff
4 Kollektorzone mit höherer elektrischer Leitfähigkeit als die der Zone 5
5 Kollektorzone
6, 6', 6", 6'" isoHerende Zwischenschicht
, 8 KoHektorzonen
, 10 Metallplatten mit hohem elektrischen Widerstand
1 MetaUplatte mit niedrigem elektrischen Widerstand
2 Ende des Kollektors
3 Stampfmasse
4 Gußeisen
5 Manschette aus einem MetaUband
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Claims

Patentansprüche
1. Kathodensysteme für die elektroly tische Al niniumgewinnung, umfassend Kohlenstoffkathoden und KoUektoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodensysteme in Richtung ihrer langen Achse auf der Seite der Sttomabführungen von der Kathode zum
KoUektor in mindestens zwei Teile mit unterschiedHchem elektrischen Widerstand geteilt sind, derart daß der elektrische Widerstand von den Enden des KoUektors bis zum dem KoUektor zugewandten Teil der Kathode an den Enden der Kathode mindestens das l,2fache des elektrischen Widerstands von den Enden des KoUektors bis zum dem KoUektor zugewandten Teil in der Mitte der Länge der Kathode beträgt, wobei die Aufteüung des Kathodensystems in mindestens zwei Teile unterschiedUchen elektrischen Widerstands durch Verwendung unterschiedlicher Kontaktmassen zwischen KoUektor und Kathode und/oder durch Aufteilen des KoUektors in Richtung seiner langen Achse auf der Seite der StiOmabführungen in die Kathode in mindestens zwei Teüe unterschiedlichen elektrischen Widerstands reaHsiert ist.
2. Kathodensysteme nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei unterschiedHche Kontaktmassen zur Kontaktierung von Kathoden und KoUektoren eingesetzt sind, wobei die Grenze zwischen Zonen unterschiedHcher Kontaktmassen senkrecht zur langen Achse der KoUektoren verläuft, und daß der Übergangswiderstand zwischen KoUektor und Kathode in der Mitte der Länge der Kathode kleiner ist als der Übergangswiderstand im Bereich der Enden der Kathode.
3. Kathodensysteme nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß i Bereich der Mitte der Kathodenlänge die Kontaktmasse Gußeisen ist.
4. Kathodensysteme nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Enden der Kathodenlänge eine Kontaktmasse eingesetzt ist, die ausgewählt ist aus mit elektrisch leitfähigen Teüchen gef Uten Teeren, Teerpechen, Kunstharzen auf Basis von Epoxidharzen und/oder Phenolharzen, und Klebstoffen auf Basis von Epoxidharzen und/oder Phenolharzen.
5. Kathodensysteme nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähigen Teilchen ausgewählt sind aus partikulärem Kohlenstoff und MetaUteUchen in Form von Pulvern, Schrot, Fasern, Whiskern und/oder Plättchen.
6. Kathodensysteme nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die KoUektoren in Richtung ihrer langen Achse auf der Seite der StioiTiabführungen in die Kathode in mindestens zwei Teile mit unterschiedHchem elektrischen Widerstand geteUt sind, derart daß der elektrische Widerstand von den Enden des KoUektors bis zu der den Enden der Kathode benachbarten Zone des KoUektors mindestens das 1,2-fache des elektrischen Widerstands von den Enden des
KoUektors bis zu der der Mitte der Kathode benachbarten Zone des KoUektors beträgt.
7. Kathodensysteme nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das metaUische Material des KoUektors einheithch ist, und der KoUektor in voneinander isoHerte Zonen mit unterschiedHchem Querschnitt aufgeteilt ist.
8. Kathodensysteme nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei verschiedene MetaUe zum Aufbau des KoUektors eingesetzt werden.
9. Kathodensysteme nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zone des
KoUektors mit höherem Widerstand in Form einer Platte ausgeführt ist, die der Kathodenseite zugewandt ist.
10. Kathodensysteme nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zone des KoUektors mit höherem Widerstand in Form einer Hülse ausgeführt ist, die die der Kathode zugewandte Seite und die von der Kathode berührten Flächen des KoUektors voUständig bedeckt.
11. Kathodensysteme nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der KoUektor an den Flächen, die der Kathode zugewandt sind und aus Zonen unterschiedlichen Widerstands bis zur
Kontaktierung des KoUektors bestehen, durch einen flächigen Isolator abgedeckt ist.
12. Verfahren zur HersteUung von Kathodensystemen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Kontaktmassen unterschiedlichen elektrischen Widerstands in die Aussparung auf der Unterseite der Kathode eingebracht werden, wobei der elektrische Widerstand der Kontaktmasse in der der Mitte der Kathodenlänge zugewandten Zone geringer ist als der der Kontaktmasse der dem Kathodenende zugewandten Zone.
13. Verfahren zur HersteUung von Kathodensystemen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Enden der Kathode eine Kontaktmasse aus mit elektrisch leitfähigen TeUchen gefüllten Teeren, Teerpechen, Kunstiiarzen auf Basis von Epoxidharzen und/oder Phenolharzen, oder Klebstoffen auf Basis von Epoxidharzen und/oder Phenolharzen eingesetzt wird, und im Bereich der Mitte der Kathoden der Kontakt durch Ausgießen mit
Gußeisen hergesteUt wird.
14. Verfahren zur HersteUung von Kathodensystemen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein kantiger MetaUstab an mindestens einer der Kathode zugewandten Fläche oberflächlich abtragend bearbeitet wird, und die entstandene Vertiefung mit einer
MetaUplatte oder MetaUhülse elektrisch isoHerend und mit dem ursprüngHchen Maß bündig abgedeckt wird.
15. Anwendung von Kathodensystemen gemäß Anspruch 1 bei der elektrolytischen Gewinnung von Al ninium-MetaU.
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Priority Applications (8)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US10/540,815 US20060151333A1 (en) 2002-12-30 2003-12-18 Cathode systems for electrolytically obtaining aluminum
BR0317867-6A BR0317867A (pt) 2002-12-30 2003-12-18 Sistemas catódicos para a produção eletrolìtica de alumìnio e método para fabricação dos mesmos
AU2003298209A AU2003298209A1 (en) 2002-12-30 2003-12-18 Cathode systems for electrolytically obtaining aluminium
EP03795927A EP1581671A1 (de) 2002-12-30 2003-12-18 Kathodensysteme zur elektrolytischen aluminiumgewinnung
CA002509839A CA2509839A1 (en) 2002-12-30 2003-12-18 Cathode systems for the electrolytic production of aluminum
NZ540976A NZ540976A (en) 2002-12-30 2003-12-18 Cathode systems for electrolytically obtaining aluminium
IS7887A IS7887A (is) 2002-12-30 2005-06-09 Bakskauts kerfi fyrir raflausnar framleiðslu á áli
NO20053423A NO20053423L (no) 2002-12-30 2005-07-14 Katodesystem for elektrolytisk fremstilling av aluminium.

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10261745.7 2002-12-30
DE10261745A DE10261745B3 (de) 2002-12-30 2002-12-30 Kathodensystem zur elektrolytischen Aluminiumgewinnung

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Family Applications (1)

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BR (1) BR0317867A (de)
CA (1) CA2509839A1 (de)
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IS (1) IS7887A (de)
NO (1) NO20053423L (de)
WO (1) WO2004059039A1 (de)
ZA (1) ZA200505248B (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9206518B2 (en) 2011-09-12 2015-12-08 Alcoa Inc. Aluminum electrolysis cell with compression device and method
GB2558936A (en) * 2017-01-23 2018-07-25 Dubai Aluminium Pjsc Cathode assembly with metallic collector bar for electrolytic cell suitable for the Hall-Héroult process

Families Citing this family (34)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080210571A1 (en) * 2006-08-24 2008-09-04 Extrude Hone Corporation Machine And Method For Electrochemically Polishing Indentations Within An Aluminum Wheel
WO2011148347A1 (en) 2010-05-28 2011-12-01 Kan-Nak S.A. Hall-heroult cell cathode design
CN101864580B (zh) * 2010-07-08 2013-01-02 沈阳北冶冶金科技有限公司 一种阴极碳块上表面镶嵌柱形凸起的铝电解槽
DE102010039638B4 (de) * 2010-08-23 2015-11-19 Sgl Carbon Se Kathode, Vorrichtung zur Aluminiumgewinnung und Verwendung der Kathode bei der Aluminiumgewinnung
DE102010064447A1 (de) 2010-09-20 2015-03-26 Sgl Carbon Se Elektrolysezelle zur Gewinnung von Aluminium
DE102010041083A1 (de) 2010-09-20 2012-03-22 Sgl Carbon Se Elektrolysezelle zur Gewinnung von Aluminium
DE102010041081B4 (de) 2010-09-20 2015-10-29 Sgl Carbon Se Kathode für Elektrolysezellen
DE102010041082A1 (de) 2010-09-20 2012-03-22 Sgl Carbon Se Kathode für Eletrolysezellen
DE102010041084A1 (de) 2010-09-20 2012-03-22 Sgl Carbon Se Elektrolysezelle zur Gewinnung von Aluminium
WO2014062702A1 (en) 2012-10-16 2014-04-24 Ambri, Inc. Electrochemical energy storage devices and housings
US11721841B2 (en) 2012-10-18 2023-08-08 Ambri Inc. Electrochemical energy storage devices
US9520618B2 (en) 2013-02-12 2016-12-13 Ambri Inc. Electrochemical energy storage devices
US11387497B2 (en) 2012-10-18 2022-07-12 Ambri Inc. Electrochemical energy storage devices
US10541451B2 (en) 2012-10-18 2020-01-21 Ambri Inc. Electrochemical energy storage devices
US9735450B2 (en) 2012-10-18 2017-08-15 Ambri Inc. Electrochemical energy storage devices
US11211641B2 (en) 2012-10-18 2021-12-28 Ambri Inc. Electrochemical energy storage devices
US9312522B2 (en) 2012-10-18 2016-04-12 Ambri Inc. Electrochemical energy storage devices
NO338410B1 (no) * 2013-01-22 2016-08-15 Norsk Hydro As En elektrode for aluminiumsfremstilling og en fremgangsmåte for tildannelse av samme
US10270139B1 (en) 2013-03-14 2019-04-23 Ambri Inc. Systems and methods for recycling electrochemical energy storage devices
US9502737B2 (en) 2013-05-23 2016-11-22 Ambri Inc. Voltage-enhanced energy storage devices
CN105830247B (zh) 2013-10-16 2019-04-26 安保瑞公司 用于高温反应性材料装置的密封件
EP3221496B1 (de) 2014-11-18 2023-08-16 Novalum SA Kathodenstromkollektor für eine hall-heroult-zelle
US10181800B1 (en) 2015-03-02 2019-01-15 Ambri Inc. Power conversion systems for energy storage devices
WO2016141354A2 (en) 2015-03-05 2016-09-09 Ambri Inc. Ceramic materials and seals for high temperature reactive material devices
GB2536901A (en) * 2015-03-30 2016-10-05 Dubai Aluminium Pjsc Cathode block for electrolytic cell suitable for the Hall-Héroult process
US9893385B1 (en) 2015-04-23 2018-02-13 Ambri Inc. Battery management systems for energy storage devices
UA124629C2 (uk) * 2016-07-26 2021-10-20 Токай КОБЕКС ГмбХ Катодний вузол для виробництва алюмінію
CA3031717C (en) 2016-07-26 2021-04-20 Cobex Gmbh Cathode current collector/connector for a hall-heroult cell
US11929466B2 (en) 2016-09-07 2024-03-12 Ambri Inc. Electrochemical energy storage devices
JP7201613B2 (ja) 2017-04-07 2023-01-10 アンブリ・インコーポレイテッド 固体金属カソードを備える溶融塩電池
WO2024084318A1 (en) * 2022-10-19 2024-04-25 Gulf Markets International W .L .L Cathode collector bar of an aluminium production cell
DE102022129669A1 (de) 2022-11-09 2024-05-16 Novalum Sa Kathodenstromkollektor und -verbinderanordnung für eine Aluminium-Elektrolysezelle
DE102022129667A1 (de) 2022-11-09 2024-05-16 Novalum Sa Kathodenstromkollektoranordnung für eine Aluminium-Elektrolysezelle
DE102022129668A1 (de) 2022-11-09 2024-05-16 Novalum Sa Kathodenstromkollektor und -verbinderanordnung für eine Aluminium-Elektrolysezelle

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2351192A1 (fr) * 1976-05-13 1977-12-09 Alusuisse Procede et dispositif pour la production d'aluminium par electrolyse ignee
US4795540A (en) * 1987-05-19 1989-01-03 Comalco Aluminum, Ltd. Slotted cathode collector bar for electrolyte reduction cell
WO2001027353A1 (en) * 1999-10-13 2001-04-19 Alcoa Inc. Cathode collector bar with spacer for improved heat balance
WO2002042525A1 (en) * 2000-11-27 2002-05-30 Servico A.S. Devices to conduct current to or from the electrodes in electrolysis cells, methods for preparation thereof, and an electrolysis cell and a method for production of aluminium by electrolysis of alumina solved in a melted electrolyte

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2789091B1 (fr) * 1999-02-02 2001-03-09 Carbone Savoie Cathode graphite pour l'electrolyse de l'aluminium
FR2789093B1 (fr) * 1999-02-02 2001-03-09 Carbone Savoie Cathode graphite pour l'electrolyse de l'aluminium
US6294067B1 (en) * 2000-03-30 2001-09-25 Alcoa Inc. 3 component cathode collector bar

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2351192A1 (fr) * 1976-05-13 1977-12-09 Alusuisse Procede et dispositif pour la production d'aluminium par electrolyse ignee
US4795540A (en) * 1987-05-19 1989-01-03 Comalco Aluminum, Ltd. Slotted cathode collector bar for electrolyte reduction cell
WO2001027353A1 (en) * 1999-10-13 2001-04-19 Alcoa Inc. Cathode collector bar with spacer for improved heat balance
WO2002042525A1 (en) * 2000-11-27 2002-05-30 Servico A.S. Devices to conduct current to or from the electrodes in electrolysis cells, methods for preparation thereof, and an electrolysis cell and a method for production of aluminium by electrolysis of alumina solved in a melted electrolyte

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9206518B2 (en) 2011-09-12 2015-12-08 Alcoa Inc. Aluminum electrolysis cell with compression device and method
GB2558936A (en) * 2017-01-23 2018-07-25 Dubai Aluminium Pjsc Cathode assembly with metallic collector bar for electrolytic cell suitable for the Hall-Héroult process

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Publication number Publication date
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