WO2012107403A1 - Kathodenanordnung mit einem oberflächenprofilierten kathodenblock mit nut variabler tiefe - Google Patents

Kathodenanordnung mit einem oberflächenprofilierten kathodenblock mit nut variabler tiefe Download PDF

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WO2012107403A1
WO2012107403A1 PCT/EP2012/051965 EP2012051965W WO2012107403A1 WO 2012107403 A1 WO2012107403 A1 WO 2012107403A1 EP 2012051965 W EP2012051965 W EP 2012051965W WO 2012107403 A1 WO2012107403 A1 WO 2012107403A1
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cathode
cathode block
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groove
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PCT/EP2012/051965
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Inventor
Frank Hiltmann
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Sgl Carbon Se
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/08—Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/16—Electric current supply devices, e.g. bus bars

Definitions

  • the present invention relates to a cathode assembly for an aluminum electrolytic cell.
  • Such electrolysis cells are used for the electrolytic production of aluminum, which is usually carried out industrially by the Hall-Heroult process.
  • a melt composed of alumina and cryolite is electrolyzed.
  • the cryolite, Na 3 [AIF 6 ] serves to lower the melting point from 2,045 ° C. for pure aluminum oxide to approximately 950 ° C. for a mixture containing cryolite, aluminum oxide and additives such as aluminum fluoride and calcium fluoride.
  • the electrolysis cell used in this method has a bottom composed of a plurality of adjacent cathode blocks forming the cathode.
  • the cathode blocks are usually composed of a carbonaceous material.
  • grooves are provided on the lower sides of the cathode blocks, in each of which at least one bus bar is arranged, through which the current supplied via the anodes is removed.
  • the gaps between the individual walls delimiting the grooves of the cathode blocks and the busbars are often poured with cast iron in order to electrically and mechanically connect the busbars to the cathode blocks through the cast iron busbars produced thereby.
  • the aluminum formed is deposited below the electrolyte layer due to its greater density compared to that of the electrolyte, ie as an intermediate layer between the upper side of the cathode blocks and the electrolyte layer.
  • the aluminum oxide dissolved in the cryolite melt is split by the flow of electrical current into aluminum and oxygen.
  • the layer of molten aluminum is the actual cathode because aluminum ions are reduced to elemental aluminum on its surface. Nevertheless, the term cathode will not be understood below to mean the cathode from an electrochemical point of view, ie the layer of molten aluminum, but rather the component forming the electrolytic cell bottom and composed of one or more cathode blocks.
  • a major disadvantage of the Hall-Heroult process is that it is very energy intensive. To produce 1 kg of aluminum about 12 to 15 kWh of electrical energy is needed, which accounts for up to 40% of the manufacturing cost. In order to reduce the manufacturing costs, it is therefore desirable to reduce the specific energy consumption in this process as much as possible.
  • cathode blocks are used recently, which in the operation of the electrolytic cell to the molten aluminum and the electrolyte side facing is profiled by one or more recesses and / or elevations.
  • Such cathode blocks whose tops each have between 1 and 8 and preferably 2 elevations with a height of 50 to 200 mm, are disclosed, for example, in EP 2 133 446 A1.
  • the cathode blocks are composed of anthracite, synthetic graphite, mixtures of anthracite and synthetic graphite or of graphitized carbon.
  • the surface profiling serves the purpose that to reduce movement of the molten aluminum caused by the electromagnetic interaction present in the electrolysis and thereby to achieve less corrugation and bulging of the aluminum layer.
  • the reduced wave formation is intended to avoid short circuits and unwanted reoxidation of the aluminum formed, which may otherwise occur if the distance between the molten aluminum layer and the anode is set too low.
  • the distance between the molten aluminum and the anode can be reduced, so that the ohmic losses occurring in the intervening layer of cryolite-containing melt and thus the specific energy consumption can be reduced with this arrangement.
  • the wave formation in the molten aluminum can only be reduced to some extent, so that there is still a relatively high specific energy consumption of the assembly during the electrolysis operation.
  • equalization of the current density distribution takes place from the inhomogeneous current density distribution in the cathode block, which means that current vectors occur in the aluminum layer, away from the long side ends of the cathode block to the center of the cathode block Cathode blocks out and thus oriented in the horizontal direction.
  • These horizontally directed current vectors in the aluminum melt caused by the uneven current density distribution in the cathode block cause increased electromagnetic interactions on the aluminum material, which in turn contribute to increased wave formation and thus counteract the purpose of surface profiling.
  • the inhomogeneous current density distribution in the surface profiled cathode block leads to a reduced service life of the cathode block, since the inhomogeneous current density distribution causes very high current densities in certain areas of the cathode block, which in turn causes increased wear of the cathode block by electrochemical reactions in these areas.
  • WO 2007/1 18510 A2 has proposed a cathode assembly having a cathode block in which the groove provided in the cathode block for receiving a bus bar has a depth varying over its length, wherein the depth of the groove, viewed in the longitudinal direction of the cathode block, increases from the edge regions to the center of the cathode block.
  • the busbar is encased in a conventional manner with cast iron, this enclosure is done by pouring liquid cast iron in the space between the groove and the busbar.
  • the energy efficiency of the cathode blocks described in this document is comparatively low and therefore in need of improvement.
  • the object of the present invention is therefore to provide a cathode assembly which, when used in a fused-salt electrolysis in an electrolytic cell, causes an increased energy efficiency and at the same time, even if it is constructed on the basis of graphite, an increased wear resistance over the Melting flux electrolysis prevailing abrasive, chemical and thermal conditions.
  • this object is achieved by a cathode arrangement for an aluminum electrolysis cell having at least one cathode block based on carbon and / or graphite, which has an at least partially profiled surface and at least one groove, wherein in the at least one Groove is provided at least one bus bar, and wherein the at least one groove has a varying depth over its length.
  • providing a variable depth groove in a surface profiled cathode block minimizes waviness in the molten aluminum, and therefore the distance between the molten aluminum layer and the anode can be further reduced, thereby providing a electrolysis operation higher energy efficiency can be achieved.
  • the present invention provides a cathode assembly having improved energy efficiency in electrolysis operation and increased wear resistance. It is of particular advantage in this case that the advantageous effects can be achieved by technically simple and cost-implementable measures.
  • the total ground voltage measured between the end of the power supply bar and the cathode block surface can be kept approximately constant, which is the case in other constructions, such as that described in WO 02/068723 A1. not the case.
  • a cathode arrangement is understood to mean a cathode block having at least one groove, wherein in each of the at least one groove at least one conductor rail possibly having a cast iron envelope is accommodated.
  • this term refers to an arrangement of several, each having at least one groove having cathode blocks, wherein in each of the at least one groove at least one possibly a cast iron casing having bus bar is added.
  • the at least one groove, with respect to the longitudinal direction, in its center has a greater depth than at its two longitudinal ends.
  • the cathode arrangement according to the invention may have at least one groove for receiving in each case at least one bus bar, wherein preferably each slot has a depth varying over its length.
  • the cathode arrangement according to the invention is particularly suitable for the use of conventional groove and / or busbar cross-sections.
  • the groove and / or the busbar may have a substantially rectangular cross-section in a conventional manner.
  • the busbar may in particular also consist of steel in a conventional manner.
  • the cathode block has an at least partially profiled surface.
  • a profiled surface is understood here to mean a surface which has at least one depression and / or elevation extending in the transverse direction, in the longitudinal direction or in any other direction, for example in a direction extending at an acute or obtuse angle to the longitudinal direction, of the cathode block wherein the indentation, as distinct from a surface roughness, seen transversely to the cathode block surface, has at least a depth or height of 0.05 mm and preferably of 0.5 mm.
  • the at least one depression of the cathode block will be limited in practice by two side walls and a bottom wall.
  • the bottom wall of the at least one recess of the cathode block viewed in the height direction of the cathode block, at least substantially exactly above the at least one bus bar, wherein the bottom wall of the at least one depression the busbar over at least 60%, preferably over at least 80% and especially preferably covers 100% of the width of the bus bar measured in the transverse direction of the cathode block.
  • the at least one recess and the at least a busbar in this embodiment viewed in the height direction of the cathode block, so arranged opposite to each other, that the bottom wall of the recess completely or at least largely covers the busbar.
  • the busbar comprises a cast iron envelope
  • the at least one depression preferably covers the busbar, including the width of the surrounding cast iron envelope, at least 60%, preferably at least 80% and particularly preferably 100%.
  • the at least one depression it is possible for the at least one depression to extend only over part of the length of the cathode block.
  • the depth and / or width of the at least one recess varies over the length of the cathode block.
  • the geometry of the recess can vary over the length of the cathode block.
  • a depression of the cathode block extends over a part or essentially the entire length of the cathode block at least approximately parallel to the conductor rail.
  • the at least one depression and / or elevation, seen in the transverse direction of the cathode block can have any desired geometry.
  • the at least one recess or elevation, seen in the transverse direction of the cathode block convex, concave or polygonal, such as trapezoidal, triangular, rectangular or square, may be formed.
  • the surface profiling comprises at least one depression, the ratio of depth to width of the at least one depression being 1: 3 to 1: 1 and preferably 1: 2 to 1: 1.
  • the depth of the at least one recess is 10 to 90 mm, preferably 40 to 90 mm and particularly preferably 60 to 80 mm, for example about 70 mm.
  • the width of the at least one recess is 100 to 200 mm, more preferably 120 to 180 mm and most preferably 140 to 160 mm, such as about 150 mm.
  • the surface profiling comprises at least one projection
  • the height of the at least one elevation is 10 to 150 mm, preferably 40 to 90 mm and particularly preferably 60 to 80 mm, for example about 70 mm.
  • the width of the at least one protrusion is 50 to 150 mm, more preferably 55 to 100 mm and most preferably 60 to 90 mm, such as about 75 mm.
  • the at least one elevation viewed in the longitudinal direction of the cathode block, extends only in regions.
  • the at least one protrusion extend the entire length of the cathode block to achieve the effect of reducing or completely reducing waviness of the molten aluminum.
  • the height and / or width of the at least one bump varies over the length of the cathode block.
  • the geometry of the survey can vary over the length of the cathode block.
  • the ratio of the width of the at least one recess to the width of the at least one projection is preferably 4: 1 to 1: 1, such as about 2: 1.
  • the present invention is not limited. Good results are obtained, for example, when the cathode block has in its transverse direction 1 to 3 wells and preferably 2 wells.
  • the cathode block contained in the cathode assembly is composed of carbon and / or graphite, i. the cathode block contains amorphous carbon, graphite or a mixture of amorphous carbon, graphitized carbon and / or graphitic carbon.
  • the cathode block may optionally contain carbonized and / or graphitized binder, such as pitch, in particular coal tar and / or petroleum pitch. If pitch is mentioned below, it means all pitches known to those skilled in the art.
  • the cathode block of the cathode arrangement according to the invention contains as carbon exclusively graphitic and / or graphitized carbon or a mixture of graphitic carbon with amorphous carbon. If a mixture of graphitic or graphitized carbon and amorphous carbon is used, this mixture contains preferably 10 to 99 wt .-%, particularly preferably 30 to 95 wt .-% and most preferably 60 to 90 wt .-% graphitic or graphitized carbon. If graphitic carbon is included in the mixture, it may be both natural graphite and synthetic graphite.
  • the starting material for amorphous carbon is preferably anthracite, which is then used at a temperature of 800 and 2200 ° C. and especially preferred. kart between 1 .200 and 2,000 ° C is calcined.
  • the preparation is carried out so that a mixture of particulate anthracite and coal tar pitch as a binder is brought into a mold and this is then compacted into a green body before the green body by a heat treatment at a temperature of, for example, 1, 000 to 1, 300 ° C is carbonized.
  • cathode block for a cathode assembly of an aluminum electrolytic cell based on carbon and / or graphite, which has an at least partially profiled surface and at least one groove for receiving a busbar, wherein the groove has a varying depth over its length having.
  • a cathode block can be advantageously used as part of the previously described cathode arrangement.
  • the cathode block may be based on amorphous carbon, graphitic carbon, graphitized carbon or any mixture of the above carbons, with graphitic carbon and in particular graphitized carbon being particularly preferred.
  • FIG. 1 shows a schematic cross section of a section of a
  • Aluminum electrolytic cell comprising a cathode assembly according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a longitudinal section of the cathode arrangement of the aluminum electrolysis cell shown in FIGS. 3A to 3E each show a schematic cross section of the surface profiling of a cathode block according to other embodiments of the present invention.
  • FIG. 1 shows a cross-section of a section of an aluminum electrolysis cell 10 with a cathode arrangement 12, which at the same time forms the bottom of a trough for aluminum melt 14 produced during operation of the electrolysis cell 10 and for a cryolite-aluminum oxide located above the aluminum melt 14 Melt 16 forms.
  • the cryolite-alumina melt 16 is an anode 18 of the electrolytic cell 10 in contact.
  • the trough formed by the lower part of the aluminum electrolytic cell 10 is limited by a lining of carbon and / or graphite, not shown in FIG. 1.
  • the cathode arrangement 12 comprises a plurality of cathode blocks 20, 20 ', 20 ", which are connected to one another via a ramming mass 24, 24' inserted into a ramming mass gap 22, 22 'arranged between the cathode blocks 20, 20', 20".
  • the anode 18 includes a plurality of anode blocks 26, 26 ', with the anode blocks 26, 26' being each about twice as wide and about half as long as the cathode blocks 20, 20 ', 20 ", with the anode blocks 26, 26' being such arranged above the cathode blocks 20, 20 ', 20 "such that one anode block 26, 26' in width covers two adjacent cathode blocks 20, 20 ', 20" and one cathode block 20, 20', 20 "in length two adjacent anode blocks 26, 26 'covers.
  • Each cathode block 20, 20 ', 20 has a profiled surface, wherein in each cathode block 20, 20', 20" two in cross-section substantially rectangular recesses 34, 34 'are provided, which are separated by a survey 36.
  • Each recess 34, 34 ' is bounded by a bottom wall 33, 33' and two side walls 35, 35 '.
  • the bottom walls 33, 33 ' are parallel to the transverse direction of the cathode block 20'.
  • the width of the depressions 34, 34 ' is 150 mm in each case and the depth of the depressions 34, 34' is 70 mm in each case
  • the elevation 36 has a width of 75 mm and a height of 70 mm. Both the corners in the two recesses 34, 34 'and the corners of the elevation 36 are each rounded off with a radius of 20 mm.
  • each cathode block 20, 20 ', 20 "on its underside in each case two grooves 38, 38', each having a rectangular, namely substantially rectangular cross-section, wherein in each groove 38, 38 'in each case a busbar 40, 40' made of steel a likewise rectangular or substantially rectangular cross-section is added.
  • the gap between the busbar 40, 40 'and the groove 38, 38' is in each case cast with cast iron 44, 44 '.
  • the recesses 34, 34 ' seen in the height direction of the cathode block 20', are exactly above the respective associated busbar 40, 40 ', so that the bottom walls 33, 33' cover the respective busbars 40, 40 'including the surrounding cast iron sheath 44, 44' over their full width.
  • the energy efficiency of the electrolysis operation is further increased because a good electrical conductive path between the busbar and the molten aluminum layer is provided, along which the electric current only a minimum distance in the electrically relatively poorly conductive cathode block must cover.
  • the current efficiency of the cathode arrangement is further increased.
  • the cross section of the cathode assembly 10 is shown at one longitudinal end of the cathode block 20, 20 ', 20 "in Fig. 1.
  • the depth of the grooves 38, 38" of the cathode block 20, 20', 20 varies over the length of the grooves 38, 38 ".
  • the groove cross-section in the region of the center of the groove 38, 38 " is indicated by a dashed line 46, 46 'in Fig. 1.
  • the width 48 of each groove 38, 38 ' is substantially constant over the entire groove length and is about 15 cm, whereas the width 50 of the cathode blocks 20, 20', 20 "is about 65 cm is.
  • FIG. 2 shows a longitudinal section of the cathode block 20, 20 ', 20 “shown in FIG. 1.
  • the groove 38, 38' viewed in its longitudinal section runs to the center of the cathode block 20, 20 '. 20 "in the shape of a triangle, thereby ensuring a substantially uniform electrical vertical current density over the entire cathode length.
  • the bus bar 40, 40 ' which is not shown in FIG.
  • busbar 40, 40 'could which has a substantially constant distance from the groove bottom and in particular in its longitudinal section to the triangular course of the groove 38, 38' is adjusted.
  • both the grooves 38, 38 'and depressions 34, 34' are applied to the top of the cathode blocks 20, 20 ', 20 "during the molding process, such as by vibration molding and / or stamping.
  • FIGS. 3A to 3E show examples of different configurations of the depressions 34, 34 'and the elevations 36 of the surface profiling of the cathode blocks 20, 20', 20 ", namely, in cross section, rectangular with rounded corners (not shown) (FIG. Fig. 3A), substantially undulating (Fig. 3B), triangular (Fig. 3C), convex (Fig. 3D) and sinusoidal (Fig. 3E), with the rectangular and wavy surface profilings of Figs. 3A and 3B respectively by a bottom wall 33, 33 'and two side walls 35, 35' limited recesses 34, 34 'have.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kathodenanordnung für eine Aluminium-Elektrolysezelle mit wenigstens einem Kathodenblock auf Basis von Kohlenstoff und/oder Graphit, der eine zumindest bereichsweise profilierte Oberfläche sowie wenigstens eine Nut aufweist, wobei in der wenigstens einen Nut wenigstens eine Stromschiene vorgesehen ist, und wobei die wenigstens eine Nut eine über ihre Länge variierende Tiefe aufweist. Die Erfindung betrifft außerdem einen entsprechenden Kathodenblock.

Description

Kathodenanordnung mit einem oberflächenprofilierten Kathodenblock mit
Nut variabler Tiefe
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kathodenanordnung für eine Aluminium- Elektrolysezelle.
Derartige Elektrolysezellen werden zur elektrolytischen Herstellung von Aluminium, welche industriell üblicherweise nach dem Hall-Heroult-Verfahren durchgeführt wird, eingesetzt. Bei dem Hall-Heroult-Verfahren wird eine aus Aluminiumoxid und Kryolith zusammengesetzte Schmelze elektrolysiert. Dabei dient der Kryolith, Na3[AIF6], dazu, den Schmelzpunkt von 2.045°C für reines Aluminiumoxid auf ca. 950°C für eine Kryolith, Aluminiumoxid und Zusatzstoffe, wie Aluminium- fluorid und Calciumfluorid, enthaltende Mischung zu senken.
Die bei diesem Verfahren eingesetzte Elektrolysezelle weist einen Boden auf, der aus einer Vielzahl von aneinander angrenzenden, die Kathode ausbildenden Kathodenblöcken zusammengesetzt ist. Um den bei dem Betrieb der Zelle herrschenden thermischen und chemischen Bedingungen standzuhalten, sind die Kathodenblöcke üblicherweise aus einem kohlenstoffhaltigen Material zusammengesetzt. An den Unterseiten der Kathodenblöcke sind jeweils Nuten vorgesehen, in denen jeweils wenigstens eine Stromschiene angeordnet ist, durch welche der über die Anoden zugeführte Strom abgeführt wird. Dabei sind die Zwischenräume zwischen den einzelnen die Nuten begrenzenden Wänden der Kathodenblöcke und den Stromschienen häufig mit Gusseisen ausgegossen, um durch die dadurch hergestellte Umhüllung der Stromschienen mit Gusseisen die Stromschienen elektrisch und mechanisch mit den Kathodenblöcken zu verbinden. Etwa 3 bis 5 cm oberhalb der auf der Kathodenoberseite befindlichen Schicht aus schmelzflüssigem Aluminium ist eine aus einzelnen Anodenblöcken ausgebildete Anode angeordnet, zwischen der und der Oberfläche des Aluminiums sich der Elektrolyt, also die Aluminiumoxid und Kryolith enthaltende Schmelze, befindet. Während der bei etwa 1 .000°C durchgeführten Elektrolyse setzt sich das gebildete Aluminium aufgrund seiner im Vergleich zu der des Elektrolyten größeren Dichte unterhalb der Elektrolytschicht ab, also als Zwischenschicht zwischen der Oberseite der Kathodenblöcke und der Elektrolytschicht. Bei der Elektrolyse wird das in der Kryolithschmelze gelöste Aluminiumoxid durch elektrischen Stromfluss in Aluminium und Sauerstoff aufgespalten. Elektrochemisch gesehen handelt es sich bei der Schicht aus schmelzflüssigem Aluminium um die eigentliche Kathode, da an dessen Oberfläche Aluminiumionen zu elementarem Aluminium reduziert werden. Nichtsdestotrotz wird nachfolgend unter dem Begriff Kathode nicht die Kathode aus elektrochemischer Sicht, also die Schicht aus schmelzflüssigem Aluminium verstanden, sondern das den Elektrolysezellenboden ausbildende, aus einem oder mehreren Kathodenblöcken zusammengesetzte Bauteil.
Ein wesentlicher Nachteil des Hall-Heroult-Verfahren ist es, dass dieses sehr energieintensiv ist. Zur Erzeugung von 1 kg Aluminium werden etwa 12 bis 15 kWh elektrische Energie benötigt, was bis zu 40 % der Herstellungskosten ausmacht. Um die Herstellungskosten senken zu können, ist es daher wünschenswert, den spezifischen Energieverbrauch bei diesem Verfahren so weit wie möglich zu verringern.
Um den spezifischen Energieverbrauch zu verringern, werden in jüngster Zeit Kathodenblöcke eingesetzt, deren bei dem Betrieb der Elektrolysezelle dem geschmolzenen Aluminium und dem Elektrolyt zugewandte Seite durch ein oder mehrere Vertiefungen und/oder Erhebungen profiliert ist. Solche Kathodenblöcke, deren Oberseiten jeweils zwischen 1 und 8 und bevorzugt 2 Erhebungen mit einer Höhe von 50 bis 200 mm aufweisen, werden beispielsweise in der EP 2 133 446 A1 offenbart. Dabei sind die Kathodenblöcke aus Anthrazit, synthetischem Graphit, Mischungen aus Anthrazit und synthetischem Graphit oder aus graphitiertem Kohlenstoff zusammengesetzt. Die Oberflächenprofilierung dient dem Zweck, die durch die bei der Elektrolyse vorliegende elektromagnetische Wechselwirkung hervorgerufene Bewegung des geschmolzenen Aluminiums zu verringern und dadurch eine geringere Wellenbildung und Aufwölbung der Aluminiumschicht zu erreichen. Durch die verringerte Wellenbildung sollen Kurzschlüsse und eine unerwünschte Rückoxidation des gebildeten Aluminiums vermieden werden, die andernfalls auftreten können, wenn der Abstand zwischen der Schicht aus schmelzflüssigem Aluminium und der Anode zu gering gewählt wird. Durch eine Verringerung der Wellenbildung kann daher der Abstand zwischen dem schmelzflüssigen Aluminium und der Anode verringert werden, so dass die in der dazwischen liegenden Schicht aus kryolithhaltiger Schmelze auftretenden ohmschen Verluste und folglich der spezifische Energieverbrauch mit dieser Anordnung verringert werden können.
Allerdings kann auch durch die Verwendung eines wie vorstehend beschriebenen oberflächenprofilierten Kathodenblocks die Wellenbildung in dem schmelzflüssigen Aluminium nur zu einem gewissen Grad verringert werden, so dass nach wie vor ein relativ hoher spezifischer Energieverbrauch der Anordnung während des Elektrolysebetriebs besteht. Dies ist unter anderem darauf zurück zu führen, dass sich der durch den Kathodenblock fließende elektrische Strom in der Längsrichtung des Kathodenblocks betrachtet auf die Randbereiche des Kathodenblocks konzentriert, da dort die Kontaktierung der Stromschienen mit den Stromzuführungselementen erfolgt, weswegen der resultierende elektrische Widerstand von den Stromzuführungselementen bis zu der Oberfläche des Kathodenblocks bei Fluss über die längsseitigen Randbereiche geringer als bei Fluss über die Mitte des Kathodenblocks ist. In dem Kathodenblock liegt somit eine ungleichmäßige Verteilung der elektrischen Stromdichte vor, wodurch in dem Kathodenblock nach einer gewissen Betriebszeit ein, in Längsrichtung des Kathodenblocks betrachtet, angenähert W-förmiges Verschleißprofil ausgebildet wird. Dieses Problem tritt aufgrund des vergleichsweise niedrigen spezifischen elektrischen Widerstandes von Graphit bei graphitierten Kathodenblöcken sogar in verstärktem Ausmaß als bei Kathodenblöcken aus Basis von amorphem Kohlenstoff auf.
In der schmelzflüssigen Aluminiumschicht, die sich auf der Kathodenblockoberflä- che befindet, findet ausgehend von der inhomogenen Stromdichteverteilung in dem Kathodenblock eine Vergleichmäßigung der Stromdichteverteilung statt, was bedeutet, dass in der Aluminiumschicht Stromvektoren auftreten, die von den längsseitigen Enden des Kathodenblocks weg zur Mitte des Kathodenblocks hin und somit in horizontaler Richtung orientiert sind. Diese durch die ungleichmäßige Stromdichteverteilung im Kathodenblock hervorgerufenen horizontal gerichteten Stromvektoren in der Aluminiumschmelze bewirken verstärkte elektromagnetische Wechselwirkungen auf das Aluminiummaterial, die wiederum zu einer verstärkten Wellenbildung beitragen und somit dem Zweck der Oberflächenprofilierung entgegen wirken.
Das Problem der ungleichmäßigen Stromdichteverteilung im Bereich der Katho- denblockoberfläche tritt bei oberflächenprofilierten Kathodenblöcken sogar verstärkt auf, weil sich die Stromdichte nicht nur auf die längsseitigen Randbereiche des Kathodenblocks konzentriert, sondern sich aufgrund der höheren elektrischen Leitfähigkeit des schmelzflüssigen Aluminiums im Vergleich zu dem Kathoden- blockmaterial zusätzlich auf die in der profilierten Kathodenblockoberfläche vorhandenen Vertiefungen bzw. Aussparungen konzentriert. An diesen Stellen treten deshalb im Vergleich zu herkömmlichen Kathodenblöcken ohne Oberflächenprofilierung lokal erhöhte Stromdichten auf. Aus diesen Gründen ist die in einem oberflächenprofilierten Kathodenblock auftretende Stromdichteverteilung in zweifacher Hinsicht inhomogen, wodurch die Lebensdauer des oberflächenprofilierten Kathodenblocks begrenzt wird.
Abgesehen davon, dass aufgrund der inhomogenen Stromdichteverteilung in dem oberflächenprofilierten Kathodenblock die Energieeffizienz vergleichsweise gering ist, führt die inhomogene Stromdichteverteilung in dem oberflächenprofilierten Kathodenblock außerdem zu einer verringerten Standzeit des Kathodenblocks, da die inhomogene Stromdichteverteilung sehr hohe Stromdichten in bestimmten Bereichen des Kathodenblocks bedingt, durch die wiederum ein erhöhter Verschleiß des Kathodenblocks durch elektrochemische Reaktionen in diesen Bereichen hervorgerufen wird.
Um über die Länge eines Kathodenblocks hinweg ein gleichmäßiges Stromlinienprofil zu gewährleisten, ist in der WO 2007/1 18510 A2 eine Kathodenanordnung mit einem Kathodenblock vorgeschlagen worden, bei der die in dem Kathodenblock zur Aufnahme einer Stromschiene vorgesehene Nut eine über ihre Länge variierende Tiefe aufweist, wobei die Tiefe der Nut, in der Längsrichtung des Kathodenblocks betrachtet, von den Randbereichen zu der Mitte des Kathodenblocks zunimmt. Die Stromschiene ist dabei in herkömmlicher Weise mit Gusseisen umhüllt, wobei diese Umhüllung durch Eingießen von flüssigem Gusseisen in den Zwischenraum zwischen der Nut und der Stromschiene erfolgt. Allerdings ist auch die Energieeffizienz der in dieser Druckschrift beschriebenen Kathodenblöcke vergleichsweise gering und daher verbesserungsbedürftig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kathodenanordnung zu schaffen, die, wenn diese bei einer Schmelzflusselektrolyse in einer Elektrolysezelle eingesetzt wird, eine erhöhte Energieeffizienz bewirkt und gleichzeitig, selbst wenn diese auf Basis von Graphit aufgebaut ist, eine erhöhte Verschleißbeständigkeit gegenüber den bei der Schmelzflusselektrolyse herrschenden abrasiven, chemischen und thermischen Bedingungen aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Kathodenanordnung für eine Aluminium-Elektrolysezelle mit wenigstens einem Kathodenblock auf Basis von Kohlenstoff und/oder Graphit, der eine zumindest bereichsweise profilierte Oberfläche sowie wenigstens eine Nut aufweist, wobei in der wenigstens einen Nut wenigstens eine Stromschiene vorgesehen ist, und wobei die wenigstens eine Nut eine über ihre Länge variierende Tiefe aufweist.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass durch das Vorsehen einer Nut variabler Tiefe in einem oberflächenprofilierten Kathodenblock eine Wellenbildung in dem schmelzflüssigen Aluminium auf ein Minimum reduziert wird, weswegen der Abstand zwischen der Schicht aus schmelzflüssigem Aluminium und der Anode weiter verringert werden kann und dadurch bei dem Elektrolysebetrieb eine höhere Energieeffizienz erreicht werden kann. Dies liegt darin begründet, dass durch die über die Kathodenblocklänge gesehen variable Nuttiefe der elektrische Widerstand zwischen der in der Nut aufgenommenen Stromschiene und der profilierten Kathodenblockoberfläche über die Kathodenblocklänge gesehen vergleichmäßigt wird, so dass der oberflächenprofilierte Kathodenblock eine über die Kathodenblocklänge gesehen gleichmäßige Stromdichteverteilung aufweist. Dadurch werden die bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kathodenblöcken aufgrund der bei deren Betrieb darin vorliegenden inhomogenen Stromdichteverteilung hervorgerufenen horizontalen Stromvektoren in der schmelzflüssigen Aluminiumschicht weitgehend vermieden, weswegen die durch die Wechselwirkung elektromagnetischer Felder hervorgerufenen Bewegungen in der Aluminiumschmelze beträchtlich verringert oder sogar nahezu vollständig eliminiert werden. Dadurch kann die Anode in einer geringeren Höhe über der Oberfläche der Schicht aus schmelzflüssigem Aluminium angeordnet werden. Dadurch wird wiederum der elektrische Widerstand der kryolithhaltigen Schmelzeschicht zwischen der Anode und der Schicht aus schmelzflüssigem Aluminium verringert und die Energieeffizienz der durchgeführten Schmelzflusselektrolyse erhöht.
Zusätzlich wird durch die gleichmäßigere Stromdichteverteilung über die Längsrichtung des erfindungsgemäßen Kathodenblocks ein übermäßiger Verschleiß des oberflächenprofilierten Kathodenblocks im Bereich seiner längsseitigen Enden im Vergleich zu dem in der Kathodenblockmitte und so die Ausbildung eines W-för- migen Verschleißprofils vermieden, und zwar selbst bei aus Graphit aufgebauten Kathodenblöcken. Im Ergebnis schafft die vorliegende Erfindung eine Kathodenanordnung mit einer verbesserten Energieeffizienz bei dem Elektrolysebetrieb und mit einer erhöhten Verschleißbeständigkeit. Von besonderem Vorteil ist es dabei, dass die vorteilhaften Effekte durch technisch einfach und kostengünstig umsetzbare Maßnahmen erreicht werden können. Durch den aufgrund der variablen Nuttiefe größeren Anteil von darin enthaltenem Stahl der Stromschiene kann die zwischen dem Ende des Stromzuführungsbarrens und der Kathodenblockoberflä- che gemessene Gesamtbodenspannung in etwa konstant gehalten werden, was bei anderen Konstruktionen, wie der in der WO 02/068723 A1 beschriebenen, nicht der Fall ist.
Unter einer Kathodenanordnung wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein wenigstens eine Nut aufweisender Kathodenblock verstanden, wobei in jeder der wenigstens einen Nut wenigstens eine ggf. eine Gusseisenumhüllung aufweisende Stromschiene aufgenommen ist. Ebenso bezeichnet dieser Begriff eine Anordnung aus mehreren, jeweils wenigstens eine Nut aufweisenden Kathodenblöcken, wobei in jeder der wenigstens einen Nut wenigstens eine ggf. eine Gusseisenumhüllung aufweisende Stromschiene aufgenommen ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Nut, bezogen auf die Längsrichtung, in ihrer Mitte eine größere Tiefe aufweist als an ihren beiden längsseitigen Enden. Auf diese Weise wird eine gleichmäßige Verteilung des über die Kathodenanordnung zugeführten elektrischen Stroms über die gesamte Länge des Kathodenblocks erreicht, wodurch eine übermäßige elektrische Stromdichte an den längsseitigen Enden des Kathodenblocks und so ein vorzeitiger Verschleiß an den Enden des Kathodenblocks wirksam und zuverlässig vermieden wird. Die erfindungsgemäße Kathodenanordnung kann wenigstens eine Nut zur Aufnahme jeweils wenigstens einer Stromschiene aufweisen, wobei bevorzugt jede Nut eine über ihre Länge variierende Tiefe aufweist.
Die erfindungsgemäße Kathodenanordnung eignet sich insbesondere für den Einsatz von herkömmlichen Nut- und/oder Stromschienenquerschnitten. So können beispielsweise die Nut und/oder die Stromschiene in herkömmlicher Weise einen im Wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt aufweisen. Die Stromschiene kann insbesondere auch in herkömmlicher Weise aus Stahl bestehen.
Erfindungsgemäß weist der Kathodenblock eine zumindest bereichsweise profilierte Oberfläche auf. Unter einer profilierten Oberfläche wird hier eine Oberfläche verstanden, welche wenigstens eine sich in Querrichtung, in Längsrichtung oder in einer beliebigen anderen Richtung, wie beispielsweise in einer in einem spitzen oder stumpfen Winkel zu der Längsrichtung verlaufenden Richtung, des Kathodenblocks erstreckende Vertiefung und/oder Erhebung aufweist, wobei die Vertiefung bzw. Erhebung in Abgrenzung zu einer Oberflächenrauigkeit, quer zu der Kathodenblockoberfläche gesehen, zumindest eine Tiefe bzw. Höhe von 0,05 mm und bevorzugt von 0,5 mm aufweist.
Dabei wird die wenigstens eine Vertiefung des Kathodenblocks in der Praxis durch zwei Seitenwände und eine Bodenwand begrenzt sein.
Vorteilhafterweise ist die Bodenwand der wenigstens einen Vertiefung des Kathodenblocks, in der Höhenrichtung des Kathodenblocks gesehen, zumindest im Wesentlichen exakt über der wenigstens einen Stromschiene angeordnet, wobei die Bodenwand der wenigstens einen Vertiefung die Stromschiene über wenigstens 60 %, bevorzugt über wenigstens 80 % und besonders bevorzugt 100 % der in Querrichtung des Kathodenblocks gemessenen Breite der Stromschiene überdeckt. Mit anderen Worten sind die wenigstens eine Vertiefung und die wenigstens eine Stromschiene bei dieser Ausführungsform, in der Höhenrichtung des Kathodenblocks betrachtet, so einander gegenüberliegend angeordnet, dass die Bodenwand der Vertiefung die Stromschiene vollständig oder zumindest weitestgehend überdeckt. Dadurch wird die Energieeffizienz des Elektrolysebetriebs noch weiter erhöht, da ein Strompfad zwischen der Stromschiene und der schmelzflüssigen Aluminiumschicht geschaffen wird, entlang dem der elektrische Strom nur einen minimalen Weg in dem elektrisch vergleichsweise schlecht leitenden Kathodenblock zurücklegen muss. Hierdurch wird der elektrische Widerstand der Kathodenanordnung weiter reduziert. Sofern die Stromschiene eine Umhüllung aus Gusseisen aufweist, so überdeckt die wenigstens eine Vertiefung bevorzugt die Stromschiene einschließlich der diese umgebenden Gusseisenumhüllung in der Breite betrachtet zu wenigstens 60 %, bevorzugt wenigstens 80 % und besonders bevorzugt 100 %.
Grundsätzlich ist es möglich, dass sich die wenigstens eine Vertiefung nur über einen Teil der Länge des Kathodenblocks erstreckt. Jedoch ist es möglich, dass die Tiefe und/oder Breite der wenigstens einen Vertiefung über die Länge des Kathodenblocks variiert. Ebenso kann auch die Geometrie der Vertiefung über die Länge des Kathodenblocks variieren. Zudem ist es bevorzugt, dass eine Vertiefung des Kathodenblocks über einen Teil oder im Wesentlichen die gesamte Länge des Kathodenblocks zumindest annähernd parallel zu der Stromschiene verläuft.
Prinzipiell kann die wenigstens eine Vertiefung und/oder Erhebung, in der Querrichtung des Kathodenblocks gesehen, jede beliebige Geometrie aufweisen. Beispielsweise kann die wenigstens eine Vertiefung bzw. Erhebung, in der Querrichtung des Kathodenblocks gesehen, konvex, konkav oder polygonal, wie beispielsweise trapezförmig, dreiecksförmig, rechteckig oder quadratisch, ausgebildet sein. Um eine Wellenbildung bei dem Betrieb des erfindungsgemäßen Kathodenblocks bei der Schmelzflusselektrolyse von Aluminiumoxid in einer Kryolithschmelze zu vermeiden oder zumindest beträchtlich zu verringern, und, um die Höhe der etwaig sich bildenden Wellen drastisch zu verringern, wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, dass, sofern die Oberflächenprofilierung wenigstens eine Vertiefung umfasst, das Verhältnis von Tiefe zu Breite der wenigstens einen Vertiefung 1 :3 bis 1 : 1 und bevorzugt 1 :2 bis 1 : 1 beträgt.
Gute Ergebnisse werden insbesondere erhalten, wenn die Tiefe der wenigstens einen Vertiefung 10 bis 90 mm, bevorzugt 40 bis 90 mm und besonders bevorzugt 60 bis 80 mm, wie beispielsweise etwa 70 mm, beträgt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt die Breite der wenigstens einen Vertiefung 100 bis 200 mm, besonders bevorzugt 120 bis 180 mm und ganz besonders bevorzugt 140 bis 160 mm, wie beispielsweise etwa 150 mm.
Sofern die Oberflächenprofilierung wenigstens eine Erhebung umfasst, ist es ebenfalls aus dem Grund, eine Wellenbildung bei dem Betrieb des erfindungsgemäßen Kathodenblocks bei der Schmelzflusselektrolyse von Aluminiumoxid in einer Kryolithschmelze zu vermeiden oder zumindest beträchtlich zu verringern, und, um die Höhe der etwaig sich bildenden Wellen drastisch zu verringern, bevorzugt, dass das Verhältnis von Höhe zu Breite der wenigstens einen Erhebung 1 :2 bis 2: 1 und bevorzugt etwa 1 : 1 beträgt.
Gute Ergebnisse werden insbesondere erhalten, wenn die Höhe der wenigstens einen Erhebung 10 bis 150 mm, bevorzugt 40 bis 90 mm und besonders bevorzugt 60 bis 80 mm, wie beispielsweise etwa 70 mm, beträgt. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt die Breite der wenigstens einen Erhebung 50 bis 150 mm, besonders bevorzugt 55 bis 100 mm und ganz besonders bevorzugt 60 bis 90 mm, wie beispielsweise etwa 75 mm.
Grundsätzlich ist es möglich, dass sich die wenigstens eine Erhebung, in Längsrichtung des Kathodenblocks gesehen, nur bereichsweise erstreckt. Allerdings ist es bevorzugt, dass sich die wenigstens eine Erhebung über die gesamte Länge des Kathodenblocks erstreckt, um den Effekt der Verringerung bzw. vollständigen Verringerung von Wellenbildung des schmelzflüssigen Aluminiums zu erreichen. Jedoch ist es möglich, dass die Höhe und/oder Breite der wenigstens einen Erhebung über die Länge des Kathodenblocks variiert. Ebenso kann auch die Geometrie der Erhebung über die Länge des Kathodenblocks variieren.
Sofern die Oberflächenprofilierung sowohl wenigstens eine Vertiefung als auch wenigstens eine Erhebung umfasst, beträgt das Verhältnis der Breite der wenigstens einen Vertiefung zu der Breite der wenigstens einen Erhebung vorzugsweise 4: 1 bis 1 : 1 , wie beispielsweise etwa 2: 1 .
Um während der Durchführung einer Schmelzflusselektrolyse eine Absetzung von in der Schmelze enthaltendem Schlamm, d. h. von ungelöstem Aluminiumoxid mit anhaftender Schmelze, in der profilierten Struktur der Oberfläche des Kathodenblocks zuverlässig zu vermeiden, wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, etwaige gewinkelte und insbesondere rechtwinklige Bereiche in der profilierten Oberfläche zu vermeiden. Wenn beispielsweise ein im wesentlicher rechteckiger Querschnitt der wenigstens einen Vertiefung und/oder Erhebung gewählt wird, ist es gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bevorzugt, die rechtwinkligen Bereiche abzurunden. Der Krümmungsradius dieser Abrundungen kann beispielsweise 5 bis 50 mm, bevorzugt 10 bis 30 mm und besonders bevorzugt etwa 20 mm betragen. Um scharfe Kanten zu ver- meiden, sind prinzipiell beliebige Geometrien denkbar, die alle unter den Begriff Abrundung fallen.
Bezüglich der Anzahl der Vertiefungen bzw. Erhebungen in dem Kathodenblock ist die vorliegende Erfindung nicht beschränkt. Gute Ergebnisse werden beispielsweise erhalten, wenn der Kathodenblock in seiner Querrichtung 1 bis 3 Vertiefungen und bevorzugt 2 Vertiefungen aufweist.
Erfindungsgemäß ist der in der Kathodenanordnung enthaltene Kathodenblock auf Basis von Kohlenstoff und/oder Graphit zusammengesetzt, d.h. der Kathodenblock enthält amorphen Kohlenstoff, Graphit oder eine Mischung aus amorphem Kohlenstoff, graphitiertem Kohlenstoff und/oder graphitischem Kohlenstoff. Abgesehen von dem Kohlenstoff bzw. Graphit kann der Kathodenblock gegebenenfalls carbonisiertes und/oder graphitiertes Bindemittel, wie Pech, insbesondere Steinkohlenteer- und/oder Petroleumpech, enthalten. Wenn nachfolgend Pech erwähnt wird, sind damit alle dem Fachmann bekannten Pechsorten gemeint.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält der Kathodenblock der erfindungsgemäßen Kathodenanordnung als Kohlenstoff ausschließlich graphitischen und/oder graphitierten Kohlenstoff oder eine Mischung aus graphitischem bzw. graphitiertem Kohlenstoff mit amorphem Kohlenstoff. Sofern eine Mischung aus graphitischem bzw. graphitiertem Kohlenstoff und amorphem Kohlenstoff eingesetzt wird, enthält diese Mischung bevorzugt 10 bis 99 Gew.-%, besonders bevorzugt 30 bis 95 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt 60 bis 90 Gew.-% graphitischem bzw. graphitierten Kohlenstoff. Sofern in der Mischung graphitischer Kohlenstoff enthalten ist, kann dieser sowohl Naturgraphit als auch synthetischer Graphit sein.
Als Ausgangsmaterial für amorphen Kohlenstoff wird bevorzugt Anthrazit eingesetzt, welcher dann bei einer Temperatur 800 und 2.200°C und besonders bevor- zugt zwischen 1 .200 und 2.000°C calciniert wird. Beispielsweise erfolgt die Herstellung so, dass eine Mischung aus partikelförmigem Anthrazit und Steinkohlen- teerpech als Bindemittel in eine Form gebracht und diese anschließend zu einem Grünkörper verdichtet wird, bevor der Grünkörper durch eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von beispielsweise 1 .000 bis 1 .300 °C carbonisiert wird.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Kathodenblock für eine Kathodenanordnung einer Aluminium-Elektrolysezelle auf Basis von Kohlenstoff und/oder Graphit, der eine zumindest bereichsweise profilierte Oberfläche aufweist sowie wenigstens eine Nut zur Aufnahme einer Stromschiene, wobei die Nut eine über ihre Länge variierende Tiefe aufweist. Ein solcher Kathodenblock kann mit Vorteil als Bestandteil der zuvor beschriebenen Kathodenanordnung eingesetzt werden. Dabei kann der Kathodenblock auf Basis von amorphem Kohlenstoff, graphitischem Kohlenstoff, graphitiertem Kohlenstoff oder einer beliebigen Mischung der vorstehenden Kohlenstoffe aufgebaut sein, wobei graphitischer Kohlenstoff und insbesondere graphitierter Kohlenstoff besonders bevorzugt sind.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Dabei zeigen:
Figur 1 einen schematischen Querschnitt eines Ausschnitts einer
Aluminium-Elektrolysezelle, welche eine Kathodenanordnung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung umfasst,
Figur 2 einen Längsschnitt der Kathodenanordnung der in Fig. 1 gezeigten Aluminium-Elektrolysezelle und Figuren 3A bis 3E jeweils einen schematischen Querschnitt der Oberflächen- profilierung eines Kathodenblocks gemäß anderer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
In der Fig. 1 ist ein Querschnitt eines Ausschnitts einer Aluminium-Elektrolysezelle 10 mit einer Kathodenanordnung 12 gezeigt, die gleichzeitig den Boden einer Wanne für während des Betriebs der Elektrolysezelle 10 erzeugte Aluminiumschmelze 14 und für eine oberhalb der Aluminiumschmelze 14 befindliche Kryo- lith-Aluminiumoxid-Schmelze 16 bildet. Mit der Kryolith-Aluminiumoxid-Schmelze 16 steht eine Anode 18 der Elektrolysezelle 10 in Kontakt. Seitlich wird die durch den unteren Teil der Aluminium-Elektrolysezelle 10 gebildete Wanne durch eine in der Fig. 1 nicht dargestellte Auskleidung aus Kohlenstoff und/oder Graphit begrenzt.
Die Kathodenanordnung 12 umfasst mehrere Kathodenblöcke 20, 20', 20", die jeweils über eine in eine zwischen den Kathodenblöcken 20, 20', 20" angeordnete Stampfmassenfuge 22, 22' eingefügte Stampfmasse 24, 24' miteinander verbunden sind. Gleichermaßen umfasst die Anode 18 mehrere Anodenblöcke 26, 26', wobei die Anodenblöcke 26, 26' jeweils etwa doppelt so breit und etwa halb so lang wie die Kathodenblöcke 20, 20', 20" sind. Dabei sind die Anodenblöcke 26, 26' so über den Kathodenblöcken 20, 20', 20" angeordnet, dass jeweils ein Anodenblock 26, 26' in der Breite zwei nebeneinander angeordnete Kathodenblöcke 20, 20', 20" abdeckt und jeweils ein Kathodenblock 20, 20', 20" in der Länge zwei nebeneinander angeordnete Anodenblöcke 26, 26' abdeckt.
Die Kathodenblöcke 20, 20', 20" weisen jeweils eine graphitierte Materialstruktur auf, welche z. B. durch Abformen einer Mischung aus Petrolkoks und Steinkoh- lenteerpech mit anschließender thermischer Behandlung bei bis zu 3000 °C erzeugt wurde. Der Abstand zwischen den Anodenblöcken 26, 26' und den Kathodenblöcken 20, 20', 20" beträgt ca. 200 bis ca. 350 mm, wobei die dazwischen angeordnete Schicht aus Kryolith-Aluminiumoxid-Schmelze 16 eine Dicke von ca. 50 mm aufweist und die darunter angeordnete Schicht aus Aluminiumschmelze 14 eine Dicke von ca. 150 bis ca. 300 mm aufweist.
Jeder Kathodenblock 20, 20', 20" weist eine profilierte Oberfläche auf, wobei in jedem Kathodenblock 20, 20', 20" zwei im Querschnitt im Wesentlichen rechteckige Vertiefungen 34, 34' vorgesehen sind, welche durch eine Erhebung 36 voneinander getrennt sind. Jede Vertiefung 34, 34' wird durch eine Bodenwand 33, 33' und zwei Seitenwände 35, 35' begrenzt. Wie in der Querschnittsansicht der Fig. 1 gezeigt, verlaufen die Bodenwände 33, 33' dabei parallel zu der Querrichtung des Kathodenblocks 20'. Während die Breite der Vertiefungen 34, 34' jeweils 150 mm beträgt und die Tiefe der Vertiefungen 34, 34' jeweils 70 mm beträgt, weist die Erhebung 36 eine Breite von 75 mm und eine Höhe von 70 mm auf. Sowohl die Ecken in den beiden Vertiefungen 34, 34' als auch die Ecken der Erhebung 36 sind jeweils mit 20 mm Radius abgerundet.
Schließlich umfasst jeder Kathodenblock 20, 20', 20" an seiner Unterseite jeweils zwei Nuten 38, 38' mit jeweils einem rechtwinkligen, nämlich im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt, wobei in jeder Nut 38, 38' jeweils eine Stromschiene 40, 40' aus Stahl mit einem ebenfalls rechtwinkligen bzw. im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufgenommen ist.
Der Zwischenraum zwischen der Stromschiene 40, 40' und der Nut 38, 38' ist dabei jeweils mit Gusseisen 44, 44' ausgegossen.
Wie in der Fig. 1 gezeigt, sind die Vertiefungen 34, 34', in der Höhenrichtung des Kathodenblocks 20' gesehen, exakt über der jeweils zugeordneten Stromschiene 40, 40' angeordnet, so dass die Bodenwände 33, 33' die jeweiligen Stromschienen 40, 40' einschließlich der diese umgebenden Gusseisenumhüllung 44, 44' über deren vollständige Breite hinweg überdecken. Dadurch wird die Energieeffizienz des Elektrolysebetriebs noch weiter erhöht, da ein elektrisch gut leitfähiger Pfad zwischen der Stromschiene und der schmelzflüssigen Aluminiumschicht geschaffen wird, entlang dem der elektrische Strom nur einen minimalen Weg in dem elektrisch vergleichsweise schlecht leitenden Kathodenblock zurücklegen muss. Hierdurch wird die Stromausbeute der Kathodenanordnung weiter erhöht.
In der Fig. 1 ist konkret der Querschnitt der Kathodenanordnung 10 an einem längsseitigen Ende des Kathodenblocks 20, 20', 20" gezeigt. Die Tiefe der Nuten 38, 38" des Kathodenblocks 20, 20', 20" variiert über die Länge der Nuten 38, 38". Der Nutquerschnitt im Bereich der Mitte der Nut 38, 38" ist in der Fig. 1 durch eine gestrichelte Linie 46, 46' angedeutet. Der Unterschied zwischen der Nuttiefe an den längsseitigen Enden der Nut 38, 38' und in der Mitte der Nut 38, 38' beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel etwa 10 cm. Die Breite 48 jeder Nut 38, 38' ist über die gesamte Nutlänge im Wesentlichen konstant und beträgt etwa 15 cm, wohingegen die Breite 50 der Kathodenblöcke 20, 20', 20" jeweils etwa 65 cm beträgt.
Die Fig. 2 zeigt den in der Fig. 1 dargestellten Kathodenblock 20, 20', 20" im Längsschnitt. Wie aus der Fig. 2 ersichtlich, läuft die in ihrem Längsschnitt betrachtete Nut 38, 38' zur Mitte des Kathodenblocks 20, 20', 20" hin in der Form eines Dreiecks zu, wodurch eine im Wesentlichen gleichmäßige elektrische vertikale Stromdichte über die gesamte Kathodenlänge hinweg gewährleistet wird. Dadurch werden horizontale Vektoren des in der Aluminiumschmelze 14 fließenden Stroms und eine daraus resultierende Wellenbildung der Aluminiumschmelze 14 weitestgehend verhindert. Die in der Fig. 2 der besseren Übersichtlichkeit halber nicht dargestellte Stromschiene 40, 40' ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel barrenförmig ausgebildet und weist einen rechtwinkligen Längsschnitt auf, so dass zwischen der Stromschiene und dem Nutboden ein zur Mitte der Nut 38, 38' hin größer werdender Zwischenraum besteht, der entweder durch Gusseisen 44, 44' oder durch zusätzliche mit der Stromschiene 40, 40' verbundene Metallplatten ausgefüllt sein kann. Ebenso könnte auch eine Stromschiene 40, 40' verwendet werden, die einen im Wesentlichen gleichbleibenden Abstand von dem Nutboden aufweist und insbesondere in ihrem Längsschnitt an den dreieckförmigen Verlauf der Nut 38, 38' angepasst ist.
Vorzugsweise werden sowohl die Nuten 38, 38' als auch die Vertiefungen 34, 34' an der Oberseite der Kathodenblöcke 20, 20', 20" während des Formgebungsprozesses angelegt, und zwar beispielsweise durch Rüttelformen und/oder Stempel.
In den Fig. 3A bis 3E sind Beispiele für unterschiedliche Ausgestaltungen der Vertiefungen 34, 34' und der Erhebungen 36 der Oberflächenprofilierung der Kathodenblöcke 20, 20', 20" dargestellt, nämlich, jeweils im Querschnitt, rechteckig mit abgerundeten Ecken (nicht dargestellt) (Fig. 3A), im Wesentlichen wellenförmig (Fig. 3B), dreiecksförmig (Fig. 3C), konvex (Fig. 3D) und sinusförmig (Fig. 3E), wobei die rechteckigen und wellenförmigen Oberflächenprofilierungen von Fig. 3A und Fig. 3B jeweils durch eine Bodenwand 33, 33' und zwei Seitenwände 35, 35' begrenzte Vertiefungen 34, 34' aufweisen.
Bezugszeichenliste
10 Aluminium-Elektrolysezelle
12 Kathodenanordnung Aluminiumschmelze
Kryolith-Aluminiumoxid-Schmelze
Anode
, 20', 20" Kathodenblock
, 22' Stampfmassenfuge
, 24' Stampfmasse
, 26' Anodenblock
, 33' Bodenwand
, 34' Vertiefung
, 35' Seitenwand
Erhebung
, 38' Nut
, 40' Stromschiene
, 44' Gusseisen
, 46' Nutquerschnitt im Bereich der Mitte der Nut
Breite der Nut
Breite des Kathodenblocks

Claims

Patentansprüche
1. Kathodenanordnung (12) für eine Aluminium-Elektrolysezelle (10) mit wenigstens einem Kathodenblock (20, 20', 20") auf Basis von Kohlenstoff und/oder Graphit, der eine zumindest bereichsweise profilierte Oberfläche sowie wenigstens eine Nut (38, 38') aufweist, wobei in der wenigstens einen Nut (38, 38') wenigstens eine Stromschiene (40, 40') vorgesehen ist, wobei die wenigstens eine Nut (38, 38') eine über ihre Länge variierende Tiefe aufweist.
2. Kathodenanordnung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Nut (38, 38') an ihren längsseitigen Enden eine geringere Tiefe aufweist als in ihrer Mitte.
3. Kathodenanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kathodenblock (20, 20', 20") ein oder zwei Nuten (38, 38') zur Aufnahme jeweils wenigstens einer Stromschiene (40, 40') aufweist.
4. Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
jede der wenigstens einen Nut (38, 38') und/oder jede der wenigstens einen Stromschiene (40, 40') einen wenigstens im Wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt aufweist.
5. Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberfläche des Kathodenblocks (20, 20', 20") durch wenigstens eine Vertiefung (34, 34') und/oder wenigstens eine Erhebung (36) profiliert ist.
Kathodenanordnung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens eine Vertiefung (34, 34') des Kathodenblocks (20, 20', 20") durch zwei Seitenwände (35, 35') und eine Bodenwand (33, 33') begrenzt ist.
Kathodenanordnung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Bodenwand (33, 33') der wenigstens einen Vertiefung (34, 34') des Kathodenblocks (20, 20', 20"), in der Höhenrichtung des Kathodenblocks (20, 20', 20") gesehen, über der wenigstens einen Stromschiene (40, 40') angeordnet ist, wobei die Bodenwand (33, 33') der wenigstens einen Vertiefung (34, 34') die Stromschiene (40, 40') über wenigstens 60 %, bevorzugt wenigstens 80 % und besonders bevorzugt 100 % der in Querrichtung des Kathodenblocks (20, 20', 20") gemessenen Breite der Stromschiene (40, 40') überdeckt.
Kathodenanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Vertiefung (34, 34') im Wesentlichen parallel zu der Stromschiene (40, 40') verläuft.
Kathodenanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Vertiefung (34, 34') und/oder die wenigstens eine Erhebung (36), in der Querrichtung des Kathodenblocks (20, 20', 20") gesehen, konvex, konkav oder polygonal, wie beispielsweise trapezförmig, dreiecks- förmig, rechteckig oder quadratisch, ausgebildet ist.
10. Kathodenanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberfläche des Kathodenblocks (20, 20', 20") wenigstens eine Vertiefung (34, 34') aufweist, wobei das Verhältnis von Tiefe zu Breite der wenigstens einen Vertiefung (34, 34') 1:3 bis 1:1 und bevorzugt 1:2 bis 1:1 beträgt.
11. Kathodenanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberfläche des Kathodenblocks (20, 20', 20") wenigstens eine Vertiefung (34, 34') aufweist, wobei die Tiefe der wenigstens einen Vertiefung (34, 34') 10 bis 90 mm, bevorzugt 40 bis 90 mm und besonders bevorzugt 60 bis 80 mm beträgt.
12. Kathodenanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 11 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberfläche des Kathodenblocks (20, 20', 20") wenigstens eine Vertiefung (34, 34') aufweist, wobei die Breite der wenigstens einen Vertiefung (34, 34') 100 bis 200 mm, besonders bevorzugt 120 bis 180 mm und ganz besonders bevorzugt 140 bis 160 mm beträgt.
13. Kathodenanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberfläche des Kathodenblocks (20, 20', 20") wenigstens eine Erhebung (36) aufweist, wobei das Verhältnis von Höhe zu Breite der wenigstens einen Erhebung (36) 1:2 bis 2:1 und bevorzugt 1:1 beträgt.
14. Kathodenanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Kathodenblocks (20, 20', 20") wenigstens eine Erhebung (36) aufweist, wobei die Höhe der wenigstens einen Erhebung (36) 10 bis 150 mm, bevorzugt 40 bis 90 mm und besonders bevorzugt 60 bis 80 mm beträgt.
15. Kathodenanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberfläche des Kathodenblocks (20, 20', 20") wenigstens eine Erhebung (36) aufweist, wobei die Breite der wenigstens einen Erhebung (36) 50 bis 150 mm, besonders bevorzugt 55 bis 100 mm und ganz besonders bevorzugt 60 bis 90 mm beträgt.
16. Kathodenanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberfläche des Kathodenblocks (20, 20', 20") wenigstens eine Vertiefung (34, 34') sowie wenigstens eine Erhebung (36) umfasst, wobei das Verhältnis der Breite der wenigstens einen Vertiefung (34, 34') zu der Breite der wenigstens einen Erhebung (36) 4:1 bis 1:1 und besonders bevorzugt 2:1 beträgt.
17. Kathodenanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberfläche des Kathodenblocks (20, 20', 20") 1 bis 3 und besonders bevorzugt 2 Vertiefungen (34, 34') aufweist.
18. Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Kathodenblock aus graphitischem und/oder graphitiertem Kohlenstoff und ggf. carbonisiertem und/oder graphitiertem Bindemittel zusammengesetzt ist oder bevorzugt daraus besteht. Kathodenblock für eine Kathodenanordnung (12) einer Aluminium- Elektrolysezelle (10) auf Basis von Kohlenstoff und/oder Graphit, der eine zumindest bereichsweise profilierte Oberfläche sowie wenigstens eine Nut (38, 38') zur Aufnahme einer Stromschiene (40, 40') aufweist, wobei die wenigstens eine Nut (38, 38') eine über ihre Länge variierende Tiefe aufweist.
PCT/EP2012/051965 2011-02-11 2012-02-06 Kathodenanordnung mit einem oberflächenprofilierten kathodenblock mit nut variabler tiefe WO2012107403A1 (de)

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