WO2012175419A2 - Ringförmige elektrolysezelle und ringförmige kathode mit magnetfeldkompensation - Google Patents

Ringförmige elektrolysezelle und ringförmige kathode mit magnetfeldkompensation Download PDF

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WO2012175419A2
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cathode
electrolytic cell
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doing
layer
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Thomas Frommelt
Christian Bruch
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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 an electrolytic cell, in particular for the production of aluminum, as well as a cathode, which is suitable for use in such an electrolytic cell.
  • Electrolysis cells are used, for example, for the electrolytic production of aluminum, which is usually carried out industrially by the Hall-Heroult process.
  • a melt composed of alumina and cryolite is electrolyzed.
  • the cryolite, Na3 [AlF6] serves to reduce the melting point from 2,045 ° C for pure alumina to approximately 950 ° C for a cryolite,
  • Lower alumina and additives such as aluminum fluoride and calcium fluoride containing mixture.
  • the electrolysis cell used in this process has a cathode bottom, which consists of a plurality of adjacent, the
  • Cathode forming cathode blocks may be composed.
  • the cathode In order to withstand the thermal and chemical conditions prevailing in the operation of the cell, the cathode is usually composed of a carbonaceous material.
  • grooves are usually provided, in each of which at least one bus bar is arranged, through which the current supplied via the anodes is removed.
  • layer of liquid aluminum is arranged, in particular of individual anode blocks, anode, between which and the surface of the aluminum, the electrolyte, that is, the alumina and cryolite-containing melt is.
  • the aluminum formed is deposited below the electrolyte layer due to its greater density compared to that of the electrolyte, ie as an intermediate layer between the upper side of the cathode and the electrolyte layer.
  • the dissolved in the melt aluminum oxide is split by electric current flow to aluminum and oxygen.
  • the layer of liquid aluminum is the actual cathode because aluminum ions are reduced to elemental aluminum on its surface.
  • the term cathode will not be understood below to mean the cathode from an electrochemical point of view, ie the layer of liquid aluminum, but rather the component forming the base of the electrolytic cell, for example composed of one or more cathode blocks.
  • a major disadvantage of the Hall-Heroult method 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.
  • the driving force for the wave formation in the layer of liquid aluminum and the melt layer arranged above it is the Lorentz force density generated there, which is defined as the vector product of the electrical current density present at the respective location and the magnetic flux density present at this location.
  • the current density distribution in the anode and in the melt layer is comparatively homogeneous
  • the current density distribution in the aluminum layer and on the surface of the cathode is very inhomogeneous due to large horizontal current density components in the direction of the cathode.
  • the strong horizontal components of the electric current density with the magnetic field which is likewise usually substantially horizontal, lead to a high vertical Lorentz force density, which in turn, as explained, leads to a pronounced wave formation, in particular in the aluminum layer.
  • These strong horizontal current density components in Direction of the cathode result from the effect that the current in the cathode and in the aluminum bath preferably takes the path of least electrical resistance.
  • the electrical current flowing through the cathode typically concentrates on the lateral edge regions of the cathode where the connection of the cathode contacting busbars to the current supply elements occurs because the resulting electrical resistance transients from the current delivery elements to the surface of the cathode when flowing the lateral edge regions located near the current supply elements are lower than when they flow across the center of the cathode.
  • the inhomogeneous current density distribution and the increased current density at the lateral edge regions of the cathode also lead to increased wear of the cathode in these lateral edge regions compared to that in the middle of the cathode, which typically increases after prolonged operation of the electrolysis cell a characteristic in cross-section approximately W-shaped wear profile of the cathode blocks in the longitudinal axis leads.
  • the object of the present invention is therefore to provide an electrolytic cell which has a reduced specific energy consumption and an increased service life during its operation.
  • an electrolytic cell is to be provided, in which the thickness of the melt layer is reduced, without as a result of increased wave formation tendency in the layer of liquid aluminum instabilities, such as short-circuits or reoxidations of the aluminum formed occur.
  • an electrolysis cell for the production of aluminum, which has a cathode, on the top of the cathode, a layer of liquid.
  • a cryolite-containing melt layer thereon and above the melt layer comprises an anode, wherein the cathode has at least one vertically extending through the cathode opening in which at least one vertically extending through the opening and with the anode and / or is provided with the cathode electrically connected power supply, and wherein the electrolytic cell comprises at least one arranged outside the opening of the cathode further power supply, which extends at least partially in the vertical direction and which is electrically connected to the cathode and / or to the anode.
  • the current supply provided in the opening of the cathode in relation to the current flowing in the rectified direction at least one external current supply, a magnetic field is generated which opposes the magnetic field generated by the current flowing through the at least one external current supply arranged outside the cathode opening is. For this reason, the magnetic field generated by the current supply provided in the opening of the cathode compensates for the magnetic field generated by the current flow in the at least one external current supply.
  • the individual power supply lines can be used to optimize the compensation of the magnetic fields. In particular, if a plurality of external power supply lines are arranged uniformly around the power supply provided in the opening of the cathode, a particularly complete compensation of the magnetic fields and / or a particularly homogeneous magnetic field distribution can be achieved.
  • an opening extending vertically through the cathode is understood as meaning an opening which, with respect to the vertical, is at an angle of less than 45 °, preferably less than 30 °, particularly preferably less than 15 ° most preferably of less than 5 ° and most preferably extends through the cathode at an angle of 0 °.
  • the border of the opening may, as seen in the cathode cross-section, extend obliquely or straight through the cathode with respect to the vertical direction, such that the opening may, for example, be in the form of a straight or oblique prism with a particular polygonal base or the shape of a straight or oblique cylinder can have.
  • the opening may also have a shape that tapers in the vertical direction and, in particular, may have an approximately frustoconical or pyramidal-truncated shape.
  • a current supply extending vertically through the opening is understood to mean a current supply which, with respect to the vertical, is at an angle of less than 45 °, preferably less than 30 °, particularly preferably less than 15 °, very particularly preferably of less than 5 ° and most preferably extends through the cathode at an angle of 0 °.
  • a further current supply extending at least in sections in the vertical direction is understood to be a current supply which is at least sectionally, with respect to the vertical, at an angle of less than 45 °, preferably less than 30 °, particularly preferably less than 15 °, most preferably less than 5 ° and most preferably at an angle of 0 °.
  • the layer of liquid aluminum, the melt layer and the anode seen in plan view one of the cathode substantially corresponding outline shape.
  • the opening of the cathode accordingly extends vertically through preferably the entire electrolysis cell. Good results are achieved in particular when the at least one opening in the cathode, viewed in plan view, is arranged substantially centrally.
  • the at least one power supply extending through the opening is arranged at least substantially in the center of the opening and thus at least substantially in the center of the cathode. In this arrangement of the opening, a particularly uniform compensation of the magnetic fields is achieved in the regions of the cathode located around the opening.
  • the power supply extending through the opening of the cathode may also extend through the layer of liquid aluminum disposed above the cathode, through the melt layer disposed thereon, and the anode disposed above it.
  • an opening is also provided in the layer of liquid aluminum, in the melt layer arranged thereon and the anode arranged above it, which opening extends vertically through the layer of liquid aluminum, the melt layer or the anode, and, which considered aligned with the opening of the cathode in the plan view of the electrolysis cell; in other words, the layer of liquid aluminum, the melt layer arranged thereon and the anode arranged above it are designed in the same way as the cathode.
  • the current lead extending through the opening of the cathode can extend through only two or one of the layers of liquid aluminum, the melt layer and the anode or to extend only through the opening of the cathode. Consequently, the electrolysis cell as a whole can have an opening which extends vertically through one or more and in particular through all of the cathode, liquid aluminum layer, melt layer and anode. the group selected components of the electrolytic cell extends through, wherein in the opening at least one vertically extending through this opening extending and electrically connected to the anode and / or to the cathode power supply is provided.
  • this formulation includes not only an opening extending exclusively through the cathode, but also, in particular, an opening described above which passes through the cathode and additionally through other components of the electrolytic cell extends.
  • the inner power supply is at least over part of their arranged within the at least one opening length and in particular over its entire disposed within the opening length not directly electrically with the surrounding the respective opening part, such as cathode, layer of liquid aluminum, melt layer and Anode, connected, but electrically isolated from the respective component of the electrolytic cell.
  • the inner power supply can be arranged in the opening over its respective length at a distance from the respective component of the electrolysis cell and / or surrounded by an electrically insulating substance or medium, such as, for example, air.
  • the inner power supply extend from the layer at least over its entire length extending through the opening provided in the layer of liquid aluminum and in the melt layer is electrically insulated from liquid aluminum and the melt layer and more preferably also over its entire extending through the opening provided in the cathode and in the anode opening extending length cathode and anode is electrically isolated.
  • the cathode can be formed in any manner known to those skilled in the art.
  • the cathode may form the bottom of a liquid aluminum layer or the melt layer supporting well forming a liquid aluminum liquid pool and the melt layer, preferably in a ring shape around that in the liquid aluminum layer the melt layer formed opening passes around.
  • the basin in the direction towards the opening is preferably bounded by outer walls provided in the trough, which form a shaft through which the inner power supply extends, the inner power supply preferably being spaced from the outer walls forming the shaft is.
  • the side walls of the basin may be formed by a refractory material.
  • the cathode viewed in plan view, is designed annular. In this way, it is particularly easy to provide a cathode which has an opening arranged centrally in the cathode.
  • the layer of liquid aluminum, the melt layer and the anode of the electrolytic cell corresponding to the cathode are also preferred
  • annular configuration of a constituent of the electrolysis cell ie in particular the cathode, the layer of liquid aluminum, the melt layer and the anode, is understood to mean that the respective constituent forms the shape of a ring, which is either closed can be or can be open at one or more places.
  • the layer of liquid aluminum and the melt layer a configuration in the form of a closed ring is preferred, whereas in particular the anode is also in the form of an open ring, for example in the Shape of a segmented ring which is designed to be open in several places, may be formed, wherein such an open ring may be formed, for example, by a plurality of annularly arranged around the opening and spaced apart anode blocks.
  • the inner (s) and outer (s) power supply (s) are preferably electrically connected to the same of electrode, which can be realized, for example, that the inner and outer power supply are connected directly to the same conductor, which is connected to the Electrode is connected directly.
  • the cathode viewed in plan view, an at least approximately circular outline shape.
  • the rotational symmetry of the magnetic flux density of the power supply lines is modeled by the geometry of the cathode.
  • the cathode can in principle be designed as a closed ring running around the opening.
  • the cathode may be formed as a partially closed ring which is open at one or more locations.
  • the cathode viewed in plan view, have an at least approximately polygonal annular outline shape.
  • an approximation to the preferred shape of a circular ring and the associated shape achieved advantageous effects, with the additional advantage that a polygonal annular cathode is easier and cheaper to produce than a circular cathode.
  • the outer circumference and / or the inner circumference of the polygon-shaped outline shape of the cathode considered in plan view has the shape of a preferably regular polygon with n corners, where n is preferably 3 to 100, more preferably 3 to 10 and most preferably 3, 4, 5, 6, 7 or 8.
  • n is preferably 3 to 100, more preferably 3 to 10 and most preferably 3, 4, 5, 6, 7 or 8.
  • the cathode in this embodiment is most preferably designed as a regular polygon ring with 6 or 8 corners.
  • the cathode of the electrolysis cell can be configured in one piece or in several pieces, with a multi-part embodiment being preferred from a manufacturing point of view.
  • the individual cathode blocks forming the cathode are preferably arranged in the circumferential direction around the current supply extending through the opening, forming an annular cathode next to one another and preferably adjacent to one another.
  • an annular or polygonal ring-shaped configuration is preferred.
  • Such a segmented construction of the cathode facilitates the provision of the individual components and the composition of the electrolysis cell during installation.
  • the cathode may be composed of 6 such cathode blocks juxtaposed circumferentially around the opening of the cathode.
  • a substantially trapezoidal cathode block can be produced in a particularly simple manner by cutting apart an elongated starting body in angles directed transversely to its longitudinal direction, the orientation of the angles alternating from cut to cut.
  • the ratio between the inner diameter and the outer diameter of the cathode is between 0.01 and 0.99, preferably between 0, 1 and 0.8, particularly preferably between 0.2 and 0.6 and completely more preferably between 0.3 and 0.5.
  • the at least one opening also extends through one or more of the layer of liquid aluminum, the melt layer and the anode, the above numerical ranges preferably also apply to the ratio between the inner diameter and the outer diameter of these components.
  • Internal diameter is understood to mean the diameter of the largest circle running in the horizontal plane, which can be arranged in the opening of the respective component of the electrolyte cell without cutting the inner circumference of the opening.
  • outer diameter is understood analogously to the diameter of the smallest circle running in the horizontal plane, which can be arranged around the outer circumference of the respective component without cutting the outer circumference of the component.
  • the electrolysis cell comprise a plurality of power supply lines, in particular between 2 and 10, preferably between 4 and 8, particularly preferably between 5 and 7 and very particularly preferably 6 outside the opening of the cathode. It is preferred that all power supply lines of the electrolysis cell provided outside the cathode opening extend at least in sections in the vertical direction and are in each case electrically connected to the cathode and / or to the anode.
  • the magnetic flux densities generated by the electric current in the Stromzu- guides can compensate each other more effectively, so that a further increase in the stability and energy efficiency is achieved in the operation of the electrolysis cell.
  • a high symmetry of the arrangement and thus a particularly good magnetic field compensation is achieved if the number of power supply lines arranged outside the cathode opening is identical to the number of cathode blocks forming the cathode.
  • Optimal compensation of the magnetic flux density is achieved when the further power supply lines are viewed in the circumferential direction of the cathode and are arranged at least approximately regularly, ie in particular at approximately regular angular intervals, around the current supply extending through the opening.
  • the additional or external power supply lines preferably surround the current supply extending through the opening concentrically.
  • the entire electric cell current used for the electrolysis preferably flows through the at least one current supply extending through the cathode opening and through the one or more power supply lines of the electrolysis cell arranged outside the cathode opening.
  • the power supply extending through the opening of the cathode and the further power supply lines are preferably matched to one another, for example by suitable selection of the conductor cross sections of the power supply lines, such that the cell current is divided between the power supply lines in such a way that optimum magnetic field compensation in the region of the Layer of liquid aluminum and the melt layer is achieved.
  • the cathode has at least two pin-like contacting elements on its underside, which contact the cathode strom foid.
  • this type of contacting makes it possible to adapt the current density distribution at the surface of the cathode and in the layer of liquid aluminum arranged above it to the melt layer in such a way that over the entire cathode surface results in a particularly homogeneous current density distribution. In this way, horizontal current density components in the layer of liquid aluminum are particularly largely avoided, which is why the wave formation in the layer of liquid aluminum and the melt layer arranged above are minimized.
  • At least one of the pin-like contacting elements extends and preferably extends all contacting elements at an angle of less than 30 ° and preferably less than 10 ° with respect to the vertical and particularly preferably perpendicular to the cathode , This produces a particularly good electrical contact between the contacting elements and the cathode.
  • the contacting elements are preferably electrically conductively connected at their side facing away from the cathode side with a common base plate.
  • the base plate for example, at least partially abut directly on the underside of the cathode and thereby even make a direct electrical contact with the cathode.
  • the base plate is arranged at a distance to the cathode lower side.
  • the contacting elements When the contacting elements extend into the cathode, they are preferably connected to the cathode via a screw connection, wherein preferably the contacting elements have on their outside an external thread of the screw connection.
  • material for the contacting elements and the base plate if present, is in principle any suitable electrically conductive material in question, for which purpose preferably a steel, aluminum, copper and / or carbon-containing material or graphite is used.
  • the length of the contacting elements is preferably between 100 and 500 mm and the diameter of the contacting elements is preferably between 30 and 200 mm.
  • the contacting elements can at least regionally be arranged in a density of 4 to 1000 Mulltechniks- elements per square meter base area of the cathode. With such a density, the distribution of the contacting elements can be specifically adjusted so that an at least particularly uniform current density distribution results at the cathode surface.
  • a particularly high energy efficiency of the electrolytic cell can be achieved if the distance between the anode and the layer of liquid aluminum between 15 and 45 mm, preferably between 15 and 35 mm and particularly preferably between 15 and 25 mm.
  • the smallest possible distance is to be striven for under energy efficiency aspects, a certain minimum distance is nevertheless advantageous in order to maintain the operating temperature of the electrolysis cell via the Joule heat arising there.
  • the small distance is made possible by the reduction of the wave formation tendency in the layer of liquid aluminum due to the magnetic field compensation by the power supply extending through the opening of the cathode.
  • the cathode or at least one cathode block forming the cathode contains or preferably consists of a graphite composite material or a carbon composite material, wherein the graphite composite material in addition to graphite and / or amorphous Carbon contains at least one hard material with a melting point of at least 1000 ° C.
  • the graphite composite material or carbon composite material may in particular contain between 1 and 50% by weight and more preferably between 15 and 50% by weight of the hard material.
  • hard material is understood, in accordance with the customary definition of this term, to mean a material which is particularly stable even at high temperatures.
  • the cathode can also be constructed in two layers, namely composed of a cover layer provided on its side facing the layer of liquid aluminum and an underlying base layer, wherein the cover layer is composed of the carbon composite material containing the hard material and / or graphite composite material is and the
  • Base layer is composed for example of hard-material graphite.
  • the hard material may, for example, have a Knoop hardness of at least 1,000 N / mm 2 , preferably at least 1,500 N / mm 2 , more preferably at least 2,000 N / mm 2, and very particularly preferably at least 2,500 N, as measured in accordance with DIN EN 843-4 / mm 2 have and can be selected for example from the group consisting of titanium diboride, zirconium diboride, Tantaldiborid, titanium carbide, boron carbide, titanium carbonitride, silicon carbide, tungsten carbide, vanadium carbide, titanium nitride, boron nitride, silicon nitride, zirconia, alumina and any chemical combinations and / or mixtures consists of two or more of the aforementioned compounds.
  • the cathode has an at least partially profiled surface on which the layer of liquid aluminum is arranged and which may be formed, for example, by a covering layer of the cathode containing a hard material as described above.
  • a surface profiling corrugation in the layer of liquid aluminum can be particularly effectively prevented during the operation of the electrolysis cell.
  • the surface of the cathode For example, have a plurality of elevations and / or depressions, wherein the depth of a recess is preferably 10 to 90 mm, more preferably 40 to 90 mm and most preferably 60 to 80 mm.
  • Another object of the present invention is a cathode for an electrolytic cell and in particular a cathode for an electrolytic cell for the production of aluminum, which has at least one vertically extending through the cathode opening.
  • a cathode is suitable for use in an electrolysis cell according to the invention as described above.
  • the cathode When viewed in plan view, the cathode is preferably designed to be at least approximately annular and preferably at least approximately annular or polygonal ring-shaped.
  • the outer circumference and / or the inner circumference of the polygonal outline shape of the cathode viewed in plan view is at least substantially in the form of a preferably regular polygon with n corners, where n is preferably 3 to 100, particularly preferably 3 to 10 and most preferably 3, 4, 5, 6, 7 or 8.
  • n is preferably 3 to 100, particularly preferably 3 to 10 and most preferably 3, 4, 5, 6, 7 or 8.
  • the cathode according to the invention may be composed of a plurality of cathode blocks, which are preferably arranged in the circumferential direction around the opening of the cathode adjacent to each other and adjacent to each other.
  • At least one cathode block and preferably all the cathode blocks in plan view have an at least approximately hexagonal, at least approximately circular-ring-shaped or at least approximately trapezoidal outline shape.
  • Such a basic shape can be produced easily and is particularly suitable for producing an at least approximately annular cathode by appropriately assembling the individual cathode blocks.
  • the cathode blocks can each be connected to one another via a ramming compound or in another suitable manner.
  • the ratio between the inner diameter and the outer diameter of the cathode is between 0.01 and 0.99, preferably between 0, 1 and 0.8, particularly preferably between 0.2 and 0 , 6 and most preferably between 0.3 and 0.5. In this way, a particularly uniform and low magnetic flux density can be achieved in the entire cathode with good space utilization based on the extent of the cathode in the horizontal plane.
  • the cathode has on its underside at least two recesses for each of a pin-like contacting element. This creates the possibility of contacting the cathode via pin-type contacting elements inserted into the recesses of the cathode. Ren, whereby the current density distribution at the surface of the cathode and in the layer of liquid aluminum arranged above it and the melt layer can be adjusted specifically so that over the entire cathode surface results in a particularly homogeneous Stromêtvertei- ment.
  • At least one of the recesses extends for a pin-like contacting element and particularly preferably all recesses extend for a pin-like contacting element with an angle of less than 30 ° and preferably less than 10 ° with respect to the vertical and very particularly preferably perpendicular to the Cathode inside. This makes it possible to produce a particularly good electrical contact between a pin-like contacting element provided in the respective recess of the cathode and the cathode.
  • the cathode is preferably connected via a screw connection with a pin-like contacting element arranged in a recess of the cathode, wherein the recess preferably has on its inside an internal thread for such a screw connection.
  • the length of the recesses for the pin-like contacting elements is preferably between 100 and 500 mm and the diameter of the recesses for pin-like contacting elements is preferably between 30 and 200 mm.
  • the recesses for pin-like Kontak- t istsetti can be arranged at least partially in a density of 4 to 1000 recesses per square meter base of the cathode. With such a density, the distribution of the contacting elements used in the recesses can be specifically adjusted so that an at least particularly uniform current density distribution results at the cathode surface.
  • Fig. 2 is a sectional view of an electrolytic cell according to a
  • FIG. 3 is a perspective view of a segment of an electrolytic cell according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the electrical current flow in the segment of an electrolysis cell shown in FIG. 3 according to an embodiment of the invention
  • FIGS. 5a-c show a graphic representation of the electrical current density distribution on the cathode surface of one of FIGS. 2, 3 and 4, according to an embodiment of the invention (FIG. 5a) and, for comparison, the electric current density distribution at the surface of the cathode of a conventional electrolysis cell (FIG. 5b), FIG.
  • Fig. 6a-c is a graphical representation of the distribution of the magnetic
  • Fig. 7 is a plan view of a cathode of an electrolytic cell according to a
  • FIG. 8 is a plan view of a cathode of an electrolytic cell according to another embodiment of the invention.
  • FIG. 9 is a plan view of a cathode of an electrolytic cell according to another embodiment of the invention.
  • FIG. 10 shows a segment of an electrolysis cell according to a further embodiment of the invention with horizontal contacting of the cathode in a perspective view
  • FIG. 1 shows an electrolysis cell according to the prior art in cross section.
  • the electrolysis cell comprises a conventional rectangular cathode 10 ', which forms a cathode bottom, above which there is a layer 12 of liquid aluminum.
  • the layer 12 of liquid aluminum adjoins a melt layer 14 arranged above the layer 12 of liquid aluminum.
  • an anode 16 which is arranged above the melt layer 14 and also formed from a plurality of anode blocks 27, emerges, wherein the anode blocks 27 are connected in an electrically conductive manner to an external power supply 22.
  • the cathode 10 'of the electrolysis cell shown in FIG. 1 is electrically conductively connected to a bus bar 34 extending laterally into the cathode 10'.
  • Fig. 2 shows an electrolytic cell according to an embodiment of the present invention in plan view.
  • the electrolytic cell comprises a cathode 10, on top of the cathode 10 a layer 12 (not shown) made of liquid aluminum, on a melt layer 14 (not shown) and above the melt layer 14 an anode 16 (not shown).
  • the latter components are not shown in Fig. 2, so as to release the view of the cathode 10 of the electrolysis cell.
  • the cathode 10 comprises a vertically extending, ie in FIG. 2 perpendicular to the plane of the drawing, through the cathode 10 extending through opening 18, in which a "inner" power supply 20 extending through the opening and electrically connected to the anode 16 (not shown) is provided.
  • the electrolysis cell has a plurality of "outer" power supply lines 22 arranged outside the opening 18, which are arranged laterally offset from the cathode, extend vertically upwards and are likewise connected to the anode 16 as shown in FIG.
  • the outer power leads 22 are substantially annular and disposed at regular angular intervals about the opening 18.
  • the cathode 10 has substantially the shape of a regular hexagonal ring when viewed in plan view, wherein both the outer periphery and the inner periphery of the cathode 10 form a regular hexagon and are arranged concentrically with each other.
  • the shape of the cathode 10 approximates that of a concentric annulus, and can be easily manufactured as compared to a concentric annulus.
  • the cathode 10 is composed of a plurality of segments or cathode blocks 24 which, when viewed in plan view, have the outline shape of a symmetrical trapezium and are arranged in the circumferential direction around the opening 18 next to one another to form the hexagonal ring-shaped cathode 10.
  • the cathode 10 has a hexagonal symmetry when viewed in plan view, wherein three vertical planes of symmetry 26, as shown in FIG. 2, extend through the middle of the cathode blocks 24 and additionally three symmetry planes not specifically marked in FIG each along the arranged between two adjacent cathode blocks 24 side surfaces of the cathode blocks 24 extend.
  • FIG. 3 shows a perspective view of a segment of an electrolytic cell formed by a trapezoidal cathode block 24 according to an embodiment of the invention, which essentially corresponds to the embodiment shown in FIG. 2.
  • the individual conductor sections namely an inner and an outer power supply 20, 22, are clearly visible, which are brought together above the anode 16 and contact the anode 16.
  • the anode 16 also consists of a plurality of anode blocks 27, wherein the individual anode blocks 27 corresponding to the cathode blocks 24 essentially have the outline shape of a symmetrical trapezoid.
  • Each anode block 27 may in principle be contacted by one or more power supply lines 20, 22 and a plurality of anode blocks 27 may be electrically conductively connected to each other along their side surfaces, but this is not absolutely necessary. In this case, the anode blocks 27 are suspended from electrically conductive suspension elements 25 and are electrically contacted via them.
  • the cathode 10 is electrically contacted from below by a plurality of pin-like contacting elements 28 which each extend perpendicularly to the underside of the cathode 10 into the cathode 10 and the side facing away from the cathode 10 with a common via a current conductor 29 with a electrical power source connected base plate 30 are electrically connected.
  • FIG. 4 the electric current flow in the segment of the electrolysis cell shown in FIG. 3 is illustrated by arrows 31.
  • the upward electric current in the inner power supply 20 and The upwardly directed electrical current in the external power supply leads 22 also generate a magnetic field in each case, the magnetic fields generated by the inner and outer power supply leads 20, 22 in the area of the cathode 10, the layer 12 of liquid aluminum, the melt layer 14 and the anode 16 substantially cancel, so that in particular in the layer 12 of liquid aluminum and the melt layer 14 is present only a very small and very homogeneously distributed magnetic flux density.
  • the entire electrolysis current flowing through the anode 16, the melt layer 14, the layer 12 of liquid aluminum and the cathode 10 is supplied through the power supply lines 20, 22.
  • the division of the electrolysis current onto the inner power supply 20 on the one hand and the outer power supply lines 22 on the other hand is preferably adjusted by appropriate selection of the cross sections of the power supply lines 20, 22 in such a way that optimum extinction of the magnetic fields in the region of the annular cathode 10 results.
  • the inner power supply 20 and the outer power supply lines 22 can have different large conductor cross sections for this purpose.
  • Fig. 5a shows a graphical representation of the electrical distribution of the vertical component of the electric current density at the cathode surface of a segment of an electrolytic cell as shown in Figs. 3 and 4 viewed in plan view.
  • FIG. 5a It can be seen from FIG. 5a that the particular type of contacting by means of pin-shaped contacting elements 28 shown in FIGS. 2, 3 and 4 achieves excellent uniformity of the vertical component of the electric current density over the entire cathode block surface. In this way, horizontal Current density components largely avoided, so that the wave formation in the layer 12 of liquid aluminum and the melt layer 14 and wear of the cathode 10 alone by the nature of the contacting of the cathode 10 can be reduced.
  • FIG. 5b is a representation of the distribution of the vertical component of the electric current density on the surface of a conventional parallelepiped cathode 10 'of a conventional electrolytic cell, as shown in FIG. 5a.
  • the electrolytic cell shown in FIGS. 3 and 4 has a distribution of the vertical electric current density at the cathode surface, which is significantly more uniform than the distribution of the vertical shown in FIG Current density at the surface of the conventional cathode 10 '.
  • Fig. 5c is a legend indicating the values of the amount of vertical electric current density at the respective location of the cathode surface corresponding to the hatching shown in Figs. 5a and 5b.
  • Fig. 6a is a graph showing the distribution of the amount of magnetic flux density in the interface between the liquid aluminum layer 12 and the melt layer 14 of a segment of an electrolytic cell as shown in Figs. 3 and 4 as viewed in plan.
  • FIG. 6b is a distribution of the magnitude of the magnetic flux density in the interface between the layer 12 of liquid aluminum and the melt layer 14 of an electrolytic cell with conventional parallelepiped cathode 10 'corresponding to the representation of FIG. 6a.
  • 6c is a legend indicating the values of the amount of magnetic flux density at the respective location in the interface between the liquid aluminum layer 12 and the melt layer 14, corresponding to the hatchings shown in FIGS. 6a and 6b.
  • the electrolysis cell shown in FIGS. 2, 3 and 4 has a distribution of the magnetic flux density which is distributed both in terms of magnitude significantly less and significantly more uniformly than that in the Fig. 6b distribution shown in an electrolytic cell with conventional cathode 10 '.
  • FIG. 7 shows an electrolysis cell in plan view which substantially corresponds to the electrolytic cell shown in FIGS. 2, 3 and 4, an additional example method for producing the cathode 10 of the electrolyte cell being illustrated.
  • a plurality of trapezoidal cathode blocks 24 for the hexagonal annular cathode 10 can be made simply by cutting a substantially parallelepiped green body 32 into pieces transverse to its longitudinal direction, with the cuts viewed in the longitudinal direction of the green body 32 in an alternating manner Orientation are guided.
  • a cutting tool for example, a milling or sawing tool can be used.
  • FIG. 8 shows a further embodiment of an electrolytic cell in plan view, which substantially corresponds to the embodiment shown in FIG. 7 and in which the cathode 10 has an annular outline shape. has and is composed of annular segment-shaped cathode blocks 24.
  • FIG. 9 shows a further embodiment of an electrolysis cell in a plan view, which substantially corresponds to the embodiments shown in FIGS. 7 and 8, and in which the cathode 10 is composed of cathode blocks 24 with a hexagonal outline in such a way that approx circular outline of the entire cathode 10 results.
  • 10 shows a segment of an electrolysis cell according to a further embodiment of the invention in a perspective view.
  • the embodiment shown in FIG. 10 essentially corresponds to the embodiments shown in FIGS. 2, 3, 4 and 7, although the contacting of the cathode 10 is not effected by pin-type contacting elements 28 (see FIGS. 3 and 4). but by horizontal busbars 34 takes place.
  • FIG. 11 shows a perspective view of an electrolysis cell according to a further preferred embodiment, the electrolysis cell being essentially composed of segments as shown in FIGS. 3 and 4.
  • the opening extends 18 vertically through the cathode 10 and also extends through the layer 12 of liquid aluminum, the melt layer 14 and the anode 16 vertically therethrough, these components each form around this opening a closed ring.
  • the layer 12 of liquid aluminum and the melt layer 14 are located in a basin bounded by a tub, wherein the bottom of the tub is formed by the cathode 10, wherein the side walls of the tub in Fig. 1 1 are not shown.
  • the anode 16 is preferably somewhat narrower in plan view than the cathode 10, the layer 12 of liquid aluminum and the melt layer 14 and immersed in the melt layer 14.
  • FIG. 12 shows a perspective view of an electrolytic cell according to a further embodiment of the present invention, which essentially corresponds to the electrolytic cell shown in FIG. 11.
  • the anode 16 of the electrolytic cell shown in FIG. 12 is composed of a plurality of anode blocks 27, each having a substantially trapezoidal outline as seen in plan view, which are annularly spaced around the opening 18 and spaced apart, and which respectively dip slightly into the melt layer 14 ,
  • FIG. 13 shows a cross-sectional view of an electrolytic cell according to a further preferred embodiment of the present invention, which essentially corresponds to the electrolytic cells shown in FIGS. 11 and 12. Shown is also a steel tub 36, which forms a border for the electrolytic cell and - in accordance with the cathode 10 - viewed in plan view is annular. Towards the opening 18, the steel tub 36 is delimited by vertical side walls which extend vertically through the electrolytic cell. Define extending shaft for the inner power supply 20 through which the power supply 20 passes vertically through.
  • the steel tub 36 is lined at its bottom with bottom bricks 38 and lined at their vertical side walls with side stones 40, wherein the bottom and side bricks 38, 40 each consist of a refractory material, which is preferably electrically insulating.
  • the bottom and side bricks 38, 40 forming the lining of the steel tub 36 include a material selected from the group consisting of a white ceramic material, a silicon nitride bonded silicon carbide, carbon and graphite, and any combinations of these materials.
  • the cathode 10 is arranged, which forms the bottom of a trough formed by the cathode 10 and the side stones 40, which in turn defines a pool for receiving the layer 12 of liquid aluminum and the melt layer 14.
  • the anode blocks 27 dip into the melt layer 14, but not into the layer 12 of liquid aluminum, and for this purpose-seen in plan view-are somewhat narrower than the cathode 10, the layer of liquid Aluminum and the melt layer 14.
  • a pin-shaped contacting element 28 extending vertically into the cathode 10 is also shown, which at its end facing away from the cathode 10 has a power supply designed to run horizontally Cathode is electrically connected.
  • the pin-shaped contacting element 28 and the busbar 42 are electrically insulated from the steel tub 36.
  • FIG. 14 the electrolysis cell shown in FIG. 13 is shown, in which, in addition, the technical flow of current in FIG. tion of the current flowing during operation of the electrolysis cell darg

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, welche eine Kathode, eine auf der Oberseite der Kathode angeordnete Schicht aus flüssigem Aluminium, darauf eine Schmelzeschicht und oberhalb der Schmelzeschicht eine Anode umfasst, wobei die Kathode wenigstens eine sich vertikal durch die Kathode hindurch erstreckende Öffnung aufweist, in der wenigstens eine sich vertikal durch die Öffnung hindurch erstreckende und mit der Anode und/oder mit der Kathode elektrisch verbundene Stromzuführung vorgesehen ist, und wobei die Elektrolysezelle wenigstens eine außerhalb der Öffnung der Kathode angeordnete weitere Stromzuführung umfasst, die sich zumindest abschnittsweise in vertikaler Richtung erstreckt und die mit der Kathode und/oder mit der Anode elektrisch verbunden ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Kathode für eine Elektrolysezelle.

Description

Ringförmige Elektrolysezelle und ringförmige Kathode mit Magnetfeldkompensation
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, sowie eine Kathode, welche zur Verwendung in einer solchen Elektrolysezelle geeignet ist. Elektrolysezellen werden beispielsweise 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[AlF6], dazu, den Schmelzpunkt von 2.045°C für reines Aluminiumoxid auf ca. 950°C für eine Kryolith,
Aluminiumoxid und Zusatzstoffe, wie Aluminiumfluorid und Calciumfluorid, enthaltende Mischung zu senken.
Die bei diesem Verfahren eingesetzte Elektrolysezelle weist einen Katho- denboden auf, der aus einer Vielzahl von aneinander angrenzenden, die
Kathode ausbildenden Kathodenblöcken zusammengesetzt sein kann. Um den bei dem Betrieb der Zelle herrschenden thermischen und chemischen Bedingungen standzuhalten, ist die Kathode üblicherweise aus einem kohlenstoffhaltigen Material zusammengesetzt. An den Unterseiten der Kathode sind üblicherweise jeweils Nuten vorgesehen, in denen jeweils wenigstens eine Stromschiene angeordnet ist, durch welche der über die Anoden zugeführte Strom abgeführt wird. Etwa 3 bis 5 cm oberhalb der auf der Kathodenoberseite befindlichen, üblicherweise 15 bis 50 cm ho- hen, Schicht aus flüssigem Aluminium ist eine, insbesondere aus einzelnen Anodenblöcken ausgebildete, Anode angeordnet, zwischen der und der Oberfläche des Aluminiums sich der Elektrolyt, also die Aluminiumoxid und Kryolith enthaltende Schmelze, befindet. Während der bei etwa 1.000°C durchgeführten Elektrolyse setzt sich das gebildete Aluminium aufgrund seiner im Vergleich zu der des Elektrolyten größeren Dichte unterhalb der Elektrolytschicht ab, also als Zwischenschicht zwischen der Oberseite der Kathode und der Elektrolytschicht. Bei der Elektrolyse wird das in der Schmelze gelöste Aluminiumoxid durch elektrischen Stromfluss zu Aluminium und Sauerstoff aufgespalten. Elektrochemisch gesehen handelt es sich bei der Schicht aus flüssigem Aluminium um die eigentliche Kathode, da an dessen Oberfläche Aluminiumionen zu elementarem Aluminium reduziert werden. Nichtsdestotrotz wird nachfolgend unter dem Begriff Kathode nicht die Kathode aus elektrochemischer Sicht, also die Schicht aus flüssigem Aluminium verstanden, sondern das den Elektrolysezellenboden ausbildende, beispielsweise aus einem oder mehreren Kathodenblöcken zusammengesetzte Bauteil.
Ein wesentlicher Nachteil des Hall-Heroult- Verfahrens 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.
Aufgrund des insbesondere im Vergleich zu der Schicht aus flüssigem Aluminium und dem Kathodenmaterial relativ hohen elektrischen Widerstands der Schmelze treten vor allem in der Schmelze relativ hohe ohm- sche Verluste in der Form von Joule'scher Dissipation auf. In Anbetracht der vergleichsweise hohen spezifischen Verluste in der Schmelze besteht eine dahingehende Bestrebung, die Dicke der Schmelzeschicht und somit den Abstand zwischen der Anode und der Schicht aus flüssigem Aluminium so weit wie möglich zu reduzieren. Allerdings besteht aufgrund der bei der Elektrolyse vorliegenden elektromagnetischen Wechselwirkungen und der dadurch in der Schicht aus flüssigem Aluminium hervorgerufenen Wellenbildung bei einer zu geringen Dicke der Schmelzeschicht die Gefahr, dass die Schicht aus flüssigem Aluminium mit der Anode in Berührung kommt, was zu Kurzschlüssen der Elektrolysezelle und zu unerwünschter Rückoxidation des gebildeten Aluminiums führen kann. Solche Kurzschlüsse führen ferner zu einem erhöhten Verschleiß und somit zu einer verringerten Standzeit der Elektrolysezelle. Aus diesen Gründen kann der Abstand zwischen der Anode und der Schicht aus flüssigem Aluminium nicht beliebig verringert werden. Treibende Kraft für die Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium und der darüber angeordneten Schmelzeschicht ist die dort generierte Lorentzkraftdichte, die als das Vektorprodukt der an der jeweiligen Stelle vorliegenden elektrischen Stromdichte und der an dieser Stelle vorliegenden magnetischen Flussdichte definiert ist.
Während die Stromdichteverteilung in der Anode und in der Schmelzeschicht vergleichsweise homogen ist, ist die Stromdichteverteilung in der Aluminiumschicht und auf der Oberfläche der Kathode infolge von stark ausgeprägten horizontalen Stromdichtekomponenten in Richtung der Kathode sehr inhomogen. Dabei führen die starken horizontalen Komponenten der elektrischen Stromdichte mit dem üblicherweise ebenfalls im Wesentlichen horizontal gerichteten magnetischen Feld zu einer hohen vertikalen Lorentzkraftdichte, welche wiederum, wie dargelegt, zu einer stark ausgeprägten Wellenbildung insbesondere in der Aluminiumschicht führt. Diese stark ausgeprägten horizontalen Stromdichtekomponenten in Richtung der Kathode resultieren aus dem Effekt, dass der Strom in der Kathode und in dem Aluminiumbad vorzugsweise den Pfad des geringsten elektrischen Widerstandes nimmt. Aus diesem Grund konzentriert sich der durch die Kathode fließende elektrische Strom typischerweise auf die seitlichen Randbereiche der Kathode, wo die Verbindung der die Kathode kontaktierenden Stromschienen mit den Stromzuführungselementen erfolgt, da der resultierende elektrische Widerstand von den Stromzuführungselementen bis zu der Oberfläche der Kathode bei Fluss über die nahe den Stromzuführungselementen gelegenen seitlichen Randbereiche geringer ist als bei Fluss über die Mitte der Kathode.
Neben einer verstärkten Wellenbildung in der Aluminiumschicht führen die inhomogene Stromdichteverteilung und die erhöhte Stromdichte an den seitlichen Randbereichen der Kathode im Vergleich zu der in der Mitte der Kathode auch zu einem verstärkten Verschleiß der Kathode in diesen seitlichen Randbereichen, was nach längerem Betrieb der Elektrolysezelle typischerweise zu einem charakteristischen im Querschnitt etwa W- förmigen Verschleißprofil der Kathodenblöcke in deren Längsachse führt. Um diesem W-förmigen Verschleißprofil entgegen zu treten, ist es beispielsweise in der WO 2007/ 1 18510 A2 vorgeschlagen worden, die Ausgestaltung der Stromschiene und der die Stromschiene aufnehmenden Nut so anzupassen, dass die Stromdichte im Bereich der Schicht aus flüssigem Aluminium möglichst vergleichmäßigt wird. Auch bei einer derarti- gen Elektrolysezelle tritt aber eine erhebliche Wellenbildung insbesondere in der Aluminiumschicht auf, infolge dessen die Möglichkeit einer Verringerung des Abstände zwischen der Anode und der Schicht aus flüssigem Aluminium beschränkt ist. Abgesehen davon ist es bekannt, zur Verringerung von Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht die
Stromzuführung zu der Anode und zu der Kathode der Elektrolysezelle unter Verwendung komplexer Stromzuführungsgeometrien so auszuges- talten, dass sich im Bereich der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht nur geringe magnetische Felder ergeben, so dass der Betrag der magnetischen Flussdichte und somit auch der Betrag der Lo- rentzkraftdichte in diesem Bereich möglichst gering ist. Allerdings erweist es sich als äußerst schwierig, auf diese Weise die Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium und in der Schmelzeschicht signifikant zu reduzieren, da dort selbst beim Einsatz sehr komplexer Geometrien der Stromzuführungen stets zumindest einzelne Bereiche hohen Magnetfelds und somit hoher Wellenbildungstendenz vorhanden sind. Dies ist unter anderem auch darauf zurückzuführen, dass die Elektrolysezelle und da- her auch die Kathode rechteckig ausgestaltet sind, wohingegen die durch den durch die einzelnen Stromzuführungen laufenden Strom generierten Magnetfelder zylindrisch verlaufen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Elektrolysezelle zu schaffen, die bei ihrem Betrieb einen verringerten spezifischen Energieverbrauch sowie eine erhöhte Standzeit aufweist. Insbesondere soll eine Elektrolysezelle bereit gestellt werden, in der die Dicke der Schmelzeschicht verringert ist, ohne dass infolge dadurch erhöhter Wellenbildungstendenz in der Schicht aus flüssigem Aluminium Instabilitäten, wie Kurz- Schlüsse oder Rückoxidationen des gebildeten Aluminiums, auftreten.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Bereitstellung einer Elektrolysezelle gemäß dem Patentanspruch 1 und insbesondere durch die Bereitstellung einer Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium, welche eine Kathode, auf der Oberseite der Kathode eine Schicht aus flüs- sigem Aluminium, darauf eine z.B. Kryolith enthaltende Schmelzeschicht und oberhalb der Schmelzeschicht eine Anode umfasst, wobei die Kathode wenigstens eine sich vertikal durch die Kathode hindurch erstreckende Öffnung aufweist, in der wenigstens eine sich vertikal durch die Öffnung hindurch erstreckende und mit der Anode und/ oder mit der Kathode elektrisch verbundene Stromzuführung vorgesehen ist, und wobei die Elektrolysezelle wenigstens eine außerhalb der Öffnung der Kathode angeordnete weitere Stromzuführung umfasst, die sich zumindest abschnittsweise in vertikaler Richtung erstreckt und die mit der Kathode und / oder mit der Anode elektrisch verbunden ist.
Durch die erfindungsgemäß in der Öffnung der Kathode vorgesehene und durch die Kathodenöffnung vertikal hindurch verlaufende Stromzuführung wird im Zusammenspiel mit der wenigstens einen wie in herkömmli- chen Elektrolysezellen außerhalb der Kathode angeordneten äußeren Stromzuführung nicht nur eine Verringerung der Magnetfeldstärke und damit der Lorentzkraftdichte sowie der Wellenbildungstendenz in der Aluminiumschicht erreicht, sondern insbesondere auch eine Vergleichmäßigung der Magnetfeldstärke und damit der Lorentzkraftdichtevertei- lung und der Wellenbildungstendenz in der Aluminiumschicht, und zwar insbesondere über den Querschnitt der Elektrolysezelle gesehen. Durch den durch die in der Öffnung der Kathode vorgesehene Stromzuführung in - bezogen auf die wenigstens eine äußere Stromzuführung - gleichgerichteter Richtung fließenden Strom wird ein Magnetfeld erzeugt, welches zu dem durch den durch die wenigstens eine außerhalb der Kathodenöffnung angeordnete äußere Stromzuführung fließenden Strom erzeugten Magnetfeld entgegengesetzt ist. Aus diesem Grund kompensiert das durch die in der Öffnung der Kathode vorgesehene Stromzuführung erzeugte Magnetfeld das durch den Stromfluss in der wenigstens einen äußeren Stromzu- führung erzeugte Magnetfeld. Durch die Einstellung der Stromstärke in den einzelnen Stromzuführungen lässt sich die Kompensation der Magnetfelder optimieren. Insbesondere, wenn mehrere äußere Stromzuführungen gleichmäßig um die in der Öffnung der Kathode vorgesehene Stromzuführung herum angeordnet werden, lässt sich eine besonders vollständige Kompensation der Magnetfelder und/ oder eine besonders homogene Magnetfeldverteilung erreichen.
Mithin lassen sich mit der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle einzelne Bereiche mit erhöhter magnetischer Flussdichte, wie sie bei herkömmli- chen Elektrolysezellen auch bei Verwendung komplexer Stromzuführungsgeometrien unvermeidlich sind, ebenso wirksam vermeiden wie die Notwendigkeit komplexer Stromzuführungsgeometrien selbst. Insbesondere kann erfindungsgemäß eine hervorragende Verringerung und Vergleichmäßigung der magnetischen Flussdichte schon bereits durch Ver- wendung eines einzelnen, sich in vertikaler Richtung durch die Öffnung der Kathode hindurch erstreckenden Leiterabschnitts der Stromzuführung erreicht werden, ohne dass geometrisch komplexe und in der Herstellung sowie der Installation aufwendige Geometrien der wenigstens einen äußeren Stromzuführung eingesetzt werden müssen. Auf diese Wei- se wird in der Elektrolysezelle eine deutlich verringerte Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht erreicht, so dass die Anode auch gefahrlos in einem verringerten Abstand zu der Schicht aus flüssigem Aluminium angeordnet werden kann, wodurch die Standzeit, die Stabilität und die Energieeffizienz im Betrieb der Elektroly- sezelle erheblich gesteigert werden.
Unter einer sich vertikal durch die Kathode erstreckenden Öffnung wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Öffnung verstanden, welche sich, bezogen auf die Vertikale, in einem Winkel von weniger als 45°, be- vorzugt von weniger als 30°, besonders bevorzugt von weniger als 15°, ganz besonders bevorzugt von weniger als 5° und höchst bevorzugt in einem Winkel von 0° durch die Kathode hindurch erstreckt. Die Umrandung der Öffnung kann sich, im Kathodenquerschnitt gesehen, bezogen auf die vertikale Richtung schief oder gerade durch die Kathode hindurch erstrecken, so dass die Öffnung zum Beispiel die Form eines geraden oder schiefen Prismas mit insbesondere polygonförmiger Grundfläche oder die Form eines geraden oder schiefen Zylinders aufweisen kann. Alternativ dazu kann die Öffnung auch eine sich in vertikaler Richtung verjüngende Form aufweisen und insbesondere in etwa kegelstumpfförmig oder pyra- midenstumpfförmig ausgebildet sein. Gleichermaßen wird unter einer sich vertikal durch die Öffnung hindurch erstreckenden Stromzuführung eine Stromzuführung verstanden, welche sich, bezogen auf die Vertikale, in einem Winkel von weniger als 45°, bevorzugt von weniger als 30°, besonders bevorzugt von weniger als 15°, ganz besonders bevorzugt von weniger als 5° und höchst bevorzugt in einem Winkel von 0° durch die Kathode hindurch erstreckt. Analog dazu wird unter einer sich zumindest abschnittsweise in vertikaler Richtung erstreckenden weiteren Stromzuführung eine Stromzuführung verstanden, welche sich zumindest abschnittsweise, bezogen auf die Vertikale, in einem Winkel von weniger als 45°, bevorzugt von weniger als 30°, besonders bevorzugt von weniger als 15°, ganz besonders bevorzugt von weniger als 5° und höchst bevorzugt in einem Winkel von 0° erstreckt.
Bevorzugt haben die Schicht aus flüssigem Aluminium, die Schmelze- schicht und die Anode in Draufsicht betrachtet eine der Kathode im Wesentlichen entsprechende Umrissform. Die Öffnung der Kathode erstreckt sich dementsprechend vertikal durch vorzugsweise die gesamte Elektrolysezelle hindurch. Gute Ergebnisse werden dabei insbesondere erzielt, wenn die wenigstens eine Öffnung in der Kathode, in Draufsicht betrachtet, im Wesentlichen mittig angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform ist es zudem bevorzugt, dass die wenigstens eine sich durch die Öffnung hindurch erstreckende Stromzuführung zumindest im Wesentlichen mittig in der Öffnung und somit zumindest im Wesentlichen mittig in der Kathode angeordnet ist. Bei dieser Anordnung der Öffnung wird eine besonders gleichmäßige Kompensation der Magnetfelder in den um die Öffnung herum gelegenen Bereichen der Kathode erreicht.
Wie vorstehend dargelegt, kann sich die durch die Öffnung der Kathode hindurch erstreckende Stromzuführung auch durch die oberhalb der Kathode angeordnete Schicht aus flüssigem Aluminium, durch die darauf angeordnete Schmelzeschicht und die oberhalb dieser angeordnete Anode hindurch erstrecken. In diesem Fall ist auch in der Schicht aus flüssigem Aluminium, in der darauf angeordneten Schmelzeschicht und der oberhalb dieser angeordneten Anode jeweils eine Öffnung vorgesehen, welche sich vertikal durch die Schicht aus flüssigem Aluminium, die Schmelzeschicht bzw. die Anode hindurch erstreckt, und, welche mit der Öffnung der Kathode in der Draufsicht der Elektrolysezelle betrachtet fluchtet; mit anderen Worten sind die Schicht aus flüssigem Aluminium, die darauf angeordnete Schmelzeschicht und die oberhalb dieser angeordnete Anode gleichermaßen ausgestaltet wie die Kathode. Allerdings ist es auch möglich, dass sich die durch die Öffnung der Kathode hindurch erstreckende Stromzuführung nur durch zwei oder eine der Schicht aus flüssigem Aluminium, der Schmelzeschicht und der Anode hindurch erstreckt oder sich nur durch die Öffnung der Kathode hindurch erstreckt. Mithin kann die Elektrolysezelle insgesamt eine Öffnung aufweisen, die sich vertikal durch ein oder mehrere und insbesondere durch alle aus der aus Kathode, Schicht aus flüssigem Aluminium, Schmelzeschicht und Anode bestehen- den Gruppe ausgewählte Bauteile der Elektrolysezelle hindurch erstreckt, wobei in der Öffnung wenigstens eine sich vertikal durch diese Öffnung hindurch erstreckende und mit der Anode und/ oder mit der Kathode elektrisch verbundene Stromzuführung vorgesehen ist. Wenn vorstehend oder nachfolgend die Formulierung "Öffnung der Kathode" verwendet wird, umfasst diese Formulierung nicht nur eine sich ausschließlich durch die Kathode hindurch erstreckende Öffnung, sondern insbesondere auch eine vorstehend beschriebene Öffnung, welche sich durch die Kathode und zusätzlich durch weiteren Bauteile der Elektrolysezelle hindurch erstreckt.
Vorzugsweise ist die innere Stromzuführung zumindest über einen Teil ihrer innerhalb der wenigstens einen Öffnung angeordneten Länge und insbesondere über ihre gesamte innerhalb der Öffnung angeordneten Länge nicht direkt elektrisch mit dem die jeweilige Öffnung umgebenden Bau- teil, wie Kathode, Schicht aus flüssigem Aluminium, Schmelzeschicht und Anode, verbunden, sondern von dem jeweiligen Bauteil der Elektrolysezelle elektrisch isoliert. Die innere Stromzuführung kann dazu in der Öffnung über ihre jeweilige Länge von dem jeweiligen Bauteil der Elektrolysezelle beabstandet angeordnet sein und/ oder von einem elektrisch isolie- renden Stoff oder Medium, wie beispielsweise von Luft, umgeben sein.
Sofern sich die wenigstens eine Öffnung auch durch die Schicht aus flüssigem Aluminium und die Schmelzeschicht erstreckt, ist es bevorzugt, dass die innere Stromzuführung zumindest über ihre gesamte sich durch die in der Schicht aus flüssigem Aluminium und in der Schmelzeschicht vorgesehene Öffnung erstreckende Länge von der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht elektrisch isoliert ist und besonders bevorzugt auch über ihre gesamte sich durch die in der Kathode und in der Anode vorgesehene Öffnung erstreckende Länge Kathode und Anode elektrisch isoliert ist. Grundsätzlich kann die Kathode auf eine beliebige, dem Fachmann bekannte Weise ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Kathode den Boden einer die Schicht aus flüssigem Aluminium bzw. die Schmelzeschicht tragenden Wanne bilden, die ein Becken für die Schicht aus flüssigem Aluminium und die Schmelzeschicht ausbildet, wobei das Becken bevorzugt ringförmig um die in der Schicht aus flüssigem Aluminium bzw. in der Schmelzeschicht ausgebildete Öffnung herum verläuft. Bei dieser Aus- führungsform wird das Becken in der Richtung zu der Öffnung hin bevorzugt durch in der Wanne vorgesehene Außenwände begrenzt, die einen Schacht bilden, durch den sich die innere Stromzuführung hindurch erstreckt, wobei die innere Stromzuführung bevorzugt von den den Schacht ausbildenden Außenwänden beabstandet ist. Dabei können die Seitenwände des Beckens durch ein feuerfestes Material ausgebildet sein. In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass die Kathode, in Draufsicht betrachtet, ringförmig ausgestaltet ist. Auf diese Weise lässt sich besonders einfach eine Kathode bereitstellen, welche eine mittig in der Kathode angeordnete Öffnung aufweist. Dabei sind bevorzugt auch die Schicht aus flüssigem Aluminium, die Schmelze- schicht und die Anode der Elektrolysezelle entsprechend der Kathode in
Draufsicht betrachtet ringförmig ausgestaltet. Dabei wird unter einer ringförmigen Ausgestaltung eines Bestandteils der Elektrolysezelle, d.h. insbesondere der Kathode, der Schicht aus flüssigem Aluminium, der Schmelzeschicht und der Anode, im Sinne der vorliegenden Erfindung verstan- den, dass der jeweilige Bestandteil die Form eines Rings bildet, welcher entweder geschlossen sein kann oder an einer oder mehreren Stellen offen ausgestaltet sein kann. Insbesondere in dem Fall der Kathode, der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht ist eine Ausgestaltung in Form eines geschlossenen Rings bevorzugt, wohingegen die Anode ins- besondere auch in der Form eines offenen Rings, beispielsweise in der Form eines segmentierten Rings, der an mehreren Stellen offen ausgestaltet ist, ausgebildet sein kann, wobei ein solcher offenen Ring beispielsweise durch mehrere, um die Öffnung ringförmig herum angeordnete und voneinander beabstandete Anodenblöcke ausgebildet werden kann.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind die innere(n) und die äußerein) Stromzuführung(en) bevorzugt mit derselben aus Elektrode elektrisch verbunden, was beispielsweise dadurch realisiert werden kann, dass die innere und äußere Stromzuführung direkt mit demselben Stromleiter verbunden werden, der mit der Elektrode direkt verbunden ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Kathode, in Draufsicht betrachtet, eine zumindest annähernd kreisringförmige Umrissform auf. Auf diese Weise wird die Rotationssymmetrie der magnetischen Flussdichte der Stromzuführungen durch die Geometrie der Kathode nachempfunden. Mit dieser Geometrie lässt sich eine besonders wirksame Magnetfeldkompensation innerhalb der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht erreichen, wodurch eine Wellenbildung noch wirksamer reduziert und die Stabilität und Energieeffizienz der Elektrolysezelle noch weiter erhöht werden kann. Die Kathode kann dabei prinzipiell als ein um die Öffnung herum verlaufender, geschlossener Ring ausgebildet sein. Alternativ dazu kann die Kathode auch als nur teilweise geschlossener Ring ausgebildet sein, der an einer oder mehreren Stellen offen ausgestaltet ist.
Alternativ zu der vorstehenden Ausführungsform kann die Kathode, in Draufsicht betrachtet, eine zumindest annähernd polygonringförmige Umrissform aufweisen. Dadurch wird insbesondere bei einer polygonringförmigen Ausgestaltung mit einer hohen Anzahl an Ecken eine Annähe- rung an die bevorzugte Form eines Kreisrings und die damit verbundenen vorteilhaften Effekte erreicht, mit dem zusätzlichen Vorteil, dass eine polygonringförmige Kathode einfacher und kostengünstiger herstellbar ist als eine kreisringförmige Kathode. Gute Ergebnisse werden diesbezüglich insbesondere erzielt, wenn der Außenumfang und/ oder der Innenumfang der in Draufsicht betrachtet polygonringförmigen Umrissform der Kathode die Form eines bevorzugt regelmäßigen Polygons mit n Ecken aufweist, wobei n bevorzugt 3 bis 100, besonders bevorzugt 3 bis 10 und ganz besonders bevorzugt 3, 4, 5, 6, 7 oder 8 ist. Als Kompromiss zwischen einer einfachen und kostengünstigen Herstellbarkeit und einer guten Annähe- rung an die bevorzugte Kreisringform ist die Kathode bei dieser Ausführungsform höchst bevorzugt als regelmäßiger Polygonring mit 6 oder 8 Ecken ausgestaltet.
Grundsätzlich kann die Kathode der Elektrolysezelle einstückig oder mehrstückig ausgestaltet sein, wobei aus fertigungstechnischer Sicht eine mehrstückige Ausgestaltung bevorzugt ist. Dabei sind bei der mehrstückigen Ausgestaltung die einzelnen, die Kathode ausbildenden Kathodenblöcke bevorzugt in Umfangsrichtung um die sich durch die Öffnung hindurch erstreckende Stromzuführung herum unter Ausbildung einer ring- förmigen Kathode nebeneinander und bevorzugt aneinander angrenzend angeordnet. Dabei ist eine kreisringförmige oder polygonringförmige Ausgestaltung bevorzugt. Ein solcher segmentweiser Aufbau der Kathode erleichtert die Bereitstellung der einzelnen Komponenten und die Zusammensetzung der Elektrolysezelle während der Installation.
Um eine an die im Hinblick auf die Kompensation der magnetischen Flussdichte bevorzugte Kreisringform ausreichend angenäherte polygonringförmige Ausgestaltung der Kathode mit geringem Herstellungsaufwand zu erreichen, wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorge- schlagen, dass bei mehrstückiger Ausgestaltung zumindest ein Kathoden- block und bevorzugt alle Kathodenblöcke der Kathode, in Draufsicht betrachtet, zumindest annähernd hexagonal, zumindest annähernd kreis- ringsegmentförmig oder zumindest annähernd trapezförmig ausgestaltet ist/sind. Im Falle von zumindest annähernd hexagonalen oder zumindest annähernd trapezförmigen Kathodenblöcken kann die Kathode zum Beispiel aus 6 solchen Kathodenblöcken, die in Umfangsrichtung um die Öffnung der Kathode herum nebeneinander angeordnet sind, zusammengesetzt sein. Ein im Wesentlichen trapezförmiger Kathodenblock lässt sich in besonders einfacher Weise dadurch herstellen, dass ein langgestreckter Ausgangskörper in quer zu seiner Längsrichtung gerichteten Winkeln auseinander geschnitten wird, wobei die Orientierung der Winkel von Schnitt zu Schnitt abwechselt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt das Verhältnis zwischen dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser der Kathode zwischen 0,01 und 0,99, bevorzugt zwischen 0, 1 und 0,8, besonders bevorzugt zwischen 0,2 und 0,6 und ganz besonders bevorzugt zwischen 0,3 und 0,5. Auf diese Weise wird im Bereich der gesamten Schicht aus flüssigem Aluminium und der gesam- ten Schmelzeschicht ein ausgesprochen hoher Kompensationsgrad der magnetischen Flussdichte erreicht, und zwar bei gleichzeitig relativ geringem Raumbedarf der Elektrolysezelle in horizontaler Richtung. Sofern sich die wenigstens eine Öffnung auch durch ein oder mehrere der Schicht aus flüssigem Aluminium, der Schmelzeschicht und der Anode hindurch er- streckt, gelten die vorstehenden Zahlenbereiche vorzugsweise auch für das Verhältnis zwischen dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser dieser Bauteile. Unter Innendurchmesser wird dabei der Durchmesser des größten in der horizontalen Ebene verlaufenden Kreises verstanden, der sich in der Öffnung des jeweiligen Bestandteils der Elektroly- sezelle anordnen lässt, ohne den Innenumfang der Öffnung zu schneiden. Unter Außendurchmesser wird analog dazu der Durchmesser des kleinsten in der horizontalen Ebene verlaufenden Kreises verstanden, der sich um den Außenumfang des jeweiligen Bestandteils herum anordnen lässt, ohne den Außenumfang des Bestandteils zu schneiden.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass die Elektrolysezelle mehrere, insbesondere zwischen 2 und 10, bevorzugt zwischen 4 und 8, besonders bevorzugt zwischen 5 und 7 und ganz besonders bevorzugt 6 außerhalb der Öffnung der Kathode angeordnete Stromzuführungen umfasst. Dabei ist es bevorzugt, dass sich alle außerhalb der Kathodenöffnung vorgesehenen Stromzuführungen der Elektrolysezelle zumindest abschnittsweise in vertikaler Richtung erstrecken und jeweils mit der Kathode und/ oder mit der Anode elektrisch verbunden ist. Dadurch können sich die durch den elektrischen Strom in den Stromzu- Führungen erzeugten magnetischen Flussdichten gegenseitig noch wirksamer kompensieren, so dass eine noch weitere Steigerung der Stabilität und Energieeffizienz im Betrieb der Elektrolysezelle erreicht wird. Eine hohe Symmetrie der Anordnung und dadurch eine besonders gute Magnetfeldkompensation wird erreicht, wenn die Anzahl der außerhalb der Kathodenöffnung angeordneten Stromzuführungen mit der Anzahl von die Kathode ausbildenden Kathodenblöcken identisch ist.
Eine optimale Kompensation der magnetischen Flussdichte wird dabei erreicht, wenn die weiteren Stromzuführungen in Umfangsrichtung der Kathode betrachtet und um die sich durch die Öffnung hindurch erstreckende Stromzuführung herum betrachtet zumindest annähernd regelmäßig, d.h. insbesondere in annähernd regelmäßigen Winkelabständen, voneinander angeordnet sind. Dabei umgeben die weiteren bzw. äußeren Stromzuführungen die sich durch die Öffnung hindurch erstreckende Stromzuführung bevorzugt konzentrisch. Generell fließt der gesamte für die Elektrolyse verwendete elektrische Zellenstrom bevorzugt durch die wenigstens eine sich durch die Kathoden- Öffnung erstreckende Stromzuführung sowie durch die ein oder mehreren außerhalb der Kathodenöffnung angeordneten Stromzuführungen der Elektrolysezelle. Dabei sind die sich durch die Öffnung der Kathode hindurch erstreckende Stromzuführung und die weiteren Stromzuführungen bevorzugt - beispielsweise durch geeignete Wahl der Leiterquerschnitte der Stromzuführungen - so aufeinander abgestimmt, dass sich der Zellen- ström so auf die Stromzuführungen aufteilt, dass eine optimale Magnetfeldkompensation im Bereich der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht erreicht wird.
Um die Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht noch weiter zu verringern, wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, dass die Kathode an ihrer Unterseite wenigstens zwei stiftartige Kontaktierungselemente aufweist, welche die Kathode stromzuführend kontaktieren. Im Unterschied zu einer herkömmlichen, sich von der Seite in die Kathode hinein erstreckenden Stromschiene wird es durch diese Art der Kontaktierung ermöglicht, die Stromdichteverteilung an der Oberfläche der Kathode und in der darüber angeordneten Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht gezielt so anzupassen, dass sich über die gesamte Kathodenoberfläche eine besonders homogene Stromdichteverteilung ergibt. Auf diese Weise werden horizontale Stromdichtekomponenten in der Schicht aus flüssigem Aluminium besonders weitestgehend vermieden, weswegen die Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium und der darüber angeordneten Schmelzeschicht auf ein Minimum reduziert werden. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erstreckt sich zumindest eines der stiftartigen Kontaktierungselemente und erstrecken sich bevorzugt alle Kontaktierungselemente mit einem Winkel von weniger als 30° und bevorzugt von weniger als 10° be- zogen auf die Senkrechte und besonders bevorzugt senkrecht in die Kathode hinein. Dadurch wird ein besonders guter elektrischer Kontakt zwischen den Kontaktierungselementen und der Kathode hergestellt.
Die Kontaktierungselemente sind an ihrer von der Kathode abgewandten Seite bevorzugt mit einer gemeinsamen Grundplatte elektrisch leitend verbunden. Auf diese Weise werden zum einen eine gute mechanische Fixierung und zum anderen eine gute elektrische Verbindung aller Kontaktierungselemente erreicht. Die Grundplatte kann beispielsweise zumindest bereichsweise direkt an der Unterseite der Kathode anliegen und dabei selbst einen direkten elektrischen Kontakt zu der Kathode herstellen. Alternativ dazu ist es auch möglich, dass die Grundplatte in einem Abstand zu der Kathodenunterseite angeordnet ist.
Wenn sich die Kontaktierungselemente in die Kathode hinein erstrecken, sind sie vorzugsweise über eine Schraub Verbindung mit der Kathode verbunden, wobei bevorzugt die Kontaktierungselemente an ihrer Außenseite ein Außengewinde der Schraubverbindung aufweisen. Als Material für die Kontaktierungselemente und die Grundplatte, sofern vorhanden, kommt prinzipiell jedes geeignete elektrisch leitfähige Material in Frage, wobei für diesen Zweck bevorzugt ein Stahl, Aluminium, Kupfer und/ oder Kohlenstoff enthaltendes Material oder auch Graphit eingesetzt wird.
Die Länge der Kontaktierungselemente beträgt vorzugsweise zwischen 100 und 500 mm und der Durchmesser der Kontaktierungselemente beträgt bevorzugt zwischen 30 und 200 mm. Die Kontaktierungselemente können zumindest bereichsweise in einer Dichte von 4 bis 1000 Kontaktierungs- elementen pro Quadratmeter Grundfläche der Kathode angeordnet sein. Bei einer solchen Dichte kann die Verteilung der Kontaktierungselemente gezielt so angepasst werden, dass sich an der Kathodenoberfläche eine zumindest besonders gleichmäßige Stromdichteverteilung ergibt.
Eine besonders hohe Energieeffizienz der Elektrolysezelle lässt sich erzielen, wenn der Abstand zwischen der Anode und der Schicht aus flüssigem Aluminium zwischen 15 und 45 mm, bevorzugt zwischen 15 und 35 mm und besonders bevorzugt zwischen 15 und 25 mm beträgt. Obwohl unter Energieeffizienzaspekten prinzipiell ein möglichst geringer Abstand anzustreben ist, so ist doch ein gewisser Mindestabstand vorteilhaft, um die Betriebstemperatur der Elektrolysezelle über die dort entstehende Joule- sche Wärme aufrechtzuerhalten. Der geringe Abstand wird durch die Ver- ringerung der Wellenbildungstendenz in der Schicht aus flüssigem Aluminium infolge der Magnetfeldkompensation durch die sich durch die Öffnung der Kathode erstreckende Stromzuführung ermöglicht.
Um die Verschleißbeständigkeit der Elektrolysezelle noch weiter zu erhö- hen, wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, dass die Kathode oder zumindest ein die Kathode ausbildender Kathodenblock einen Graphitverbundwerkstoff oder einen Kohlenstoffverbundwerkstoff enthält oder bevorzugt daraus besteht, wobei der Graphitverbundwerkstoff neben Graphit und/ oder amorphen Kohlenstoff wenigstens ei- nen Hartstoff mit einem Schmelzpunkt von wenigstens 1.000°C enthält. Der Graphitverbundwerkstoff oder Kohlenstoffverbundwerkstoff kann insbesondere zwischen 1 und 50 Gew.-% und besonders bevorzugt zwischen 15 und 50 Gew.-% des Hartstoffes enthalten. Unter Hartstoff wird dabei im Einklang mit der fachüblichen Definition dieses Begriffs ein Ma- terial verstanden, welches sich insbesondere auch bei hohen Temperatu- ren von 1.000°C und höher durch eine besonders hohe Härte auszeichnet. Durch den Zusatz eines solchen Hartstoffes kann ein abrasiver Verschleiß der Kathode bei deren Betrieb an ihrer der Schicht aus flüssigem Aluminium zugewandten Oberfläche verhindert oder zumindest beträchtlich verringert werden. Für diesen Zweck kann die Kathode insbesondere auch zweischichtig aufgebaut sein, nämlich aus einer auf ihrer der Schicht aus flüssigem Aluminium zugewandten Seite vorgesehenen Deckschicht und einer darunter liegenden Grundschicht zusammengesetzt sein, wobei die Deckschicht aus dem den Hartstoff enthaltenden Kohlenstoffverbund- Werkstoff und/ oder Graphitverbundwerkstoff aufgebaut ist und die
Grundschicht beispielsweise aus hartstofffreiem Graphit zusammengesetzt ist. Dabei kann der Hartstoff beispielsweise eine gemäß der DIN EN 843-4 gemessene Knoop Härte von wenigstens 1.000 N/mm2, bevorzugt von wenigstens 1.500 N/mm2, besonders bevorzugt von wenigstens 2.000 N/mm2 und ganz besonders bevorzugt von wenigstens 2.500 N/mm2 aufweisen und kann beispielsweise aus der Gruppe ausgewählt sein, welche aus Titandiborid, Zirkoniumdiborid, Tantaldiborid, Titancarbid, Borcarbid, Titancarbonitrid, Siliciumcarbid, Wolframcarbid, Vanadiumcarbid, Titannitrid, Bornitrid, Siliciumnitrid, Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxid und beliebigen chemischen Kombinationen und/ oder Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Verbindungen besteht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Kathode eine zumindest bereichsweise profilierte Oberfläche auf, auf der die Schicht aus flüssigem Aluminium angeordnet ist und die beispielsweise durch eine wie vorstehend beschriebene, einen Hartstoff enthaltende Deckschicht der Kathode gebildet sein kann. Durch eine solche Oberflächenprofilierung kann bei dem Betrieb der Elektrolysezelle eine Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium beson- ders wirksam verhindert werden. Dabei kann die Oberfläche der Kathode beispielsweise mehrere Erhebungen und/ oder Vertiefungen aufweisen, wobei die Tiefe einer Vertiefung vorzugsweise 10 bis 90 mm, besonders bevorzugt 40 bis 90 mm und ganz besonders bevorzugt 60 bis 80 mm beträgt.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Kathode für eine Elektrolysezelle und insbesondere eine Kathode für eine Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium, die wenigstens eine sich vertikal durch die Kathode hindurch erstreckende Öffnung aufweist. Eine solche Kathode eignet sich zum Einsatz in einer wie vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Elektrolysezelle. Die vorstehend in Bezug auf die Elektrolysezelle beschriebenen Vorteile und vorteilhaften Ausführungsformen gelten dabei soweit anwendbar entsprechend auch für die erfindungsgemäße Kathode.
Bevorzugt ist die Kathode in Draufsicht betrachtet eine zumindest annähernd ringförmig und bevorzugt zumindest annähernd kreisringförmig oder polygonringförmig ausgestaltet. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Außenumfang und / oder der Innenumfang der in Draufsicht betrachtet polygonförmigen Umrissform der Kathode zumindest im Wesentlichen die Form eines bevorzugt regelmäßigen Polygons mit n Ecken auf, wobei n bevorzugt 3 bis 100, besonders bevorzugt 3 bis 10 und ganz besonders bevorzugt 3, 4, 5, 6, 7 oder 8 ist. Auf diese Weise kann die Kathode mit besonders einfachen technischen Mitteln und bei besonders einfacher Herstellung an die als optimal betrachtete Kreisringform angenähert werden. Die erfindungsgemäße Kathode kann aus mehreren Kathodenblöcken zusammengesetzt sein, welche bevorzugt in Umfangsrichtung gesehen um die Öffnung der Kathode herum nebeneinander und aneinander angrenzend angeordnet sind.
Dabei ist es bevorzugt, wenn zumindest ein Kathodenblock und bevorzugt alle Kathodenblöcke in Draufsicht betrachtet eine zumindest annähernd hexagonale, zumindest annähernd kreisringsegmentförmige oder zumindest annähernd trapezförmige Umrissform aufweisen. Eine solche Grund- form lässt sich einfach herstellen und eignet sich besonders zur Herstellung einer zumindest annähernd kreisringförmigen Kathode durch entsprechendes Zusammensetzen der einzelnen Kathodenblöcke. Die Kathodenblöcke können dabei jeweils über eine Stampfmassenfuge oder in anderer geeigneter Weise miteinander verbunden sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass das Verhältnis zwischen dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser der Kathode zwischen 0,01 und 0,99, bevorzugt zwischen 0, 1 und 0,8, besonders bevorzugt zwischen 0,2 und 0,6 und ganz besonders bevorzugt zwischen 0,3 und 0,5 beträgt. Auf diese Weise lässt sich in der gesamten Kathode eine besonders gleichmäßige und geringe magnetische Flussdichte bei gleichzeitig guter Raumausnutzung bezogen auf die Erstreckung der Kathode in der horizontalen Ebene erzielen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Kathode an ihrer Unterseite wenigstens zwei Aussparungen für jeweils ein stiftartiges Kontaktierungselement auf. Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, die Kathode über in die Aussparungen der Kathode eingesetzte stiftartige Kontaktierungselemente zu kontaktie- ren, wodurch die Stromdichteverteilung an der Oberfläche der Kathode und in der darüber angeordneten Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht gezielt so angepasst werden kann, dass sich über die gesamte Kathodenoberfläche eine besonders homogene Stromdichtevertei- lung ergibt.
Bevorzugt erstreckt sich zumindest eine der Aussparungen für ein stiftartiges Kontaktierungselement und besonders bevorzugt erstrecken sich alle Aussparungen für ein stiftartiges Kontaktierungselement mit einem Win- kel von weniger als 30° und bevorzugt von weniger als 10° bezogen auf die Senkrechte und ganz besonders bevorzugt senkrecht in die Kathode hinein. Dadurch lässt sich ein besonders guter elektrischer Kontakt zwischen einem in der jeweiligen Aussparung der Kathode vorgesehenen stiftartigen Kontaktierungselement und der Kathode herstellen.
Dabei ist die Kathode bevorzugt über eine Schraubverbindung mit einem in einer Aussparung der Kathode angeordneten stiftartigen Kontaktierungselement verbunden, wobei die Aussparung bevorzugt an ihrer Innenseite ein Innengewinde für eine solche Schraubverbindung aufweist.
Die Länge der Aussparungen für die stiftartigen Kontaktierungselemente beträgt vorzugsweise zwischen 100 und 500 mm und der Durchmesser der Aussparungen für stiftartige Kontaktierungselemente beträgt bevorzugt zwischen 30 und 200 mm. Die Aussparungen für stiftartige Kontak- tierungselemente können zumindest bereichsweise in einer Dichte von 4 bis 1000 Aussparungen pro Quadratmeter Grundfläche der Kathode angeordnet sein. Bei einer solchen Dichte kann die Verteilung der in die Aussparungen eingesetzten Kontaktierungselemente gezielt so angepasst werden, dass sich an der Kathodenoberfläche eine zumindest besonders gleichmäßige Stromdichteverteilung ergibt. Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Elektrolysezelle gemäß dem Stand der Technik im Querschnitt,
Fig. 2 eine geschnittene Ansicht einer Elektrolysezelle gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung mit vertikaler Kontaktierung der Kathode in Draufsicht,
Fig. 3 ein Segment einer Elektrolysezelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in perspektivischer Ansicht,
Fig. 4 eine schematische Darstellung des elektrischen Stromflusses in dem in der Fig. 3 gezeigten Segments einer Elektrolysezelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, Fig. 5a-c eine graphische Darstellung der elektrischen Stromdichteverteilung an der Kathodenoberfläche eines wie in den Fig. 2, 3 und 4 gezeigten Segments einer Elektrolysezelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung (Fig. 5a) und - zum Vergleich - die elektrische Stromdichteverteilung an der Oberfläche der Kathode einer herkömmlichen Elektrolysezelle (Fig. 5b),
Fig. 6a-c eine graphische Darstellung der Verteilung der magnetischen
Flussdichte in der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht des in den Fig. 2, 3 und 4 gezeigten Segments einer Elektrolysezelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung (Fig. 6a) und - zum Vergleich - die Verteilung der magnetischen Flussdichte in der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht einer Elektrolysezelle mit herkömmlicher Kathode (Fig. 6b),
Fig. 7 eine Draufsicht einer Kathode einer Elektrolysezelle gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung und eine anschauliche Darstellung eines beispielhaften Verfahrens zu deren Herstellung,
Fig. 8 eine Draufsicht einer Kathode einer Elektrolysezelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 9 eine Draufsicht einer Kathode einer Elektrolysezelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 10 ein Segment einer Elektrolysezelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit horizontaler Kontaktierung der Kathode in perspektivischer Ansicht,
Fig. 1 1 eine Elektrolysezelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der
Erfindung in perspektivischer Ansicht,
Fig. 12 eine Elektrolysezelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der
Erfindung in perspektivischer Ansicht,
Fig. 13 eine Elektrolysezelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der
Erfindung im Querschnitt und Fig. 14 eine weitere Querschnittsdarstellung der in der Fig. 13 gezeigten Elektrolysezelle mit Vermerk der technischen Stromflussrich- tung. Fig. 1 zeigt eine Elektrolysezelle gemäß dem Stand der Technik im Querschnitt. Die Elektrolysezelle umfasst eine herkömmliche quaderförmige Kathode 10', die einen Kathodenboden ausbildet, oberhalb dessen sich eine Schicht 12 aus flüssigem Aluminium befindet. Die Schicht 12 aus flüssigem Aluminium grenzt an eine oberhalb der Schicht 12 aus flüssi- gern Aluminium angeordnete Schmelzeschicht 14 an. In die Schmelzeschicht 14 taucht eine oberhalb der Schmelzeschicht 14 angeordnete sowie aus mehreren Anodenblöcken 27 gebildete Anode 16 ein, wobei die Anodenblöcke 27 mit einer äußeren Stromzuführung 22 elektrisch leitend verbunden sind. Die Kathode 10' der in Fig. 1 gezeigten Elektrolysezelle ist mit einer sich seitlich in die Kathode 10' hinein erstreckenden Stromschiene 34 elektrisch leitend verbunden.
Fig. 2 zeigt eine Elektrolysezelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Draufsicht. Die Elektrolysezelle umfasst eine Katho- de 10, auf der Oberseite der Kathode 10 eine Schicht 12 (nicht dargestellt) aus flüssigem Aluminium, darauf eine Schmelzeschicht 14 (nicht dargestellt) und oberhalb der Schmelzeschicht 14 eine Anode 16 (nicht dargestellt). Die letztgenannten Komponenten sind in der Fig. 2 nicht dargestellt, um so den Blick auf die Kathode 10 der Elektrolysezelle freizugeben. Die Schicht 12 aus flüssigem Aluminium, die Schmelzeschicht 14 und die Anode 16, die in Fig. 2 nicht dargestellt sind, haben in Draufsicht betrachtet eine der Kathode 10 entsprechende Form.
Die Kathode 10 umfasst eine sich vertikal, d.h. in der Fig. 2 senkrecht zur Zeichenebene, durch die Kathode 10 hindurch erstreckende Öffnung 18, in der eine sich durch die Öffnung hindurch erstreckende und mit der Anode 16 (nicht dargestellt) elektrisch leitend verbundene, "innere" Stromzuführung 20 vorgesehen ist. Neben der inneren Stromzuführung 20 weist die Elektrolysezelle mehrere außerhalb der Öffnung 18 angeordnete "äußere" Stromzuführungen 22 auf, die seitlich versetzt zu der Kathode angeordnet sind, vertikal nach oben verlaufen und wie in der Fig. 3 gezeigt ebenfalls mit der Anode 16 verbunden sind. Die äußeren Stromzuführungen 22 sind im Wesentlichen ringförmig und in regelmäßigen Winkelabständen um die Öffnung 18 herum angeordnet.
Die Kathode 10 weist in Draufsicht betrachtet im Wesentlichen die Form eines regelmäßigen Hexagonalrings auf, wobei sowohl der Außenumfang als auch der Innenumfang der Kathode 10 ein regelmäßiges Sechseck bilden und konzentrisch zueinander angeordnet sind. Dadurch ist die Form der Kathode 10 nahe an die eines konzentrischen Kreisrings angenähert und kann im Vergleich zu einem konzentrischen Kreisring einfach hergestellt werden.
Die Kathode 10 ist dabei aus mehreren Segmenten bzw. Kathodenblöcken 24 zusammengesetzt, die jeweils in Draufsicht betrachtet die Umrissform eines symmetrischen Trapezes aufweisen und in Umfangsrichtung um die Öffnung 18 herum nebeneinander angeordnet sind, um die hexagonalring- förmige Kathode 10 zu bilden.
Die Kathode 10 weist dabei in Draufsicht betrachtet eine sechszählige Symmetrie auf, wobei drei vertikale Symmetrieebenen 26 wie in der Fig. 2 gezeigt, mitten durch die Kathodenblöcke 24 hindurch verlaufen und zu- sätzlich drei in der Fig. 2 nicht eigens gekennzeichnete Symmetrieebenen jeweils entlang der zwischen zwei nebeneinander liegenden Kathodenblöcken 24 angeordneten Seitenflächen der Kathodenblöcke 24 verlaufen.
Fig. 3 zeigt ein durch einen trapezförmigen Kathodenblock 24 gebildetes Segment einer Elektrolysezelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die im Wesentlichen der in der Fig. 2 gezeigten Ausführungsform entspricht, in perspektivischer Ansicht. Dabei sind auch die einzelnen Leiterabschnitte, nämlich eine innere und eine äußere Stromzuführung 20, 22, gut sichtbar, die oberhalb der Anode 16 zusammengeführt sind und die Anode 16 kontaktieren. Ferner ist in der Fig. 3 ersichtlich, dass auch die Anode 16 aus mehreren Anodenblöcken 27 besteht, wobei die einzelnen Anodenblöcke 27 entsprechend den Kathodenblöcken 24 im Wesentlichen die Umrissform eines symmetrischen Trapezes aufweisen. Jeder Anodenblock 27 kann dabei prinzipiell von einer oder mehreren Stromzuführungen 20, 22 kontaktiert sein und mehrere Anodenblöcke 27 können entlang ihrer Seitenflächen elektrisch leitend miteinander verbunden sein, was aber nicht unbedingt erforderlich ist. Dabei sind die Anodenblöcke 27 an elektrisch leitenden Aufhängungselementen 25 aufgehängt und werden über diese elektrisch kontaktiert.
Die Kathode 10 wird von unten her durch mehrere stiftartige Kontaktie- rungselemente 28 elektrisch kontaktiert, die sich jeweils senkrecht zur Unterseite der Kathode 10 in die Kathode 10 hinein erstrecken und die an ihrer der Kathode 10 abgewandten Seite mit einer gemeinsamen über einen Stromleiter 29 mit einer elektrischen Stromquelle verbundenen Grundplatte 30 elektrisch verbunden sind.
In der Fig. 4 ist durch Pfeile 31 der elektrische Stromfluss in dem in der Fig. 3 gezeigten Segment der Elektrolysezelle veranschaulicht. Der nach oben gerichtete elektrische Strom in der inneren Stromzuführung 20 und der ebenfalls nach oben gerichtete elektrische Strom in den äußeren Stromzuführungen 22 erzeugen dabei jeweils ein magnetisches Feld, wobei sich die von der inneren und den äußeren Stromzuführungen 20, 22 erzeugten Magnetfelder im Bereich der Kathode 10, der Schicht 12 aus flüssigem Aluminium, der Schmelzeschicht 14 und der Anode 16 im Wesentlichen aufheben, so dass insbesondere in der Schicht 12 aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht 14 nur eine sehr geringe und sehr homogen verteilte magnetische Flussdichte vorliegt. Wie in der Fig. 4 gezeigt, wird dabei der gesamte durch die Anode 16, die Schmelzeschicht 14, die Schicht 12 aus flüssigem Aluminium und die Kathode 10 fließende Elektrolysestrom durch die Stromzuführungen 20, 22 zugeführt. Die Aufteilung des Elektrolysestroms auf die innere Stromzuführung 20 einerseits und die äußere Stromzuführungen 22 andererseits ist dabei durch entsprechende Wahl der Querschnitte der Stromzuführungen 20, 22 bevor- zugt so angepasst, dass sich eine optimale Auslöschung der Magnetfelder im Bereich der ringförmigen Kathode 10 ergibt. Wie insbesondere in der Fig. 2 ersichtlich, können die innere Stromzuführung 20 und die äußeren Stromzuführungen 22 dazu unterschiedliche große Leiterquerschnitte aufweisen.
Fig. 5a zeigt eine graphische Darstellung der elektrischen Verteilung der vertikalen Komponente der elektrischen Stromdichte an der Kathodenoberfläche eines wie in den Fig. 3 und 4 gezeigten Segments einer Elektrolysezelle in Draufsicht betrachtet.
Aus der Fig. 5a ist ersichtlich, dass durch die in den Fig. 2, 3 und 4 gezeigte besondere Art der Kontaktierung mittels stiftförmigen Kontaktie- rungselementen 28 eine hervorragende Gleichmäßigkeit der vertikalen Komponente der elektrischen Stromdichte über die gesamte Kathoden- blockoberfläche hinweg erreicht wird. Auf diese Weise werden horizontale Stromdichtekomponenten weitestgehend vermieden, so dass die Wellenbildung in der Schicht 12 aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht 14 und ein Verschleiß der Kathode 10 allein schon durch die Art der Kontaktierung der Kathode 10 verringert werden.
Fig. 5b ist eine der Darstellung von Fig. 5a entsprechende Darstellung der Verteilung der vertikalen Komponente der elektrischen Stromdichte an der Oberfläche einer herkömmlichen quaderförmigen Kathode 10' einer herkömmlichen Elektrolysezelle.
Wie ein Vergleich der Fig. 5a und Fig. 5b zeigt, weist die in den Fig. 3 und 4 gezeigte Elektrolysezelle eine Verteilung der vertikalen elektrischen Stromdichte an der Kathodenoberfläche auf, die deutlich gleichmäßiger ist als die in der Fig. 5b gezeigte Verteilung der vertikalen Stromdichte an der Oberfläche der herkömmlichen Kathode 10'.
Fig. 5c ist eine Legende, welche die den in den Fig. 5a und Fig. 5b gezeigten Schraffuren entsprechenden Werte des Betrags der vertikalen elektrischen Stromdichte an der jeweiligen Stelle der Kathodenoberfläche angibt.
Fig. 6a zeigt eine graphische Darstellung der Verteilung des Betrags der magnetischen Flussdichte in der Grenzfläche zwischen der Schicht 12 aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht 14 eines wie in den Fig. 3 und 4 gezeigten Segments einer Elektrolysezelle in Draufsicht betrachtet.
Fig. 6b ist eine der Darstellung von Fig. 6a entsprechende Verteilung des Betrags der magnetischen Flussdichte in der Grenzfläche zwischen der Schicht 12 aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht 14 einer Elektrolysezelle mit herkömmlicher quaderförmiger Kathode 10'. Fig. 6c ist eine Legende, die die den in den Fig. 6a und Fig. 6b gezeigten Schraffuren entsprechende Werte des Betrags der magnetischen Flussdichte an der jeweiligen Stelle in der Grenzfläche zwischen der Schicht 12 aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht 14 angibt.
Wie ein Vergleich der Fig. 6a und Fig. 6b zeigt, weist die in den Fig. 2, 3 und 4 gezeigte Elektrolysezelle eine Verteilung der magnetischen Flussdichte auf, die sowohl dem Betrage nach deutlich geringer als auch deutlich gleichmäßiger verteilt ist als die in der Fig. 6b gezeigte Verteilung in einer Elektrolysezelle mit herkömmlicher Kathode 10'.
Dadurch wird in Kombination mit der in der Fig. 5c gezeigten deutlich gleichmäßigeren Verteilung der vertikalen Stromdichtekomponenten eine deutlich höhere Stabilität und deutlich höhere Energieeffizienz der in den Fig. 2, 3 und 4 gezeigten Elektrolysezelle ermöglicht.
Fig. 7 zeigt eine Elektrolysezelle in Draufsicht, die im Wesentlichen der in den Fig. 2, 3 und 4 gezeigten Elektrolysezelle entspricht, wobei zusätzlich ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung der Kathode 10 der Elektroly- sezelle veranschaulicht ist. Wie in der Fig. 7 gezeigt können mehrere trapezförmige Kathodenblöcke 24 für die hexagonalringförmigen Kathode 10 einfach dadurch hergestellt werden, dass ein im Wesentlichen quaderförmiger Rohkörper 32 quer zu seiner Längsrichtung in Stücke geschnitten wird, wobei die Schnitte in Längsrichtung des Rohkörpers 32 betrachtet in einer wechselnden Orientierung geführt sind. Als Schneidwerkzeug kann beispielsweise ein Fräs- oder Sägewerkzeug verwendet werden.
Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Elektrolysezelle in Draufsicht, die im Wesentlichen der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform ent- spricht und bei der die Kathode 10 eine kreisringförmige Umrissform auf- weist und aus kreisringsegmentförmigen Kathodenblöcken 24 zusammengesetzt ist.
Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Elektrolysezelle in Drauf- sieht, die im Wesentlichen den in den Fig. 7 und Fig. 8 gezeigten Ausführungsformen entspricht und bei der die Kathode 10 aus Kathodenblöcken 24 mit hexagonaler Umrissform derart zusammengesetzt ist, dass sich eine annähernd kreisförmige Umrissform der gesamten Kathode 10 ergibt. Fig. 10 zeigt ein Segment einer Elektrolysezelle gemäß einer weiteren Aus- führungsform der Erfindung in perspektivischer Ansicht. Die in der Fig. 10 gezeigte Ausführungsform entspricht dabei im Wesentlichen den in den Fig. 2, 3, 4 und 7 gezeigten Ausführungsformen, wobei allerdings die Kon- taktierung der Kathode 10 nicht durch stiftartige Kontaktierungselemente 28 (siehe Fig. 3 und 4), sondern durch horizontale Stromschienen 34 erfolgt. Obwohl bei dieser Kontaktierung der Kathode 10 unter Umständen keine derart ausgeprägte Vergleichmäßigung der vertikalen Komponente der elektrischen Stromdichte erreicht wird, wie diese für die in den Fig. 3 und 4 gezeigte Ausführungsform erreicht wird, wird aufgrund der verbes- serten Stromzuführung zu der Anode 16 und der damit einhergehenden Verringerung und Vergleichmäßigung der Verteilung der magnetischen Flussdichte dennoch eine erhebliche Verringerung der Wellenbildung in der Schicht 12 aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht 14 erreicht, so dass auch hier die Stabilität und Energieeffizienz der Elektro- lysezelle erheblich gesteigert sind.
Fig. 1 1 zeigt eine Elektrolysezelle gemäß einer weiteren bevorzugten Aus- führungsform in perspektivischer Ansicht, wobei die Elektrolysezelle im Wesentlichen aus wie in den Figuren 3 und 4 gezeigten Segmenten zu- sammengesetzt ist. Bei dieser Ausführungsform erstreckt sich die Öffnung 18 vertikal durch die Kathode 10 hindurch und erstreckt sich außerdem durch die Schicht 12 aus flüssigem Aluminium, die Schmelzeschicht 14 und die Anode 16 vertikal hindurch, wobei diese Bestandteile jeweils um diese Öffnung herum einen geschlossenen Ring ausbilden. Die Schicht 12 aus flüssigem Aluminium und die Schmelzeschicht 14 befinden sich in einem durch eine Wanne begrenzten Becken, wobei der Boden der Wanne durch die Kathode 10 gebildet ist, wobei die Seitenwände der Wanne in der Fig. 1 1 nicht dargestellt sind. Dabei ist die Anode 16 vorzugsweise, was aus der schematischen Fig. 1 1 nicht hervorgeht, in Draufsicht be- trachtet etwas schmaler ausgebildet als die Kathode 10, die Schicht 12 aus flüssigem Aluminium und die Schmelzeschicht 14 und taucht in die Schmelzeschicht 14 ein.
Fig. 12 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Elektrolysezelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die im Wesentlichen der in der Fig. 1 1 gezeigten Elektrolysezelle entspricht. Allerdings besteht die Anode 16 der in der Fig. 12 gezeigten Elektrolysezelle aus mehreren Anodenblöcken 27 mit jeweils in Draufsicht betrachtet im Wesentlichen trapezförmiger Umrissform, die um die Öffnung 18 herum ringförmig angeordnet und voneinander beabstandet sind, und, die jeweils geringfügig in die Schmelzeschicht 14 eintauchen.
Fig. 13 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer Elektrolysezelle gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die im Wesentlichen der in den Figuren 1 1 und 12 gezeigten Elektrolysezellen entspricht. Gezeigt ist auch eine Stahlwanne 36, die eine Einfassung für die Elektrolysezelle bildet und - entsprechend der Kathode 10 - in Draufsicht betrachtet ringförmig ausgebildet ist. In Richtung zu der Öffnung 18 hin wird die Stahlwanne 36 durch senkrechte Seitenwände begrenzt, die einen sich vertikal durch die Elektrolysezelle hindurch er- streckenden Schacht für die innere Stromzuführung 20 definieren, durch den die Stromzuführung 20 vertikal hindurch verläuft. Die Stahlwanne 36 ist an ihrem Boden mit Bodensteinen 38 ausgekleidet und an ihren senkrechten Seitenwänden mit Seitensteinen 40 ausgekleidet, wobei die Bo- den- und Seitensteine 38, 40 jeweils aus einem feuerfesten Material bestehen, welches vorzugsweise elektrisch isolierend ist. Vorzugsweise enthalten die die Auskleidung der Stahlwanne 36 ausbildenden Boden- und Seitensteine 38, 40 ein Material, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem weißkeramischen Material, einem siliciumnitridgebundenen Siliciumcarbid, Kohlenstoff und Graphit und beliebigen Kombinationen dieser Materialien besteht. Auf den Bodensteinen 38 ist die Kathode 10 angeordnet, die den Boden einer durch die Kathode 10 und die Seitensteine 40 gebildeten Wanne ausbildet, die wiederum ein Becken zur Aufnahme der Schicht 12 aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht 14 definiert.
Aus der Fig. 13 ist auch ersichtlich, dass die Anodenblöcke 27 in die Schmelzeschicht 14, nicht aber in die Schicht 12 aus flüssigem Aluminium eintauchen und zu diesem Zweck - in Draufsicht betrachtet - etwas schmaler ausgebildet sind als die Kathode 10, die Schicht aus flüssigem Aluminium und die Schmelzeschicht 14. In der Fig. 13 ist auch ein sich vertikal in die Kathode 10 hinein erstreckendes stiftförmiges Kontaktie- rungselement 28 gezeigt, welches an seinem von der Kathode 10 abgewandten Ende mit einer als horizontal verlaufende Sammelschiene 42 ausgebildeten Stromzuführung zur Stromversorgung der Kathode elektrisch verbunden ist. Das stiftförmige Kontaktierungselement 28 und die Sammelschiene 42 sind von der Stahlwanne 36 elektrisch isoliert.
In der Fig. 14 ist die in der Fig. 13 gezeigte Elektrolysezelle gezeigt, wobei in dieser Fig. durch die Pfeile 44 zusätzlich die technische Stromflussrich- tung des bei dem Betrieb der Elektrolysezelle fließenden Stroms darg
Bezugszeichenliste
10 Kathode
10' herkömmliche Kathode
12 Schicht aus flüssigem Aluminium
14 Schmelzeschicht
16 Anode
18 Kathodenöffnung
20 innere Stromzuführung
22 äußere Stromzuführung
24 Kathodenblock
25 Aufhängungselement
26 Symmetrieebene
27 Anodenblock
28 Kontaktierungselement
29 Stromleiter
30 Grundplatte
31 Pfeil
32 Rohkörper
34 Stromschiene
36 Stahlwanne
38 Bodenstein
40 Seitenstein
42 Sammelschiene
44 Pfeil, welcher die technische Stromrichtung zeigt

Claims

Patentansprüche
1. Elektrolysezelle, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, welche eine Kathode (10), eine auf der Oberseite der Kathode (10) angeordnete Schicht (12) aus flüssigem Aluminium, darauf eine Schmelzeschicht (14) und oberhalb der Schmelzeschicht (14) eine Anode (16) umfasst, wobei die Kathode (10) wenigstens eine sich vertikal durch die Kathode (10) hindurch erstreckende Öffnung (18) aufweist, in der wenigstens eine sich vertikal durch die Öffnung ( 18) hindurch erstreckende und mit der Anode (16) und/ oder mit der Kathode (10) elektrisch verbundene Stromzuführung (20) vorgesehen ist, und wobei die Elektrolysezelle wenigstens eine außerhalb der Öffnung (18) der Kathode (10) angeordnete weitere Stromzuführung (22) umfasst, die sich zumindest abschnittsweise in vertikaler Richtung erstreckt und die mit der Kathode (10) und/ oder mit der Anode ( 16) elektrisch verbunden ist.
2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 ,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Öffnung (18) in der Kathode (10) in Draufsicht betrachtet im Wesentlichen mittig angeordnet ist und sich die sich durch die Öffnung (18) hindurch erstreckende Stromzuführung (20) bevorzugt mittig durch die Öffnung (18) der Kathode (10) hindurch erstreckt.
3. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kathode (10) in Draufsicht betrachtet eine zumindest annähernd kreisringförmige Umrissform aufweist.
4. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Kathode (10) in Draufsicht betrachtet eine zumindest annähernd polygonringförmige Umrissform aufweist.
5. Elektrolysezelle nach Anspruch 4,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
der Außenumfang und/ oder der Innenumfang der in Draufsicht betrachtet polygonringförmigen Umrissform der Kathode (10) die Form eines regelmäßigen Polygons mit n Ecken aufweist, wobei n bevorzugt 3 bis 100, besonders bevorzugt 3 bis 10 und ganz besonders bevorzugt 3, 4, 5, 6, 7 oder 8 ist.
6. Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Kathode (10) aus mehreren Kathodenblöcken (24) zusammengesetzt ist, die in Umfangsrichtung gesehen um die sich durch die Öffnung (18) hindurch erstreckende Stromzuführung (20) herum bevorzugt unter Ausbildung einer ringförmigen Kathode nebeneinander und aneinander angrenzend angeordnet sind.
7. Elektrolysezelle nach Anspruch 6,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
zumindest ein Kathodenblock (24) der Kathode (10) in Draufsicht betrachtet hexagonal, kreisringsegmentförmig oder trapezförmig ausgestaltet ist.
Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
das Verhältnis zwischen dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser der Kathode (10) zwischen 0,01 und 0,99, bevorzugt zwischen 0,1 und 0,8, besonders bevorzugt zwischen 0,2 und 0,6 und ganz besonders bevorzugt zwischen 0,3 und 0,5 beträgt.
Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Elektrolysezelle zwischen 2 und 10, bevorzugt zwischen 4 und 8, besonders bevorzugt zwischen 5 und 7 und ganz besonders bevorzugt 6 außerhalb der Öffnung (18) der Kathode (10) angeordnete Stromzuführungen (22) umfasst, die sich jeweils zumindest abschnittsweise in vertikaler Richtung erstrecken und die jeweils mit der Kathode (10) und/ oder mit der Anode (16) elektrisch verbunden sind.
Elektrolysezelle nach Anspruch 9,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die weiteren Stromzuführungen (22) in Umfangsrichtung der Kathode (10) betrachtet und um die sich durch die Öffnung (18) hindurch erstreckende Stromzuführung (20) herum betrachtet zumindest annähernd regelmäßig und bevorzugt konzentrisch angeordnet sind.
Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kathode (10) an ihrer Unterseite wenigstens zwei stiftartige Kon- taktierungselemente (28) aufweist.
12. Elektrolysezelle nach Anspruch 11 ,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
sich zumindest eines der stiftartigen Kontaktierungselemente (28) mit einem Winkel von weniger als 30° und bevorzugt von weniger als 10° bezogen auf die Senkrechte und besonders bevorzugt senkrecht in die Kathode (10) hinein erstreckt.
13. Elektrolysezelle nach Anspruch 11 oder 12,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Kontaktierungselemente (28) an ihrer von der Kathode (10) abgewandten Seite mit einer gemeinsamen Grundplatte (30) elektrisch leitend verbunden sind.
14. Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
der Abstand zwischen der Anode (16) und der Schicht (12) aus flüssigem Aluminium zwischen 15 und 45 mm, bevorzugt zwischen 15 und 35 mm und besonders bevorzugt zwischen 15 und 25 mm beträgt.
15. Kathode für eine Elektrolysezelle, insbesondere für eine Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium, die wenigstens eine sich vertikal durch die Kathode (10) hindurch erstreckende Öffnung (18) aufweist.
16. Kathode nach Anspruch 15, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Kathode (10) in Draufsicht betrachtet ringförmig und bevorzugt zumindest annähernd kreisringförmig oder polygonringförmig ausgestaltet ist.
17. Kathode nach Anspruch 16,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
der Außenumfang und/ oder der Innenumfang der in Draufsicht betrachtet polygonringförmigen Umrissform der Kathode (10) die Form eines regelmäßigen Polygons mit n Ecken aufweist, wobei n bevorzugt 3 bis 100, besonders bevorzugt 3 bis 10 und ganz besonders bevorzugt 3, 4, 5, 6, 7 oder 8 ist.
18. Kathode nach zumindest einem der Ansprüche 15 bis 17,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Kathode (10) aus mehreren Kathodenblöcken (24) zusammengesetzt ist, die in Umfangsrichtung gesehen um die Öffnung ( 18) der Kathode (10) herum nebeneinander und aneinander angrenzend angeordnet sind.
19. Kathode nach Anspruch 18,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
zumindest ein Kathodenblock (24) in Draufsicht betrachtet eine hexagonale, kreisringsegmentförmige oder trapezförmige Umrissform aufweist.
20. Kathode nach zumindest einem der Ansprüche 15 bis 19,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
das Verhältnis zwischen dem Innendurchmesser und dem Außen- durchmesser der Kathode (10) zwischen 0,01 und 0,99, bevorzugt zwischen 0,1 und 0,8, besonders bevorzugt zwischen 0,2 und 0,6 und ganz besonders bevorzugt zwischen 0,3 und 0,5 beträgt.
21. Kathode nach zumindest einem der Ansprüche 15 bis 20,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Kathode (10) an ihrer Unterseite wenigstens zwei Aussparungen für jeweils ein stiftartiges Kontaktierungselement (28) aufweist.
22. Kathode nach Anspruch 21,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
sich zumindest eine der Aussparungen mit einem Winkel von weniger als 30° und bevorzugt von weniger als 10° bezogen auf die Senkrechte und besonders bevorzugt senkrecht in die Kathode (10) hinein erstreckt.
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