DE102011004011A1

DE102011004011A1 - Kathodenanordnung mit einem oberflächenprofilierten Kathodenblock mit einer mit Graphitfolie ausgekleideten Nut variabler Tiefe

Info

Publication number: DE102011004011A1
Application number: DE102011004011A
Authority: DE
Inventors: Frank Hiltmann
Original assignee: SGL Carbon SE
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 2011-02-11
Filing date: 2011-02-11
Publication date: 2012-08-16
Also published as: WO2012107413A3; WO2012107413A2

Abstract

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

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kathodenanordnung für eine Aluminium-Elektrolysezelle.
Derartige Elektrolysezellen werden zur elektrolytischen Herstellung von Aluminium, welche industriell üblicherweise nach dem Hall-Héroult-Verfahren durchgeführt wird, eingesetzt. Bei dem Hall-Héroult-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 Boden auf, der aus einer Vielzahl von aneinander angrenzenden, die Kathode ausbildenden Kathodenblöcken zusammengesetzt ist. Um den bei dem Betrieb der Zelle herrschenden thermischen und chemischen Bedingungen standzuhalten, sind die Kathodenblöcke üblicherweise aus einem kohlenstoffhaltigen Material zusammengesetzt. An den Unterseiten der Kathodenblöcke sind jeweils Nuten vorgesehen, in denen jeweils wenigstens eine Stromschiene angeordnet ist, durch welche der über die Anoden zugeführte Strom abgeführt wird. Dabei sind die Zwischenräume zwischen den einzelnen die Nuten begrenzenden Wänden der Kathodenblöcke und den Stromschienen häufig mit Gusseisen ausgegossen, um durch die dadurch hergestellte Umhüllung der Stromschienen mit Gusseisen die Stromschienen elektrisch und mechanisch mit den Kathodenblöcken zu verbinden. Etwa 3 bis 5 cm oberhalb der auf der Kathodenoberseite befindlichen Schicht aus schmelzflüssigem Aluminium ist eine aus einzelnen Anodenblöcken ausgebildete Anode angeordnet, zwischen der und der Oberfläche des Aluminiums sich der Elektrolyt, also die Aluminiumoxid und Kryolith enthaltende Schmelze, befindet. Während der bei etwa 1.000°C durchgeführten Elektrolyse setzt sich das gebildete Aluminium aufgrund seiner im Vergleich zu der des Elektrolyten größeren Dichte unterhalb der Elektrolytschicht ab, also als Zwischenschicht zwischen der Oberseite der Kathodenblöcke und der Elektrolytschicht. Bei der Elektrolyse wird das in der Kryolithschmelze gelöste Aluminiumoxid durch elektrischen Stromfluss in Aluminium und Sauerstoff aufgespalten. Elektrochemisch gesehen handelt es sich bei der Schicht aus schmelzflüssigem Aluminium um die eigentliche Kathode, da an dessen Oberfläche Aluminiumionen zu elementarem Aluminium reduziert werden. Nichtsdestotrotz wird nachfolgend unter dem Begriff Kathode nicht die Kathode aus elektrochemischer Sicht, also die Schicht aus schmelzflüssigem Aluminium verstanden, sondern das den Elektrolysezellenboden ausbildende, aus einem oder mehreren Kathodenblöcken zusammengesetzte Bauteil.
Ein wesentlicher Nachteil des Hall-Héroult-Verfahren ist es, dass dieses sehr energieintensiv ist. Zur Erzeugung von 1 kg Aluminium werden etwa 12 bis 15 kWh elektrische Energie benötigt, was bis zu 40% der Herstellungskosten ausmacht. Um die Herstellungskosten senken zu können, ist es daher wünschenswert, den spezifischen Energieverbrauch bei diesem Verfahren so weit wie möglich zu verringern.
Um den spezifischen Energieverbrauch zu verringern, werden in jüngster Zeit Kathodenblöcke eingesetzt, deren bei dem Betrieb der Elektrolysezelle dem geschmolzenen Aluminium und dem Elektrolyt zugewandte Seite durch ein oder mehrere Vertiefungen und/oder Erhebungen profiliert ist. Solche Kathodenblöcke, deren Oberseiten jeweils zwischen 1 und 8 und bevorzugt 2 Erhebungen mit einer Höhe von 50 bis 200 mm aufweisen, werden beispielsweise in der EP 2 133 446 A1 offenbart. Dabei sind die Kathodenblöcke aus Anthrazit, synthetischem Graphit, Mischungen aus Anthrazit und synthetischem Graphit oder aus graphitiertem Kohlenstoff zusammengesetzt. Aufgrund der profilierten Oberfläche wird die durch die bei der Elektrolyse vorliegende elektromagnetische Wechselwirkung hervorgerufene Bewegung des geschmolzenen Aluminiums verringert. Daraus resultiert eine geringere Wellenbildung und Aufwölbung der Aluminiumschicht. Aus diesem Grund kann durch den Einsatz der oberflächenprofilierten Kathodenblöcke der Abstand zwischen dem schmelzflüssigen Aluminium und der Anode, welcher wegen der vergleichsweise starken und intensiven Wellenbildung der Aluminiumschicht bei der Verwendung nicht oberflächenprofilierter Kathodenblöcke zwecks Vermeidung von Kurzschlüssen und unerwünschter Rückoxidation des gebildeten Aluminiums üblicherweise 4 bis 5 cm beträgt, auf 2 bis 4 cm verringert werden. Aufgrund dieser Verringerung des Abstandes zwischen dem schmelzflüssigen Aluminium und der Anode wird der elektrische Zellwiderstand infolge der Verringerung des ohmschen Widerstandes der Elektrolytschicht verringert und somit der spezifische Energieverbrauch reduziert.
Allerdings unterliegen Kathodenanordnungen mit oberflächenprofilierten Kathodenblöcken einem erhöhten Verschleiß, der sich durch einen Abtrag der Kathodenbfockoberflächen während der Elektrolyse manifestiert. Dabei wird die Standzeit einer Kathodenanordnung durch die Stellen des größten Abtrages begrenzt. Dieser Abtrag der Kathodenblockoberflächen erfolgt nicht gleichmäßig über die Kathodenblockoberfläche, sondern in erhöhtem Ausmaß an den Stellen der Kathodenblockoberfläche, an denen im Betrieb die größte lokale elektrische Stromdichte auftritt. In einem oberflächenprofilierten Kathodenblock konzentriert sich die Stromdichte in der Längsrichtung des Kathodenblocks betrachtet auf die Randbereiche des Kathodenblocks, da dort die Kontaktierung der Stromschienen mit den Stromzuführungselementen erfolgt, weswegen der resultierende, für den Strompfad entscheidende, elektrische Widerstand von den Stromzuführungselementen bis zu der Oberfläche des Kathodenblocks bei dem Fluss durch die Randbereiche des Kathodenblocks geringer als bei dem Fluss über die Mitte des Kathodenblocks ist. Somit führt der Weg des elektrischen Stroms nach dem Prinzip des geringsten elektrischen Widerstands bevorzugt von dem Stromzuführungsbarren über den Randbereich des Kathodenblocks nahezu senkrecht in Richtung auf dessen Oberfläche, die von dem schmelzflüssigen Aluminium bedeckt ist. Zudem konzentriert sich die Stromdichte in der Querrichtung des Kathodenblocks betrachtet auf die Vertiefungen der Profilierung, da das in den Vertiefungen befindliche schmelzflüssige Aluminium einen deutlich geringeren spezifischen elektrischen Widerstand als das Kathodenblockmaterial aufweist. Aufgrund dieser in zweifacher Hinsicht inhomogenen Stromdichteverteilung ergeben sich in dem Kathodenblock bei dessen Betrieb sehr ausgeprägte Stromdichtespitzen, weswegen sich in dem Bereich der Vertiefungen ein in Kathodenblocklängsachse ausgeprägt W-förmiges Verschleißprofil ergibt, aufgrund dessen die Standzeit von oberflächenprofilierten Kathodenblöcken reduziert ist.
Um über die Länge des Kathodenblocks hinweg ein gleichmäßiges Stromlinienprofil zu gewährleisten, ist in der WO 2007/118510 A2 eine Kathodenanordnung mit einem Kathodenblock vorgeschlagen worden, bei der die in dem Kathodenblock zur Aufnahme einer Stromschiene vorgesehene Nut eine über ihre Länge variierende Tiefe aufweist, wobei die Tiefe der Nut, in der Längsrichtung des Kathodenblocks betrachtet, von den Randbereichen zu der Mitte des Kathodenblocks zunimmt. Die Stromschiene ist dabei in herkömmlicher Weise mit Gusseisen umhüllt, wobei diese Umhüllung durch Eingießen von flüssigem Gusseisen in den Zwischenraum zwischen der Nut und der Stromschiene erfolgt. Eine solche Kathodenanordnung ist allerdings ebenfalls mit Nachteilen behaftet. So weist eine solche Kathodenanordnung eine verringerte elektrische Leitfähigkeit auf, welche zu erhöhten ohmschen Verlusten führt und somit dem Ziel einer höheren Energieeffizienz entgegensteht. Die verringerte elektrische Leitfähigkeit ist zum einen darin begründet, dass die Oberfläche des kohlenstoffhaltigen Kathodenblocks im Bereich der Nut beim Vergießen nicht ausreichend durch das flüssige Gusseisen benetzt wird, so dass zwischen dem erstarrten Gusseisen und dem Kathodenblock kein optimaler Stromübergang erfolgt. Zum anderen ist bei einer Nut mit über deren Länge variabler Tiefe das passgenaue Einsetzen der Stromschiene schwierig, wenn nicht gar unmöglich, so dass bei dem Kontaktieren der Stromschiene mittels Gusseisen die Gefahr eines Verhakens zwischen dem erstarrten Gusseisen und dem Kathodenblock besteht und deshalb der Kathodenblock beim Eingießen des flüssigen Gusseisens selbst oder bei der Inbetriebnahme aufgrund der dabei auftretenden thermischen Ausdehnungs- und Schrumpfungsprozesse einer hohen mechanischen Spannung ausgesetzt und insbesondere aufgrund einer dadurch hervorgerufenen Rissbildung und -ausbreitung geschädigt wird. Unter „Verhaken” wird im Rahmen der Erfindung eine irgendwie geartete mechanische Wechselwirkung verstanden, wie etwa ein zumindest teilbereichsweiser Kraftschluss. Diese Schädigung trägt zu einer verringerten elektrischen Leitfähigkeit zwischen der Stromschiene bzw. dem Gusseisen und dem Kathodenblock und zu einer geringeren Stabilität der Anordnung bei oder führt sogar zum Versagen der gesamten Anordnung.
Darüber hinaus ist es in der WO 2007/071392 A2 vorgeschlagen worden, die Nut eines kohlenstoff- oder graphitbasierten Kathodenblocks bereichsweise mit einer Graphitfolie auszukleiden. Abgesehen davon, dass die Graphitfolie aufgrund ihres guten beidseitigen Formschlusses den elektrischen Übergangswiderstand zwischen der Stromschiene bzw. der sie umhüllenden Schicht aus erstarrtem Gusseisen und dem Kathodenblock verringert, reduziert die Graphitfolie aufgrund ihrer Elastizität insbesondere auch die Zunahme des elektrischen Übergangswiderstandes mit zunehmender Betriebsdauer der Kathode. Dies deshalb, weil die Graphitfolie die sich während des Kriechens des Stahls der Stromschiene und des Kohlenstoffs des Kathodenblocks ausbildenden Spalte zwischen den die Nut des Kathodenblocks begrenzenden Wänden und der Stromschiene beständig ausfüllt. Gemäß dieser Druckschrift ist die Nut nur bereichsweise mit Graphitfolie ausgekleidet oder ist die Nut mit Graphitfolie variierender Dicke und/oder Rohdichte ausgekleidet, um die Stromdichteverteilung zu einer gleichmäßigeren Verteilung hin zu beeinflussen. Eine solche Kathodenanordnung weist aber nach wie vor einen erheblichen Verschleiß an den Längsenden des Kathodenblocks auf. Dies liegt darin begründet, dass die Beeinflussung der Stromdichteverteilung durch die maximale Variation des Übergangswiderstands zwischen der Stromschiene und dem Kathodenblock begrenzt ist, die durch die selektive Graphitfolienauskleidung erreichbar ist. Darüber hinaus ist die selektive Auskleidung einer Nut mit Graphitfolie aufwendig und führt dazu, dass auch die mechanischen Eigenschaften der Kathodenanordnung entsprechend variieren, wodurch sich zusätzliche mechanische Ungleichgewichte und Verspannungen ergeben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kathodenanordnung zu schaffen, die bei einer Schmelzflusselektrolyse in einer Elektrolysezelle eingesetzt eine erhöhte Energieeffizienz bei gleichzeitig hoher Beständigkeit gegenüber den bei der Schmelzflusselektrolyse herrschenden abrasiven und chemischen Verschleißprozessen aufweist. Zu diesem Zweck soll die Kathodenanordnung einen oberflächenprofiliert ausgestalteten Kathodenblock, um dadurch den Abstandes zwischen dem schmelzflüssigen Aluminium und der Anode in der Elektrolysezelle verringern zu können, aufweisen, der gleichzeitig eine hohe Beständigkeit gegenüber den bei der Schmelzflusselektrolyse herrschenden Verschleißprozessen und einen geringen elektrischen Widerstand zwischen der Stromschiene und dem Kathodenblock aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Kathodenanordnung für eine Aluminium-Elektrolysezelle mit wenigstens einem Kathodenblock auf Basis von Kohlenstoff und/oder Graphit, der eine zumindest bereichsweise profilierte Oberfläche sowie wenigstens eine Nut aufweist, wobei in der wenigstens einen Nut wenigstens eine Stromschiene vorgesehen ist, und wobei die wenigstens eine Nut eine über ihre Länge variierende Tiefe aufweist und zumindest bereichsweise mit einer Graphitfolie ausgekleidet ist.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass durch die Auskleidung einer Nut mit, in der Längsrichtung des Kathodenblocks betrachtet, variabler Tiefe eines eine profilierte Oberfläche aufweisenden Kathodenblocks mit Graphitfolie eine Kathodenanordnung geschaffen werden kann, die trotz der Oberflächenprofilierung des Kathodenblocks während des Elektrolysebetriebs dauerhaft verschleißbeständig ist und gleichzeitig einen geringen elektrischen Übergangswiderstand von der Stromschiene zu dem Kathodenblock aufweist, so dass eine durch die Oberflächenprofilierung bezweckte erhöhte Energieeffizienz dauerhaft und zuverlässig realisiert wird.
Die Erfindung beruht zudem auf der Erkenntnis, dass durch die Verwendung einer Nut mit variabler Tiefe in der Längsrichtung des Kathodenblocks eine Stromdichteverteilung an der Kathodenblockoberfläche erreicht werden kann, die derart gleichmäßig ist, dass ein übermäßiger Abtrag von Kathodenblockmaterial in Bereichen wirksam vermieden wird, wo ansonsten eine hohe lokale Stromdichte vorliegt. Durch die Anpassung der Nuttiefe kann die Stromdichteverteilung in breiten Grenzen modifiziert und somit an jeder Stelle der Kathodenblockoberfläche trotz der Oberflächenprofilierung eine übermäßige Stromdichte wirksam vermieden werden. Aufgrund dessen weist die Kathodenanordnung eine hohe Standzeit auf.
Durch die mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften der Graphitfolienauskleidung wird ferner das Auftreten von übermäßigen mechanischen Spannungen und von Schädigungen des Kathodenblocks am Übergang vom erstarrten Gusseisen zu dem Kathodenblock und eine damit einhergehende Erhöhung des elektrischen Übergangswiderstands zwischen der Stromschiene und dem Kathodenblock vermieden, was dazu beiträgt, dass die durch die Oberflächenprofilierung bezweckte erhöhte Energieeffizienz bei dem Elektrolysebetrieb zuverlässig und dauerhaft erreicht wird. Die Graphitfolie nimmt dabei aufgrund ihrer – in gewissen Grenzen – reversiblen Verformbarkeit und damit ihres vorhandenen Rückfederungsverhaltens Druckspitzen und Spannungen insbesondere auch senkrecht zu der Folienebene auf, welche zwischen dem Gusseisen und dem Kathodenblock insbesondere bei dem Eingießen von Gusseisen in den Spalt zwischen der Stromschiene und dem Kathodenblock, bei dem anschließenden Abkühlen des Gusseisens und/oder bei dem Erwärmen während der Inbetriebnahme oder des Betriebs der Elektrolysezelle auftreten. Durch eine Ummantelung der Stromschiene mit einer Graphitfolie geeigneter Dicke und durch das Einsetzen der mit Graphitfolie ummantelten Stromschiene kann darüber hinaus auf das bei der üblichen Verwendung einer Nut mit variabler Tiefe kritische Eingießen und. anschließende Abkühlen des Gusseisens verzichtet werden, so dass die damit einhergehenden mechanischen Spannungen von vorne herein vermieden werden. Darüber hinaus lässt die Graphitfolie aufgrund ihrer gleitfähigen. Oberflächeneigenschaften sowohl eine laterale als auch eine vertikale Bewegung der Stromschiene in der Nut zu, die ein passgenaues Einsetzen der Stromschiene in die Nut erleichtert und dabei ein Verhaken im oben beschriebenen Sinne der Stromschiene mit der Kathodennutoberfläche und eine daraus resultierende mechanische Belastung verhindert.
Die Graphitfolie geht außerdem aufgrund ihrer Flexibilität einen besonders innigen Kontakt sowohl mit der Stromschiene als auch mit dem Kathodenblock ein, was zu der Verringerung des elektrischen Übergangswiderstands und zu einer Erhöhung der Energieeffizienz während des Elektrolysebetriebs beiträgt.
Unter einer Graphitfolie wird im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht nur ein dünnes Graphitblatt verstanden, sondern insbesondere auch ein teilkomprimierter Vorpressling oder eine flexible Platte aus expandiertem Graphit.
Zudem wird unter einer Kathodenanordnung im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein wenigstens eine Nut aufweisender Kathodenblock verstanden, wobei in jeder der wenigstens einen Nut wenigstens eine ggf. eine Gusseisenumhüllung aufweisende Stromschiene aufgenommen ist. Ebenso bezeichnet dieser Begriff eine Anordnung aus mehreren, jeweils wenigstens eine Nut aufweisenden Kathodenblöcken, wobei in jeder der wenigstens einen Nut wenigstens eine ggf. eine Gusseisenumhüllung aufweisende Stromschiene aufgenommen ist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Stromschiene zumindest bereichsweise von einer Umhüllung aus Gusseisen umgeben. Die Graphitfolie kann dabei zumindest abschnittsweise sowohl mit der Umhüllung aus Gusseisen als auch mit dem die Nut begrenzenden Kathodenblockmaterial in direktem. Kontakt stehen.
Alternativ dazu ist es allerdings auch möglich, dass die Graphitfolie zumindest bereichsweise in direktem Kontakt sowohl mit der Stromschiene als auch mit dem die Nut begrenzenden Kathodenblockmaterial steht. In diesem Fall wird vollständig auf eine Umhüllung der Stromschiene aus Gusseisen und auf ein entsprechendes Vergießen von Gusseisen verzichtet. Bei dieser Ausführungsform werden die bei dem Gießen und dem anschließenden Erstarren von flüssigem Gusseisen auftretenden Spannungen und eine daraus resultierende Erhöhung des elektrischen Übergangswiderstands zwischen der Stromschiene und dem Kathodenblock oder gar eine Beschädigung des Kathodenblocks noch wirksamer vermieden.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass die die Nut zumindest bereichsweise auskleidende Graphitfolie expandierten Graphit und insbesondere bevorzugt komprimierten expandierten Graphit enthält, welcher besonders bevorzugt bindemittelfrei ist. Ganz besonders bevorzugt besteht die die Nut zumindest bereichsweise auskleidende Graphitfolie aus expandiertem Graphit und insbesondere bevorzugt aus komprimiertem bindemittelfreiem expandiertem Graphit. Wie vorstehend dargelegt, kann die Folie grundsätzlich auch durch einen im Wesentlichen plattenförmigen Vorpressling gebildet sein, der expandierten Graphit enthält.
Vorzugsweise beträgt der Graphitanteil der Graphitfolie wenigstens 60%, weiter bevorzugt wenigstens 70%, insbesondere bevorzugt wenigstens 80%, besonders bevorzugt wenigstens 90% und ganz besonders bevorzugt zumindest annähernd 100%.
Gute Ergebnisse im Hinblick auf eine optimale Ausnutzung der mechanischen und elektrischen Eigenschaften des Graphits werden insbesondere erreicht, wenn die Graphitfolie eine Dicke zwischen 0,2 mm und 10 mm aufweist. Insbesondere in dem Fall einer mit Gusseisen umhüllten Stromschiene kann die Graphitfolie eine Dicke zwischen 0,2 mm und 3 mm, bevorzugt zwischen 0,2 mm und 1 mm und besonders bevorzugt zwischen 0,3 mm und 0,5 mm aufweisen. Hingegen weist die Graphitfolie in dem Fall einer zumindest bereichsweise direkt mit der Stromschiene und dem Kathodenblock in Verbindung stehenden Graphitfolie vorzugsweise eine Dicke zwischen 3 mm und 20 mm, bevorzugt zwischen 3 mm und 10 mm und besonders bevorzugt zwischen 5 mm und 8 mm auf.
Die Graphitfolie kann in die Nut eingelegt oder eingeklebt sein.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Kathodenblock wenigstens eine Nut zur Aufnahme jeweils wenigstens einer Stromschiene auf. Grundsätzlich kann im Rahmen der Erfindung eine Nut des Kathodenblocks genau eine Stromschiene aufnehmen, insbesondere aber auch zwei Stromschienen, die in verschiedene Längenabschnitte der Nut eingesetzt sind. Die Stromschienen können dabei einander stirnseitig gegenüberliegend angeordnet sein.
Um eine über die Kathodenblocklänge gleichmäßige vertikale Stromdichteverteilung zu erreichen, weist die wenigstens eine Nut erfindungsgemäß eine über ihre Länge bzw. die Länge des Kathodenblocks variierende Tiefe auf. Dabei ist es bevorzugt, dass diese, bezogen auf die Längsrichtung, in ihrer Mitte eine größere Tiefe aufweist als an ihren beiden längsseitigen Enden. Auf diese Weise wird eine gleichmäßige Verteilung des über die Kathodenanordnung zugeführten elektrischen Stroms über die gesamte Länge des Kathodenblocks erreicht, wodurch eine übermäßig hohe elektrische Stromdichte an den längsseitigen Enden des Kathodenblocks und so ein vorzeitiger Verschleiß an den Enden des Kathodenblocks vermieden wird.
Durch eine solche gleichmäßige Stromdichteverteilung über die Länge des Kathodenblocks werden durch Wechselwirkung elektromagnetischer Felder hervorgerufene Bewegungen in der Aluminiumschmelze vermieden, wodurch es möglich wird, die Anode in einer noch geringeren Höhe über der Oberfläche der Aluminiumschmelze anzuordnen. Dadurch wird der elektrische Widerstand zwischen Anode und Aluminiumschmelze verringert und die Energieeffizienz der durchgeführten Schmelzflusselektrolyse noch weiter erhöht.
Die erfindungsgemäße Kathodenanordnung eignet sich insbesondere für den Einsatz von herkömmlichen Nut- und/oder Stromschienenquerschnitten. So können beispielsweise die Nut und/oder die Stromschiene in herkömmlicher Weise einen im Wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt aufweisen. Die Stromschiene kann insbesondere auch in herkömmlicher Weise aus Stahl bestehen.
Erfindungsgemäß weist der Kathodenblock eine zumindest bereichsweise profilierte Oberfläche auf. Unter einer profilierten Oberfläche wird hier eine Oberfläche verstanden, welche wenigstens eine sich in Querrichtung, in Längsrichtung oder in einer beliebigen anderen Richtung, wie beispielsweise in einer in einem spitzen oder stumpfen Winkel zu der Längsrichtung verlaufenden Richtung, des Kathodenblocks erstreckende oder chaotisch angeordnete Vertiefung und/oder Erhebung aufweist, wobei die Vertiefung bzw. Erhebung in Abgrenzung zu einer Oberflächenrauigkeit, quer zu der Kathodenblockoberfläche gesehen, zumindest eine Tiefe bzw. Höhe von 0,05 mm und bevorzugt von 0,5 mm aufweist.
Unter einer Vertiefung wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine von der Oberfläche des Kathodenblocks nach innen gerichtete Aussparung verstanden, wohingegen mit dem Begriff Erhebung eine von der Oberfläche des Kathodenblocks nach außen gerichtete Erhöhung gemeint ist. Dabei kann es beispielsweise in dem Fall rechteckiger Aussparungen bzw. Erhebungen jeweils gleicher Tiefe bzw. Höhe vom Betrachter abhängen, ob diese als Vertiefungen oder Erhebungen angesehen werden. Dieser Unschärfe zwischen den Begriffen Vertiefung bzw. Erhebung soll die Formulierung ”Vertiefung und/oder Erhebung” Rechnung getragen werden.
Prinzipiell kann die wenigstens eine Vertiefung und/oder Erhebung, in der Querrichtung des Kathodenblocks gesehen, jede beliebige Geometrie aufweisen. Beispielsweise kann die wenigstens eine Vertiefung bzw. Erhebung, in der Querrichtung des Kathodenblocks gesehen, konvex, konkav oder polygonal, wie beispielsweise trapezförmig, dreiecksförmig, rechteckig oder quadratisch, ausgebildet sein.
Um eine Wellenbildung bei dem Betrieb des erfindungsgemäßen Kathodenblocks bei der Schmelzflusselektrolyse von Aluminiumoxid in einer Kryolithschmelze zu vermeiden oder zumindest beträchtlich zu verringern, und, um die Höhe der etwaig sich bildenden Wellen drastisch zu verringern, wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, dass, sofern die Oberflächenprofilierung wenigstens eine Vertiefung umfasst, das Verhältnis von Tiefe zu Breite der wenigstens einen Vertiefung 1:3 bis 1:1 und bevorzugt 1:2 bis 1:1 beträgt.
Gute Ergebnisse werden insbesondere erhalten, wenn die Tiefe der wenigstens einen Vertiefung 10 bis 90 mm, bevorzugt 40 bis 90 mm und besonders bevorzugt 60 bis 80 mm, wie beispielsweise etwa 70 mm, beträgt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt die Breite der wenigstens einen Vertiefung 100 bis 200 mm, besonders bevorzugt 120 bis 180 mm und ganz besonders bevorzugt 140 bis 160 mm, wie beispielsweise etwa 150 mm.
Grundsätzlich ist es möglich, dass sich die wenigstens eine Vertiefung, in Längsrichtung des Kathodenblocks gesehen, nur bereichsweise erstreckt. Allerdings ist es bevorzugt, dass sich die wenigstens eine Vertiefung über die gesamte Länge des Kathodenblocks erstreckt, um den Effekt der Verringerung bzw. vollständigen Verringerung von Wellenbildung von flüssigem Aluminium zu erreichen. Jedoch ist es möglich, dass die Tiefe und/oder Breite der wenigstens einen Vertiefung über die Länge des Kathodenblocks variiert. Ebenso kann auch die Geometrie der Vertiefung über die Länge des Kathodenblocks variieren.
Sofern die Oberflächenprofilierung wenigstens eine Erhebung umfasst, ist es ebenfalls aus dem Grund, eine Wellenbildung bei dem Betrieb des erfindungsgemäßen Kathodenblocks bei der Schmelzflusselektrolyse von Aluminiumoxid in einer Kryolithschmelze zu vermeiden oder zumindest beträchtlich zu verringern, und, um die Höhe der etwaig sich bildenden Wellen drastisch zu verringern, bevorzugt, dass das Verhältnis von Höhe zu Breite der wenigstens einen Erhebung 1:2 bis 2:1 und bevorzugt etwa 1:1 beträgt.
Gute Ergebnisse werden insbesondere erhalten, wenn die Höhe der wenigstens einen Erhebung 10 bis 150 mm, bevorzugt 40 bis 90 mm und besonders bevorzugt 60 bis 80 mm, wie beispielsweise etwa 70 mm, beträgt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt die Breite der wenigstens einen Erhebung 50 bis 150 mm, besonders bevorzugt 55 bis 100 mm und ganz besonders bevorzugt 60 bis 90 mm, wie beispielsweise etwa 75 mm.
Grundsätzlich ist es möglich, dass sich die wenigstens eine Erhebung, in Längsrichtung des Kathodenblocks gesehen, nur bereichsweise erstreckt. Allerdings ist es bevorzugt, dass sich die wenigstens eine Erhebung über die gesamte Länge des Kathodenblocks erstreckt, um den Effekt der Verringerung bzw. vollständigen Verringerung von Wellenbildung von flüssigem Aluminium zu erreichen. Jedoch ist es möglich, dass die Höhe und/oder Breite der wenigstens einen Erhebung über die Länge des Kathodenblocks variiert. Ebenso kann auch die Geometrie der Erhebung über die Länge des Kathodenblocks variieren.
Sofern die Oberflächenprofilierung sowohl wenigstens eine Vertiefung als auch wenigstens eine Erhebung umfasst, beträgt das Verhältnis der Breite der wenigstens einen Vertiefung zu der Breite der wenigstens einen Erhebung vorzugsweise 4:1 bis 1:1, wie beispielsweise etwa 2:1.
Um während der Durchführung einer Schmelzflusselektrolyse eine Absetzung von sogenanntem Schlamm, d. h. ungelöstem Aluminiumoxid mit anhaftenden Schmelzebestandteilen, in der profilierten Struktur der Oberfläche des Kathodenblocks zuverlässig zu vermeiden, wird in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, etwaige gewinkelte und insbesondere rechtwinklige Bereiche in der profilierten Oberfläche zu vermeiden, um so durch Kerbwirkung hervorgerufene Rissentstehung und -fortpflanzung wirksam zu verhindern. Wenn beispielsweise ein im wesentlicher rechteckiger Querschnitt der wenigstens einen Vertiefung und/oder Erhebung gewählt wird, ist es gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bevorzugt, die rechtwinkligen Bereiche abzurunden. Der Krümmungsradius dieser Abrundungen kann beispielsweise 5 bis 50 mm, bevorzugt 10 bis 30 mm und besonders bevorzugt etwa 20 mm betragen. Um scharfe Kanten zu vermeiden, sind prinzipiell beliebige Geometrien denkbar, die alle unter den Begriff Abrundung fallen. Desweiteren sind gestufte oder getreppte Querschnitte denkbar, die wiederum geeignet ausgebildet sein können.
Bezüglich der Anzahl der Vertiefungen bzw. Erhebungen in dem Kathodenblock ist die vorliegende Erfindung nicht beschränkt. Gute Ergebnisse werden beispielsweise erhalten, wenn der Kathodenblock in seiner Querrichtung 1 bis 3 Vertiefungen und bevorzugt 2 Vertiefungen aufweist.
Erfindungsgemäß ist der in der Kathodenanordnung enthaltene Kathodenblock auf Basis von Kohlenstoff und/oder Graphit zusammengesetzt, d. h. der Kathodenblock enthält amorphen Kohlenstoff, Graphit oder eine Mischung aus amorphem Kohlenstoff und Graphit. Abgesehen von dem Kohlenstoff bzw. Graphit kann der Kathodenblock gegebenenfalls Bindemittel, wie Pech, insbesondere Steinkohlenteer- und/oder Petroleumpech, enthalten, das während des Herstellungsprozesses des Kathodenblocks carbonisiert wird. Wenn nachfolgend Pech erwähnt wird, sind damit alle dem Fachmann bekannten Pechsorten gemeint.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält der Kathodenblock der erfindungsgemäßen Kathodenanordnung als Kohlenstoff ausschließlich amorphen Kohlenstoff oder eine Mischung aus amorphem Kohlenstoff und Graphit. Sofern eine Mischung aus amorphem Kohlenstoff und Graphit eingesetzt wird, enthält diese Mischung bevorzugt 10 bis 99 Gew.-%, besonders bevorzugt 30 bis 95 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt 60 bis 90 Gew.-% amorphen Kohlenstoff und Rest Graphit, wobei als Graphit sowohl Naturgraphit als auch synthetischer Graphit eingesetzt werden kann.
Als Ausgangsmaterial für den amorphen Kohlenstoff wird bevorzugt Anthrazit eingesetzt, welcher dann bei einer Temperatur 800 und 2.200°C und besonders bevorzugt zwischen 1.200 und 2.000°C calciniert wird. Beispielsweise erfolgt die Herstellung so, dass eine Mischung aus partikelförmigem Anthrazit und Steinkohlenteerpech als Bindemittel zu einem Grünkörper verdichtet wird, bevor der Grünkörper durch eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von beispielsweise 1.000 bis 1.300°C carbonisiert wird.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Kathodenblock für eine Kathodenanordnung einer Aluminium-Elektrolysezelle auf Basis von Kohlenstoff und/oder Graphit, der eine zumindest bereichsweise profilierte Oberfläche aufweist sowie wenigstens eine Nut zur Aufnahme einer Stromschiene, wobei die Nut eine über ihre Länge variierende Tiefe aufweist. Ein solcher Kathodenblock kann mit Vorteil als Bestandteil der zuvor beschriebenen Kathodenanordnung eingesetzt werden. Dabei kann der Kathodenblock auf Basis von amorphem. Kohlenstoff, graphitischem Kohlenstoff, graphitiertem Kohlenstoff oder einer beliebigen Mischung der vorstehenden Kohlenstoffe aufgebaut sein.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Dabei zeigen:
1 einen schematischen Querschnitt eines Ausschnitts einer Aluminium-Elektrolysezelle, welche eine Kathodenanordnung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung umfasst,
2 einen Längsschnitt der Kathodenanordnung der in 1 gezeigten Aluminium-Elektrolysezelle und
3A bis 3E jeweils einen schematischen Querschnitt der Oberflächenprofilierung eines Kathodenblocks gemäß anderer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
In der 1 ist ein Querschnitt eines Ausschnitts einer Aluminium-Elektrolysezelle 10 mit einer Kathodenanordnung 12 gezeigt, die gleichzeitig den Boden einer Wanne für während des Betriebs der Elektrolysezelle 10 erzeugte Aluminiumschmelze 14 und für eine oberhalb der Aluminiumschmelze 14 befindliche Kryolith-Aluminiumoxid-Schmelze 16 bildet. Mit der Kryolith-Aluminiumoxid-Schmelze 16 steht eine Anode 18 der Elektrolysezelle 10 in Kontakt. Seitlich wird die durch den unteren Teil der Aluminium-Elektrolysezelle 10 gebildete Wanne durch eine in der 1 nicht dargestellte Auskleidung aus Kohlenstoff und/oder Graphit begrenzt.
Die Kathodenanordnung 12 umfasst mehrere Kathodenblöcke 20, 20', 20'', die jeweils über eine in eine zwischen den Kathodenblöcken 20, 20', 20'' angeordnete Stampfmassenfuge 22, 22' eingefügte Stampfmasse 24, 24' miteinander verbunden sind. Gleichermaßen umfasst die Anode 18 mehrere Anodenblöcke 26, 26', wobei die Anodenblöcke 26, 26' jeweils etwa doppelt so breit und etwa halb so lang wie die Kathodenblöcke 20, 20', 20'' sind. Dabei sind die Anodenblöcke 26, 26' so über den Kathodenblöcken 20, 20', 20'' angeordnet, dass jeweils ein Anodenblock 26, 26' in der Breite zwei nebeneinander angeordnete Kathodenblöcke 20, 20', 20'' abdeckt und jeweils ein Kathodenblock 20, 20', 20'' in der Länge zwei nebeneinander angeordnete Anodenblöcke 26, 26' abdeckt.
Die Kathodenblöcke 20, 20', 20'' weisen jeweils eine graphitierte Materialstruktur auf, wie z. B. eine solche, welche durch Abformen einer Mischung aus Petrolkoks und Steinkohlenteerpech mit anschließender thermischer Behandlung bei bis zu 3.000°C erzeugt worden ist.
Der Abstand zwischen den Anodenblöcken 26, 26' und den Kathodenblöcken 20, 20', 20'' beträgt ca. 200 bis ca. 350 mm, wobei die dazwischen angeordnete Schicht aus Kryolith-Aluminiumoxid-Schmelze 16 eine Dicke von ca. 50 mm aufweist und die darunter angeordnete Schicht aus Aluminiumschmelze 14 eine Dicke von ca. 150 bis ca. 300 mm aufweist.
Jeder Kathodenblock 20, 20', 20'' weist eine profilierte Oberfläche auf, wobei in jedem Kathodenblock 20, 20', 20'' zwei im Querschnitt im Wesentlichen rechteckige Vertiefungen 34, 34' vorgesehen sind, welche jeweils von einer Erhebung 36 voneinander getrennt sind. Während die Breite der Vertiefungen 34, 34' jeweils 150 mm beträgt und die Tiefe der Vertiefungen 34, 34' jeweils 70 mm beträgt, weist die Erhebung 36 eine Breite von 75 mm und eine Höhe von 70 mm auf. Sowohl die Ecken in den beiden Vertiefungen 34, 34' als auch die Ecken der Erhebung 36 sind jeweils mit 20 mm Radius abgerundet.
Schließlich umfasst jeder Kathodenblock 20, 20', 20'' an seiner Unterseite jeweils zwei Nuten 38, 38' mit jeweils einem rechtwinkligen, nämlich im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt, wobei in jeder Nut 38, 38' jeweils eine Stromschiene 40, 40' aus Stahl mit einem ebenfalls rechtwinkligen bzw. im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufgenommen ist.
Jede Nut 38, 38' ist dabei durch eine in der 1 gestrichelt dargestellte Graphitfolie 42, 42' ausgekleidet. Der Zwischenraum zwischen der Stromschiene 40, 40' und der mit der Graphitfolie 42, 42' ausgekleideten Nut 38, 38' ist dabei jeweils mit Gusseisen 44, 44' ausgegossen, so dass die Graphitfolie 42, 42' zwischen dem Gusseisen 44, 44' und dem Kathodenblock 20, 20', 20'' fixiert ist. Dabei wird die Graphitfolie 42, 42' durch das Gusseisen 44, 44' gegen die die jeweilige Nut 38, 38' begrenzenden Wände gepresst.
Auf diese Weise werden Verhakungen und damit kritische mechanische Spannungen zwischen der Stromschiene 40, 40' und dem Kathodenblock 20, 20', 20'' vermieden und wird über den gesamten Querschnitt der Nut 38, 38' ein geringer elektrischer Übergangswiderstand zwischen der Stromschiene 40, 40' und dem Kathodenblock 20, 20', 20'' gewährleistet. Das Gusseisen 44, 44' bildet eine Umhüllung für die Stromschiene 40, 40' und steht mit der Stromschiene 40, 40' in stoffschlüssiger Verbindung. Im Rahmen der Erfindung ist ebenso eine direkte Verbindung der Stromschiene 40, 40' mit dem Kathodenblock 20, 20', 20'' über eine Graphitfolie 42, 42' ohne eine dazwischen angeordnete Gusseisenumhüllung 44, 44' möglich. In diesem Fall entfällt die in der 1 dargestellte Graphitfolie 42, 42'.
In der 1 ist konkret der Querschnitt der Kathodenanordnung 10 an einem längsseitigen Ende des Kathodenblocks 20, 20', 20'' gezeigt. Die Tiefe der Nuten 38, 38'' des Kathodenblocks 20, 20', 20'' variiert dabei über die Länge der Nuten 38, 38''. Der Nutquerschnitt im Bereich der Mitte der Nut 38, 38'' ist in der 1 durch eine gestrichelte Linie 46, 46' angedeutet. Der Unterschied zwischen der Nuttiefe an den längsseitigen Enden der Nut 38, 38' und in der Mitte der Nut 38, 38' beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel etwa 10 cm. Die Breite 48 jeder Nut 38, 38' ist über die gesamte Nutlänge im Wesentlichen konstant und beträgt etwa 15 cm, wohingegen die Breite 50 der Kathodenblöcke 20, 20', 20'' jeweils etwa 65 cm beträgt.
Die 2 zeigt den in der 1 dargestellten Kathodenblock 20, 20', 20'' im Längsschnitt. Wie aus der 2 ersichtlich, läuft die in ihrem Längsschnitt betrachtete Nut 38, 38' zur Mitte des Kathodenblocks 20, 20', 20'' hin in der Form eines Dreiecks zu, wodurch ein im Wesentlichen gleichmäßiger vertikaler elektrischer Stromfluss über die gesamte Kathodenlänge hinweg gewährleistet wird.
Die in der 2 der besseren Übersichtlichkeit halber nicht dargestellte Stromschiene 40, 40' ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel barrenförmig ausgebildet und weist einen rechtwinkligen Längsschnitt auf, so dass zwischen der Stromschiene und dem Nutboden ein zur Mitte der Nut 38, 38' hin größer werdender Zwischenraum besteht, der entweder durch Gusseisen 44, 44' oder durch zusätzliche mit der Stromschiene 40, 40' verbundene Metallplatten ausgefüllt sein kann. Ebenso könnte auch eine Stromschiene 40, 40' verwendet werden, die einen im Wesentlichen gleichbleibenden Abstand von dem Nutboden aufweist und insbesondere in ihrem Längsschnitt an den dreieckförmigen Verlauf der Nut 38, 38' angepasst ist.
Vorzugsweise werden sowohl die Nuten 38, 38' als auch die Vertiefungen 34, 34' an der Oberseite der Kathodenblöcke 20, 20', 20'' während des Formgebungsprozesses angelegt, und zwar beispielsweise durch Rüttelformen und/oder Stempel oder geeignete Mundstücksgeometrie bei einem Strangpressprozess.
In den 3A bis 3E sind Beispiele für unterschiedliche Ausgestaltungen der Vertiefungen 34, 34' und der Erhebungen 36 der Oberflächenprofilierung der Kathodenblöcke 20, 20', 20'' dargestellt, nämlich, jeweils im Querschnitt, rechteckig mit abgerundeten Ecken (nicht dargestellt) (3A), im Wesentlichen wellenförmig (3B), dreiecksförmig (3C), konvex (3D) und sinusförmig (3E).
Bezugszeichenliste

10: Aluminium-Elektrolysezelle
12: Kathodenanordnung
14: Aluminiumschmelze
16: Kryolith-Aluminiumoxid-Schmelze
18: Anode
20, 20', 20'': Kathodenblock
22, 22': Stampfmassenfuge
24, 24': Stampfmasse
26, 26': Anodenblock
34, 34': Vertiefung
36: Erhebung
38, 38': Nut
40, 40': Stromschiene
42, 42': Graphitfolie
44, 44': Gusseisen
46, 46': Nutquerschnitt im Bereich der Mitte der Nut
48: Breite der Nut
50: Breite des Kathodenblocks

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2133446 A1 [0005]
WO 2007/118510 A2 [0007]
WO 2007/071392 A2 [0008]

Claims

Kathodenanordnung (12) für eine Aluminium-Elektrolysezelle (10) mit wenigstens einem Kathodenblock (20, 20', 20'') auf Basis von Kohlenstoff und/oder Graphit, der eine zumindest bereichsweise profilierte Oberfläche sowie wenigstens eine Nut (38, 38') aufweist, wobei in der wenigstens einen Nut (38, 38') wenigstens eine Stromschiene (40, 40') vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Nut (38, 38') eine über ihre Länge variierende Tiefe aufweist und zumindest bereichsweise mit einer Graphitfolie (42, 42') ausgekleidet ist.
Kathodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschiene (40, 40') zumindest bereichsweise von einer Umhüllung aus Gusseisen (44, 44') umgeben ist.
Kathodenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphitfolie (42, 42') zumindest bereichsweise direkt mit der Stromschiene (40, 40') und dem Kathodenblock (20, 20', 20'') in Kontakt steht.
Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphitfolie (42, 42') expandierten Graphit, bevorzugt zumindest teilweise komprimierten expandierten Graphit, enthält oder daraus besteht.
Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphitfolie (42, 42') eine Dicke zwischen 0,2 mm und 10 mm aufweist.
Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphitfolie (42, 42') eine Dicke zwischen 0,2 mm und 3 mm, bevorzugt zwischen 0,2 mm und 1 mm und besonders bevorzugt zwischen 0,3 mm und 0,5 mm, oder eine Dicke zwischen 3 mm und 20 mm, bevorzugt zwischen 3 mm und 10 mm und besonders bevorzugt zwischen 5 mm und 8 mm, aufweist.
Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphitfolie (42, 42') in die Nut (38, 38') eingelegt und/oder eingeklebt ist.
Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenblock (20, 20', 20'') ein oder zwei Nuten (38, 38') zur Aufnahme jeweils wenigstens einer Stromschiene (40, 40') aufweist.
Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Nut (38, 38') an ihren längsseitigen Enden eine geringere Tiefe aufweist als in ihrer Mitte.
Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede der wenigstens einen Nut (38, 38') und/oder jede der wenigstens einen Stromschiene (40, 40') einen wenigstens im Wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt aufweist.
Kathodenanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Kathodenblocks (20, 20', 20'') durch wenigstens eine Vertiefung (34, 34') und/oder wenigstens eine Erhebung (36) profiliert ist.
Kathodenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Vertiefung (34, 34') und/oder die wenigstens eine Erhebung (36), in der Querrichtung des Kathodenblocks (20, 20', 20'') gesehen, konvex, konkav oder polygonal, wie beispielsweise trapezförmig, dreiecksförmig, rechteckig oder quadratisch, ausgebildet ist.
Kathodenanordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Kathodenblocks (20, 20', 20'') wenigstens eine Vertiefung (34, 34') aufweist, wobei das Verhältnis von Tiefe zu Breite der wenigstens einen Vertiefung (34, 34') 1:3 bis 1:1 und bevorzugt 1:2 bis 1:1 beträgt.
Kathodenanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Kathodenblocks (20, 20', 20'') wenigstens eine Vertiefung (34, 34') aufweist, wobei die Tiefe der wenigstens einen Vertiefung (34, 34') 10 bis 90 mm, bevorzugt 40 bis 90 mm und besonders bevorzugt 60 bis 80 mm beträgt.
Kathodenanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Kathodenblocks (20, 20', 20'') wenigstens eine Vertiefung (34, 34') aufweist, wobei die Breite der wenigstens einen Vertiefung (34, 34') 100 bis 200 mm, besonders bevorzugt 120 bis 180 mm und ganz besonders bevorzugt 140 bis 160 mm beträgt.
Kathodenanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Kathodenblocks (20, 20', 20'') wenigstens eine Erhebung (36) aufweist, wobei das Verhältnis von Höhe zu Breite der wenigstens einen Erhebung (36) 1:2 bis 2:1 und bevorzugt 1:1 beträgt.
Kathodenanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Kathodenblocks (20, 20', 20'') wenigstens eine Erhebung (36) aufweist, wobei die Höhe der wenigstens einen Erhebung (36) 10 bis 150 mm, bevorzugt 40 bis 90 mm und besonders bevorzugt 60 bis 80 mm beträgt.
Kathodenanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Kathodenblocks (20, 20', 20'') wenigstens eine Erhebung (36) aufweist, wobei die Breite der wenigstens einen Erhebung (36) 50 bis 150 mm, besonders bevorzugt 55 bis 100 mm und ganz besonders bevorzugt 60 bis 90 mm beträgt.
Kathodenanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Kathodenblocks (20, 20', 20'') wenigstens eine Vertiefung (34, 34') sowie wenigstens eine Erhebung (36) umfasst, wobei das Verhältnis der Breite der wenigstens einen Vertiefung (34, 34') zu der Breite der wenigstens einen Erhebung (36) 4:1 bis 1:1 und besonders bevorzugt 2:1 beträgt.
Kathodenanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Kathodenblocks (20, 20', 20'') 1 bis 3 und besonders bevorzugt 2 Vertiefungen (34, 34') aufweist.
Kathodenanordnung (20, 20', 20'') nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenblock aus amorphem Kohlenstoff und ggf. Bindemittel zusammengesetzt ist oder bevorzugt daraus besteht.
Kathodenblock für eine Kathodenanordnung (12) einer Aluminium-Elektrolysezelle (10) auf Basis von Kohlenstoff und/oder Graphit, der eine zumindest bereichsweise profilierte Oberfläche sowie wenigstens eine Nut (38, 38') zur Aufnahme einer Stromschiene (40, 40') aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Nut (38, 38') eine über ihre Länge variierende Tiefe aufweist.