DE102011004011A1

DE102011004011A1 - Cathode assembly having a surface profiled cathode block with a graphite foil-lined groove of variable depth

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.The present invention relates to a cathode arrangement for an aluminum electrolytic cell with at least one cathode block based on carbon and / or graphite, which has an at least regionally profiled surface and at least one groove, at least one busbar being provided in the at least one groove, and wherein the at least one groove has a depth that varies over its length and is lined at least in some areas with a graphite foil. The invention also relates to a corresponding cathode block.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kathodenanordnung für eine Aluminium-Elektrolysezelle.The present invention relates to a cathode assembly for an aluminum electrolytic cell.

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.Such electrolysis cells are used for the electrolytic production of aluminum, which is usually carried out industrially by the Hall-Héroult process. In the Hall-Héroult process, a melt composed of alumina and cryolite is electrolyzed. The cryolite, Na ₃ [AlF ₆ ], serves to lower the melting point from 2045 ° C. for pure aluminum oxide to approximately 950 ° C. for a mixture containing cryolite, aluminum oxide and additives such as aluminum fluoride and calcium fluoride.

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.The electrolysis cell used in this method has a bottom composed of a plurality of adjacent cathode blocks forming the cathode. In order to withstand the thermal and chemical conditions prevailing in the operation of the cell, the cathode blocks are usually composed of a carbonaceous material. In each case, grooves are provided on the lower sides of the cathode blocks, in each of which at least one bus bar is arranged, through which the current supplied via the anodes is removed. The gaps between the individual walls delimiting the grooves of the cathode blocks and the busbars are often poured with cast iron in order to electrically and mechanically connect the busbars to the cathode blocks through the cast iron busbars produced thereby. About 3 to 5 cm above the layer of molten aluminum located on the top of the cathode is arranged an anode formed of individual anode blocks, between which and the surface of the aluminum is the electrolyte, ie the melt containing alumina and cryolite. During the electrolysis carried out at about 1000 ° C., the aluminum formed is deposited below the electrolyte layer due to its greater density compared to that of the electrolyte, ie as an intermediate layer between the upper side of the cathode blocks and the electrolyte layer. During electrolysis, the aluminum oxide dissolved in the cryolite melt is split by the flow of electrical current into aluminum and oxygen. Electrochemically, the layer of molten aluminum is the actual cathode because aluminum ions are reduced to elemental aluminum on its surface. Nevertheless, the term cathode will not be understood below to mean the cathode from an electrochemical point of view, ie the layer of molten aluminum, but rather the component forming the electrolytic cell bottom and composed of one or more cathode blocks.

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.A major disadvantage of the Hall-Héroult 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.

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.In order to reduce the specific energy consumption, cathode blocks are used recently, which in the operation of the electrolytic cell to the molten aluminum and the electrolyte side facing is profiled by one or more recesses and / or elevations. Such cathode blocks, whose tops each have between 1 and 8 and preferably 2 elevations with a height of 50 to 200 mm, are for example in the EP 2 133 446 A1 disclosed. The cathode blocks are composed of anthracite, synthetic graphite, mixtures of anthracite and synthetic graphite or of graphitized carbon. Due to the profiled surface, the movement of the molten aluminum caused by the electromagnetic interaction in the electrolysis is reduced. This results in less corrugation and bulging of the aluminum layer. For this reason, the distance between the molten aluminum and the anode, which due to the comparatively strong and intense wave formation of the aluminum layer in the use of non-surface profiled cathode blocks to avoid short circuits and unwanted reoxidation of the aluminum formed usually 4 to 5 by the use of the surface profiled cathode blocks cm, can be reduced to 2 to 4 cm. Due to this reduction in the distance between the molten aluminum and the anode, the cell electrical resistance is reduced due to the reduction of the ohmic resistance of the electrolyte layer, thus reducing the specific power consumption.

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.However, cathode arrangements with surface-profiled cathode blocks are subject to increased wear, which is manifested by the removal of the cathode baffle surfaces during the electrolysis. The service life of a cathode arrangement is limited by the locations of the largest removal. This erosion of the cathode block surfaces does not occur uniformly across the cathode block surface, but to an increased extent at the locations of the cathode block surface where the greatest local electrical current density occurs during operation. In a surface profiled cathode block, the current density concentrates in the In the longitudinal direction of the cathode block is considered on the edge portions of the cathode block, there contacting the busbars with the power supply elements, therefore, the resulting, decisive for the current path, electrical resistance from the power supply elements to the surface of the cathode block in the flow through the edge regions of the cathode block less as is at the flow over the center of the cathode block. Thus, the path of the electric current based on the principle of the least electrical resistance preferably leads from the power supply bar over the edge region of the cathode block almost perpendicularly towards its surface, which is covered by the molten aluminum. In addition, the current density in the transverse direction of the cathode block concentrates, as viewed in the recesses of the profiling, because the molten aluminum in the recesses has a significantly lower electrical resistivity than the cathode block material. Because of this inhomogeneous in two respects current density distribution arise in the cathode block during its operation very pronounced current density peaks, which is why in the region of the wells in Kathodenblocklängsachse pronounced W-shaped wear profile results, due to which the service life of surface profiled cathode blocks is reduced.

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.In order to ensure a uniform streamline profile over the length of the cathode block, is in the WO 2007/118510 A2 a cathode assembly having a cathode block has been proposed in which the groove provided in the cathode block for receiving a bus bar has a varying depth over its length, the depth of the groove, viewed in the longitudinal direction of the cathode block, increasing from the edge regions to the center of the cathode block , The busbar is encased in a conventional manner with cast iron, this enclosure is done by pouring liquid cast iron in the space between the groove and the busbar. However, such a cathode arrangement is also associated with disadvantages. Thus, such a cathode arrangement has a reduced electrical conductivity, which leads to increased ohmic losses and thus precludes the goal of higher energy efficiency. The reduced electrical conductivity is partly due to the fact that the surface of the carbon-containing cathode block in the region of the groove during casting is not sufficiently wetted by the liquid cast iron, so that between the solidified cast iron and the cathode block no optimal current transfer occurs. On the other hand, in the case of a groove with a variable depth over its length, the accurately fitting insertion of the busbar is difficult, if not impossible, so that when contacting the busbar with cast iron there is a risk of entanglement between the solidified cast iron and the cathode block and therefore the cathode block Pouring the liquid cast iron itself or during commissioning due to the occurring thermal expansion and shrinkage processes exposed to high mechanical stress and is damaged in particular due to thereby causing cracking and propagation. In the context of the invention, "hooking" is understood as meaning any kind of mechanical interaction, such as, for example, an at least partially frictional connection. This damage contributes to a reduced electrical conductivity between the bus bar or the cast iron and the cathode block and to a lower stability of the arrangement or even leads to the failure of the entire assembly.

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.Moreover, it is in the WO 2007/071392 A2 has been proposed to line the groove of a carbon or graphite-based cathode block with a graphite sheet in regions. Apart from the fact that the graphite foil reduces the electrical contact resistance between the conductor rail and the surrounding layer of solidified cast iron and the cathode block due to their good two-sided positive locking, the graphite foil due to their elasticity in particular reduces the increase of the electrical contact resistance with increasing operating time of the cathode. This is because the graphite foil continuously fills the gaps formed between the walls of the cathode block and the bus bar during the creeping of the steel of the bus bar and the carbon of the cathode block. According to this document, the groove is only partially lined with graphite foil or the groove is lined with graphite foil of varying thickness and / or bulk density in order to influence the current density distribution to a more uniform distribution out. However, such a cathode arrangement still has considerable wear on the longitudinal ends of the cathode block. This is because the influence of the current density distribution is limited by the maximum variation of the contact resistance between the bus bar and the cathode block attainable by the selective graphite foil lining. In addition, the selective lining of a groove with graphite foil is complicated and leads to the fact that the mechanical properties of the cathode arrangement vary accordingly, resulting in additional mechanical imbalances and tensions.

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.The object of the present invention is therefore to provide a cathode arrangement which, used in a fused-salt electrolysis in an electrolytic cell, contributes to increased energy efficiency at the same time having high resistance to the abrasive and chemical wear processes prevailing in the melt electrolysis. For this purpose, the cathode assembly should have a surface profiled designed cathode block to thereby reduce the distance between the molten aluminum and the anode in the electrolytic cell, which at the same time a high resistance to the ruling in the fused-melt electrolysis wear processes and a low electrical resistance between the Busbar and the cathode block has.

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.According to the invention, this object is achieved by a cathode arrangement for an aluminum electrolytic cell having at least one cathode block based on carbon and / or graphite, which has an at least partially profiled surface and at least one groove, wherein at least one bus bar is provided in the at least one groove, and wherein the at least one groove has a varying depth over its length and at least partially lined with a graphite foil.

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.According to the invention, it has been recognized that by lining a groove with a variable depth of a profiled surface having cathode block with graphite foil, a cathode arrangement can be provided which, despite the surface profiling of the cathode block during the electrolysis operation permanently wear resistant and simultaneously has low electrical contact resistance from the bus bar to the cathode block, so that a targeted by the surface profiling increased energy efficiency is permanently and reliably realized.

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.The invention is also based on the recognition that by using a variable depth groove in the longitudinal direction of the cathode block, a current density distribution can be achieved at the cathode block surface that is uniform enough to effectively avoid excessive removal of cathode block material in areas where otherwise a high local current density is present. By adjusting the groove depth, the current density distribution can be modified within wide limits and thus an excessive current density can be effectively avoided at any point of the cathode block surface despite the surface profiling. Due to this, the cathode assembly has a long service life.

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.The mechanical, electrical and thermal properties of the graphite foil lining further avoids the occurrence of excessive mechanical stresses and damage to the cathode block at the transition from the solidified cast iron to the cathode block and a concomitant increase in electrical contact resistance between the bus bar and the cathode block, which contributes in that the increased energy efficiency aimed at by the surface profiling is reliably and permanently achieved in the electrolysis operation. Due to their - in certain limits - reversible deformability and thus their existing springback behavior, the graphite foil absorbs pressure peaks and tensions, in particular also perpendicular to the film plane which exists between the cast iron and the cathode block, in particular during the pouring of cast iron into the gap between the busbar and the Cathode block, occur in the subsequent cooling of the cast iron and / or in the heating during startup or operation of the electrolysis cell. By sheathing the busbar with a graphite foil of suitable thickness and by inserting the sheathed with graphite foil busbar can also critical to the usual use of a groove with variable depth pouring and. subsequent cooling of the cast iron can be dispensed with, so that the associated mechanical stresses are avoided from the outset. In addition, the graphite foil leaves due to its lubricious. Surface properties of both a lateral and a vertical movement of the bus bar in the groove, which facilitates a precise insertion of the bus bar into the groove and thereby prevents entanglement in the sense described above, the bus bar with the Kathodennutoberfläche and a resulting mechanical stress.

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.The graphite foil also makes particularly intimate contact with both the bus bar and the cathode block because of its flexibility, which contributes to the reduction of electrical contact resistance and to an increase in energy efficiency during the electrolysis operation.

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.For the purposes of the present invention, a graphite foil is understood to mean not only a thin graphite sheet, but in particular also a partially compressed preform or a flexible sheet of expanded graphite.

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.In addition, a cathode arrangement in the context of the present invention is understood to mean a cathode block having at least one groove, wherein in each of the at least one groove at least one possibly a cast iron casing having bus bar is received. Likewise, this term refers to an arrangement of several, each having at least one groove having cathode blocks, wherein in each of the at least one groove at least one possibly a cast iron casing having bus bar is added.

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.According to one embodiment of the present invention, the busbar is at least partially surrounded by a casing of cast iron. The graphite foil can thereby at least in sections both with the casing of cast iron and with the groove bounding the cathode block material in direct. Standing in contact.

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.Alternatively, however, it is also possible that the graphite foil at least partially in direct contact with both the busbar and with the groove bounding cathode block material. In this case, it is completely dispensed with a sheathing of the busbar made of cast iron and a corresponding casting of cast iron. In this embodiment, the stresses occurring in the casting and the subsequent solidification of molten cast iron and a consequent increase in the electrical contact resistance between the busbar and the cathode block or even damage to the cathode block are avoided even more effectively.

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.In a further development of the inventive concept, it is proposed that the graphite foil lining the groove at least in regions contains expanded graphite and in particular preferably compressed expanded graphite, which is particularly preferably binder-free. Most preferably, the graphite foil lining the groove at least regionally consists of expanded graphite and particularly preferably compressed binder-free expanded graphite. As stated above, the film may in principle also be formed by a substantially plate-shaped preform containing expanded graphite.

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%.Preferably, the graphite content of the graphite foil is at least 60%, more preferably at least 70%, particularly preferably at least 80%, particularly preferably at least 90% and very particularly preferably at least approximately 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.Good results with regard to optimum utilization of the mechanical and electrical properties of the graphite are achieved, in particular, if the graphite foil has a thickness between 0.2 mm and 10 mm. Particularly in the case of a bus bar covered with busbar, the graphite foil may have a thickness between 0.2 mm and 3 mm, preferably between 0.2 mm and 1 mm, and particularly preferably between 0.3 mm and 0.5 mm. On the other hand, in the case of a graphite foil which is directly connected at least in regions directly to the busbar and the cathode block, the thickness of the graphite foil is preferably between 3 mm and 20 mm, preferably between 3 mm and 10 mm and particularly preferably between 5 mm and 8 mm.

Die Graphitfolie kann in die Nut eingelegt oder eingeklebt sein.The graphite foil can be inserted or glued into the groove.

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.According to a further preferred embodiment of the present invention, the cathode block has at least one groove for receiving in each case at least one bus bar. In principle, within the scope of the invention, a groove of the cathode block can accommodate exactly one busbar, but in particular also two busbars which are inserted into different longitudinal sections of the slot. The busbars can be arranged opposite one another on the front side.

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.In order to achieve a vertical current density distribution which is uniform over the cathode block length, the at least one groove has, according to the invention, a depth which varies over its length or the length of the cathode block. It is preferred that this, relative to the longitudinal direction, in its center has a greater depth than at its two longitudinal ends. In this way, an even distribution of the electrical current supplied via the cathode arrangement is achieved over the entire length of the cathode block, whereby an excessively high electrical current density at the longitudinal ends of the cathode block and thus premature wear at the ends of the cathode block is avoided.

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.By such a uniform current density distribution over the length of the cathode block movements caused by the interaction of electromagnetic fields in the molten aluminum are avoided, whereby it is possible to arrange the anode at an even lower level above the surface of the molten aluminum. This reduces the electrical resistance between anode and molten aluminum and further increases the energy efficiency of the melt electrolysis process.

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.The cathode arrangement according to the invention is particularly suitable for the use of conventional groove and / or busbar cross-sections. For example, the groove and / or the busbar may have a substantially rectangular cross-section in a conventional manner. The busbar may in particular also consist of steel in a conventional manner.

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.According to the invention, the cathode block has an at least partially profiled surface. Under a profiled surface is here understood a surface which at least one in the transverse direction, in the longitudinal direction or in any other direction, such as in a direction extending at a sharp or obtuse angle to the longitudinal direction, the cathode block extending or chaotically arranged recess and / or elevation, wherein the depression or delineation a surface roughness, seen transversely to the cathode block surface, at least a depth or height of 0.05 mm and preferably of 0.5 mm.

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.For the purposes of the present invention, a depression is understood to be a recess directed inwards from the surface of the cathode block, whereas the term elevation means an elevation directed outward from the surface of the cathode block. It may, for example, in the case of rectangular recesses or elevations each have the same depth or height depend on the viewer, whether they are regarded as depressions or surveys. This blurring between the terms indentation and survey should take into account the wording "deepening and / or survey".

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.In principle, the at least one depression and / or elevation, seen in the transverse direction of the cathode block, can have any desired geometry. For example, the at least one recess or elevation, seen in the transverse direction of the cathode block, convex, concave or polygonal, such as trapezoidal, triangular, rectangular or square, may be formed.

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.In order to avoid or at least considerably reduce the formation of corrugations in the operation of the cathode block according to the invention in the fused-salt electrolysis of aluminum oxide in a cryolite melt, and to drastically reduce the height of the waves that form, it is proposed in a further development of the inventive idea that, if the surface profiling comprises at least one depression, the ratio of depth to width of the at least one depression being 1: 3 to 1: 1 and preferably 1: 2 to 1: 1.

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.Good results are obtained, in particular, if the depth of the at least one recess is 10 to 90 mm, preferably 40 to 90 mm and particularly preferably 60 to 80 mm, for example about 70 mm.

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.According to a further preferred embodiment, the width of the at least one recess is 100 to 200 mm, more preferably 120 to 180 mm and most preferably 140 to 160 mm, such as about 150 mm.

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.In principle, it is possible for the at least one depression, viewed in the longitudinal direction of the cathode block, to extend only in regions. However, it is preferred that the at least one recess extend the entire length of the cathode block to achieve the effect of reducing or completely reducing the formation of waves of liquid aluminum. However, it is possible that the depth and / or width of the at least one recess varies over the length of the cathode block. Likewise, the geometry of the recess can vary over the length of the cathode block.

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.Also, if the surface profiling comprises at least one protrusion, it is for the reason of avoiding or at least considerably reducing corrugation in the operation of the cathode block according to the invention in the fused-salt electrolysis of alumina in a cryolite melt, and drastically reducing the height of the waves which form It is preferred that the ratio of height to width of the at least one elevation be 1: 2 to 2: 1, and preferably about 1: 1.

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.Good results are obtained, in particular, if the height of the at least one elevation is 10 to 150 mm, preferably 40 to 90 mm and particularly preferably 60 to 80 mm, for example about 70 mm.

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.According to a further preferred embodiment, the width of the at least one protrusion is 50 to 150 mm, more preferably 55 to 100 mm and most preferably 60 to 90 mm, such as about 75 mm.

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.In principle, it is possible that the at least one elevation, viewed in the longitudinal direction of the cathode block, extends only in regions. However, it is preferred that the at least one protrusion extend the entire length of the cathode block to achieve the effect of reducing or completely reducing waviness of liquid aluminum. However, it is possible that the height and / or width of the at least one bump varies over the length of the cathode block. Likewise, the geometry of the survey can vary over the length of the cathode block.

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.If the surface profiling comprises both at least one recess and at least one projection, the ratio of the width of the at least one recess to the width of the at least one projection is preferably 4: 1 to 1: 1, such as about 2: 1.

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.During the conduct of a fused-salt electrolysis, deposition of so-called sludge, ie undissolved Aluminum oxide with adhering melt constituents to reliably avoid in the profiled structure of the surface of the cathode block, is proposed in a further development of the inventive concept, to avoid any angled and in particular rectangular areas in the profiled surface, so as to effectively prevent notch-induced cracking and propagation cracking. For example, if a substantially rectangular cross-section of the at least one recess and / or bump is selected, it is preferred in accordance with a preferred embodiment of the present invention to round off the rectangular areas. The radius of curvature of these roundings may be, for example, 5 to 50 mm, preferably 10 to 30 mm and particularly preferably about 20 mm. To avoid sharp edges, any geometry is conceivable in principle, all fall under the term rounding. Furthermore, stepped or stepped cross-sections are conceivable, which in turn may be suitably designed.

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.With respect to the number of pits in the cathode block, the present invention is not limited. Good results are obtained, for example, when the cathode block has in its transverse direction 1 to 3 wells and preferably 2 wells.

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.According to the cathode block contained in the cathode assembly based on carbon and / or graphite is composed, d. H. the cathode block contains amorphous carbon, graphite or a mixture of amorphous carbon and graphite. Apart from the carbon or graphite, the cathode block may optionally contain binders such as pitch, especially coal tar and / or petroleum pitch, which is carbonized during the manufacturing process of the cathode block. If pitch is mentioned below, it means all pitches known to those skilled in the art.

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.According to a particularly preferred embodiment of the present invention, the cathode block of the cathode arrangement according to the invention contains as carbon exclusively amorphous carbon or a mixture of amorphous carbon and graphite. If a mixture of amorphous carbon and graphite is used, this mixture preferably contains 10 to 99 wt .-%, particularly preferably 30 to 95 wt .-% and most preferably 60 to 90 wt .-% amorphous carbon and the balance graphite, wherein as graphite both natural graphite and synthetic graphite can be used.

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.Anthracite is preferably used as the starting material for the amorphous carbon, which is then calcined at a temperature of 800 and 2,200 ° C., and more preferably between 1,200 and 2,000 ° C. For example, the preparation is such that a mixture of particulate anthracite and coal tar pitch is compacted as a binder into a green body, before the green body is carbonized by a heat treatment at a temperature of, for example, 1,000 to 1,300 ° C.

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.Another object of the present invention is a cathode block for a cathode assembly of an aluminum electrolytic cell based on carbon and / or graphite, which has an at least partially profiled surface and at least one groove for receiving a busbar, wherein the groove has a varying depth over its length having. Such a cathode block can be advantageously used as part of the previously described cathode arrangement. In this case, the cathode block based on amorphous. Carbon, graphitic carbon, graphitized carbon or any mixture of the above carbons.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.Hereinafter, the present invention will be described purely by way of example with reference to advantageous embodiments and with reference to the accompanying drawings.

Dabei zeigen:Showing:

1 einen schematischen Querschnitt eines Ausschnitts einer Aluminium-Elektrolysezelle, welche eine Kathodenanordnung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung umfasst, 1 a schematic cross section of a section of an aluminum electrolysis cell, which comprises a cathode assembly according to an embodiment of the present invention,

2 einen Längsschnitt der Kathodenanordnung der in 1 gezeigten Aluminium-Elektrolysezelle und 2 a longitudinal section of the cathode assembly of in 1 shown aluminum electrolysis cell and

3A bis 3E jeweils einen schematischen Querschnitt der Oberflächenprofilierung eines Kathodenblocks gemäß anderer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. 3A to 3E each a schematic cross-section of the surface profiling of a cathode block according to other embodiments of the present invention.

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.In the 1 is a cross section of a section of an aluminum electrolysis cell 10 with a cathode arrangement 12 shown at the same time the bottom of a tub for during operation of the electrolysis cell 10 produced aluminum melt 14 and for one above the molten aluminum 14 Cryolite-alumina melt 16 forms. With the cryolite-alumina melt 16 is an anode 18 the electrolysis cell 10 in contact. Laterally, the through the lower part of the aluminum electrolysis cell 10 formed tub by one in the 1 not shown lining of carbon and / or graphite limited.

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. The cathode arrangement 12 includes several cathode blocks 20 . 20 ' . 20 '' , each one in one between the cathode blocks 20 . 20 ' . 20 '' arranged ramming compound 22 . 22 ' inserted ramming mass 24 . 24 ' connected to each other. Likewise, the anode comprises 18 several anode blocks 26 . 26 ' , wherein the anode blocks 26 . 26 ' each about twice as wide and about half as long as the cathode blocks 20 . 20 ' . 20 '' are. Here are the anode blocks 26 . 26 ' so over the cathode blocks 20 . 20 ' . 20 '' arranged, that in each case an anode block 26 . 26 ' in the width two adjacent cathode blocks 20 . 20 ' . 20 '' covers and one cathode block each 20 . 20 ' . 20 '' in length, two adjacent anode blocks 26 . 26 ' covers.

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.The cathode blocks 20 . 20 ' . 20 '' each have a graphitized material structure, such as. As such, which has been produced by molding a mixture of petroleum coke and coal tar pitch with subsequent thermal treatment at up to 3,000 ° C.

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.The distance between the anode blocks 26 . 26 ' and the cathode blocks 20 . 20 ' . 20 '' is about 200 to about 350 mm, with the interposed layer of cryolite-alumina melt 16 has a thickness of about 50 mm and the underlying layer of molten aluminum 14 has a thickness of about 150 to about 300 mm.

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.Each cathode block 20 . 20 ' . 20 '' has a profiled surface, wherein in each cathode block 20 . 20 ' . 20 '' two in cross-section substantially rectangular depressions 34 . 34 ' are provided, each of a survey 36 are separated from each other. While the width of the pits 34 . 34 ' each 150 mm and the depth of the wells 34 . 34 ' each is 70 mm, the survey shows 36 a width of 75 mm and a height of 70 mm. Both the corners in the two wells 34 . 34 ' as well as the corners of the elevation 36 are each rounded off with a radius of 20 mm.

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.Finally, each cathode block comprises 20 . 20 ' . 20 '' two grooves on its underside 38 . 38 ' each having a rectangular, namely substantially rectangular cross-section, wherein in each groove 38 . 38 ' one busbar each 40 . 40 ' is taken from steel with a likewise rectangular or substantially rectangular cross-section.

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.Every groove 38 . 38 ' is doing so by a in the 1 dashed graphite foil 42 . 42 ' lined. The space between the busbar 40 . 40 ' and the one with the graphite foil 42 . 42 ' lined groove 38 . 38 ' is in each case with cast iron 44 . 44 ' poured out, leaving the graphite foil 42 . 42 ' between the cast iron 44 . 44 ' and the cathode block 20 . 20 ' . 20 '' is fixed. This is the graphite foil 42 . 42 ' through the cast iron 44 . 44 ' against the respective groove 38 . 38 ' delimiting walls pressed.

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 this way, entanglements and thus critical mechanical stresses between the busbar 40 . 40 ' and the cathode block 20 . 20 ' . 20 '' avoided and is over the entire cross section of the groove 38 . 38 ' a low electrical contact resistance between the busbar 40 . 40 ' and the cathode block 20 . 20 ' . 20 '' guaranteed. The cast iron 44 . 44 ' forms an enclosure for the busbar 40 . 40 ' and stands with the power rail 40 . 40 ' in cohesive connection. In the context of the invention is also a direct connection of the busbar 40 . 40 ' with the cathode block 20 . 20 ' . 20 '' over a graphite foil 42 . 42 ' without an interposed cast iron cladding 44 . 44 ' possible. In this case, the omitted in the 1 represented graphite foil 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.In the 1 is specifically the cross section of the cathode assembly 10 at a longitudinal end of the cathode block 20 . 20 ' . 20 '' shown. The depth of the grooves 38 . 38 '' of the cathode block 20 . 20 ' . 20 '' varies over the length of the grooves 38 . 38 '' , The groove cross section in the middle of the groove 38 . 38 '' is in the 1 by a dashed line 46 . 46 ' indicated. The difference between the groove depth at the longitudinal ends of the groove 38 . 38 ' and in the middle of the groove 38 . 38 ' is about 10 cm in the present embodiment. The width 48 every groove 38 . 38 ' is substantially constant over the entire groove length and is about 15 cm, whereas the width 50 the cathode blocks 20 . 20 ' . 20 '' each is about 65 cm.

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.The 2 shows the in the 1 illustrated cathode block 20 . 20 ' . 20 '' in longitudinal section. Like from the 2 As can be seen, the groove viewed in its longitudinal section runs 38 . 38 ' to the center of the cathode block 20 . 20 ' . 20 '' in the form of a triangle, thereby ensuring substantially uniform vertical electrical current flow over the entire cathode length.

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.The in the 2 the sake of clarity, not shown busbar 40 . 40 ' is formed in the present embodiment barren and has a rectangular longitudinal section, so that between the busbar and the groove bottom to the center of the groove 38 . 38 ' Greater gap exists, either by cast iron 44 . 44 ' or by additional with the busbar 40 . 40 ' connected metal plates can be filled. Likewise could also a busbar 40 . 40 ' be used, which is a substantially constant distance from the Has groove bottom and in particular in its longitudinal section to the triangular course of the groove 38 . 38 ' is adjusted.

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.Preferably, both the grooves 38 . 38 ' as well as the depressions 34 . 34 ' at the top of the cathode blocks 20 . 20 ' . 20 '' created during the molding process, for example, by Rüttelformen and / or stamp or suitable mouthpiece geometry in an extrusion process.

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).In the 3A to 3E are examples of different configurations of the wells 34 . 34 ' and the surveys 36 the surface profiling of the cathode blocks 20 . 20 ' . 20 '' shown, namely, in each case in cross section, rectangular with rounded corners (not shown) ( 3A ), substantially undulating ( 3B ), triangular ( 3C ), convex ( 3D ) and sinusoidal ( 3E ).

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010: Aluminium-ElektrolysezelleAluminum electrolysis cell
1212: Kathodenanordnungcathode assembly
1414: Aluminiumschmelzealuminum smelter
1616: Kryolith-Aluminiumoxid-SchmelzeCryolite-alumina melt
1818: Anodeanode
20, 20', 20''20, 20 ', 20' ': Kathodenblockcathode block
22, 22'22, 22 ': StampfmassenfugeStampfmassenfuge
24, 24'24, 24 ': Stampfmasseramming mix
26, 26'26, 26 ': Anodenblockanode block
34, 34'34, 34 ': Vertiefungdeepening
3636: Erhebungsurvey
38, 38'38, 38 ': Nutgroove
40, 40'40, 40 ': Stromschieneconductor rail
42, 42'42, 42 ': Graphitfoliegraphite foil
44, 44'44, 44 ': Gusseisencast iron
46, 46'46, 46 ': Nutquerschnitt im Bereich der Mitte der NutGroove cross-section in the area of the middle of the groove
4848: Breite der NutWidth of the groove
5050: Breite des KathodenblocksWidth of the cathode block

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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

Claims

Cathode arrangement ( 12 ) for an aluminum electrolytic cell ( 10 ) with at least one cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) based on carbon and / or graphite, which has an at least partially profiled surface and at least one groove ( 38 . 38 ' ), wherein in the at least one groove ( 38 . 38 ' ) at least one busbar ( 40 . 40 ' ), characterized in that the at least one groove ( 38 . 38 ' ) has a varying depth over its length and at least partially with a graphite foil ( 42 . 42 ' ) is lined.

Cathode arrangement according to claim 1, characterized in that the busbar ( 40 . 40 ' ) at least in some areas of a cast iron casing ( 44 . 44 ' ) is surrounded.

Cathode arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the graphite foil ( 42 . 42 ' ) at least partially directly to the busbar ( 40 . 40 ' ) and the cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) is in contact.

Cathode arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the graphite foil ( 42 . 42 ' ) expanded graphite, preferably at least partially compressed expanded graphite, contains or consists thereof.

Cathode arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the graphite foil ( 42 . 42 ' ) has a thickness between 0.2 mm and 10 mm.

Cathode arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the graphite foil ( 42 . 42 ' ) has a thickness between 0.2 mm and 3 mm, preferably between 0.2 mm and 1 mm and more preferably between 0.3 mm and 0.5 mm, or a thickness between 3 mm and 20 mm, preferably between 3 mm and 10 mm and more preferably between 5 mm and 8 mm.

Cathode arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the graphite foil ( 42 . 42 ' ) into the groove ( 38 . 38 ' ) is inserted and / or glued.

Cathode arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) one or two grooves ( 38 . 38 ' ) for receiving in each case at least one busbar ( 40 . 40 ' ) having.

Cathode arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the at least one groove ( 38 . 38 ' ) has a smaller depth at its longitudinal ends than at its center.

Cathode arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that each of the at least one groove ( 38 . 38 ' ) and / or each of the at least one busbar ( 40 . 40 ' ) has an at least substantially rectangular cross-section.

Cathode arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the surface of the cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) by at least one depression ( 34 . 34 ' ) and / or at least one survey ( 36 ) is profiled.

Cathode arrangement according to claim 11, characterized in that the at least one recess ( 34 . 34 ' ) and / or the at least one survey ( 36 ), in the transverse direction of the cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ), convex, concave or polygonal, such as trapezoidal, triangular, rectangular or square, is formed.

Cathode arrangement according to claim 11 or 12, characterized in that the surface of the cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) at least one depression ( 34 . 34 ' ), wherein the ratio of depth to width of the at least one recess ( 34 . 34 ' ) Is 1: 3 to 1: 1 and preferably 1: 2 to 1: 1.

Cathode arrangement according to at least one of claims 11 to 13, characterized in that the surface of the cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) at least one depression ( 34 . 34 ' ), wherein the depth of the at least one recess ( 34 . 34 ' ) Is 10 to 90 mm, preferably 40 to 90 mm and particularly preferably 60 to 80 mm.

Cathode arrangement according to at least one of claims 11 to 14, characterized in that the surface of the cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) at least one depression ( 34 . 34 ' ), wherein the width of the at least one recess ( 34 . 34 ' ) 100 to 200 mm, more preferably 120 to 180 mm and most preferably 140 to 160 mm.

Cathode arrangement according to at least one of claims 11 to 15, characterized in that the surface of the cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) at least one survey ( 36 ), wherein the ratio of height to width of the at least one survey ( 36 ) Is 1: 2 to 2: 1 and preferably 1: 1.

Cathode arrangement according to at least one of claims 11 to 16, characterized in that the surface of the cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) at least one survey ( 36 ), wherein the amount of the at least one survey ( 36 ) Is 10 to 150 mm, preferably 40 to 90 mm and particularly preferably 60 to 80 mm.

Cathode arrangement according to at least one of claims 11 to 17, characterized in that the surface of the cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) at least one survey ( 36 ), wherein the width of the at least one survey ( 36 ) Is 50 to 150 mm, more preferably 55 to 100 mm, and most preferably 60 to 90 mm.

Cathode arrangement according to at least one of claims 11 to 18, characterized in that the surface of the cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) at least one depression ( 34 . 34 ' ) and at least one survey ( 36 ), wherein the ratio of the width of the at least one recess ( 34 . 34 ' ) to the width of the at least one survey ( 36 ) 4: 1 to 1: 1 and more preferably 2: 1.

Cathode arrangement according to at least one of claims 11 to 19, characterized in that the surface of the cathode block ( 20 . 20 ' . 20 '' ) 1 to 3 and more preferably 2 wells ( 34 . 34 ' ) having.

Cathode arrangement ( 20 . 20 ' . 20 '' ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the cathode block is composed of amorphous carbon and optionally binder or preferably consists thereof.

Cathode block for a cathode assembly ( 12 ) an aluminum electrolytic cell ( 10 ) based on carbon and / or graphite, which has an at least partially profiled surface and at least one groove ( 38 . 38 ' ) for receiving a busbar ( 40 . 40 ' ), characterized in that the at least one groove ( 38 . 38 ' ) has a varying depth over its length.