DE102011086044A1 - Kathodenblock mit gewölbter und/oder gerundeter Oberfläche - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kathodenblock für eine Aluminium-Elektrolysezelle insbesondere auf der Basis von Kohlenstoff und/oder Graphit mit zumindest einer an einer der Seiten des Kathodenblocks angeordneten und in Längsrichtung des Kathodenblocks verlaufenden Nut zur Aufnahme einer Stromschiene, wobei wenigstens ein Abschnitt der Oberfläche der der die wenigstens eine Nut aufweisenden Seite gegenüberliegenden Seite des Kathodenblocks, im Querschnitt des Kathodenblocks gesehen, bogenförmig nach außen gekrümmt ist, wobei der Scheitelpunkt des wenigstens einen bogenförmig nach außen gekrümmten Abschnitts, bezogen auf die im Querschnitt des Kathodenblocks senkrecht zu der die wenigstens eine Nut aufweisenden Seite verlaufenden Richtung, über der wenigstens einen Nut angeordnet ist. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung einen Kathodenblock für eine Aluminium-Elektrolysezelle insbesondere auf der Basis von Kohlenstoff und/oder Graphit, welcher eine im Längsschnitt des Kathodenblocks betrachtet wannenförmige Oberfläche aufweist, wobei die Wanne zwei Randbereiche und einen, in Längsrichtung des Kathodenblocks gesehen, zwischen den Randbereichen angeordneten und bezogen auf die Randbereiche abgesenkten Bodenbereich aufweist, wobei zwischen den beiden Randbereichen und dem Bodenbereich jeweils ein den entsprechenden Randbereich und den Bodenbereich verbindender Seitenwandbereich vorgesehen ist, wobei wenigstens einer der beiden Verbindungsbereiche zwischen den Randbereichen und den Seitenwandbereichen und/oder wenigstens einer der beiden Verbindungsbereiche zwischen dem Bodenbereich und den Seitenwandbereichen bogenförmig gekrümmt ausgestaltet ist, wobei der wenigstens eine bogenförmig gekrümmte Abschnitt eine Länge von mehr als 2 cm aufweist.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kathodenblock, welcher insbesondere zur Verwendung in einer Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium geeignet ist.
• Elektrolysezellen werden beispielsweise 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 Kathodenboden auf, der aus einer Vielzahl von aneinander angrenzenden, die Kathode ausbildenden Kathodenblöcken zusammengesetzt sein kann. Um den bei dem Betrieb der Zelle herrschenden thermischen und chemischen Bedingungen standzuhalten, ist die Kathode üblicherweise aus einem kohlenstoffhaltigen Material zusammengesetzt. An den Unterseiten der Kathode sind üblicherweise jeweils Nuten vorgesehen, in denen jeweils wenigstens eine Stromschiene angeordnet ist, durch welche der über die Anoden zugeführte Strom abgeführt wird. Etwa 3 bis 5 cm oberhalb der auf der Kathodenoberseite befindlichen, üblicherweise 15 bis 50 cm hohen, Schicht aus flüssigem Aluminium ist eine, insbesondere aus einzelnen Anodenblöcken ausgebildete, Anode angeordnet, zwischen der und der Oberfläche des Aluminiums sich der Elektrolyt, also die Aluminiumoxid und Kryolith enthaltende Schmelze, befindet. Während der bei etwa 1.000°C durchgeführten Elektrolyse setzt sich das gebildete Aluminium aufgrund seiner im Vergleich zu der des Elektrolyten größeren Dichte unterhalb der Elektrolytschicht ab, also als Zwischenschicht zwischen der Oberseite der Kathode und der Elektrolytschicht. Bei der Elektrolyse wird das in der Schmelze gelöste Aluminiumoxid durch elektrischen Stromfluss zu Aluminium und Sauerstoff aufgespalten. Elektrochemisch gesehen handelt es sich bei der Schicht aus flüssigem Aluminium um die eigentliche Kathode, da an dessen Oberfläche Aluminiumionen zu elementarem Aluminium reduziert werden. Nichtsdestotrotz wird nachfolgend unter dem Begriff Kathode nicht die Kathode aus elektrochemischer Sicht, also die Schicht aus flüssigem Aluminium verstanden, sondern das den Elektrolysezellenboden ausbildende, beispielsweise aus einem oder mehreren Kathodenblöcken zusammengesetzte Bauteil.
• Ein wesentlicher Nachteil des Hall-Héroult-Verfahrens ist es, dass dieses sehr energieintensiv ist. Zur Erzeugung von 1 kg Aluminium werden etwa 12 bis 15 kWh elektrische Energie benötigt, was bis zu 40% der Herstellungskosten ausmacht. Um die Herstellungskosten senken zu können, ist es daher wünschenswert, den spezifischen Energieverbrauch bei diesem Verfahren so weit wie möglich zu verringern.
• Aufgrund des insbesondere im Vergleich zu der Schicht aus flüssigem Aluminium und dem Kathodenmaterial relativ hohen elektrischen Widerstands der Schmelze treten vor allem in der Schmelze relativ hohe ohmsche Verluste in der Form von Joule'scher Dissipation auf. In Anbetracht der vergleichsweise hohen spezifischen Verluste in der Schmelze besteht eine dahingehende Bestrebung, die Dicke der Schmelzeschicht und somit den Abstand zwischen der Anode und der Schicht aus flüssigem Aluminium so weit wie möglich zu reduzieren. Allerdings besteht aufgrund der bei der Elektrolyse vorliegenden elektromagnetischen Wechselwirkungen und der dadurch in der Schicht aus flüssigem Aluminium hervorgerufenen Wellenbildung bei einer zu geringen Dicke der Schmelzeschicht die Gefahr, dass die Schicht aus flüssigem Aluminium mit der Anode in Berührung kommt, was zu Kurzschlüssen der Elektrolysezelle und zu unerwünschter Rückoxidation des gebildeten Aluminiums sowie zur elektrischen Instabilität des Elektrolysebetriebs und insbesondere einer Fluktuation der Zellenspannung führen kann. Auftretende Kurzschlüsse führen ferner zu einem erhöhten Verschleiß und somit zu einer verringerten Standzeit der Elektrolysezelle. Aus diesen Gründen kann der Abstand zwischen der Anode und der Schicht aus flüssigem Aluminium nicht beliebig verringert werden.
• Treibende Kraft für die Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium ist die inhomogene Verteilung der elektrischen Stromdichte und der magnetischen Flussdichte über die Oberfläche der Kathode, die zu einer die Wellenbildung begünstigenden Verteilung der Lorentzkraftdichte in der Schicht aus flüssigem Aluminium führt. Dabei ist die Lorentzkraftdichte als das Vektorprodukt der an einer bestimmten Stelle vorliegenden elektrischen Stromdichte und der an dieser Stelle vorliegenden magnetischen Flussdichte definiert. Ursache für die inhomogene Verteilung der elektrischen Stromdichte und der magnetischen Flussdichte an der Oberseite der Kathode wiederum ist es unter anderem, dass der Strom in der Kathode und in dem Aluminiumbad vorzugsweise den Pfad des geringsten elektrischen Widerstandes folgt. Aus diesem Grund konzentriert sich der durch die Kathode fließende elektrische Strom typischerweise vornehmlich auf die seitlichen Randbereiche der Kathode, wo die Verbindung der Kathode mit den diese kontaktierenden Stromschienen erfolgt, da der resultierende elektrische Widerstand bei dem Stromfluss über die Randbereiche bis zu der Oberfläche der Kathode geringer ist als bei dem Stromfluss über die Mitte der Kathode bis zu der Oberfläche der Kathode, bei dem ein längerer Weg bzw. elektrischer Pfad zurückgelegt werden muss als bei dem Stromfluss über die Randbereiche bis zu der Oberfläche der Kathode.
• Neben einer verstärkten Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium führt die inhomogene Stromdichteverteilung und insbesondere die erhöhte Stromdichte an den in Querrichtung der Kathode betrachtet seitlichen Randbereichen der Kathode im Vergleich zu der Stromdichte in der Mitte der Kathode auch zu einem verstärkten Verschleiß der Kathode in den seitlichen Randbereichen, was nach längerem Betrieb der Elektrolysezelle typischerweise zu einem charakteristischen im Querschnitt der Kathode etwa W-förmigen Verschleißprofil der Kathode führt.
• Um den spezifischen Energieverbrauch einer Elektrolysezelle zu verringern, ist es in jüngster Zeit vorgeschlagen worden, in Elektrolysezellen Kathoden mit profilierter Oberfläche einzusetzen, und zwar beispielsweise solche, deren Oberseite – im Querschnitt der Kathode betrachtet – in der Form einer V-förmigen Wanne ausgestaltet sind. Dabei führt die in der Form einer V-förmigen Wanne ausgebildete Vertiefung in der Kathodenoberfläche dazu, dass die Stromdichte in den seitlichen Randbereichen der Kathode verringert wird, wodurch in diesen Bereichen das Wellenbildungspotential und auch der Verschleiß verringert werden. Allerdings lösen auch diese Kathoden und die Kathodenblöcke, aus denen diese Kathoden zusammengesetzt sind, die Wellenbildungs- und Verschleißproblematiken nicht zufriedenstellend.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Kathodenblock bereitzustellen, der, wenn dieser bei einer Schmelzflusselektrolyse in einer Elektrolysezelle eingesetzt wird, einen verringerten spezifischen Energieverbrauch bewirkt sowie eine erhöhte Standzeit aufweist. Insbesondere soll ein Kathodenblock bereit gestellt werden, der es erlaubt, in der Elektrolysezelle die Dicke der Schmelzeschicht zwischen dem Aluminium und der Anode zu verringern, ohne dass infolge dadurch erhöhter Wellenbildungstendenz in der Schicht aus flüssigem Aluminium Instabilitäten, wie Kurzschlüsse oder Rückoxidationen des gebildeten Aluminiums oder Fluktuationen der Elektrolysezellenspannung, auftreten.
• Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch die Bereitstellung eines Kathodenblocks insbesondere für eine Aluminium-Elektrolysezelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 mit zumindest einer an einer der Seiten des Kathodenblocks angeordneten und in Längsrichtung des Kathodenblocks verlaufenden Nut zur Aufnahme einer Stromschiene, wobei wenigstens ein Abschnitt der Oberfläche der der die wenigstens eine Nut aufweisenden Seite gegenüberliegenden Seite des Kathodenblocks, im Querschnitt des Kathodenblocks gesehen, bogenförmig nach außen gekrümmt ist, wobei der Scheitelpunkt des wenigstens einen bogenförmig nach außen gekrümmten Abschnitts, bezogen auf die im Querschnitt des Kathodenblocks senkrecht zu der die wenigstens eine Nut aufweisenden Seite verlaufenden Richtung, über der wenigstens einen Nut angeordnet ist.
• Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass durch eine, im Querschnitt des Kathodenblocks betrachtet, bogenförmig nach außen gekrümmte Ausgestaltung der der die wenigstens eine Nut aufweisenden Seite gegenüberliegenden Seite des Kathodenblocks, d. h. bei der Verwendung des Kathodenblocks in einer Kathode einer Elektrolysezelle durch eine bogenförmig nach außen gekrümmte Ausgestaltung der Oberseite des Kathodenblocks, eine Vergleichmäßigung der elektrischen Stromdichte und der magnetischen Flussdichte an der Oberfläche des Kathodenblocks erreicht wird. Dies deshalb, weil durch die bogenförmig nach außen gekrümmte Ausgestaltung der Oberseite des Kathodenblocks der Abstand zwischen der Oberkante der Nut und dem vertikal darüber liegenden Abschnitt auf der Oberseite des Kathodenblocks den Abständen zwischen der neben der Nut verlaufenden Unterseite des Kathodenblocks und den vertikal darüber liegenden Abschnitten auf der Oberseite des Kathodenblocks angeglichen wird und dadurch die Länge des elektrischen Pfades des geringsten Widerstands, der von der Oberkante der Nut zu dem vertikal über der Nut angeordneten Bereich der Oberseite des Kathodenblocks führt, an die Länge der elektrischen Pfade der größeren Widerstände angeglichen wird, die von der Unterkante des Kathodenblocks neben dem die Nut umfassenden Abschnitt der Unterseite des Kathodenblocks zu der Oberseite des Kathodenblocks führen. Bei einer herkömmlichen rechteckigen Ausgestaltung des Kathodenblocks ist die Länge des elektrischen Pfades zwischen der Oberkante der an der Unterseite des Kathodenblocks mittig eingefrästen Nut mit rechteckigem Querschnitt und dem vertikal darüber liegenden Abschnitt auf der Oberseite des Kathodenblocks wesentlich kürzer als die Längen der elektrischen Pfade, die von der Seitenfläche der Nut zu der Oberseite des Kathodenblocks führen. Da der Strom in dem Kathodenblock dem Pfad des geringsten elektrischen Widerstandes folgt, fließt in einem zuvor beschriebenen Kathodenblock der Strom vorwiegend in dem Bereich zwischen der Oberkante der Nut und dem vertikal darüber liegenden Abschnitt auf der Oberseite des Kathodenblocks, wohingegen der Stromfluss in den beiden daran angrenzenden Abschnitten des Kathodenblocks stark reduziert ist, so dass sich – über die Oberfläche des Kathodenblocks gesehen – eine inhomogene Stromdichte ergibt, welche bei dem Betrieb einer Elektrolysezelle zu einem stärkeren Verschließ oberhalb der Nut als an den Nahtstellen der Blöcke führt. Die Kathodenoberfläche nimmt dadurch eine wellenartige Gestalt an, welche zu einer erhöhten Wellenbildung in der auf dem Kathodenblock angeordneten Schicht aus flüssigem Aluminium führen kann. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Kathodenblockoberfläche wird der elektrische Pfad zwischen der Oberseite der Nut und der Kathodenoberfläche vergrößert sowie zwischen der Seitenfläche der Nut und der Kathodenoberfläche verringert. Dadurch wird der Stromfluss direkt oberhalb der Nut zu den Seiten verdrängt, so dass – über die Oberfläche des Kathodenblocks gesehen – eine gleichmäßige Stromdichte vorliegt, so dass bei dem Betrieb einer den Kathodenblock umfassenden Elektrolysezelle die Wellenbildung in der auf dem Kathodenblock angeordneten Schicht aus flüssigem Aluminium verringert ist und auch der Verschleiß des Kathodenblocks über dessen Oberfläche gleichmäßig ist. Insgesamt wird so bei dem Betrieb einer den erfindungsgemäßen Kathodenblock umfassenden Elektrolysezelle eine Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium wirksam vermieden und eine hohe Energieeffizienz bei gleichzeitiger hoher Stabilität und Zuverlässigkeit des Elektrolysebetriebs erzielt. Aufgrund der Verringerung der Wellenbildung in der oberhalb des Kathodenblocks angeordneten Schicht aus flüssigem Aluminium kann der Abstand zwischen der Anode und der Schicht aus flüssigem Aluminium reduziert werden, was zu einer zusätzlichen Energieeinsparung bei dem Betrieb einer den Kathodenblock umfassenden Elektrolysezelle führt, Dabei ist es von besonderem Vorteil, dass die vorstehend beschriebene zur Vergleichmäßigung der elektrischen Stromdichte an der Kathodenoberseite eingesetzte Maßnahme, nämlich das Vorsehen wenigstens eines bogenförmig nach außen gekrümmten Abschnitts, einfach so bemessen werden kann, dass sich der erfindungsgemäße Kathodenblock in einer Elektrolysezelle so einsetzen lässt, dass sich – auch bei verringertem Abstand zwischen der Anode und der Schicht aus flüssigem Aluminium – dasselbe Badvolumen ergibt, wie bei dem Einsatz einer herkömmlichen Kathode.
• Darunter, dass die Oberfläche des Kathodenblocks im Querschnitt des Kathodenblocks gesehen bogenförmig nach außen gekrümmt ist, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung verstanden, dass die im Querschnitt des Kathodenblocks durch die Kathodenoberfläche definierte Schnittkurve eine in Bezug auf das Kathodenblockinnere nach außen gerichtete konvex verlaufende Krümmung aufweist, wobei unter einem gekrümmten Abschnitt ein Abschnitt der Schnittkurve verstanden wird, in dem sich die Richtung kontinuierlich ändert, allerdings ohne, dass in dem gekrümmten Bereich eine winkelige bzw. kantige oder eckige Richtungsänderung vorhanden ist.
• Ferner bezeichnet der Begriff ”Scheitelpunkt” eines gekrümmten Abschnitts im Rahmen der vorliegenden Erfindung den – senkrecht von der Unterseite des Kathodenblocks aus gesehen – am weitesten entfernten Punkt des gekrümmten Abschnitts.
• Vorzugsweise ist der Kathodenblock auf der Basis von Kohlenstoff und/oder Graphit aufgebaut, wobei der Kathodenblock insbesondere bevorzugt zu wenigstens 30 Gew.-%, weiter bevorzugt zu wenigstens 40 Gew.-%, besonders bevorzugt zu wenigstens 50 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt zu wenigstens 60 Gew.-% und höchst bevorzugt vollständig aus Kohlenstoff und/oder Graphit zusammengesetzt ist.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung weist der Kathodenblock genau eine Nut zur Aufnahme einer Stromschiene mit einem im wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf, wobei vorzugsweise zumindest der, bezogen auf die im Querschnitt des Kathodenblocks senkrecht zu der die Nut aufweisenden Seite verlaufenden Richtung, über der Nut liegende Abschnitt der der die Nut aufweisenden Seite gegenüberliegenden Seite des Kathodenblocks bogenförmig nach außen gekrümmt ist. Dadurch werden, wie vorstehend beschrieben, die Längen der elektrischen Pfade zwischen der Oberkante der Nut und den vertikal oberhalb der Nut angeordneten Bereichen der Oberfläche des Kathodenblocks einerseits und den daneben angeordneten Bereichen der Oberfläche des Kathodenblocks andererseits vereinheitlicht, so dass der Kathodenblock bei der Verwendung in einer Elektrolysezelle eine – über seine Oberfläche gesehen – homogene Stromdichte aufweist.
• Alternativ zu der vorstehenden Ausführungsform kann der Kathodenblock auch zwei Nuten zur Aufnahme jeweils einer Stromschiene mit jeweils einem im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen, wobei jeder der beiden, bezogen auf die im Querschnitt des Kathodenblocks senkrecht zu der die beiden Nuten aufweisenden Seite verlaufenden Richtung, über den Nuten liegenden Abschnitte der der die beiden Nuten aufweisenden Seite gegenüberliegenden Seite des Kathodenblocks bogenförmig nach außen gekrümmt ist, wobei jeder der Scheitelpunkte der beiden bogenförmig nach außen gekrümmten Abschnitte, bezogen auf die im Querschnitt des Kathodenblocks senkrecht zu der die beiden Nuten aufweisenden Seite verlaufenden Richtung, über jeweils einer der beiden Nuten angeordnet ist. Auf diese Weise werden bei einem zwei Nuten aufweisenden Kathodenblock die Längen der elektrischen Pfade zwischen der Oberkante der jeweils nächstgelegenen Nut und den vertikal darüber angeordneten Bereichen der Oberfläche des Kathodenblocks einerseits und den daneben angeordneten Bereichen der Oberfläche des Kathodenblocks andererseits vereinheitlicht, so dass der Kathodenblock bei der Verwendung in einer Elektrolysezelle eine – über seine Oberfläche gesehen – homogene Stromdichte aufweist.
• Alternativ dazu ist es auch möglich, dass der Kathodenblock zwei Nuten zur Aufnahme jeweils einer Stromschiene mit jeweils einem im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist, wobei vorzugsweise zumindest der, bezogen auf die im Querschnitt des Kathodenblocks senkrecht zu der die Nuten aufweisenden Seite verlaufenden Richtung, über den Nuten liegende Abschnitt der der die Nuten aufweisenden Seite gegenüberliegenden Seite des Kathodenblocks einmal bogenförmig nach außen gekrümmt ist, also an der Kathodenoberseite ein bogenförmig nach außen gekrümmter Abschnitt vorliegt, welcher die beiden Nuten überspannt.
• Gute Ergebnisse hinsichtlich der Gleichmäßigkeit der Verteilung der elektrischen Stromdichte auf der Kathodenblockoberfläche bei Einsatz des Kathodenblocks in einer Elektrolysezelle werden insbesondere erreicht, wenn der Scheitelpunkt des wenigstens einen bogenförmig nach außen gekrümmten Abschnitts der Oberfläche des Kathodenblocks, bezogen auf die im Querschnitt des Kathodenblocks senkrecht zu der die wenigstens eine Nut aufweisenden Seite verlaufendon Richtung, über einem Bereich der wenigstens einen Nut angeordnet ist, welcher sich von 20 bis 80% der Breite der wenigstens einen Nut und bevorzugt von 40 bis 60% der Breite der wenigstens einen Nut erstreckt, und besonders bevorzugt über dem Mittelpunkt der wenigstens einen Nut angeordnet ist. Dabei bezeichnet der Bereich von 20 bis 80% der Breite der Nut den Abschnitt der Nut, der im Querschnitt des Kathodenblocks betrachtet, bei 20% der von einem seitlichen Ende der Nut aus in Breitenrichtung des Kathodenblocks gemessenen Erstreckung der Nut beginnt und bei 80% der von diesem seitlichen Ende der Nut aus in Breitenrichtung des Kathodenblocks gemessenen Erstreckung der Nut endet. In diesem Zusammenhang wird unter Mittelpunkt der Nut der Punkt verstanden, welcher, im Querschnitt des Kathodenblocks betrachtet, in der Mitte der Nut, also bei 50% der von einem seitlichen Ende der Nut aus in Breitenrichtung des Kathodenblocks gemessenen Erstreckung der Nut, angeordnet ist.
• Um möglichst über den gesamten vertikal über der Nutbreite des Kathodenblocks angeordneten Bereich des Kathodenblocks eine gleichmäßige Verteilung der elektrischen Stromdichte zu erreichen, wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, dass sich der wenigstens eine bogenförmig nach außen gekrümmte Bereich der Oberfläche des Kathodenblocks über zumindest 20%, bevorzugt über zumindest 40%, besonders bevorzugt über zumindest 60%, ganz besonders bevorzugt über zumindest 80% und höchst bevorzugt über 100% des Bereichs erstreckt, welcher, bezogen auf die im Querschnitt des Kathodenblocks senkrecht zu der die wenigstens eine Nut aufweisenden Seite verlaufenden Richtung, über der Breite der Nut angeordnet ist.
• Im Hinblick auf eine über die gesamte Kathodenblockoberfläche gleichmäßige Verteilung der elektrischen Stromdichte bei dem Einsatz des Kathodenblocks in einer Elektrolysezelle ist es besonders bevorzugt ist, dass sich der wenigstens eine bogenförmig nach außen gekrümmte Bereich der Oberfläche des Kathodenblocks über zumindest 20%, bevorzugt über zumindest 40%, besonders bevorzugt über zumindest 60% und höchst bevorzugt über zumindest 100% der, im Querschnitt des Kathodenblocks gesehen, der der die wenigstens eine Nut aufweisenden Seite gegenüberliegenden Seite des Kathodenblocks erstreckt.
• Falls der Kathodenblock genau eine Nut zur Aufnahme einer Stromschiene aufweist, weist die Kathodenblockoberfläche im Querschnitt des Kathodenblocks betrachtet bevorzugt genau einen gekrümmten Bereich auf, der die vorstehend in Bezug auf die Breite des Kathodenblocks beschriebenen Werte erfüllt. Falls der Kathodenblock zwei Nuten zur Aufnahme jeweils einer Stromschiene aufweist, weist die Kathodenblockoberfläche, im Querschnitt des Kathodenblocks betrachtet, bevorzugt einen die beiden Nuten überspannenden gekrümmten Bereich auf, der die vorstehend in Bezug auf die Breite des Kathodenblocks angegebenen Werte erfüllt, oder dieser weist zwei gekrümmte Bereiche auf, die zusammen genommen die vorstehend in Bezug auf die Breite des Kathodenblocks angegebenen Werte erfüllen.
• Eine flächendeckende Vergleichmäßigung der Verteilung der elektrischen Stromdichte ergibt sich im Rahmen der Erfindung insbesondere dann, wenn sich der wenigstens eine bogenförmig nach außen gekrümmte Bereich der Oberfläche des Kathodenblocks beispielsweise über zumindest 60%, bevorzugt über zumindest 80%, besonders bevorzugt über zumindest 90% und höchst bevorzugt über zumindest 100% der Länge des Kathodenblocks erstreckt.
• Eine besonders gut an die elektrischen Strömungsverhältnisse in dem Kathodenblock beim Einsatz desselben in einer Elektrolysezelle angepasste Kathodenoberfläche wird nach einer weiteren Ausführungsform des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht, dass der wenigstens eine bogenförmig nach außen gekrümmte Abschnitt der Oberfläche des Kathodenblocks, bezogen auf den Querschnitt des Kathodenblocks, ovalsegmentförmig, insbesondere kreisbogenförmig, cosinusförmig, in der Form einer Gauß'schen Normalverteilung, ellipsensegmentförmig, in der Form einer Bézier-Kurve, parabelabschnittförmig oder in der Form einer Cosinus-Kurve höherer Potenz gekrümmt ist.
• Den typischerweise symmetrischen elektrischen Strömungsverhältnissen in dem Kathodenblock bei dem Einsatz desselben in einer Elektrolysezelle entsprechend ist es bevorzugt, wenn der wenigstens eine bogenförmig nach außen gekrümmte Abschnitt der Oberfläche des Kathodenblocks, bezogen auf den Querschnitt des Kathodenblocks, symmetrisch zu der Mittelsenkrechtebene der wenigstens einen Nut ausgebildet ist. Dadurch wird außerdem eine einfache Herstellbarkeit des Kathodenblocks sowie eine universelle Einsetzbarkeit des Kathodenblocks in einer Elektrolysezelle erreicht.
• Um eine besonders homogene Verteilung der Stromdichte über der Kathodenblockoberfläche zu erreichen und dadurch eine Wellenbildung in einer oberhalb des Kathodenblocks angeordneten Schicht aus flüssigem Aluminium bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Kathodenblocks in einer Elektrolysezelle besonders wirkungsvoll zu verringern, wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, die Kathodenblockoberfläche so auszugestalten, dass der wenigstens eine bogenförmig nach außen gekrümmte Abschnitt die Form eines Ellipsensegments mit einer Breite des Intervalls des Polarwinkels zwischen 10° und 180°, bevorzugt zwischen 30° und 160°, besonders bevorzugt zwischen 50° und 140° und ganz besonders bevorzugt zwischen 70° und 120° aufweist, und/oder, dass der wenigstens eine bogenförmig nach außen gekrümmte Abschnitt die Form einer Cosinus-Kurve mit einer Breite des Intervalls des Winkels zwischen 10° und 180°, bevorzugt zwischen 30° und 160°, besonders bevorzugt zwischen 50° und 140° und ganz besonders bevorzugt zwischen 70° und 120° aufweist, und/oder, dass der wenigstens eine bogenförmig nach außen gekrümmte Abschnitt die Form eines Kreisbogensegments mit einer Breite des Intervalls des Mittelpunktswinkels zwischen 10° und 180°, bevorzugt zwischen 30° und 160°, besonders bevorzugt zwischen 50° und 140° und ganz besonders bevorzugt zwischen 70° und 120° aufweist, und/oder, dass der wenigstens eine bogenförmig nach außen gekrümmte Abschnitt die Form einer Gauß'schen Normalverteilung mit einem Quotienten aus der Halbwertsbreite der Gauß'schen Normalverteilung und der Breite der wenigstens einen Nut von 0.5 bis 1.5, bevorzugt von 0,6 bis 1,4, besonders bevorzugt von 0,7 bis 1,3, ganz besonders bevorzugt von 0,8 bis 1,2 und höchst bevorzugt von 0,9 bis 1,1 aufweist.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass der Quotient aus dem Abstand von dem Scheitelpunkt des wenigstens einen bogenförmig nach außen gekrümmten Abschnitts der Oberfläche des Kathodenblocks zu dem niedrigsten Punkt der Nut und dem Abstand von dem niedrigsten Punkt der der die wenigstens eine Nut aufweisenden Seite gegenüberliegenden Seite des Kathodenblocks zu dem niedrigsten Punkt der Nut zwischen mehr als 1:1 bis maximal 2:1, bevorzugt 1,0 bis 1,5, besonders bevorzugt 1,0 bis 1,3 und ganz besonders bevorzugt 1,0 bis 1,2 beträgt.
• Um die für die Elektrolyse nutzbare Kathodenblockoberfläche zu maximieren, ist es bevorzugt, wenn sich die wenigstens eine Nut über wenigstens 40%, bevorzugt über wenigstens 60%, besonders bevorzugt über wenigstens 80%, ganz besonders bevorzugt über wenigstens 90% und höchst bevorzugt über die gesamte Länge des Kathodenblocks erstreckt.
• Um die erreichbare Vergleichmäßigung der Verteilung der elektrischen Stromdichte an der Kathodenblockoberfläche noch weiter zu steigern, wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, dass die wenigstens eine insbesondere im Querschnitt rechteckig ausgestaltete Nut eine über ihre Länge variierende Tiefe aufweist, wobei die wenigstens eine Nut besonders bevorzugt an ihren längsseitigen Enden eine geringere Tiefe aufweist als in ihrer Mitte. Die Nut kann dabei insbesondere einen im Längsschnitt des Kathodenblocks etwa dreieckförmigen Verlauf aufweisen. Durch eine solche Ausgestaltung wird eine durch die üblicherweise im Bereich der längsseitigen Enden der Nut erfolgende Kontaktierung einer in der Nut angeordneten Stromschiene hervorgerufene Erhöhung der elektrischen Stromdichte an den längsseitigen Endbereichen der Kathodenoberfläche gegenüber den weiter innen gelegenen Oberflächenbereichen wirksam vermieden.
• Um gleichzeitig sowohl in der Querrichtung als auch in der Längsrichtung des Kathodenblocks eine gleichmäßige Verteilung der elektrischen Stromdichte an der Kathodenblockoberfläche bei dessen Einsatz in einer Elektrolysezelle zu erreichen, ist es bevorzugt, wenn die Oberfläche der der die wenigstens eine Nut aufweisenden Seite gegenüberliegenden Seite, im Längsschnitt des Kathodenblocks betrachtet, wannenförmig ausgestaltet ist. Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn der Kathodenblock mit der wannenförmigen Oberfläche gemäß dem nachfolgend beschriebenen zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ausgestaltet ist. Insofern gelten die nachfolgend in Bezug auf den zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung geschilderten vorteilhaften Ausführungsformen und Vorteile entsprechend auch für den ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
• Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die eingangs erläuterte Aufgabe durch die Bereitstellung eines Kathodenblocks für eine Aluminium-Elektrolysezelle gelöst, welcher eine im Längsschnitt des Kathodenblocks betrachtet wannenförmige Oberfläche aufweist, wobei die Wanne zwei Randbereiche und einen, in Längsrichtung des Kathodenblocks gesehen, zwischen den Randbereichen angeordneten und bezogen auf die Randbereiche abgesenkten Bodenbereich aufweist, wobei zwischen den beiden Randbereichen und dem Bodenbereich jeweils ein den entsprechenden Randbereich und den Bodenbereich verbindender Seitenwandbereich vorgesehen ist, wobei wenigstens einer der beiden Verbindungsbereiche zwischen den Randbereichen und den Seitenwandbereichen und/oder wenigstens einer der beiden Verbindungsbereiche zwischen dem Bodenbereich und den Seitenwandbereichen bogenförmig gekrümmt ausgestaltet ist, wobei der wenigstens eine bogenförmig gekrümmte Abschnitt eine Länge von mehr als 2 cm aufweist.
• Dabei ist es bevorzugt, wenn der Kathodenblock auf der Basis von Kohlenstoff und/oder Graphit aufgebaut ist, wobei der Kathodenblock insbesondere bevorzugt zu wenigstens 30 Gew.-%, weiter bevorzugt zu wenigstens 40 Gew.-%, besonders bevorzugt zu wenigstens 50 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt zu wenigstens 60 Gew.-% und höchst bevorzugt vollständig aus Kohlenstoff und/oder Graphit zusammengesetzt ist.
• Vorzugsweise ist die wannenförmige Oberfläche die Oberfläche des Kathodenblocks, welche der die wenigstens Nut zur Aufnahme einer Stromschiene aufweisenden Oberfläche des Kathodenblocks gegenüber liegend angeordnet ist. Mit anderen Worten befindet sich die wannenförmige Oberfläche des erfindungsgemäßen Kathodenblocks auf der – im Hinblick auf den Einsatz des Kathodenblocks in einer Elektrolysezelle – Oberseite des Kathodenblocks, also der Seite des Kathodenblocks, auf welcher die Schicht aus flüssigem Aluminium vorgesehen ist.
• Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass es durch eine bogenförmig gekrümmte Ausgestaltung wenigstens eines der Verbindungsbereiche eines wannenförmig ausgebildeten Kathodenblocks, also durch eine bogenförmig gekrümmte Ausgestaltung wenigstens eines der Verbindungsbereiche, welche zwischen den Randbereichen und den Seitenwandbereichen sowie zwischen dem Bodenbereich und den Seitenwandbereichen vorgesehen sind, erreicht wird, dass die elektrische Stromdichte und die magnetische Flussdichte bei der Verwendung des Kathodenblocks in einer Elektrolysezelle vergleichmäßigt werden. Dies deshalb, weil bei einer wannenförmigen Ausgestaltung des Kathodenblocks der Strom – im Gegensatz zu einem quaderförmigen Kathodenblock – nicht vornehmlich in den seitlichen Randbereichen des Kathodenblocks fließt, sondern der Stromfluss, weil bei der wie vorstehend beschrieben realisierten wannenförmigen Ausgestaltung der elektrische Widerstand der Randbereiche aufgrund der größeren Höhe der Randbereiche im Vergleich zu der Höhe des Bodenbereich in Bezug auf den elektrischen Widerstand des Bodenbereichs des Kathodenblocks erhöht wird, über die Oberfläche des Kathodenblocks homogen verteilt ist. Dies ist wiederum eine Konsequenz der Tatsache, dass der Strom in dem Kathodenblock den Pfad des geringsten elektrischen Widerstandes folgt. Zudem wird durch die bogenförmig gekrümmte Ausgestaltung wenigstens eines der Verbindungsbereiche erreicht, dass auch im Bereich des wenigstens einen Verbindungsbereichs, welcher bei einer aus dem Stand der Technik bekannten wannenförmigen Ausgestaltung winklig verläuft, keine inhomogen verteilten Stromdichten auftreten. Vielmehr wird die bogenförmig gekrümmte Ausgestaltung die bei dem Einsatz des Kathodenblocks in einer Elektrolysezelle an der Oberfläche des Kathodenblocks auftretende Verteilung der elektrischen Stromdichte im Vergleich zu einem Kathodenblock mit einer winkeligen Ausgestaltung gerade auch in den Verbindungsbereichen vergleichmäßigt, so dass eine Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium beim Betrieb der Elektrolysezelle und damit einhergehende Instabilitäten des Elektrolysebetriebs effektiv vermieden werden. Dies deshalb, weil aufgrund der bogenförmig gekrümmten Ausgestaltung wenigstens eines der Verbindungsbereiche im Unterschied zu einer winkligen Ausgestaltung der Verbindungsbereiche an diesen Bereichen Spitzen oder Täler der durch die Oberfläche des Kathodenblocks fließenden elektrischen Stromdichte vermieden werden, welche sich bei einer winkligen Ausgestaltung der Verbindungsbereiche als Konsequenz der Tatsache ergeben, dass der Strom den Pfad des geringsten elektrischen Widerstandes folgt. Insgesamt wird so bei dem Betrieb einer den erfindungsgemäßen Kathodenblock umfassenden Elektrolysezelle eine Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium wirksam vermieden und eine hohe Energieeffizienz bei gleichzeitiger hoher Stabilität und Zuverlässigkeit des Elektrolysebetriebs erzielt. Aufgrund der Verringerung der Wellenbildung in der oberhalb des Kathodenblocks angeordneten Schicht aus flüssigem Aluminium kann der Abstand zwischen der Anode und der Schicht aus flüssigem Aluminium reduziert werden, was zu einer zusätzlichen Energieeinsparung bei dem Betrieb einer den Kathodenblock umfassenden Elektrolysezelle führt.
• Wie bei dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist unter einem bogenförmig gekrümmten Abschnitt ein Abschnitt zu verstehen, bei dem die im Querschnitt des Kathodenblocks durch die Kathodenoberfläche definierte Schnittkurve eine in Bezug auf das Kathodenblockinnere konvex verlaufende Krümmung aufweist, wobei unter einem gekrümmten Abschnitt ein Abschnitt der Schnittkurve verstanden wird, in dem sich die Richtung kontinuierlich ändert, allerdings ohne, dass in dem gekrümmten Bereich eine winkelige Richtungsänderung vorhanden ist.
• Dabei bezeichnet die Länge des bogenförmig gekrümmten Abschnitts im Sinne der vorliegenden Erfindung die in der Längsrichtung des Kathodenblocks gemessene Erstreckung des bogenförmig gekrümmten Abschnitts von dessen Anfang bis zu dessen Ende, d. h. von dem Punkt des Übergangs des bevorzugt geradlinig ausgebildeten Randbereichs in den bogenförmig gekrümmten Verbindungsbereich bis zu dem Punkt von dessen Übergang in einen bevorzugt geradlinigen Abschnitt des Seitenwandbereichs bzw. von dem Punkt des Übergangs eines bevorzugt geradlinigen Abschnitts des Seitenwandbereichs in den bogenförmig gekrümmten Verbindungsbereich bis zu dem Punkt von dessen Übergang in den bevorzugt geradlinig ausgebildeten Bodenbereich.
• Gute Ergebnisse im Hinblick auf die Vergleichmäßigung der Stromdichte werden insbesondere erhalten, wenn der wenigstens eine bogenförmig gekrümmte Abschnitt eine Länge von mehr als 2 cm bis 100 cm, bevorzugt von 3 bis 50 cm, insbesondere bevorzugt von 4 bis 30 cm, besonders bevorzugt von 5 bis 20 cm, ganz besonders bevorzugt von 7 bis 15 cm und höchst bevorzugt von 10 cm aufweist, da durch eine solche Dimensionierung des gekrümmten Abschnitts Spitzen oder Täler der elektrischen Stromdichte oberhalb des gekrümmten Abschnitts besonders zuverlässig vermieden werden.
• Wenn der bogenförmig gekrümmte Abschnitt in wenigstens einem der Verbindungsbereiche zwischen dem Bodenbereich und den Seitenwandbereichen der wannenförmigen Oberfläche des Kathodenblocks vorgesehen ist, ist der bogenförmig gekrümmte Abschnitt vorzugsweise, bezogen auf den im Längsschnitt betrachteten Kathodenblock, nach innen bogenförmig gekrümmt ausgestaltet, wohingegen dieser, wenn der Abschnitt in wenigstens einem der Verbindungsbereiche zwischen den Randbereichen und den Seitenwandbereichen der wannenförmigen Oberfläche des Kathodenblocks vorgesehen ist, bevorzugt nach außen bogenförmig gekrümmt ausgestaltet ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist mithin wenigstens einer der beiden Verbindungsbereiche zwischen dem Bodenbereich und den Seitenwandbereichen und sind bevorzugt beide Verbindungsbereiche zwischen dem Bodenbereich und den Seitenwandbereichen, bezogen auf den im Längsschnitt betrachteten Kathodenblock, nach innen bogenförmig gekrümmt ausgestaltet. Alternativ dazu oder zusätzlich dazu ist wenigstens einer der beiden Verbindungsbereiche zwischen den Randbereichen und den Seitenwandbereichen und bevorzugt beide Verbindungsbereiche zwischen den Randbereichen und den Seitenwandbereichen, bezogen auf den im Längsschnitt betrachteten Kathodenblock, nach außen bogenförmig gekrümmt ausgestaltet ist/sind.
• Eine im Hinblick auf eine sehr homogene Verteilung der elektrischen Stromdichte besonders vorteilhafte Ausführungsform des Kathodenblocks gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die beiden Verbindungsbereiche zwischen dem Bodenbereich und den Seitenwandbereichen, bezogen auf den im Längsschnitt betrachteten Kathodenblock, nach innen bogenförmig gekrümmt ausgestaltet sind sowie die beiden Verbindungsbereiche zwischen den Randbereichen und den Seitenwandbereichen, bezogen auf den im Längsschnitt betrachteten Kathodenblock, nach außen bogenförmig gekrümmt ausgestaltet sind.
• In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass wenigstens ein bogenförmig gekrümmter Abschnitt einen minimalen Krümmungsradius von wenigstens 2 cm, bevorzugt von wenigstens 10 cm und besonders bevorzugt von wenigstens 20 cm aufweist. Dadurch wird ein besonders sanfter Verlauf der Kathodenblockoberfläche innerhalb des gekrümmten Abschnitts erreicht, wodurch bei dem Einsatz des Kathodenblocks in einer Elektrolysezelle eine besonders gleichmäßige Verteilung der elektrischen Stromdichte erreicht wird.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass wenigstens ein bogenförmig gekrümmter Abschnitt, bezogen auf den Längsschnitt des Kathodenblocks, ovalsegmentförmig, insbesondere kreisbogenförmig, cosinusförmig, in der Form einer Gauß'schen Normalverteilung, ellipsensegmentförmig oder in der Form einer Bézier-Kurve ausgestaltet ist.
• Im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen, mit dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung zu erreichenden Effekte, hat es sich zudem als besonders vorteilhaft erwiesen, das Verhältnis zwischen der, bezogen auf die in der Längsrichtung verlaufende Querschnittsebene, größten Höhe in den Randbereichen und der geringsten Höhe in dem Bodenbereich des Kathodenblocks zwischen 1,1 und 4, bevorzugt zwischen 1,1 und 2,5 und besonders bevorzugt zwischen 1,1 und 2,1 einzustellen. Dabei bezeichnet die in der Längsrichtung verlaufende Querschnittsebene die senkrecht zu der Breitenrichtung des Kathodenblocks und parallel zu der Längsrichtung des Kathodenblocks verlaufende Vertikalebene.
• Besonders gute Ergebnisse hinsichtlich der Verteilung der elektrischen Stromdichte an der Oberfläche des Kathodenblocks werden ferner erzielt, wenn der Winkel zwischen dem einen Ende und dem anderen Ende des wenigstens einen bogenförmig gekrümmten Abschnitts des wenigstens einen Verbindungsbereichs des erfindungsgemäßen Kathodenblocks 95 bis 175°, bevorzugt 110 bis 160° und besonders bevorzugt 125 bis 150° beträgt. Der Winkel zwischen den beiden Enden des gekrümmten Abschnitts bezeichnet dabei den größeren der beiden Winkel, den zwei fiktive, an den beiden Enden des Abschnitts ansetzende und, im Längsschnitt des Kathodenblocks betrachtet, jeweils tangential zu dem gekrümmten Abschnitt verlaufende Geraden einschließen.
• Um insbesondere auch innerhalb der Randbereiche des Kathodenblocks eine gleichmäßige Verteilung der elektrischen Stromdichte zu erreichen, wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, dass wenigstens einer der beiden Randbereiche und bevorzugt beide Randbereiche, im Längsschnitt des Kathodenblocks betrachtet, in der Längsrichtung des Kathodenblocks zur Mitte des Kathodenblocks hin abfallend geneigt verläuft/verlaufen, wobei der Neigungswinkel des Randbereichs bzw. der Randbereiche bezogen auf diese Ebene bevorzugt zwischen 1° und 30°, besonders bevorzugt zwischen 2° und 15° und ganz besonders bevorzugt zwischen 3° und 10° beträgt.
• Bei dieser Ausführungsform ist es bevorzugt, dass wenigstens einer der beiden Randbereiche und bevorzugt beide der Randbereiche über wenigstens 30%, bevorzugt über wenigstens 50%, besonders bevorzugt über wenigstens 75% und ganz besonders bevorzugt über 100% der in Längsrichtung des Kathodenblocks gemessenen Länge des Randbereichs bzw. der Randbereiche, im Längsschnitt des Kathodenblocks betrachtet in der Längsrichtung des Kathodenblocks, zur Mitte des Kathodenblocks hin abfallend geneigt verläuft/verlaufen.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des zweiten Aspekts der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Bodenbereich zumindest bereichsweise geradlinig verläuft, wobei die Oberfläche des Bodenbereichs, bezogen auf die Längsrichtung einen Winkel zwischen –20° und 20°, bevorzugt zwischen –10° und 10° und besonders bevorzugt von 0° aufweist.
• Eine sich bei dem Einsatz des erfindungsgemäßen Kathodenblocks in einer Elektrolysezelle ergebende, homogene Verteilung der elektrischen Stromdichte über die Oberfläche des Kathodenblocks wird insbesondere erzielt, wenn sich jeder der beiden Randbereiche über 5 bis 40%, bevorzugt 10 bis 35% und besonders bevorzugt 15 bis 30% der Länge des Kathodenblocks erstreckt und/oder sich der Bodenbereich über 10 bis 90%, bevorzugt 20 bis 70% und besonders bevorzugt 30 bis 60% der Länge des Kathodenblocks erstreckt.
• Um die Flexibilität hinsichtlich der Ausgestaltung der Kathodenoberfläche zu steigern, wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, dass der Kathodenblock eine, in der Längsrichtung des Kathodenblocks gesehen, variierende Materialzusammensetzung aufweist, wobei das Material in den beiden Randbereichen bevorzugt einen höheren spezifischen elektrischen Widerstand aufweist als das Material in dem Bodenbereich des Kathodenblocks. So wird bereits durch das eingesetzte Material des Kathodenblocks eine Begünstigung des Stromflusses in der Mitte des Kathodenblocks in Bezug auf die Randbereiche, so dass der Höhenunterschied zwischen den Randbereichen und dem Bodenbereich der Kathodenblockoberfläche vergleichsweise gering sein kann, um die angestrebte Vergleichmäßigung der Stromdichte über die Kathodenblockoberfläche zu erreichen.
• Gute Ergebnisse werden bei dieser Ausführungsform insbesondere erhalten, wenn der Kathodenblock in den beiden Randbereichen 5 bis 50 Gew.-% und bevorzugt zwischen 10 bis 30 Gew.-% Acetylenkoks enthält. Der Acetylenkoks ändert seine elektrischen Eigenschaften bei dem während der Herstellung des Kathodenblocks durchgeführten Graphitierungsschritt nicht oder nur wenig, so dass die Randbereiche des Kathodenblocks Graphit mit einem geringeren Graphitierungsgrad und damit mit einem größeren spezifischen elektrischen Widerstand enthalten als in dem Fall der Graphitierung ohne Zusatz des Acetylenkokses.
• Ferner ist es bevorzugt, dass der Kathodenblock in dem Bodenbereichen 5 bis 50 Gew.-% und bevorzugt zwischen 10 bis 40 Gew.-% Titandiborid, Siliciumoxid und/oder Chromoxid enthält. Das Titandiborid, Siliciumoxid bzw. Chromoxid fördert bei dem während der Herstellung des Kathodenblocks durchgeführten Graphitierungsschritt die Ausbildung der Graphitstruktur, so dass der Bodenbereich des Kathodenblocks Graphit mit einem höheren Graphitierungsgrad und damit mit einem niedrigeren spezifischen elektrischen Widerstand enthält als in dem Fall der Graphitierung ohne Zusatz des Titandiborids, Siliciumoxids bzw. Chromoxids.
• Der zweite Aspekt der vorliegenden Erfindung kann mit dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung kombiniert werden, d. h. gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Kathodenblock die in Bezug auf den ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung beschriebenen Merkmale sowie die in Bezug auf den zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung beschriebenen Merkmale auf.
• Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Kathodenanordnung, insbesondere für eine Aluminium-Elektrolysezelle, welche wenigstens zwei wie vorstehend beschrieben ausgestaltete Kathodenblöcke umfasst.
• Zudem betrifft die vorliegenden Erfindung eine Elektrolysezelle, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, welche eine zuvor beschriebene Kathodenanordnung, eine auf der Oberseite der Kathodenanordnung angeordnete Schicht aus flüssigem Aluminium, darauf eine Schmelzeschicht und oberhalb der Schmelzeschicht eine Anode umfasst.
• Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
• 1 eine perspektivische geschnittene Ansicht eines Kathodenblocks gemäß dem Stand der Technik,
• 2 eine perspektivische geschnittene Ansicht eines Kathodenblocks gemäß einer Ausführungsform des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung,
• 3 eine Vorderansicht des in der 2 gezeigten Kathodenblockausschnitts,
• 4 eine Querschnittsansicht eines Kathodenblocks gemäß einer weiteren Ausführungsform des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung,
• 5 eine Darstellung möglicher Ausgestaltungen des bogenförmig nach außen gekrümmten Abschnitts eines Kathodenblocks gemäß verschiedenen Ausführungsformen des ersten Aspekts der Erfindung,
• 6 eine Längsschnittansicht eines Kathodenblocks gemäß dem Stand der Technik,
• 7 eine Längsschnittansicht eines Kathodenblocks gemäß einer Ausführungsform des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung,
• 8 eine Längsschnittansicht eines Kathodenblocks gemäß einer weiteren Ausführungsform des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung,
• 9a–e schematische Darstellungen der sich an der Oberfläche verschiedener Kathodenblöcke bei dem Einsatz des jeweiligen Kathodenblocks in einer Elektrolysezelle einstellenden Verteilung der elektrischen Stromdichte,
• 10 eine perspektivische Ansicht des in der 6 gezeigten Kathodenblocks gemäß dem Stand der Technik,
• 11 eine perspektivische Ansicht eines Kathodenblocks gemäß einer Ausführungsform des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung,
• 12 eine perspektivische Ansicht eines Kathodenblocks gemäß einer weiteren Ausführungsform des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung und
• 13 eine perspektivische Ansicht eines Kathodenblocks gemäß einer weiteren Ausführungsform des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung.
• 1 zeigt eine perspektivische geschnittene Ansicht eines Kathodenblocks gemäß dem Stand der Technik. Der Kathodenblock weist eine an einer Seite 10a des Kathodenblocks angeordnete und in Längsrichtung y des Kathodenblocks verlaufende Nut 12a zur Aufnahme einer Stromschiene auf. Der Kathodenblock weist außerdem eine der die Nut 12a aufweisenden Seite 10a gegenüberliegenden Seite 14a mit einer Oberfläche 16a auf, die bei dem Einsatz des Kathodenblocks in einer Elektrolysezelle der über dem Kathodenblock angeordneten Schicht aus flüssigem Aluminium zugewandt ist. Bei der in der 1 dargestellten Ausgestaltung des Kathodenblocks ist die Oberfläche 16a eben ausgebildet. Bei dem Betrieb eines solchen Kathodenblocks in einer Elektrolysezelle ergibt sich an der Oberfläche 16a eine – insbesondere in Breitenrichtung x des Kathodenblocks gesehen – ungleichmäßige Verteilung der elektrischen Stromdichte, wodurch eine Wellenbildung in der darüber angeordneten Schicht aus flüssigem Aluminium begünstigt wird. In der 1 sind wie in den anderen den Stand der Technik betreffenden Figuren die Bezugszeichen mit dem Index _a versehen, um diese Bezugszeichen von den entsprechenden Bezugszeichen der die vorliegende Erfindung darstellenden Figuren zu unterscheiden.
• 2 zeigt eine perspektivische geschnittene Ansicht eines Kathodenblocks gemäß einer Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung. Die in der Breitenrichtung x gemessene Breite B₁ des in der 2 gezeigten Kathodenblocks beträgt etwa 42 cm und die Breite B₂ der Nut 12 etwa 20 cm. Die in der Längsrichtung y gemessene Länge L des Kathodenblocks kann beispielsweise 2,5 bis 4,0 m betragen. Der in der 2 gezeigte Kathodenblock unterscheidet sich von dem in der 1 gezeigten dadurch, dass ein Abschnitt der Oberfläche 16 der der die wenigstens eine Nut 12 aufweisenden Seite 10 gegenüberliegenden Seite 14 des Kathodenblocks, im Querschnitt des Kathodenblocks gesehen, bogenförmig nach außen gekrümmt ist. Die sich im Querschnitt des Kathodenblocks ergebende Schnittkurve der Oberfläche 16 ist in der 1 mit dem Bezugszeichen 18 gekennzeichnet. Diese Schnittkurve 18 ist über ihre gesamte in Breitenrichtung x gemessene Breite B₁ bogenförmig ausgestaltet und stellt somit einen bogenförmig gekrümmten Abschnitt 20 der im Querschnitt betrachteten Oberfläche 16 dar. Wie zudem in der 1 dargestellt, ist der Scheitelpunkt 22 des bogenförmig nach außen gekrümmten Abschnitts 20 bezogen auf die in dem Querschnitt des Kathodenblocks senkrecht zu der die wenigstens eine Nut 12 aufweisenden Seite 10 verlaufenden Richtung z vertikal über der Nut 12 angeordnet. Der in der Richtung z über der Nut 12 angeordnete Bereich der Oberfläche 16 ist in der 2 mit dem Bezugszeichen 24 gekennzeichnet. Durch die bogenförmige Ausgestaltung der Oberfläche 16 wird die Verteilung der elektrischen Stromdichte bei dem Einsatz des Kathodenblocks in einer Elektrolysezelle im Vergleich zu dem in der 1 gezeigten Kathodenblock vergleichmäßigt und dadurch eine Wellenbildung in der oberhalb des Kathodenblocks angeordneten Schicht aus flüssigem Aluminium reduziert.
• In der 3 ist der in der 2 dargestellte Kathodenblockausschnitt im Querschnitt dargestellt. Wie aus der 3 ersichtlich beträgt der Quotient aus dem Abstand h₁ von dem Scheitelpunkt 22 des gekrümmten Abschnitts 20 zu dem niedrigsten Punkt der Nut 12 und dem Abstand h₂ von dem niedrigsten Punkt der der die Nut 12 aufweisenden Seite 10 gegenüberliegenden Seite 14 zu dem niedrigsten Punkt der Nut 12 bei dieser Ausführungsform etwa 1,4:1.
• In der 4 ist ein Kathodenblock gemäß einer weiteren Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung im Querschnitt dargestellt. Der in der 4 gezeigte Kathodenblock weist zwei Nuten 12, 12' zur Aufnahme jeweils einer Stromschiene auf und die Oberfläche 16 des Kathodenblocks weist im Querschnitt betrachtet zwei bogenförmig nach außen gekrümmte Abschnitte 20, 20' auf, wobei der Scheitelpunkt 22, 22' jedes bogenförmig nach außen gekrümmten Abschnitts 20, 20' in der senkrecht zu der die Nuten 12, 12' aufweisenden Seite 10 orientierten Richtung z oberhalb der entsprechenden Nut 12, 12' angeordnet ist. Auf diese Weise kann auch bei einem Kathodenblock mit zwei Nuten 12, 12' bei dem Einsatz des Kathodenblocks in einer Elektrolysezelle eine über die gesamte Breite B des Kathodenblocks gleichmäßige Verteilung der elektrischen Stromdichte an der Oberfläche 16 des Kathodenblocks erreicht werden.
• 5 zeigt eine Darstellung möglicher Ausgestaltungen des bogenförmig nach außen gekrümmten Abschnitts eines Kathodenblocks gemäß verschiedener Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung. Genauer zeigt die 5 mögliche Schnittkurven 18a–e, die ein bogenförmig gekrümmter Abschnitt der Kathodenblockoberfläche im Querschnitt des Kathodenblocks betrachtet bilden kann. Die x-Werte reichen dabei von (–0,5)-mal der Kathodenblockbreite bis 0,5-mal der Kathodenblockbreite und die y-Werte geben die Höhe der Kathodenoberfläche relativ zu einer fiktiven mittleren Horizontalen an. Dabei weist die Schnittkurve 18a die Form eines Halbkreises auf, die Schnittkurve 18b die Form eines Parabelabschnitts, die Schnittkurve 18c die Form einer Halbellipse, die Schnittkurve 18d die Form einer Cosinus-Kurve und die Schnittkurve 18e die Form einer Cosinus-Kurve in der vierten Potenz, d. h. der Funktion cos⁴(x).
• In der 6 ist ein Ausschnitt eines im Längsschnitt dargestellten Kathodenblocks nach dem Stand der Technik dargestellt. Der Kathodenblock gemäß der 6 weist eine im Längsschnitt des Kathodenblocks betrachtet wannenförmige Oberfläche 16a auf, die bei dem Einsatz des Kathodenblocks in einer Elektrolysezelle der oberhalb des Kathodenblocks angeordneten und von dem Kathodenblock getragenen Schicht aus flüssigem Aluminium zugewandt ist. Dabei umfasst die Wanne zwei Randbereiche 26a, von denen in der geschnittenen Darstellung der 6 nur einer gezeigt ist, und einen, in der Längsrichtung y des Kathodenblocks gesehen zwischen den Randbereichen 26a angeordneten und bezogen auf die Randbereiche 26a abgesenkten Bodenbereich 28a, wobei zwischen den beiden Randbereichen 26a und dem Bodenbereich 28a jeweils ein den entsprechenden Randbereich 26a und den Bodenbereich 28a verbindender Seitenwandbereich 30a vorgesehen ist. Wie in der 6 gezeigt, gehen die Randbereiche 26a und der Bodenbereich 28a dabei jeweils über winkelige Übergänge in die Seitenwandbereiche 30a über. Dabei treten bei dem Einsatz des Kathodenblocks in einer Elektrolysezelle Täler in der Verteilung der elektrischen Stromdichte im Bereich der winkeligen Übergänge zwischen den Randbereichen 26a' und dem entsprechenden Seitenwandbereich 30a der Oberfläche 16a auf sowie Spitzen in der Verteilung der elektrischen Stromdichte im Bereich der winkeligen Übergänge zwischen dem Bodenbereich 28a und den entsprechenden Seitenwandbereichen 30a. Diese Spitzen und Täler führen zu einer inhomogenen Verteilung der elektrischen Stromdichte über die Kathodenoberfläche und dadurch zu einer unerwünschten Wellenbildung in der auf der Kathodenoberfläche vorgesehenen Schicht aus flüssigem Aluminium.
• In der 7 ist ein Ausschnitt eines im Längsschnitt dargestellten Kathodenblocks gemäß einer Ausführungsform des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der in der 7 gezeigte Kathodenblock unterscheidet sich von dem in der 6 gezeigten Kathodenblock dadurch, dass, im Längsschnitt des Kathodenblocks betrachtet, der Verbindungsbereich 32 zwischen dem Randbereich 26 und dem Seitenwandbereich 30 bogenförmig nach außen gekrümmt ausgestaltet ist, wobei der bogenförmig gekrümmte Abschnitt 34 eine in Längsrichtung y des Kathodenblocks gemessene Länge L₁ von mehr als 2 cm aufweist. Durch diesen gekrümmten Übergang zwischen dem Randbereich 26 und dem Seitenwandbereich 30 wird ein Tal der elektrischen Stromdichte in diesem Bereich der Kathodenblockoberfläche 16 bei dem Einsatz des Kathodenblocks in einer Elektrolysezelle vermieden und somit die Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium reduziert. In dem in der 7 gezeigten Kathodenblock beträgt der Quotient aus der größten Höhe h₃ in dem Randbereich 26 und der geringste Höhe h₄ in dem Bodenbereich 28 des Kathodenblocks etwa 2:1. Ferner beträgt der Winkel α zwischen dem einen Ende und dem anderen Ende des bogenförmig gekrümmten Abschnitts 34 etwa 120°.
• 8 zeigt einen Ausschnitt eines im Längsschnitt dargestellten Kathodenblocks gemäß einer weiteren Ausführungsform des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung, Der in der 8 gezeigte Kathodenblock unterscheidet sich von dem in der 7 gezeigten dadurch, dass im Längsschnitt des Kathodenblocks betrachtet, anstelle des Verbindungsbereich 32 zwischen dem Randbereich 26 und dem Seitenwandbereich 30 der Verbindungsbereich 36 zwischen dem Seitenwandbereich 30 und dem Bodenbereich 28 als bogenförmig nach innen gekrümmter Abschnitt 34 ausgestaltet ist, wobei der bogenförmig gekrümmte Abschnitt 34 eine in Längsrichtung y des Kathodenblocks gemessene Länge L₁ von mehr als 2 cm aufweist. Durch diesen gekrümmten Übergang zwischen dem Seitenwandbereich 30 und dem Bodenbereich 28 wird eine Spitze der elektrischen Stromdichte in diesem Bereich der Kathodenblockoberfläche 16 bei dem Einsatz des Kathodenblocks in einer Elektrolysezelle vermieden und somit die Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium weiter reduziert.
• Die in den 7 und 8 gezeigten Ausführungsformen können auch dahingehend kombiniert werden, dass sowohl die beiden Übergang zwischen den Randbereichen 26 und den Seitenwandbereichen 30 als auch die Übergange zwischen den Seitenwandbereichen 30 und dem Bodenbereich 28 bogenförmig gekrümmt ausgestaltet sind. Dadurch lässt sich eine im Hinblick auf die Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium besonders homogene Verteilung der elektrischen Stromdichte an der Oberfläche 16 des Kathodenblocks erreichen.
• 9a–e zeigen eine schematische Darstellung der sich an der Oberfläche verschiedener Kathodenblöcke bei dem Einsatz des jeweiligen Kathodenblocks in einer Elektrolysezelle einstellenden Verteilung der elektrischen Stromdichte, Genauer zeigen die 9a–e jeweils die in die Horizontalebene projizierte Verteilung der an der Oberfläche des jeweiligen Kathodenblocks bei dem Betrieb der Elektrolysezelle auftretende elektrische Stromdichte. Die in den 9a–e gezeigte Legende 38 gibt an, welche Schraffur in den 9a–e jeweils welcher elektrischen Stromdichte entspricht.
• In der 9a ist die Verteilung der Stromdichte bei der Verwendung eines wie in den 6 und 10 gezeigten wannenförmigen Kathodenblocks gemäß dem Stand der Technik gezeigt.
• In der 9b ist die Verteilung der elektrischen Stromdichte bei der Verwendung eines wie in der 2 gezeigten Kathodenblocks gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung mit einer nach außen gekrümmten Oberfläche 16 (siehe 2) und ansonsten gleicher Ausgestaltung wie der Kathodenblock von 10 dargestellt. Wie in der 9b durch die gestrichelten Kästen 40 hervorgehoben, ergibt sich durch die Krümmung der Kathodenblockoberfläche vor allem in dem in der Längsrichtung y des Kathodenblocks betrachtet mittleren Bereich eine wesentlich homogenere Verteilung der elektrischen Stromdichte über die Breite (x-Richtung) des Kathodenblocks als bei dem in der 9a dargestellten Kathodenblock.
• In der 9c ist die Verteilung der elektrischen Stromdichte bei der Verwendung eines wie in der 11 gezeigten Kathodenblocks gezeigt, der gleichzeitig gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist als auch gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist. Genauer weist die Oberfläche 16 des Kathodenblocks gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung eine im Längsschnitt betrachtet wannenförmige Oberfläche 16 (siehe 11) auf, wobei die Wanne zwei Randbereiche 26, 26' und einen in der Längsrichtung y des Kathodenblocks gesehen zwischen den Randbereichen 26, 26' angeordneten und bezogen auf die Randbereiche 26, 26' abgesenkten Bodenbereich 28 auf, wobei zwischen den Randbereichen 26, 26' und dem Bodenbereich 28 jeweils ein den entsprechenden Randbereich 26, 26' und den Bodenbereich 28 verbindender Seitenwandbereich 30, 30' vorgesehen ist. Bei der in der 11 gezeigten Ausführungsform sind, im Längsschnitt des Kathodenblocks betrachtet, sowohl beide Verbindungsbereiche 32, 32 zwischen den Randbereichen 26, 26' und den Seitenwandbereichen 30, 30' als auch die beiden Verbindungsbereiche 36, 36' zwischen dem Bodenbereich 28 und den Seitenwandbereichen 30, 30' bogenförmig gekrümmt ausgestaltet, wobei die beiden bogenförmig gekrümmten Abschnitte 34, 34' eine Länge von mehr als 2 cm aufweisen. Die Verbindungsbereiche 32, 32' zwischen den Randbereichen 26, 26' und den Seitenwandbereichen 30, 30' sind dabei bogenförmig nach außen gekrümmt und die Verbindungsbereiche 36, 36' zwischen dem Bodenbereich 28 und den Seitenwandbereichen 30, 30' sind bogenförmig nach innen gekrümmt ausgestaltet. Zusätzlich weist die in der 11 gezeigte Ausführungsform eine, im Querschnitt des Kathodenblocks betrachtet, nach außen gerichtete Krümmung der Oberfläche 16 auf, die aber in 11 der Einfachheit halber nicht dargestellt ist. Wie aus der 9c ersichtlich, führt die in der 11 gezeigte Ausgestaltung der Kathodenblockoberfläche 16 zu einer weiteren Homogenisierung der Verteilung der elektrischen Stromdichte, insbesondere im Bereich der in 9c eingezeichneten Kästen 40.
• 9d zeigt die Verteilung der elektrischen Stromdichte bei der Verwendung eines wie in der 12 gezeigten Kathodenblocks. Der in der 12 gezeigte Kathodenblock entspricht im Wesentlichen der in der 11 gezeigten Ausführungsform, wobei in der 12 die eben ausgestalteten Randbereiche 26, 26' im Längsschnitt der Kathode betrachtet gegenüber der Horizontalen um einen Winkel β zur Mitte des Kathodenblocks hin geneigt verlaufen. Wie aus der 9d ersichtlich, wird dadurch die Verteilung der elektrischen Stromdichte im Bereich der Kästen 40, d. h. an den längsseitigen Ende des Kathodenblocks zusätzlich deutlich homogenisiert.
• 9e zeigt die Verteilung der elektrischen Stromdichte bei Verwendung eines wie in der 13 gezeigten Kathodenblocks. Der in der 13 gezeigte Kathodenblock entspricht im Wesentlichen der in der 12 gezeigten Ausführungsform, wobei der in der 13 gezeigte Kathodenblock eine örtlich variierende Materialzusammensetzung aufweist, wobei konkret den unterhalb der Randbereiche 26, 26' angeordneten Kathodenblockabschnitten 42, 42', d. h. den einfach schraffiert dargestellten Bereichen 42, 42' des Kathodenblocks, Acetylenkoks zugesetzt sind und dem unterhalb des Bodenbereichs 28 angeordneten, in der 13 doppelt schraffiert gekennzeichneten Bereich 44 des Kathodenblocks Titandiborid zugesetzt ist. Wie in der 9e gezeigt, wird durch diese Maßnahme die Verteilung der elektrischen Stromdichte in dem durch den Kasten 40 gekennzeichneten mittleren Bereich der Kathodenoberfläche gegenüber der in 9d gezeigten Verteilung noch einmal zusätzlich homogenisiert.
• Bezugszeichenliste

10, 10a

(Unter)seite des Kathodenblocks

12, 12', 12a

Nut

14, 14a

(Ober)seite des Kathodenblocks

16, 16a

Oberfläche des Kathodenblocks

18

Schnittkurve

20, 20'

bogenförmig gekrümmter Abschnitt

22, 22'

Scheitelpunkt des bogenförmig gekrümmten Abschnitts

24, 24'

über der Nut angeordneter Bereich

26, 26', 26a

Randbereich

28, 28a

Bodenbereich

30, 30', 30a

Seitenwandbereich

32, 32'

Verbindungsbereich

34, 34'

bogenförmig gekrümmter Abschnitt

36, 36'

Verbindungsbereich

38

Legende

40

Kasten

42, 42'

Bereiche mit zugesetztem Acetylenkoks

44

Bereiche mit zugesetztem Titandiborid

B, B₁

Breite

h₁–h₄

Abstand, Höhe

L, L₁

Länge

x, y, z

Breiten-, Längs- und Höhenrichtung

α, β

Winkel

Claims (35)

1. Kathodenblock für eine Aluminium-Elektrolysezelle mit zumindest einer an einer der Seiten (10, 14) des Kathodenblocks angeordneten und in Längsrichtung (y) des Kathodenblocks verlaufenden Nut (12, 12') zur Aufnahme einer Stromschiene, wobei wenigstens ein Abschnitt (20, 20') der Oberfläche (16) der der die wenigstens eine Nut (12, 12') aufweisenden Seite (10) gegenüberliegenden Seite (14) des Kathodenblocks, im Querschnitt des Kathodenblocks gesehen, bogenförmig nach außen gekrümmt ist, wobei der Scheitelpunkt (22, 22') des wenigstens einen bogenförmig nach außen gekrümmten Abschnitts (20, 20'), bezogen auf die im Querschnitt des Kathodenblocks senkrecht zu der die wenigstens eine Nut (12, 12') aufweisenden Seite (10) verlaufenden Richtung (z), über der wenigstens einen Nut (12, 12') angeordnet ist.
2. Kathodenblock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieser zu wenigstens 30 Gew.-%, bevorzugt zu wenigstens 40 Gew.-%, besonders bevorzugt zu wenigstens 50 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt zu wenigstens 60 Gew.-% und höchst bevorzugt vollständig aus Kohlenstoff und/oder Graphit zusammengesetzt ist.
3. Kathodenblock nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Nut (12) zur Aufnahme einer Stromschiene mit einem rechteckigen Querschnitt aufweist, wobei zumindest der, bezogen auf die im Querschnitt des Kathodenblocks senkrecht zu der die Nut (12) aufweisenden Seite (10) verlaufenden Richtung (z), über der Nut (12) liegende Abschnitt (24) der der die Nut (12) aufweisenden Seite (10) gegenüberliegenden Seite (14) des Kathodenblocks bogenförmig nach außen gekrümmt ist.
4. Kathodenblock nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser zwei Nuten (12, 12') zur Aufnahme jeweils einer Stromschiene mit jeweils einem rechteckigen Querschnitt aufweist, wobei zumindest der, bezogen auf die im Querschnitt des Kathodenblocks senkrecht zu der die Nuten (12, 12') aufweisenden Seite (10) verlaufenden Richtung (z), über den Nuten (12, 12') liegende Abschnitt (20, 20') der der die beiden Nuten (12, 12') aufweisenden Seite (10) gegenüberliegenden Seite (14) des Kathodenblocks einmal bogenförmig nach außen gekrümmt ist, oder, wobei jeder der beiden, bezogen auf die im Querschnitt des Kathodenblocks senkrecht zu der die beiden Nuten (12, 12') aufweisenden Seite (10) verlaufenden Richtung (z), über den Nuten (12, 12') liegenden Abschnitte (24, 24') der der die beiden Nuten (12, 12') aufweisenden Seite (10) gegenüberliegenden Seite (14) des Kathodenblocks bogenförmig nach außen gekrümmt ist, wobei jeder der Scheitelpunkte (22, 22') der beiden bogenförmig nach außen gekrümmten Abschnitte (20, 20'), bezogen auf die im Querschnitt des Kathodenblocks senkrecht zu der die beiden Nuten (12, 12') aufweisenden Seite (10) verlaufenden Richtung (z), über jeweils einer der beiden Nuten (12, 12') angeordnet ist.
5. Kathodenblock nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Scheitelpunkt (22, 22') des wenigstens einen bogenförmig nach außen gekrümmten Abschnitts (20, 20') der Oberfläche (16) des Kathodenblocks, bezogen auf die im Querschnitt des Kathodenblocks senkrecht zu der die wenigstens eine Nut (12, 12') aufweisenden Seite (10) verlaufenden Richtung (z), über einem Bereich der wenigstens einen Nut (12, 12') angeordnet ist, welcher sich von 20 bis 80% der Breite (B₁) der wenigstens einen Nut (12, 12') und bevorzugt von 40 bis 60% der Breite (B₁) der wenigstens einen Nut (12, 12') erstreckt, und besonders bevorzugt über dem Mittelpunkt der wenigstens einen Nut (12, 12') angeordnet ist.
6. Kathodenblock nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der wenigstens eine bogenförmig nach außen gekrümmte Bereich (20, 20') der Oberfläche (16) des Kathodenblocks über zumindest 20%, bevorzugt über zumindest 40%, besonders bevorzugt über zumindest 60%, ganz besonders bevorzugt über zumindest 80% und höchst bevorzugt über 100% des Bereichs (24, 24') erstreckt, welcher, bezogen auf die im Querschnitt des Kathodenblocks senkrecht zu der die wenigstens eine Nut (12, 12') aufweisenden Seite (10) verlaufenden Richtung (z), über der Breite (B₁) der Nut (12, 12') angeordnet ist.
7. Kathodenblock nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der wenigstens eine bogenförmig nach außen gekrümmte Bereich (20, 20') der Oberfläche (16) des Kathodenblocks über zumindest 20%, bevorzugt über zumindest 40%, besonders bevorzugt über zumindest 60% und höchst bevorzugt über zumindest 100% der, im Querschnitt des Kathodenblocks gesehen, der der die wenigstens eine Nut (12, 12') aufweisenden Seite (10) gegenüberliegenden Seite (14) des Kathodenblocks erstreckt.
8. Kathodenblock nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der wenigstens eine bogenförmig nach außen gekrümmte Bereich (20, 20') der Oberfläche (16) des Kathodenblocks über zumindest 60%, bevorzugt über zumindest 80%, besonders bevorzugt über zumindest 90% und höchst bevorzugt über zumindest 100% der Länge (L) des Kathodenblocks erstreckt.
9. Kathodenblock nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine bogenförmig nach außen gekrümmte Abschnitt (20, 20') der Oberfläche (16) des Kathodenblocks, bezogen auf den Querschnitt des Kathodenblocks, ovalsegmentförmig, insbesondere kreisbogenförmig, cosinusförmig, in der Form einer Gauß'schen Normalverteilung, ellipsensegmentförmig, in der Form einer Bézier-Kurve, parabelabschnittförmig oder in der Form einer Cosinus-Kurve höherer Potenz gekrümmt ist.
10. Kathodenblock nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine bogenförmig nach außen gekrümmte Abschnitt (20, 20') der Oberfläche (16) des Kathodenblocks, bezogen auf den Querschnitt des Kathodenblocks, symmetrisch zu der Mittelsenkrechtebene der wenigstens einen Nut (12) ausgebildet ist.
11. Kathodenblock nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine bogenförmig nach außen gekrümmte Abschnitt (20, 20') die Form eines Ellipsensegments mit einer Breite des Intervalls des Polarwinkels zwischen 10° und 180°, bevorzugt zwischen 30° und 160°, besonders bevorzugt zwischen 50° und 140° und ganz besonders bevorzugt zwischen 70° und 120° aufweist, und/oder der wenigstens eine bogenförmig nach außen gekrümmte Abschnitt (20, 20') die Form einer Cosinus-Kurve mit einer Breite des Intervalls des Winkels zwischen 10° und 180°, bevorzugt zwischen 30° und 160°, besonders bevorzugt zwischen 50° und 140° und ganz besonders bevorzugt zwischen 70° und 120° aufweist, und/oder der wenigstens eine bogenförmig nach außen gekrümmte Abschnitt (20, 20') die Form eines Kreisbogensegments mit einer Breite des Intervalls des Mittelpunktswinkels zwischen 10° und 180°, bevorzugt zwischen 30° und 160°, besonders bevorzugt zwischen 50° und 140° und ganz besonders bevorzugt zwischen 70° und 120° aufweist, und/oder der wenigstens eine bogenförmig nach außen gekrümmte Abschnitt (20, 20') die Form einer Gauß'schen Normalverteilung mit einem Quotienten aus der Halbwertsbreite der Gauß'schen Normalverteilung und der Breite der wenigstens einen Nut von 0.5 bis 1.5, bevorzugt von 0,6 bis 1,4, besonders bevorzugt von 0,7 bis 1,3, ganz besonders bevorzugt von 0,8 bis 1,2 und höchst bevorzugt von 0,9 bis 1,1 aufweist.
12. Kathodenblock nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Quotient aus dem Abstand (h₁) von dem Scheitelpunkt (22, 22') des wenigstens einen bogenförmig nach außen gekrümmten Abschnitts (20, 20') der Oberfläche (16) des Kathodenblocks zu dem niedrigsten Punkt der Nut (12, 12') und dem Abstand (h₂) von dem niedrigsten Punkt der der die wenigstens eine Nut (12, 12') aufweisenden Seite (10) gegenüberliegenden Seite (14) des Kathodenblocks zu dem niedrigsten Punkt der Nut (12, 12') zwischen mehr als 1:1 bis maximal 2:1, bevorzugt 1,0 bis 1,5, besonders bevorzugt 1,0 bis 1,3 und ganz besonders bevorzugt 1,0 bis 1,2 beträgt.
13. Kathodenblock nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die wenigstens eine Nut (12, 12') über wenigstens 40%, bevorzugt über wenigstens 60%, besonders bevorzugt über wenigstens 80%, ganz besonders bevorzugt über wenigstens 90% und höchst bevorzugt über die gesamte Länge des Kathodenblocks erstreckt.
14. Kathodenblock nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine bevorzugt im Querschnitt rechteckig ausgestaltete Nut (12, 12') eine über ihre Länge variierende Tiefe aufweist, wobei die wenigstens eine Nut (12, 12') besonders bevorzugt an ihren längsseitigen Enden eine geringere Tiefe aufweist als in ihrer Mitte.
15. Kathodenblock nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser, im Längsschnitt betrachtet, auf der der die wenigstens eine Nut (12, 12') aufweisenden Seite (10) gegenüberliegenden Seite (14) wannenförmig ausgestaltet ist.
16. Kathodenblock für eine Aluminium-Elektrolysezelle, welcher eine im Längsschnitt des Kathodenblocks betrachtet wannenförmige Oberfläche (16) aufweist, wobei die Wanne zwei Randbereiche (26, 26') und einen, in Längsrichtung (y) des Kathodenblocks gesehen, zwischen den Randbereichen (26, 26') angeordneten und bezogen auf die Randbereiche (26, 26') abgesenkten Bodenbereich (28) aufweist, wobei zwischen den beiden Randbereichen (26, 26') und dem Bodenbereich (28) jeweils ein den entsprechenden Randbereich (26, 26') und den Bodenbereich (28) verbindender Seitenwandbereich (30, 30') vorgesehen ist, wobei wenigstens einer der beiden Verbindungsbereiche (32, 32') zwischen den Randbereichen (26, 26') und den Seitenwandbereichen (30, 30') und/oder wenigstens einer der beiden Verbindungsbereiche (36, 36') zwischen dem Bodenbereich (28) und den Seitenwandbereichen (30, 30') bogenförmig gekrümmt ausgestaltet ist, wobei der wenigstens eine bogenförmig gekrümmte Abschnitt (34, 34') eine Länge (L₁) von mehr als 2 cm aufweist.
17. Kathodenblock nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass dieser zu wenigstens 30 Gew.-%, bevorzugt zu wenigstens 40 Gew.-%, besonders bevorzugt zu wenigstens 50 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt zu wenigstens 60 Gew.-% und höchst bevorzugt vollständig aus Kohlenstoff und/oder Graphit zusammengesetzt ist.
18. Kathodenblock nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine bogenförmig gekrümmte Abschnitt (34, 34') eine Länge (L₁) von mehr als 2 cm bis 100 cm, bevorzugt von 3 bis 50 cm, insbesondere bevorzugt von 4 bis 30 cm, besonders bevorzugt von 5 bis 20 cm, ganz besonders bevorzugt von 7 bis 15 cm und höchst bevorzugt von 10 cm aufweist.
19. Kathodenblock nach zumindest einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der beiden Verbindungsbereiche (36, 36') zwischen dem Bodenbereich (28) und den Seitenwandbereichen (30, 30') und bevorzugt beide Verbindungsbereiche (36, 36') zwischen dem Bodenbereich (28) und den Seitenwandbereichen (30, 30'), bezogen auf den im Längsschnitt betrachteten Kathodenblock, nach innen bogenförmig gekrümmt ausgestaltet ist/sind.
20. Kathodenblock nach zumindest einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der beiden Verbindungsbereiche (32, 32') zwischen den Randbereichen (26, 26') und den Seitenwandbereichen (30, 30') und bevorzugt beide Verbindungsbereiche (32, 32') zwischen den Randbereichen (26, 26') und den Seitenwandbereichen (30, 30'), bezogen auf den im Längsschnitt betrachteten Kathodenblock, nach außen bogenförmig gekrümmt ausgestaltet ist/sind.
21. Kathodenblock nach zumindest einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Verbindungsbereiche (36, 36') zwischen dem Bodenbereich (28) und den Seitenwandbereichen (30, 30'), bezogen auf den im Längsschnitt betrachteten Kathodenblock, nach innen bogenförmig gekrümmt ausgestaltet sind sowie die beiden Verbindungsbereiche (32, 32') zwischen den Randbereichen (26, 26') und den Seitenwandbereichen (30, 30'), bezogen auf den im Längsschnitt betrachteten Kathodenblock, nach außen bogenförmig gekrümmt ausgestaltet sind.
22. Kathodenblock nach zumindest einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine bogenförmig gekrümmte Abschnitt (34, 34') einen minimalen Krümmungsradius von wenigstens 2 cm, bevorzugt von wenigstens 10 cm und besonders bevorzugt von wenigstens 20 cm umfasst.
23. Kathodenblock nach zumindest einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine bogenförmig gekrümmte Abschnitt (34, 34'), bezogen auf den Längsschnitt des Kathodenblocks, ovalsegmentförmig, insbesondere kreisbogenförmig, cosinusförmig, in der Form einer Gauß'schen Normalverteilung, ellipsensegmentförmig oder in der Form einer Bézier-Kurve ausgestaltet ist.
24. Kathodenblock nach zumindest einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der, bezogen auf die in der Längsrichtung (y) verlaufende Querschnittsebene, größten Höhe (h₃) in den Randbereichen (26, 26') und der geringsten Höhe (h₄) in dem Bodenbereich (28) des Kathodenblocks zwischen 1,1 und 4, bevorzugt zwischen 1,1 und 2,5 und besonders bevorzugt zwischen 1,1 und 2,1 beträgt.
25. Kathodenblock nach zumindest einem der Ansprüche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) zwischen einem Ende und dem anderen Ende des wenigstens einen bogenförmig gekrümmten Abschnitts (34, 34') 95 bis 175°, bevorzugt 110 bis 160° und besonders bevorzugt 125 bis 150° beträgt.
26. Kathodenblock nach zumindest einem der Ansprüche 16 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der beiden Randbereiche (26, 26') und bevorzugt beide Randbereiche (26, 26'), im Längsschnitt des Kathodenblocks betrachtet, in der Längsrichtung (y) des Kathodenblocks, zur Mitte des Kathodenblocks hin abfallend geneigt verläuft/verlaufen, wobei der Neigungswinkel (β) des Randbereichs bzw. der Randbereiche bezogen auf diese Ebene bevorzugt zwischen 1° und 30°, besonders bevorzugt zwischen 2° und 15° und ganz besonders bevorzugt zwischen 3° und 10° beträgt.
27. Kathodenblock nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der beiden Randbereiche (26, 26') und bevorzugt beide der Randbereiche (26, 26') über wenigstens 30%, bevorzugt über wenigstens 50%, besonders bevorzugt über wenigstens 75% und ganz besonders bevorzugt über 100% der in Längsrichtung (y) des Kathodenblocks gemessenen Länge des Randbereichs (26, 26') bzw. der Randbereiche (26, 26'), im Längsschnitt des Kathodenblocks betrachtet in der Längsrichtung (y) des Kathodenblocks, zur Mitte des Kathodenblocks hin abfallend geneigt verläuft/verlaufen.
28. Kathodenblock nach zumindest einem der Ansprüche 16 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Bodenbereich (28) zumindest bereichsweise geradlinig verläuft, wobei die Oberfläche des Bodenbereichs (28), bezogen auf die Längsrichtung (y), einen Winkel zwischen –20° und 20°, bevorzugt zwischen –10° und 10° und besonders bevorzugt von 0° aufweist.
29. Kathodenblock nach zumindest einem der Ansprüche 16 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass sich jeder der beiden Randbereiche (26, 26') über 5 bis 40%, bevorzugt 10 bis 35% und besonders bevorzugt 15 bis 30% der Länge (L) des Kathodenblocks erstreckt und/oder sich der Bodenbereich (28) über 10 bis 90%, bevorzugt 20 bis 70% und besonders bevorzugt 30 bis 60% der Länge (L) des Kathodenblocks erstreckt.
30. Kathodenblock nach zumindest einem der Ansprüche 16 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenblock eine, in der Längsrichtung (y) des Kathodenblocks gesehen, variierende Materialzusammensetzung aufweist, wobei das Material in den beiden Randbereichen (26, 26') bevorzugt einen höheren spezifischen Widerstand aufweist als das Material in dem Bodenbereich (28) des Kathodenblocks.
31. Kathodenblock nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenblock in den beiden Randbereichen (26, 26') 5 bis 50 Gew.-% und bevorzugt zwischen 10 bis 30 Gew.-% Acetylenkoks enthält.
32. Kathodenblock nach Anspruch 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenblock in dem Bodenbereich (28) 5 bis 50 Gew.-% und bevorzugt zwischen 10 bis 40 Gew.-% Titandiborid, Siliciumoxid und/oder Chromoxid enthält,
33. Kathodenblock nach zumindest einem der Ansprüche 16 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenblock auch wie in zumindest einem der Ansprüche 1 bis 15 spezifiziert ausgebildet ist.
34. Kathodenanordnung für eine Aluminium-Elektrolysezelle, welche wenigstens zwei Kathodenblöcke nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche umfasst.
35. Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium umfassend eine Kathodenanordnung nach Anspruch 34, eine auf der Oberseite der Kathodenanordnung angeordnete Schicht aus flüssigem Aluminium, darauf eine Schmelzeschicht und oberhalb der Schmelzeschicht eine Anode.

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