DE60003683T2

DE60003683T2 - Aluminium-elektrogewinnungszelle mit v-förmigem kathodenboden

Info

Publication number: DE60003683T2
Application number: DE60003683T
Authority: DE
Inventors: Vittorio De Nora
Original assignee: Moltech Invent SA
Current assignee: Moltech Invent SA
Priority date: 1999-04-16
Filing date: 2000-04-17
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2020-04-18
Also published as: ATE244324T1; AU762338B2; US20020088718A1; US6682643B2; DE60003683D1; ES2202085T3; WO2000063463A3; WO2000063463A2; NO20015009D0; EP1185724A2; AU3667000A; EP1185724B1; CA2369450A1; NO20015009L

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft ein Zelle für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid, das in einem Fluorid enthaltenden, geschmolzenen Elektrolyten gelöst ist, mit Sauerstoff entwickelnden Metallanoden, die einem Zellenboden mit einer Aluminium-benetzbaren, drainierten Kathodenfläche sowie einem Aluminiumreservoir zugewandt sind, sowie ein Verfahren zum Erzeugen von Aluminium in einer solchen Zelle für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium.
Hintergrund der Erfindung
Die Technologie für das Erzeugen von Aluminium durch die Elektrolyse von Aluminiumoxid, das in geschmolzenem, Salze enthaltenden Kryolith gelöst ist, bei Temperaturen von etwa 950°C, ist seit mehr als hundert Jahren bekannt.
Dieser Prozess, der fast gleichzeitig von Hall und Héroult erdacht wurde, hat sich trotz des gewaltigen Wachstums der Gesamtproduktion von Aluminium, die in fünfzig Jahren fast um das Hundertfache angestiegen ist, nicht wie viele andere elektrochemische Prozesse weiterentwickelt. Der Prozess und die Zellenkonstruktion haben keine großen Veränderungen oder Verbesserungen erfahren, und für Elektroden und Zellenauskleidungen werden immer noch kohlenstoffhaltige Materialien verwendet.
Die Anoden werden immer noch aus kohlenstoffhaltigem Material hergestellt und müssen alle paar Wochen ersetzt werden. Die Betriebstemperatur beträgt noch immer etwa 950°C, um eine ausreichend hohe Auflösungsrate des Aluminiumoxids und eine höhere Leitfähigkeit des Elektrolyten zu erreichen.
Die Anoden haben eine sehr kurze Lebensdauer, weil sich der Sauerstoff, der sich während der Elektrolyse an der Anodenfläche entwickelt, mit dem Kohlenstoff verbindet, um CO₂ und kleine Mengen an CO zu bilden. Der tatsächliche Verbrauch der Anode beträgt etwa 450 kg pro Tonne an produziertem Aluminium, was mehr als 1/3 höher als die theoretische Menge ist.
Ein anderer wesentlicher Nachteil liegt in der Tatsache begründet, dass unregelmäßige elektromagnetische Kräfte in dem geschmolzenen Aluminiumbad Wellen erzeugen und dass der Anoden-Kathoden-Abstand (ACD), auch als Spalt zwischen den Elektroden (IEG) bezeichnet, auf einem sicheren Minimalwert von etwa 50 mm gehalten werden muss, um zwischen der Aluminiumkathode und der Anode einen Kurzschluss zu verhindern oder um eine Reoxydation des Metalls durch Kontakt mit dem CO₂-Gas zu vermeiden, das sich an der Anodenfläche bildet, was zu einem geringeren Wirkungsgrad des Stroms führt.
Der hohe spezifische elektrische Widerstand des Elektrolyten, der etwa 0,4 Ohm·cm beträgt, verursacht einen Spannungsabfall, der allein mehr als 40% des gesamten Spannungsabfalls darstellt, woraus sich ein hoher Energieverbrauch ergibt, der in den meisten modernen Zellen nahe bei 13 kWh/kgAl liegt. Die Kosten für den Energieverbrauch sind seit der Ölkrise zu einem noch größeren Posten bei den Gesamtherstellungskosten von Aluminium geworden und haben die Geschwindigkeit des Produktionswachstums für dieses wichtige Metall verringert.
Obwohl von Fortschritt bei der Verwendung von Kohlenstoffkathoden berichtet wurde, auf die Beschichtungen oder Schichten aus Aluminium-benetzbaren Materialien aufgebracht wurden, die auch eine Barriere gegen das Eindringen von Natrium während der Elektrolyse darstellen, wurde nur ein geringer Fortschritt bei der Konstruktion von Kathoden erreicht, und zwar hinsichtlich der Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades der Zellen sowie hinsichtlich der Beschränkung der Bewegung des geschmolzenen Alumi niums, um den Spalt zwischen den Elektroden und die Verschleißrate von deren Oberfläche zu verringern.
Das US-Patent 3,202,600 (Ransley) hat die Verwendung von hitzebeständigen Boriden und Karbiden als Kathodenmaterialien vorgeschlagen, einschließlich der Konstruktion einer drainierten Kathodenzelle, in der eine keilförmige, sich selbst verzehrende Kohlenstoffanode einer Kathode zugewandt aufgehängt war, die aus Platten aus hitzebeständigem Borid oder Karbid in V-Gestalt hergestellt war.
Die US-Patente 3,400,061 (Lewis/Altos/Hildebrandt) und 4,602,990 (Boxal/Gamson/Green/Stephen) offenbaren Zellen für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium mit geneigten, drainierten Kathoden, die quer zur Zelle angeordnet sind. In diesen Zellen fließt das geschmolzene Aluminium an den geneigten Kathoden nach unten in eine mittlere Längsnut entlang der Mitte der Zelle oder in seitlich angeordnete Längsnuten entlang den Seiten der Zelle, um das geschmolzene Aluminium zu sammeln und es in einen Sammelbehälter zu leiten, der sich an einem Ende der Zelle befindet.
Durch die Neigung der aktiven Fläche der Kathode und der Anode wird das Entweichen der Blasen des sich entwickelnden Gases erleichtert. Es ist außerdem nur dann möglich, eine Kathode mit einer Abschrägung vorzusehen und einen effizienten Betrieb der Zelle zu erreichen, wenn die Kathode mit Aluminium benetzbar ist, so dass die Erzeugung von Aluminium auf einer Schicht aus Aluminium stattfindet.
Es ist erst seit kurzem möglich, Kohlenstoffkathoden mit einem Schlamm zu beschichten, der auf dem Kohlenstoff anhaftet, mit Aluminium benetzbar ist und sehr hart wird, wenn die Temperatur 700–800°C oder besser 950–1000°C erreicht, wie in dem US-Patent 5,316,718 (Sekhar/de Nora) und im US-Patent 5,651,874 (de Nora/Sekhar) offenbart ist. Diese Patente schlagen vor, die Zellenkathoden mit einem durch Schlamm aufgebrachten, hitzebeständigen Borid zu beschichten, das für Anwendungen bei Kathoden sehr gut funktioniert. Diese Veröffentlichungen offenbaren eine Anzahl von neuen Konfigurationen von drainierten Kathoden, beispielsweise Konstruktionen, bei denen der Kathodenkörper mit einer geneigten oberen drainierten Kathodenfläche an dem Zellenboden angeordnet oder daran befestigt ist. Weitere konstruktive Abwandlungen bezüglich der Zellenkonstruktion können dazu führen, dass noch mehr mögliche Vorteile dieser Beschichtungen erreicht werden.
Die Europäische Patentanmeldung Nr. 0 393 816 (Stedman) zeigt eine andere Konstruktion für eine drainierte Kathodenzelle, die dazu gedacht ist, das Ableiten von Blasen zu verbessern. Die Herstellung der Elektroden mit Abschrägungen, wie vorgeschlagen, ist aber schwierig. Außerdem kann eine solche drainierte Kathodenkonfiguration eine optimale Verteilung des gelösten Aluminiumoxids nicht gewährleisten.
Die WO 98/53120 (Berclaz/de Nora) offenbart eine Zelle, die mit einer Kathodenmasse versehen ist, die an einer Kathodenschale oder -platte abstützend gehalten ist, wobei die Kathodenmasse V-förmig ist und entlang des Bodens der V-Form einen mittleren Kanal aufweist, der sich entlang der Zelle erstreckt, um geschmolzenes Aluminium abzuleiten.
Das US-Patent 5,683,559 (de Nora) offenbart eine neuartige Kathodenkonstruktion für eine drainierte Kathode, bei der Nuten oder Aussparungen in die Fläche von Blöcken eingearbeitet sind, die die Kathodenfläche bilden, um das ablaufende Aluminiumprodukt abzuleiten. Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel werden eine verbesserte Anode und eine drainierte Kathodengeometrie zur Verfügung gestellt, wobei das Aluminium zwischen V-förmigen Anoden und Kathoden erzeugt und in ausgesparten Nuten gesammelt wird. Die V-förmige Geometrie der Anoden ermöglicht einerseits ein gutes Ableiten der Blasen von der Unterseite der Anoden und andererseits das Abfließen von erzeugtem Aluminium von den Kathodenflächen in ausgesparte Nuten, die an dem Boden der V-Formen angeordnet sind.
Aufgaben der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Zelle für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium zur Verfügung zu stellen, die Sauerstoff entwickelnden Anoden hat und einen Aluminium-benetzbaren, drainierten Kathodenboden sowie ein Aluminiumsammelreservoir aufweist, aus dem geschmolzenes Aluminium abgelassen wird.
Eine Hauptaufgabe der Erfindung besteht darin, eine Zelle für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium zur Verfügung zu stellen, die eine Aluminium-benetzbare, drainierte Kathode hat, die aus herkömmlichen Zellenblöcken hergestellt ist, die auf einfache Weise nachträglich in vorhandenen Zellen eingesetzt werden können.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Zelle für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium zur Verfügung zu stellen, die ein Aluminiumsammelreservoir aufweist, aus dem geschmolzenes Aluminium abgeleitet werden kann, und zwar ohne die Gefahr des Erstarrens, und zwar an einer Stelle, an der das Reservoir auf einfache Weise nachträglich in vorhandene Zellen eingesetzt werden kann.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Aluminium-benetzbaren Zellenboden für eine solche Zelle für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium zur Verfügung zu stellen.
Noch eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, um Aluminium in einer Zelle für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium zu erzeugen, die mit einem solchen Zellenboden ausgestattet ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung stellt eine Zelle für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid zur Verfügung, das in einem Fluorid enthaltenden, geschmolzenen Elektrolyten gelöst ist. Die Zelle weist eine Vielzahl von auf Metall basierenden Anoden auf, die mit einer Sauerstoff entwickelnden, elektrochemisch aktiven Struktur versehen sind, die eine Reihe von im wesentlichen vertikalen Durchgangsöffnungen für das Entweichen von anodisch erzeugtem, gasförmigem Sauerstoff hat. Die elektrochemisch aktiven Anodenstrukturen sind einer Aluminium-benetzbaren, drainierten Kathodenfläche, an der Aluminium erzeugt wird, zugewandt und von dieser beabstandet. Die drainierte Kathodenfläche ist entlang der Zelle durch die oberen Flächen von einer Reihe von angrenzenden Kohlenstoffkathodenblöcken gebildet, wobei die Kathodenblöcke quer zur Zelle verlaufen, beispielsweise einzelne Blöcke oder Paare von Blöcken, die sich Ende-an-Ende über die gesamte Breite der drainierten Kathodenfläche erstrecken. Die Kathodenblöcke weisen Einrichtungen auf, um mit einer externen elektrischen Stromversorgung verbunden zu werden.
Gemäß der Erfindung ist die drainierte Kathodenfläche in Quadranten unterteilt, normalerweise vier Quadranten, und zwar durch einen in Längsrichtung verlaufenden Aluminiumsammelkanal entlang der Zelle und durch ein mittleres Aluminiumsammelreservoir quer zu der Zelle. Paare von Quadranten quer zu der Zelle sind in einer V-förmigen Beziehung abgeschrägt, wobei der Sammelkanal entlang des Bodens der V-Form angeordnet und dazu ausgestaltet ist, um während des Zellenbetriebs geschmolzenes Aluminium, das von der drainierten Kathodenfläche abläuft, zu sammeln und in das (die) Aluminiumsammelreservoir(e) abzuleiten.
Da sich das Sammelreservoir mittig in der Zelle befindet, ist das Reservoir gegen thermische Verluste geschützt.
Die Zelle kann zumindest einen auf Kohlenstoff basierenden Abstandsblock aufweisen, der sich quer zur Zelle erstreckt und der zwischen den Kathodenblöcken angrenzend angeordnet ist, die sich quer zur Zelle erstrecken. Eine obere Fläche des Abstandsblocks weist eine mittlere Aussparung auf, die tiefer liegt als der Aluminiumsammelkanal/Aluminiumableitkanal und sich im wesentlichen quer zur Zelle erstreckt, um das obige Aluminiumsammelreservoir zu bilden.
Die mittlere Aussparung kann zwischen den angrenzenden Kathodenblöcken verlaufen, um mit nicht-ausgesparten Endbereichen des Abstandsblocks und mit angrenzenden Seitenwänden der angrenzenden Kathodenblöcke das Aluminiumsammelreservoir zu bilden. Jedoch kann das Reservoir auch durch die Aussparung und ausschließlich durch nicht-ausgesparte Seitenbereiche und Endbereiche des Abstandsblocks gebildet sein.
Als Alternative zu einem einzelnen Abstandsblock kann ein Paar von Abstandsblöcken, die Ende-an-Ende angeordnet sind, quer zu der Zelle verlaufen, um die obengenannten angrenzenden Kathodenblöcke zu beabstanden. Auf ähnliche Weise kann die drainierte Kathodenfläche auch entlang der Zelle durch obere Flächen von einer Reihe von angrenzenden Kohlenstoffkathodenblöcken gebildet sein, die in Paaren verlaufen, die quer zu der Zelle Ende-an-Ende angeordnet sind.
Der Aluminiumsammelkanal, der die drainierte Kathodenfläche in Längsrichtung unterteilt, kann unter dem Boden der abgeschrägten Quadranten angeordnet sein.
Die elektrochemisch aktive Struktur der auf Metall basierenden Anoden kann eine Reihe von horizontalen Anodenbauteilen beinhalten, die jeweils eine elektrochemisch aktive Fläche haben, an der während der Elektrolyse Sauerstoff anodisch erzeugt wird. Die Anodenbauteile können sich in einer parallelen Anordnung, verbunden durch zumindest ein quer verlaufendes Verbindungsbauteil, oder in einer konzentrischen Anordnung befinden, verbunden durch zumindest ein allgemein radial verlaufendes Verbindungsbauteil.
Beispielsweise können sich die Anodenbauteile von jeder Anode in einer allgemein coplanaren Anordnung befinden und seitlich beabstandet sein, um in Längsrichtung verlaufende Durchflussöffnungen für die Aufwärtsströmung von mit Aluminiumoxid angereichertem Elektrolyt, das durch das nach oben gerichtete, schnelle Entweichen von anodisch erzeugtem Sauerstoff angetrieben wird, und für die Abwärtsströmung von mit Aluminiumoxid angereichertem Elektrolyt zu bilden. Die Anodenbauteile können Platten, Stäbe, Stangen oder Drähte sein, wie in den anhängigen Anmeldungen PCT/IB00/00029 und PCT/IB00/00027 beschrieben (beide auf den Namen von de Nora angemeldet).
Geeignete Materialien für Sauerstoff entwickelnde Anoden umfassen auf Eisen und Nickel basierende Legierungen, die in einer oxidierenden Atmosphäre wärmebehandelt werden können, wie in der WO 00/06802, WO 00/06803 (beide im Namen von Duruz/de Nora/Crottaz), WO 00/06804 (Crottaz/Duruz), PCT/IB99/01976 (Duruz/de Nora) und PCT/IB99/01977 (de Nora/Duruz) offenbart. Weitere Sauerstoff entwickelnde Anodenmaterialien sind in der WO 99/36593, WO 99/36594, WO 00/06801, WO 00/06805, PCT/IB00/00028 (alle im Namen von de Nora/Duruz), WO 00/06800 (Duruz/de Nora), WO 99/36591 und WO 99/36592 (beide im Namen von de Nora) offenbart.
Die Erfindung betrifft außerdem einen Zellenboden von einer Zelle für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid, das in einem Fluorid enthaltenden, geschmolzenen Elektrolyten gelöst ist. Der Zellenboden hat eine mit Aluminium benetzbare, drainierte Kathodenfläche, an der Aluminium erzeugt wird. Die drainierte Kathodenfläche ist entlang des Zellenbodens durch obere Flächen von einer Reihe von angrenzenden Kohlenstoffkathodenblöcken gebildet, wobei die Kathodenblöcke quer zu dem Zellenboden verlaufen und Einrichtungen aufweisen, um mit einer externen elektrischen Stromquelle verbunden zu werden.
Die drainierte Kathodenfläche ist durch einen in Längsrichtung verlaufenden Aluminiumsammelkanal entlang des Zellenbodens und durch ein mittleres Aluminiumsammelreservoir quer zu dem Zellenboden in Quadranten unterteilt. Paare von Quadranten quer zum Zellenboden sind in einer V-förmigen Beziehung abgeschrägt, der Sammelkanal ist entlang des Bodens der V-Form angeordnet und dazu ausgestaltet, um während des Zellenbetriebs geschmolzenes Aluminium, das von der drainierten Kathodenfläche abläuft, zu sammeln und in das (die) Aluminiumsammelreservoir(e) abzuleiten.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Erzeugen von Aluminium in einer Zelle zur elektrolytischen Gewinnung von Aluminium, mit Anoden, die in einen geschmolzenen Elektrolyten eingetaucht sind, der gelöstes Aluminiumoxid enthält, und die einem Zellenboden zugewandt sind, wie er vorstehend definiert ist. Das Verfahren umfasst: Bewirken einer Elektrolyse des Elektrolyten, der gelöstes Aluminiumoxid enthält, zwischen den Anoden und der drainierten Kathodenfläche, um an den Anoden Gas und an der drainierten Kathodenfläche geschmolzenes Aluminium zu erzeugen; Ableiten des kathodisch erzeugten, geschmolzenen Aluminiums von der drainierten Kathodenfläche in den Sammel-/Ableitkanal; und Ableiten des geschmolzenen Aluminiums in das (die) Aluminiumsammelreservoir(e).
Das Verfahren kann das Erzeugen von Sauerstoff an einer auf Metall basierenden, elektrochemisch aktiven Anodenstruktur und das Entweichen des erzeugten Sauerstoffs durch im wesentlichen vertikal verlaufende Durchgangsöffnungen beinhalten, die sich in der Anodenstruktur befinden.
Das erzeugte Aluminium kann absatzweise aus dem Aluminiumsammelreservoir abgelassen werden.
Die Zelle kann mit einem geschmolzenen Elektrolyten bei einer Temperatur von 700°C bis 900°C oder 910°C, insbesondere zwischen 730°C und 870°C oder 750°C und 850°C betrieben werden. Die Zelle kann jedoch auch bei herkömmlichen Temperaturen betrieben werden, d.h. etwa 950°C.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt schematisch einen Längsschnitt von einer Zelle gemäß der Erfindung;
2 zeigt schematisch einen Querschnitt von der in 1 gezeigten Zelle, wobei die linke Seite einen Querschnitt entlang der gestrichelten Linie X₁-X₁ und die rechte Seite einen Querschnitt entlang der gestrichelten Linie X₂-X₂ zeigt; und
3 ist eine schematisch Draufsicht von dem Boden der in 1 gezeigten Zelle, wobei die linke Seite des Zellenbodens mit zugewandten Anoden gezeigt ist.
Detaillierte Beschreibung
Wie vorstehend erläutert, zeigen 1, 2 und 3 verschiedene Ansichten von einer Zelle gemäß der Erfindung.
Die Zelle enthält eine Reihe von Anoden 10 mit Sauerstoff entwickelnden, aktiven Strukturen 11, die mit einer Reihe von vertikalen Durchgangsöffnungen 13 für das Entweichen anodisch erzeugtem Sauerstoff versehen sind. Solche Anoden 10 können so konstruiert sein, wie dies in den anhängigen Anmeldungen PCT/IB00/00029 und PCT/IB00/00027 offenbart ist (beide im Namen von de Nora). Wie in 1 und 3 gezeigt, enthält jede elektrochemisch aktive Struktur 11 eine Reihe von parallelen Anodenstangen 12 in allgemein coplanarer und seitlich voneinander beabstandeten Anordnung, um die Durchflussöffnungen 13 für den nach oben gerichteten Strom von mit Aluminiumoxid abgereichertem Elektrolyten, der durch das schnelle nach oben gerichtete Entweichen von anodisch entwickeltem Sauerstoff angetrieben wird, und für die nach unten gerichtete Strömung von mit Aluminium angereichertem Elektrolyten zu bilden.
Wie in 1 und 2 gezeigt, sind die Anodenstrukturen 11 von einer Aluminium-benetzbaren, drainierten Kathodenfläche 21 beabstandet und dieser zugewandt.
Die drainierte Kathodenfläche 21 ist durch obere Flächen von einer Reihe von angrenzenden Kohlenstoffkathodenblöcken 20 gebildet, die paarweise Ende-an-Ende quer zur Zelle angeordnet sind. Alternativ kann die drainierte Kathodenfläche auch aus oberen Flächen von einer Reihe von angrenzenden Kathodenblöcken gebildet sein, die sich einzeln quer zur Zelle erstrecken. Die Kathodenblöcke 20 beinhalten, eingebettet in Aussparungen, die sich in ihren unteren Flächen befinden, Stromversorgungsstangen 22 aus Stahl oder aus einem anderen leitfähigen Material, um mit einer externen elektrischen Stromversorgung verbunden zu werden.
Die Kathodenblöcke 20 sind vorzugsweise mit einer Aluminium-benetzbaren Beschichtung beschichtet, durch die die drainierte Kathodenfläche 21 gebildet wird, wie zum Beispiel eine Beschichtung aus einem Aluminium-benetzbaren, hitzebeständigen Hartmetall (RHM) mit einer geringen oder keinen Lösbarkeit in Aluminium und mit einer guten Widerstandsfähigkeit gegen Angriffe durch geschmolzenes Kryolith. Praktisch anwendbares RHM umfasst Boride aus Titan, Zirkon, Tantal, Chrom, Nickel, Kobalt, Eisen, Niob und/oder Vanadium. Praktisch anwendbare Kathodenmaterialien sind kohlenstoffhaltige Materialien, wie zum Beispiel Anthrazit oder Graphit.
Bevorzugte Beschichtungen für die drainierte Kathode sind durch Schlamm aufgebrachte Beschichtungen, wie sie im US-Patent 5,651,874 (de Nora/Sekhar) und PCT/IB99/01982 (de Nora/Duruz) beschrieben sind. Zum Beispiel offenbart das US-Patent 5,651,874 eine Beschichtung, die partikelförmiges hitzebeständiges Hartmetallborid in einem Kolloid enthält, das durch einen Schlamm aus dem partikelförmigen hitzebeständigen Hartmetallborid in einem kolloidalen Träger aufgebracht wird, wobei das Kolloid zumindest eines von kolloidalem Aluminiumoxid, Siliciumoxid, Yttriumoxid, Ceroxid, Thoroxid, Zirkoniumoxid, Magnesiumoxid, Lithiumoxid, Monoaluminiumphosphat oder Ceriumacetat ist. Es wurde herausgefunden, dass der kolloidale Träger die Eigenschaften der Beschichtung deutlich verbessert, die durch nichtreaktives Sintern hergestellt werden.
Vor oder nach der Aufbringung der Beschichtung und vor der Benutzung können die oberen Flächen der Komponenten angestrichen, angesprüht, getaucht oder getränkt werden, und zwar mit Reagenzien und Vorläufern, Gelen und/oder Kolloiden. Beispielsweise können die Komponenten vor der Aufbringung des Schlamms zum Beispiel mit einer Verbindung aus Lithium imprägniert werden, um die Widerstandsfähigkeit gegen das Eindringen von Natrium zu verbessern, wie in dem US-Patent 5,378,327 (Sekhar/Zheng/Duruz) offenbart ist.
Um ein schnelles Benetzen der drainierten Kathodenfläche 21 durch geschmolzenes Aluminium zu unterstützen, kann die hitzebeständige Beschichtung geschmolzenem Aluminium ausgesetzt werden, und zwar bei Vorhandensein von einem Flussmittel, das das Eindringen von Aluminium in das hitzebeständige Material unterstützt, wobei das Flussmittel beispielsweise ein Fluorid, ein Chlorid oder ein Borat enthalten kann, und zwar von zumindest einem von Lithium und Natrium oder Mischungen daraus. Durch eine solche Behandlung wird das Aluminisieren der hitzebeständigen Beschichtung durch das Eindringen von Aluminium darin unterstützt.
Wie in 3 gezeigt und gemäß der Erfindung ist die drainierte Kathodenfläche 21 in vier separate Quadranten 25 durch einen Aluminiumsammelkanal 26 entlang der Zelle und durch ein mittleres Aluminiumsammelreservoir 32 quer zu der Zelle unterteilt.
Das Aluminiumsammelreservoir 32 ist durch eine mittlere Aussparung 31 in den oberen Fläche von einem Paar von Abstandsblöcken 30 gebildet, die Ende-an-Ende quer zur Zelle angeordnet sind, wobei die Aussparung 31 tiefer ist als die Aluminiumableitkanäle 26. Alternativ kann die mittlere Aussparung 31 auch in einer oberen Fläche von einem einzelnen Abstandsblock 30 ausgebildet sein, der sich quer zur Zelle erstreckt.
Die Abstandsblöcke 30 sind voneinander beabstandet und zwischen zwei Paaren von Kathodenblöcken 20 angrenzend angeordnet, wobei jedes Paar Ende-an-Ende quer zur Zelle angeordnet ist, wie vorstehend beschrieben.
Die mittlere Aussparung 31 der Abstandsblöcke 30 erstreckt sich zwischen den angrenzenden Kathodenblöcken 20, um mit nichtausgesparten Enden 33 der Abstandsblöcke 30, wie in der rechten Seite von 2 gezeigt, und mit angrenzenden Seitenwänden 23 der angrenzenden Kathodenblöcke 20, wie in 1 gezeigt, das Aluminiumsammelreservoir 32 zu bilden.
Wie in 2 gezeigt, sind Paare von Kathoden 25 quer zur Zelle in einer V-förmigen Beziehung abgeschrägt. Daher kann die obere Fläche von jedem Kathodenblock 20 zu einer einzelnen Rampe entlang des Blocks 20 bearbeitet werden, um eine V-Konfiguration zu erzielen, indem ein entsprechender Kathodenblock 20 quer zur Zelle Ende-an-Ende angeordnet wird, wie in 2 gezeigt.
Die drainierten Kathodenfläche 21 enthält entlang des Bodens der V-Form den Sammelkanal 26. Dieser Kanal 26 kann horizontal sein, wie in 1 gezeigt, oder alternativ leicht in Richtung auf den Aluminiumsammelkanal 32 nach unten geneigt sein, um das Ableiten von geschmolzenem Aluminium zu erleichtern.
Ähnlich wie die Kathodenblöcke 20 können auch die Abstandsblöcke 30 durch Bearbeiten der Oberfläche der Kohlenstoffblöcke hergestellt werden. Im Gegensatz zu den Kathodenblöcken 20 ist es jedoch nicht erforderlich, die Abstandsblöcke 30 mit einer negativen Stromversorgung zu verbinden.
Bei Betrieb der in 1 und 2 gezeigten Zelle wird eine Elektrolyse des Aluminiumoxids, das in einem geschmolzenen Elektrolyten 40 bei einer Temperatur von 730°C bis 960°C gelöst ist, der in der Zelle enthalten ist, zwischen den Anoden 10 und den Kathodenblöcken 20 durchgeführt, um an der aktiven Struktur 11 der Anoden 10 Sauerstoff und an der Aluminium-benetzbaren drainierten Kathodenfläche 21 geschmolzenes Aluminium zu erzeugen.
Wie in 3 gezeigt, strömt das kathodisch erzeugte geschmolzene Aluminium nach unten entlang der geneigten, drainierten Kathodenfläche 21 der Quadranten 25 in die Aluminiumsammelkanäle 26, wie durch Pfeile 45 angegeben ist. Von den Sammelkanälen 26 fließt das erzeugte geschmolzenen Aluminium in das mittlere Aluminiumsammelreservoir 32, wie durch Pfeile 46 angegeben, wo es gesammelt und für absatzweises Ablassen gespeichert wird.
Obwohl die Erfindung in Verbindung mit ihren speziellen Ausführungsbeispielen davon beschrieben wurde, ist es offensichtlich, dass viele Alternativen, Modifikationen und Abwandlungen für den Fachmann im Lichte der vorigen Beschreibung offensichtlich sind. Es ist folglich beabsichtigt, alle Alternativen, Modifikationen und Variationen einzuschließen, die in den Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche fallen.
Beispielsweise kann die Zelle mehr als ein Aluminiumsammelreservoir quer zur Zelle aufweisen, von denen jedes den Aluminiumsammelkanal schneidet, um die drainierte Kathodenfläche in vier Quadranten zu unterteilen. Beispielsweise kann eine drainierte Kathodenfläche in drei Paare von Quadranten quer zur Zelle durch zwei voneinander beabstandete Aluminiumsammelreservoire quer zur Zelle unterteilt sein, die sich mit dem Aluminiumsammelkanal entlang der Zelle schneiden. Jedes Aluminiumsammelreservoir wirkt mit zwei Paaren von Quadranten quer zur Zelle (ein Paar an jeder Seite) zusammen, wobei ein zentrales Paar von Quadranten zwischen den Aluminiumsammelreservoiren für zwei Reservoire gemeinsam ist.

Claims

Zelle für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid, das in einem Fluorid enthaltenden, geschmolzenen Elektrolyten gelöst ist, mit einer Vielzahl von auf Metall basierenden Anoden, die mit einer Sauerstoff entwickelnden, elektrochemisch aktiven Struktur versehen sind, die eine Reihe von im wesentlichen vertikalen Durchgangsöffnungen für das Entweichen von anodisch erzeugtem, gasförmigem Sauerstoff hat, wobei die elektrochemisch aktiven Strukturen einer mit Aluminium benetzbaren, drainierten Kathodenfläche, an der Aluminium erzeugt wird, zugewandt und von dieser beabstandet sind, die drainierte Kathodenfläche entlang der Zelle durch obere Flächen von einer Reihe von angrenzenden Kohlenstoffkathodenblöcken gebildet ist, die Kathodenblöcke quer zu der Zelle verlaufen, die Kathodenblöcke Einrichtungen aufweisen, um mit einer externen elektrischen Stromversorgung verbunden zu werden, die drainierte Kathodenfläche durch einen in Längsrichtung verlaufenden Aluminiumsammelkanal entlang der Zelle und durch ein mittleres Aluminiumsammelreservoir quer zu der Zelle in Quadranten unterteilt ist, Paare von Quadranten quer zu der Zelle in einer V-förmigen Beziehung abgeschrägt sind, und der Sammelkanal entlang des Bodens der V-Form angeordnet und dazu ausgestaltet ist, um während des Zellenbetriebs geschmolzenes Aluminium, das von der drainierten Kathodenfläche abläuft, zu sammeln und in das (die) Aluminiumsammelreservoir(e) abzuleiten.
Zelle nach Anspruch 1, mit zumindest einem auf Kohlenstoff basierenden Abstandsblock, der sich quer zu der Zelle erstreckt und die Kathodenblöcke beabstandet sowie zwischen den Kathodenblöcken angrenzend angeordnet ist, die quer zu der Zelle verlaufen, wobei (eine) obere Flächen (Fläche) der (des) Abstandsblöcke (Abstandsblocks) eine mittlere Aussparung aufweisen (aufweist), die tiefer liegen (liegt) als der Aluminiumsammelkanal und sich im wesentlichen quer zu der Zelle erstrecken (erstreckt), um das mittlere Aluminiumsammelreservoir zu bilden.
Zelle nach Anspruch 2, bei der die mittlere Aussparung zwischen den angrenzenden Kathodenblöcken verläuft, um mit angrenzenden Seitenwänden davon das mittlere Aluminiumsammelreservoir zu bilden.
Zelle nach Anspruch 2 oder 3, bei der ein Paar von Abstandsblöcken, die Ende-an-Ende angeordnet sind, sich quer zu der Zelle zwischen den angrenzenden Kathodenblöcken erstreckt.
Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die drainierte Kathodenfläche entlang der Zelle durch obere Flächen von einer Reihe von angrenzenden Kohlenstoffkathodenblöcken gebildet ist, die in Paaren verlaufen, die Ende-an-Ende quer zu der Zelle angeordnet sind.
Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Aluminiumsammelkanal unter dem Boden der abgeschrägten Quadranten angeordnet ist.
Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die elektrochemisch aktive Struktur von den auf Metall basierenden Anoden eine Reihe von Anodenbauteilen aufweist, die jeweils eine elektrochemisch aktive Fläche haben, an der während der Elektrolyse anodisch Sauerstoff erzeugt wird.
Zelle nach Anspruch 7, bei der sich die Anodenbauteile in einer parallelen Anordnung befinden und durch zumindest ein quer verlaufendes Verbindungsbauteil verbunden sind.
Zelle nach Anspruch 7, bei der sich die Anodenbauteile in einer konzentrischen Anordnung befinden und durch zumindest ein allgemein radial verlaufendes Verbindungsbauteil verbunden sind.
Zelle nach Anspruch 8 oder 9, bei der sich die elektrochemisch aktiven Flächen den Anodenbauteilen von jeder Anode in einer allgemein koplanaren Anordnung befinden und seitlich beabstandet sind, um in Längsrichtung verlaufende Durchflussöffnungen für die Aufwärtsströmung von mit Aluminiumoxid angereichertem Elektrolyt, der durch das nach oben gerichtete, schnelle Entweichen von anodisch erzeugtem Sauerstoff angetrieben wird, und für die Abwärtsströmung von mit Aluminiumoxid angereichertem Elektrolyt zu bilden.
Zelle nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei der die Anodenbauteile von jeder Anode Platten sind.
Zelle nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei der die Anodenbauteile von jeder Anode Stäbe, Stangen oder Drähte sind.
Zellenboden von einer Zelle für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid, das in einem Fluorid enthaltenden, geschmolzenen Elektrolyten gelöst ist, mit einer mit Aluminium benetzbaren, drainierten Kathodenfläche, an der Aluminium erzeugt wird, wobei die drainierte Kathodenfläche entlang des Zellenbodens durch obere Flächen von einer Reihe von angrenzenden Kohlenstoffkathodenblöcken gebildet ist, die Kathodenblöcke quer zu dem Zellenboden verlaufen, die Kathodenblöcke Einrichtungen aufweisen, um mit einer externen elektrischen Stromquelle verbunden zu werden, die drainierte Kathodenfläche durch einen in Längsrichtung verlaufenden Aluminiumsammelkanal entlang des Zellenbodens und durch ein mittleres Aluminiumsammelreservoir quer zu dem Zellenboden in Quadranten unterteilt ist, Paare von Quadranten quer zu dem Zellenboden in einer V-förmigen Beziehung abgeschrägt sind, und der Sammelkanal entlang des Bodens der V-Form angeordnet und dazu ausge staltet ist, um während des Zellenbetriebs geschmolzenes Aluminium, das von der drainierten Kathodenfläche abläuft, zu sammeln und in das (die) Aluminiumsammelreservoir(e) abzuleiten.
Zellenboden nach Anspruch 13, mit zumindest einem auf Kohlenstoff basierenden Abstandsblock, der sich quer zu dem Zellenboden erstreckt und die Kathodenblöcke beabstandet sowie zwischen den Kathodenblöcken angrenzend angeordnet ist, die quer zu der Zelle verlaufen, wobei (eine) obere Flächen (Fläche) der (des) Abstandsblöcke (Abstandsblocks) eine mittlere Aussparung aufweisen (aufweist), die tiefer liegt als der Aluminiumsammelkanal und sich im wesentlichen quer zu der Zelle erstreckt, um das mittlere Aluminiumsammelreservoir zu bilden.
Zellenboden nach Anspruch 14, bei dem die mittlere Aussparung zwischen den angrenzenden Kathodenblöcken verläuft, um mit angrenzenden Seitenwänden davon das mittlere Aluminiumsammelreservoir zu bilden.
Zellenboden nach Anspruch 14 oder 15, bei dem ein Paar von Abstandsblöcken, die Ende-an-Ende angeordnet sind, sich quer zu dem Zellenboden zwischen den angrenzenden Kathodenblöcken erstreckt.
Zellenboden nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei dem die drainierte Kathodenfläche entlang des Zellenbodens durch obere Flächen von einer Reihe von angrenzenden Kohlenstoffkathodenblöcken gebildet ist, die in Paaren verlaufen, die Ende-an-Ende quer zu dem Zellenboden angeordnet sind.
Zellenboden nach einem der Ansprüche 13 bis 17, bei dem der Aluminiumsammelkanal unter dem Boden der abgeschrägten Quadranten angeordnet ist.
Verfahren zum Erzeugen von Aluminium in einer Zelle zur elektrolytischen Gewinnung von Aluminium, mit Anoden, die in einen geschmolzenen Elektrolyten eingetaucht sind, der gelöstes Aluminiumoxid enthält, und die einem Zellenboden nach einem der Ansprüche 13 bis 18 zugewandt sind, mit einer mit Aluminium benetzbaren, drainierten Kathodenfläche, die durch obere Flächen von einer Reihe von Kathodenblöcken gebildet ist und durch einen in Längsrichtung verlaufenden Aluminiumsammelkanal entlang der Zelle und durch ein mittleres Aluminiumsammelreservoir quer zu der Zelle in Quadranten unterteilt ist, wobei Paare von Quadranten quer zu der Zelle in einer V-förmigen Beziehung abgeschrägt sind und der Sammelkanal entlang des Bodens der V-Form angeordnet ist, wobei das Verfahren umfasst: Bewirken einer Elektrolyse des Elektrolyten, der gelöstes Aluminiumoxid enthält, zwischen den Anoden und der drainierten Kathodenfläche, um an den Anoden Gas und an der drainierten Kathodenfläche geschmolzenes Aluminium zu erzeugen; Ableiten des kathodisch erzeugten, geschmolzenen Aluminiums von der drainierten Kathodenfläche in den Sammelkanal; und Ableiten des geschmolzenen Aluminiums in das (die) Aluminiumsammelreservoir(e).
Verfahren nach Anspruch 19, mit dem Erzeugen von Sauerstoff an einer auf Metall basierenden, elektrochemisch aktiven Anodenstruktur und dem Entweichen des erzeugten Sauerstoffs durch im wesentlichen vertikal verlaufende Durchgangsöffnungen, die sich in der Anodenstruktur befinden.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, mit dem absatzweisen Ablassen des erzeugten Aluminiums aus dem Aluminiumsammelreservoir.
Verfahren nach Anspruch 19, 20 oder 21, bei dem die Zelle mit einem geschmolzenen Elektrolyten bei einer Temperatur von 700°C bis 910°C betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 22, bei dem die Zelle mit einem geschmolzenen Elektrolyten bei einer Temperatur von 730°C bis 870°C betrieben wird.