CN103429792A - 阴极装置以及带有具有引导凹部的凹槽的阴极块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于铝电解槽的阴极组件，该阴极组件包括至少一个基于碳和/或石墨的阴极块，该阴极块具有凹槽，该凹槽至少在一些区域中衬有石墨箔，其中，至少一个汇流条设置在至少一个凹槽中，并且汇流条至少在一些区域中具有铸铁的包络部。根据本发明，至少一个凹部设置在限定该至少一个凹槽的壁中，并且铸铁的包络部在至少一些部分中接合到该至少一个凹部中。本发明还涉及一种用于这种阴极组件的阴极块和一种用于制造这种用于铝电解槽的阴极组件的方法。

Description

阴极装置以及带有具有引导凹部的凹槽的阴极块

技术领域

本发明涉及一种用于铝电解槽的阴极装置、一种用于这种阴极装置的阴极块和一种用于制造这种阴极装置的方法。

背景技术

这种电解槽用于在工业上通常由霍尔-埃鲁法（Hall-Héroultprocess）实施的电解生产铝。在霍尔-埃鲁法中，由氧化铝和冰晶石组成的熔融物被电解。此处，冰晶石Na₃[AlF₆]用来将纯氧化铝的2045℃的熔点降低到包含冰晶石、氧化铝和添加剂诸如氟化铝和氟化钙的混合物的约950℃的熔点。

此法中所用的电解槽具有底部，该底部由形成阴极的多个邻接的阴极块组成。为了耐受在槽的操作期间主要的热条件和化学条件，阴极块通常由含碳材料组成。阴极块中的每个的底侧设有凹槽，在凹槽中的每个中布置至少一个汇流条，通过该汇流条，经由阳极供给的电流被放出。在该情形中，阴极块的限定凹槽的各个壁与汇流条之间的空隙经常用铸铁密封，以便凭借汇流条的利用铸铁产生的壳体将汇流条电连接和机械连接到阴极块。由单独的阳极快形成的阳极被布置在位于阴极顶侧的熔融铝层的上方约3cm至5cm，并且电解质即包括氧化铝和冰晶石的熔融物位于该阳极和铝的表面之间。在约1000℃下执行的电解期间，已经形成的铝沉淀在电解质层之下，即作为在阴极块的顶侧和电解质层之间的中间层，这是因为铝的密度与电解质的密度相比相对大。在电解期间，在冰晶石熔融物中溶解的氧化铝被电流的流动分开以形成铝和氧气。依照电化学，熔融铝层是实际的阴极，这是因为铝离子在熔融铝层的表面上被还原成元素铝。然而在下文中，用语“阴极”不会被理解为表示根据电化学观点的阴极，即熔融铝层，而是被理解为形成电解槽底部的并由一个或者多个阴极块组成的组件。

在霍尔-埃鲁法中使用的阴极装置的重大缺点是阴极装置的通过在电解期间阴极块表面的腐蚀而体现的自身相对低的耐磨性。在该情形中，由于阴极块内不均匀的电流分布，阴极块表面在阴极块的长度上不被均匀地腐蚀，而是被腐蚀为在阴极块的端部处增加的程度，因此，在一定的电解持续时间之后，阴极块的表面变成W形轮廓。作为阴极块表面的非均匀腐蚀的结果，阴极块的使用寿命被具有最大腐蚀的区域限制。

为了解决该问题，WO 2007/118510A2公开了一种阴极块，该阴极块具有凹槽，该凹槽被设计成用于接纳汇流条，且相对于阴极块长度，该凹槽在中央的深度比在阴极块端部的深度大。这在电解槽操作期间实现了在阴极块长度上的大致均匀的竖直的电流分布，结果是减少了在阴极块端部上的增强磨损，并且因此，增加阴极的使用寿命。

在霍尔-埃鲁法中使用的阴极装置的另一个缺点是它的相对高的电阻。相对高电阻的若干原因之一是，在汇流条和阴极的阴极块之间的接触电阻相对高，并且该接触电阻随阴极的操作时间增加而另外地增加。这首先是由于以下事实引起：在电解期间，熔融物的成分不期望地扩散到阴极块中，这导致形成例如β-氧化铝的绝缘层；其次是由于以下事实引起：在相对长的加载之后，汇流条的钢、铸铁和阴极块的碳开始蠕变，即在相对长的加载之后，汇流条的钢、铸铁和阴极块的碳不可逆地蠕变。

为了减少在汇流条和阴极块之间的接触电阻，并因而提高电解过程的能量效率，在WO 2007/071392 A2中已经提出在基于碳的或者基于石墨的阴极块的凹槽中的至少某些区域中衬有石墨箔。除了石墨箔由于石墨箔在两侧上良好的形状配合而降低在汇流条或嵌入石墨箔的固化铸铁层与阴极块之间的接触电阻的事实之外，石墨箔的弹性还意味着后者的该弹性还降低特别是随着阴极的操作时间增加而增加的该接触电阻，这是因为石墨箔填充了在汇流条的钢和阴极块的阴极蠕变期间所形成的在限定阴极块的凹槽的壁与汇流条之间的间隙。

然而，石墨箔具有带有非常良好的滑动性的光滑表面。在阴极块具有衬有石墨箔的凹槽的情形中，因此存在的风险是，如果例如阴极块在阴极块正在被安装时被升起或者由于其它原因被移动，容纳在该凹槽中的通常具有若干米的长度和几百千克的重量的汇流条随后会被以不受控制的方式在凹槽开口的深度方向上移位，或者甚至会从凹槽掉出来。该风险特别是在凹槽具有矩形横截面的情形中存在，对于阴极块的具有在凹槽的长度上变化的凹槽深度的凹槽，该矩形横截面实际上是唯一适用的形式。此外，由于汇流条在凹槽中滑动，而失去了在凹槽和铸铁之间的精确配合接触，并且这导致从汇流条到阴极块的较差的电流传输，并因此导致能量效率降低。最后，石墨箔不能被连接到铸铁，或者仅能被以非常小的程度连接到铸铁，并且因此通过将液体铸铁倾倒到在汇流条和石墨箔之间的间隙中来填充该间隙和随后使铸铁硬化或者凝固并不产生在石墨箔和铸铁之间的连接，而是仅使得汇流条被铸铁嵌入。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种阴极装置，该阴极装置用于引言中提到的类型的铝电解槽，该阴极装置具有低电阻，该电阻还特别在延长电解期间上是永久低的，并且特别是还在汇流条和阴极块之间具有低接触电阻，并且在该阴极装置中，可靠地防止了在阴极块的凹槽中的汇流条在与阴极块的纵向方向垂直地即在凹槽的深度方向上的不期望的随后移位，并且特别是防止了汇流条从凹槽中掉出来，以确切地特别是在具有通常用在具有在阴极块长度上变化的凹槽深度的阴极块中的矩形截面的凹槽的情形中。

根据本发明，该目的通过用于具有至少一个基于碳和/或石墨的阴极块的铝电解槽的阴极装置来实现，该阴极块具有至少在某些区域中衬有石墨箔的至少一个凹槽，其中，至少一个汇流条设置在该至少一个凹槽中并至少在某些区域中具有铸铁的壳体，其中，至少一个凹部设置在阴极块的限定该至少一个凹槽的壁中，并且铸铁的壳体至少在某些部分中接合到该至少一个凹部中。

该解决方案是基于如下而实现：如果在阴极块的限定凹槽的至少一个壁中设置至少一个凹部，并将至少在某些区域中用铸铁嵌入的汇流条被引入到凹槽中使得铸铁的壳体至少在某些部分中接合到凹部中，则在汇流条和具有衬有石墨箔的凹槽的阴极块之间实现了抵抗在与阴极块的纵向方向垂直的方向上的移位的精确配合的正锁定连接。根据本发明，已经确定的是，与所利用的石墨箔的高滑动性无关，这实现了在嵌入有铸铁的汇流条和阴极块之间与阴极块的纵向方向垂直的固定机械连接，该固定机械连接阻碍汇流条在该方向上的不期望的移位和特别是汇流条从衬有石墨箔的凹槽掉出来，确切地特别是甚至在如优选用于具有在阴极块长度上变化的凹槽深度的阴极块中的具有矩形横截面的凹槽的情形中。因此，由于石墨箔的电特性和机械特性而与凹槽的用石墨箔形成衬相关，根据本发明的阴极装置具有以下优点：提高在汇流条和阴极块之间的电流传输并因此提高能量效率，并且同时防止与石墨的高滑动性相关的以下缺点：汇流条在凹槽中在与阴极块的纵向方向垂直的方向上的不受控制的移动性，以及在电解槽***作相对长的时间的情况中，损害在汇流条和阴极块之间的电连接的伴随的可能性。

此外，本发明可以通过有针对性的方式利用石墨箔的滑动性来确保汇流条能够选择性地在凹槽中纵向移位，特别是在由在启动期间的温度变化引起的移动的情形中。

此外，能够用极低的成本制造根据本发明的具有上述优点的阴极装置且没有复杂的附加的工序。因此，在汇流条和阴极块之间设置的机械连接能够仅通过在带有铸铁的汇流条的已经需要的铸造期间填充阴极块的至少部分地以铸铁填充凹部来实现。这在汇流条、铸铁的壳体、石墨箔和阴极块之间实现了非常紧密的接触，从而有助于在汇流条和阴极块之间的特别低的接触电阻。此外，石墨箔吸收在阴极装置的操作期间与箔的平面垂直地产生的机械压力。

在本发明的情况中，在相对于纯表面粗糙度的限定，“凹部”被理解为指切口，基于壁的限定凹槽的表面，该切口的深度是至少0.05mm且优选是0.5mm。

此外，在本发明的情况中，“石墨箔”被理解为指不仅是薄石墨片，还特别是膨胀石墨的部分压缩坯或柔性板。

在本发明的情况中，“阴极装置”被理解为指具有至少一个凹槽的阴极块，其中，可能由铸铁嵌入的至少一个汇流条被接纳在至少一个凹槽中的每个凹槽中。类似地，该用语指均具有至少一个凹槽的多个阴极块的装置，其中，可能由铸铁嵌入的至少一个汇流条被接纳在至少一个凹槽中的每个凹槽中。

原则上，铸铁的壳体至少在凹部的区域中能够与石墨箔或与阴极块自身直接接触。虽然根据本发明这是优选的，但这不是绝对必要的。实际上对于在汇流条和阴极块之间产生期望的机械连接首要的是以下事实：铸铁的壳体至少在某些部分中接合到至少一个凹部中，即，至少在某些区域中填充由至少一个凹部形成的中空空间。

根据本发明的优选实施例，铸铁壳体的接合到至少一个凹部中的部分被构造成与凹部互补。这使得可以实现铸铁壳体到凹部中的特别良好的正锁定接合，因此实现将铸铁壳体和连接到铸铁壳体的汇流条特别有效地机械紧固到阴极块。

为了在铸铁壳体和阴极块之间实现特别良好的正配合，在本发明的概念的发展中提出，壳体的接合到该至少一个凹部中的部分以及如果合适的话由该壳体进行嵌入的汇流条填充凹部的至少70％、优选是至少80％、特别优选是至少90％、非常特别优选是至少95％且最优选是100％。因此可以特别可靠地防止汇流条在与阴极块的纵向方向垂直的方向上不期望的移位且防止特别是汇流条从凹槽掉出来。

有利的是，至少一个凹部中的每个在凹槽的整个长度的至少20％、优选是至少40％、特别优选是至少60％、非常特别优选是至少80％且最优是至少约是凹槽的整个长度上连续延伸。这能够防止汇流条在装配期间可能滑出凹槽。此外，如果凹部在凹槽长度的相当大部分上延伸，如上所述，可能确保汇流条在凹槽的纵向方向上的良好移位性，在该情形中，仍然可靠地防止了汇流条与凹槽的深度方向平行的不期望的移位。

原则上，阴极块也能够具有多个凹部，该多个凹部在凹槽的纵向方向上一个接着一个且通过凹槽的无凹部的部分彼此分离。当汇流条在阴极块中的纵向移位是不期望的时，该实施例是特别有利的。

为了确保铸铁壳体和汇流条被可靠地固定在阴极块中，该至少一个凹部的深度优选是2mm至40mm、特别优选是5mm至30mm且非常特别优选是10mm至20mm。

出于同样的原因，该至少一个凹部的开口宽度基于阴极块的高度优选是2mm至40mm、特别优选是5mm至30mm且非常特别优选是10mm至20mm。

结果，该至少一个凹部的横截面积优选是1.5mm²至1600mm²、特别优选是10mm²至900mm²并且非常特别优选40mm²至400mm²。尤其是对于具有多边形横截面的凹部且特别是对于具有矩形横截面的凹部，这些值是优选的。如果该至少一个凹部具有弯曲横截面，诸如例如大致半圆形横截面，该至少一个凹部的横截面积优选是1.5mm²至630mm²、特别优选是10mm²至350mm²、非常特别优选是40mm²至160mm²。

原则上，该至少一个凹部能够具有任何多边形横截面或弯曲横截面。尤其是如果该至少一个凹部的横截面是至少大致半圆形、三角形、矩形或梯形，则就铸铁壳体良好地正锁定接合到至少一个凹部中而言且同时就在铸造期间凹部的用铸铁进行的可靠且没有问题的填充而言获得良好的结果。

在本发明的概念的发展中，提出了至少一个凹部大致垂直地延伸到阴极块的限定凹槽的壁中。这在凹槽的深度方向上带来特别可靠的固定作用。

根据本发明——当在该凹槽的深度方向上考虑时——该至少一个凹部在它的端部的每个端部处被在凹部与凹槽壁的邻接部分之间的过渡区域限定。如果该过渡区域具有成角度的构造，则如从阴极块的内部观察时，在凹槽壁的邻接部分与凹部的壁之间的角度为优选是90度至160度、特别优选是90度至135度且非常特别优选是100度至120度。如果该过渡区域具有弯曲构造，可以但不必理想地是像圆地弯曲的构造，则过渡区域的曲率半径为优选是最大50mm、特别优选是最大20mm且非常特别优选是最大5mm。

根据本发明的另一个优选实施例，限定凹槽的壁包括底壁和两个侧壁，并且每个侧壁具有至少一个凹部，优选是与相应侧壁的表面垂直延伸的凹部。以这种方式，将汇流条保持在凹槽的两侧上，结果，汇流条能够被特别有效地固定在期望的位置中。原则上，还可以是多个凹部设置在侧壁中的一个或两个中，例如，至少1个、至少2个、至少3个或至少4个凹部设置在每个侧壁中，汇流条的铸铁壳体至少在某些部分中接合到该凹部中的每个中。作为结果，实现了在汇流条和阴极块之间的特别牢固的连接。优选是在越多凹部设置在凹槽中时，所有的各个凹部的深度和/或容积都越小。

优选是该至少一个凹部在凹槽的长度上处于距凹槽的底壁至少大致恒定的距离并与凹槽的底壁平行地延伸。在这种构造中，确保了汇流条与凹槽底部平行的移位。

根据本发明的另一个优选实施例，该至少一个凹部中的每个至少在某些区域中且优选是在凹部的全部范围上衬有石墨箔，在该情形中，不用说，凹槽的其余区域也优选在它们的整个范围上衬有石墨箔。结果，即使在凹部的区域中也在铸铁和阴极块之间产生特别低的接触电阻。此外，石墨箔的滑动性指：如果壁的限定凹槽的表面的大部分且优选是至少约整个表面衬有石墨箔，则可以确保汇流条如上所述地在至少一个凹部的纵向方向上且因而在阴极块的纵向方向上移位。在此情形中，石墨箔能够通过汇流条的铸铁壳体压靠凹部的边界，以带来特别良好的电接触，并且还带来特别有效的正配合。尤其是在加热电解槽用于启动期间，该效果变得重要，这是因为钢或铁的具体热膨胀系数是常规的阴极材料的特定热膨胀系数的大约三倍。

在阴极装置的制造期间，能够仅通过将石墨箔***凹槽中而使石墨箔填充凹部并然后将铸铁倾倒到凹槽中，使得石墨箔被挤压到凹部中，其中具体是将石墨箔直接压靠限定凹部的阴极块材料，来使凹槽的该至少一个凹部衬有石墨箔。

为了实现在阴极块长度上的均匀的竖直电流密度分布，在本发明的概念的发展中提出，至少一个凹槽的深度在凹槽的长度或阴极块的长度上变化，并且特别优选是对于凹槽的相对于纵向方向的中央的深度比凹槽的两个纵向侧端部的深度大。这在阴极块的整个长度上实现通过阴极装置供给的电流的均匀分布，作为结果，防止了在阴极块的纵向侧的端部处的过大电流密度，从而防止在阴极块的端部处的过早磨损。在本实施例中，用于凹槽的实际上唯一可适用的横截面形状是矩形的，因此，本发明的效果，具体是可靠地防止汇流条从凹槽开口掉出来，在此处特别明显。

在阴极块的长度上的这种均匀的电流密度分布防止由电磁场的相互作用引起的铝熔融物移动，并且由此，能够以在铝熔融物表面的上方的较小高度布置阳极。这减少在阳极和铝熔融物之间的电阻，并增加被执行的熔盐电解的能量效率。

另外，在阴极块具有可变深度的凹槽的上述实施例中，阴极块的至少一个凹部被优选构造成使得该至少一个凹部在凹槽的整个长度上处于距凹槽的底部大致恒定的距离处，以便因此使得可以沿阴极块的纵向方向根据需要移位汇流条。

根据本发明的阴极装置还毫无疑问地特别适合使用常规的凹槽和/或汇流条的几何形状。通过实例的方式，凹槽和/或汇流条能够通常具有大致矩形的横截面。优选的是，特别是如果凹槽的深度在纵向方向上变化。特别是汇流条还能够通常由钢制成。

在本发明的概念的发展中，提出了至少在某些区域中为凹槽形成衬的石墨箔包含膨胀石墨，且特别优选是经压缩的膨胀石墨，该经压缩的膨胀石墨特别优选不含粘结剂。非常特别优选是至少在某些区域中为凹槽形成衬的石墨箔由膨胀石墨且特别优选是不含粘结剂的经压缩的膨胀石墨构成。如上文所述，原则上，箔还能够由大致板状的坯形成，该坯包含膨胀石墨，并且在该情形中，该坯具有足够的弹性以被弹性变形使得它允许凹部的通过铸铁壳体进行的上述填充，并在此期间能够被在铸铁和限定凹槽的壁之间***到该凹部中。

石墨箔的石墨含量优选是至少60％、进一步优选是至少70％、特别优选是至少80％、尤其优选是至少90％且非常特别优选是至少约100％。

特别是如果石墨箔的厚度在0.2mm和3mm之间、优选是在0.2mm和1mm之间且特别优选是在0.3mm和0.5mm之间，则获得了就石墨的机械性能和电性能的最优开发而言的良好效果。

取决于期望的性能，能够将石墨箔***或胶接到凹槽中。特别是如果仅以相对小的程度将石墨箔压靠凹部的表面，或者如果要防止石墨箔在阴极块的纵向方向上的无论多么小的移位，则将石墨箔胶接到凹槽中是优选的。

根据本发明的另一个优选实施例，阴极块具有一个或两个凹槽，该凹槽用于在每种情况中接纳至少一个汇流条。原则上，在本发明的情况中可以的是阴极块的一个凹槽恰好接纳一个汇流条，但在特殊情况下也可以接纳***凹槽的长度的不同部分中的两个汇流条。在该情形中，汇流条能够被布置成使得汇流条在汇流条的表面上彼此相对地放置。

本发明还涉及一种用于铝电解槽的阴极装置的阴极块，该阴极装置基于碳和/或石墨，该阴极块具有至少一个凹槽，该凹槽用于接纳汇流条，其中，至少一个凹部设置在阴极块的限定该至少一个凹槽的壁中。这种阴极块能够有利地用作上述阴极装置的组成部件。此处，能够基于无定形碳、石墨碳、石墨化碳或以上碳的任何所需的混合物来构造阴极块。

本发明还涉及一种用于制造用于铝电解槽的阴极装置的方法，该方法包括以下步骤：

提供基于碳和/或石墨的阴极块，该阴极块具有至少一个凹槽，该凹槽用于接纳汇流条，其中，至少一个凹部设置在阴极块的限定该至少一个凹槽的壁中，

使该至少一个凹槽的至少一个区域衬有石墨箔，

将汇流条***到该至少一个凹槽中，

在石墨箔和汇流条之间将液体铸铁倾倒到该至少一个凹部的在石墨箔和汇流条之间的至少一部分中，并且

允许铸铁固化。

铸铁柱的静压力将位于凹槽中的石墨箔推进到该至少一个凹部中，在该至少一个凹部中，石墨箔特别是被压靠限定该至少一个凹部的阴极块。由此，可以特别容易地制造具有部分地或完全地由石墨箔形成衬的凹部的阴极装置，该阴极装置具有在汇流条和阴极块之间的特别低的接触电阻。在加热电解槽用于启动期间，通过钢或铁和阴极材料的不同热膨胀来实现特别紧密的接触。

能够在***汇流条之前将石墨箔***和/或胶接到凹槽中。凹槽中的石墨箔的松动***部能够足以作为预固定部，这是因为石墨箔优选在铸造期间被铸铁压靠在阴极块的限定凹槽的至少一个壁。

为了制造阴极块，能够将含碳或含石墨的起始材料或多种制造材料的混合物引入到模具中，然后对该材料或该混合物压实以形成生坯体。在此情形中的起始材料优选以微粒或粒状形式存在。然后，能够将生坯体加热并从而碳化且如果合适的话进行石墨化。在本发明的情况中，可以使用碳化阴极块和石墨化阴极块，该碳化阴极块被理解为指以***极块：该阴极块在该阴极块的生产期间已经经历直到至多1500℃且优选在800℃和1200℃之间的热处理，并有高含量的无定形碳；该石墨化阴极块被理解为指以***极碳块：该阴极块在该阴极块的生产期间已经经历超过2000℃且优选在2300℃和2700℃之间的热处理，并具有高含量的类石墨碳。最后，可以使用基于石墨碳的阴极块，即没有被石墨化的但已将石墨作为起始材料添加的那些阴极块。

作为用于碳化阴极块的起始物质，例如使用煅烧无烟煤、石墨和煤焦油沥青和/或石油沥青的混合物，因而石墨阴极块例如由含有石墨和煤焦油沥青和/或石油沥青的混合物制成。此处，石墨指天然石墨和合成石墨。

根据方法的有利发展，在阴极块的制造期间，将含有碳和/或石墨的起始材料引入到模具中，该模具具有与该至少一个凹部互补地形成的突起。

类似地，该至少一个凹部能够通过随后移除和/或消除阴极块的限定凹槽的至少一个壁的阴极块材料来制造。可以具体对于凹部随后通过铣削过程来引入，在此情形中，用于引入凹部的铣削头的横截面优选是与凹部对应的。

本发明还涉及一种阴极装置，该阴极装置通过上述方法获得。

附图说明

在下文中，基于有利的实施例并参照附图，完全通过示例对本发明进行描述。

图中：

图1示出具有根据本发明的示例性实施例的阴极装置的铝电解槽的细节的横截面图，

图2示出图1中所示的铝电解槽的阴极装置的纵截面图，并且

图3a至图3d示出在根据本发明的阴极块的凹槽中设置的凹部的示例性横截面图。

具体实施方式

图1示出具有阴极装置12的铝电解槽10的细节的横截面图，该阴极装置12同时形成用于在铝电解槽10的操作期间产生的铝熔融物14并用于位于铝熔融物14的上方的冰晶石-氧化铝熔融物16的槽的底部。阳极18与冰晶石-氧化铝熔融物16接触。在侧部，由铝电解槽10的下部形成的槽通过碳和/或石墨衬（在图1中未示出）限定。

阴极装置12包括多个阴极块20，该阴极块20均通过已经被***到布置在阴极块20之间的捣打料块接头22中的捣打料块（rampingcomposition）24而被彼此连接。在该情形中的阴极块20包括两个凹槽26，该凹槽26被布置在阴极块20的下侧并具有矩形特别是大致矩形的横截面，其中，同样具有矩形横截面的钢汇流条28被接纳在每个凹槽26中。此处，限定凹槽26的每个壁32、34由图1中用虚线所示的石墨箔30形成衬。

凹槽26均通过阴极块20的两个侧壁32和底壁34限定，其中大致垂直地延伸到侧壁32中并具有大致半圆形的截面的凹部36设置在侧壁32中的每个侧壁32中。每个凹部36通过阴极块20的上下过渡区域37限定。在本示例性实施例中，过渡区域37具有成角度的构造，其中在凹槽壁和凹部壁的邻接部分之间的角度α是90度。在该情形中，在汇流条28和衬有石墨箔30的凹槽26之间的间隙在每个情形中倒出铸铁38，因此石墨箔30被固定在铸铁38和阴极块20之间。在该情形中，石墨箔30通过铸铁38而被压靠限定相应凹槽26的壁32、34。在本示例性实施例中，凹部36也均用石墨箔30形成衬，在该情形中，铸铁38正填充有衬的凹部36并将石墨箔30压靠限定凹部36的阴极块20。以这种方式，在凹槽26的整个横截面上确保在汇流条28和阴极块20之间的低接触电阻。铸铁38形成用于汇流条28的壳体39，并被一体地连接到汇流条28。

此外，在每种情形中接纳在凹部36中的铸铁38与阴极块20的限定凹部36的材料一起形成正锁定连接，并且这防止连接到铸铁38的汇流条28在箭头40的方向上移动。这防止汇流条28在凹槽26的深度方向上的不期望的移动，或者甚至防止汇流条28从凹槽26掉出来。

图1具体示出阴极装置10的在阴极块20的纵向侧端的横截面。在该情形中，阴极块20的凹槽26的深度在凹槽26的长度上变化。在图1中用虚线42示出在凹槽26的中央的区域中的凹槽横截面。在本示例实施例中，在凹槽26的纵向侧的端部处的凹槽深度与在凹槽26的中央处的凹槽深度之间的差是约10cm。每个凹槽26的宽度44在整个凹槽长度上大致是恒定的，并且是约15cm，因而阴极块20中的每个的宽度46是约65cm。

在本示例实施例中，多个阳极18和多个阴极块20被布置成一者位于另一者的上方，使得每个阳极18在宽度上覆盖彼此并排布置的两个阴极块20并在长度上覆盖半个阴极块20，在此情形中彼此并排布置的两个阳极18覆盖阴极块20的长度。

图2是示出图1中所示的阴极块20的纵截面图。如从图2能够看出的，在凹槽26的纵截面图中考虑，凹槽26以三角形的形式朝向阴极块20的中央逐渐变细，结果是在整个阴极长度上确保大致均匀的竖直电流密度。如图2中用虚线所示，凹部36此处与凹槽底部34平行地延伸，并在凹槽26的长度上具有距凹槽底部34的恒定距离。在本示例性实施例中，在图2中出于更清晰的原因而未示出的汇流条28具有条状形式并具有矩形的纵截面，以便形成在汇流条与凹槽底部34之间的间隙，该间隙在尺寸上朝向凹槽26的中央增加，并能够由铸铁38或由连接到汇流条28的附加的金属板填充。类似地，还可以利用在汇流条28的纵截面中与凹槽26的三角形轮廓匹配的汇流条28。

最后，图3a至图3d以横截面示出在根据本发明的阴极块20的凹槽中设置的示例性凹部36。此处，凹部36均具有大致半圆形的横截面（图3a）、大致梯形的横截面（图3b）或大致三角形的横截面（图3c）。如从阴极块20的内部看，凹部36的壁与凹槽壁32的邻接部分之间的过渡区域37的角度α在此情形中在图3a中是约90度、在图3b中是约120度、在图3c中是约125度。图3d示出以下构造，在该构造中，具有如图3c中所示的三角形截面的多个凹部36被在凹槽26的深度方向上连续布置，以便特别可靠地保持***的汇流条28。在此情形中，如从阴极块20的内部看，在两个邻接凹部36之间的过渡区域48具有在两个邻接凹部36的壁之间的约70度的角度β。图3a至图3d中所示的凹部36均垂直延伸到阴极块20的限定凹槽26的侧壁32中，以使凹部36与接纳在凹部36中的铸铁一起形成固定部，这在凹槽26的深度方向上是有效的并在汇流条28已经被用铸铁38铸造之后防止汇流条28在与凹槽26的深度方向平行的不期望的移动。

附图标记列表

10  铝电解槽

12  阴极装置

14  铝熔融物

16  冰晶石-氧化铝熔融物

18  阳极

20  阴极块

22  捣打料块接头

24  捣打料块

26  凹槽

28  汇流条

30  石墨箔

32  侧壁

34  底壁

36  凹部

37  凹部的壁与凹槽的邻接部分之间的过渡区域

38  铸铁

39  壳体

40  箭头

42  虚线

44  凹槽26的宽度

46  阴极块20的宽度

48  在两个邻接凹部之间的过渡区域

α  在凹部的壁与凹槽壁的邻接部分之间的角度

β  在两个邻接的凹部的壁之间的角度

Claims (29)

1.一种用于铝电解槽（10）的阴极装置，所述阴极装置具有至少一个基于碳和/或石墨的阴极块（20），所述阴极块（20）具有至少一个凹槽（26），所述至少一个凹槽（26）至少在某些区域中衬有石墨箔（30），其中，至少一个汇流条（28）设置在所述至少一个凹槽（26）中并至少在某些区域中具有铸铁（38）的壳体（39），

其特征在于，

至少一个凹部（36）设置在所述阴极块（20）的、限定所述至少一个凹槽（26）的壁（32、34）中，并且所述铸铁（38）的壳体（39）至少在某些部分中接合到所述至少一个凹部（36）中。

2.根据权利要求1所述的阴极装置，

其特征在于，

接合到所述至少一个凹部（36）中的所述铸铁（38）的壳体（39）的部分被构造成与所述凹部（36）互补。

3.根据权利要求1或2所述的阴极装置，

其特征在于

接合到所述至少一个凹部（36）中的所述壳体（39）的部分和如果合适的话由所述壳体包封的汇流条（28）填充所述凹部（36）的至少70％、优选至少80％、特别优选至少90％、非常特别优选至少95％且最优选至少100％。

4.根据前述权利要求中的至少一项所述的阴极装置，

其特征在于，

所述至少一个凹部（36）中的每个凹部在所述凹槽（26）的长度的至少20％、优选是至少40％、特别优选是至少60％、非常特别优选是至少80％上连续延伸且最优选至少近似在所述凹槽（26）的整个长度上连续延伸。

5.根据前述权利要求中的至少一项所述的阴极装置，

其特征在于，

所述至少一个凹部（36）中的每个凹部的深度是2mm至40mm、优选是5mm至30mm且特别优选是10mm至20mm。

6.根据前述权利要求中的至少一项所述的阴极装置，

其特征在于，

基于所述阴极块的高度，所述至少一个凹部（36）中的每个凹部的开口宽度是2mm至40mm、优选是5mm至30mm且特别优选是10mm至20mm。

7.根据前述权利要求中的至少一项所述的阴极装置，

其特征在于，

所述至少一个凹部（36）中的每个凹部的横截面面积优选是1.5mm²至1600mm²、优选是10mm²至900mm²且特别优选是40mm²至400mm²。

8.根据前述权利要求中的至少一项所述的阴极装置，

其特征在于，

所述至少一个凹部（36）具有至少大致半圆形、三角形、矩形或梯形的横截面。

9.根据前述权利要求中的至少一项所述的阴极装置，

其特征在于，

所述凹部（36）大致垂直延伸到所述阴极块（20）的、限定所述凹槽（26）的壁（32、34）中。

10.根据前述权利要求中的至少一项所述的阴极装置，

其特征在于，

当在所述凹槽（26）的深度方向上考虑时，所述至少一个凹部（36）在它的端部中的每个端部处被所述凹部（36）与所述凹槽壁（32、34）的邻接部分之间的过渡区域（37）限定，其中，所述过渡区域（37）中的每个过渡区域具有成角度的构造，其中，在从所述阴极块的内部看时，在所述凹部（36）的壁与所述凹槽壁（32、34）的邻接部分之间的角度（α）是90度至160度、优选是90度至135度且特别优选是100度至120度。

11.根据权利要求1至9中的至少一项所述的阴极装置，

其特征在于，

当在所述凹槽（26）的深度方向上考虑时，所述至少一个凹部（36）在它的端部中的每个端部处被在所述凹部（36）与所述凹槽壁（32、34）的邻接部分之间的过渡区域（37）限定，其中，所述过渡区域（37）中的每个过渡区域具有弯曲构造，其中，所述过渡区域的曲率半径是最大50mm、优选是最大20mm且特别优选是最大5mm。

12.根据前述权利要求中的至少一项所述的阴极装置，

其特征在于，

限定所述凹槽（26）的所述壁（32、34）包括底壁（34）和两个侧壁（32），每个侧壁（32）具有至少一个凹部（36）。

13.根据前述权利要求中的至少一项所述的阴极装置，

其特征在于，

所述至少一个凹部（36）在所述凹槽（26）的长度上处于距所述凹槽（26）的所述底壁（34）大致恒定的距离处。

14.根据前述权利要求中的至少一项所述的阴极装置，

其特征在于，

所述至少一个凹部（36）中的每个凹部至少在某些区域中且优选在其全部范围上衬有所述石墨箔（30），并且所述至少一个凹槽（26）中的每个凹槽优选在其全部范围上衬有所述石墨箔（30）。

15.根据权利要求14所述的阴极装置，

其特征在于，

所述石墨箔（30）由所述汇流条（28）的铸铁（38）的壳体（39）压靠至所述凹部（36）的边界。

16.根据前述权利要求中的至少一项所述的阴极装置，

其特征在于，

所述凹槽（26）的深度在所述凹槽（26）的长度上变化。

17.根据权利要求16所述的阴极装置，

其特征在于，

所述凹槽（26）的纵向侧端部的深度比所述凹槽（26）的中央的深度小。

18.根据前述权利要求中的至少一项所述的阴极装置，

其特征在于，

所述至少一个凹槽（26）中的每个凹槽具有至少大致矩形的横截面。

19.根据前述权利要求中的至少一项所述的阴极装置，

其特征在于，

所述至少一个汇流条（28）中的每个汇流条具有大致矩形的横截面。

20.根据前述权利要求中的至少一项所述的阴极装置，

其特征在于，

所述石墨箔（30）包含膨胀石墨或由膨胀石墨构成，所述膨胀石墨优选地是至少部分压缩的膨胀石墨。

21.根据前述权利要求中的至少一项所述的阴极装置，

其特征在于，

所述石墨箔（30）的厚度在0.2mm和3mm之间、优选是在0.2mm和1mm之间且特别优选是在0.3mm和0.5mm之间。

22.根据前述权利要求中的至少一项所述的阴极装置，

其特征在于，

所述石墨箔（30）被***和/或胶接到所述凹槽（26）中。

23.根据前述权利要求中的至少一项所述的阴极装置，

其特征在于，

所述阴极块（20）具有一个或两个凹槽（26）用于在每种情形中接纳至少一个汇流条（28）。

24.一种用于铝电解槽（10）的阴极装置（12）的阴极块，所述阴极块基于碳和/或石墨，并且具有至少一个凹槽（26），所述凹槽（26）用于接纳汇流条（28），

其特征在于，

至少一个凹部（36）设置在所述阴极块（20）的、限定所述至少一个凹槽（26）的壁（32、34）中。

25.一种用于制造用于铝电解槽（10）的阴极装置（12）的方法，所述方法包括以下步骤：

-提供基于碳和/或石墨的阴极块（20），所述阴极块（20）具有至少一个凹槽（26），所述凹槽（26）用于接纳汇流条（28），其中，至少一个凹部（36）设置在所述阴极块（20）的、限定所述至少一个凹槽（26）的壁（32、34）中，

-使所述至少一个凹槽（26）的至少一个区域衬有石墨箔（30），

-将汇流条（28）***到所述至少一个凹槽（26）中，

-将液体铸铁倾倒到所述至少一个凹部（36）的、在所述石墨箔（36）和所述汇流条（28）之间的至少一部分中，并且

-使所述铸铁（38）固化。

26.根据权利要求25所述的方法，

其特征在于，

将所述石墨箔（30）***和/或胶接到所述凹槽（26）中。

27.根据权利要求25或26所述的方法，

其特征在于，

在所述阴极块（20）的制造期间，将含有碳和/或石墨的材料引入到模具中，所述模具具有形成为与所述至少一个凹部（36）互补的突起。

28.根据权利要求25至27中的至少一项所述的方法，

其特征在于，

所述至少一个凹部（36）通过移除和/或消除所述阴极块（20）的、限定所述凹槽（26）的所述壁（32、34）的材料来制造。

29.一种阴极装置，所述阴极装置通过根据权利要求25至28中的至少一项所述的方法而获得。

Images