DE102022129669A1 - Cathode current collector and connector assembly for an aluminum electrolytic cell - Google Patents

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Seweryn MIELNIK
Oscar Vera Garcia
René Von Kaenel
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kathodenstromkollektor- und -verbinderanordnung, einen Teilesatz zur Herstellung eines Kathodenstromkollektors und eine Aluminiumelektrolysezelle mit einer Kathodenstromkollektor- und -verbinderanordnung.The invention relates to a cathode current collector and connector assembly, a kit of parts for producing a cathode current collector, and an aluminum electrolysis cell with a cathode current collector and connector assembly.

Description

BEREICH DER ERFINDUNGSCOPE OF INVENTION

Die Erfindung betrifft eine Kathodenstromkollektor- und verbinderanordnung, einen Satz von Teilen zur Herstellung eines Kathodenstromkollektors und eine Aluminiumelektrolysezelle mit einer Kathodenstromkollektor und -verbinderanordnung.The invention relates to a cathode current collector and connector assembly, a set of parts for producing a cathode current collector and an aluminum electrolysis cell with a cathode current collector and connector assembly.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Aluminium wird nach dem Hall-Heroult-Verfahren durch Elektrolyse von in Kryolith gelösten Elektrolyten bei einer Temperatur von bis zu 1000°C hergestellt. Eine typische Hall-Heroult-Zelle besteht aus einem Stahlmantel, einer isolierenden Auskleidung aus feuerfesten Materialien und einer Kohlenstoffkathode, die das flüssige Metall hält. Die Kathode besteht aus einer Reihe von Kathodenblöcken, in deren Boden Kollektorbarren eingebettet sind, um den durch die Zelle fließenden Strom abzuleiten.Aluminium is produced by the Hall-Heroult process by electrolysis of electrolytes dissolved in cryolite at a temperature of up to 1000°C. A typical Hall-Heroult cell consists of a steel shell, an insulating lining made of refractory materials and a carbon cathode that holds the liquid metal. The cathode consists of a series of cathode blocks with collector bars embedded in the bottom to conduct the current flowing through the cell.

In einer Reihe von Patentveröffentlichungen wurden verschiedene Ansätze zur Minimierung des Spannungsabfalls zwischen dem flüssigen Metall und dem Ende der Kollektorbarren vorgeschlagen. WO2008/062318 offenbart die Verwendung eines hochleitfähigen Materials als Ergänzung zu den bestehenden Stahlkollektorbarren und verweist auf WO 02/42525 , WO 01/63014 , WO 01/27353 , WO 2004/031452 und WO 2005/098093 , die Lösungen mit Kupfereinsätzen innerhalb der Stahlkollektorbarren offenbaren. Das US-Patent 4,795,540 unterteilt die Kathode ebenso wie die Kollektorbarren in Abschnitte. WO2001/27353 und WO2001/063014 verwenden hochleitfähige Materialien im Inneren der Kollektorbarren. US 2006/0151333 behandelt die Verwendung unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeiten in den Kollektorbarren. WO 2007/118510 schlägt vor, den Querschnitt des Kollektorbarrens zu vergrößern, wenn man sich zur Mitte der Zelle bewegt, um die Stromverteilung an der Oberfläche der Kathode zu verändern. In US 5,976,333 und 6,231,745 wird die Verwendung eines Kupfereinsatzes im Inneren des Stahlkollektorbarrens offenbart. EP 2 133 446 A1 beschreibt Kathodenblockanordnungen zur Veränderung der Oberflächengeometrie der Kathode, um die Wellen an der Oberfläche des Metallpads zu stabilisieren und damit den ACD (Anoden-Kathoden-Abstand) zu minimieren. Die WO 2011/148347 beschreibt eine Kohlenstoffkathode einer Aluminiumproduktionszelle, die hoch elektrisch leitende Einsätze enthält, die in der Kohlenstoffkathode eingeschlossen sind. Diese Einsätze verändern die Leitfähigkeit des Kathodenkörpers, sind aber nicht an der Stromsammlung und -abnahme durch die Kollektorbarren beteiligt. Die elektrische Leitfähigkeit von geschmolzenem Kryolith ist sehr niedrig, und der ACD kann nicht wesentlich verringert werden, da magneto-hydrodynamische Instabilitäten auftreten, die zu Wellen an der Grenzfläche Metall-Bad (Metall-Kryolith-Elektrolyt) führen. Das Vorhandensein von Wellen führt zu einem Verlust der Stromeffizienz des Prozesses und erlaubt es nicht, den Energieverbrauch unter einen kritischen Wert zu senken. Im Durchschnitt ist die Stromdichte in der Aluminiumindustrie so, dass der Spannungsabfall im ACD minimal bei 0,3 V/cm ist. Bei einem ACD von 3 bis 5 cm beträgt der Spannungsabfall im ACD typischerweise 1,0 V bis 1,5 V. Das Magnetfeld im Inneren des Flüssigmetalls ist das Ergebnis der Ströme, die in den externen Stromschienen fließen, und der internen Ströme. Die interne lokale Stromdichte im Flüssigmetall wird hauptsächlich durch die Geometrie der Kathode und ihrer lokalen elektrischen Leitfähigkeit bestimmt. Das magnetische Feld und die Stromdichte erzeugen das Lorentz-Kraftfeld, das seinerseits die Kontur der Metalloberfläche und das Geschwindigkeitsfeld des Metalls erzeugt und die grundlegende Umgebung für die Stabilität der magneto-hydrodynamischen Zelle definiert. Die Stabilität der Zelle kann als die Fähigkeit ausgedrückt werden, den ACD zu senken, ohne instabile Wellen an der Oberfläche des Metallpads zu erzeugen. Das Stabilitätsniveau hängt von der Stromdichte und den induzierten Magnetfeldern, aber auch von der Form des Flüssigmetallbads ab. Die Form des Bades hängt von der Oberfläche der Kathode und der Form der Kanten ab. Die Lösungen nach dem Stand der Technik entsprechen bis zu einem gewissen Grad dem erforderlichen magneto-hydrodynamischen Zustand, um eine gute Zellstabilität (niedrige ACD) zu erreichen, aber die Lösungen, die Kupfereinsätze verwenden, erfordern oft anspruchsvolle Bearbeitungsprozesse.A number of patent publications have proposed various approaches to minimize the voltage drop between the liquid metal and the end of the collector bars. WO2008/062318 discloses the use of a highly conductive material as a supplement to the existing steel collector bars and refers to WO 02/42525 , WO 01/63014 , WO 01/27353 , WO 2004/031452 and WO 2005/098093 , which disclose solutions with copper inserts within the steel collector bars. The US patent 4,795,540 divides the cathode as well as the collector bars into sections. WO2001/27353 and WO2001/063014 use highly conductive materials inside the collector bars. US2006/0151333 deals with the use of different electrical conductivities in the collector bars. WO 2007/118510 suggests increasing the cross-section of the collector bar as one moves towards the center of the cell to change the current distribution at the surface of the cathode. In US$5,976,333 and 6,231,745 the use of a copper insert inside the steel collector bar is disclosed. EP 2 133 446 A1 describes cathode block arrangements to change the surface geometry of the cathode in order to stabilize the waves on the surface of the metal pad and thus minimize the ACD (anode-cathode distance). The WO 2011/148347 describes a carbon cathode of an aluminum production cell containing highly electrically conductive inserts enclosed in the carbon cathode. These inserts modify the conductivity of the cathode body but are not involved in the current collection and collection by the collector bars. The electrical conductivity of molten cryolite is very low and the ACD cannot be significantly reduced because of magneto-hydrodynamic instabilities that result in waves at the metal-bath (metal-cryolite-electrolyte) interface. The presence of waves leads to a loss of current efficiency of the process and does not allow to reduce energy consumption below a critical value. On average, the current density in the aluminum industry is such that the voltage drop in the ACD is minimal at 0.3 V/cm. For an ACD of 3 to 5 cm, the voltage drop in the ACD is typically 1.0 V to 1.5 V. The magnetic field inside the liquid metal is the result of the currents flowing in the external busbars and the internal currents. The internal local current density in the liquid metal is mainly determined by the geometry of the cathode and its local electrical conductivity. The magnetic field and the current density generate the Lorentz force field, which in turn generates the contour of the metal surface and the velocity field of the metal, defining the fundamental environment for the stability of the magneto-hydrodynamic cell. The stability of the cell can be expressed as the ability to lower the ACD without generating unstable waves at the surface of the metal pad. The stability level depends on the current density and the induced magnetic fields, but also on the shape of the liquid metal bath. The shape of the bath depends on the surface of the cathode and the shape of the edges. The state-of-the-art solutions meet to a certain extent the required magneto-hydrodynamic state to achieve good cell stability (low ACD), but the solutions using copper inserts often require sophisticated machining processes.

Daher ist in den letzten Jahren ein Trend zu beobachten, Kollektorbarren aus Stahl, die mit Kupfereinsätzen versehen sind, durch reine Kupferkollektorbarren zu ersetzen. Beispielsweise offenbart die WO 2016/079605 einen hoch elektrisch leitfähigen Kollektorbarren, der einen zentralen Teil umfasst, der sich unter einem zentralen Teil der Kohlenstoffkathode befindet, der üblicherweise direkt in einer Kathodennut oder einem Durchgangsloch angeordnet ist oder ein U-förmiges Profil als Träger verwendet, Dieser zentrale Teil des hoch elektrisch leitenden Kollektorbarrens steht zumindest mit seiner oberen Außenfläche in direktem elektrischen Kontakt mit der Kohlenstoffkathode oder in Kontakt mit der Kohlenstoffkathode über eine elektrisch leitende Grenzfläche, die durch einen elektrisch leitenden Klebstoff und/oder eine elektrisch leitende flexible Folie oder ein Blatt gebildet wird, die bzw. das auf der Oberfläche des hoch elektrisch leitenden Kollektorbarrens angebracht ist. Das Material des hoch elektrisch leitenden Kollektorbarrens wird aus Kupfer, Aluminium, Silber und deren Legierungen ausgewählt und umfasst ein oder zwei äußere Teile, die sich neben und auf einer Seite oder auf beiden Seiten des mittleren Teils befinden, sowie ein oder mehrere Endteile, die sich von dem/den äußeren Teil(en) nach außen erstrecken. Diese(s) Endteil(e) der hoch elektrisch leitenden Kollektorbarre(n) ist/sind jeweils mit einem Stahlkonduktorbarren mit größerer Querschnittsfläche als die hoch elektrisch leitende Kollektorbarre elektrisch in Reihe geschaltet, wobei sich der/die Stahlkonduktorbarre(n) nach außen erstreckt/erstrecken, und das/die Endteil(e) dieser Stromkollektor und -verbinderanordnung einschließlich des Stahlkonduktorbarrens als Kathodenanschlußpunkt an eine externe Stromsammelschiene dienen.Therefore, in recent years there has been a trend to replace steel collector bars with copper inserts with pure copper collector bars. For example, the WO 2016/079605 a highly electrically conductive collector bar comprising a central part located under a central part of the carbon cathode, which is usually arranged directly in a cathode groove or through-hole or uses a U-shaped profile as a support, This central part of the highly electrically conductive collector bar is in direct electrical contact with the carbon cathode at least with its upper outer surface or in contact with the carbon cathode via an electrically conductive interface formed by an electrically conductive adhesive and/or an electrically conductive flexible foil or sheet applied to the surface of the highly electrically conductive collector bar. The material of the highly electrically conductive collector bar is made of copper, aluminum, silver and their alloys. and comprises one or two outer portions located adjacent to and on one side or both sides of the central portion, and one or more end portions extending outwardly from the outer portion(s). These end portion(s) of the highly electrically conductive collector bar(s) are each electrically connected in series with a steel conductor bar of larger cross-sectional area than the highly electrically conductive collector bar, the steel conductor bar(s) extending outwardly, and the end portion(s) of this current collector and connector assembly including the steel conductor bar serve as a cathode connection point to an external current bus bar.

In einer Aluminiumproduktionsanlage ist eine Vielzahl von Zellen in Reihe angeordnet und elektrisch in Serie geschaltet. Das Sammelschienensystem stellt die elektrische Verbindung von den Kathoden der vorgelagerten Reduktionszellen zu den Anoden der nachgelagerten Zellen her. Es besteht aus mindestens einem horizontalen starren Träger, der mindestens eine horizontale leitende Stange trägt, die einen Anodenrahmen umfasst, an dem Anodenaufhängeachsen befestigt sind. Jede Zelle umfasst regelmäßig mehrere parallel angeordnete Kathodenstromkollektor- und -verbinderanordnungen in Längsrichtung, die jeweils zwei an den Endpunkten der Anordnung angeordnete Anschlusspunkte aufweisen. Die Anschlussstellen sind elektrisch mit der Versorgungssammelschiene verbunden, um den Stromfluss zu ermöglichen. Insbesondere durch abweichende Weglängen des Stroms von den verschiedenen Kathodenanschlusspunkten zur nachgelagerten Zellanode kommt es zu einer ungleichen Stromverteilung innerhalb des Sammelschienensystems und damit in der Kathode, mit unterschiedlicher Stromaufnahme durch die Kollektorbarren. Daher gibt es Bestrebungen, die Stromverteilung durch eine Änderung der Sammelschienenkonstruktion zu verbessern, z.B. durch Anpassung der erforderlichen Weglänge, Gruppierung von Kathodenschienen zu gemeinsamen Sammelschienenabschnitten oder Verwendung von Sammelschienen mit unterschiedlichem Querschnitt.In an aluminum production plant, a large number of cells are arranged in series and electrically connected in series. The busbar system provides the electrical connection from the cathodes of the upstream reduction cells to the anodes of the downstream cells. It consists of at least one horizontal rigid support carrying at least one horizontal conductive rod comprising an anode frame to which anode suspension axes are attached. Each cell regularly comprises several cathode current collector and connector assemblies arranged in parallel in the longitudinal direction, each having two connection points arranged at the end points of the arrangement. The connection points are electrically connected to the supply busbar to enable the flow of current. In particular, due to differing path lengths of the current from the various cathode connection points to the downstream cell anode, an uneven current distribution occurs within the busbar system and thus in the cathode, with different current consumption by the collector bars. Therefore, there are efforts to improve current distribution by changing the busbar design, e.g. by adjusting the required path length, grouping cathode bars into common busbar sections or using busbars with different cross-sections.

Die Änderung der Sammelschienenstruktur ist jedoch aufwändig und kostspielig und kann nicht in bereits bestehenden Zellen durchgeführt werden, weshalb noch Verbesserungsbedarf im Hinblick auf ein einfaches und effizientes Zelldesign besteht, um unausgewogene Stromflüsse zu kompensieren, die zu asymmetrischem Verschleißverhalten, instabiler Zellleistung und den damit verbundenen negativen Auswirkungen auf den Zellwirkungsgrad führen können.However, changing the busbar structure is complex and costly and cannot be performed in existing cells, which is why there is still a need for improvement in terms of a simple and efficient cell design to compensate for unbalanced current flows, which can lead to asymmetric wear behavior, unstable cell performance and the associated negative effects on cell efficiency.

GEGENSTAND DER ERFINDUNGSUBJECT OF THE INVENTION

Folglich ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Kathodenstromkollektor- und -verbinderanordnung für eine Aluminiumelektrolysezelle bereitzustellen, die eine höhere und stabilere Leistung aufweist und die es ermöglicht, eine Elektrolyse mit einem dauerhaft niedrigen Übergangswiderstand und geringen Spannungsabfällen durchzuführen.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a cathode current collector and connector assembly for an aluminum electrolysis cell which has higher and more stable performance and which enables electrolysis to be carried out with a permanently low contact resistance and low voltage drops.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION

Die obigen Probleme werden durch eine Kathodenstromkollektor und -verbinderanordnung für eine Aluminium-Elektrolysezelle gelöst, die folgendes enthält

  • a1) ein erstes Stromkollektorsystem aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit einer optionalen Stahlschutzschichtverkleidung,
  • a2) ein zweites Stromkollektorsystem aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit einer optionalen Stahlschutzschichtverkleidung,
  • b) mindestens eine längliche kohlenstoffhaltige Kathode mit mindestens einer sich in Längsrichtung der kohlenstoffhaltigen Kathode erstreckenden Nut zur Aufnahme mindestens eines Teils von a1) und a2), wobei a1) zumindest teilweise in der mindestens einen Nut von b) entlang der Längsrichtung der kohlenstoffhaltigen Kathode über eine Länge L1 mit einem ersten Abschnitt a1,1) angeordnet ist, und wobei a2) zumindest teilweise in der mindestens einen Nut von b) entlang der Längsrichtung der kohlenstoffhaltigen Kathode über eine Länge L2 mit einem ersten Abschnitt a2,1) angeordnet ist, wobei der Abschnitt von b), der sich in der Längsrichtung entlang der Länge L1 erstreckt, als der erste Abschnitt von b) mit der Bezeichnung b1) definiert ist, und wobei der Abschnitt von b), der sich in der Längsrichtung entlang der Länge L2 erstreckt, als der zweite Abschnitt von b) definiert ist, der als b2) bezeichnet wird, wobei die Kathodenstromkollektor und -verbinderanordnung einen ersten Anschlusspunkt umfasst, wobei die Kathodenstromkollektor und -verbinderanordnung einen zweiten Anschlusspunkt aufweist, wobei der erste und der zweite Anschlusspunkt elektrisch mit einer externen Sammelschiene verbindbar sind, optional:
  • c1) ein erstes Konduktorelement, das elektrisch zwischen a1) und dem ersten Anschlusspunkt geschaltet ist
  • c2) ein zweites Konduktorelement, das elektrisch zwischen a2) und dem zweiten Verbindungspunkt geschaltet ist, wobei
die Summe der elektrischen Widerstände von a1), b1) und dem optional enthaltenen c1) verschieden ist von der Summe der elektrischen Widerstände von a2), b2) und dem optional enthaltenen c2).The above problems are solved by a cathode current collector and connector assembly for an aluminum electrolytic cell comprising
  • a 1 ) a first current collector system made of copper or a copper alloy with an optional steel protective layer cladding,
  • a 2 ) a second current collector system made of copper or a copper alloy with an optional steel protective layer cladding,
  • b) at least one elongate carbonaceous cathode having at least one groove extending in the longitudinal direction of the carbonaceous cathode for receiving at least a portion of a 1 ) and a 2 ), wherein a 1 ) is at least partially disposed in the at least one groove of b) along the longitudinal direction of the carbonaceous cathode over a length L 1 with a first portion a 1 , 1 ), and wherein a 2 ) is at least partially disposed in the at least one groove of b) along the longitudinal direction of the carbonaceous cathode over a length L 2 with a first portion a 2 , 1 ), wherein the portion of b) extending in the longitudinal direction along the length L1 is defined as the first portion of b) designated b 1 ), and wherein the portion of b) extending in the longitudinal direction along the length L 2 is defined as the second portion of b) designated as b 2 ), wherein the cathode current collector and connector assembly comprises a first connection point, wherein the cathode current collector and connector assembly has a second connection point, wherein the first and second connection points are electrically connectable to an external busbar, optionally:
  • c 1 ) a first conductor element which is electrically connected between a 1 ) and the first connection point
  • c 2 ) a second conductor element electrically connected between a 2 ) and the second connection point, wherein
the sum of the electrical resistances of a1), b1) and the optionally included c1) is different from the sum of the electrical resistances of a2), b2) and the optionally included c2).

Die Kathodenstromkollektor und -verbinderanordnung besteht aus einer länglichen kohlenstoffhaltigen Kathode mit mindestens einer Nut, die in einer der Längsflächen in Längsrichtung eingelassen ist. In der mindestens einen Nut sind mindestens zwei Stromkollektorsysteme zumindest teilweise angeordnet. Falls die mindestens zwei Stromkollektorsysteme in einer einzigen Nut angeordnet sind, sind die Stromkollektorsysteme elektrisch getrennt, z.B. durch ein Isoliermaterial. Der elektrische Kontakt zwischen kohlenstoffhaltiger Kathode und Stromabnehmern kann über die gesamte eingebettete Fläche hergestellt werden. Die Baugruppe kann ferner ein oder mehrere Konduktorelemente, vorzugsweise aus oder mit Stahl, umfassen, mit denen vorzugsweise das Endteil des/der Stromkollektoren (z. B. Kollektorbarren) elektrisch verbunden ist/sind. D.h. im Rahmen der Erfindung umfasst der Begriff „Kathodenstromkollektor und -verbinderanordnung“ sowohl Ausführungsformen ohne Konduktorelement (regelmäßig als „Kathodenstromkollektoranordnung“ bezeichnet) als auch mit Konduktorelement (regelmäßig als „Kathodenstromkollektor und -verbinderanordnung“ bezeichnet).The cathode current collector and connector assembly consists of an elongated carbon-containing cathode with at least one groove embedded in one of the longitudinal surfaces in the longitudinal direction. At least two current collector systems are at least partially arranged in the at least one groove. If the at least two current collector systems are arranged in a single groove, the current collector systems are electrically separated, e.g. by an insulating material. The electrical contact between the carbon-containing cathode and current collectors can be made over the entire embedded surface. The assembly can further comprise one or more conductor elements, preferably made of or with steel, to which the end part of the current collector(s) (e.g. collector bars) is/are preferably electrically connected. This means that within the scope of the invention, the term “cathode current collector and connector arrangement” includes both embodiments without a conductor element (regularly referred to as “cathode current collector arrangement”) and with a conductor element (regularly referred to as “cathode current collector and connector arrangement”).

Die obige Split-Cell-Ausführung mit zwei Hälften (in Längsrichtung) einer Stromkollektor- und -verbinderanordnung umfasst (mindestens) zwei Anschlussstellen, die sich am Stromkollektorsystem bzw. am Konduktorelement der jeweiligen Hälfte befinden. Jede Anschlussstelle ist elektrisch mit einer externen Sammelschiene verbindbar. Der elektrische Strom fließt von der Kohlenstoffkathode in das kupferne Stromkollektorsystem der jeweiligen Hälfte und dann durch die optionalen Konduktorelemente über den Anschlusspunkt zur Sammelschiene. Vorzugsweise befinden sich die Anschlussstellen an den Stromkollektoren (oder den Konduktorelementen, falls die Anordnung ein oder mehrere umfasst), insbesondere an den jeweiligen Endteilen.The above split cell embodiment with two halves (longitudinally) of a current collector and connector assembly comprises (at least) two connection points located on the current collector system or on the conductor element of the respective half. Each connection point is electrically connectable to an external busbar. The electrical current flows from the carbon cathode into the copper current collector system of the respective half and then through the optional conductor elements via the connection point to the busbar. Preferably, the connection points are located on the current collectors (or the conductor elements if the assembly comprises one or more), in particular on the respective end parts.

Sowohl die Nut als auch das entsprechende („negative“) Stromkollektorsystem können unterschiedlich geformt sein. In der Regel ist das Stromkollektorsystem stabförmig, insbesondere rechteckig, es sind aber auch elliptische oder abgerundete Formen möglich.Both the groove and the corresponding (“negative”) current collector system can have different shapes. The current collector system is usually rod-shaped, particularly rectangular, but elliptical or rounded shapes are also possible.

Die Stromkollektorsysteme können aus einem oder mehreren Elementen bestehen, insbesondere aus stabförmigen Elementen. Vorzugsweise bestehen die Stromkollektorsysteme aus mindestens zwei länglichen, rechteckigen Stabelementen, die durch einen Wärmedehnungsspalt oder Isoliermaterial voneinander beabstandet sind.The current collector systems can consist of one or more elements, in particular rod-shaped elements. The current collector systems preferably consist of at least two elongated, rectangular rod elements which are spaced apart from one another by a thermal expansion gap or insulating material.

Die „Summe der elektrischen Widerstände“ umfasst auch Kontaktwiderstände, die an der Grenzfläche zwischen den Elementen a1), b1) und dem gegebenenfalls enthaltenen c1) bzw. a2), b2) und dem gegebenenfalls enthaltenen c2) auftreten.The “sum of the electrical resistances” also includes contact resistances which occur at the interface between the elements a 1 ), b 1 ) and the optionally contained c 1 ) or a 2 ), b 2 ) and the optionally contained c 2 ).

Erfindungsgemäß bezeichnet der Begriff „kohlenstoffhaltig“ alle Arten von Materialien auf der Basis von Anthrazit und/oder Graphit und/oder Koks, unabhängig davon, ob diese Kathoden gebacken oder graphitiert sind.According to the invention, the term “carbonaceous” refers to all types of materials based on anthracite and/or graphite and/or coke, regardless of whether these cathodes are baked or graphitized.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Kathodenstromkollektoranordnung so konfiguriert, dass die Nut in der Betriebsposition der Kathodenstromkollektoranordnung in der Elektrolysezelle an der Unterseite der Kathodenstromkollektoranordnung angeordnet ist.In a preferred embodiment of the invention, the cathode current collector assembly is configured such that the groove is located at the bottom of the cathode current collector assembly in the operating position of the cathode current collector assembly in the electrolytic cell.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Kathode ein rechteckiger Kathodenblock.In a preferred embodiment of the invention, the cathode is a rectangular cathode block.

Vorzugsweise weisen die Stromkollektorsysteme eine Barrenform auf, besonders bevorzugt eine Rechteckbarrenform.Preferably, the current collector systems have a bar shape, particularly preferably a rectangular bar shape.

Vorzugsweise beträgt die Differenz zwischen der Summe der elektrischen Widerstände von a1), b1) und dem optional enthaltenen c1) und der Summe der elektrischen Widerstände von a2), b2) und dem optional enthaltenen c2) ≥ 1 %, noch bevorzugter ≥ 2 %, noch bevorzugter ≥ 3 % und am meisten bevorzugt ≥ 4 %, vorzugsweise aber auch weniger als 30 %. Die vorgenannten Werte beziehen sich auf den höheren Wert des elektrischen Widerstandes.Preferably, the difference between the sum of the electrical resistances of a 1 ), b 1 ) and the optionally contained c 1 ) and the sum of the electrical resistances of a 2 ), b 2 ) and the optionally contained c 2 ) is ≥ 1%, more preferably ≥ 2%, even more preferably ≥ 3% and most preferably ≥ 4%, but preferably also less than 30%. The above values refer to the higher value of the electrical resistance.

In deutlichem Gegensatz zum Stand der Technik, der einen symmetrischen Zellenaufbau vorschlägt, haben die Erfinder herausgefunden, dass durch einen asymmetrischen Aufbau der Stromkollektor und -verbinderanordnung die Stromaufnahme an beiden Anschlusspunkten der Stromkollektor und -verbinderanordnung ausgeglichen werden kann. Dadurch wird eine Aluminium-Elektrolysezelle mit einem verbesserten Stromwirkungsgrad erhalten, was wiederum den spezifischen Gesamtenergieverbrauch senkt. Außerdem ist die Erosion des Kathodenblocks homogener, wodurch die Asymmetrie der typischen sogenannten W-förmigen Erosion verringert wird. Infolgedessen ermöglicht die erfindungsgemäße Kathodenstromkollektor und verbinderanordnung die Herstellung einer Aluminiumelektrolysezelle, die eine höhere und stabilere Leistung aufweist und die Durchführung der Elektrolyse mit einem dauerhaft niedrigen Übergangswiderstand und geringen Kathodenspannungsabfällen ermöglicht. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen asymmetrischen Zellendesigns ist es möglich, unsymmetrische Stromflüsse zu kompensieren, ohne dass eine komplexe Sammelschienen-Ausführung erforderlich ist.In clear contrast to the prior art, which proposes a symmetrical cell structure, the inventors have found that by an asymmetrical structure of the current collector and connector arrangement, the current consumption at both connection points of the current collector and connector arrangement can be balanced. This results in an aluminum electrolysis cell with an improved current efficiency, which in turn reduces the specific total energy consumption. In addition, the erosion of the cathode block is more homogeneous, which reduces the asymmetry of the typical so-called W-shaped erosion. As a result, the cathode current collector and connector arrangement according to the invention enables the production of a Aluminum electrolysis cell that has a higher and more stable performance and enables electrolysis to be carried out with a permanently low contact resistance and low cathode voltage drops. With the help of the asymmetric cell design according to the invention, it is possible to compensate for asymmetric current flows without the need for a complex busbar design.

Eine erste erfindungsgemäße Möglichkeit, die Summe der elektrischen Widerstände zu beeinflussen, ist die Veränderung der Menge an Kupfer oder Kupferlegierung und/oder der geometrischen Form der Stromkollektorsysteme a1) und a2).A first possibility according to the invention to influence the sum of the electrical resistances is to change the amount of copper or copper alloy and/or the geometric shape of the current collector systems a 1 ) and a 2 ).

In einer bevorzugten Ausführungsform werden daher in den Stromkollektorsystemen a1) und a2) abweichende Mengen an Kupfer bzw. Kupferlegierung verwendet. Eine deutlich geringere Menge an Kupfer oder Kupferlegierung auf einer Seite der Kathodenstromkollektor und -verbinderanordnung führt zu einem höheren Widerstand, d.h. diese Seite weist einen Widerstand auf, der wiederum die Stromaufnahme an der jeweiligen Anschlussstelle verringert.In a preferred embodiment, therefore, different amounts of copper or copper alloy are used in the current collector systems a 1 ) and a 2 ). A significantly smaller amount of copper or copper alloy on one side of the cathode current collector and connector arrangement leads to a higher resistance, ie this side has a resistance which in turn reduces the current consumption at the respective connection point.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Menge des Kupfers oder der Kupferlegierung von a1) ≤ 0,9 mal die Masse des Kupfers oder der Kupferlegierung von a2), weiter bevorzugt ≤ 0,8 mal die Masse des Kupfers oder der Kupferlegierung von a2), noch weiter bevorzugt ≤ 0,7 mal die Masse des Kupfers oder der Kupferlegierung von a2) und am meisten bevorzugt ≤ 0,6 mal die Masse des Kupfers oder der Kupferlegierung von a2), vorzugsweise aber auch ≥ 0,3 mal die Masse des Kupfers oder der Kupferlegierung von a2).In a preferred embodiment of the invention, the amount of copper or copper alloy of a 1 ) is ≤ 0.9 times the mass of copper or copper alloy of a 2 ), more preferably ≤ 0.8 times the mass of copper or copper alloy of a 2 ), even more preferably ≤ 0.7 times the mass of copper or copper alloy of a 2 ) and most preferably ≤ 0.6 times the mass of copper or copper alloy of a 2 ), but preferably also ≥ 0.3 times the mass of copper or copper alloy of a 2 ).

Der gleiche Effekt kann mit einer abweichenden geometrischen Form von a1) und a2) erzielt werden. Sind die Stromkollektorsysteme z. B. stabförmig, kann die Querschnittsfläche des Stabes a1) kleiner sein als die von a2) oder umgekehrt, wodurch der Widerstand auf einer Seite der Stromkollektor und -verbinderanordnung erhöht wird. In diesem Fall ist vorzugsweise die Querschnittsfläche des Barrens a1) ≤ 0,9 mal so groß wie die Querschnittsfläche des Barrens a2), noch bevorzugter ≤ 0,8 mal so groß wie die Querschnittsfläche des Barrens a2), noch bevorzugter ≤ 0,7 mal so groß wie die Querschnittsfläche des Barrens a2) und am meisten bevorzugt ≤ 0,6 mal so groß wie die Querschnittsfläche des Barrens a2), vorzugsweise aber auch ≥ 0,3 mal so groß wie die Querschnittsfläche des Barrens a2).The same effect can be achieved with a different geometric shape of a 1 ) and a 2 ). If the current collector systems are, for example, rod-shaped, the cross-sectional area of the rod a 1 ) can be smaller than that of a 2 ) or vice versa, thereby increasing the resistance on one side of the current collector and connector arrangement. In this case, the cross-sectional area of the bar a 1 ) is preferably ≤ 0.9 times the cross-sectional area of the bar a 2 ), more preferably ≤ 0.8 times the cross-sectional area of the bar a 2 ), even more preferably ≤ 0.7 times the cross-sectional area of the bar a 2 ) and most preferably ≤ 0.6 times the cross-sectional area of the bar a 2 ), but preferably also ≥ 0.3 times the cross-sectional area of the bar a 2 ).

Eine weitere Möglichkeit, den Widerstand einer Seite der Stromkollektor und -verbinderanordnung zu erhöhen oder zu verringern, ist die Anpassung der Kontaktfläche zwischen Kathoden und Stromkollektorsystemen. Dies kann erreicht werden, indem die Länge des Stromkollektorsystems in der Längsrichtung der Kathodennut variiert wird. Mit zunehmender Länge L1 und L2 wird eine größere Kontaktfläche geschaffen, wodurch sich der Übergangswiderstand verringert. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist L1 ≤ 0,9*L2, weiter bevorzugt ≤ 0,8*L2, noch weiter bevorzugt ≤ 0,7*L2 und am meisten bevorzugt ≤ 0,6*L2, vorzugsweise aber auch ≥ 0,3 L2.Another way to increase or decrease the resistance of one side of the current collector and connector arrangement is to adjust the contact area between cathodes and current collector systems. This can be achieved by varying the length of the current collector system in the longitudinal direction of the cathode groove. As the length L 1 and L 2 increases, a larger contact area is created, thereby reducing the contact resistance. In a preferred embodiment of the invention, L 1 ≤ 0.9*L 2 , more preferably ≤ 0.8*L 2 , even more preferably ≤ 0.7*L 2 and most preferably ≤ 0.6*L 2 , but preferably also ≥ 0.3 L 2 .

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Kontaktfläche zwischen a1) und b1) ≤ das 0,9-fache der Kontaktfläche zwischen a2) und b2), bevorzugter ≤ das 0,8-fache der Kontaktfläche zwischen a2) und b2), noch bevorzugter ≤ das 0,7-fache der Kontaktfläche zwischen a2) und b2) und am meisten bevorzugt ≤ das 0,6-fache der Kontaktfläche zwischen a2) und b2), vorzugsweise aber auch ≥ 0,3 mal die Kontaktfläche zwischen a2) und b2).In a preferred embodiment of the invention, the contact area between a 1 ) and b 1 ) is ≤ 0.9 times the contact area between a 2 ) and b 2 ), more preferably ≤ 0.8 times the contact area between a 2 ) and b 2 ), even more preferably ≤ 0.7 times the contact area between a 2 ) and b 2 ) and most preferably ≤ 0.6 times the contact area between a 2 ) and b 2 ), but preferably also ≥ 0.3 times the contact area between a 2 ) and b 2 ).

Eine weitere Möglichkeit, den spezifischen Widerstand einer Seite der Stromkollektor und - verbinderanordnung zu erhöhen oder zu verringern, ist die Verwendung einer zumindest teilweisen Isolierung von a1) und/oder a2).Another possibility to increase or decrease the resistivity of one side of the current collector and connector assembly is to use at least partial insulation of a 1 ) and/or a 2 ).

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind a1) und/oder a2) zumindest teilweise elektrisch isoliert, vorzugsweise mit einem feuerfesten Material wie Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Siliziumkarbid oder Bornitrid, vorzugsweise in Form einer Platte.In a preferred embodiment of the invention, a 1 ) and/or a 2 ) are at least partially electrically insulated, preferably with a refractory material such as aluminum oxide, silicon dioxide, silicon carbide or boron nitride, preferably in the form of a plate.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die elektrisch isolierte Oberfläche von a1) ≤ 0,9 mal so groß wie die elektrisch isolierte Oberfläche von a2), noch bevorzugter ≤ 0,8 mal so groß wie die elektrisch isolierte Oberfläche von a2), noch bevorzugter ≤ 0,7 mal so groß wie die elektrisch isolierte Oberfläche von a2) und am meisten bevorzugt ≤ 0,6 mal so groß wie die elektrisch isolierte Oberfläche von a2), vorzugsweise aber auch ≥ 0,3 mal so groß wie die elektrisch isolierte Oberfläche von a2).In a preferred embodiment of the invention, the electrically insulated surface of a 1 ) is ≤ 0.9 times as large as the electrically insulated surface of a 2 ), more preferably ≤ 0.8 times as large as the electrically insulated surface of a 2 ), even more preferably ≤ 0.7 times as large as the electrically insulated surface of a 2 ) and most preferably ≤ 0.6 times as large as the electrically insulated surface of a 2 ), but preferably also ≥ 0.3 times as large as the electrically insulated surface of a 2 ).

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Stromkollektorsystem barrenförmig und a1) und a2) sind von einer elektrisch isolierenden Schicht über eine Länge Liso-1 (a1)) und Liso-2 (a2)) umgeben, wobei Liso-1 ≤ 0,9* Liso-2, bevorzugter ≤ 0,8* Liso-2, noch bevorzugter ≤ 0,7* Liso-2 und am bevorzugtesten ≤ 0,6* Liso-2, vorzugsweise aber auch ≥ 0,3* Liso-2 ist.In a further preferred embodiment, the current collector system is bar-shaped and a 1 ) and a 2 ) are surrounded by an electrically insulating layer over a length L iso-1 (a1)) and L iso-2 (a2)), where L iso-1 ≤ 0.9* L iso-2 , more preferably ≤ 0.8* L iso-2 , even more preferably ≤ 0.7* L iso-2 and most preferably ≤ 0.6* L iso-2 , but preferably also ≥ 0.3* L iso-2 .

Eine weitere Möglichkeit, den Widerstand einer Seite des Stromkollektor und -verbindersystems zu erhöhen oder zu verringern, ist die Verwendung unterschiedlicher Kupferlegierungen.Another way to increase or decrease the resistance of one side of the current collector and connector system is to use different copper alloys.

So ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die spezifische elektrische Leitfähigkeit des Kupfers oder der Kupferlegierung von a1) und a2) unterschiedlich.Thus, in a preferred embodiment of the invention, the specific electrical conductivity of the copper or copper alloy of a 1 ) and a 2 ) is different.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Kathodenstromkollektor- und -verbinderanordnung ein oder mehrere Konduktorelemente, die vorzugsweise an den Endteiten der Stromkollektorsysteme angeordnet sind. Die optionalen Konduktorelemente c1) und c2) weisen vorzugsweise jeweils mindestens eine Ausnehmung auf, wobei a1) zumindest teilweise in einer Ausnehmung von c1) mit einem zweiten Abschnitt a1,2) angeordnet ist, und/oder c2) zumindest teilweise in einer Ausnehmung von c2) mit einem zweiten Abschnitt a2,2) angeordnet ist. Die Art des Konduktorelements, d.h. seine Zusammensetzung, sowie seine Größe und Geometrie beeinflussen auch die Widerstände der Seiten der Stromkollektor und -verbinderanordnung.In a preferred embodiment of the invention, the cathode current collector and connector assembly comprises one or more conductor elements, which are preferably arranged at the end sides of the current collector systems. The optional conductor elements c 1 ) and c 2 ) preferably each have at least one recess, wherein a 1 ) is at least partially arranged in a recess of c 1 ) with a second section a 1,2 ), and/or c 2 ) is at least partially arranged in a recess of c 2 ) with a second section a 2,2 ). The type of conductor element, ie its composition, as well as its size and geometry also influence the resistances of the sides of the current collector and connector assembly.

Eine einfache und effiziente Möglichkeit, die Widerstände der Seiten der Stromkollektor- und -verbinderanordnung einzustellen, ist die Veränderung der Kontaktfläche zwischen einem solchen optionalen Konduktorelement und dem Stromkollektorsystem. Dies hat sich als besonders bevorzugt erwiesen, da die konstruktiven Einschränkungen an dieser Stelle vergleichsweise gering sind.A simple and efficient way to adjust the resistances of the sides of the current collector and connector assembly is to change the contact area between such an optional conductor element and the current collector system. This has proven to be particularly preferred since the design restrictions at this point are comparatively small.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt die Kontaktfläche zwischen a1) und c1) ≤ das 0,9-fache der Kontaktfläche zwischen a2) und c2), weiter bevorzugt ≤ das 0,7-fache der Kontaktfläche zwischen a2) und c2), noch weiter bevorzugt ≤ das 0,4-fache der Kontaktfläche zwischen a2) und c2) und am meisten bevorzugt ≤ das 0,2-fache der Kontaktfläche zwischen a2) und c2), vorzugsweise aber auch ≥ das 0,1-fache der Kontaktfläche zwischen a2) und c2).In a preferred embodiment of the invention, the contact area between a 1 ) and c 1 ) is ≤ 0.9 times the contact area between a 2 ) and c 2 ), more preferably ≤ 0.7 times the contact area between a 2 ) and c 2 ), even more preferably ≤ 0.4 times the contact area between a 2 ) and c 2 ) and most preferably ≤ 0.2 times the contact area between a 2 ) and c 2 ), but preferably also ≥ 0.1 times the contact area between a 2 ) and c 2 ).

Vorzugsweise ist die Ausnehmung des Stahlkonduktorbarrens so ausgebildet, dass er die Bewegung des zweiten Teils des Stromkollektorsystems aus Kupfer in zwei oder mehr, vorzugsweise drei oder mehr, noch bevorzugter vier oder mehr oder sogar fünf der sechs Raumrichtungen im Normalzustand nach DIN 1341 blockiert, wenn der zweite Teil a1,2) bzw. a2,2) des Stromkollektorsystems aus Kupfer in der Ausnehmung des Stahlkonduktorelements angeordnet ist.Preferably, the recess of the steel conductor bar is designed such that it blocks the movement of the second part of the current collector system made of copper in two or more, preferably three or more, more preferably four or more or even five of the six spatial directions in the normal state according to DIN 1341, when the second part a1,2) or a2,2) of the current collector system made of copper is arranged in the recess of the steel conductor element.

Vorzugsweise ist die Ausnehmung des Stahlbarrens so ausgebildet, dass die Bewegung des zweiten Abschnitts des Stromkollektorsystems unter den Betriebsbedingungen eines Hall-Heroult-Verfahrens im Vergleich zu Normalbedingungen in einer oder mehreren zusätzlichen Raumrichtungen blockiert wird.Preferably, the recess of the steel bar is designed such that the movement of the second section of the current collector system is blocked in one or more additional spatial directions under the operating conditions of a Hall-Heroult process compared to normal conditions.

Vorzugsweise ist die Aussparung des Kollektorbarrens so geformt, dass die Bewegung des zweiten Teils des Stromkollektorsystems durch Reibung und/oder Materialpassung blockiert wird.Preferably, the recess of the collector bar is shaped such that the movement of the second part of the current collector system is blocked by friction and/or material fit.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform hat die Aussparung die Form einer Tasche, die die Bewegung in vier (einseitig offene Tasche) oder fünf (vollständig umgebende Tasche) der sechs Raumrichtungen blockiert. Da mit zunehmenden Bewegungseinschränkungen der Druck zunimmt, werden die oben genannten Effekte bei solchen Ausführungsformen verstärkt und es kann ein fester Reibungs- und Materialschluss erzielt werden. Handelt es sich bei der Aussparung um eine Tasche, die den Barren vollständig umschließt, werden die vorteilhaften Effekte maximiert.In a particularly preferred embodiment, the recess has the shape of a pocket that blocks movement in four (pocket open on one side) or five (completely enclosing pocket) of the six spatial directions. Since the pressure increases with increasing movement restrictions, the above-mentioned effects are intensified in such embodiments and a firm frictional and material connection can be achieved. If the recess is a pocket that completely encloses the bar, the advantageous effects are maximized.

Um das Stromkollektorsystem aus Kupfer in seiner Position zu fixieren, kann das Konduktorelement aus Stahl aus mehreren Elementen bestehen, z. B. kann die Tasche aus zwei Halbschalen gebildet werden, die so zusammengefügt werden können, dass sie den zweiten Teil des Stromkollektorsystems umgeben. Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine Tasche zu schaffen, die lediglich die Bewegung in vier Raumrichtungen blockiert, den zweiten Teil des Stromkollektorsystems zu platzieren und die Tasche mit einer Stahlplatte zu verschließen, d. h. abzudecken, die mit dem restlichen Stahlleiterelement verschweißt oder anderweitig verbunden werden kann.To fix the copper current collector system in position, the steel conductor element can consist of several elements, for example the pocket can be formed from two half-shells that can be joined together to surround the second part of the current collector system. Another possibility is to create a pocket that only blocks movement in four spatial directions, place the second part of the current collector system and close, i.e. cover, the pocket with a steel plate that can be welded or otherwise connected to the rest of the steel conductor element.

Nach der Anordnung des zweiten Teils des Stromkollektorsystems aus Kupfer in der Aussparung (z.B. in Form einer Tasche) kann ein Abdeckelement verwendet werden, um die Aussparung vollständig zu „verschließen“, d.h. den zugänglichen Zwischenraum zwischen dem Stromkollektorsystem aus Kupfer und dem Konduktorelement aus Stahl innerhalb der Aussparung abzudecken.After arranging the second part of the copper current collector system in the recess (e.g. in the form of a pocket), a cover element can be used to completely "close" the recess, i.e. to cover the accessible space between the copper current collector system and the steel conductor element within the recess.

Die Erfinder haben festgestellt, dass die Kombination der oben genannten Maßnahmen vorteilhaft ist, um eine gleichmäßige Stromverteilung zu erreichen. Besonders bevorzugt wird zur Veränderung der Widerstände eine Verbindung von Kollektorsystem und Konduktorelement in Form einer Tasche (Konduktorelement) und einer entsprechenden Negativform (Kollektorsystem) eingesetzt. Durch die Verwendung unterschiedlich großer Taschen oder das beidseitige asymmetrische Einsetzen des Kollektorsystems lassen sich auf einfache und effiziente Weise abweichende Widerstände erzielen, was auch eine einfache Modifikation bestehender Stromkollektor und -verbinderanordnungen ermöglicht.The inventors have found that the combination of the above-mentioned measures is advantageous in order to achieve a uniform current distribution. A connection of the collector system and conductor element in the form of a pocket (conductor element) and a corresponding negative form (collector system) is particularly preferably used to change the resistances. By using pockets of different sizes or by inserting the collector system asymmetrically on both sides, different resistances can be achieved in a simple and efficient manner, which also enables simple modification of existing current collector and connector arrangements.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Kathodenstromkollektor und -verbinderanordnung zumindest teilweise mit der optionalen Stahlschutzschichtverkleidung verkleidet, wobei a1,2) und/oder a2,2) zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, von der optionalen Stahlschutzschichtverkleidung frei sind.In a preferred embodiment of the invention, the cathode current collector and connector assembly is at least partially provided with the optio nal steel protective layer cladding, wherein a 1,2 ) and/or a 2 , 2 ) are at least partially, preferably completely, free from the optional steel protective layer cladding.

Vorzugsweise sind mindestens 50 % der Oberfläche der Stromkollektorsysteme a1,2) und/oder a2,2) mit einer Stahlschutzschichtverkleidung verkleidet, weiter bevorzugt mindestens 60 %, noch weiter bevorzugt mindestens 70 % und am meisten bevorzugt mindestens 80 %. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Oberfläche des Stromkollektorsystems mit Ausnahme des zweiten Teils vollständig mit einer Stahlschutzverkleidung verkleidet.Preferably , at least 50% of the surface of the current collector systems a 1,2 ) and/or a 2,2 ) is covered with a steel protective layer cladding, more preferably at least 60%, even more preferably at least 70% and most preferably at least 80%. In a particularly preferred embodiment, the surface of the current collector system, with the exception of the second part, is completely covered with a steel protective cladding.

Vorzugsweise sind mindestens 50 % der Oberfläche des ersten Abschnitts des Stromkollektorsystems mit einer Stahlschutzschichtverkleidung verkleidet, noch bevorzugter mindestens 60 %, noch bevorzugter mindestens 70 % und am meisten bevorzugt mindestens 80 %. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Oberfläche des ersten Teils des Stromkollektorsystems vollständig verkleidet. Hierdurch können schädliche Auswirkungen der Diffusion von Aluminium oder anderen Produkten, die beim Betrieb der Elektrolysezelle entstehen, reduziert werden.Preferably, at least 50% of the surface of the first section of the current collector system is covered with a steel protective layer cladding, more preferably at least 60%, even more preferably at least 70% and most preferably at least 80%. In a particularly preferred embodiment, the surface of the first part of the current collector system is completely covered. This can reduce harmful effects of the diffusion of aluminum or other products that arise during operation of the electrolysis cell.

Vorzugsweise beträgt das Volumenverhältnis des Kupfers oder der Kupferlegierung des Stromkollektorsystems zu der dünnen Stahlschutzschicht mindestens 200 %, vorzugsweise mindestens 300 % oder noch bevorzugter mindestens 400 %.Preferably, the volume ratio of the copper or copper alloy of the current collector system to the thin steel protective layer is at least 200%, preferably at least 300%, or more preferably at least 400%.

Vorzugsweise hat die dünne schützende Stahlschicht eine Dicke von 0,05 mm bis zu 6 mm, noch bevorzugter von 0,15 mm bis zu 4 mm, noch bevorzugter von 1,5 mm bis 3 mm.Preferably, the thin protective steel layer has a thickness of 0.05 mm to 6 mm, more preferably 0.15 mm to 4 mm, even more preferably 1.5 mm to 3 mm.

Die dünne Stahlschutzschicht umfasst oder besteht vorzugsweise aus einem Stahl, der aus Kohlenstoffstahl, kohlenstoffarmem Stahl, Stahl auf Chrombasis, Stahl auf Nickelbasis oder Stahl auf Chrom-Nickel-Basis oder legiertem Stahl ausgewählt ist.The thin steel protective layer preferably comprises or consists of a steel selected from carbon steel, low carbon steel, chromium-based steel, nickel-based steel or chromium-nickel-based steel or alloyed steel.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt das Kupfer oder die Kupferlegierung in Form eines Barrens mit rechteckigem Querschnitt vor, der mindestens auf einer der Kathode zugewandten Seite, vorzugsweise auf allen der Kathode zugewandten Seiten, mit der schützenden dünnen Stahlschicht versehen ist.In a preferred embodiment of the invention, the copper or copper alloy is in the form of a bar with a rectangular cross-section, which is provided with the protective thin steel layer on at least one side facing the cathode, preferably on all sides facing the cathode.

Für den Fall, dass das Stromkollektorsystem eine Stahlschutzschicht umfasst, d.h. zumindest teilweise mit einer Stahlschutzschicht verkleidet ist, steht die Stahlschutzschicht in direktem Kontakt mit den Wänden einer Nut der kohlenstoffhaltigen Kathode.In case the current collector system comprises a steel protective layer, i.e. is at least partially covered with a steel protective layer, the steel protective layer is in direct contact with the walls of a groove of the carbon-containing cathode.

Vorzugsweise ist die schützende dünne Stahlschicht mit einer zusätzlichen Deckschicht und/oder Unterschicht aus Kupfer, Nickel und/oder Chrom und/oder einer Graphitlack- oder Folienschicht überzogen, wobei die zusätzliche Deckschicht und/oder Unterschicht vorzugsweise eine Dicke von 1 µm bis 1 mm aufweist.Preferably, the protective thin steel layer is coated with an additional cover layer and/or underlayer of copper, nickel and/or chromium and/or a graphite lacquer or foil layer, wherein the additional cover layer and/or underlayer preferably has a thickness of 1 µm to 1 mm.

Die Oberfläche des Stromkollektorsystems kann aufgeraut oder mit Vertiefungen wie Nuten oder Vorsprüngen wie Rippen oder Rippen versehen sein, um die Oberfläche zwischen der Kathode und dem Stromkollektorsystem zu vergrößern und dadurch den Kontakt zwischen den Elementen zu verbessern.The surface of the current collector system may be roughened or provided with recesses such as grooves or projections such as ridges or ribs to increase the surface area between the cathode and the current collector system and thereby improve contact between the elements.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Stromkollektorsystem zumindest teilweise mit einem Isolator verkleidet, insbesondere mit Platten aus isolierendem Material wie Aluminiumoxid, isolierendem Klebstoff oder Zement oder einem beliebigen isolierenden Material, das bis zu 1200 °C standhalten kann.In a preferred embodiment of the invention, the current collector system is at least partially covered with an insulator, in particular with plates made of insulating material such as aluminum oxide, insulating adhesive or cement or any insulating material that can withstand up to 1200 °C.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst a1) einen dritten Abschnitt a1,3), der sich von dem ersten und dem zweiten Abschnitt unterscheidet, der außerhalb der Nut der kohlenstoffhaltigen Kathode und der Ausnehmung des optionalen Konduktorelements aus Stahl angeordnet ist, und wobei dieser dritte Abschnitt von einer Schutzhülle umgeben ist. Ferner umfasst a2) vorzugsweise einen dritten Abschnitt a2,3), der sich von dem ersten und dem zweiten Abschnitt unterscheidet, der außerhalb der Nut der kohlenstoffhaltigen Kathode und der Ausnehmung des optionalen Konduktorelements aus Stahl angeordnet ist, und wobei dieser dritte Abschnitt von einer Schutzhülle umgeben ist, wobei die Schutzhülle vorzugsweise ein Material umfasst, das aus SiC, Stampfmasse, Stahldeckplatte, feuerfestem Material oder einer Mischung der vorgenannten Materialien ausgewählt ist. Besonders bevorzugt ist ein Mantel mit einer inneren Schicht aus SiC, Stampfmasse, feuerfestem Material oder Mischungen aus den vorgenannten und einer äußeren Stahldeckschicht, wobei die innere Schicht zwischen Stromkollektorsystem und äußerer Stahldeckschicht angeordnet ist.In a preferred embodiment of the invention, a 1 ) comprises a third section a 1,3 ), which differs from the first and the second section, which is arranged outside the groove of the carbon-containing cathode and the recess of the optional conductor element made of steel, and wherein this third section is surrounded by a protective sheath. Furthermore, a 2 ) preferably comprises a third section a 2,3 ), which differs from the first and the second section, which is arranged outside the groove of the carbon-containing cathode and the recess of the optional conductor element made of steel, and wherein this third section is surrounded by a protective sheath, wherein the protective sheath preferably comprises a material selected from SiC, ramming mass, steel cover plate, refractory material or a mixture of the aforementioned materials. Particularly preferred is a jacket with an inner layer made of SiC, ramming mass, refractory material or mixtures of the aforementioned and an outer steel cover layer, wherein the inner layer is arranged between the current collector system and the outer steel cover layer.

Die Erfindung betrifft auch einen Teilesatz, d.h. ein System aus einzelnen Elementen, bestehend ausThe invention also relates to a kit of parts, i.e. a system of individual elements consisting of

Die Erfindung betrifft auch einen Satz von Teilen, d.h. ein System von separaten Elementen, umfassend

  • a1) ein erstes Stromkollektorsystem aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit einer optionalen Stahlschutzschichtverkleidung,
  • a2) ein zweites Stromkollektorsystem aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit einer optionalen Stahlschutzschichtverkleidung,
  • b) mindestens eine längliche kohlenstoffhaltige Kathode mit mindestens einer sich in Längsrichtung der kohlenstoffhaltigen Kathode erstreckenden Nut zur Aufnahme mindestens eines Teils von a1) und a2), optional:
    • c1) ein erstes Konduktorelement
    • c2) ein zweites Konduktorelement,
wobei die Summe der elektrischen Widerstände von a1), b1) und dem optional enthaltenen c1) von der Summe der elektrischen Widerstände von a2), b2) und dem optional enthaltenen c2) verschieden ist.The invention also relates to a set of parts, ie a system of separate elements, comprising
  • a 1 ) a first current collector system made of copper or a copper alloy with an optional steel protective layer cladding,
  • a 2 ) a second current collector system made of copper or a copper alloy with an optional steel protective layer cladding,
  • b) at least one elongated carbon-containing cathode with at least one groove extending in the longitudinal direction of the carbon-containing cathode for receiving at least a part of a 1 ) and a 2 ), optionally:
    • c 1 ) a first conductor element
    • c 2 ) a second conductor element,
wherein the sum of the electrical resistances of a 1 ), b 1 ) and the optionally included c 1 ) is different from the sum of the electrical resistances of a 2 ), b 2 ) and the optionally included c 2 ).

Die Erfindung betrifft auch eine Aluminiumelektrolysezelle mit der erfindungsgemäßen Kathodenstromkollektor und -verbinderanordnung und mindestens einer Sammelschiene, wobei die Kathodenstromkollektor und -verbinderanordnung über den ersten und den zweiten Anschlusspunkt elektrisch mit der mindestens einen Sammelschiene verbunden ist. The invention also relates to an aluminum electrolysis cell with the cathode current collector and connector arrangement according to the invention and at least one busbar, wherein the cathode current collector and connector arrangement is electrically connected to the at least one busbar via the first and the second connection point.

Vorzugsweise ist die Differenz der Stromabnahme an den beiden Anschlusspunkten ≤ 4 %, weiter bevorzugt ≤ 3 %, noch weiter bevorzugt ≤ 2 % und am meisten bevorzugt weniger als ≤ 1 %. Die vorgenannten Werte beziehen sich auf den höheren Stromwert.Preferably, the difference in current consumption at the two connection points is ≤ 4%, more preferably ≤ 3%, even more preferably ≤ 2% and most preferably less than ≤ 1%. The above values refer to the higher current value.

Die Erfindung betrifft auch eine Aluminiumelektrolysezelle, die eine Kathodenstromkollektor- und -verbinderanordnung mit zwei Anschlusspunkten und mindestens einer Sammelschiene umfasst, wobei die Kathodenstromkollektor und -verbinderanordnung über den ersten und den zweiten Anschlusspunkt elektrisch mit der mindestens einen Sammelschiene verbunden ist, vorzugsweise mittels eines Kupfer- oder Aluminiumkabels, wobei die Differenz der Stromaufnahme an den beiden Anschlusspunkten ≤ 5 %, weiter bevorzugt ≤ 3 %, noch weiter bevorzugt ≤ 2 % und am meisten bevorzugt weniger als ≤ 1 % beträgt. Die vorgenannten Werte beziehen sich auf den höheren Stromwert.The invention also relates to an aluminum electrolysis cell comprising a cathode current collector and connector arrangement with two connection points and at least one busbar, wherein the cathode current collector and connector arrangement is electrically connected to the at least one busbar via the first and second connection points, preferably by means of a copper or aluminum cable, wherein the difference in current consumption at the two connection points is ≤ 5%, more preferably ≤ 3%, even more preferably ≤ 2% and most preferably less than ≤ 1%. The above values refer to the higher current value.

Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Aluminiumelektrolyseanlage mit der oben genannten erfindungsgemäßen Zelle.The invention also relates to an aluminium electrolysis plant with the above-mentioned cell according to the invention.

Die Erfindung bezieht sich auch auf die Verwendung einer asymmetrischen Widerstandsverteilung in einer Kathodenstromkollektor und -verbinderanordnung zur Kompensation eines nicht ausgeglichenen vor- und nachgelagerten Stromflusses in einer Aluminiumelektrolysezelle.The invention also relates to the use of an asymmetric resistance distribution in a cathode current collector and connector arrangement to compensate for unbalanced upstream and downstream current flow in an aluminum electrolysis cell.

BEISPIELEEXAMPLES

Die Erfindung wird nun anhand konkreter Ausführungsbeispiele und mit Hilfe der beigefügten Figuren näher erläutert.The invention will now be explained in more detail using concrete embodiments and with the aid of the attached figures.

Erfindungsgemäßes BeispielExample according to the invention

Ein Kathodenblock mit den Abmessungen 550 x 450 x 3200 mm (Breite x Höhe x Länge) ist mit zwei zentralen rechteckigen Nuten mit den Abmessungen 40 x 135 mm (Breite x Tiefe) versehen, wobei die erste Nut eine Länge von 1200 mm ab dem ersten Ende und die zweite Nut 1400 mm ab dem zweiten Ende des Kathodenblocks aufweist. Die beiden rechteckigen Kollektorbarren bestehen aus einem Kupferkern, der von einem 2,0 mm dicken Stahlmantel umgeben ist, wobei der Stahlmantel den in den Stahlkonduktorbarren befindlichen Barrenanteil ausschließt. Die Länge des ersten und des zweiten Kollektorbarrens beträgt 1480 und 1720 mm, mit den Innenabmessungen des Kathodenblocks L1 1180 mm, L2 1380 mm und einer Eintauchtiefe in den Stahlkonduktorbarren von a1,2 200 mm und a2,2 240 mm. Die Außenabmessungen von c1) und c2) waren gleich, und die Abstände des Kathodenblocks zum Stahlkonduktorbarren a1,3 und a2,3 betrugen jeweils 100 mm.A cathode block with dimensions of 550 x 450 x 3200 mm (width x height x length) is provided with two central rectangular grooves with dimensions of 40 x 135 mm (width x depth), the first groove having a length of 1200 mm from the first end and the second groove 1400 mm from the second end of the cathode block. The two rectangular collector bars consist of a copper core surrounded by a 2.0 mm thick steel sheath, the steel sheath excluding the bar portion located in the steel conductor bars. The length of the first and second collector bars is 1480 and 1720 mm, with the internal dimensions of the cathode block L 1 1180 mm, L 2 1380 mm and an immersion depth in the steel conductor bar of a 1.2 200 mm and a 2.2 240 mm. The external dimensions of c 1 ) and c 2 ) were equal, and the distances of the cathode block to the steel conductor bar a 1.3 and a 2.3 were 100 mm each.

Bei dieser Konstruktion beträgt der beobachtete Unterschied in der Stromaufnahme der beiden Kollektorbarren in diesem Block weniger als 2 %.With this design, the observed difference in current consumption between the two collector bars in this block is less than 2%.

VergleichsbeispielComparison example

Ein Kathodenblock mit den Abmessungen 550 x 450 x 3200 mm (Breite x Höhe x Länge) ist mit zwei zentralen rechteckigen Nuten mit den Abmessungen 40 x 135 mm (Breite x Tiefe) ausgestattet, die beide eine Länge von 1300 mm ab dem ersten Ende und dem zweiten Ende des Kathodenblocks aufweisen. Die beiden rechteckigen Kollektorbarren bestehen aus einem Kupferkern, der von einem 2,0 mm dicken Stahlmantel umgeben ist, wobei der Stahlmantel den in den Stahlkonduktorbarren untergebrachten Barrenanteil ausschließt. Die Länge des ersten und zweiten Kollektorbarrens beträgt 1620 mm, wobei die Innenabmessungen der Kathodenblöcke L1 und L2 1280 mm und die Einbautiefen in den Stahlkonduktorbarren a1,2 und a2,2 240 mm betragen. Die Außenabmessungen von c1) und c2) waren gleich, und die Abstände des Kathodenblocks zum Stahlkonduktorbarren a1,3 und a2,3 betrugen jeweils 100 mm.A cathode block measuring 550 x 450 x 3200 mm (width x height x length) is fitted with two central rectangular grooves measuring 40 x 135 mm (width x depth), both of which have a length of 1300 mm from the first end and the second end of the cathode block. The two rectangular collector bars consist of a copper core surrounded by a 2.0 mm thick steel sheath, the steel sheath excluding the bar portion housed in the steel conductor bars. The length of the first and second collector bars is 1620 mm, the internal dimensions of the cathode blocks L 1 and L 2 being 1280 mm and the installation depths in the steel conductor bars a 1.2 and a 2.2 being 240 mm. The external dimensions of c 1 ) and c 2 ) were equal, and the distances of the cathode block to the steel conductor bar a 1.3 and a 2.3 were 100 mm each.

Bei dieser Konstruktion beträgt der beobachtete Unterschied in der Stromaufnahme der beiden Kollektorbarren in diesem Block mehr als 5 %.With this design, the observed difference in current consumption of the two collector bars in this block is more than 5%.

AbbildungenIllustrations

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen und den zugehörigen Figuren. Die Figuren zeigen:

  • 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Aluminiumelektrolyseanlage.
  • 2 zeigt einen Längsschnitt durch eine Aluminium-Elektrolysezelle mit zwei Anoden und einer Kathodenstromkollektor- und -verbinderanordnung mit angeordneten Anoden.
  • 3 zeigt einen Längsschnitt durch eine Stromkollektoranordnung nach dem Stand der Technik.
  • 4 zeigt einen Längsschnitt durch eine Stromkollektor- und -verbinderanordnung nach dem Stand der Technik.
  • 5 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Stromkollektor- und -verbinderanordnung.
Further advantages, features and application possibilities emerge from the following description of preferred embodiments and the associated figures. The figures show:
  • 1 shows a longitudinal section through an aluminium electrolysis plant.
  • 2 shows a longitudinal section through an aluminum electrolysis cell with two anodes and a cathode current collector and connector arrangement with arranged anodes.
  • 3 shows a longitudinal section through a current collector arrangement according to the prior art.
  • 4 shows a longitudinal section through a current collector and connector arrangement according to the prior art.
  • 5 shows a longitudinal section through a current collector and connector arrangement according to the invention.

Ausführliche BeschreibungDetailed description

1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Aluminiumelektrolyseanlage. in der Elektrolyseanlage weist ein rechteckiger Kathodenblock 1 eine in eine horizontale Fläche eingelassene Nut auf, in der zwei Kollektorbarren 2a und 2b in Längsrichtung angeordnet sind. Im Allgemeinen können die Kollektorbarren in direktem Kontakt mit dem Kathodenblock stehen oder es kann eine leitende, kohlenstoffhaltige Schicht, z.B. aus Stampfmasse, zwischen den Oberflächen angeordnet werden. Jeder Stromkollektorbarren ist über einen an dem jeweiligen Kollektorbarren befindlichen Anschlusspunkt 6a und 6b mit der Versorgungssammelschiene (4 & 5) verbunden. 1 shows a longitudinal section through an aluminium electrolysis plant. In the electrolysis plant, a rectangular cathode block 1 has a groove cut into a horizontal surface in which two collector bars 2a and 2b are arranged longitudinally. In general, the collector bars can be in direct contact with the cathode block or a conductive carbonaceous layer, eg made of ramming mass, can be arranged between the surfaces. Each current collector bar is connected to the supply busbar (4 & 5) via a connection point 6a and 6b located on the respective collector bar.

2 zeigt einen Längsschnitt durch eine Aluminium-Elektrolysezelle mit zwei Anoden 3 und einer Kathodenstromkollektor und -verbinderanordnung. In der Elektrolysezelle weist ein rechteckiger Kathodenblock 1 eine in einer horizontalen Fläche eingelassene Nut auf, in der zwei Kollektorbarren 2a und 2b in Längsrichtung angeordnet sind. Im Allgemeinen können die Kollektorbarren in direktem Kontakt mit dem Kathodenblock stehen, oder es kann eine leitfähige kohlenstoffhaltige Schicht, z. B. aus Stampfmasse, zwischen den Oberflächen angeordnet werden. Jeder Kollektorbarren ist an seinem terminalen Endteil mit einem Konduktorelement 7a/7b, vorzugsweise aus Stahl, verbunden. Die Verbindung wird dadurch erreicht, dass das Endteil des Kollektorbarrens in einer Ausnehmung des Konduktorelements angeordnet ist. Jedes Konduktorelement weist einen Anschlusspunkt 6a bzw. 6b auf, der mit der externen Sammelschiene zu verbinden ist. 2 shows a longitudinal section through an aluminium electrolysis cell with two anodes 3 and a cathode current collector and connector arrangement. In the electrolysis cell, a rectangular cathode block 1 has a groove recessed in a horizontal surface in which two collector bars 2a and 2b are arranged longitudinally. In general, the collector bars can be in direct contact with the cathode block, or a conductive carbonaceous layer, e.g. of ramming mass, can be arranged between the surfaces. Each collector bar is connected at its terminal end part to a conductor element 7a/7b, preferably made of steel. The connection is achieved by arranging the end part of the collector bar in a recess of the conductor element. Each conductor element has a connection point 6a or 6b, respectively, which is to be connected to the external busbar.

In 3 ist ein Längsschnitt durch eine Stromkollektoranordnung nach dem Stand der Technik dargestellt. Bei dieser Anordnung weist ein Kathodenblock 1 eine in eine horizontale Fläche eingelassene Nut auf, in der zwei Kollektorbarren 2a und 2b in Längsrichtung angeordnet sind. Im Allgemeinen können die Kollektorbarren in direktem Kontakt mit dem Kathodenblock stehen oder es kann eine leitende Kohlenstoffschicht, z.B. aus Stampfmasse, zwischen den Oberflächen angeordnet werden. Jeder Kollektorbarren kann über einen jeweiligen Anschlusspunkt 6a/6b an eine externe Sammelschiene angeschlossen werden. Die Abbildung zeigt auch, dass der erste Abschnitt des ersten Stromabnehmers a1,1 in der Nut angeordnet ist, während der dritte Abschnitt a1,3 außerhalb der Nut angeordnet ist. Die Abbildung zeigt ferner, dass der erste Abschnitt des zweiten Stromabnehmers a2,1 in der Nut angeordnet ist und der dritte Abschnitt a2,3 außerhalb der Nut angeordnet ist. In der Abbildung ist auch die Länge des ersten Kollektorbarrens dargestellt, der im Kathodenblock L1 angeordnet ist. In der Abbildung ist auch die Länge des zweiten Kollektorbarrens dargestellt, der im Kathodenblock L2 angeordnet ist. Der erste Abschnitt von b), der sich in der Längsrichtung entlang der Länge L1 erstreckt, wird als b1) definiert, und der zweite Abschnitt von b), der sich in der Längsrichtung entlang der Länge L2 erstreckt, wird als b2) definiert. Wie man sieht, ist die Kathodenstrom- und Kollektoranordnung in Längsrichtung symmetrisch aufgebaut, d.h. a1,1 = a2,1, a1,2 = a2,2 und L1=L2.In 3 is a longitudinal section through a current collector arrangement according to the prior art. In this arrangement, a cathode block 1 has a groove let into a horizontal surface in which two collector bars 2a and 2b are arranged longitudinally. In general, the collector bars can be in direct contact with the cathode block or a conductive carbon layer, e.g. made of ramming mass, can be arranged between the surfaces. Each collector bar can be connected to an external busbar via a respective connection point 6a/6b. The figure also shows that the first section of the first current collector a 1,1 is arranged in the groove, while the third section a 1,3 is arranged outside the groove. The figure further shows that the first section of the second current collector a 2,1 is arranged in the groove and the third section a 2,3 is arranged outside the groove. The figure also shows the length of the first collector bar arranged in the cathode block L 1 . The figure also shows the length of the second collector bar arranged in the cathode block L 2 . The first section of b) extending longitudinally along the length L 1 is defined as b 1 ) and the second section of b) extending longitudinally along the length L 2 is defined as b 2 ). As can be seen, the cathode current and collector arrangement is symmetrical in the longitudinal direction, i.e. a 1,1 = a 2,1 , a 1,2 = a 2,2 and L 1 =L 2 .

In 4 ist ein Längsschnitt durch eine Stromkollektor und -verbinderanordnung nach dem Stand der Technik dargestellt. In dieser Anordnung weist ein Kathodenblock 1 eine in eine horizontale Fläche eingelassene Nut auf, in der zwei Kollektorbarren 2a und 2b in Längsrichtung angeordnet sind. Im Allgemeinen können die Kollektorbarren in direktem Kontakt mit dem Kathodenblock stehen oder es kann eine leitende Kohlenstoffschicht, z.B. aus Stampfmasse, zwischen den Oberflächen angeordnet werden. Jeder Kollektorbarren ist an seinem terminalen Endteil mit einem Konduktorelement 7a/7b, vorzugsweise aus Stahl, verbunden. Die Verbindung wird dadurch erreicht, dass das Endteil des Kollektorbarrens in einer Ausnehmung des Konduktorelements angeordnet ist. Das Konduktorelement weist ferner einen Anschlusspunkt 6a/6b auf, der mit der externen Sammelschiene zu verbinden ist. Die Abbildung zeigt auch, dass der erste Abschnitt des ersten Stromabnehmers a1,1 in der Nut, der zweite Abschnitt a1,2 in der Ausnehmung des Konduktorelements und der dritte Abschnitt a1,3 außerhalb der Nut angeordnet ist. Die Figur zeigt ferner, dass der erste Teil des zweiten Stromabnehmers a2,1 in der Nut angeordnet ist, der zweite Teil a1,2 in der Ausnehmung des Konduktorelements und der dritte Teil a2,3 außerhalb der Nut angeordnet ist. In der Abbildung ist auch die Länge des ersten Kollektorbarrens dargestellt, der im Kathodenblock L1 angeordnet ist. Die Figur zeigt auch die Länge des zweiten Kollektorbarrens, der in dem Kathodenblock L2 angeordnet ist. Der erste Abschnitt von b), der sich in der Längsrichtung entlang der Länge L1 erstreckt, wird als b1) definiert, und der zweite Abschnitt von b), der sich in der Längsrichtung entlang der Länge L2 erstreckt, wird als b2) definiert. Wie man sieht, ist die Kathodenstromkollektoranordnung in Längsrichtung symmetrisch aufgebaut, d.h. a1,1 = a2,1, a1,2 = a2,2, a1,3 = a2,3 und L1=L2.In 4 is a longitudinal section through a current collector and connector arrangement according to the prior art. In this arrangement, a cathode block 1 has a groove recessed in a horizontal surface in which two collector bars 2a and 2b are arranged longitudinally. In general, the collector bars can be in direct contact with the cathode block or a conductive carbon layer, e.g. made of ramming mass, can be arranged between the surfaces. Each collector bar is connected at its terminal end part to a conductor element 7a/7b, preferably made of steel. The connection is achieved by arranging the end part of the collector bar in a recess of the conductor element. The conductor element further has a connection point 6a/6b which is to be connected to the external busbar. The figure also shows that the first section of the first current collector a 1,1 in the groove, the second section a 1,2 is arranged in the recess of the conductor element and the third section a 1,3 is arranged outside the groove. The figure further shows that the first part of the second current collector a 2,1 is arranged in the groove, the second part a 1,2 is arranged in the recess of the conductor element and the third part a 2,3 is arranged outside the groove. The figure also shows the length of the first collector bar arranged in the cathode block L 1. The figure also shows the length of the second collector bar arranged in the cathode block L 2. The first section of b), which extends in the longitudinal direction along the length L 1 , is defined as b 1), and the second section of b), which extends in the longitudinal direction along the length L 2 , is defined as b 2 ). As can be seen, the cathode current collector arrangement is symmetrical in the longitudinal direction, ie a 1,1 = a 2,1 , a 1,2 = a 2,2 , a 1,3 = a 2,3 and L 1 =L 2 .

5 zeigt einen Längsschnitt durch eine Stromkollektor- und -verbinderanordnung nach dem Stand der Technik. In dieser Anordnung weist ein Kathodenblock 1 eine in eine horizontale Fläche eingelassene Nut auf, in der zwei Kollektorbarren 2a und 2b in Längsrichtung angeordnet sind. Im Allgemeinen können die Kollektorbarren in direktem Kontakt mit dem Kathodenblock stehen oder es kann eine leitende Kohlenstoffschicht, z.B. aus Stampfmasse, zwischen den Oberflächen angeordnet werden. Jeder Kollektorbarren ist an seinem terminalen Endteil mit einem Konduktorelement, vorzugsweise aus Stahl, verbunden. Die Verbindung wird dadurch erreicht, dass das Endteil des Kollektorbarrens in einer Ausnehmung des Konduktorelements angeordnet ist. Jedes Stromleiterelement weist ferner einen Anschlusspunkt 6a/6b für die Verbindung mit der externen Sammelschiene auf. Die Abbildung zeigt auch, dass der erste Abschnitt des ersten Stromabnehmers a1,1 in der Nut, der zweite Abschnitt a1,2 in der Ausnehmung des Konduktorelements und der dritte Abschnitt a1,3 außerhalb der Nut angeordnet ist. Die Figur zeigt ferner, dass der erste Abschnitt des zweiten Stromabnehmers a2,1 in der Nut, der zweite Abschnitt a1,2 in der Ausnehmung des Konduktorelements und der dritte Abschnitt a2,3 außerhalb der Nut angeordnet ist. In der Abbildung ist auch die Länge des ersten Kollektorbarrens dargestellt, der im Kathodenblock L1 angeordnet ist. Die Figur zeigt auch die Länge des zweiten Kollektorriegels, der im Kathodenblock L2 angeordnet ist. Der erste Abschnitt von b), der sich in der Längsrichtung entlang der Länge L1 erstreckt, wird als b1) definiert, und der zweite Abschnitt von b), der sich in der Längsrichtung entlang der Länge L2 erstreckt, wird als b2) definiert. Wie man sieht, ist die Kathodenstrom- und -kollektoranordnung in Längsrichtung unsymmetrisch aufgebaut, da der zweite Abschnitt a2,2) des in der Ausnehmung des zweiten Konduktorelements 7b (bezeichnet als c2)) angeordneten zweiten Stromkollektors 2b (bezeichnet als a2)) kleiner ist als der zweite Abschnitt a1,2) des in der Ausnehmung des ersten Konduktorelements 7a (bezeichnet als c1)) angeordneten ersten Stromkollektors 2a (bezeichnet als a1)). 5 shows a longitudinal section through a current collector and connector arrangement according to the prior art. In this arrangement, a cathode block 1 has a groove recessed in a horizontal surface in which two collector bars 2a and 2b are arranged longitudinally. In general, the collector bars can be in direct contact with the cathode block or a conductive carbon layer, e.g. made of ramming mass, can be arranged between the surfaces. Each collector bar is connected at its terminal end part to a conductor element, preferably made of steel. The connection is achieved by arranging the end part of the collector bar in a recess of the conductor element. Each current conductor element further has a connection point 6a/6b for connection to the external busbar. The figure also shows that the first section of the first current collector a 1,1 is arranged in the groove, the second section a 1,2 in the recess of the conductor element and the third section a 1,3 is arranged outside the groove. The figure further shows that the first portion of the second current collector a 2,1 is arranged in the groove, the second portion a 1,2 in the recess of the conductor element and the third portion a 2,3 is arranged outside the groove. The figure also shows the length of the first collector bar arranged in the cathode block L 1 . The figure also shows the length of the second collector bar arranged in the cathode block L 2 . The first portion of b), which extends in the longitudinal direction along the length L 1 , is defined as b 1 ), and the second portion of b), which extends in the longitudinal direction along the length L 2 , is defined as b 2 ). As can be seen, the cathode current and collector arrangement is constructed asymmetrically in the longitudinal direction, since the second section a 2 , 2 ) of the second current collector 2b (designated as a 2 )) arranged in the recess of the second conductor element 7b (designated as c 2 ) ) is smaller than the second section a 1,2 ) of the first current collector 2a (designated as a 1 )) arranged in the recess of the first conductor element 7a (designated as c 1 )).

BEZUGSZEICHENREFERENCE SIGNS

11
KathodenblockCathode block
2a2a
Kollektorbarren a1)Collector bar a 1 )
2b2 B
Kollektorbarren a2)Collector bars a 2 )
33
Anodeanode
44
AnodensammelschienenteilAnode busbar part
55
KathodensammelschienenteilCathode busbar part
6a6a
Erster AnschlusspunktFirst connection point
6b6b
Zweiter AnschlusspunktSecond connection point
7a7a
Erstes Konduktorelement c1)First conductor element c 1 )
7b7b
Zweites Konduktorelement c2)Second conductor element c 2 )

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • WO 2004/031452 [0003]WO 2004/031452 [0003]
  • WO 2005/098093 [0003]WO 2005/098093 [0003]
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  • US 2006/0151333 [0003]US2006/0151333 [0003]
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  • WO 2016/079605 [0004]WO 2016/079605 [0004]

Claims (12)

Kathodenstromkollektor und -verbinderanordnung für eine Aluminium-Elektrolysezelle, enthaltend a1) ein erstes Stromkollektorsystem aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit einer optionalen Stahlschutzschichtverkleidung, a2) ein zweites Stromkollektorsystem aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit einer optionalen Stahlschutzschichtverkleidung, b) mindestens eine längliche kohlenstoffhaltige Kathode mit mindestens einer sich in der Längsrichtung der kohlenstoffhaltigen Kathode erstreckenden Nut zur Aufnahme mindestens eines Teils von a1) und a2), wobei a1) zumindest teilweise in der mindestens einen Nut von b) entlang der Längsrichtung der kohlenstoffhaltigen Kathode über eine Länge L1 mit einem ersten Abschnitt a1,1) angeordnet ist, und wobei a2) zumindest teilweise in der mindestens einen Nut von b) entlang der Längsrichtung der kohlenstoffhaltigen Kathode über eine Länge L2 mit einem ersten Abschnitt a2,1) angeordnet ist, wobei der sich in Längsrichtung entlang der Länge L1 erstreckende erste Abschnitt von b) als b1) definiert ist, und wobei der zweite Abschnitt von b), der sich in der Längsrichtung entlang der Länge L2 erstreckt, als b2) definiert ist, wobei die Kathodenstromkollektor- und -verbinderanordnung einen ersten Anschlusspunkt aufweist, der elektrisch mit einer externen Versorgungssammelschiene verbindbar ist und wobei die Kathodenstromkollektor- und -verbinderanordnung einen zweiten Anschlusspunkt aufweist, der elektrisch mit der Versorgungssammelschiene verbindbar ist, optional: c1) ein erstes Konduktorelement, das elektrisch zwischen a1) und dem ersten Anschlusspunkt eingebunden ist, c2) ein zweites Konduktorelement, das zwischen a2) und dem zweiten Anschlusspunkt elektrisch eingebunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der elektrischen Widerstände von a1), b1) und dem gegebenenfalls enthaltenen c1) verschieden ist von der Summe der elektrischen Widerstände von a2), b2) und dem gegebenenfalls enthaltenen c2).Cathode current collector and connector assembly for an aluminum electrolysis cell, comprising a 1 ) a first current collector system made of copper or a copper alloy with an optional steel protective layer cladding, a 2 ) a second current collector system made of copper or a copper alloy with an optional steel protective layer cladding, b) at least one elongated carbon-containing cathode with at least one groove extending in the longitudinal direction of the carbon-containing cathode for receiving at least a part of a 1 ) and a 2 ), wherein a 1 ) is at least partially arranged in the at least one groove of b) along the longitudinal direction of the carbon-containing cathode over a length L 1 with a first section a 1,1 ), and wherein a 2 ) is at least partially arranged in the at least one groove of b) along the longitudinal direction of the carbon-containing cathode over a length L 2 with a first section a 2,1 ), wherein the first section extending in the longitudinal direction along the length L 1 of b) is defined as b 1 ), and wherein the second portion of b) extending in the longitudinal direction along the length L 2 is defined as b 2 ), wherein the cathode current collector and connector assembly has a first connection point electrically connectable to an external supply busbar and wherein the cathode current collector and connector assembly has a second connection point electrically connectable to the supply busbar, optionally: c 1 ) a first conductor element electrically connected between a 1 ) and the first connection point, c 2 ) a second conductor element electrically connected between a 2 ) and the second connection point, characterized in that the sum of the electrical resistances of a 1 ), b 1 ) and the optionally included c 1 ) is different from the sum of the electrical resistances of a 2 ), b 2 ) and the optionally included c 2 ). Kathodenstromkollektor und -verbinderanordnung nach Anspruch 1, wobei die Masse des Kupfers oder der Kupferlegierung von a1) und a2) unterschiedlich ist.Cathode current collector and connector arrangement according to Claim 1 , where the mass of the copper or copper alloy of a 1 ) and a 2 ) is different. Kathodenstromkollektor und -verbinderanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei L1 und L2 unterschiedlich sind.A cathode current collector and connector assembly according to any preceding claim, wherein L 1 and L 2 are different. Kathodenstromkollektor und -verbinderanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei a1) und/oder a2) zumindest teilweise elektrisch isoliert sind, vorzugsweise mit Bornitrid.Cathode current collector and connector arrangement according to one of the preceding claims, wherein a 1 ) and/or a 2 ) are at least partially electrically insulated, preferably with boron nitride. Kathodenstromkollektor und -verbinderanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die geometrische Form von a1) und a2) unterschiedlich ist.Cathode current collector and connector assembly according to one of the preceding claims, wherein the geometric shape of a 1 ) and a 2 ) is different. Kathodenstromkollektor und -verbinderanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die spezifische elektrische Leitfähigkeit des Kupfers oder der Kupferlegierung von a1) und a2) unterschiedlich ist.Cathode current collector and connector assembly according to one of the preceding claims, wherein the specific electrical conductivity of the copper or copper alloy of a 1 ) and a 2 ) is different. Kathodenstromkollektor und -verbinderanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ■ die Kathodenstromkollektor- und -verbinderanordnung c1) und c2) umfasst, ■ c1) und c2) jeweils mindestens eine Ausnehmung aufweisen, ■ a1) zumindest teilweise in einer Ausnehmung von c1) mit einem zweiten Abschnitt a1,2) angeordnet ist, und ■ a2) zumindest teilweise in einer Ausnehmung von c2) mit einem Abschnitt a2,2) angeordnet ist.Cathode current collector and connector arrangement according to one of the preceding claims, wherein ■ the cathode current collector and connector arrangement comprises c 1 ) and c 2 ), ■ c 1 ) and c 2 ) each have at least one recess, ■ a 1 ) is at least partially arranged in a recess of c 1 ) with a second section a 1,2 ), and ■ a 2 ) is at least partially arranged in a recess of c 2 ) with a section a 2 , 2 ). Kathodenstromkollektor und -verbinderanordnung nach Anspruch 7, wobei die Kathodenstromkollektor und -verbinderanordnung zumindest teilweise mit der optionalen Stahlschutzschichtverkleidung verkleidet ist, wobei a1,2) und/oder a2,2) zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, frei von der optionalen Stahlschutzschichtverkleidung sind.Cathode current collector and connector arrangement according to Claim 7 , wherein the cathode current collector and connector arrangement is at least partially covered with the optional steel protective layer cladding, wherein a 1,2 ) and/or a 2,2 ) are at least partially, preferably completely, free of the optional steel protective layer cladding. Kathodenstromkollektor und -verbinderanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ■ a1) einen dritten Abschnitt a1,3) aufweist, der sich von dem ersten und dem zweiten Abschnitt unterscheidet, der außerhalb der Nut der kohlenstoffhaltigen Kathode und der Ausnehmung des optionalen Konduktorelements aus Stahl angeordnet ist, und wobei dieser dritte Abschnitt von einer Schutzhülle umgeben ist, ■ a2) einen dritten Abschnitt a2,3) aufweist, der sich von dem ersten und dem zweiten unterscheidet, der außerhalb der Nut der kohlenstoffhaltigen Kathode und der Ausnehmung des optionalen Konduktorelements aus Stahl angeordnet ist, und wobei dieser dritte Abschnitt von einer Schutzhülle umgeben ist, ■ vorzugsweise besteht die Schutzhülle aus einem Material, ausgewählt aus SiC, Stampfmasse oder feuerfesten Materialien.Cathode current collector and connector assembly according to one of the preceding claims, wherein ■ a 1 ) has a third section a 1,3 ) which is different from the first and the second section, which is arranged outside the groove of the carbon-containing cathode and the recess of the optional conductor element made of steel, and wherein this third section is surrounded by a protective sheath, ■ a 2 ) has a third section a 2,3 ) which is different from the first and the second section, which is arranged outside the groove of the carbon-containing cathode and the recess of the optional conductor element made of steel, and wherein this third section is surrounded by a protective sheath, ■ preferably the protective sheath consists of a material selected from SiC, ramming mass or refractory materials. Satz von Teilen zur Herstellung einer Kathodenstromkollektor und -verbinder anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend a1) ein erstes Stromkollektorsystem aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit einer optionalen Stahlschutzschichtverkleidung, a2) ein zweites Stromkollektorsystem aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit einer optionalen Stahlschutzschichtverkleidung, b) mindestens eine längliche kohlenstoffhaltige Kathode mit mindestens einer sich in Längsrichtung der kohlenstoffhaltigen Kathode erstreckenden Nut zur Aufnahme mindestens eines Teils von a1) und a2), optional: c1) ein erstes Konduktorelement c2) ein zweites Konduktorelement dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der elektrischen Widerstände von a1), b1) und dem gegebenenfalls enthaltenen c1) verschieden ist von der Summe der elektrischen Widerstände von a2), b2) und dem gegebenenfalls enthaltenen c2).Set of parts for producing a cathode current collector and connector arrangement according to one of the preceding claims, comprising a 1 ) a first current collector system made of copper or a copper alloy with an optional steel protective layer cladding, a 2 ) a second current collector system made of copper or a copper alloy with an optional steel protective layer cladding, b) at least one elongated carbon-containing cathode with at least one groove extending in the longitudinal direction of the carbon-containing cathode for receiving at least a part of a 1 ) and a 2 ), optionally: c 1 ) a first conductor element c 2 ) a second conductor element characterized in that the sum of the electrical resistances of a 1 ), b 1 ) and the optionally contained c 1 ) is different from the sum of the electrical resistances of a 2 ), b 2 ) and the optionally contained c 2 ). Aluminiumelektrolysezelle mit einer Kathodenstromkollektor- und -verbinderanordnung, vorzugsweise nach einem der Ansprüche 1 bis 9, und mindestens einer Versorgungssammelschiene, wobei die Kathodenstromkollektor- und -verbinderanordnung elektrisch mit der mindestens einen Versorgungssammelschiene verbunden ist.Aluminium electrolysis cell with a cathode current collector and connector arrangement, preferably according to one of the Claims 1 until 9 , and at least one supply busbar, wherein the cathode current collector and connector assembly is electrically connected to the at least one supply busbar. Verwendung einer asymmetrischen Widerstandsverteilung in einer Kathodenstromkollektor- und -verbinderanordnung zur Kompensation eines nicht ausgeglichenen vor- und nachgelagerten Stromflusses in einer Aluminiumelektrolysezelle.Use of an asymmetric resistance distribution in a cathode current collector and connector arrangement to compensate for unbalanced upstream and downstream current flow in an aluminum electrolysis cell.
DE102022129669.5A 2022-11-09 2022-11-09 Cathode current collector and connector assembly for an aluminum electrolytic cell Pending DE102022129669A1 (en)

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