DE1092215B - Kathode und Zelle zur Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxyd durch Schmelzflusselektrolyse - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft eine Kathode und eine elektrolytische Reduktionszelle zur Herstellung von Aluminium.

Diese Zellen werden zur Elektrolyse einer Aluminiumverbindung, im allgemeinen von Aluminiumoxyd, verwendet, das in einem geeigneten, hauptsächlich aus Kryolith bestehenden Flußmittel gelöst ist und im allgemeinen einen Schmelzpunkt von über 900° C besitzt. Da die Zellen somit bei einer Temperatur in der Nähe von 1000° C arbeiten müssen, hat ihre Konstruktion stets beträchtliche Probleme gestellt. Das Flußmittel ζ. B. ist Metallen (mit Ausnahme der Edelmetalle) und normalen feuerfesten Materialien gegenüber sehr reaktionsfähig. Diese Schwierigkeit zeigt sich bei der Konstruktion eines dauerhaften Behälters für das geschmolzene Flußmittel. Eine noch größere Schwierigkeit besteht darin, geeignete Materialien zur Herstellung der Elektroden zu finden.

Kohlenstoff (Graphit) ist das einzige Material, das sich bisher für die erwähnten Zwecke als geeignet erwiesen hat, und zwar sowohl für die Ausfütterung des Behälters, der das Flußmittel aufnimmt, als auch für die Herstellung der Elektroden. Indessen bringt die Verwendung dieses Materials eine Anzahl Nachteile mit sich, von denen nicht der geringste darin besteht, daß die Elektroden, im praktischen Betrieb horizontal angeordnet werden müssen, so· daß durch eine einzelne Zelle eine beträchtliche Grundfläche in Anspruch genommen wird und die Kosten für die Herstellung derartig großer Zellen erheblich sind. Die Notwendigkeit für diese horizontale Anordnung beruht darauf, daß geschmolzenes Aluminium eine Kohlenstoffkathode nicht benetzt, weshalb die Kohlenstoffausfütterung des Zellenbodens als Kathode ausgebildet wird, auf der sich das durch die Elektrolyse erzeugte Aluminium als ein Sumpf von geschmolzenem Metall abscheidet. Wenn diese Anordnung nicht verwendet wird, ergibt sich ein sehr geringer Wirkungsgrad für die Stromausnutzung in der Zelle.

Darüber hinaus verursacht das allmähliche Eindringen des geschmolzenen Flußmittels in den Kohlenstoff der Kathode eine allmähliche Zersetzung und Verkürzung ihrer Lebensdauer. Weiterhin bilden sich Niederschläge an der Oberfläche der Kathode, die den Spannungsabfall in der Zelle erhöhen und ihren Wirkungsgrad herabsetzen. Es ist schwierig, einen guten elektrischen Kontakt zwischen der Kathode und den Zuführungsleitungen für den elektrischen Strom herzustellen, und es treten außerdem beträchtliche Verluste durch den elektrischen Widerstand des Kohlenstoffs selbst auf. Die Notwendigkeit der Verwendung einer horizontal angeordneten Kohlenstoffkathode¹ mit einer sich daraus ergebenden großen Fläche der Zelle Kathode und Zelle zur Gewinnung

von Aluminium aus Aluminiumoxyd

durch Schmelzflußelektrolyse

Anmelder:

The British Aluminium Company Limited, London

Vertreter: Dr. K.-R. Eikenberg, Patentanwalt,
Hannover, Am Klagesmarkt 10/11

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 4. Mai 1951 und 15. April 1952

Charles Eric Ransley, Amersham, Buckingham

(Großbritannien),
ist als Erfinder genannt worden

hat auch zur Folge, daß hohe Wärmeverluste auftreten, die durch einen beträchtlichen Aufwand an elektrischer Energie ausgeglichen werden müssen, die zusätzlich zu der für die: elektrolytische Zerlegung des Aluminiumoxyds erforderlichen Energie gebraucht wird.

Um diese Nachteile zu überwinden, wurde nach einem neuen Kathodenmaterial gesucht. Eine ideale Kathode muß folgende Eigenschaften haben:

1. Sie muß eine gute elektrische Leitfähigkeit besitzen;

2. sie darf nicht mit dem geschmolzenen Aluminium oder dem geschmolzenen Flußmittel reagieren oder darin löslich sein, wenigstens nicht in einem wesentlichen Ausmaß;

3. sie muß durch geschmolzenes Aluminium benetzt werden können;

4. sie muß in der benötigten Form wirtschaftlich hergestellt werden können.

Es wurde nun gefunden, daß diese Forderungen dadurch sehr weitgehend erfüllt werden, daß die Kathode in der Hauptsache aus zumindest einem der Stoffe Titancarbid und Zirkoniumcarbid besteht. Mit dem Ausdruck » in der Hauptsache bestehend aus ...» soll hier und in den Ansprüchen ein Material verstanden werden, das zu mindestens 90% aus den erwähnten Stoffen besteht und im übrigen die üblichen tech-

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flisglien Verunreinigungen aufweisen kann, Der Gehalt des Kathodenmaterials an freiem Kohlenstoff liegt dabei unter 0,5% und vorzugsweise unter 0,1°/»·

Es ist zwar schon vor längerer Zeit für elektrische Schalterkontakte, die Carbide neben anderen Metallen enthalten, die Verwendung von Titancarbid als einziges oder neben anderen Carbiden vorgeschlagen worden. Dieser Vorschlag konnte sich jedoch nicht auf das hinsichtlich der Beanspruchung der Elektrodenmaterialien grundsätzlich anders gelagerte Gebiet der Aluminiumherstellung auswirken. Darüber hinaus zeigte eine Überprüfung, daß mit den in dem Vorschlag angegebenen Zusammensetzungen keine für eine elektrolytische Aluminiumzelle brauchbare Kathode hergestellt werden kann.

Eine Kathode gemäß der Erfindung kann mit Vorteil in einer Zelle der bisher üblichen Bauart verwendet werden, wobei der sonst festgestellte Kathodenspannungsabfall in beträchtlichem Maße herabgesetzt wird. Es wurde indessen festgestellt, daß ihr größter Wert darin liegt, daß sie gut in einer vertikalen oder geneigten Lage verwendet werden kann. Es können beträchtliche zusätzliche Vorteile durch die Herstellung einer Zelle mit einer oder mehreren geneigt angeordneten Kathoden gewonnen werden.

Titan und Zirkonium sind verhältnismäßig häufig vorkommende Elemente, deren Carbide verhältnismäßig leicht hergestellt werden können. Die Carbide haben eine relativ hohe elektrische Leitfähigkeit, sind widerstandsfähig gegenüber dem geschmolzenen Flußmittel und besitzen bei 1000° C eine sehr geringe Löslichkeit in geschmolzenem Aluminium. Sie können in einer geeigneten Form mit guten mechanischen Eigenschaften hergestellt werden. Ferner ist es möglich, in wirksamer Weise die Oberfläche einer Titancarbid- oder Zirkoniumcarbidelektrode mit geschmolzenem Aluminium so zu benetzen, daß erstmalig der Aufbau einer Zelle mit vertikalen oder geneigten Elektroden möglich wird. Schließlich können diese Carbide ohne große Schwierigkeiten in guter mechanischer und elektrischer Verbindung mit einem metallischen Leiter verbunden werden. Die Kathode, von der hier gesprochen wird, ist eine Plattenelektrode, Stangenelektrode oder von anderer geeigneter Form. Sie kann z. B. aus geeigneten Stücken aus Titancarbid, Zirkoniumcarbid oder einer Mischung von beiden bestehen, die durch ein Stützmaterial, wie Kohlenstoff, gehalten werden.

Obwohl beide Carbide für die betrachteten Zwecke brauchbar sind, wird Titancarbid dem Zirkoniumcarbid vorgezogen; nicht nur wegen seines niedrigeren Herstellungspreises, sondern auch wegen seiner größeren Widerstandsfähigkeit gegen Oxydation im Vergleich zu Zirkoniumcarbid. Bei Zirkoniumcarbid müssen Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, um den Einfluß von Luft, Sauerstoff oder oxydierenden Bedingungen bei hoher Temperatur, z. B. der Betriebstemperatur der Zelle, auszuschalten. Aus diesem Grund muß eine Kathode, die ganz oder größtenteils aus Zirkoniumcarbid besteht, durch schnelles Eintauchen in geschmolzenes Metall oder Flußmittel oder durch einen Überzug aus Kohlenstoff geschützt werden, bevor ihre Temperatur erheblich ansteigt. Außerdem sind zur Sinterung von Zirkoniumcarbid höhere Temperaturen als bei Titancarbid erforderlich, um die notwendige mechanische Festigkeit zu erreichen. Aus diesem Grunde bezieht sich die folgende Beschreibung in der Hauptsache auf die Verwendung von Titancarbid. Die verschiedenen Arbeitsgänge und Herstellungsverfahren, die im einzelnen angegeben werden, können aber ebenfalls im Fall von Zirkoniumcarbid angewendet werden, mit Ausnahme der Fälle, wo die Notwendigkeit, das Zirkoniumcarbid gegen Oxydation zu schützen, entsprechende Vorsichtsmaßnahmen notwendig macht.

Es wird vorgezogen, daß das Carbid in der Kathode im wesentlichen rein ist, d. h. im wesentlichen frei von anderen Elementen oder Verbindungen, die zu einer unerwünschten Verunreinigung des hergestellten AIuminiums oder zu einer schnellen Zersetzung der Kathode während des Betriebs führen würden. Nichtsdestoweniger können die erfindungsgemäßen Kathoden anfangs kleine Mengen anderer Verbindungen enthalten, die sich schnell herauslösen, wenn die Kathode erstmalig in Betrieb genommen wird, ohne daß dadurch eine Zersetzung der Kathode erfolgt. Diese anderen Verbindungen können z. B. kleinen Prozentbeträgen von Titan- oder Zirkoniumoxyden entsprechen.

Beispielsweise wird eine Kathode gemäß der Erfindung durch Pressen von pulverförmigem Titancarbid, mit dem ein kleiner Anteil eines Bindemittels, z. B. IVo von in Benzol gelöstem Paraffinwachs, gemischt ist, hergestellt, wobei das Pulver einen mittleren Teilchendurchmesser von ungefähr 1 bis 2 Mikron besitzt. Die Verdichtung kann bei Drücken von ungefähr 80 bis 800 kg/cm² zwischen Matrizen entweder bei gewöhnlicher oder erhöhter Temperatur vorgenommen werden. Die pulverförmige Mischung kann dabei in die gewünschte Form gepreßt werden. Wenn das Titancarbidpulver einen geringen Gehalt an freiem Kohlenstoff hat, so kann es direkt verdichtet und dann im Vakuum auf eine Temperatur von 1100° C vorgesintert werden (ungefähr 1600° C bei Zirkonium- carbid). Dann kann es durch Sägen, Feilen oder Hobeln bearbeitet werden, so daß eine Kathode von geeigneter Form erhalten wird, obwohl die Elektrode normalerweise ihre endgültige Form schon durch das Verdichten erhält. Die Kathode wird dann im Vakuum bei einer Temperatur von 1600° C gesintert (ungefähr 2200° C bei Zirkoniumcarbid), wobei die Temperatur aber entsprechend der für das endgültige Produkt gewünschten Dichte verändert werden kann, damit ein festes gesintertes Teil mit einer Porosität entsteht, die von der Größenordnung von 20 Volumprozent sein kann.

Im allgemeinen enthält das handelsübliche Titancarbidpulver ungefähr 9O°/o TiC, 1 bis 2% freien Kohlenstoff und als Rest im wesentlichen Titanoxyd.

Wenn ein derartiges Pulver in der angegebenen Weise behandelt wird, ist die erhaltene Kathode nicht immer für die beabsichtigten Zwecke geeignet, weil der Gehalt an freiem Kohlenstoff nicht unbedingt auf ein sicheres Maß während der Sinterung herabgesetzt wird. Es wurde gefunden, daß ein gesinterter Titancarbidpreßling, der mehr als ungefähr 0,5% freien Kohlenstoff enthält, beim Benetzen durch geschmolzenes Aluminium wahrscheinlich infolge der Bildung von Aluminiumcarbid zerbricht oder zerfällt. Diese Schwierigkeit kann dadurch behoben werden, daß dem zur Herstellung der Preßlinge verwendeten Titancarbidpulver eine bestimmte Menge kalziniertes Aluminiumoxydpulver zugesetzt wird. Vorzugsweise wird das Aluminiumoxyd dem handelsüblichen TiC-Pulver zugesetzt und die Mischung dann verhältnismäßig lange in einer Kugelmühle im trockenen Zustand gemahlen, bis ein mittlerer Teilchendurchmesser von ungefähr 1 bis 2 Mikron vorhanden ist. Der Anteil an zugesetztem Aluminiumoxyd hängt bis zu einem gewissen Grade von dem Gehalt an freiem

Kohlenstoff in dem handelsüblichen TiC-Pulver ab, liegt im allgemeinen aber ungefähr bei 2 bis 3 Gewichtsprozent des verwendeten TiC.

Die pulverförmige Mischung von TiC und Al₂O₃ wird dann mit einem geeigneten. Bindemittel, z. B. Paraffinwachs, das in Benzol gelöst ist, versetzt und das Lösungsmittel vor der Verdichtung der Masse unter Druck abgetrieben. Die erhaltenen Preßlinge werden in einem Ofen: geglüht, durch den, ein Strom eines neutralen Gases, z. B. Wasserstoff, geleitet wird, wobei die Temperatur vorzugsweise höher als 1600° C, z.B. ungefähr 2200° C (ungefähr 2700° C für Zirkoniumcarbid) ist. Das Endprodukt enthält im wesentlichen keinen freien Kohlenstoff, und der Rest des darin als Al₂O₃ oder Al₄C₃ enthaltenen Aluminiums ist sehr gering. Beispielsweise lieferte ein Titancarbidpulver, das ursprünglich zwischen 1 und 2% freien Kohlenstoff enthielt, nach Mischung mit 2,5% kalziniertem Aluminiumoxyd und der oben angegebenen Behandlung eine Kathodenpreßmasse, die nur 0,2% freien Kohlenstoff enthielt. Bei Erhöhung des Al₂O₃-Anteils auf 3% wurde ein Produkt mit einem Gehalt an 0,05 % freiem Kohlenstoff erhalten.

Obgleich der Gehalt an freiem Kohlenstoff in der fertigen Kathode unter 0,1 % liegen soll, können etwas höhere Gehalte an. freiem Kohlenstoff zugelassen werden, vorausgesetzt, daß nicht 0,5% erreicht werden. Kathoden, die so aus im wesentlichen kohlenstofffreiem TiC hergestellt sind, werden durch geschmolzenes Aluminium gut benetzt, ohne irgendeine Neigung zum Zerbrechen oder Reißen zu zeigen. Die Dichte des Produkts ist vor dem Benetzen ungefähr 4,5 g/cm³ entsprechend einer Porosität von ungefähr 10 Volumprozent.

Wie erwähnt, ist die Benetzbarkeit durch geschmolzenes Aluminium eine wichtige Eigenschaft der Kathoden. Da sie etwas porös sind, dringt das Aluminium in die Kathoden ein und imprägniert sie in einem Maße, das von ihrer Porosität abhängig ist. Das Überziehen oder Imprägnieren eines Ti C-Preßlings mit Aluminium verbessert seine elektrische Leitfähigkeit und die Oxydationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen (hat aber wenig Einfluß auf die Oxydationsbeständigkeit von Zirkoniumcarbid). Da die elektrische Leitfähigkeit von Ti C an sich schon ausreichend ist, ist die Verbesserung in dieser Richtung zwar nützlich, jedoch nicht so wichtig. Andererseits ist die Erhöhung der Oxydationsbeständigkeit, die im Fall von Ti C erreicht wird, ein Vorteil.

Wenn eine Kathode gemäß der Erfindung in einer elektrolytischen Zelle angebracht wird und der Strom zur Elektrolyse angelegt wird, benetzt das an der Kathode abgeschiedene Aluminium diese automatisch. Infolgedessen ist es nicht wesentlich, die Kathode vor ihrer Einführung in die Zelle mit Aluminium zu benetzen. Allerdings werden durch eine Vorbenetzung die Korrosionsbeständigkeit der Kathode unter den Bedingungen außerhalb der Zelle verbessert und andere Vorteile gesichert. Zum Beispiel ist eine erfolgreiche Vorbenetzung ein Hinweis darauf, daß das Kathodenmaterial in der Zelle zufriedenstellend arbeiten wird, wenn es der Vorbenetzung standhält. Außerdem wird jeder Überschuß an Titan, der in Titancarbid als TiO oder TiO₂ enthalten ist, in starkem Maße ausgewaschen, wodurch eine entsprechende Verunreinigung des Aluminiums in der Zelle vermieden, wird. Schließlich erleichtert das Vorbenetzen der Kathode mit Aluminium den Anschluß der Kathode an die äußeren Stromschienen, die die Zelle mit Strom versorgen. Vorzugsweise besteht dieser Anschluß aus einer Aluminiumstange, die an einem Ende an die Kathode angegossen ist.

Ein erfindungsgemäßes Merkmal besteht infolgedessen darin, daß eine Kathode, die in der Hauptsache aus Titancarbid oder Zirkoniumcarbid hergestellt ist, nach ihrer Formgebung mit geschmolzenem Aluminium vorbenetzt wird.

Die Benetzung außerhalb der Zelle wird vorzugsweise durch Erhitzen der gesinterten Kathode in Kontakt mit Aluminium erzielt oder durch Eintauchen derselben in ein Aluminiumbad bei einer Temperatur von ungefähr 1200° C aufwärts im Vakuum. Das Aluminium benetzt dabei alle freiliegenden Flächen des Carbids und bleibt dann als dünner Film haften.

Eine erfindungsgemäße elektrolytische Reduktionszelle zur Herstellung von Aluminium besitzt eine oder mehrere der beschriebenen Kathoden, die so angeordnet sind, daß mindestens eine ihrer Betriebsflächen und. entsprechend die dazugehörige Betriebsfläche der

ao Anode sich in einem solchen Winkel zur Horizontalen erstreckt, daß das auf der Kathode abgeschiedene flüssige Metall unter dem Einfluß der Schwerkraft abfließen kann.

Das von den Kathoden herabfließende Metall sammelt sich vorzugsweise in einem Sumpf, der mit dem unteren Teil der Kathode in Verbindung steht, und aus dem es von Zeit zu Zeit in der üblichen Weise entnommen wird.

Infolge der geneigten oder vertikalen Anordnung der Elektroden ist die Bodenfläche, die durch die Zelle eingenommen wird, gegenüber der bisher benötigten Bodenfläche wesentlich kleinen Außerdem können die Elektroden so angeordnet werden, daß sie in einem verhältnismäßig begrenzten Raum von geschmolzenem Flußmittel arbeiten, der andererseits durch erstarrtes Flußmittel umgeben sein kann, das durch eine einfache Wandung aus Stahlblech oder anderem geeignetem Material in seiner gewünschten äußeren Form zusammengehalten wird. Hierdurch wird der Bau der Zelle beträchtlich verbilligt. Ein weiterer großer Vorteil der Zellenkonstruktion mit geneigten Kathoden gemäß der Erfindung besteht darin, daß die Beseitigung von schädlichen oder unangenehmen Dämpfen, die während des Betriebs der Zelle erzeugt werden, infolge der viel kleineren Fläche beträchtlich vereinfacht wird. Die Zelle kann auch so gebaut werden, daß ein kostspieliger Verlust an Wärme auf ein Mindestmaß herabgesetzt wird. Ein weiterer Vorteil, der sich aus der geneigten Anordnung der Kathode ergibt, besteht darin, daß ein Hin- und Herwallen des geschmolzenen Aluminiums nicht so leicht erfolgt; der Abstand zwischen den Elektroden kann daher im Vergleich zu den bisherigen Zellen wesentlich verringert werden, wodurch der Verlust an elektrischer Energie in dem Flußmittel entsprechend herabgesetzt wird. Weiterhin ist wichtig, daß infolge der verhältnismäßig hohen elektrischen Leitfähigkeit der Kathode im Vergleich zu der einer Kohlenstoffkathode der Spannungsabfall, der gewöhnlich bei dem Durchgang der sehr hohen Betriebsströme durch das Kathodenmaterial auftritt, stark herabgesetzt wird. Eine Schlammbildung am Boden der Zelle, die einen unerwünschten Spannungsabfall an der Kathode in den horizontalen Zellen hervorrufen kann, kann den Betrieb der neuen Zellentype nicht stören.

Es wurde z. B. eine elektrolytische Reduktionszelle — unter Verwendung der üblichen Flußmittel — mit einer Titancarbidkathode und einer Kohlenstoffanode konstruiert, die beide im wesentlichen vertikal angeordnet waren. Dabei wurde festgestellt, daß der

Kathodenverlust weniger als 0,2 Volt war im Vergleich zu dem gewöhnlichen Kathodenverlust von 0,5 bis 0,7 Volt, der in den üblichen Zellen vergleichbarer Größe auftrat. Außerdem wurde ein beträchtlich höherer Wirkungsgrad der Stromausnutzung festgestellt, als er in einer gebräuchlichen Zelle mit Kohlenstoffkathode erhalten wurde.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen, die Ausführungsbeispiele einer elektrolytischen Zelle zur Aluminiumherstellung darstellen, näher erläutert.

Fig. 1 stellt einen vertikalen Querschnitt längs der Linie I-I in Fig. 2 durch eine Zelle dar, wie sie sich während des Betriebs darstellt;

Fig. 2 stellt einen Teilschnitt längs der Linie II-II in Fig. 1 dar und zeigt ein Ende der Zelle ohne Flußmittel und geschmolzenes Aluminium;

Fig. 3 stellt einen Schnitt durch eine gegenüber Fig. 1 modifizierte Konstruktion einer Reduktionszelle längs der Linie III-III in Fig. 4 dar;

Fig. 4 stellt einen Schnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 3 dar, wobei der Inhalt der Zelle, d. h. das geschmolzene und erstarrte Flußmittel und der Sumpf aus geschmolzenem Aluminium weggelassen sind;

Fig. 5 stellt einen Teilschnitt längs der Linie V-V in Fig. 3 dar.

Das in Fig. 1 und 2 dargestellte Beispiel zeigt eine Zelle von rechteckiger Form, sowohl in der Draufsicht wie im Querschnitt. Sie besitzt eine Außenwand 1 aus feuerfestem Isoliermaterial, wie Magnesit, und eine Innenwand oder eine Kohlenstoffausfütterung 2. Vertikale Scheidewände 3, ebenfalls aus Kohlenstoff, erstrecken sich von den seitlichen Längswänden der Kohlenstoffausfütterung aus einwärts, wobei jede Scheidewand mit ihren Außen- und Bodenflächen in Berührung mit den entsprechenden Flächen der Kohlenstoffausfütterung 2 ist, aber kurz vor der Längsmittellinie der Zelle endigt. Die Innenfläche jeder Scheidewand 3 ist nach aufwärts und auswärts von ihrem unteren Ende verhältnismäßig steil zur Horizontalen geneigt, und die obere Fläche der Scheidewand ist in einer Höhe angeordnet, die etwas unter dem Spiegel des geschmolzenen Flußmittels 4 liegt, das beim Betrieb die Zelle füllt (vgl. Fig. 1). Die Scheidewände 3 sind getrennt längs der Längsausdehnung der Zelle und paarweise entgegengesetzt angeordnet, wobei jede Scheidewand eines Paares dazu dient, eine Platte eines Kathodenpaares zu tragen, das mit einer Anode 6, die dazwischen liegt, zusammenarl >eitet. Jede Kathode 5 besteht aus einer rechteckigen Platte aus gesintertem Carbid, die in der oben beschriebenen Art hergestellt wurde. Diese Kathodenplatte ruht mit dem Mittelteil ihrer Außenfläche auf der Innenfläche der entsprechenden Scheidewand 3 und ihre untere Kante ist so eingerichtet, daß sie die entsprechende Seitenwand eines Kanals 7, der längs der inneren Fläche der Grundplatte der Kohlenstoffausfütterung 2 gebildet ist, berührt. Die Breite des Kanals erstreckt sich von einer Scheidewand 3 zur gegenüberliegenden. Durch diese Anordnung entstehen in Abständen längs der Zelle die Paare von inV-Form gegenül>erllegenden Kathodenplatten 5, deren untere Kanten um die Breite des Kanals 7 voneinander getrennt sind. Die oberen Kanten der Kathodenplatten, wie in Fig. 1 dargestellt, ragen etwas über die oberen Flächen der Scheidewände 3 hinaus und endigen kurz unter der Oberfläche der Füllung aus geschmolzenem Flußmittel 4. Die Anode 6 besteht aus Kohlenstoff und hat in jedem horizontalen Querschnitt eine rechteckige Form. An ihrem unteren Betriebsende hat sie jedoch die Form eines Keils, so daß die dadurch entstehenden geneigten rechteckigen Flächen 6a im wesentlichen parallel zu den inneren Flächen der entsprechenden Kathodenplatten 5 verlaufen. Die Anode 6 wird durch eine Aluminiumstange 8 (Fig. 1) getragen, die auch

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dazu dient, die Anode mit dem positiven Poi der Stromquelle zu verbinden. Der obere Teil der Anode ragt über die Oberfläche des geschmolzenen Flußmittels 4 hinaus und durch die darüberliegende Kruste

ίο 4a des erstarrten Flußmittels hindurch. Da sich die Anode während des Betriebs der Zelle verbraucht, wird sie fortlaufend in bekannter Weise herabgelassen. Die geneigten Flächen der Anode sind so angebracht, daß der gewünschte kleine Abstand zwischen den Elektroden stets erhalten bleibt.

In dem Winkel zwischen einer Fläche jeder Scheidewand 3 und der anliegenden Längsfläche der Kohlenstoffausfütterung 2 der Zelle ist auf der Grundfläche der Fütterung eine flache Vertiefung 9 gebildet, innerhalb derer das innere Ende eines Stabes 10 liegt, der aus gesintertem, zusammengepreßtem Titancarbid derselben Art wie die Kathodenplatten besteht. Dieser Stab stellt eine Stromleitung dar und geht horizontal durch die vertikale W^Tand der Kohlenstoffausfütterung 2 hindurch nach außen, wo er elektrisch mit einem Kontaktstab 11 verbunden ist, dessen inneres Ende in die isolierende Außenwandung 1 eingebettet ist und der mit dem negativen Pol der Stromquelle für die Elektrolyse verbunden ist.

Eine derartige aus Titancarbid oder Zirkoniumcarbid bestehende Stromzuführung ist jedoch nicht Gegenstand der Erfindung.

Bei der Inbetriebnahme der Zelle kann die Elektrolyse durch eine der verschiedenen bekannten Maß- nahmen eingeleitet werden. Zum Beispiel können die Anoden 6 gesenkt werden, bis sie Kontakt mit den Kathodenplatten 5 und dem Boden der Kohlenstoffausfütterung 2 haben. Wenn Strom durch die Elektroden und die Ausfütterung geschickt wird, kann die Anordnung dadurch auf eine entsprechende Temperatur, beispielsweise auf 700° C erwärmt werden. Die Anoden können dann von den Kathodenplatten abgehoben werden, während geschmolzenes Aluminium zur Bildung eines den Boden bedeckenden Sumpfes 12 in die Zelle gegossen wird, worauf geschmolzener Kryolith, der gelöstes Aluminiumoxyd enthält, folgt. W^renn die Zelle bis zu dem gewünschten Niveau gefüllt ist, wird der volle Elektrolysenstrom den Elektroden zugeführt und die Zelle auf volle Produktion gebracht.

Während des Betriebs der Zelle ist der größere Teil der Flußmittelmischung in geschmolzenem Zustand. Es bildet sich jedoch eine Kruste Ία aus erstarrtem Flußmittel, die den Spalt zwischen der Kohlenstoffausfütterung 2 der Zelle und den Anoden 6 überbrückt und sich ebenso an den Wänden der Ausfütterung hinunter erstreckt. Das Aluminium scheidet sich flüssig auf den gesamten Flächen der Kathodenplatten 5 ab und fließt an diesen Flächen in den Sumpf, der sich über den Boden der Kohlenstoffausfütterung 2 erstreckt und den Kanal 7 füllt. Der Sumpf stellt die elektrische Verbindung zwischen den Stäben 10 und den Kathodenplatten 5 dar, wobei im wesentlichen der gesamte Elektrolysenstrom durch das Aluminium geleitet wird und nur ein kleiner Teil oder gar nichts durch den Boden der Kohlenstoffausfütterung geht. Das geschmolzene Aluminium wird aus diesem Sumpf von Zeit zu Zeit abgestochen.

In der Anordnung nach den Fig. 3 bis 5 ist die Bauart der Zelle bezüglich der isolierenden Außenwand 1,

der Kohlenstoffausfütterung 2, der Scheidewände 3, der Kathodenplatten! 5, der Anoden 6 und der Kanäle 7 im wesentlichen dieselbe wie die in den Fig. 1 und 2.

Jedoch sind bier die Stäbe 10 für die Stromzuführung, die in den Fig. 1 und 2 dargestellt sind, weggelassen und die Verbindungen zwischen den Kathodenplatten 5 und dem negativen Pol der Stromquelle aus Verlängerungen 5 a gebildet worden, die sich von den oberen Kanten der Kathodenplatten, mit denen sie aus einem Teil gebildet sein können., nach oben erstrecken, so daß sie durch die erstarrte Kruste 4 a des Flußmittels hindurchragen. Jede dieser Verlängerungen 5 α ist mit einer Aluminiumstange 11 verbunden, indem z.B. das anliegende Ende dieser Stange daran angegossen oder damit verschweißt ist. Die flachen Vertiefungen 9, die in der Bauart gemäß den Fig. 1 und 2 vorgesehen sind, werden nicht benötigt. Die Arbeitsweise dieser Zelle ist im wesentlichen gleich wie die der in Fig. 1 und 2 dargestellten Zelle.

Die Fig. 3 bis 5 zeigen zusätzlich eine Haube 13, die mit ihrer unteren Kante auf der oberen Kante der isolierenden Außenwand 1 sitzt und deren Inneres durch eine Leitung 14 mit einer (nicht dargestellten) Gasabführungsanlage verbunden ist. In der Haube sind öffnungen zur Durchführung der Stangen vorgesehen, die als Stromzuführungen zu den entsprechenden Kathodenplatten dienen. Eine ähnliche Haube kann bei der Anordnung, wie sie in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, vorgesehen sein.

Bei beiden, dargestellten Zellen wird das Aluminium elektrolytisch auf den geneigten Flächen der Kathodenplatten 5 niedergeschlagen und rinnt in den Sumpf 12. Wenn die Platten 5 vor dem Einbau in die Zelle nicht mit Aluminium benetzt worden sind, dient das erste niedergeschlagene Aluminium zur Benetzung ihrer Flächen. Das in der Folge niedergeschlagene Aluminium rinnt dann in den Sumpf. In einigen Fällen ist es vorzuziehen, mit geschmolzenem Aluminium benetzte Kathodenplatten in die Zelle einzusetzen.

Die Zelle kann in solcher Weise betrieben werden, daß eine dickere Kruste 4 α von erstarrtem Flußmittel entsteht, als in den Zeichnungen dargestellt ist. In die sem Fall kann das gesamte Flußmittel in einem Kastei: aus Stahl oder anderem geeignetem Material untergebracht sein.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kathode für eine Zelle zur Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxyd durch Schmelzflußelektrolyse, dadurch gekennzeichnet, daß sie in der Hauptsache aus zumindest einem der Stoffe Titancarbid und Zirkoniumcarbid besteht.

2. Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kathodenmaterial einen Gehalt an freiem Kohlenstoff unter 0,5 °/o, vorzugsweise unter 0,1 %, aufweist.

3. Kathode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorbenetzung mit geschmolzenem Aluminium nach ihrer Formgebung.

4. Kathode nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kathodenmaterial gesintert und der freie Kohlenstoffgehalt durch innige Vermischung des ausgewählten Kathodenmaterials mit einem kleinen Anteil von Aluminiumoxyd vor der Sinterung verringert ist.

5. Zelle zur Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxyd durch Schmelzflußelektrolyse mit einer oder mehreren Kathoden nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Betriebsflächen der Kathode (5) und entsprechend die dazugehörende Betriebsfläche (6 a) der Anode (6) in einem solchen Winkel zur Horizontalen geneigt angeordnet sind, daß das auf der Kathode abgeschiedene flüssige Metall unter dem Einfluß der Schwerkraft abfließen kann.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 622 522;
R. Kieffer und W. Hotop, »Pulvermetallurgie und Sinterwerkstoffe«, 1948, S. 285.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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