DE3024172A1 - Cathode for electrolysis of fused aluminium - assembled from under conductive and lower insulating element - Google Patents

Abstract

A cathode for the electrolysis of aluminium in the fused stage is assembled from two rigidly connected elements with a high resistance to thermal shocks. An upper part penetrates from the fused electrolyte into the segregated aluminium and is made of a chemically stable material with a good electrical conductivity and wettability of aluminium. The lower part remains exclusively in the liq. aluminium and is made of insulating material with a good stability in presence of liq. aluminium. The elements of the cathode can be replaced individually and can be mfd. and shaped at lower cost.

Description

Kathode für eine Schmelzflusselektro.ly.se.zelleCathode for a melt flow electro.ly.se. cell

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kathode aus einzeln auswechselbaren Elementen für eine Schmelzflusselektrolysezelle, insbesondere zur Herstellung von Aluminium.The invention relates to a cathode made of individually replaceable Elements for a fused-salt electrolysis cell, in particular for the production of Aluminum.

Für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid wird dieses in einer Fluoridschmelze gelöst, die zum grössten Teil aus Kryolith besteht. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium sammelt sich unter der Fluoridschmelze auf dem Kohleboden der Zelle, wobei die Oberfläche des flüssigen Aluminiums die Kathode bildet. An Anodenbalken befestigte, bei konventionellen Verfahren aus amorphem Kohlenstoff bestehende Anoden tauchen von oben in die Schmelze ein. An den Köhleanoden entsteht durch die elektrolytische Zersetzung des Aluminiumoxids Sauerstoff der sich mit dem Kohlenstoff der Anoden zu CO2 und CO verbindet. Die Elektrolyse findet im allgemeinen in einem Temperaturbereich von etwa 940 - 970 0C statt. Im Laufe der Elektrolyse verarmt der Elektrolyt an Aluminiumoxid. Bei einer unteren Konzentration von ca. 1 - 2 Gew.-% Aluminiumoxid im Elektrolyten kommt es zum Anodeneffekt, der sich in einer Spannungserhöhung von beispielsweise 4 - 4,5 V auf 30 V und darüber auswirkt. Spätestens dann muss die aus erstarrtem Elektrolytmaterial gebildete Kruste eingeschlagen, und die Aluminiumoxidkonzentration durch Zugabe von neuem Aluminiumoxid (Tonerde) angehoben werden.For the production of aluminum by electrolysis of aluminum oxide this is dissolved in a fluoride melt, which for the most part consists of cryolite consists. The cathodically deposited aluminum collects under the fluoride melt on the carbon bottom of the cell, the surface of the liquid aluminum being the Cathode forms. Attached to anode bars, in conventional processes made of amorphous Anodes made of carbon are immersed in the melt from above. On the coal anodes The electrolytic decomposition of aluminum oxide creates oxygen combines with the carbon of the anodes to form CO2 and CO. The electrolysis takes place generally in a temperature range of about 940-970 ° C. In the course of the electrolysis depletes the electrolyte in aluminum oxide. At a lower concentration From approx. 1 - 2% by weight of aluminum oxide in the electrolyte, there is an anode effect, the in a voltage increase from, for example, 4 - 4.5 V to 30 V and above affects. Then at the latest the crust formed from the solidified electrolyte material must and the alumina concentration by adding new alumina (Alumina).

Es ist bekannt, bei der Schmelzflusselektrolyse zur Herstellung von Aluminium benetzbare Kathoden einzusetzen. Bei-der Abscheidung von Aluminium werden für zum Stand der Technik gehörende Elektrolysezellen Kathoden aus Titandiborid, Titankarbid, pyrolytischem Graphit, Borkarbid und weiteren Substanzen vorgeschlagen, wobei auch Gemische dieser Substanzen, die zusammengesintert sein können, eingesetzt werden.It is known in the fused-salt electrolysis for the production of Use aluminum wettable cathodes. In-the deposition of aluminum will be for state-of-the-art electrolysis cells, cathodes made of titanium diboride, Titanium carbide, pyrolytic graphite, boron carbide and other substances suggested mixtures of these substances, which can be sintered together, are also used will.

Gegenüber konventionellen Elektrolyse zellen mit einer Interpolardistanz von ca. 6 - 6,5 cm bieten mit Aluminium benetzbare und in Aluminium nicht oder nur wenig lösliche Kathoden entscheidende Vorteile. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium fliesst schon bei Ausbildung einer sehr dünnen Schicht auf der der aktiven Anodenfläche zugewandten Kathodenoberfläche. Es ist deshalb möglich, das abgeschiedene flüssige Aluminium aus dem Spalt zwischen Anode und Kathode abzuleiten und einem ausserhalb des Spaltes angeordneten Sumpf zuzuführen.Compared to conventional electrolysis cells with an interpolar distance 6 - 6.5 cm are wettable with aluminum and not or only in aluminum poorly soluble cathodes have decisive advantages. The cathodically deposited aluminum already flows when a very thin layer is formed on the active anode surface facing cathode surface. It is therefore possible to use the deposited liquid To derive aluminum from the gap between anode and cathode and one outside of the gap arranged sump feed.

Dank der dünnen Aluminiumschicht der Kathodenoberfläche bilden sich die aus der konventionellen Elektrolyse sattsam bekannten Ungleichmässigkeiten in bezug auf die Dicke der Aluminiumschicht - unter dem Einfluss elektromagnetischer und konvektioneller Kräfte - nicht. Deshalb kann die Interpolardistanz ohne Einbusse an Strsmausbeute reduziert werden, d.h.Thanks to the thin aluminum layer on the cathode surface, they form the well-known irregularities in with respect to the thickness of the aluminum layer - under the influence of electromagnetic and convectional forces - not. Therefore, the interpolar distance can be used without loss can be reduced in current yield, i. e.

es wird ein wesentlich kleinerer Energieverbrauch pro Einheit reduziertes Metall erreicht.it is reduced a much smaller energy consumption per unit Metal reached.

In der US-PS 3 400 061 wird eine Elektrolysezelle vorgeschlagen, bei welcher am Zellenboden aus Kohlenstoff benetzbare Kathoden befestigt sind. Die KathDdenplatten sind in bezug auf die Horizontale, gegen die Zellenmitte, leicht geneigt.An electrolytic cell is proposed in US Pat. No. 3,400,061 which are attached to the cell bottom made of carbon wettable cathodes. The cathode plates are slightly inclined with respect to the horizontal, towards the center of the cell.

Die lichte Weite des Spaltes zwischen Anode und Kathode, d.h.The clear width of the gap between anode and cathode, i.e.

die Interpolardistanz, ist wesentlich kleiner als bei konventionellen Zellen. Dadurch wird jedoch die Zirkulation des Elektrolyten zwischen Anode und Kathode erschwert. Bei der Abscheidung von Aluminium verarmt die Kryolithschmelze stark an Tonerde, wodurch die Zelle anfällig für Anodeneffekte wird.the interpolar distance is much smaller than with conventional ones Cells. However, this will reduce the circulation of the electrolyte between the anode and Cathode difficult. When aluminum is deposited, the cryolite melt becomes depleted high in clay, making the cell susceptible to anode effects.

Für das Sammeln des flüssigen Metalls steht nur ein kleiner Teil der gesamten Bodenfläche der Zelle zur Verfügung. Um die Schöpfintervalle nicht unwirtschaftlich klein werden zu lassen, muss deshalb der Sumpf tief ausgebildet sein, was wiederum eine verstärkte Isolation des. Zellenbodens bedingt.Only a small part of the is responsible for collecting the liquid metal entire floor area of the cell is available. Not uneconomical about the scooping intervals To make it small, the sump must therefore be formed deep, which in turn increased isolation of the cell floor.

Ausserdem ist zu beachten, dass die Verbindung zwischen dem Kohlenstoffboden und den benetzbaren Kathodenplatten schwer erreichbare Forderungen an die Verbindungsmasse stellt und den elektrischen Widerstand des Zellenbodens vergrössert.It should also be noted that the connection between the carbon soil and the wettable cathode plates difficult to achieve demands on the connection mass and increases the electrical resistance of the cell bottom.

Wie bei üblichen Elektrolysezellen besteht der Zellenboden aus elektrisch leitendem, also schwach wärmeisolierendem Kohlematerial.As with conventional electrolysis cells, the cell bottom is made of electrical conductive, i.e. weakly heat-insulating carbon material.

Auch nach dem Verfahren der DE-OS 26 56 579 werden benetzbare Kathoden eingesetzt. In dieser Vorveröffentlichung wird die Zirkulation der Kryolithschmelze dadurch verbessert, dass die Kathdenelemente im elektrisch leitenden Zellenboden verankert sind und im Bereich unterhalb der Anoden aus dem auf der gesamten übrigbleibenden Zellenbodenfläche gesammelten Aluminiumsumpf herausragen. Die Kathodenelemente bestehen im vorliegenden Fall aus unten geschlossenen Rohren aus mit Aluminium benetzbarem Material, wobei die Rohre vollständig mit Aluminium gefüllt sind.According to the method of DE-OS 26 56 579, wettable cathodes are also used used. In this prior publication, the circulation of the cryolite melt improved by the fact that the cathode elements in the electrically conductive cell bottom are anchored and in the area below the anodes from the remaining on the whole Protrude from the cell bottom surface of the collected aluminum sump. The cathode elements exist in the present case from tubes closed at the bottom made of aluminum wettable Material, the tubes being completely filled with aluminum.

Oberhalb des Aluminiumsumpfs, d.h. zwischen den Rohren, erleichtern Spalten zwischen den Kathodenelementen die Zirkulation des Elektrolyten. Die Höhe dieser Spalten bzw. der Rohre wird so gewählt, dass es zu keinem bedeutenden Stromübergang zwischen der Anode und dem Aluminiumsumpf kommt.Above the aluminum sump, i.e. between the pipes, facilitate Gaps between the cathode elements allow the circulation of the electrolyte. The height these columns or the tubes are chosen so that there is no significant current transfer comes between the anode and the aluminum sump.

Die in den Beispielen der oben erwähnten DE-OS dargestellten Stromzuführungen zu den Kathodenelementen sind alle mit den Nachteilen der Stromzuführung durch den Kohleboden behaftet.The power supplies shown in the examples of the above-mentioned DE-OS to the cathode elements are all with the disadvantages of power supply through the Coal floor tainted.

Die Strömung des Elektrolyten ist eine Wirbelströmung um das Kathodenelement und erfolgt ohne bevorzugte Richtung, dadurch ist die Verteilung der Tonerdekonzentration nicht optimal.The flow of the electrolyte is a vortex around the cathode element and takes place without a preferred direction, thereby the distribution of the alumina concentration not optimal.

Eine Weiterausbildung der oben stehenden DE-OS findet sich in der US-PS 4 177 128. Die wahlweise aus elektrisch leitendem oder elektrisch nicht leitendem Material bestehenden Rohre werden mit einem genau angepassten Deckel aus elektrisch leitendem Material versehen, welcher über einen abwärts ge- richteten Fortsatz mit dem flüssigen Aluminium im Rohr verbundes ist. Nach dieser Ausführungsform wird jedoch bei elektrisch leitfähigen Rohren mehr Titandiborid als nach der oben erwähnten DE-OS gebraucht, während elektrisch isolierende Rohre gegen den schmelzflüssigen Kryolith kaum genügend resistent sind. Ausserdem wird in nicht hermetisch abgedichteten Rohren Schlamm gebildet, der sich schlecht wieder auflöst und praktisch nicht entfernt werden kann.A further development of the above DE-OS can be found in the US Pat. No. 4,177,128. The option of electrically conductive or electrically non-conductive Material existing pipes are made electrically with a precisely adapted cover conductive material, which has a downward directed Extension is connected to the liquid aluminum in the tube. According to this embodiment however, more titanium diboride is used in electrically conductive pipes than after the above mentioned DE-OS used, while electrically insulating pipes against the molten Cryolite are hardly resistant enough. In addition, it is not hermetically sealed Mud formed in the pipes, which dissolves poorly and is practically impossible to remove can be.

Ein wesentlicher Nachteil aller dieser bisher diskutierten Ausführungsformen mit benetzbaren Kathoden besteht darin, dass diese im Kohleboden der Zelle fest verankert sind. Aus wirtschaftlichen Gründen muss deshalb für die benetzbaren Kathoden ein Material gewählt werden, dessen Lebensdauer mindestens gleich gross oder besser grösser ist als die Betriebsdauer der Zellenauskleidung. Das Einsetzen eines billigeren Materials mit kürzerer Betriebsdauer oder das Anwenden einer einfacheren Herstellungstechnologie hätte zur Folge, dass ein Ausfall nur eines kleinen Teiles der Kathodenelemente, beispielsweise durch Bedienungs- oder Herstellungsfehler, den Ausfall der ganzen Elektrolysezelle nach sich ziehen würde. Der Kohleboden mit den eingegossenen Kathodenbarren ist an sich ausserordentlich empfindlich gegen Herstellungsfehler.A major disadvantage of all of these embodiments discussed so far With wettable cathodes is that these are stuck in the carbon bottom of the cell are anchored. For economic reasons, therefore, it is necessary for the wettable cathodes a material can be selected whose service life is at least as long as or better is greater than the service life of the cell lining. Inserting a cheaper one Materials with a shorter service life or the use of a simpler manufacturing technology would have the consequence that a failure of only a small part of the cathode elements, for example by operating or manufacturing errors, the failure of the whole Electrolytic cell would result. The carbon base with the cast cathode bars is itself extremely sensitive to manufacturing errors.

Die Anmelderin hat deshalb in der DE-OS 28 38 965 eine benetzbare Kathode für einen Schmelzflusselektrolyseofen, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, vorgeschlagen, welche aus einzeln auswechselbaren Elementen mit je mindestens einer Stromzuführung besteht. Mit dieser Ausführungsform von problemlos auswechselbaren Kathodenelementen sind wohl die schwerwiegendsten, der oben erwähnten Nachteile behoben, es bleiben jedoch einige Unannehmlichkeiten. Die elektrisch leitenden benetzbaren Elemente bestehen aus verhältnismässig teurem Materia], welches schwer bearbeitbar ist. Bezüglich der Grösse und geometrischen Form der Elemente sind Grenzen gesetzt.The applicant therefore has in DE-OS 28 38 965 a wettable Cathode for a fused-salt electrolysis furnace, in particular for the production of Aluminum, proposed which consists of individually replaceable elements, each with at least a power supply exists. With this embodiment of easily interchangeable Cathode elements are arguably the most serious of the disadvantages mentioned above fixed, but some inconvenience remains. The electrically conductive wettable Elements consist of relatively expensive material] which is difficult to process is. There are limits to the size and geometric shape of the elements.

Der Erfinder hat sich die Aufgabe gestellt, eine Kathode aus einzeln auswechselbaren Elementen für eine Schmelzflusselektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium zu schaffen, welche - insbesondere in bezug auf Formgebung und Bearbeitung - wirtschaftlicher hergestellt werden können.The inventor set himself the task of making a cathode from individually interchangeable elements for a fused-salt electrolysis cell for manufacturing of aluminum, which - especially with regard to shaping and processing - Can be produced more economically.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst,;dass die Elemente aus zwei mechanisch starr miteinander verbundenen, gegen Wärmeschocks widerstandsfähigen Teilen - einem vom schmelz flüssigen Elektrolyten in das abgeschiedene Aluminium hineinragenden oberen und einem ausschliesslich im flüssigen Aluminium angeordneten unteren Teil - aus verschiedenen Materialien gebildet sind, wobei - der obere Teil bzw. dessen Beschichtung aus einem bei Arbeitstemperatur elektrisch gut leitenden, chemisch beständigen und von Aluminium benetzbaren Material, und - der untere Teil bzw. dessen Beschichtung aus einem gegen das flüssige Aluminium beständigen Isolatormaterial besteht.The object is achieved according to the invention in that the elements made of two mechanically rigidly interconnected, resistant to thermal shocks Split - one of the molten liquid electrolyte into the deposited aluminum protruding upper one and one arranged exclusively in the liquid aluminum lower part - are made of different materials, whereby - the upper part or its coating made of a material that conducts electricity well at working temperature, chemically resistant material that can be wetted by aluminum, and - the lower part or its coating made of an insulator material that is resistant to the liquid aluminum consists.

Die oberen Teile der Elemente bestehen aus in der einschlägigen Literatur beschriebenen Materialien für benetzbare Kathodenplatten, -welche die gestellten Anforderungen erfüllen.The upper parts of the elements are made up in the relevant literature described materials for wettable cathode plates, -which the provided Meet requirements.

Als Beispiele seien Titandiborid, Titankarbid, Titannitrid, Zirkondiborid, Zirkonkarbid, Zirkonnitrid und Mischungen von zwei oder mehr Materialien genannt, welche gegebenenfalls eine geringe Menge zugemischten Bornitrids enthalten können.Examples are titanium diboride, titanium carbide, titanium nitride, zirconium diboride, Called zirconium carbide, zirconium nitride and mixtures of two or more materials, which may optionally contain a small amount of admixed boron nitride.

Die elektrisch leitfähigen, vorzugweise plattenförmig ausgebildeten oberen Teile der Elemente ragen wohl in das flüssige Aluminium hinein, sie berühren jedoch den Kohleboden der Zelle nicht.The electrically conductive, preferably plate-shaped upper parts of the elements protrude into the liquid aluminum, they touch but not the carbon bottom of the cell.

Die unteren Teile der Elemente bzw. deren Beschichtung dagegen müssen weder von Aluminium benetzbar sein noch eine elektrische Leitfähigkeit besitzen. Sie müssen lediglich mit geschmolzenem Aluminium kompatibel sein, eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweisen und einen hohen Wärmeschockwiderstand besitzen. Materialien, welche diesen Bedingungen genügend entsprechen, sind wesentlich preisgünstiger als die für die oberen Teile bzw. deren Beschichtung eingesetzten, durch Aluminium benetzbaren und elektrisch leitenden Materialien.The lower parts of the elements or their coating, however, must neither be wettable by aluminum nor have electrical conductivity. They just need to be compatible with molten aluminum, a sufficient one have mechanical strength and have a high thermal shock resistance. Materials that adequately meet these conditions are much cheaper than those used for the upper parts or their coating, through aluminum wettable and electrically conductive materials.

Weiter sind für den unteren Teil der Elemente verwendete Formteile aus Isolatormaterial wesentlich leichter herzustellen, was sich - zusammen mit den günstigeren Gestehungskosten für die Materialien darin ausdrückt, dass eine Massenproduktion von unteren Teilen 10- bis 20-mal billiger ist als diejenige von oberen Teilen. Als Beispiele für solche Isolatormaterialien, welche nie in Kontakt mit-dem schmelzflüssigen Elektroliten kommen, seien hochgesintertes Aluminiumoxid, aluminiumoxidhaltige Keramiken, Siliziumkarbid oder siliziumnitridgebundenes Siliziumkarbid genannt. Diese Materialien weisen ein höheres spezifisches Gewicht als Aluminium auf und sind erosionsfest, was wegen des im zirkulierenden Aluminium vorhandenen Schlammes von Bedeutung ist.Next are moldings used for the lower part of the elements much easier to manufacture from insulator material, which - together with the cheaper prime cost for the materials that expresses mass production of lower parts is 10 to 20 times cheaper than that of upper parts. As examples of such insulating materials, which never come into contact with the molten liquid Electrolites come, be highly sintered aluminum oxide, ceramics containing aluminum oxide, Called silicon carbide or silicon nitride-bonded silicon carbide. These materials have a higher specific weight than aluminum and are resistant to erosion, which is important because of the sludge present in the circulating aluminum.

Sowohl der untere als auch der obere Teil eines Kathodenelementes kann - statt als homogener Vollkörper ausgebildet zu sein - einen Kern aus einem weniger kostspieligen, mechanisch stabilen Material, wie z.B. Stahl, Titan oder Graphit, haben, welcher nach einem bekannten Verfahren mit mindestens einem der entsprechenden Materialien beschichtet wird. Falls als Kernmaterial Graphit verwendet wird, kann der Verbundkörper mit Hilfe eines Sinterverfahrens hergestellt werden.Both the lower and the upper part of a cathode element can - instead of being designed as a homogeneous solid body - a core from one less expensive, mechanically stable material such as steel, titanium or Graphite, which by a known method with at least one of the corresponding materials is coated. If graphite is used as core material is, the composite body can be produced with the aid of a sintering process.

Die Kathodenelemente bestehen vorzugsweise aus mehreren Unterelementen. Dabei-sind die den oberen Teil bildenden, elektrisch leitenden Unterelemente zweckmässig von möglichst einfacher geometrischer Form, z.B. 1 - 2 cm dicken, vertikal angeordneten Platten, wobei der Abstand zwischen den Platten grösser ist als deren Dicke. Die den unteren Teil bildenden, leicht form- und bearbeitbaren Unterelemente aus Isoliermaterial bilden einen Träger bzw. eine Stützkonstruktion für die oberen Unterelemente.The cathode elements preferably consist of several sub-elements. The electrically conductive sub-elements forming the upper part are expedient of the simplest possible geometric shape, e.g. 1 - 2 cm thick, arranged vertically Plates, the distance between the plates being greater than their thickness. the the lower part forming, easily formable and workable sub-elements made of insulating material form a carrier or a support structure for the upper sub-elements.

Mit Kombinationen von Unterlementen ist es möglich, einfache elektrisch leitende Hartmetallteile ohne mechanische oder andere Nachbearbeitung nach dem Sintern, also mit möglicherweise grossen Abweichungen der Ist-Masse, zu einer genügend formstabilen Baugruppe zu vereinigen, welche eine Beanspruchung durch Hebewerkzeuge beim Einlegen oder Herausnehmen aus der Elektrolysezelle ohne Zerstörung der verhältnismässig empfindlichen oberen Teile in Folge von Schlägen, Biegebeanspruchungen usw. erlauben. Auch während des Betriebs der Elektrolysezelle auftretende mechanische Einwirkungen sind weniger gefährlich.With combinations of sub-elements it is possible to create simple electrical conductive hard metal parts without mechanical or other post-processing after sintering, So with possibly large deviations from the actual mass, to a sufficiently dimensionally stable Unite assembly that is subject to stress from lifting tools when inserting or removing it from the electrolytic cell without destroying the relatively Allow sensitive upper parts as a result of impacts, bending loads, etc. Mechanical effects also occurring during operation of the electrolytic cell are less dangerous.

Die Abmessungen und damit das Gewicht der eingesetzten elektrisch leitenden Teile, welche die weitaus grösste wirtschaftliche Belastung bringen, sind bedeutend geringer als in allen bekannten Zellen mit Festkörperkathoden.The dimensions and thus the weight of the electrical used conductive parts, which are by far the greatest economic burden significantly less than in all known cells with solid-state cathodes.

Die horizontalen Flächenabmessungen der Kathodenelemente sind zweckmässig derart ausgestaltet, dass ein ganzzahliges, zwischen 1 und 7 liegendes Vielfaches den horizontalen Flächenabmessungen der darüberliegenden Anode entspricht.The horizontal surface dimensions of the cathode elements are appropriate designed in such a way that an integral multiple lying between 1 and 7 corresponds to the horizontal surface dimensions of the overlying anode.

Bevorzugt sind jedoch die horizontalen geometrischen Abmessungen von einem Kathodenelement und der entsprechenden Anode von gleicher Grössenordnung.However, the horizontal geometric dimensions of a cathode element and the corresponding anode of the same size.

Beim Einsetzen oder Auswechseln eines Kathodenelementes kann die darüber liegende Anode kurzfristig entfernt werden. Dies ist aus folgenden Gründen ein entscheidender Vorteil: - Defekte Kathodenelemente können ohne Betriebsunterbruch ersetzt werden.When inserting or replacing a cathode element, the over lying anode can be removed for a short time. this is from the following Reasons a decisive advantage: - Defective cathode elements can be used without interrupting operation be replaced.

- Bei in bezug auf den Qfengang oder Wirkungsgrad unbefriedigenden Elektrolysezellen können anders gestaltete Kathodenelemente eingesetzt werden. - If unsatisfactory in terms of performance or efficiency Electrolysis cells can be used with differently designed cathode elements.

Wie bereits in der DE-OS 28 38 965 beschrieben, ist die Art der Stromzuführung von der Stromquelle zur Kathodenoberfläche von ausschlaggebender Bedeutung für den Ofengang: Der zwischen Anode und Kathodenelement befindliche Elektrolyt wird unter dem Einfluss des Elektrolysestromes und des Magnetfeldes einer magnetohydrodynamischen Pumpwirkung ausgesetzt.As already described in DE-OS 28 38 965, the type of power supply from the power source to the cathode surface of crucial importance for the Furnace passage: The electrolyte between the anode and cathode element is under the influence of the electrolysis current and the magnetic field of a magnetohydrodynamic Exposed to pumping action.

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: - Fig. 1 einen teilweisen Vertikalschnitt durch den aktiven Bereich einer Elektrolysezelle, in Längsrichtung der von Aluminium benetzbaren Kathodenplatten - Fig. 2 einen Vertikalschnitt an der Stelle II - II von Fig. 1, in Querrichtung der Kathodenplatten - Fig. 3 einen Horizontalschnitt durch III - III von Fig. 2 - Fig. 4 einen vertikalen Längsschnitt durch eine Variante von Kathodenplatten - Fig. 5 einen vertikalen Längsschnitt durch eine weitere Variante von Kathodenplatten.The invention is illustrated schematically with reference to in the drawing Embodiments explained in more detail. They show: FIG. 1 a partial vertical section through the active area of an electrolytic cell, in the longitudinal direction that of aluminum wettable cathode plates - Fig. 2 shows a vertical section at the point II - II of Fig. 1, in the transverse direction of the cathode plates - Fig. 3 is a horizontal section through III-III of FIGS. 2-4, a vertical longitudinal section through a variant of cathode plates - FIG. 5 shows a vertical longitudinal section through a further variant of cathode plates.

Ein Kathodenelement 10 mit einem oberen Teil aus den elektrisch leitfähigen, von Aluminium benetzbaren Platten 12 und einem unteren Teil aus mit Aluminium kompatiblen Formplatten 14, 16 ist in den Fig. 1 - 3 dargestellt. Im vorliegenden Beispiel sind die benetzbaren Kathodenplatten 12 mittels runder Bolzen 18 mit Isolatorplatten 14 gleicher Dimensionen mechanisch stabil verbunden. Die Bolzen 18 bestehen vorzugsweise aus dem besser bearbeitbaren und billigeren Isolatormaterial; sie kommen nicht in Kontakt mit dem schmelzflüssigen Elektrolyten.A cathode element 10 with an upper part made of the electrically conductive, of aluminum wettable plates 12 and a lower part made of aluminum compatible Mold plates 14, 16 are shown in FIGS. 1-3. In this example, the wettable cathode plates 12 by means of round bolts 18 with insulator plates 14 of the same dimensions mechanically stably connected. The bolts 18 are preferably made from the more machinable and cheaper insulator material; they don't come in Contact with the molten electrolyte.

Die Auflageplatten 14 aus Isolatormaterial weisen auf ihrer Unterseite Ausnehmungen 20 auf, die ihrerseits formschlüssig in Ausnehmungen 22 der ebenfalls aus Isolatormaterial bestehenden Stützplatten 16 passen.The support plates 14 made of insulating material point on their underside Recesses 20, which in turn form-fit in recesses 22 of the likewise made of insulating material support plates 16 fit.

Dadurch wird mit einfachen Mitteln ein mechanisch stabiles Kathodenelement 10 gebildet, bei welchem eine-Gruppe von durch Aluminium benetzbaren Kathodenplatten 12 mittels einer Stützkonstruktion aus wesentlich billigerem Material zu einer Einheit zusammengefügt wird. Die Masse dieses Kathodenelementes 10 ist gross genug, um von den Badströmungen nicht verschoben oder weggetragen zu werden.This creates a mechanically stable cathode element with simple means 10 in which a group of aluminum-wettable cathode plates 12 into a unit by means of a support structure made of much cheaper material is put together. The mass of this cathode element 10 is large enough to by not to be shifted or carried away by the bath currents.

Falls eine weitere Erhöhung der mechanischen Stabilität erwünscht ist, können Zwischenstücke, z. B. in Form von Keilen, und/oder gegen flüssiges Aluminium beständige Zemente verwendet werden. Die Elemente können sich auch nachher hinreichend thermischen Dehnungen anpassen.If a further increase in mechanical stability is desired is, spacers such. B. in the form of wedges, and / or against liquid aluminum permanent cements are used. The elements can also be sufficient afterwards adapt to thermal expansion.

Die Stützplatten 16 weisen auf ihrer Unterseite Aussparungen 24 auf, welche im wesentlichen aus drei Gründen vorgesehen sind: - Das flüssige Aluminium 26 kann frei zirkulieren, dadurch-wird die-Ausbildung eines Bodenschlammes verhindert - Es werden Materialkosten eingespart - Das Kathodenelement 10 kann besser in die Zelle eingesetzt bzw. daraus entfernt werden.The support plates 16 have recesses 24 on their underside, which are mainly intended for three reasons: - That Liquid aluminum 26 can circulate freely, thereby-causing-the-formation of a bottom sludge prevented - Material costs are saved - The cathode element 10 can do better inserted into or removed from the cell.

Die elektrisch leitenden Kathodenplatten 12 haben von der abbrennenden Kohleanode 28 die Interpolardistanz d. Während des Elektrolyseprozesses verbraucht sich der Elektrolyt in einem engen Spalt zwischen Kathodenplatten und Anode rasch. Die Kathodenplatten 12 sind verhältnismässig schmal; deshalb kann die Badströmung auch bei gegenüber dem Normalwert von 6 -6,5 cm für. d stark herabgesetztem Wert den an Aluminiumoxid verarmten Elektrolyten im Interpolarspalt rasch erneuern.The electrically conductive cathode plates 12 have from the burning Carbon anode 28 the interpolar distance d. Consumed during the electrolysis process the electrolyte quickly dissolves in a narrow gap between the cathode plates and the anode. The cathode plates 12 are relatively narrow; therefore the bath flow even when compared to the normal value of 6 -6.5 cm for. d greatly reduced value Replace the electrolyte depleted in aluminum oxide in the interpolar gap quickly.

Das abgeschiedene Metall bildet auf den benetzbaren Kathodenplatten 12 einen ununterbrochenen Film und fliesst zum Metallsumpf 26 hinunter.The deposited metal forms on the wettable cathode plates 12 a continuous film and flows down to the metal sump 26.

Die Oberfläche 32 des flüssigen Aluminiums 26 muss stets im Bereich der benetzbaren Kathodenplatten 12 liegen, insbesondere beim Schöpfen darf dieser Metallstand nie in den Bereich der Isolatorplatten 14, 16 absinken. Dies würde sowohl einen Stromunterbruch als auch korrosive Zerstörung der Isolatorplatten bedeuten.The surface 32 of the liquid aluminum 26 must always be in the area of the wettable cathode plates 12 are, in particular when scooping this may The metal level should never sink into the area of the isolator plates 14, 16. This would both mean a power failure as well as corrosive destruction of the insulator plates.

Der Elektrolysegleichstrom fliesst von den Anoden 28 über den im Interpolarspalt befindlichen Elektrolyten 30 zu den Kathodenplatten 12, tritt dann in das flüssige Aluminium 26 über und fliesst schliesslich via Kohleboden 34 in die eisernen Kathodenbarren 36.The direct electrolysis current flows from the anodes 28 via the in the interpolar gap located electrolyte 30 to the cathode plates 12, then enters the liquid Aluminum 26 overflows and finally flows through the carbon bottom 34 into the iron cathode bars 36.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass die Arbeitsfläche der Anode 28 die Form der Kathoden kopiert. Aus diesem Grunde werden erfindungsgemäss bevorzugt sich über die ganze Breite der Anodenarbeitsflächen erstreckende Platten eingesetzt.From Fig. 2 it can be seen that the working surface of the anode 28 the The shape of the cathodes is copied. For this reason, each is preferred according to the invention across the width of the Plates extending anode work surfaces used.

Es könnten im Prinzip auch benetzbare Kathoden ausgebildet werden, welche beispielsweise nach dem Stand der Technik bekannte Rohre aufweisen. Dadurch würden sich aber in der Arbeitsfläche der Anoden entsprechende Aussparungen ausformen, die während des Elektrolyseprozesses die Bildung von die Stromausbeute vermindernden Gassäcken zur Folge hätten.In principle, wettable cathodes could also be formed, which, for example, have tubes known from the prior art. Through this however, corresponding recesses would form in the working surface of the anodes, which reduce the generation of electricity during the electrolysis process Would result in gas bags.

Im ohleboden 34 der Elektrolyse zelle können Führungsnuten 35 ausgebildet sein, welche ein seitliches Abrutschen der Kathodenelemente 10 verunmöglichen.Guide grooves 35 can be formed in the bottom 34 of the electrolysis cell which make it impossible for the cathode elements 10 to slip off laterally.

In Fig. 4 wird eine Variante einer Kathodenplatte 12 dargestellt. Die Ausbildung eines Fensters 38 erlaubt die Einsparung von Material und verbessert die Strömungsbedingungen im Elektrolyten. Auf der Unterseite weist die Platte 12 einen Schwalbenschwanz 40 auf, der in eine entsprechende Aussparung der Trägerplatte 14 eingeführt werden kann. Die Stützkonstruktion aus Isolatormaterial ist dann so ausgestaltet, dass die Platten nicht seitlich verschoben werden können.In Fig. 4, a variant of a cathode plate 12 is shown. The formation of a window 38 allows the saving of material and improves the flow conditions in the electrolyte. The plate 12 has on the underside a dovetail 40, which is in a corresponding recess in the carrier plate 14 can be introduced. The support structure made of insulating material is then like this designed so that the plates can not be moved sideways.

Eine weitere Variante von benetzbaren Kathodenplatten 12 wird in Fig. 5 dargestellt. Sowohl die Ausbildung eines Fensters 38 als auch die abgeschrägte Unterseite sind einerseits dazu bestimmt, benetzbares Kathodenmaterial einzusparen, und andererseits die Strömungsverhältnisse im Bad zu optimalisieren. Die Kathodenplatte 12 ist mittels eines im Zentrum nach unten gerichteten Fortsatzes 42 in einer Stützplatte 14 befestigt.Another variant of wettable cathode plates 12 is shown in FIG. 5 shown. Both the formation of a window 38 and the beveled On the one hand, the underside is intended to save wettable cathode material, and on the other hand to optimize the flow conditions in the bathroom. The cathode plate 12 is in a support plate by means of an extension 42 directed downwards in the center 14 attached.

Mit dem in der Beschreibung verwendeten Begriff "Isolatormaterial" werden auch elektrisch schlecht leitende Materialien erfasst. Dagegen werden für die Stützkonstruktion nie elektrisch gut leitende Materialien eingesetzt, weil - sie teurer und schwieriger herstellbar sind, und - sich an den Uebergangs stellen zu den gut leitenden Kathodenplatten 12 - Kontakterscheinungen und -erosion ausbilden würden.With the term "insulator material" used in the description electrically poorly conductive materials are also recorded. Against be for the support structure never used materials that conduct electricity well, because - they are more expensive and difficult to manufacture, and - to the Transition to the highly conductive cathode plates 12 - contact phenomena and erosion.

Eine Stützkonstruktion 14, 16 an sich ist nicht Gegenstand der Erfindung, es kann dazu jede geeignete, in anderen Gebieten der Technik verwendete Variante eingesetzt werden.A support structure 14, 16 per se is not the subject of the invention, any suitable variant used in other fields of technology can be used for this purpose can be used.

Die erfindungsgemässen Kathodenelemente 10 können auch zur Umrüstung von bestehenden Elektrolysezellen eingestzt werden, indem einfach den Anodendimensionen und dem Metall stand angepasste Einheiten auf den Kohleboden gestellt werden. Dadurch kann mit geringen Mehrkosten die Interpolardistanz vermindert, und dadurch die Stromausbeute erhöht werden. Insbesondere ist zu beachten, dass die Umrüstung ohne Ausserbetriebsetzen der Elektrolyse zelle erfolgen kann und das allfällige spätere Auswechseln von defekten Kathodenelementen keine Probleme bietet.The cathode elements 10 according to the invention can also be used for retrofitting Can be used by existing electrolytic cells by simply changing the anode dimensions and units adapted to the metal stand are placed on the coal floor. Through this can reduce the interpolar distance and thereby the power yield with little additional cost increase. In particular, it must be ensured that the retrofitting is carried out without being taken out of service the electrolysis cell and the possible replacement of defective ones at a later date Cathode elements offers no problems.

Claims (1)

Patentansprüche 1. Kathode aus einzeln auswechselbaren Elementen für eine Schmelzflusselektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (10) aus zwei mechanisch starr miteinander verbundenen, gegen Wärmeschocks widerstandsfähigen Teilen - einem vom schmelzflüssigen Elektrolyten (30) in das abgeschiedene Aluminium (26) hineinragenden oberen (12) und einem ausschliesslich im flüssigen Aluminium (26) angeordneten unteren Teil (14, 16) - aus verschiedenen Materialien gebildet sind, wobei -- der obere Teil (12) bzw. dessen Beschichtung aus einem bei Arbeitstemperatur elektrisch gut leitenden, chemisch beständigen und von Aluminium benetzbaren Material, und - der untere Teil (14, 16) bzw. dessen Beschichtung aus einem gegen das flüssige Aluminium beständige Isolatormaterial besteht.Claims 1. Cathode made of individually replaceable elements for a melt-flow electrolysis cell for the production of aluminum, characterized in that, that the elements (10) consist of two mechanically rigidly interconnected, against Thermal shock resistant parts - one of the molten electrolyte (30) in the deposited aluminum (26) protruding upper (12) and one exclusively in the liquid aluminum (26) arranged lower part (14, 16) - of different Materials are formed, wherein - the upper part (12) or its coating made of a chemically resistant and electrically good conductive material at working temperature of aluminum wettable material, and - the lower part (14, 16) or its coating consists of an insulator material that is resistant to the liquid aluminum. r 2. Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Teil der Elemente (10) aus vertikal angeordneten Platten (12), die sich mit horizontaler Oberfläche vorzugsweise über den ganzen Bereich der Arbeitsfläche der entsprechenden Anode (28) erstrecken, bestehen. r 2. cathode according to claim 1, characterized in that the upper Part of the elements (10) made of vertically arranged plates (12), which are aligned with horizontal Surface preferably over the entire area of the work surface of the corresponding Extend anode (28) exist. 3. Kathode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Platten (12) grösser ist als deren Dicke.3. Cathode according to claim 2, characterized in that the distance between the plates (12) is greater than their thickness. 4. Kathode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (10) durch Zwischenstücke undZoder gegen flüssiges Aluminium beständige Zemente weiter stabilisiert sind.4. Cathode according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the elements (10) are resistant to liquid aluminum by means of spacers and Z or Cements are further stabilized. 5. Kathode nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen 1 und 7 liegendes ganzzahliges Vielfaches der horizontalen Flächenabmessungen eines Elementes (10) den horizontalen Flächenabmessungen der darüberliegenden Anode (28) entspricht.5. Cathode according to at least one of claims 1 - 4, characterized in that that an integer multiple of the horizontal surface dimensions lying between 1 and 7 of an element (10) the horizontal surface dimensions of the overlying anode (28) corresponds. 6. Kathode nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in den elektrisch leitenden Kathodenplatten (12) Fenster (38) ausgespart sind.6. Cathode according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that that windows (38) are recessed in the electrically conductive cathode plates (12). 7. Kathode nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass die oberen (12) und/oder unteren Teile (14, 16) einen Kern aus Stahl, Titan oder Graphit haben, welcher mit mindestens einem entsprechenden Material beschichtet ist.7. Cathode according to at least one of claims 1 - 6, characterized in that that the upper (12) and / or lower parts (14, 16) have a core made of steel, titanium or graphite coated with at least one corresponding material is. 8. Kathode nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Teil (12) bzw. dessen Beschichtung aus Titandiborid, Titankarbid, Zirkondiborid, Zlrkonkarbid, Zirkonnitrid oder Mischungen davon besteht.8. Cathode according to at least one of claims 1 - 7, characterized in that that the upper part (12) or its coating made of titanium diboride, titanium carbide, Zirconium diboride, Zlrkonkarbid, zirconium nitride or mixtures thereof. 9. Kathode nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des oberen Teils (12) bzw. dessen Beschichtung eine geringe Menge zugemischten Bornitrids enthält.9. Cathode according to claim 8, characterized in that the material the upper part (12) or its coating a small amount of mixed boron nitride contains. 10. Kathode nach mindestens einem der Ansprüche 1 -'9, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Teil (14, 16) bzw.10. Cathode according to at least one of claims 1 -'9, characterized in that that the lower part (14, 16) or dessen Beschichtung aus hochgesintertem Aluminiumoxid, aluminiumoxidhaltigen Keramiken, Siliziumkarbid oder siliziumnitridgebundenem Siliziumkarbid besteht. its coating of highly sintered aluminum oxide, containing aluminum oxide Ceramics, silicon carbide or silicon nitride-bonded silicon carbide consists.