具有槽状阴极的特别是用于生产铝的电解池的利记博彩app
【专利摘要】本发明涉及一种特别适合生产铝的电解池，包括：阴极，被布置在所述阴极的上侧上的液体铝层，其之上的熔体层，所述熔体层之上的阳极，至少一个、优选至少两个以电流供给方式从所述阴极的下侧接触所述阴极的母线，和至少一个外部电流源，其中所述至少一个外部电流源中的每个都在各自连接点处以导电方式连接至至少一个各自的母线，优选地连接至至少两个各自的母线，其中在所述阴极的横截面中观察，所述阴极的上侧为槽状，其中所述槽体具有两个边缘区域和一个底部区域，所述底部区域被布置在所述边缘区域之间，并且在所述阴极的宽度方向观察时，相对于所述边缘区域降低，其中，在每个边缘区域和所述底部区域之间，设置各自的侧壁区域，所述侧壁区域连接各自的边缘区域和所述底部区域，其中i)所述底部区域和所述边缘区域至少其中之一的宽度在所述阴极的长度上变化，和/或ii)从所述阴极的下侧确定的所述阴极的上侧的高度在所述阴极的长度上变化。
【专利说明】具有槽状阴极的特别是用于生产铝的电解池
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电解池，特别是用于生产铝的电解池，并且涉及一种适合在这样的电解池中使用的阴极。
【背景技术】
[0002]电解池例如用于电解生产铝，工业上通常根据霍尔-埃鲁(Hall-H0roult)工艺实施该电解生产。在霍尔-埃鲁工艺中，电解由氧化铝和冰晶石组成的熔体。此处使用冰晶石NaJAlF6]，从而将熔点从纯氧化铝的2，045°C，降低至含冰晶石、氧化铝和添加剂的混合物的约950°C，该添加剂例如是氟化铝和氟化钙。
[0003]在该工艺中使用的电解池包括阴极底部，该阴极底部可由彼此相邻、并且形成阴极的多个阴极块组成。为了经受电解池运行期间主要存在的热和化学条件，阴极通常由含碳材料组成。每个阴极块的下侧通常都具有凹槽，在每个凹槽中都布置至少一个母线，通过该母线，释放通过阳极馈送的电流。阳极，特别是由单独的阳极块形成的阳极，被布置地高于液体铝层约3至5 cm，液体铝层通常位于阴极上侧上15至50cm高，电解质，也就是说含有氧化铝和冰晶石的熔体，位于所述阳极和铝的表面之间。在以约1，000°C实施电解期间，由于与电解质相比，铝的密度更大，所以形成的铝沉降到电解质层之下，也就是说沉降为阴极的上侧和电解质层之间的中间层。在电解期间，在熔体中溶解的氧化铝被电流裂解，以形成铝和氧气。从电化学方面看，液体铝层实际上是阴极，这是因为铝离子在其表面被还原，以形成元素铝。然而，下文不应将术语“阴极”理解为是电化学观点上的阴极，也就是说液体铝层，而是应将其理解为形成电解池底部的组件部分，例如由一个或多个阴极块组成的组件部分。
[0004]霍尔-埃鲁工艺的明显缺点在于其非常耗能。为了产生Ikg的铝，需要约12至15kffh的电能，电能占生产成本的最高达40 %。因此，为了降低生产成本，期望在可能的情况下降低该方法的比能耗。
[0005]由于特别是与液体铝层和阴极材料相比，熔体的电阻相对高，所以特别是在熔体中发生焦耳耗散形式的相对高的欧姆损耗。考虑到熔体中比较高的比损耗，作出重大努力以尽可能地降低熔体层的厚度，并因此降低阳极和液体铝层之间的距离。然而，由于电解工艺期间存在的电磁相互作用，以及因而在液体铝层中产生的波的形成，因而过薄的熔体层存在以下风险，即液体铝层将接触阳极，这可能导致电解池短路，并且导致所形成的铝的不良再氧化，并且导致电解操作的电不稳定性，特别是导致调用电压波动。发生的短路也可导致磨损增大，因此导致电解池的使用寿命缩短。出于这些原因，不能任意地降低阳极和液体铝层之间的距离。
[0006]液体铝层中波形成的驱动力是阴极表面上的电流密度和磁通量密度的不均匀分布，该不均匀分布导致液体铝层中的洛伦兹力密度的促进波形成的分布。此处，洛伦兹力密度被定义为特定点处存在的电流密度和在该点处存在的磁通量密度的向量积。阴极上侧处电流密度和磁通量密度不均匀分布的其中一个原因又在于以下事实:优选地，阴极和铝槽中的电流采取最低电阻的路径。出于该原因，流经阴极的电流主要集中在阴极的侧边缘区域上，其中阴极被连接至接触所述阴极的母线，这是因为与通过阴极中心到达阴极表面的电流相比，通过边缘区域到达阴极表面的电流所产生的电阻更低，在通过阴极中心到达阴极表面的情况下，与通过边缘区域到达阴极表面的电流相比，必须穿过更长路线或电通路。
[0007] 除了液体铝层中的增强的波形成之外，不均匀电流密度分布，特别是在阴极的横向方向上，与阴极中心的电流密度相比，处于阴极的侧边缘区域具有增加的电流密度，这也导致阴极侧边缘区域中的磨损加剧，这通常在相对长期的电解池运行之后，在阴极的横截面中导致阴极近似W形磨损轮廓的特征。
[0008]为了降低电解池的比能耗，最近已经提出，在电解池中使用以下阴极，其中当从阴极横截面中观察时，该阴极的上侧被实施为V形槽的形式。此处，被配置成V形槽形式的阴极表面中的凹陷导致阴极侧边缘区域中的电流密度降低，因此在这些区域中，波形成的可能性和磨损也降低。
[0009]然而，即使使用这种槽状阴极，也在液体铝层中发生不良地高的波形成，并且由于铝和阳极之间的冰晶石层的厚度低，导致不稳定性，并且限制在电解期间可实现的能量效率。另外，通过使用这种阴极，也可能在电解期间，在阴极的上侧上发生不良的高水平的不均匀磨损。这两个因素降低了电解池的使用寿命，并且因此降低了其经济可行性。这是因为以下事实:即使使用这种阴极，在阴极的表面上看，仍存在相对不均匀的电流密度分布和不均匀的磁通量密度分布，即使与不以槽状方式实施的阴极相比，所述不均匀性要低。这特别是因为，接触阴极的母线通常通过集电器条连接至一个或多个外部电流馈电，其中外部电流馈电的末端和单独母线的面对该末端的末端之间的距离不同，从而对于不同的母线，从外部电流馈电至单独母线接触阴极下侧处的点的电通路长度不同。然而，对于预定材料，与较短电通路相比，越长的电通路具有越高的电阻。因而促进电流流经以下那些母线，该母线接触阴极下侧的点更靠近外部电流馈电，其结果是，与阴极的布置在母线接触阴极下侧的点距离外部电流馈电更远的母线上的边缘区域或纵向部分中的电流相比，在被布置在比上述距离更近的母线上的阴极边缘区域或纵向部分中发生更大的电流流动。
【发明内容】
[0010]因此，本发明的目的在于提供一种如下的电解池，在其运行期间，该电解池具有降低的比能耗和增长的使用寿命。特别地，将提供这样的一种电解池，其中熔体层的厚度降低，不导致出现不稳定性，例如由于在液体铝层中波形成趋势增大而导致的短路，或所形成铝的再氧化，或电解池电压的波动。
[0011]根据本发明，通过提供根据本专利权利要求1所述的电解池，特别是通过提供用于生产铝的电解池而实现该目的，该电解池包括:阴极，被布置在阴极上侧上的液体铝层，其之上的熔体层，熔体层之上的阳极，至少一个母线、优选至少两个母线，该母线以电流馈接方式从阴极下侧接触所述阴极，和至少一个外部电流馈电，其中所述至少一个或每个外部电流馈电在各自连接点处导电连接至至少一个母线，优选地导电连接至至少两个母线，其中在阴极的横截面中观察，该阴极的上侧为槽状，其中该槽体具有两个边缘区域和一个底部区域，该底部区域被布置在边缘区域之间，并且在阴极的宽度方向上看，相对于边缘区域降低，其中，在两个边缘区域中的每个边缘区域和底部区域之间，设置连接相应的边缘区域和底部区域的侧壁区域，其中i)底部区域和边缘区域至少其中之一的宽度在阴极的长度上变化，和/或ii)从阴极下侧确定的阴极的上侧的高度在阴极的长度上变化。
[0012]在本发明的背景下，应将阴极上侧的底部区域或边缘区域的宽度理解为是指，在阴极宽度方向测量的底部区域或边缘区域的延伸，也就是说，在阴极的横截面中观察或在阴极的宽度方向上观察，从底部区域或边缘区域的一端至底部区域或边缘区域的另一端的距离。
[0013]此外，在本发明的背景下，表述“从阴极的下侧确定的阴极的上侧的高度”是指以下的距离，即阴极 上侧上的任何一点，与被垂直地布置在上述点之下的阴极下侧上的点的距离。
[0014]在本发明的背景下，将外部电流馈电理解为是指如下的任意电导体，其被布置在阴极外部，并且向一个或多个母线馈送电流或者从一个或多个母线馈送电流。此处，外部电流馈电在每种情况下都可通过连接点直接连接至所述一个或多个母线，或者外部电流馈电可通过被布置在外部电流馈电和母线之间的集电器条，间接地连接至所述一个或多个母线。在后一种情况下，应将连接点理解为是指以下的点，在该点处，外部电流馈电被连接至集电器条，该集电器条被连接至母线。换句话说，表述“至少一个母线、优选至少两个母线和外部电流馈电之间的连接点”是指以下的点，在该点处，始于导电地(直接地或间接地)连接至外部电流馈电的一个或多个母线的电通路汇聚，并且转接到外部电流馈电。在该背景下，表述“电通路”是指两点之间电阻最小的电流通路。
[0015]根据本发明，已经发现，通过一种具有槽体横截面形状的阴极，该槽体在阴极的长度上具有宽度和/或高度变化的槽体底部区域和/或边缘区域，在阴极的上侧处，更特别地不仅视为在阴极的分离的纵向部分的横截面上，而且也特别地在阴极的全部表面上，也就是说在阴极的纵向方向和宽度方向上，都实现电流密度和磁通量密度的均化。这是因为与被布置在其上的液体铝层相比，阴极材料具有低导电性，其结果是，与阴极的边缘区域相t匕，电流更优先在槽状横截面的底部区域中流动，与底部区域相比，边缘区域升高。因此，在阴极纵向部分中阴极的底部区域的加宽或边缘区域宽度缩小，总体上导致促进电流在该纵向部分中流动(也就是说，与另一纵向部分相比)，并且导致与阴极该纵向部分的边缘区域中的电流相比，促进底部区域中的电流流动，而其中阴极的底部区域没那么宽并且边缘区域更宽的阴极纵向部分中的电流总体上降低，并且与阴极的该纵向部分的边缘区域中的电流相比，底部区域中的电流降低。同样地，由于阴极上侧在阴极纵向部分中的高度减小，所以总体上促进了该纵向部分中的电流流动，而其中阴极的上侧具有更大高度的阴极纵向部分中的电流总体上降低。由于阴极边缘区域和底部区域的阶梯式(关于宽度和/或高度)实施方式，因而能够调节阴极的单独纵向部分之间和每个纵向部分宽度上的电流，以使得在阴极的表面上看，产生更均匀的电流密度。特别地，由于阴极边缘区域和底部区域的阶梯式实施方式，能够通过加宽边缘区域和/或升高边缘区域和/或底部区域，降低流经阴极以下那些纵向部分的电流，该纵向部分被布置在以下母线之上，该母线接触阴极下侧的点更靠近外部电流馈电，并且能够通过减小边缘区域的宽度和/或减小边缘区域和/或底部区域的高度，提高流经阴极以下那些纵向部分的电流，该纵向部分被布置在以下母线之上，该母线接触阴极下侧的点更远离外部电流馈电，以使得能够独立于所述纵向部分距外部电流馈电的距离，使流经阴极的单独纵向部分的电流和磁通量均化。由于在阴极的表面上看，电流密度和磁通量密度均匀，所以显著地降低了液体铝层中的波形成，并且在其表面上观察，均化了阴极的磨损。结果是，根据本发明的电解池在其运行期间具有较低比能耗，并且具有更长使用寿命。特别地，通过根据本发明的电解池，能够降低熔体层的厚度，结果不会产生不稳定性，该不稳定性例如是液体铝层中波形成趋势增大而导致的短路，或所形成铝的再氧化，或电解池电压的波动。因而在根据本发明的电解池的运行期间，总体上有效地避免了液体铝层中的波形成，并且实现高能量效率，同时实现电解操作的高稳定性和可靠性。此处，如果能够易于彼此调节上述措施，就特别有利，该措施用于使阴极上侧上的电流密度均化，特别是调节槽状阴极单独纵向部分的宽度和/或高度，以便与使用常规阴极一样，在根据本发明的电解池中使用的阴极和阳极之间产生相同槽体积，即使阳极和液体铝层之间的距离减小也是如此。
[0016]根据本发明的一种特别有利的实施方式，所述阴极的至少一个边缘区域包括至少两个各自具有不同宽度的纵向部分，其中，边缘区域的通过最短电通路连接至其最近连接点的纵向部分，具有边缘区域的所有纵向部分之中的最大宽度。在该上下文中，边缘区域纵向部分最近的连接点是至少一个母线、优选至少两个母线和以下外部电流馈电之间的连接点，该外部电流馈电通过最短电通路连接至阴极的纵向部分。由于在该实施方式中，边缘部分在具有距离最近连接点的电通路最短的纵向部分中加宽，所以与其它纵向部分的电阻相t匕，阴极的该纵向部分的电阻增大，因此，流经阴极该纵向部分的电流减小，并且流经阴极其它纵向部分的电流增大，从而在阴极的单独纵向部分上看，实现均匀的电流密度分布。
[0017]原则上，所述边缘区域的多个纵向部分或具有不同宽度的边缘区域至少其中之一可在各自纵向部分上具有恒定宽度，和/或至少一个纵向部分的宽度可从其较靠近最近连接点的纵向侧端至更远距离的纵向侧端逐渐变小。优选地，边缘区域的所有纵向部分或具有不同宽度的边缘区域的宽度恒定，以便阴极的一个边缘区域或两个边缘区域都(基于其宽度)成阶梯形，或成台阶形，或者边缘区域的所有纵向部分或具有不同宽度的边缘区域的宽度从其更靠近最近连接点的纵向侧端至更远距离的纵向侧端逐渐变小。
[0018]如果阴极的至少一个边缘区域包括至少三个各自具有不同宽度的纵向部分，则在阴极的全部表面上实现特别均匀的电流密度分布，其中通过比另一纵向部分更长电通路连接至最近连接点的每个纵向部分，都具有比所述另一纵向部分更小的宽度。因而特别有效地补偿以下影响，即从最近连接点至阴极边缘区域各自纵向部分的电通路长度对电流的影响。
[0019]根据本发明的一种另外优选的实施方式，所述阴极的底部区域包括至少两个各自具有不同宽度的纵向部分，其中，底部区域的通过最短电通路连接至其最近连接点的纵向部分，具有底部区域的所有纵向部分之中的最小宽度。由于底部区域的宽度变小，所以阴极该纵向部分的电阻增大，因而电流部分地从其中否则将出现最大电流的该纵向部分转向，进入阴极的相邻纵向部分，以便总体上在阴极的表面上实现电流密度的均化。
[0020]原则上，在本发明的该实施方式中，具有不同宽度的底部区域的一个或多个纵向部分也可在各自纵向部分上具有均匀宽度，和/或至少一个或多个纵向部分的宽度可从其被布置成更靠近最近连接点的纵向侧端至更远距离的纵向侧端逐渐变小。同样地，在本发明的该实施方式中，优选地，底部区域的具有不同宽度的所有纵向部分的宽度都恒定，以便阴极的底部区域(基于其宽度)成阶梯形，或成台阶形，或者底部区域的具有不同宽度的所有纵向部分的宽度从其被布置地更靠近最近连接点的纵向侧端至更远距离的纵向侧端逐渐变小。
[0021]优选地，所述阴极的底部区域包括至少三个各自具有不同宽度的纵向部分，其中通过比另一纵向部分更长的电通路连接至与其最近连接点的每个纵向部分，都具有比所述另一纵向部分更大的宽度。因而在阴极的表面上实现了特别高的电流密度均匀性。
[0022]在发明概念的发展中提出，所述阴极的至少一个边缘区域包括至少两个各自具有不同高度的纵向部分，其中通过最短电通路连接至最近连接点的阴极边缘区域的纵向部分，具有边缘区域的所有纵向部分之中的最大高度，从所述阴极的下侧确定所述高度。因而，与其它纵向部分的电阻相比，通过最短电通路连接至最近连接点的阴极边缘区域的纵向部分的电阻增大，以使得流经阴极的该纵向部分的电流减小，并且流经阴极的其它纵向部分的电流增大，从而在阴极的单独纵向部分上看，实现均匀的电流密度分布。
[0023]此处，上述实施方式也能够彼此组合，例如更特别地，与通过更长电通路连接至最近连接点的纵向部分相比，通过最短电通路连接至最近连接点的纵向部分中的阴极的边缘区域具有更大宽度和更大高度。
[0024]在发明概念的进一步发展中，所述阴极的底部区域可包括至少两个各自具有不同高度的纵向部分，其中通过最短电通路连接至最近连接点的阴极底部区域的纵向部分，具有所有纵向部分之中的最大高度，从所述阴极下侧确定所述高度。同样地，在本发明的该实施方式中，实现了阴极表面上的特别良好的电流密度分布均化。
[0025]原则上，具有不同高度的一个边缘区域、两个边缘区域和/或底部区域的多个纵向部分，至少其中之一可 在各自纵向部分中具有均匀高度，和/或至少一个纵向部分的高度可从其更靠近最近连接点的纵向侧端至距离更远的纵向侧端逐渐变小。优选地，具有不同高度的一个边缘区域、两个边缘区域或底部区域的所有纵向部分的高度恒定，因此阴极的一个边缘区域、两个边缘区域或底部区域(基于其高度)成阶梯形或成台阶形，或者具有不同高度的一个边缘区域、多个边缘区域或底部区域的所有纵向部分的高度，从其更靠近最近连接点的纵向侧端至距离更远的纵向侧端逐渐变小。
[0026]在本发明的范围内，同样可行的是，在阴极的纵向方向上观察时，阴极上侧的高度对于相反方向的一个或多个纵向部分的边缘区域以及底部区域变化，也就是说，例如纵向部分的两个边缘区域的高度都大于相邻纵向部分的边缘区域的高度，然而其中与相邻纵向部分的底部区域相比，该纵向部分的底部区域的高度更小。然而，优选地，阴极的每个纵向部分的边缘区域的高度和底部区域的高度都平行变化，也就是说，阴极的每个纵向部分的边缘区域和底部区域两者的高度，都大于或小于相邻纵向部分的边缘区域和底部区域的那些高度。
[0027]如果所述阴极的边缘区域包括至少三个各自具有不同高度的纵向部分，则在阴极上侧处实现了特别高度均匀的电流密度分布，其中通过比另一纵向部分更长的电通路连接至其最近连接点的每个纵向部分，都具有比所述另一纵向部分更小的高度。
[0028]对于上述实施方式可选地或者对于上述实施方式另外优选地，所述阴极的底部区域可包括至少三个各自具有不同高度的纵向部分，其中通过比另一纵向部分更长的电通路连接至最近连接点的每个纵向部分，都具有比所述另一纵向部分更小的高度。因而在通过阴极上侧所形成槽体的底部区域中实现了特别均匀的电流密度分布。[0029]在以下情况下能够实现特别有利的电流密度分布，即所述阴极的至少一个边缘区域的最大与最小宽度的比例为2:1至1.05:1，优选地为1.5:1至1.05:1，更优选地1.3:1至
1.05:1，和/或所述阴极的至少一个边缘区域的最大与最小高度的比例为2:1至1.05:1，优选地为1.5:1至1.05:1，更优选地1.3:1至1.05:1，和/或所述阴极底部区域的最大与最小宽度的比例为2:1至1.05:1，优选地为1.5:1至1.05:1，更优选地1.3:1至1.05:1，和/或所述阴极底部区域的最大与最小高度的比例为2:1至1.05:1，优选地为1.5:1至1.05:1，更优选地1.3:1至1.05:1。
[0030]在其中阴极上侧的高度在阴极长度上变化的本发明实施方式中，优选地，所述阴极边缘区域中最大高度和该阴极边缘区域中最小高度之间的差，和/或该阴极底部区域中最大高度和该阴极底部区域中最小高度之间的差，小于30cm,更优选地小于20cm,甚至更优选地最多为10cm。同样地，该阴极边缘区域中最大高度和该阴极底部区域中最小高度之间的差，优选最多为该阴极上侧上最高点与该阴极下侧之间的距离的50%。
[0031]在其中一个边缘区域或两个边缘区域或底部区域的宽度在阴极长度上变化的本发明实施方式中，在该阴极的全部纵向延伸上观察时，底部区域的最大宽度和底部区域的最小宽度之间的差，优选地小于30cm，更优选地小于20cm，甚至更优选地小于10cm。同样地，在该阴极的全部纵向延伸上观察时，底部区域的最大宽度和底部区域的最小宽度之间的差，优选最多为阴极长度的20 %，更优选最多为阴极长度的IO %。
[0032]根据本发明概念的发展，所述电解池包括至少两个以电流馈接方式从阴极下侧接触阴极的母线，其中，外部电流馈电或每个外部电流馈电在各自连接点处导电地连接至至少两个母线，并且所述以电流馈接方式从阴极下侧接触阴极的至少两个母线彼此平行布置且彼此相距固定距离、在阴极的全部宽度上延伸，并且以电流馈接方式从阴极下侧接触阴极，其中单独的母线通过它们的一个末端导电地连接至集电器条，或者通过它们的每个末端导电地连接至分离的集电器条，并且所述一个或多个集电器条导电地连接至一个或多个外部电流馈电。
[0033]可选地，单独的母线可被彼此平行地布置并且彼此相距固定距离，但是可不在阴极的全部宽度上延伸。例如，单独的母线可仅在阴极的约一半宽度上延伸。在该实施方式中，例如在阴极的宽度方向观察时，连续地布置2个母线，也就是说，母线几乎以许多块形成，其中被连续布置的这两个母线中的每个都通过其面对阴极的末端，连接至外部电流馈电，可以通过集电器条连接。在该实施方式中，在阴极的纵向方向观察时，自然仅相邻母线中的每个都在各自连接点处连接至外部电流馈电。
[0034]根据本发明的一种另外优选的实施方式，所述电解池包括2至60个，优选10至48个，更优选16至40个,甚至更优选20至40个,最优选36个母线,和2至6个外部电流馈电，所述母线彼此平行布置并且彼此相距固定距离、在阴极的全部宽度上延伸，并且以电流馈接方式从阴极下侧接触阴极。
[0035]此处，例如，所述电解池的阴极可由2至60个，优选10至48个，更优选16至40个，甚至更优选20至40个，最优选36个并排布置的阴极块组成，其中其下侧上的每个阴极块都具有至少一个凹槽，该凹槽在阴极块的纵向方向上或在阴极的宽度方向上延伸，在所述凹槽中布置至少一个母线。
[0036] 为了再进一步地提高阴极表面上的电流密度分布的均匀性，并且特别是为了防止电流密度在阴极上侧的边缘区域中超高，在本发明概念的进一步发展中提出，每个凹槽都具有矩形横截面和在其长度上变化的深度，其中与其中心相比，处于其纵向侧端处的每个凹槽都具有较浅的深度。此处例如当在阴极的横截面中观察时，凹槽可具有基本三角形的形式。
[0037]特别是为了甚至在阴极的边缘区域中也实现电流密度的均匀分布，在本发明概念的发展中提出，在阴极的横截面中和在阴极的宽度方向上观察时，所述阴极的两个边缘区域中的至少一个、优选两个边缘区域朝着阴极的中心，以向下倾斜的方式延伸，其中优选地，所述边缘区域或多个边缘区域相对于水平面的倾斜角度为2°至45°，更优选为3°至20°，甚至更优选为10°至15°。
[0038]此处优选在阴极的横截面中以及在阴极的宽度方向上观察时，两个边缘区域中的至少一个、优选两个边缘区域，以朝着阴极中心向下倾斜的方式延伸其宽度的至少30%，优选至少50%，更优选至少75%，甚至更优选100%。然而，至少一个边缘区域也可基本水平地延伸。
[0039]根据本发明的一种另外优选的实施方式，所述阴极的底部区域至少在以下区域中以平面方式延伸，其中底部区域的表面相对于在垂直方向上延伸的平面具有-20°至20°，优选-10 °至10°，更优选0°的角度。
[0040]优选地，当在阴极的横截面中观察时，阴极的上侧以槽状方式，在阴极长度的至少25%，优选至少50%，特别优选至少75%，更优选至少90%，最优选约100%上形成，其中该槽体具有两个边缘区域和一个底部区域，底部区域被布置在边缘区域之间，并且当在阴极的宽度方向上观察时，相对于边缘区域降低，其中在两个边缘区域中的每个边缘区域和底部区域之间，设置连接相应的边缘区域和底部区域的侧壁区域。
[0041]此处优选地，i)底部区域和边缘区域至少其中之一的宽度在阴极长度的至少25 %，优选至少50 %，特别优选至少75 %，更优选至少90 %，最优选约100 %上变化，和/或
ii)从阴极的下侧确定的阴极的上侧的高度，在阴极长度的至少25%，优选至少50%，特别优选至少75%，更优选至少90%，最优选约100%上变化。
[0042]本发明还涉及一种用于电解池，特别是用于生产铝的电解池的阴极，其中在阴极的横截面中看，阴极的上侧为槽状，其中该槽体包括两个边缘区域和一个底部区域，底部区域被布置在边缘区域之间，并且当在阴极的宽度方向上观察时，相对于边缘区域降低，其中在两个边缘区域中的每个边缘区域和底部区域之间，设置连接相应的边缘区域和底部区域的侧壁区域，其中i)底部区域和边缘区域至少其中之一的宽度在阴极的长度上变化，和/或ii)从阴极的下侧确定的阴极的上侧的高度在阴极的长度上变化。关于根据本发明电解池中所含阴极的上述优选实施方式，也适用于根据本发明的阴极。
【专利附图】
【附图说明】
[0043]下文将参考附图，基于有利的实施方式，仅作为实例描述本发明，其中:
[0044]图1示出根据本发明一种实施方式的电解池的一部分阴极的透视图，
[0045]图2示出根据本发明另一实施方式的电解池阴极的局部剖视透视图，
[0046]图3a示出根据本发明另一实施方式的电解池阴极的局部剖视透视图，
[0047]图3b示出图3a的阴极的前视图，和[0048]图4示出根据本发明一种实施方式的电解池的平面图。
【具体实施方式】
[0049]图1示出根据本发明一种实施方式的电解池的阴极10的透视图。
[0050]由含碳材料组成的阴极10具有上侧12，在电解池例如根据霍尔-埃鲁工艺运行期间，在上侧12上布置电解池的液体铝层。在实践中，阴极10由在阴极的纵向方向I上观察时并排布置的多个阴极块组成，其中单独阴极块的纵向方向各自在阴极IO的宽度方向X上延伸。在图1中未示出母线，母线从阴极的下侧14，以电流馈接方式接触阴极10，并且导电地连接至至少一个外部电流馈电。此处优选地，每个母线都被插入凹槽中，凹槽被设置在每个阴极块中，并且在阴极10的宽度方向X上延伸，也就是说，在相应阴极块的纵向方向上延伸。
[0051]如图1中所示，当在阴极10的横截面中观察时，阴极10的上侧12为槽状，其中槽体具有两个边缘区域16、16’和一个底部区域18，底部区域18被布置在边缘区域16、16’之间，并且当在阴极10的宽度方向X上观察时，相对于边缘区域16、16’降低，其中在边缘区域
16、16’中的每个边缘区域和底部区域18之间，设置连接相应的边缘区域16、16’和底部区域18的侧壁区域20、20’。在电解池例如根据霍尔-埃鲁工艺运行期间，边缘区域16、16’、底部区域18和上侧12的侧壁区域20、20’被液体铝层覆盖。此处优选地，设定阴极10的边缘区域16、16’、底部区域18和侧壁区域20、20’的尺寸，以使得槽体的体积，也就是说阴极10的上侧和阳极下侧之间的体积，至少近似地相应于具有常规传统阴极的电解池的槽体体积。 [0052]在阴极10的宽度方向X上测量时，图1中所示的阴极10的边缘区域16、16’具有宽度b，如图1中所示，宽度b在阴极10的纵向方向y上测量的长度上变化。更特别地，图1中所示的边缘区域16、16’的细节具有5个纵向部分L1-L5，其中每个边缘区域16、16’的宽度b在每个纵向部分L1-L5中都恒定，并且从纵向部分L1-L5至纵向部分L1-L5变化，更特别地，以使得在此处产生边缘区域16、16’的宽度b的阶梯状变化，如在阴极10的纵向方向y上所观察的。
[0053]此处，图1中所示的阴极10相对于其平行于纵向方向y延伸的中间纵向平面是对称的，并且因而底部区域18的宽度b也在阴极10的纵向方向y上变化，边缘区域16、16’的宽度也是如此。
[0054]在图2中示出电解池阴极10的另一种实施方式的局部剖视透视图。
[0055]该实施方式与图1中所示实施方式的类似之处在于，当在阴极10的横截面中观察时，阴极10为槽状，其中槽体具有两个边缘区域16，其中在图2的剖视图中仅示出左边缘区域，并且槽体具有底部区域18，在阴极10的宽度方向X上观察时，底部区域18被布置在边缘区域16之间，并且相对于边缘区域16降低，其中，在每个边缘区域和底部区域18之间，设置连接相应的边缘区域16和底部区域18的侧壁区域20。与图1中所示的实施方式相t匕，在图2中所示的实施方式中，边缘和底部区域16、18的宽度不在阴极10的纵向方向y上变化，而是当在垂直方向z上从阴极10的下侧14测量时，阴极10的上侧12的高度h在阴极10的纵向方向y上变化。更特别地，图2中所示的阴极10的上侧12的细节具有三个纵向部分L1-L3，其中阴极10的上侧12的高度h在每个纵向部分L1-LJ在阴极10的纵向方向y上)内都恒定，但是从纵向部分L1-L3至纵向部分L1-L3变化，更特别地，以使得此处当在阴极10的纵向方向y上观察时，在边缘区域16中和在底部区域18中以及在侧壁区域20中都产生阴极10上侧12的高度h的阶梯状变化。
[0056]如图2中所示，当在阴极10的宽度方向X上观察时，边缘区域16相对于水平面倾斜角度α，在本情况下，该角度略小于10°。
[0057]图3a示出根据本发明另一实施方式的一部分阴极10的透视的局部图示，该图很大程度上对应于图2中所示的实施方式，特别是，当在阴极10的纵向方向y上观察时，阴极10的上侧12的高度h变化；然而，图3中所示的阴极与图2中所示的不同在于，一方面，边缘区域16的高度h，另一方面，底部区域18的高度h，在相反方向上变化，特别是边缘区域16的高度h在从纵向部分L1延伸至纵向部分L2的纵向方向y上增大，而底部区域18的高度h在该方向上减小。
[0058]图3b示出从阴极10的前侧观察时纵向方向y上图3a的阴极细节，并且示例了边缘区域16和底部区域18的高度h的反方向变化。此处虚线示出被阴极10的纵向部分L1隐藏的纵向部分L2的轨迹。
[0059]图4示出根据本发明一种实施方式的电解池的平面图。此处，为了不遮盖阴极10和被布置在所述阴极之下和旁边的组件的视图，未示出阳极结构和被连接至阳极结构的电流源部分。
[0060]在横截面中，阴极10具有槽的形状，该槽体包括两个边缘区域16、16’，包括底部区域18，并且包括被布置在底部区域18和边缘区域16、16’之间的侧壁区域20、20’。此处阴极10本身对应于图1中所示的实施方式，更特别地，特别是图4中所示的阴极10具有多个纵向部分L1至L9，其中单独的边缘区域16、16’和底部区域18的宽度b在阴极10的纵向方向y上变化。
[0061]该电解池包括9个条状母线22、22’，其各自从阴极的下侧，以电流馈接方式接触阴极10，并且各自通过它们的纵向方向，在电解池的宽度方向X上中延伸。该电解池另外包括两个集电器条24、24’，集电器条被这样布置，即这些集电器条24、24’各自被连接至所有母线22、22’的各自的末端。因此，集电器条24、24’以相对于阴极10侧向偏移的方式，沿纵向方向I延伸。
[0062]每个集电器条24、24’都分别关联两个外部电流馈电26、26’和26”、26”’，通过外部电流馈电26、26’和26”、26”’，电流被从外部馈送至被布置在阴极10下侧14上的母线
22、22，。此处，外部电流馈电26、26’、26”、26”，被在各自连接点28、28’、28”、28”，处连接至集电器条24、24’之一，因此也在该点处间接地连接至母线22、22’，母线22、22’被连接至所述集电器条24、24’。
[0063]如图4中所示，单独连接点28、28’、28”、28”，和阴极10中单独母线22、22’的入口点之间的距离在长度上不同，也就是说，如下电通路P1-P3的长度不同，电流必须通过电通路P1-P3，从单独连接点28、28’、28”、28”’流动至单独母线22、22’的入口点，进入阴极10的边缘区域16、16’。此处，与阴极10的具有较长电通路至距离纵向部分L1-L9最近之连接点28、28’、28”、28”’的纵向部分L1-L9相比，阴极10的具有较短电通路P1-P3至距离纵向部分L1-L9最近之连接点28、28’、28”、28”’的纵向部分L1-L9，在其边缘区域16、16’中具有更大宽度b。同样地，与阴极10的具有较长电通路至距离纵向部分L1-L9最近之连接点28、28’、28”、28”’的纵向部分L1-L9相比，阴极10的具有较短电通路P1-P3至距离纵向部分L1-L9最近之连接点28、28’、28”、28”’的纵向部 分L1-L9，在其底部区域18中具有更小宽度b。
[0064]附图标记列表
[0065]10阴极
[0066]12上侧
[0067]14下侧
[0068]16、16’边缘区域
[0069]18底部区域
[0070]20、20’侧壁区域
[0071]22、22，母线
[0072]24、24’集电器条
[0073]26、26’、26”、26”，外部电流馈电
[0074]28、28’、28”、28”，连接点
[0075]x、y、z宽度、纵向和垂直方向
[0076]b宽度
[0077]I长度
[0078]h高度
[0079]L1-L9纵向部分
[0080]P1-P3电通路
[0081]α倾斜角度
【权利要求】
1.一种电解池，特别是用于生产铝的电解池，包括:阴极(10)，被布置在所述阴极(10)的上侧(12)上的液体铝层，其之上的熔体层，所述熔体层之上的阳极，至少一个母线、优选至少两个母线(22、22’)，所述母线以电流馈接方式从阴极(10)下侧(14)接触所述阴极(10)，和至少一个外部电流馈电(26、26’、26”、26”’)，其中所述至少一个或每个外部电流馈电(26、26，、26，，、26，，，)在各自连接点(28、28，、28”、28”，)处导电地连接至至少一个母线、优选地连接至至少两个母线(22、22’)，其中在所述阴极(10)的横截面中观察，所述阴极(10)的上侧(12)为槽状，其中所述槽体具有两个边缘区域(16、16’ )和一个底部区域(18)，所述底部区域(18)被布置在所述边缘区域(16、16’ )之间，并且在所述阴极(10)的宽度(X)方向看，相对于所述边缘区域(16、16’)降低，其中，在所述两个边缘区域(16、16’)中的每个边缘区域和所述底部区域(18)之间，设置连接所述相应的边缘区域(16、16’ )和所述底部区域(18)的侧壁区域(20、20’)，其中i)所述底部区域(18)和所述边缘区域(16、16’ )至少其中之一的宽度(b)在所述阴极(10)的长度上变化，和/或ii)从所述阴极(10)的下侧(14)确定的所述阴极(10)的上侧(12)的高度(h)在所述阴极(10)的长度上变化。
2.根据权利要求1所述的电解池， 其特征在于， 所述阴极(10)的至少一个边缘区域(16、16’)包括至少两个各自具有不同宽度(b)的纵向部分(L1-L9),其中，所述边缘区域(16、16’ )的通过最短电通路(P1-P3)连接至与其最近连接点(28、28，、28， ，、28，，，)的纵向部分(L1-L9)，具有所述边缘区域(16、16，)的所有纵向部分(L1-L9)之中的最大宽度(b)。
3.根据前述权利要求中的至少一项所述的电解池， 其特征在于， 所述阴极(10)的至少一个边缘区域(16、16’)包括至少三个各自具有不同宽度(b)的纵向部分(L1-L9),其中通过比另一纵向部分(L1-L9)更长电通路(P1-P3)连接至最近连接点(28、28，、28，，、28，，，)的每个纵向部分(L1-L9)，都具有比所述另一纵向部分(L1-L9)更小的览度(b) ο
4.根据前述权利要求中的至少一项所述的电解池， 其特征在于， 所述阴极(10)的底部区域(18)包括至少两个各自具有不同宽度(b)的纵向部分(L1-L9),其中，所述底部区域(18)的通过最短电通路(P1-P3)连接至与其最近连接点(28、28，、28，，、28，，，)的纵向部分(L1-L9),具有所述底部区域(18)的所有纵向部分(L1-L9)之中的最小宽度(b)。
5.根据前述权利要求中的至少一项所述的电解池， 其特征在于， 所述阴极(10)的底部区域(18)包括至少三个各自具有不同宽度(b)的纵向部分(L1-L9),其中通过比另一纵向部分(L1-L9)更长的电通路(P1-P3)连接至其最近连接点(28、28’、28”、28”’ )的每个纵向部分(L1-L9),都具有比所述另一纵向部分(L1-L9)更大的宽度(b)。
6.根据前述权利要求中的至少一项所述的电解池，其特征在于， 所述阴极(10)的至少一个边缘区域(16、16’)包括至少两个各自具有不同高度(h)的纵向部分(L1-L9),其中通过最短电通路(P1-P3)连接至最近连接点(28、28’、28”、28”’ )的所述阴极(10)边缘区域(16、16，)的纵向部分(L1-L9),具有边缘区域(16、16，)的所有纵向部分(L1-L9)之中的最大高度(h)，从所述阴极(10)的下侧(14)确定所述高度00，和/或所述阴极(10)的底部区域(18)包括至少两个各自具有不同高度(h)的纵向部分(L1-L9),其中通过最短电通路(P1-P3)连接至所述最近连接点(28、28’、28”、28”’)的所述阴极(10)底部区域(18)的纵向部分(L1-L9),具有底部区域(18)的所有纵向部分(L1-L9)之中的最大高度(h)，从所述阴极(10)的下侧(14)确定所述高度(h)。
7.根据权利要求6所述的电解池， 其特征在于， 所述阴极(10)的边缘区域(16、16’)包括至少三个各自具有不同高度(h)的纵向部分(L1-L9),其中通过比另一纵向部分(L1-L9)更长的电通路(P1-P3)连接至其最近连接点(28、28’、28”、28”’ )的每个纵向部分(L1-L9),都具有比所述另一纵向部分(L1-L9)更小的高度(h)，和/或所述阴极(10)的底部区域(18)包括至少三个各自具有不同高度(h)的纵向部分(L1-L9),其中通过比另一纵向部分(L1-L9)更长的电通路(P1-P3)连接至最近连接点(28、28’、28”、28”’ )的每个纵向部分(L1-L9),都具有比所述另一纵向部分(L1-L9)更小的高度(h)。
8.根据前述权利要求中的至少一项所述的电解池， 其特征在于， 所述阴极(10)的至少一个边缘区域(16、16’)的最大与最小宽度(b)的比例为2:1至1.05:1，优选地为1.5:1至1.05:1，更优选地1.3:1至1.05:1，和/或 所述阴极(10)的至少一个边缘区域(16、16’)的最大与最小高度(h)的比例为2:1至1.05:1，优选地为1.5:1至1.05:1，更优选地1.3:1至1.05:1，和/或 所述阴极(10)的所述底部区域(18)的最大与最小宽度(b)的比例为2:1至1.05:1，优选地为1.5:1至1.05:1，更优选地1.3:1至1.05:1，和/或 所述阴极(10)的所述底部区域(18)的最大与最小高度(h)的比例为2:1至1.05:1，优选地为1.5:1至1.05:1，更优选地1.3:1至1.05:1。
9.根据前述权利要求中的至少一项所述的电解池， 其特征在于， 以电流馈接方式从阴极(10)下侧(14)接触所述阴极(10)的至少一个母线、优选地至少两个母线(22、22’)，彼此平行布置并且彼此相距固定距离，在所述阴极(10)的全部宽度(b)上延伸，并且以电流馈接方式从阴极(10)下侧(14)接触所述阴极(10)，其中单独的母线通过它们的一个末端各自导电地连接至集电器条，或者通过它们的每个末端各自导电地连接至分离的集电器条(24、24’)，并且所述一个或多个集电器条(24、24’ )导电地连接至一个或多个外部电流馈电(26、26，、26，，、26，，，)。
10.根据前述权利要求中的至少一项所述的电解池， 其特征在于， 所述电解池包括2至60个，优选10至48个，更优选16至40个，甚至更优选20至40个，最优选36个母线(22、22，)，和2至6个外部电流馈电(26、26，、26”、26”，)，所述母线(22、22’)彼此平行布置并且彼此相距固定距离、在所述阴极(10)的全部宽度(b)上延伸，并且以电流馈接方式从阴极(10)下侧(14)接触所述阴极(10)。
11.根据前述权利要求中的至少一项所述的电解池， 其特征在于， 所述阴极(10)由2至60个,优选10至48个,更优选16至40个,甚至更优选20至40个，最优选36个并排布置的阴极块组成，其中其下侧上的每个阴极块都具有至少一个凹槽，所述凹槽在所述阴极块的纵向方向或在所述阴极(10)的宽度方向(X)上延伸，在所述凹槽中布置至少一个母线(22、22’)。
12.根据权利要求11所述的电解池， 其特征在于， 每个所述凹槽都具有矩形横截面以及在其长度上变化的深度，其中与其中心处相比，处于其纵向侧端处的每个凹槽都具有较浅的深度。
13.根据前述权利要求中的至少一项所述的电解池， 其特征在于， 在所述阴极(10)的宽度方向(X)上观察时，两个边缘区域(16、16’ )中的至少一个、优选两个边缘区域(16、 16’)朝着所述阴极(10)的中心，以向下倾斜的方式延伸，其中优选地，所述一个边缘区域(16、16’ )或多个边缘区域(16、16’ )相对于水平面的倾斜角度(α)为2°至45°，更优选为3°至20°，甚至更优选为10°至15°。
14.根据前述权利要求中的至少一项所述的电解池， 其特征在于， 在所述阴极(10)的横截面中以及在所述阴极(10)的宽度方向(X)上观察时，所述两个边缘区域(16、16’ )中的至少一个，优选两个边缘区域(16、16’)，以朝着所述阴极(10)中心向下倾斜的方式延伸其宽度(b)的至少30%,优选至少50%,更优选至少75%,甚至更优选100%。
15.根据前述权利要求中的至少一项所述的电解池， 其特征在于， 所述底部区域(18)至少在以下区域中以平面方式延伸，其中所述底部区域(18)的表面相对于在垂直方向(z)上延伸的平面具有-20°至20°，优选-10°至10°，更优选0°的角度。
16.根据前述权利要求中的至少一项所述的电解池， 其特征在于， 当在所述阴极(10)的横截面中观察时，所述阴极(10)的上侧(12)在所述阴极(10)长度的至少25%，优选至少50%，特别优选至少75%，更优选至少90%，最优选约100%上为槽状，其中所述槽体具有两个边缘区域(16、16’ )和一个底部区域(18)，所述底部区域(18)被布置在所述边缘区域(16、16’)之间，并且当在所述阴极(10)的宽度方向(X)上观察时，相对于所述边缘区域(16、16’ )降低，其中在所述两个边缘区域(16、16’ )中的每个边缘区域和所述底部区域(18)之间，设置连接相应的边缘区域(16、16’ )和所述底部区域(18)的侧壁区域(20、20，)。
17.根据权利要求16所述的电解池， 其特征在于， i)所述底部区域(18)和所述边缘区域(16、16’ )至少其中之一的宽度(b)在所述阴极(10)长度的至少25%，优选至少50%，特别优选至少75%，更优选至少90%，最优选约100%上变化，和/或ii)从所述阴极(10)的下侧(14)确定的所述阴极(10)的上侧(12)的高度(h)，在所述阴极(10)长度的至少25%，优选至少50%，特别优选至少75%，更优选至少90%，最优选约100%上变化。
18.一种用于电解池，特别是用于生产铝的电解池的阴极，其中在所述阴极(10)的横截面中观察，所述阴极(10)的上侧(12)为槽状，其中所述槽体具有两个边缘区域(16、16’)和一个底部区域(18)，所述底部区域(18)被布置在所述边缘区域(16、16’ )之间，并且当在所述阴极(10)的宽度方向(X)上观察时，相对于所述边缘区域(16、16’ )降低，其中在所述两个边缘区域(16、16’ )中的每个边缘区域和所述底部区域(18)之间，设置连接相应的边缘区域(16、16’ )和所述底部区域(18)的侧壁区域(20、20’)，其中i)所述底部区域(18)和所述边缘区域(16、16’)至少其中之一的宽度(b)在所述阴极(10)的长度上变化，和/或ii)从所述阴极(10)的下侧(14)确定的所述阴极(10)的上侧(12)的高度(h)在所述阴极(10)的长度 上变化。
【文档编号】C25C3/08GK103958739SQ201280055258
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2012年11月8日 优先权日:2011年11月9日
【发明者】托马斯·弗罗梅尔特, 阿拉什·拉希迪 申请人:西格里碳素欧洲公司