Für die Gewinnung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse von Alumini- umoxid 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. In die Schmelze tauchen von oben Anoden ein, die bei konventionellen Verfahren aus amorphem Kohlenstoff be- stehen. An den Kohleanoden entsteht durch die elektrolytische Zersetzung des Aluminiumoxids Sauerstoff, der sich mit dem Kohlenstoff der Anoden zu C02 und CO verbindet. Die Elektrolyse findet in einem Temperaturbereich von etwa 940 bis 970°C statt.

Bei einer Elektrolysezelle mit einem Kohleboden nach dem Stand der Technik wird der von den Anoden durch die Elektrolytschmelze, das flüssige Aluminium und den Kohleboden zu den kathodischen Stromleitbarren fliessende elektri- sche Strom aus seiner idealen vertikalen Richtung abgelenkt und erhält eine in Richtung der Stromleitbarren gegen die Zellenwand hin gerichtete horizontale Komponente. Das entstehende Magnetfeld führt zu einer starken Strömung im Metall, verbunden mit einer Wölbung der Metalloberfläche, die gegen den Zel- lenrand stark heruntergezogen wird. Bis heute hat man versucht, das Magnet- feld durch gezielte Stromschienenführungen ausserhalb der Elektrolysewanne zu kompensieren und damit den Stromfluss zu optimieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kohleboden der eingangs ge- nannten Art zu schaffen, mit dem der Stromfluss durch die Zelle auch ohne aufwendige Führung von Stromleitschienen dem idealen Stromverlauf angenä- hert werden kann.

Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt, dass der Kohleboden von der Zellenmitte zum Zellenrand einen in Richtung der Stromleitbarren in verti- kaler Richtung zunehmenden elektrischen Widerstand aufweist.

Der unterschiedliche elektrolytische Widerstand des Kohlebodens in z-Richtung in Abhängigkeit von der Distanz zur Zellenmitte führt dazu, dass der Strom durch das beim Betrieb der Elektrolysezelle dem Kathodenboden aufliegende flüssige Aluminium der idealen vertikalen Richtung angenähert werden kann, wodurch die horizontale Stromkomponente stark abnimmt und im Idealfall sogar verschwindet. Der erfindungsgemässe Kohleboden ermöglicht demzufolge eine Erhöhung des elektrischen Stromflusses in der Zelle, was einer Erhöhung der Produktion gleichkommt.

Ein praktisch idealer Stromfluss ergibt sich dann, wenn der elektrische Wider- stand von der Zellenmitte zum Zellenrand der Funktion PB = po + p x y2 angenähert ist, wobei po und pi Konstanten sind und y den Abstand von der Zellenmitte bedeutet.

Der Kohleboden bzw. die einzelnen Kathodenelemente können in Schichten aufgeteilt und die Schichten in Richtung der Stromleitbarren aneinandergereiht sein, wobei die einzelnen Schichten von der Zellenmitte zum Zellenrand einen in vertikaler Richtung zunehmenden elektrischen Widerstand aufweisen. Bei einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemässen Kohlebodens bzw. der einzelnen Kathodenelemente weisen diese von der Zellenmitte zu der

Zellenwand einen in Richtung der Stromleitbarren in vertikaler Richtung konti- nuierlich und stetig ansteigenden elektrischen Widerstand auf.

Das für die Bewegung der flüssigen Phasen in einer Elektrolysezelle zur Her- stellung von Aluminium verantwortliche Kraftfeld ergibt sich aus dem vektoriel- len Produkt der Stromdichte und dem Magnetfeld. Mit dem Einsatz eines erfin- dungsgemässen Kohlebodens wird der horizontale Stromfluss reduziert, wo- durch auch das Kraftfeld abnimmt. Dadurch ergeben sich viel schwächere Be- wegungen in den flüssigen Phasen, d. h. die Geschwindigkeiten im flüssigen Aluminium und im Elektrolytbad nehmen stark ab, was die Leistung und die Le- bensdauer der Elektrolysezelle positiv beeinflusst.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie an- hand der Zeichnung ; diese zeigt schematisch in - Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Elektrolysezelle ; - Fig. 2 eine Schrägsicht auf die teilweise geschnittene Kathodenwanne der Elektrolysezelle von Fig. 1 ; - Fig. 3 ein Detail von Fig. 2 in vergrösserter Darstellung ; - Fig. 4 einen Vertikalschnitt durch eine halbe Elektrolysezelle für eine analytische Modellrechnung ; - Fig. 5 die bildlich Darstellung des Stromflusses durch die Elektrolyse- zelle von Fig. 4 mit einem Kohleboden nach dem Stand der Tech- nik nach einer Modellrechnung ; - Fig. 6 die Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes eines erfindungs- gemässen Kohlebodens in z-Richtung in Abhängigkeit von der Di-

stanz zur Zellenmitte in y-Richtung ; - Fig. 7 die bildliche Darstellung des Stromflusses durch eine Elektrolyse- zelle gemäss Fig. 4 mit einem Kohleboden mit variablem elektri- schen Widerstand in z-Richtung von der Zellenmitte in y-Richtung gemäss Fig. 6 ; - Fig. 8 ein aus mehreren Schichten mit unterschiedlichem elektrischen Widerstand in z-Richtung gemäss Fig. 6 aufgebauter Kohleboden.

Eine in Fig. 1 dargestellte Elektrolysezelle 10 zur Gewinnung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse von Aluminiumoxid weist eine mit einem feuerfe- sten und wärmeisolierenden Mauerwerk 14 ausgekleidete Stahlwanne 12 auf.

Auf dem Mauerwerk 14 am Boden der Stahlwanne 12 sind Kathodenelemente 16 in der Form von Kohleblöcken angeordnet. Die an den seitlichen Stossstel- len der einzelnen Kathodenelemente entstehenden Spalten werden zur Her- stellung einer guten thermischen und elektrischen Leitfähigkeit der Verbin- dungsstelle benachbarter Kathodenelemente 16 auf bekannte Weise mit einer Kontaktmasse abgedichtet, so dass ein allseitig thermisch und elektrisch gut leitender Kathoden-oder Kohleboden 18 entsteht. Die Seitenwände 20 beste- hen aus einzelnen Blöcken aus einer Kohlenmasse und liegen dem Mauerwerk 14 der Stahlwanne 12 an.

Wie in Fig. 2 dargestellt, hat die Elektrolysezelle 10 einen im wesentlichen rechteckigen Grundriss mit einer horizontalen Längsrichtung x, einer rechtwink- lig zu dieser stehenden horizontalen Querrichtung y und einer auf der durch die Richtungen x, y definierten Ebene senkrecht stehenden Vertikalrichtung z. Der Kohleboden 18 wird von in y-Richtung verlaufenden Stromleit-oder Kathoden- barren 22 kontaktiert. Im vorliegenden Beispiel sind die Barren 22 in der Mitte des Kohlebodens 18 getrennt. Die Kathodenbarren 22 können jedoch auch von Seitenwand zu Seitenwand der Stahlwanne 12 durchgehend sein. Ebenso kann der Kohleboden 18 verschiedenartig ausgebildet sein. Die Kathodenelemente

16 können beispielsweise bezüglich ihrer Form und Ausdehnung in x-und y- Richtung variieren, oder der Kohleboden 18 kann auch aus einem einzigen Block bestehen.

Wie in Fig. 3 gezeigt, weisen die einzelnen Kathodenelemente 16 eine Nut 24 auf. Der Kathodenbarren 22 ist über einen Gusseisenmantel 26 in die Nuten 24 von aneinandergereihten Kathodenelementen 16 eingegossen. Die Verbindung zwischen Kathodenbarren 22 und Kathodenelementen 16 kann selbstverständ- lich auch auf andere Weise durchgeführt werden, beispielsweise durch Verkle- bung mit einer elektrisch und thermisch leitenden Kontaktmasse.

Wie in Fig. 1 dargestellt, befindet sich beim Betrieb der Elektrolysezelle 10 auf dem Kohleboden 18 eine Schicht 28 aus flüssigem Aluminium. Über dieser Aluminiumschicht befindet sich eine Kryolithschmelze 30 mit darin gelöstem Aluminiumoxid. Von oben tauchen Kohleanoden 32 in die Kryolithschmelze 30 ein. Die Kohleanoden 32 sind mittels in diesen verankerten Anodenstangen 34 an einer nicht gezeigten, in Längsrichtung x der Elektrolysezelle 10 verlaufen- den Traverse befestigt. Während der Elektrolyse bildet sich auf der Kryo- lithschmelze 30 eine Kruste 36 aus erstarrtem Kryolith. Die Kruste 36 wird von Zeit zu Zeit aufgebrochen, um der Kryolithschmelze 30 Aluminiumoxid zuzufüh- ren. Das sich als Schicht 28 auf dem Kohleboden 18 ansammelnde flüssige Aluminium wird ebenfalls von Zeit zu Zeit, beispielsweise über einen Saugheber mittels Vakuum, aus der Elektrolysezelle 10 entfernt.

In dem in Fig. 4 schematisch dargestellten halben Querschnitt durch die Elek- trolysezelle 10 in y-Richtung zeigt den Kathodenbarren 22 mit einer Höhe hK, den darüber angeordneten Kohleboden 18 einer Höhe hB und die dem Kohle- boden 18 aufliegende Schicht 28 aus flüssigem Aluminium. Uo bedeutet das elektrische Potential an der Kontaktfläche Aluminium/Kohleboden, U (y) das von der elektrischen Leitfähigkeit des Kohlebodens in z-Richtung von der Zel- lenmitte zum Zellenrand in Richtung y der Kathodenbarren 18 abhängige elek- trische Potential an der Grenzfläche Kohleboden/Kathodenbarren. Mit L ist die

halbe Breite des Kohlebodens 18 in y-Richtung bezeichnet.

Die Kathodenelemente 16 bzw. der daraus hergestellte Kohleboden 18 ist durch seine elektrische Leitfähigkeit charakterisiert. Die Hersteller der Katho- denelemente definieren die Leitfähigkeit in der Extrusionsrichtung entsprechend der y-Richtung sowie in den dazu senkrecht stehenden Richtungen x und z. Bei einem konventionellen Kohleboden 18 sind die genannten Leitfähigkeitswerte in allen Richtungen für sämtliche Kathodenelemente 16 gleich. Diese Bedingung führt zu einem in y-Richtung gegen die Seitenwand 20 der Elektrolysezelle 10 verstärkten Stromfluss. In Fig. 5 ist die Stromverteilung in einer zweidimensio- nalen Modellrechnung unter der Annahme einer allseits konstanten Leitfähig- keit des Kohlebodens 18 durch Pfeile 38 dargestellt. Gut erkennbar sind hierbei die horizontalen Stromkomponenten.

Unter der Annahme, dass der elektrische Strom in der Schicht 28 aus flüssigem Aluminium und im Kohleboden 18 bzw. in den Kathodenelementen 16 vertikal in z-Richtung und in den Stromleit-oder Kathodenbarren 22 horizontal in y-Rich- tung verläuft, führt eine Modellrechnung zu folgendem Ergebnis : PB = po + pi X Y Hierbei gilt po = f (hB, L, hK, 6K) #1=f(hB, hk, #K) 1 2xßKxh, cxhe Die verwendeten Parameter bedeuten PB elektrischer Widerstand des Kohlebodens 18 bzw. der Katho- denelemente 16 in z-Richtung

po, pi Konstanten hB Höhe des Kohlebodens 18 bzw. der Kathodenelemente 16 hK Höhe des Kathodenbarrens 22 L Distanz des Kohlebodens 18 bzw. der Kathodenelemente 16 von der Zellenmitte zum Zellenrand OK elektrische Leitfähigkeit der Stromleit-oder Kathodenbarren 22 po und pi sind Funktionen in Abhängigkeit der in Klammern gesetzten Parame- ter. Da die elektrischen Eigenschaften der Stromleit-oder Kathodenbarren 22 gegeben sind, sind somit die Konstanten po, pi eindeutig bestimmt.

Die Modellrechnung zeigt, dass zur Erzielung eines vertikalen Stromflusses durch die Schicht 28 aus flüssigem Aluminium und durch den Kohleboden 18 bzw. die Kathodenelemente 16 in vertikaler z-Richtung der elektrische Wider- stand, der gleichbedeutend ist mit dem inversen Wert der elektrischen Leitfä- higkeit, einen quadratischen Verlauf in Abhängigkeit von der Distanz von der Mitte der Elektrolysezelle 10 in Richtung y gegen die Seitenwand 20 einen im wesentlichen quadratischen Verlauf zeigen muss. Die Konstanten po und pi die in die Formel für pa eingehen, sind abhängig von den geometrischen Parame- tern des Kohlebodens 18 bzw. der Kathodenelemente 16 und des Kathodenbar- rens 22 sowie von der elektrischen Leitfähigkeit des Kathodenbarrens 22.

Fig. 6 zeigt die durch die Modellrechnung ermittelten Werte für den elektrischen Wlderstand PB in z-Richtung für den Kohleboden 18 als Funktion des Abstandes von der Zellenmitte M zum Seitenrand in Richtung y. Unter der Annahme dieser quadratischen Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes von der Zellenmitte M zum Zellenrand ergibt die Modellrechnung die in Fig. 7 wiederum durch Pfeile 38 bildlich dargestellte Stromverteilung durch einen Kathodenboden 18 mit va-

riabler Leitfähigkeit in y-Richtung. Es ist deutlich erkennbar, dass der Strom sehr viel vertikaler verläuft als bei einem in Fig. 5 dargestellten konventionellen Kathodenboden. Tatsächlich ist der horizontale Stromfluss etwa zehn Mal schwächer als bei Verwendung von Kohleböden nach dem Stand der Technik mit konstanter Leitfähigkeit in y-Richtung.

Fig. 8 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines Kohlebodens 18 mit in z- Richtung von der Zellenmitte M gegen den Zellenrand in Richtung y der Katho- denbarren 22 entsprechend den in Fig. 6 gezeigten Werten zunehmendem elektrischen Widerstand. Im gezeigten Beispiel ist der Kohleboden 18 aus ein- zelnen, in Längsrichtung x verlaufenden und seitlich in y-Richtung einander an- liegenden Schichten Si bis Sie aufgebaut. Jede dieser Schichten oder Blöcke weist in z-Richtung entsprechend ihrer Distanz zur Zellenmitte M einen für diese Position rechnerisch ermittelten und in Fig. 6 dargestellten elektrischen Wider- stand PB auf. Der elektrische Widerstand pe der einzelnen Schichten oder Blöcke S, bis Sie ist somit für jede Schicht bzw. für jeden Block konstant, vari- iert jedoch von Schicht zu Schicht bzw. von Block zu Block. Die einzelnen Schichten oder Blöcke können beispielsweise auf bekannte Weise miteinander verklebt sein. Selbstverständlich können die einzelnen Schichten S, bis Sie in Längsrichtung x des Kohlebodens 18 auch in Kathodenelemente 16 von kürze- rer Dimension unterteilt sein. Obschon in Fig. 8 von der Zellenmitte M zum Zel- lenrand zehn Schichten S, bis Sie mit jeweils unterschiedlichem elektrischen Widerstand PB dargestellt sind, hat eine Modellrechnung gezeigt, dass die ge- wünschte Stromverteilung gemäss Fig. 7 bereits mit fünf Schichten oder Blök- ken mit unterschiedlichem elektrischen Widerstand pe ausreichen, um praktisch zu denselben positiven Ergebnissen zu gelangen wie bei einer Aufteilung in zehn Schichten. Der Einsatz von bloss fünf Schichten erlaubt eine einfachere Herstellung der einzelnen Blöcke und führt auch zu einer kostengünstigeren Herstellung.

Bei einer alternativen Ausführungsform des Kohlebodens 18 können die einzel- nen Kathodenelemente 16 auch einen in der Extrusions-bzw. y-Richtung von

der Zellenmitte M zum Zellenrand kontinuierlich ansteigenden elektrischen Wi- derstand aufweisen. Der Kohleboden 18 kann somit auf kostengünstige Weise auch einstückig mit einem von der Zellenmitte M zum Zellenrand kontinuierlich und stetig ansteigenden elektrischen Widerstand hergestellt werden.

Zur Erzielung eines Kohlebodens mit variablem elektrischen Widerstand gibt es verschiedene Herstellungsmöglichkeiten. Diese reichen von der Auswahl spezi- fisch zusammengesetzter Kohlemasse aus Kohlenstoff oder Graphit bis hin zur unterschiedlichen Beimengung von Zuschlagstoffen.