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Ofen zur Schmelzflusselektrolyse und Verfahren zur Herstellung von Metallen, insbeson- dere Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse.
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gebrannte (in Paketen vereinigte) Blockanoden oder selbstbackende kontinuierliche Anoden (Söderberg-Anoden) verwendet werden (s. Fig. 1 der Zeichnung). Das Metall wird durch Elektrolyse aus einem geschmolzenen Kryolithbad 1 hergestellt, das Tonerde gelöst enthält. Die Tonerde (AI : Pa) spaltet sich in metallisches Aluminium und Sauerstoff, der sich mit der Anodenkohle verbindet. Das erzeugte flüssige Aluminium ist schwerer als das Bad und sinkt nach unten. Der Sauerstoff verbrennt die Anodenfkohle zu gasförmigem CO2, das nach oben zu entweichen sucht.
Die Anoden 2 sind immer nur teilweise in die Schmelze des Kryolithbades getaucht und nehmen den Strom von oben vermittels einer Metalleiterschiene 3 auf, von welcher der Strom in Eisenstätbe bzw. Elektrodenbolzen 4 fliesst, die in inniger Berührung mit der Anodenkohle stehen.
Im allgemeinen nimmt man an, dass der Strom aus der Grundfläche 5 der Anode (u. zw. von einer waagrechten untergetauchten Fläche) austritt, dann durch die Badschmelze fliesst und in die Kathode eintritt, die durch den Boden des Ofens gebildet wird (stromleitender Kohle-Ofenboden , der von einer darüber befindlichen flus- sigen Aluminiumschicht 7 überdeckt ist). Der Strom tritt aus dem Kohleboden über Eisenkathoden 8 aus, die mit der Kohlekathode in inniger Berührung stehen. Die ganze Ofenwanne ist thermisch gegen aussen durch feuerfeste und Isolierschichten 9 isoliert, die aussen von einer festen Metallwand 11 umgeben sind.
Das feuerfeste Material (Stein) soll nicht in unmittelbare Berührung mit dem flüssigen Bad geraten und ist daher auch seitlich von diesem durch Kohlewände (Randkohle) 10 getrennt (zumindest solange der Ofen noch neu ist). Die Entfernung zwischen Kohlenanode und flüssiger Al-Kathode wird auf einen bestimmten Wert eingestellt und durch mechanisches Heben oder Senken einer in Fig. 1 nicht dargestellten Anodenhubwinde ziemlich konstant gehalten. Dieser Regelabstand", dessen Wert in, den üblichen Aluminumöfen gewöhnlich zwischen 3, 5 und 9 cm liegt, ist eine der wenigen Betriebs-Variablen dés Ofens, deren Handhabung wenigstens dem Anschein nach einfach ist.
Wenn der Tonerdegehalt des Bades unter einen gewissen Grenzwert sinkt, tritt der sogenannte Anodeneffekt ein. Die Spannung des Ofens schnellt plötzlich von ungefähr 5 V auf gewöhnlich ungefähr 40-50 V empor. Es ist somit notwendig, mit mechanischen Mitteln die Kruste (auf der Zeichnung nicht dargestellt) zu zerbrechen, die sich durch Erstarren auf der freien Oberfläche des Bades bildet, um einen neuen Tonerdeeinsatz in das Bad einzuführen und so den früheren Betriebszustand wieder herzustellen. Der neue Tonerdeeinsatz wird vorher auf die Kruste aufgegeben, u. zw. sowohl zum Zwecke der Vorwärmung als auch, um das Bad besser thermisch nach oben zu isolieren.
Die durch die Badoberfläche freiwerdenden Gase (gewöhnlich CO2 und CO) werden bei geschlossenem Ofen von einer leistungsfähigen Anlage zur Gasabsaugung (nicht .dargestellt) aufgenommen, die auch die flüchtigen Kohlenwasserstoffe entfernt, die von der Verkokung der in die Söderberg-Anode gefüllten grünen Elektrodenmasse stammen.
Die während der Elektrolyse in stetigem Anwachsen befindliche kathodische Metallschicht wird periodisch durch Abstechen oder Abziehen (Absaugen, z. B. Abpumpen) des erzeugten Aluminiums wieder auf einen Minimum-Anfangswert gebracht.
Auch. der Ersatz der verbrauchten Blockanoden durch neue Blockanoden, oder das Herausreissen und Neueinstellen der Metallbolzen und das Aufgeben der grünen Elektrodenmassen von oben bei der kontinuierlich arbeitenden Söderberg-Anode muss periodisch vorgenommen werden. Die bekannten Ofen und Verfahren, die zur Zeit zur
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Elektrolyse der Tonerde angewendet werden, haben erhebliche Nachteile.
Im Vergleich zu dem raschen Fortschritt in ändern Industriezweigen gewinnt man den Eindruck, dass auf dem Gebiete der Herstellung von Aluminium durch Elektrolyse die Fortschritte weniger bemerkbar sind, da man tatsächlich noch mit niederen Wirkungsgraden, besonders mit sehr niederem elektrischem Wirkungsgrad, arbeitet (unter 35"/o). Ausserdem sind die Ofen heute noch sehr kompliziert und teuer und ihre Arbeitswirkung ändert sich nicht nur von Ofen zu Ofen, sondern auch in derselben Einheit mit der Zeit (sowohl periodisch als auch sprungweise). Der hohe spezifische Energieverbrauch bildet einen der grössten Nachteile der heutigen öfen.
Durchschnittlich ist es unmöglich, im Betrieb 18 kWh Gleichstrom pro kg Aluminium zu unterschreiten (beinahe 20 kWh Wechselstrom), auch wenn man für kleinere Zeitdauer ein Optimum"erhalten kann, das 16 kWh für 1 kg Aluminium nahekommt.
Wenn man annimmt, dass die elektrolytische Zersetzungsspannung ungefähr 1, 3-1, 7 V beträgt und dass der theoretisch verlangte Strom zur Herstellung von 1 kg Aluminium vermittels Elektrolyse 3000 A ist (indem immer, wie oben gesagt gearbeitet wird), würde der Verbrauch theoretisch zwischen 4 und 5 kWh schwanken.
Wenn man eine Stromausbeute von praktisch 80 bis 90"/o annimmt, kann man sehr leicht den Hauptgrund der Energievergeudung im Spannungsabfall finden, der notwendig ist, um den
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malerweise mit mittleren Spannungen, die zwischen 4, 5 und 6 V liegen.
Die Notwendigkeit, mit nicht zu hohen anodischen Stromdichten arbeiten zu müssen (von 0, 6-1, 1 A/cm2 waagrechte anodische Oberfläche), um den sprezifischen Energieverbrauch in den oben genannten Grenzen zu halten, zwingt zur Anwendung grosser anodischer Oberflächen. Anderseits ist man genötigt, um das Wärmeregime einhalten zu können, sehr hohe Stromstärken anzuwenden (30. 000-50. 000 A und auch mehr).
Man trachtet die sehr hohen Stromstärken zu erreichen, auch um die Einheitsbaukosten des Ofens und die Einheitsbedienungskosten vermindern zu können.
Was die elektrischen Maschinen anbelangt, so hat man getrachtet, das Problem des Missverhältnisses zwischen hohen Stromstärken und niederen Spannungen dadurch zu lösen, dass ungefähr hundert Ofen nebeneinander und gleichzeitig mit mehr als einem Umformer oder Gleichrichter parallelgeschaltet werden und dass gewöhnlich beinahe konstante Stromstärken abgegeben werden.
Die wenig rationelle Bauart und Schaltungmöglichkeit der gegenwärtigten Ofen belastet aber trotzdem ungünstig den Einheitspreis der elektrischen Maschinen.
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sich nicht nur auf den Preis des Produktes aus, sondern beschränkt auch wesentlich die Leistung fähigkeit der Herstellung (z. B. bei Tiefstand der Wasserreserven oder in Boom-Perioden der Industrie).
In bezug auf die technologischen und wirtschaftlichen Aspekte des Ofenproblems muss man sich vor Augen halten, dass, wenn es auch im besten Fall technisch möglich und wirtschaftlich tunlich wäre, noch weiter die Betriebsspannung der Zellen mit waagrechten Schichten (die die einzigen heute angewendeten Ofen sind) zu vermindern, das Problem trotzdem sehr schwer zu lösen wäre, so z. B. vom praktischen Standpunkt der Wärmeisolierung, der Ausmasse usw. Ausserdem ist die Anzahl der heute das Verfahren wesentlich beeinflussenden Betriebs-Variablen zu gross ; in der Praxis ist es sehr schwer, dieselben auf genügend lange Zeitdauer konstant oder beinahe konstant zu halten. Dies gilt sogar auch für die Variable Regelabstand".
Von diesen Betriebs-Variablen sind drei untereinander zusammenhängende Gruppen wesentlich und bilden eine ständige Besorgnis für die für den Ofenbetrieb Verantwortlichen. Diese Variablen sind : a) Temperatur und Zusammensetzung des Bades, (insbesondere, soweit diese vom Zustand der Böden oder der Anoden abhängen usw.) b) Qualität und Leistung der Arbeitskraft, die den Ofen bedient (Aufgabe von Tonerde und Elektrodenmasse, Regulierung der Elektrodenabstände, Anodeneffekt löschen, Badzusätze, Be-
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c) Elektrische Variablen, zu denen auch die indirekten zählen, wie die unregelmässige Verteilung des Stromes im Ofen, die Stromausbeute usw.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist, alle diese Nachteile bzw. den grössten Teil derselben zu beseitigen bzw. zu verbessern durch gründliche Änderung der Form, der Verteilung und der Abmessungen der heute in der Aluminiumindustrie angewandten Zellen. Es ergibt sich auf diese Weise eine neue Art von Ofen für die Herstellung von Aluminium durch Elektrolyse, die den Zweck vorliegender Erfindung bildet.
Ein weiterer Zweck der Erfindung ist es, die mittelbaren bzw. unmittelbaren Anlagekosten herabzusetzen, der Herstellung eine grössere Elastizität zu verleihen, die Leistung der Anlagen beliebig gross zu gestalten, da es nicht mehr absolut nötig ist, sehr hohe Minimalleistungsfähigkeit (z.
B. 20. 000-80. 000 Jahrestonnen) zu erreichen, um die Wirtschaftlichkeit einer neuen Anlage zu sichern ; andere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.
Insbesondere betrifft vorliegende Erfindung eine Einzellen-Ofeneinheit (Elementarofen) bzw. eine Zelle, sowie einen von derselben abgeleiteten Mehrzellenofen mit ortsfesten Elektroden, trotz
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elektrolytisch verzehrbarer Anode, die zyklisch von der Badseite ergänzt wird.
Der Einzelofen für die elektrolytische Herstellung von Aluminium aus AlOg ist dadurch gekennzeichnet, dass er einen fast lotrechten oder schrägen Spalt aufweist zwischen freien ebenen und parallelen Flächen zweier nebeneinander angeordneter ortsfester Elektrodenkohleblöcke, deren einer die Anodenkohle und deren anderer die Kathodentkoh1e darstellt. In den Elektrodenblöcken sind stromführende ortsfeste Metalleiter (Kontaktbolzen) eingesetzt, die jeweils in gleichen Abständen von den besagten Elektrodenflächen enden. Die Seitenwände, welche an die besagten Flächen stossen, sowie (ausser den besagten Elektrodenflächen des Spaltes) die andern Innenflächen des Ofens sind mit einer den Strom nicht leitenden Schutzschicht verkleidet.
Unterhalb des Spaltes befindet sich eine mit Abstichloch versehene isolierte, jedoch mit dem Spalt in Verbindung stehende Kammer für das bei der Elektrolyse gebildete flüssige Aluminium und oberhalb des besagten Spaltes vorzugsweise eine Kammer für die bei der Elektrolyse entwickelten Gase. Die ortsfeste Anodenkohle weist eine erneuerbare, von der Badseite aufgebrachte anodisch wirksame Elektrodenkohleergänzungsschicht auf.
In der Beschreibung werden unter ortsfesten" Elektroden solche Elektroden bzw. Blöcke ver- standen, bei denen jeweils zwei bestimmte, beliebig gewählte Punkte nicht nur ein und derselben Elektrode, sondern auch je ein beliebiger Punkt der einen Elektrode in bezug auf einen beliebigen Punkt. der betreffenden gegenpoligen Elektrode jeweils einen Abstand aufweisen, der während des ganzen Bestandes des Ofens unveränderlich bleibt und auch zeitweiligen bzw. vorübergehen- den Änderungen im Laufe des Betriebes bzw. der Bedienung nicht unterworfen ist, während der Abstand zwischen den freien Flächen, also der Regelabstand, periodischen Änderungen unterworfen ist, z. B. wenn. der Regelstand durch das elektrolytische Abtragen der Anode wächst.
Unter den Begriff "Kohle" fallen in der Be- such, reibung die kohleartigen bzw. kohlehaltigen Elektrodenwerkstoffe, wie beispielsweise die üblichen amorphen Kohleagglomerate (Elektrodenkohle wie bei vorgebrannten Blockelektro. den, selbstbackende Elektrodenmasse), ebenso wie auch Graphit, ferner Massen, die einen vorwiegenden Anteil des chemischen Elementes C oder der besagten kohleartigen Stoffe enthalten.
Schliesslich wird in der Beschreibung unter "Zelle" jener Teil des Elektrolyseofens verstanden, der an der Elektrolyse unmittelbar teilnimmt, also vor allem die aktiven Elektrodenflächen oder-schichten, und. der mit Badflüssigkeit angefüllte Elektrolysespalt, ferner die untere Metallsammelkammer.
Der Ausdruck "Ofen" be- zeichnet hingegen nicht nur die Zelle (nach obiger Definition) oder die Zellen, die in ihm ent- halten sind, sondern die Gesamtheit auch aller ändern Teile, aus denen der Ofen besteht, nämlich das Gehäuse, einen Grossteil der Elektroden-
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teren Metallsammelkammern und eventuell mit oberen Gaskammern gekennzeichnet, wobei die mit der betreffenden Sammel-und Gaskammer in Verbindung stehenden selbständigen Zell oder Elektrolysierspalte, mit Ausnahme der zwei an den zwei Ofenenden liegenden Spalte, durch aus ortsfesten Kohleblöcken bestehende, bipolare Elektrodenzwischenglieder ohne metallische Leiter, d. h. also ohne Kontaktbolzen gebildet sind, welche jeweils auf der einen Seite eine aufgebrachte Anodenschicht und auf der entgegengesetzten Seite eine Kathodenfläche aufweisen.
Diese Elektrodenzwischenglieder sind zwischen zwei mit ortsfesten Kontaktbolzen besteckten, an den Enden des Mehrzellenofens angeordneten und als erste Anode (Endanode) bzw. als letzte Kathode (Endkathode) fungierende Kohleblöcken aneinandergereiht.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb solcher Ofen, das im wesentlichen dadurch gekennzeichnet ist, dass das durch die Elektrolyse gebildete flüssige Aluminium, dessen Dichte grösser Ist als die des Schmelzbades den Elektrolyseraum (Spalt) zwischen den beiden Elektroden sofort nach seiner Bildung verlässt, wobei in besagtem Elektrolyseraum mit praktisch einander gleichen anodischen und kathodischen Stromdichten gearbeitet wird, die vorzugsweise zwischen 0, 4 und 0, 6 A/cm2 liegen, mit Elemen- tarofenspannungen, vorzugsweise unter 3,8 Volt, und Zwischenzellenspannungen, vorzugsweise unter 3, 3 Volt, wobei man mit zyklisch variierenden Elektrodenabständen arbeitet,
indem man nämlich in jeder einzelnen Zelle den Elektrodenabstand periodisch durch Verbrauch der ortsfesten Anode von einem Mindestmass von etwa 2 bis 4 cm auf ein Höehtsmass von etwa 8 bis 12 cm anwachsen lässt, wonach man den anfänglichen Elektrodenabstand durch Ergänzung (Anstücken) der Anode wiederherstellt.
Bei Mehrzellenöfen (d. h. bei aneinandergereihten Zellen mit bipolaren Zwischenelektroden, letztere ohne Kontaktbolzen) werden die einzelnen Perioden, die durch den zyklischen Verbrauch und die Ergänzung der einzelnen Anoden gegeben sind, derart aufeinander abgestimmt, dass vorzugsweise von Zelle zu Zelle stets eine wechselnde Folge deutlich auseinanderliegender Betriebsphasen vorliegt, in welchem Falle der Mehrzellenofen mit praktisch konstanter Stromstärke betrieben werden kann, ohne dass die Temperaturen der einzelnen Bäder, in den Ofen und bei dem Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung ausserhalb der üblichen, an sich bekannten und durch die Erfahrung gelehrten Grenzen zu liegen kommen.
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Die vorliegende, umwälzende Erfindung besteht in der Schaffung einer neuartigen Ofenbauart und eines dazugehörigen neuartigen Verfahrens, durch die der Einheitsverbrauch an elektrischer Energie (der neben den Rohstoffkosten, der Tonerde, mit die grösste Belastung der Herstellung von Hüttenaluminium darstellt) von den gegenwärtigen 17 bis 18 kWh auf nur 9 bis 13 kWh je kg Aluminium heruntergedrückt wird.
Um dieses Ergebnis zu erzielen, war es erforderlich, die Spannung je Zelle drastisch-von 4, 5 bis 5 V auf etwa 3 V - herabzusetzen, ohne die Stromausbeute zu verringern, die bei den heutigen Ofen zwischen 80 und 90 /o schwankt.
Überraschenderweise erreicht man diese Ergebnisse durch den erfindungsgemäss vorgeschlagenen Mehrzellenofen mit Bipolarelektroden, die geneigte, einander gleiche aktive Elektrodenflächen aufweisen, welche Elektroden aber vor allem stationär sind, wenngleich die Anodenflächen elektrolytisch verbrauchbar sind.
Hiebei wird das erste technische Vorurteil überwunden, nämlich, dass der Elektrodenabstand eine vom Standpunkt des Betriebes (bzw. der Wirkungsweise des Verfahrens) kritische Gegebenheit sei in dem Sinne, dass (im Hinblick auf die Ofenbauart, die Ampèrezahl, die Aussentemperatur und ein bestimmtes System der Beschickung und Führung des Ofens) besagter Elektrodenabstand während des Betriebes praktisch konstant zu halten sei, (u. zw. mittels kostspieliger mechanischer Vorrichtungen, wie sie ohne Ausnahme bei keinem der bekannten Ofenbauarten fehlen).
Im erfindungsgemässen Ofen wächst der Elektrodenabstand infolge des elektrolytischen Verbrauches der Anodenkohle allmählich von ein. m Mindestwert bis auf einen Höchstwert an. Wenn es soweit ist, wird der Elektrodenabstand durch den als Anodenergänzung (Anstücken der Anode) bezeichneten Vorgang auf einen Wert gebracht,
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Dabei handelte es sich jedoch auch darum, ein weiteres grosses Hindernis aus dem Weg zu räumen.
Wenn nämlich die verbrauchbare Anode "stationär" wird, so kann man sie weder durch eine neue Anode ersetzen (nachdem man die abgebrannte, "Rest" genannte Anode herausgenommen hat, wie man dies bei den üblichen technischen Ofen mit vorgebrannten Anoden macht), noch an die Kathode heranbringen (ein Nachschieben, wie es bei den Ofen mit selbstbackenden Anoden erfolgt), wozu man in beiden Fällen übrigens eine äussere Stellvorrichtung betätigen müsste.
Nun löst die Erfindung das schwierige Problem dadurch, dass die verbrauchte Anode auf deren verbrauchter Seite, d. h. also von der Badseite her, ergänzt wird. Diese Lösung des Problems ist absolut neu und durchaus nicht naheliegend, da anfänglich keineswegs die Hindernisse fehlten.
Die stationäre Ausbildung der Anode gestattete
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bedeutend zu verringern. In der permanent gewordenen anodischen Endelektrode können die besagten Spannungsabfälle nach Belieben auf äu- sserst kleine Werte heruntergedrückt werden, da ja die Metallbolzen nicht mehr periodisch herausgezogen oder gar die ganzen alten Anoden mit neuen ersetzt werden müssen.
Man braucht nur das Eisen und die Berüh-
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In der erfindungsgemässen Zelle gestattet die der kathodischen gleiche anodische Fläche mit geringeren Anodenstromdichten und mithin geringeren Ohm'schen Spannungsabfällen im Bad und in den Berührungszonen Anode-Bad zu arbeiten. Das Abführen der Gase nach oben wird durch die Neigung der Anodenfläche erleichtert, wodurch der Ohm'sche Spannungsabfall in besagter Zone weiter verringert wird usw.
Die Erfindung überwindet ein weiteres schweres technisches Vorurteil, indem sie den Vorschlag macht, mit blossgelegten Kathoden zu arbeiten (d. h. mit Kathoden, die nicht, wie es bei den üblichen Ofen stets der Fall ist, von einer etliche Zentimeter dicken, bleibenden Schichte geschmolzenen Aluminiums überdeckt sind) ; dabei werden vorzugsweise Kathoden aus Graphit verwendet. Die geamte Fachliteratur und sämt-
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a) eine blossgelegte Kathode aus Kohlenmaterial zu einer untragbare Verringerung der Stromausbeute führen müsste, weil sich an der Elektrode (aus Kohle bzw.
Graphit) ohne Deckschicht überwiegend Na + statt Al+++ abscheiden würde ; b) eine solche Kathode jedenfalls-eben wegen des an derselben sich abscheidenden, zerstörend wirkenden Natriums-äusserst kurzlebig wäre.
Nun hat sich all dies bei Durchführung des
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als falsch erwiesen.
Schliesslich gestattet die Anordnung zahlreicher autonomer (selbständiger) Zellen in ein und demselben Ofen (wiederum dank der stationären Ausführung der Elektroden) die Elektrolyse zwar in Reihenschaltung, aber in voneinander getrennten Abteilen durchzuführen, wobei das so in jeder einzelnen Zelle erzeugte Metall in der jeweils darunter befindlichen, für jede Zelle getrennt vorgesehenen Sammelkammer aufgefangen wird.
Auch die in je zwei benachbarten Zellen befindlichen Elektrolysebäder bleiben dadurch voneinander getrennt.
Diese Zellen sind nämlich voneinander durch Querwände getrennt, die im Oberteil im wesentlichen von den Bipolarelektroden (gute Stromleiter) gebildet sind und im Unterteil stattdessen aus einer Zwischenwand aus inertem, feuerfestem
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Baustoff (schlechte Leiter des elektrischen Stromes) bestehen.
Auf diese Weise gibt es keine wesentlichen pa- rasitären Stromnebenansehlüsse und mithin bleibt, nur auf diese Weise, d. h. dank. dem trotz der anodischen Abbrennbarkeit stationären Bipolarelektroden, die Stromausbeute hoch und es ist möglich, die beanspruchten Einheitsverbrauchsziffern von 9 bis 13 kWh je kg Aluminium zu erreichen, eine Leistung, die bisher noch nie erreicht wurde.
Ausser dem, was schon gesagt-wurde, besitzt der erfindungsgemässe Mehrzellenofen noch verschiedene andere erfinderische Merkmale, die hier der Kürze wegen übergangen wurden.
Nachstehend folgt eine nähere Beschreibung des Erfindungsgeg, enstandes sowohl in seiner Ausführung als Elementarofen, als auch in seiner Ausführung als Mehrzellenofen.
Bauliche Kennzeichen des neuen Elementarofens.
Wie beispielsweise, aber nicht einschränkend, in Fig. 2 schematisch dargestellt ist, besteht die neue Einzellen-Ofeneinheit für die elektrische Herstellung von Aluminium aus folgenden Teilen : aus dem senkrechten oder schrägen Spalt 13, der die Elektrolysezelle mit schrägen, leitenden Wänden darstellt und der unteren Kammer für das Metall, die unterhalb der eigentlichen Elektro-
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Verbindung steht und gewöhnlich breiter und weniger tief als der besagte Spalt ist, sowie eventuell aus der oberen, praktisch waagrechten, Gaskammer 12, die in Verbindung mit dem darunter befindlichen Spalt steht.
Die neue Zelle besteht hauptsächlich aus zwei Elektrodenkohlen, von-welchen eine, 15, eventuell aus Graphit besteht, während die andere, 16, aus sogenannter vorgebrannter Anodenkohle besteht, . die mittels bekannter Verfahren hergestellt wird.
Die zwei Elektroden haben ebene Flächen. Die zwei leitenden Flächen sind geneigt, einander gegenüberliegend, praktisch einander gleich und parallel.
Die Entfernung zwischen diesen beiden Kohleblöcken ist gewöhnlich kleiner als 12 cm und schwankt vorzugsweise zwischen 4 und 8 cm. Der Strom gelangt zu bzw. strömt von diesen Elektroden über ortsfeste Metallbolzen 17, welche sich in engem und weitflächigem Kontakt mit der entsprechenden Kohle befinden.
Alle Enden der Kontaktbolzen in der Elektrode befinden sich in. gleicher Entfernung von der geneigten Fläche, die als Anode {Kohle 16) bzw. als Kathode 0Kohle 15) wirkt. Die Anzahl und die Grösse der Kontaktbolzen wird in der Weise gewählt, dass auf den Elektrodenflächen der zwei Kohlen eine möglichst gleichmässige Stromver- teilung und eine möglichst parallele Stromflussrichtung erreicht wird.
Die Seitenwände der Zelle sind aus verschiedenen Schichten gebildet, die genügend unan- greifbar vom Bade und elektrisch und wärmeiso- lierend sind. Diese Schichten sind vorzugsweise in senkrechten Ebenen gelegen. Die innerste in Be- rührung mit dem kryolithischen Schmelzbad be- findliche Schicht 18 ist vorzugsweise aus einem besonders dichten Material gebildet, das zuvor geschmolzen bzw. bei sehr hoher Temperatur ge- sintert wurde, das wenig von. den Bestandteilen des Elektrolyseibades angegriffen werden kann und auch elektrisch nicht oder nur wenig leitend ist.
Es können zweckmässig Verkleidungen aus Ton- erde, Aluminiumnitrid, Magnesiumoxyd usw. ver wendet werden, wie sie an sich bereits in der Technik bekannt bzw. vorgeschlagen worden sind.
Auch die Wandungen, der Boden und die Abdeckkung der unteren Kammer für das Metall sind gänzlich mit. dem erwähnten inerten Material ausgekleidet.
Auf diese Auskleidung folgt eine feuerfeste Steinschicht 19, vorzugsweise aus kalziniertem Magnesit und eine Isolierschicht 20, die vorzugsweise aus fein gepulverter Tonerde besteht ; durch diese Schichten gehen gemäss der Zeichnung die Stromführungsschienen 21.
Die untere Kammer und. die Zelle haben ungefähr gleiche Länge und stehen miteinander über einen Durchgang in Verbindung, dessen Weite etwas geringer ist als die grösste Weite, auf die man den darüber befindlichen Spalt kommen lässt. Es können jedoch auch grössere Durchgänge vorge- sehen werden.
Die Weite der unteren Kammer ist merklich grösser als diejenige. des Spaltes zwischen den zwei Kohleelektroden. Seine Tiefe hingegen ist in der Regel geringer. Es ist vorzuziehen, dass das Fassungsvermögen der unteren Kammer dem maximalen Fassungsvermögen des Spaltes gleichkommt oder auch nur um weniges dasselbe übersteigt.
In Fig. 2 besitzt der Querschnitt der unteren Kammer die ! Gestalt eines Trapezes, es können aber auch andere Formen verwendet werden, z.
B. rechteckige, rhombische und ähnliche. Da die Höhe der Seitenwände des Ofens der Fig. 2 grösser ist als die Höhe der Kohleelektroden, so entsteht über dem Spalt, welcher als ElektrolysezelLe fungiert, eine obere Kammer für die Gase, die sich im Laufe der Elektrolyse entwickeln.
Diese obere Kammer 12 kann mittels eines Dekkels, der leicht abnehmbar ist und in der Zeichnung nicht dargestellt ist, verschlossen werden. Dieser Teil des neuen Ofens muss jedenfalls leicht zugänglich sein, um die erforderlichen Kontrollen und Operationen zur Bedienung durchzuführen.
Der allfällige Deckel schliesst die obere Kammer isolierend nach aussen ab, setzt die Wärmeverluste herab und gestattet eine rationellere Entfernung der Elektrolysegase nach an sich bekann- ten Methoden. Zu diesem Zweck sind die Seitenwandungen dieser oberen Kammer mit in der Zeichnung nicht dargestellten Ableitungen für. die Gase versehen. Die horizontalen Grundflächen
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und die horizontalen oberen Flächen der zwei Kohleelektroden nach Fig. 2 sind durch die übliche Schicht 18 aus Isoliermaterial bzw.
Inertmaterial, wie bereits beschrieben, geschützt. Über der oberen waagrechten Schichte kann man die pulverförmige Tonerde aufgeben, sei es, um die Wärmeverluste der Elektroden zu verringern, sei es, um eventuell das aufgegebene Material vorzuwärmen, mit dem das Bad periodisch gespeist wird. Zur unteren Kammer für das Metall kann man sowohl von oben (durch die obere Kammer und die Elektrolysezelle bzw. den Spalt) als auch durch ein oder zwei Abstichlöcher 22 gelangen, die unter einer Flüssigkeitssäule einmünden, welche aus einer Schichte geschmolzenen Aluminiums 23 und aus dem darüber befindlichen kryolithischen Bad 24 besteht.
Arbeitsweise der neuen Ofeneinheit.
In dem mit Badschmelze gefüllten Spalt zwischen den schrägen parallelen, einander gegen- überliegenden freien Flächen der Kohleelektroden erfolgt die Elektrolyse. Das Bad besteht aus Kryolith, Tonerde und andern, dem Fachmann wohl geläufigen Badkomponenten.
Als Anode wirkt die Kohle 16, welche sozusagen ein Schrägdach über der Zelle bildet. Die Gase, die aus dem Bad frei werden, können längs
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Schmelzbad verlassend, in die obere Kammer eintreten.
Die andere Kohle 15 wirkt als Kathode. Ober ihrer ebenen, aber schrägen Fläche fliesst das erzeugte Aluminium ab, erreicht in Gestalt von Tropfen oder als Film die untere Kammer 14, deren Wandungen wenig oder besser gar nicht leitend sind und sammelt sich dort an.
Die in der unteren Kammer angesammelte Metallschicht 23 kann ohne Schaden mit der kathodischen Fläche der Zelle in elektrischen Kontakt geraten. Das Schmelzbad kann teilweise durch eine dünne, durch Erstarren gebildete Kru-
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troden ruhende Tonerde ist nicht auf der Zeichnung dargestellt.
Es soll nun als nicht einschränkendes Beispiel eine der vielen zweckmässigen Betriebsweisen dieses Einzelofens beschrieben werden, der Gegenstand vorliegender Erfindung ist.
Lässt man durch einen solchen Ofen, der beispielsweise einen Anfangsabstand von etwa 4 cm zwischen den beiden parallelen, einander gegen- überliegenden Elektrodenflächen aufweist, einen konstanten Gleichstrom von ungefähr 0, 4 A/cm2 (oder einen von ungefähr 0, 5 A/cm2 fortschreitend bis ungefähr 0, 3 A/cm2 abnehmenden Gleichstrom) durchgehen, so ergibt sich zwischen den metallischen Kontaktbolzen der Anode und der Kathode ein Spannungsabfall, der zwischen 2, 8 und
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brauch von 11 bis 15 kWh se kg hergestelltes Aluminium.
Vorausgesetzt ist hiebei die Verwendung eines der bekannten Elektrolysebäder für Aluminumherstellung, bei Temperaturen der Grössenordnung von vorzugsweise 930 bis 9800 C und mit drei bis sechs Tonerdezugaben pro Tag, wobei die
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gestellte unabhängige Wärmequelle erhitzt wird.
Arbeitet man mit einem Elektrodenabstand von 4 cm, so entspricht dies einem Betriebsstadium, in dem kurz zuvor das erschmolzene Aluminium aus der unteren Kammer abgestochen wurde. Diher befindet sich am Boden der unteren Kammer höchstens eine dünne Schichte Aluminium, während der übrige Teil der Kammer sowie der dar- überliegende Zellspalt mit Schmelzbad gefüllt sind, das vorzugsweise 8-13"fa Tonerde enthält.
Mit dem Fortschreiten der Elektrolyse bildet sich bekanntermassen metallisches Aluminium, während die Anodenkohle verbraucht wird. Das geschmolzene Metall sammelt sich am Boden der unteren Kammer, indem es ein äquivalentes Volumen Badschmelze daraus verdrängt. Wenn der Gehalt an im Bad gelöster Tonerde unter einen gewissen Prozentsatz sinkt (z. B. 3-5 % oder weniger), so führt man eine neue Charge Tonerde in das Bad ein, die zuvor in der oberen Kammer und über der Badkruste vorgewärmt worden war.
Anderseits hemmt die gute Wärmeisolierung der Zelle durch die darüberliegende Tonerde in mindestens 8-10 cm dicker Schicht die Wärmeverluste des Bades und dessen Bestreben, eine dicke Kruste zu bilden. Auch der Arbeitsgang der Zugabe selbst wird dadurch erleichtert.
Im grossen und ganzen wird der Volumzuwachs der Zelle, der eine Folge fortschreitenden Verbrauches der Anode ist, durch den Volumzuwachs bzw. durch das Ansteigen des Niveaus des metallischen Aluminiums wettgemacht, das sich am Boden der unteren Kammer ansammelt.
Nach vier bis fünf Tagen regelmässigen Betriebes befindet sich die Anode nicht mehr in 4 cm, sondern in etwa 8 cm Abstand von der Kathode. Das Niveau des Bades in der Zelle hingegen hat sich nur um verhältnismässig wenig ge- ändert, während sich die untere Kammer zu etwa drei Viertel ihrer Höhe mit Metall gefüllt hat.
Das Metall wird nach bekannter Methode durch das zu diesem Zweck vorgesehene Abstichloch (das während des Betriebes durch einen Stopfen aus bekanntem feuerfestem Material verschlossen ist) oder von oben abgezogen bzw. abgesaugt, bis üblicherweise nur eine ganz dünne Schicht flüssigen Aluminiums am Boden der unteren
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Niveau des Bades ; in dem hier betrachteten Fall bis etwa zur halben Höhe der Zelle. Es ist aber zweckmässig, die gesamte Anodenfläche freizule-
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gen, wozu man die noch in der Zelle verbliebene Badschmelze (nicht aber die in der unteren Kammer befindliche) in, einen besonders vorgesehenen, gut isolierten Behälter abzapft oder absaugt ; das sind im Falle des erläuterten Beispieles 20-22 Liter bei etwa 60 cm Tiefe der Zelle.
Diese Badschmelze kann in die Zelle zurückkommen, sobald die verbrauchte Anode ergänzt worden ist, wie weiter unten auseinandergesetzt wird. Um zu vermeiden, dass die so herausgenommene Badschmelze einfriert, während die Anode ergänzt wird (dieser Arbeitsgang erfordert nur kurze Zeit), bedient man sich bekannter Massnahmen (Warm-
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Die Ergänzung (das Anstücken) der verbrauchten Anode bildet einen der charakteristischen Ar-
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mässen Zelle. Auf die freie Fläche der Kohlenanode muss eine regelmässige Platte aus Elektrodenkohle (Fig. 5) aufgebracht werden, die etwa 4 cm dick ist und deren andere Abmessungen denen der Anode entsprechen. Diese Platte 40, die z.
B. etwa 80 X 70 cm misst, ist in den freien Spalt zwischen Anode und Kathode einzuschieben und muss so auf die Anode aufgebracht werden, dass sie daran haftet und dass beim nachfolgenden Durchgehen des Stromes dieser an der Haftfläche 25 zwischen alter und neuer Anode keinem über-
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Zu diesem Zweck werden vor dem Anstücken die noch nicht in Berührung miteinander befindlichen Flächen mit einer dünnen Schicht feiner flüssiger Söderberg-Elektrodenmasse 41 bestrichen, oder mit Graphitpulver und Pech, oder aber auch mit einem sonstigen geeigneten klebrigen und verkokbare Kohlenstoffverbindungen enthaltenden Bindemittel.
Statt eine ganze Platte in den Spalt einzuschieben, kann man die Anode auch durch kleinere Stücke ergänzen, die sich dann zusammenfügen und die gewünschte Platte bilden, wie in Fig. 6 beispielsweise dargestellt. Diese einzeln einzuschiebenden Teilplatten 42 haben dieselbe Dicke und Länge oder Breite wie die ganze Anodenplatte und entsprechen zusammengesetzt der Form und Grösse der ganzen Anodenplatte. Wenn also die zu bedeckende Anodenfläche 80 X 70 cm misst, so kann man z. B. fünf Teilplatten (Fig. 6) zu je 16X70 cm verwenden. Diese Teilplatten werden nebeneinander auf die Anode aufgesetzt, der Länge oder der Breite nach, bis die gesamte Fläche der alten Anode bedeckt und mithin ergänzt ist.
Sobald dies geschehen ist, erstattet man der Zelle ebensoviel Badschmelze zurück, als ihr entnommen worden war und regelt die Spannung derart, dass das Wärmegleichgewicht wiederhergestellt und die dünne Bindemittelschicht zwi-
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schnellgebacken wird, welche die alte und die neue Anode mechanisch und elektrisch miteinander verbindet. Nunmehr setzt der normale Betrieb der Zelle wieder ein.
Das augenfälligste Merkmal der Erfindung be- steht in der Abschaffung jeglicher mechanischer Vorrichtung zur Einstellung des sogenannten Re- gelabstandes"in der Zelle.
Die Elektroden sind ortsfest angeordnet und werden während des Betriebes teilweise verbraucht und periodisch (zyklisch) in geeigneter Weise an Ort und Stelle von der Badseite ergänzt bzw. angestückt. In den bisher bekannten Zellen wirkt sich dagegen der Regelabstand kritisch auf den Ofengang aus und wird deshalb konstant gehal- ten.
In der neuen Elektrolysezelle besitzen die Anodenflächen praktisch dieselben Abmessungen wie die Kathodenflächen, während bei den alten Ofen die unteren waagrechten Flächen der Anoden nur etwa 50-60 Ofcy der Kathodenflächen ausmachten. Es wird so möglich, den Kontaktwiderstand zwischen Anode und Schmelze zu verringern und überdies die nötige Voraussetzung dafür zu schaffen, dass mit viel geringeren Anodenstromdichten gearbeitet werden kann als gegenwärtig möglich ist.
Abgesehen von der Verringerung der (auf den lotrechten Querschnitt bezogenen) Stromdichte und der Stromstärke können die Ohmzahlen in der Anode auf minimale Werte heruntergedrückt werden, wenn für die stromführenden Kontaktbolzen, z. B. aus Eisen oder Stahl, reichliche Abmessungen gewählt werden bzw. wenn eine grosse Anzahl von Kontaktbolzen vorgesehen wird, was ohne weiteres tunlich ist, da beim erfindungsgemässen Ofen die Kontaktbolzen nicht wie bei den üblichen'Ofen von Zeit zu Zeit herausgerissen zu werden brauchen, sondern ortsfest angeordnet sind.
Der Wärmehaushalt des Einzelofens.
Um die oben beschriebene Ofeneinheit zufriedenstellend mit Anodenstromdichten zu betreiben, die geringer sind als die derzeit bei der Aluminiumelektrolyse üblichen, kann der Ofen auch durch eine fremde Wärmequelle erhitzt werden, da im allgemeinen die vom Stromdurchgang durch die beiden Elektroden und das Schmelzbad erzeugte Wärme nicht hinreicht. Mit andern Wor- ten : es kann vorkommen, dass die Summe der Aussenflächen des Elementarofens praktisch zu gross ist im Verhältnis zur begrenzten Anzahl kWh bzw. Kalorien pro Stunde, die abgeführt werden können.
Um die Wärmeabfuhr auf eine solche Anzahl Kalorien zu beschränken, wie von sich aus zur Verfügung steht, kann man zu hohen Stromdichten greifen, oder zu besonders wirksamen Isolierungen, oder aber zu einer zusätzlichen fremden Wärmequelle, die also unabhängig ist von dem zur Elektrolyse verwendeten elektrischen Strom. In der Praxis kann man-beson- ders bei Elementaröfen kleiner Abmessungenbeispielsweise für Laboratoriumsgebrauch zu fremden Wärmequellen greifen.
Beim Fortschreiten der Elektrolyse und daher des Verbrauches der Kohleanode wächst der Ab-
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stand zwischen den schrägen parallelen leitenden
Flächen der beiden Elektroden ; es wächst folglich der Badwiderstand und bei gleichbleibender
Stromdichte auch die Wärmeentwicklung. Ander- seits ist es zweckmässig, die Temperatur des Bades innerhalb gewünschter Grenzen zu halten, die man aus der Praxis kennt. Man kann zu diesem Zweck die Stromstärke immer mehr herabsetzen oder die von der fremden Wärmequelle gelieferte Wärme fortschreitend verringern, oder zu sonstigen Mitteln greifen.
Eine Verbesserung des Elementarofens ist der Mehrzellenofen mit schrägen leitenden Flächen.
Der erfindungsgemässe Mehrzellenofen, der eine Variante des Erfindungsgegenstandes darstellt bzw., wie schon erwähnt, vom oben beschriebenen Elementarofen abgeleitet ist, löst in ebenso überraschender wie praktischer und wirksamer Weise auch diese noch verbleibenden Probleme.
Fig. 3 und 4 stellen einen vertikalen Längsschnitt bzw. eine Draufsicht dieses Mehrzellenofens dar, u. zw. eine bevorzugte, aber nicht einschränkend gemeinte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes. Die gegebenenfalls vorzusehende obere Gaskammer ist in Fig. 7 in perspektivischer Darstellung, ebenfalls nur beispielsweise, gezeigt.
Der Mehrzellenofen kann schematisch als Zusammenfassung einer Anzahl von Elementaröfen gemäss Fig. 2 aufgefasst werden, wobei mit Ausnahme der beiden Endelektroden die Kontaktbolzen und Stein- bzw. Isolierstirnwände der Elektrodenkohlen entfallen, während die Endelektroden diese Organe beibehalten.
Die Bezugsziffer 12 bezeichnet die obere Kammer für die Gase, 13 den Spalt für die Elektrolyse und 14. die unteren Kammern für die Metallschmelze. Am Ende des Mehrzellenofens befinden sich die Kohlekathode 15 auf der einen Seite und die Kohleanode 16 auf der andern ; die- se sind jeweils durch Kontaktbolzen 17 mit den Stromschienen 21 verbunden. Die Verkleidung aus unangreifbarem Isoliermaterial 18 umgibt auch hier das Innere der unteren Kammern und die Seiten der Zellen.
Die Kohleblöcke 27, die sich zwischen den beiden mit Kontaktbolzen besteckten Endelektroden befinden, besitzen keine Kontaktbolzen und wirken an ihren der Kathode 15 zugewendeten schrägen Flächen als Anoden und an der andern schrägen und parallelen der Anode 16 zugewendeten Fläche als Kathoden. Die Zwischenelektroden 27 können statt aus vorgebrannter Elektrodenkohle ganz, oder vorzugsweise nur im kathodischen Teil, aus Graphit gebaut sein.
Die gestrichelte Linie 25 veranschaulicht die Haftfläche zwischen der alten Elektrode und der iuf dieselbe aufgebrachten Ergänzungselektrode.
Die Schicht aus feuerfestem Material, vorzugweise aus kalziniertem Magnesit 19, und die vorzugsweise Tonerde enthaltende Isolierschicht 20
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sich aber beachtliche Vorteile. Die Tageserzeugung an Metall wird ein Vielfaches derjenigen der Elementarzelle, beispielsweise 180-200 kg AI/24 Stunden statt nur 13-14, vorausgesetzt, dass die Elektrodenflächen des Mehrzellenofens und die des Elementarofens die gleichen Dimensionen haben.
Im Mehrzellenofen ergibt sich eine weitere Herabsetzung des Einheitsverbrauches an Strom, der von 11-15 kWh/1 kg Al auf 9-13kWh/l kg Al herabgedrückt wird, auch weil die Spannungabfälle in den Zwischene1ektroden sehr gering sind, wodurch die Spannung einer solchen Zwi-
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3Dessenungeachtet ist keine Hilfswärmequelle mehr nötig, um den Mehrzellenofen regelmässig zu betreiben, weil die pro Quadratmeter Aussenfläche abzuführende Wärme beträchtlich gestiegen ist. Man kann mit praktisch konstanter Am- pèrezahl arbeiten, ohne das thermische Regime der einzelnen Zellen zu stören, da letztere durch Elektrodenplatten aus Kohle und/oder Graphit voneinander getrennt sind, welche die Wärme gut leiten und z. B. nur wenige Dezimeter dick sind.
Folglich wirken diese Zwischenelektroden als Selbstregler der Temperaturen der in den zwei angrenzenden Spalten befindlichen Bäder, sobald die Temperatur der einzelnen Bäder die Tendenz zeigen sollte, merklich zu steigen oder zu fallen, und sich so vom zulässigen Temperaturintervall zu entfernen.
Der Mehrzellenofen und das betreffende Verfahren erzielen den doppelten Vorteil, nämlich nicht nur, die durch Widerstände bedingten Spannungsabfälle an und in den Elektroden stark her. abzudrücken (d. h. also, sehr wenig kWh je kg erzeugtes AI zu verbrauchen), sondern auch dank seiner besonderen Gestaltung und seiner geringen freien Badoberfläche mit bedeutend niedrigeren Anodenstromdich1 ; en zu arbeiten, im Vergleich zu den gegenwärtig in der Aluminiumindustrie üblichen, ohne den Nachteil einer übermässigen Ofengrösse in Kauf nehmen zu müssen, so dass es möglich wird, trotzdem die Grenzen einzuhalten, die zum Zwecke wirksamer Wärmeisolierung sowie im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit der Baukosten ratsam erscheinen.
Raumbedarf und Kosten des Mehrzellenofens, bezogen auf die Einheit AI, die in 24 Stunden hergestellt wird, werden somit zu einem Bruchteil der betreffenden Werte des Elementarofens.
Die wichtigsten Unterscheidungsmerkmale in Bau und Arbeitsweise des erfindungsgemässen Ofens gegenüber den bekannten Ofenbauarten und Arbeitsweisen und daraus sich ergebende Vorteile.
1. Es wurde bereits gesagt, dass die übliche mechanische Vorrichtung entfällt, mit der bei den bekannten Ofen der Abstand zwischen Kohleanode und dem die Kathode darstellenden flüssigen Metall geregelt wird. Die Vorteile sind : Vereinfachung der Konstruktion und Arbeitsweise und Herabsetzung der Kosten. Vermeidung zahl- reicher Fehler in der Bedienung, die bei den bekannten Ofen so schädlich sind und auf Unachtsamkeit der Arbeiter sowie auf Ungenauigkeit der Messungen des Niveaus der Metallschmelze, der Unbestimmbarkeit der genauen Höhe der dar- über schwebenden Metallnebel, der Unregelmä- ssigkeit des Bodens, der mehr oder weniger konvexen Form des Metallspiegel, der periodischen Wellenbildung in der Metallschmelze usw. beruhen.
2. Minimale freie Badoberfläche. Bei den bekannten öfen ist die freie Badoberfläche, bezogen auf die Anzahl Kilogramm Metall, die in den 24 Stunden hergestellt werden, ein Vielfaches derjenigen beim erfindungsgemässen Ofen. Vorteile : Es ist möglich, sowohl'bei offenem als auch bei mit Tonerde abgedecktem Bad die Wärmeverluste auf ein Minimum herabzudrücken. Bei glei-
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d. h. mit einer höheren Schichte, zu isolieren als bei den bekannten Ofen möglich ist. Weniger Arbeit für die Bedienungsmannschaft.
3. Minimale Ausdehnung der wärmeabgebenden festen Flächen : Der neue Mehrzellenofen verbraucht spezifisch nur 9-13 kWh je kg erzeugten Aluminiums, besitzt aber dementsprechend auch die erforderlichen baulichen Merkmale, die
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eine übertriebene Aussenisolierung erforderlich wäre. So weist z. B. der erfindungsgemässe Ofen über die oberen Anodenflächen etwa halb soviel
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und Gesamtampèr, ezah1. en zu betreiben ; Verringerung des Verbrauches an kWh je kg Al, regelmässiger Betrieb usw.
4. Die Aufgabe von Tonerde je cm2 freier Badoberfläche ist beim neuen Ofen gewöhnlich über 10 g Tonerde pro cm2 und kann sogar 20 g Tonerde pro cm2 Badoberfläche erreichen und überschreiten. Bei den gewöhnlichen Ofen hingegen erreicht die Tonerdeschichte üblicherweise nicht die 10 g je cm2. Die günstige Wirkung der grösseren Dicke der Tonerdeschichte auf die Wärmeisolierung wurde bereits erwähnt. Anderseits ergeben sich keinerlei Nachteile daraus, dass eine grössere Menge Tonerde je Einheit Badoberfläche , aufgegeben wird.
Bei den bekannten Elektrolysezellen übersteigt die Tiefe des Elektrolysebades nicht 30-40 cm (aus baulichen Gründen sowie aus Kostengründen und im Hinblick auf die Arbeitsweise und die
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imallein unschwer 50 cm übersteigen. Zu dieser Badtiefe kommt noch eine weitere Badschichte in der darunter befindlichen Kammer hinzu, die z. B. zwischen 10 und 30 cm schwankt.
Die Geschwindigkeit, mit welcher die in beschränkten Mengen aufgegebene Tonerde absinkt, ist ziemlich gering
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nute), so dass sich die Tonerde für gewöhnlich in der Badschmelze auflöst bevor sie die kathodische Metallschichte der üblichen Ofen erreichen und durchqueren und auf dem Kohlenboden der Ofenwanne ansammeln und zu stromisolierenden
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Beim erfindungsgemässen Ofen kann trotz der stärkeren Beschickung eine Verkrustung der Kohlekathoden nicht stattfinden, d. h. es werden sämtliche Nachteile vermieden, die sich bei den bekannten öfen daraus ergeben. Die Tonerde, die sich auf der Kathode ablagert, kann leicht durch das Bad aufgelöst werden, auch weil die Kathode nicht von einer einige Zentimeter hohen Schichte Metall überdeckt ist, und kann so nicht zu Missständen führen.
5. Ein weiteres Merkmal der erfindungsgemä- ssen Elektrolysezelle ist, dass die Gase leichter eingefangen werden können, weil sie sich aus einer kleineren Badoberfläche (bezogen auf die Anzahl Kilogramm erzeugten Aluminiums) entwik-
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verhindern, dass während der Elektrolyse Luft in die Zelle eindringt.
6. Bei den gegenwärtig in der Industrie üblichen bekannten Elektrolysezellen begegnet der (wesentlich vertikale oder fast vertikale) Stromfluss nicht nur verschiedenen zur Stromrichtung normalen Schichten verschiedenen spezifischen elektrischen Widerstandes (Anodenkohle, Badschmelze, geschmolzenes Al, Kathodenkohle), sondern in einigen Schichten, insbesondere an den Berührungsflächen zwischen Schichte und Schichte, von Punkt zu Punkt verschiedene spezifische Widerstände, die eine unregelmässige Stromverteilung verursachen. Letztere bedingt örtliche Oberhitzungen und physikalisch-chemische Veränderungen, welche die Erscheinung noch verschlimmern und als Endresultat eine Verringerung der Stromausbeute, eine Erhöhung des Spannungsabfalles und mithin eine Erhöhung der spezifischen Verbrauchsziffern, besonders an kWh je kg erzeugten Al zur Folge haben.
Die Ursache liegt vor allem darin, dass bei den bekannten Elektrolysezellen der Strom durch eine verhältnismässig beschränkte Anzahl eiserner Kontaktbolzen zugeführt wird, die mehr oder weniger tief in die Anoden eindringen und deren Abstand von der Badoberfläche auch um Dezimeter schwankt.
Auch die im Innern der Kathodenkohlen vorgesehenen Eisenkathoden tragen gewiss nicht zu einer homogenen Verteilung des durch die Zelle durchgehenden Stromes bei. Diese Erscheinung wird noch schlimmer, wenn sich am leitenden Kohleboden der Zelle Verkrustungen bilden, wenn durch Anschwellen des Bodens der Kontakt zwischen Eisen und Kohlekathode weniger gut wird, wenn eine Eisenkathode oder ein Kontaktbolzen der Anode ein Mehrfaches desjenigen Stromes aufnimmt, der durch die benachbarte Kathode bzw. durch den benachbarten anodischen Kontaktbol-
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wegen der örtlichen Stromkonzentrierungen und örtlichen überhitzungen verändert.
All dies gibt es bei dem neuen Ofen nicht. Die geringere Anodenstromdichte, gleichwertig der Kathodenstromdichte, die Möglichkeit, die Zusammensetzung und Temperatur des Schmelzbades innerhalb der von der praktischen Erfahrung gelehrten Grenzen zu halten, die Leich-
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notwendige Vorausetzung für eine praktisch gleichförmige Stromverteilung, sowie dafür, dass der Strom Schichten verschiedener, aber wohl bestimmter und praktisch konstanter spezifischer Widerstandswerte begegnet.
Wie ersichtlich, ist dies einer der bedeutend-
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7. Der Stromverbrauch des Mehrzellenofens ist überraschend gering : 9-13 kWh je kg erzeugten Aluminiums. Kein technischer Ofen hat bisher so geringe Stromverbrauchsziffern erreicht. Dieses Ergebnis ist dadurch erzielt worden, dass gleichzeitig die drei Hauptprobleme gelöst wurden, von denen man sagen kann, dass der besagte Einheitsverbrauch abhängt : a) Verringerung der Spannung durch grössere Abmessungen der Anoden als bei den üblichen Ofenbauarten möglich wäre, Gleichmässigkeit der S1 : romdichte, Herabsetzung der Überspannungen an der Anode und der Spannungsabfälle an und in der Anode und an und in der Kathode.
, b) Aufrechterhaltung der Stromausbeute durch rationelle Tonerdeaufgabe ; hinreichende Abmes-
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Wärmeverluste an den Seiten wandungen ; Isolierung des in den Einzelzellen erzeugten Metalles von dem in den jeweils benachbarten Zellen erzeugten Metall, Gleichförmigkeit des elektrischen Flusses. c) Die ortsfeste rationelle und einfache Ausbildung der erfindungsgemässen Elektroden gestattet eine ausgezeichnete thermische Isolierung des Ofens.
8. Die Anlagekosten des erfindungsgemässen Mehrzellenofen mit schrägen leitenden Wänden erreichen nicht die Kosten eines horizontalen Ofens gleicher Leistungsfähigkeit nach bekannter Bauart.
9. Vergrösserung des Verhältnisses zwischen Spannung und Stromstärke zur Erzielung eines betrieblich günstigen Verhältnisses zwischen Volt und Ampère. Dieses Verhältnis beträgt bei den grossen 50. 000 A Ufen moderner Bauart weniger als 1/10000, während beispielsweise bei einem erfindungsgemässen 2000 A Mehrzellenofen mit 14 Kammern das Verhältnis mehr als 1/1000, z. B. 2/100 beträgt mit den bereits erwähnten Vorteilen in bezug auf die Umformerzentrale, die Leitungen zur Strombeförderung, die Dezen-
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10. Die Neigung der Anodenfläche erleichtert das Abführen der Elektrolysegase, die sich an derselben bilden, nach oben.
Auch dies stellt einen bemerkenswerten Vorteil gegenüber demjenigen dar, was bei den Ofen mit horizontalen Schichten vor sich geht, die überdies bei höheren Anodenstromdichten betrieben werden müssen, woraus beträchtliche Überspannungen an den Anoden folgen.
11. Die Neigung der Kathodenfläche erleichtert das Abfliessen des durch die Elektrolyse gebildeten Aluminums nach unten. Es bildet sich höchstens ein Film (eine Haut) flüssigen Aluminiums, was das Abfliessen des Metalles nach unten nur erleichtert ; nie bildet sich aber eine Schichte von mehreren Zentimeter Dicke, die die Kathode bedeckt.
12. Das mit dem neuen Ofen erzeugte Metall enthält einen geringeren Prozentsatz Fremdmetall (z. B. Eisen) als das durch die bekannten Ofen erzeugte Aluminium. Wie bekannt, rührt bei den üblichen waagrechten Ofen die Verunreinigung durch Eisen zum Grossteil von den Kontaktbolzen der Anoden her.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Ofen für die Schmelzflusselektrolyse von Verbindungen solcher Metalle, deren Dichte grö- sser ist als die Dichte des Elektrolysebades, insbesondere für die Elektrolyse von in Kryolith gelöstem A1203'dadurch gekennzeichnet, dass er mehrere in geringem Abstand voneinander, im wesentlichen parallel angeordnete, trotz des mit der Elektrolyse fortschreitenden Verbrauches der Anoden ortsfeste Elektrodenblöcke (15, 16, 27) aus Kohle enthält, die je paarweise seitlich begrenzte zur Aufnahme des Elektrolyten dienende Spalte (13) bilden, deren jeder zur Lotrechten geneigte, einander gegenüberliegende Begrenzungs- flächen besitzt, die durch die Elektroden gebildet werden und die im wesentlichen kongruent sind und dass er ferner für jeden Spalt einen ei- genen, abgeschlossenen MetaIIsammelraum ,)
für das Aluminium und vorzugsweise eine obere Gaskammer (12) aufweist, wobei die Sammel- räume und die Gaskammern mit dem Spalt in Verbindung stehen, sowie dass mit mindestens den zwei Endelektroden (15, 16) verbundene ortsfeste Mittel zur Stromzuführung (17) und -abführung und ein den Strom nicht oder wenig leitendes Gehäuse fol8, 19, 20) vorgesehen sind.