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Elektrolysiertrog für die Aluminiumelektrolyse
Die für die Aluminiumelektrolyse verwendeten Zellen bestehen üblicherweise aus einem Stahltrog, der mit feuerfesten Steinen und Kohlematerial ausgekleidet ist. Letzteres dient gleichzeitig als Kathode. Durch die Elektrolyse erfolgt aber eine chemische Veränderung der Auskleidung, besonders des Kohlenmaterials, was mit einer Volumszunahme derselben verbunden ist. Da bei den üblichen Konstruktionen des Elektrolysiertroges keine besonderen Ausdehnungsmöglichkeiten vorgesehen sind, wird der Trog durch die infolge der Volumszunahme auftretenden Kräfte mehr
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kann so stark sein, dass der Trog nach mehreren Betriebsperioden nicht mehr verwendbar ist. Er muss dann entweder durch einen neuen ersetzt oder durch kostspielige Richtarbeiten wieder auf die ursprüngliche Form gebracht werden.
Versucht man, die Deformierung des Troges durch Verstärkung seiner Konstruktion zu verhindern, so tritt trotzdem eine Deformierung oder gar ein Bruch ein. Vom Standpunkt der chemisch-physikalischen Vorgänge aus betrachtet, hat es auch wenig Sinn, die Trogkonstruktion übermässig stark zu machen, da die durch die Volumszunahme der Auskleidung hervorgerufenen Kräfte mit den gebräuchlichen technischen Mitteln nicht beherrscht werden können, so wie es beispielsweise auch grosstechnisch kaum möglich ist, wesentlich unter 00 C abgekühltes Wasser an der Ausdehnung bzw. am Gefrieren zu hindern.
Neuerdings ist eine Ausführungsart der Elektrolysiertröge bekannt geworden, die der Volumszunahme der Auskleidung dadurch Rechnung trägt, dass der Trog aus mehreren, gegeneinander verschiebbaren Einzelteilen besteht, wobei durch auf die Einzelteile wirkende verstellbare Federn oder Spanneisen mit kontrollierter elastischer Verformung die für den Zusammenhalt der Trogauskleidung notwendigen Kräfte aufgebracht werden.
Ein Nachteil dieser Ausführungsart ist die Verwendung von Gleit-und Führungselementen, deren einwandfreie Funktion im rauhen Hüttenbetrieb nicht immer gewährleistet ist. Aus verschiedenen Ursachen entstandene, auch nur geringe Verbiegungen (Deformationen) der Einzelteile des Troges sowie unkontrollierbare Reibungskräfte können die Beweglichkeit der Einzelteile gegeneinander aufheben. Weiters gestattet die Parallelverschiebung der Einzelteile nur eine rohe Anpassung an die. bei einer Elektrolysezelle örtlich sehr verschiedene Volumszunahme der Auskleidung. Schliesslich kommt die genannte Ausführungsart praktisch nur für Neubauten in Betracht. Eine Anwendung auf bereits bestehende Trogtypen ist kaum möglich.
Die vorliegende Erfindung vermeidet die angeführten Nachteile. Mit ganz einfachen Mitteln wird erreicht, dass die Ausdehnungsmöglichkeit der Trogauskleidung sichergestellt ist und an jeder Stelle ihrer Volumszunahme am besten entspricht. Die Erfindung ist nicht nur auf Neubauten, sondern auch auf ältere Trogtypen anwendbar.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Trog und der Trogauskleidung ein ihrem Wachsen entsprechender Zwischenraum freigelassen ist, in welchen Stützkörper eingesetzt sind, die in hohem Masse plastisch verformbar sind und daher entsprechend der Volumszunahme der Auskleidung zusammengedrückt werden. Die Stützkörper sind so beschaffen, dass ihr Verformungswiderstand weitgehend unabhängig ist vom Grad ihrer Verformung, so dass die auf den Trog ausgeübten Kräfte während der Betriebsdauer der Elektrolysezelle annähernd gleich bleIBen. Auf diese Weise werden die auftretenden Kräfte nach oben begrenzt, so dass keine unerwünschte Deformierung des Troges eintreten kann.
Die Charakteristik des Verformungswiderstandes, der Stützkörper wird durch ihre Form und dadurch erreicht, dass ihre Verformung im plastischen Bereich des verwendeten Materials erfolgt. Als Material kommen vorzugsweise alterungsbeständige und, sofern erforderlich, warmfeste Stähle in Betracht.
Die Bemessung und Verteilung der Stützkörper soll so sein, dass sie den auftretenden Kräften entspricht und dass eine möglichst gleichmä- ssig-e Kräfteverteilung eintritt. Im Hinblick auf die zuletzt genannte Forderung ist es vorteil- hafter, eine grössere Anzahl schwächerer Stützelemente vorzusehen als eine kleinere Anzahl
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stärkerer. Dadurch können auch keine zu grossen Biegespannungen in der Auskleidung auftreten.
Für das Einbringen der Ofenauskleidung sowie für den Zusammenhalt der gewöhnlich aus einzelnen feuerfesten Steinen bestehenden Isolierschichte wird es in den meisten Fällen notwendig sein, die Ofenauskleidung mit einer Blechhülle zu umgeben, die zweckmässigerweise aus mehreren Einzelteilen besteht. Verfährt man nach den im Vorigen angeführten Gesichtspunkten, so genügt für die Blechhülle ein Blech von wenigen Millimetern Stärke. Die Verteilung der Stützkörper soll, wie bereits gesagt, den auftretenden Kräften entsprechen. Es kann daher zweckmässig sein, je nach Bauart der Elektrolysezelle, entweder die ganze Trogauskleidung oder nur einen Teil davon gegen die Trogwände mit Stützkörpern abzustützen. Desgleichen kann es zweckmässig sein, die die Auskleidung umgebende Blechhülle über einen mehr oder weniger grossen Teil derselben auszudehnen.
Beispiele für die Anordnung und Form der Stützkörper sind in den Fig. 1-4 dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine Elektrolysezelle im senkrechten Schnitt, Fig. 2 im Grundriss. Fig. 3 und 4 zeigen die Stützkörper und Fig. 5 und 6 ihr Verhalten bei Einwirkung der von der Trogauskleidung ausgeübten Kräfte. In Fig. 1 bezeichnet T den Stahltrog, K die Trogauskleidung und S die Stromzuleitungsschienen. Zwischen dem Stahltrog und der Auskleidung sind die verform- baren Stützkörper St eingesetzt. Die aus dünnem Stahlblech bestehende Hülle H überbrückt die Abstände zwischen den Stützkörpern und bewirkt auf diese Weise den Zusammenhalt der Auskleidung.
Fig. 3 zeigt einen Stützkörper im Auf- und Seitenriss.
Fig. 4 deutet den Kraftangriff auf den Querschnitt des Stützkörpers an. Die Stützkörper werden so eingesetzt, dass die von der Trogauskleidung bzw. der Trogwand ausgeübten Kräfte in gleicher Art wie die eingezeichneten Kräfte P angreifen.
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ausgezogen die durch die Krafteinwirkung ver- änderte. Der Verformungsgrad wird gemessen durch die Verringerung des Abstandes zwischen
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Fig. 6 stellt die Beziehung zwischen der einwirkenden Kraft P (zahlenmässig gleich dem Verformungswiderstand) und dem Verformungsgrad s dar. Es sind Kurven für 3 typische Profile eingezeichnet. Die vom Ursprung des Koordinatensystems zunächst steil ansteigenden Kurven- stücke geben den elastischen Bereich, die folgenden, zur Abszissenachse parallel oder schwach geneigt verlaufenden Kurvenstücke den plastischen Bereich der Verformung an.
Der Knick der Kur- ven am rechten Ende des plastischen Bereiches wird durch die Berührung der Schenkel des Profiles bewirkt. Der Verformungsgrad s an der Knickstelle der Kurven muss mindestens so gross sein wie die maximal auftretende Ausdehnung der Trogauskleidung. Durch Variation der geometrischen Bestimmungsstücke des Profiles und der Materialfestigkeit können sowohl die Grösse als auch der Verlauf (Charakteristik) des Ver- formungswiderstandes den jeweiligen Anforderungen entsprechend bemessen werden.
Eine Charakteristik, bei welcher der Verfor- mungswiderstand weltgehend unabhängig ist vom Verformungsgrad, die also den Kurven der Fig. 6 entspricht, wir. d'bei der in Fig. 3 als Beispiel angeführten Profilform dann erreicht, wenn folgende Massverhältnisse eingehalten werden : b = 0, 2a bis 0, 6a, dd = 0, 02 bis 0, 06a, r = 0, la bis 0, 2a. Da die Länge des Stützkörpers (l) nur eine proportionale Änderung der Ordinatenwerte an allen Punkten der Charakteristik bewirkt, wird ihr typischer Verlauf dadurch nicht verändert. Das Mass c ist ohne Einfluss auf die Charakteristik. Es soll jedoch nicht grösser als etwa 0, 2a sein, weil sonst beim Zusammendrücken des Stütz-
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: ihgr. ad s verkleinert wird.
Der freie Raum zwischen den Wänden des Troges und der Auskleidung enthält, soweit er nicht von den Stützelementen ausgefüllt ist, Luft. Er kann aber auch, soferne es aus Gründen des Wärmeschutzes zweckmässig ist, mit leicht zusammendrückbaren Isolierstoffen, z. B. Schlakkenwolle, ausgefüllt werden.
Nach der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die bei den bisher gebräuchlichen Bauarten der Elektrolysiertröge auftretende Deformierung praktisch zu verhindern. Die Lebensdauer der sehr schweren und daher teuren Tröge wird durch Deformierung nicht mehr herabgesetzt. Der für die Stützkörper und die die Auskleidung umgebende Blechhülle erforderliche Aufwand ist nur ein Bruchteil der bisher erforderlichen Kosten für die Instandhaltung bzw. Erneuerung der Tröge.
Die bei der Verformung der Stützkörper sichtbar werdenden Kraftverhältnisse in der Elektrolysezelle bieten überdies die Möglichkeit, Neukonstruktionen zweckmässiger als bisher zu gestalten.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrolysiertrog für die Aluminiumelektrolyse, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Trog und der Trogauskleidung ein dem Wachsen der Trogauskleidung entsprechender Zwischenraum frei gelassen ist, in welchen Stützkörper eingesetzt sind, die in hohem Masse plastisch verformbar sind.