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Ofen zur Herstellung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse aus Tonerde, und
Verfahren hiezu
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit der Herstellung von Aluminium durch
Schmelzflusselektrolyse aus Tonerde mit einer zur Horizontalen unter einem Winkel stehen- den (also vertikalen oder geneigten) Kathodenfläche. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Verbesserung der Verfahren und der Ofen zur Aluminiumherstellung, wie sie in den älteren belgischen Patenten Nr. 534. 969, 543. 739 und 548. 465 beschrieben sind.
Die Erfindung bezweckt in erster Linie die Erhöhung der Stromausbeute über 85-90 o/o und die Verminderung des kathodischen Spannungsabfalles, somit die Verminderung des spezifischen Energieverbrauches und der Gesamtspannung der Zelle. Insbesondere in mehrzelligen Ofen mit stationären Anoden kann der spezifische Energieverbrauch in bisher nicht erreichtem Masse vermindert werden.
Die Erfindung bezweckt ferner die allgemeine Verbesserung der Kathode an sich, damit sie in ihrer Tiefe und auch an ihrer Oberfläche wirksam ist und damit die Kathodenkohle zur Verlängerung ihrer Lebensdauer geschützt wird.
1m Rahmen der vorliegenden Erfindung versteht man unter dem Begriff "Kohle" im Zusammenhang mit den Elektroden irgend eine kohlenstoffhaltige, üblicherweise bei der Schmelzflusselektrolyse verwendete, sogenannte Elektrodenkohle u. a. also die sogenannte amorphe Kohle, vorgebrannte Blöcke, sowie die für die Auskleidung der Ofenwannen üblichen Kohlestampfmassen, selbstbackende Elektrodenpasten und auch Graphit.
Es versteht sich, dass die Anoden vorzugsweise durch Backen der an sich bekannten Kohlenelektrodenmassen und die Kathoden aus Graphit hergestellt werden.
In den Zellen mit stationären Elektroden der Ofen, die in den oben erwähnten älteren Patenten beschrieben sind, besteht die Kathode aus einer geneigten, ebenen Fläche aus Elktrodenkohle oder Graphit, auf welcher das Aluminium unter Schwereeinwirkung in Form von Tropfen oder in Form eines Filmes herabfliesst, um sich in einer Kammer zu sammeln, deren Wandung aus elektrisch isolierendem Material besteht. Das auf dem Boden der Zelle befindliche Aluminium steht aber mit der Kathodenkohle in elektrisch leitender Verbindung.
Demgegenüber ist in den gebräuchlichen Elektrolyseöfen zur Herstellung von Aluminium, welche vorgebacken oder selbstbackende Anoden aufweisen, die Kathode bekanntlich zur Hauptsache aus einer horizontalen Lage von geschmolzenem Aluminium gebildet, das den Boden des Ofeninnenraumes bedeckt, wobei die Innenseite des Ofenmantels mit einem geeigneten kohlenstoffhaltigen Konglomerat verkleidet ist. Dabei können aber die vertikalen oder geneigten, mit dem Boden in elektrischer Berührung stehenden Innenoberflächen der Verkleidung auch als Kathoden wirken. Somit kann die elektrolytische Abscheidung eines gewissen Anteiles der Aluminium-, Natrium- und sonstigen Kationen auch auf diesen Oberflächen stattfinden. Die Menge von Metall, das sich an diesen Wänden abscheidet, hängt von mannigfachen Faktoren ab und kann einem gewichtigen Anteil des Gesamtstromes entsprechen.
Unter den eben erwähnten Faktoren sind besonders wichtig die Stromintensität, das Ver- hältnis der Abstände zwischen Anode und Aluminiumkathode einerseits und zwischen Anode und vertikaler Kohlenkathode anderseits, ferner das Verhältnis zwischen den als Elektroden wirksamen vertikalen und horizontalen Flächenanteilen, dann auch die Zusammensetzung, die Temperaturen und das Wärmegefälle im Schmelzbad und auch die Abmessungen und der Betriebszustand der Kathodenkohlenwände.
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In den zur Aluminiumherstellung dienenden
Elektrolyseöfen ist der Abstand zwischen der unteren Basisfläche der einstellbaren Kohle- elektrode (Anode) und der darunter befind- lichen, von der Badflüssigkeit überdeckten
Schicht geschmolzenen Aluminiums von-der
Grössenordnung von einigen Zentimetern, während der Abstand zwischen der Anoden- kohle und der entsprechenden Wand aus Kathodenkohle in der Grössenordnung von einigen Dezimetern ist.
Auch entspricht die
Stromdichte im Raum zwischen der im
Schmelzbad eingetauchten Kohleanode und der entsprechenden Wand aus kathodischer
Kohle üblicherweise einem kleinen Bruch- teil der Stromdichte im Raum, der sich in der horizontalen interelektrodischen Lage bil- det, welcher sich von der eingetauchten Ano- denbasis zur darunterliegenden, den Boden überdeckenden Lage aus geschmolzenem Alu- minium erstreckt. Immerhin kann in den gebräuchlichen Öfen, also denjenigen mit horizontalen Lagen, der Anteil des Stromes, der direkt von der Anode zu den kathodi- schen Kohlenwänden fliesst, einen beträcht- lichen Prozentsatz des Gesamtstromes aus- machen.
Es ist wohl bekannt, dass Wände aus (eben- falls als Kathode wirkender) Kohle eine kür- zere Lebensdauer haben als die übrigen Ofen- teile. Nach einer Betriebsdauer von einigen
Monaten, die im Einzelfall von den konstruk- tiven und betrieblichen Charakteristiken des
Ofens abhängt, bildet sich an Stelle der dem Verbrauch erliegenden Kohlenwände nach und nach eine aus verfestigten Badkomponenten bestehende Verkrustung.
Im erfindungsgemässen Verfahren sollen die vorerwähnten Zwecke dadurch erreicht und die vorerwähnten Nachteile der bekannten Verfahren dadurch beseitigt werden, dass das geschmolzene Aluminium sich an einer Vielzahl von über der Kathodenfläche verteilten Stellen sammelt, in denen das geschmolzene Aluminium sowohl mit der Kathodenkohle als auch mit dem Elektrolyt in dauernder Berührung steht und die daher dem Schutze der übrigen Kathode dienen.
Gemäss der Erfindung ist ferner der Ofen, der zur, Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens dient und mindestens eine Zelle hat, die eine zur Horizontalen unter einem Winkel stehende Wand aus Kathodenkohle aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht dieser Wand so ausgebildet ist, dass sich eine Vielzahl von Behältnissen für geschmolzenes Aluminium zwecks Bildung der, wie erwähnt, zum Schutze der Kathode auf der Kathodenoberfläche vorgesehenen Aluminiumsammelstellen ergibt.
In einem Ausführungsbeispiel dieses Ofens hat die Oberflächenschicht, eine'in Zellen unterteilte schwammartige Struktur, wobei die Hohlräume dieser Struktur die zur Aufnahme von geschmolzenem'Aluminium bestimmten Behältnisse bilden. Dabei soll selbstredend diese Oberflächenschicht in guter mechani- scher. und elektrischer Verbindung mit dem übrigen, nicht bzw. weniger porösen Kohleteil der Kathode stehen.
In einer andern und bevorzugten Ausführungsform bestehen die Behältnisse aus horizontal verlaufenden Rinnen, die ein solches Profil haben dass sich im Betrieb darin geschmolzenes Aluminium mit freier horizontaler Oberfläche sammelt. An Stelle der Rinnen könnten auch eine Vielzahl von Löchern in der Oberflächenschicht der Wand vorge- sehen werden, die eine Vielzahl von Behältnissen für das geschmolzene Aluminium bilden.
Die kathodischen Oberflächenabschnitte, die aus den freien Oberflächen des- in den Behältnissen gesammelten und mit dem Schmelzbad in Berührung stehenden Aluminiums bestehen, können zusammen 30-50 olo und mehr der entsprechenden vertikalen oder geneigten anodischen Oberflächen ausmachen.
Die kathodische Wandoherfläche zwischen den Rinnen oder Löchern kann einen Belag von kompaktem, inertem und elektrisch isolierendem Material aufweisen, das weder durch den Elektrolyten noch durch das geschmolzene Aluminium angegriffen wird, derart, dass im Betrieb die Elektrolyse nur an den besagten Oberflächen des in den Rinnen oder Löchern befindlichen geschmolzenen Aluminiums zwecks Gewährung eines zusätzlichen Schutzes für die Kathodenkohle vollzogen wird. Der Belag kann z.
B. aus dem gleichen Material bestehen, aus dem üblicherweise die Schutzverkleidung des Mantels von Elektrolysezellen und die Verkleidung der Aluminiums, ammelkammern nach den eingangs erwähnten Patenten hergestellt wird, z. B. aus elektrisch geschmolzenem Magnesiumoder Aluminiumoxyd. In diesem Falle erfolgt der notwendige Kontakt zwischen Aluminium und) Kohlenstoff ausschliesslich an den Wandungen der Behältnisse, z. B. der Rinnen, in denen sich das geschmolzene Aluminium bis zur vollständigen Füllung sammelt.
Bei einer beispielsweisen Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird bereits vor dem Anlaufenlassen der Elektrolyse geschmolzenes Aluminium eingeführt, um im vorhinein die besagten, zum Schutze der Kathode vorgesehenen Sammelstellen von Aluminium zu bilden.
Lediglich zur Fixierung der Grössenordnung sei erwähnt, dass die Abstände zwischen den
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miniumoxyd in einen geschmolzenen Elektrolyt gelöst zuzuführen oder aber die zu elektrolysierende pulverisierte Tonerde im Abstand von der Kathodenfläche zuzuführen ; dies, um die Verstopfung der Behältnisse mit pulverisiertem Aluminiumoxyd zu vermeiden, das schwerer ist als geschmolzenes Aluminium.
Bei den gebräuchlichen Ofentypen mit horizontalen Lagen stehen die vertikalen Kohlenstoffwände in elektrischer Berührung mit dem geschmolzenen Aluminium, das sich auf dem leitenden Bodenteil sammelt. In den Zellen der Ofen, die in einem der eingangs erwähnten Patente beschrieben sind, sammelt sich das metallische Aluminium unter jeder Zelle in einer Kammer, deren Wand aus inertem Material besteht. Gewöhnlich ist das in dieser unteren Kammer gesammelte Aluminium in leitender Verbindung mit der Kathodenkohle und somit ungefähr auf gleicher Spannung.
Um die Dauerhaftigkeit dieser Verbindung zu gewährleisten, kann in Zellen mit geneigten Elektroden, wie sie in den eingangs erwähnten Patenten beschrieben sind, die Kathodenkohle so weit nach unten reichen, dass sie bis in die zum Sammeln des metallischen Aluminiums dienende Kammer hineinreicht u. zw. auf der ganzen Breite oder nur auf Teilen derselben.
Beiliegende Zeichnungen stellen einige Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Elek- trolyseofens dar.
Fig. 1 ist ein teilweiser Schnitt eines Ausführungsbeispiels vom Typ mit horizontalen Schichten. Fig. 2 ist ein ähnlicher Vertikalschnitt eines Ausführungsbeispieles, das einen Ofentyp mit mehreren Zellen und geneigten stationären Elektroden zeigt. Fig. 3 zeigt im Vertikalschnitt eine Einzelheit der kathodischen Oberfläche eines andern Ausführungsbeispieles. Die Fig. 4-9 zeigen in Vertikalschnitten andere Ausführungsformen der kathodischen Oberfläche. Die Fig. 10 und 11 zeigen in Ansicht zwei weitere Ausführungsmöglichkeiten der kathodischen Oberfläche, die Fig. 12 und 14 sind Schnitte nach den Linien A-A von Fig. 10 bzw. B-B von Fig. 11 und die Fig. 13 und 15 zeigen in den Fig. 12 und 14 entsprechenden Schnitten zwei weitere Ausführungsmöglichkeiten.
Der in Fig. 1 teilweise dargestellte Elek- trolyseofen ist ein solcher vom bekannten Typ mit Söderberg-Anoden, einer inneren kathodischen, kohlenstoffhaltigen Verkleidung 2, deren mit dem Schmelzbad in Berührung stehende Oberfläche 1 Behältnisse besitzt, die aus langen, zum Sammeln des Aluminiums dienenden Rinnen 4 bestehen. Der Vollständigkeit halber ist in Fig. 1 auch der metallische Mantel 6 der Anode 5, das Bad von geschmolzenen Salzen 7, das auf dem Boden ge- sammelte Aluminium 8, die zur Speisung der
Kathode dienende Stromschiene 9 und die feuerbeständige und isolierende Verkleidung
10 des metallischen Gehäuses 11 angedeutet.
In den andern Figuren sind entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In Fig. 2 ist mit 2'die Kathodenkohle eines vielzelligen Ofens mit bipolaren stationären Elektroden bezeichnet, die je eine erneuerbare anodische Oberfläche 5 haben. Die bipolaren Elektroden sind zwischen Teilen 12 einer Schutzverkleidung aus inertem und durchlässigem Material angeordnet ; über ihnen befindet sich der wegnehmbare, feuerbeständig und isolierende Deckel 13 für die Zellen.
Der Einfachheit der Darstellung halber zeigt die Zeichnung nicht die möglichen Verbindungskanäle zwischen den Zellen und auch nicht andere Einzelheiten, die im belgischen Patent Nr. 548. 465 beschrieben sind.
Die Kohlekathoden 2'können in das sich in den unteren Kammern sammelnde geschmolzene Aluminium 8 auf ihrer ganzen Breite 2" oder nur mit schmäleren Verlängerungen 2'"hineinragen. Diese beiden Varianten sind zusammen in Fig. 2 dargestellt, obwohl sie nicht in zwei benachbarten Zellen ein und desselben Ofens angewendet wurden.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, in welcher die kathodische Oberflächenschicht l' aus einer Lage porösen schwammartigem Kohlenstoffes 14 besteht, in dessen Zellengängen 15 sich das durch Elektrolyse gebildete Aluminium bis zur vollständigen Füllung derselben gesammelt hat. Die Dicke der Lage kann beispielsweise zwischen 1 bis 4 cm betragen. I
Die Fig. 4,6 und 8 zeigen mögliche Querschnittsformen der horizontal verlaufenden, rinnenförmigen Behältnisse, wie sie in den Fig. 1 und 2 sichtbar sind.
Die Fig. 5,7 und 9 zeigen ähnliche Ausführungsarten solcher rinnenförmiger Behältnisse, bei denen die freie Kathodenoberfläche mit einer Schutz- schicht. ? 2 verkleidet ist, welche vorzugsweise aus dem gleichen inerten und undurchlässigen Material besteht, wie die in Fig. 2 gezeigten Teile ; die Schutzschicht erstreckt sich nur über jenen Oberflächenabschnitten, die mit dem geschmolzenen Aluminium nicht in permanenter Berührung stehen.
Die Fig. 10 und 11 zeigen Abschnitte von Kathodenoberflächen, bei denen die Behältnisse für das kathodische Aluminium in einem Fall aus kurzen Rinnen 3'und im andern Fall aus runden Löchern ?" bestehen : die Fig. 12 und 14 zeigen die Form dieser Behältnisse im vertikalen Querschnitt und die Fig. 13 und 15 zeigen im entsprechenden Querschnitt Ausführungsvarianten mit einer Schutzschicht 12'.