AT209063B - Mehrzellenofen für Aluminiumherstellung durch Schmelzflußelektrolyse und Verfahren zum Anfahren dieses Ofens - Google Patents

Description

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   Mehrzellenofen für   Aluminiumherstellung   durch Schmelzflusselektrolyse und Verfahren zum Anfahren dieses Ofens 
Das Anfahren von   Mehrzellenöfen   für die elektrolytische Aluminiumherstellung nach dem Gegen- stand der belgischen Patente Nr. 548. 465 und   Nr. 563. 730 lasst sich mit an sich bekannten Methoden   durchführen. Beispielsweise ist es möglich, bei leerem Ofen bewegliche Heizwiderstande in die Elektrodenzwischenräume bzw. in die Kammern (obere Endkammer, untere Endkammer,   Tonerdezufuhrungs-   kammer usw. ) einzuführen, die mit den Gruppen von Einzelzellen des Ofens der"Perlenschnur"-Type verbunden sind. 



   Das Heizen erfolgt mittels Stromdurchganges durch besagte Heizwiderstände, bis das Ofeninnere auf die gewünschte Temperatur   (beispiels. weise 900 - 9500   C aufgeheizt ist, wonach die Widerstlnde herausgezogen werden, das Schmelzbad in sämtliche Zellen eingeführt wird und erforderlichen Falles die anodischen Ergänzungsschichten aufgebracht werden, worauf schliesslich der Elektrolyseprozess sofort angelassen wird, indem an die Ofenklemme Strom angelegt wird. Diese Methode jedoch ist mit Nachteilen behaftet, weil der Elektrolyseprozess nicht beginnen kann, bevor sämtliche Zellen des Kreislaufes beim Perlenschnur-Ofen zugerichtet worden sind. Die Anzahl dieser Zellen kann beträchtlich sein und beispielsweise 30 betragen, so dass das Zurichten einige Zeit in Anspruch nimmt.

   So kann es geschehen, dass das in die ersten Zellen eingelassene flüssige Bad die Tendenz zeigt,   einzufrieren   und solcherart den Stromdurchgang durch den Ofen zu unterbrechen, wodurch schliesslich alle   Zellen des Ofens blockiert   würden. In einem solchen Fall ist es schwer möglich, die Zellen genügend aufzuheizen, um das Bad wieder gänzlich zu verflüssigen, noch deren Inhalt zu entleeren. Das Einzige, was zu tun übrig bleibt, ist, die Zellen abzubrechen bzw. zu zerstören, nachdem man das   Bad hat vollkommen einfrleren las -   sen. 



   Die Gefahr des Blockierens besteht auch dann, wenn ein Perlenschnur-Ofen (nach der im belgischen Patent Nr.   548. 465   beschriebenen Art) angefahren werden soll, der mit selbsttätig ergänzenden Elektroden ausgestattet ist (wie in dem belgischen Patent Nr. 563.730 beschrieben), sowie mit kontinuierlichen   Abstichvorrichtungen..   



   Gegen diese Nachteile wird durch die nachstehend beschriebene Methode und Einrichtung Abhilfe geschaffen. Die Erfindung gibt eine Methode an, Mehrzellenöfen fUr die   Aluminiumherstellung   anzufahren, bei der die Einzelzellen und Kammern des Ofens im leeren Zustand auf eine Temperatur von etwa 7000 C durch ausserhalb der Zellen angeordnete Heizwiderstände aufgeheizt werden, hierauf eine solche Menge geschmolzenen Aluminiums in jede Zelle eingeführt wird, die gerade hinreicht, um die Elektrodenkohlen kurz zu schliessen.

   Die Ofenklemmen werden sodann mit einer Stromquelle verbunden, wodurch die Temperatur auf etwa 9500 C gebracht wird ; die Badschmelze wird sodann In die Zellen und Kammern des Ofens eingebracht und die Spannung zwischen den Ofenklemmen gleichzeitig erhöht,   mn   die Elektrolyse starten zu können, wonach die Stromzufuhr zu den Heizwiderständen abgeschaltet wird. 



  Vorzugsweise sind diese Heizwiderstände entfernbar und mit einer unabhängigen Stromquelle verbunden. Die Erfindung betrifft ferner einen Mehrzellenofen für   Alurniniumherste11ung   durch Schmelzflusselektrolyse, bei dem in den   Seiten-und Bodenwandungen einer* jeden Zelle Kanäle vorgesehen   sind, in denen 

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 Heizwiderstände untergebracht sind, die mit einer elektrischen Stromquelle verbunden sind, um die Temperatur des Ofeninneren zunächst auf etwa 7000 C zu bringen.

   Weiters betrifft die Erfindung einen Mehrzellenofen für die Aluminiumherstellung durch Schmelzflusselektrolyse derjenigen Art, bei der selbsttätig ergänzbare Anoden vorgesehen sind, sowie ein geschlossener Kreislauf der Badfltissigkeit und ortsfeste Kohleelektroden (Graphit-Elektroden), der dadurch gekennzeichnet ist, dass jede Elektrode mindestens zwei übereinander angeordnete Schichten aufweist, wobei die Unterschicht geringere Dicke aufweist als die Oberschicht bzw. als die Oberschichten, und die horizontale Spalte zwischen Schicht und Schicht vorzugsweise mit elektrisch schlecht oder nichtleitendem Material gefüllt ist. Vorzugsweise besitzt die Oberseite jeder Schicht eine Erhabenheit und die Unterseite jeder Schicht eine dazu passende Ausnehmung.

   Schliesslich betrifft die Erfindung eine Elektrode für Mehrzellenöfen für Aluminiumherstellung durch Schmelzflusselektrolyse von der mit selbsttätig ergänzbaren Anoden mit einem geschlossenen Kreislauf der Badflüssigkeit und   mit ortsfesten Zwischenelektroden ausgestatteten   Art, die mindestens zwei übereinander angeordnete Schichten aufweist, wobei an jeder Schicht zueinander passende Erhabenheiten und Ausnehmungen vorgesehen sind, derart, dass das ganze Aufeinanderpassen der Schichten gesichert ist. 



   Nachstehend wird eine Ausführungsform. der Erfindung beispielsweise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, worin Fig. 1 einen Schnitt längs der Linie   I - I   der Fig. 2 einiger benachbarter Zellen eines Elektrolyseofens für die Aluminiumherstellung mit geschlossenem Bad-Kreislauf, Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie   A-A der   Fig. 1, Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie.   B - B   der Fig. 1, 
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 Fig. 3, Fig. 4c einen Schnitt längs der Linie   F - F   der Fig. 1 und Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie D-D der Fig. 4a darstellt. 



   Die in den Zeichnungen dargestellten Flüssigkeitsspiegel entsprechen der am Ende des Anfahrens erreichten Höhe. 



   Die Ofeninnenräume, die mit dem Bad in Berührung stehen, sind bekannterweise durch feuerfeste Auskleidung geschützt, beispielsweise aus Magnesiumoxyd, das nach dem Gegenstand des eigenen belgischen Patentes Nr. 563.594 behandelt sein kann. Diese Auskleidung hat einen höheren, elektrischen spezifischen Widerstand als das Schmelzbad. 



     Konstruktionsmassig wird   der Ofen so aufgebaut, dass vorerst die beweglichen oder festen Kohleteile 1, 2,3, 24 und 23, die kaminförmigen Teile 6, die feuerfesten Blöcke über den Elektroden und die wärmeisolierenden Blöcke 8 bzw. 9 weggelassen werden. 



   Es wird Sorge getragen, vorzugsweise in der Berührungszone zwischen feuerfester Auskleidung 22 und 39 und Wärmeisolierschicht 15 und 31 (insbesondere poröser handelsüblicher Spezialwerkstoff), in Berührung mit der Auskleidung horizontale und vertikale Kanäle 18 bzw. 33 zu belassen. Vorzugsweise sind je Zelle ein vertikaler Kanal und ein horizontaler Kanal vorgesehen. In diese Kanäle, die mit wärmeisolierenden Abdeckungen (42 bzw. 34) versehen sind, können abnehmbare Heizwiderstände eingesetzt sein, die als Heizelemente zum Aufheizen des Ofens dienen, wenn sie mit einer Stromquelle verbunden werden. Diese Einrichtung dient natürlich in erster Linie für das Anfahren, kann aber auch für die verschiedenen Stufen der Behandlung des feuerfesten Materials mit flüssigem Pech und nachfolgender Verkokung Verwendung finden.

   Die. Übertragung der durch die einzelnen abnehmbaren Heizwiderstände (z. B. je zu 3 kW) erzeugten Wärme durch den feuerfesten Stein aus Magnesiumoxyd ist ausreichend, da dessen Wärmeleitzahl der Grössenordnung von 0,006   cal/sec/cm/cm/oc entspricht.   



   Ein weiteres Merkmal besteht in der Unterteilung der ortsfesten Partie der Bipolarelektrode, welche Partie vorzugsweise aus Graphit hergestellt ist, in eine Anzahl wesentlich horizontaler Schichten. Die zwei unteren Schichten 23 und 24 haben geringere Dicke (z. B. je   2 - 4 cm), während   die oberen Schichten 2 und 3 dicker sind. Nach der Stufe, in der die Innenauskleidung aus feuerfestem Magnesiumoxyd undurchlässig gemacht wurde, werden die verschiedenen ortsfesten Schichten oder Lagen 23,24, 2 und 3 der Bipolarelektroden in die einzelnen Zellen eingesetzt, welche Schichten mit seitlichen Vorsprüngen versehen sind, die sie zwingen, sich in Nuten 12 einzufügen, die in den   Seiten der Ofeninnenwandung   und der zwei dünnen Trennwände 13 vorgesehen sind.

   Diese Trennwände unterteilen jede Dipolarelek-   trode zwischen zwei benachbarten Zellen in drei praktisch gleich grosse Teile und teilen auch die aktive    Elektrodenfläche in drei Kathodenzonen auf. 



   Beim Zusammenbauen der verschiedenen Lagen des Elektrodengraphits ist es zweckmässig, die obere Seite einer jeden ElektrodenIage (die Seite 21 der Graphitschicht 23) mit einer dünnen Schicht aus (pulverförmiger) Tonerde zu belegen, um den elektrischen Kontakt mit der darüber befindlichen Elektrodenlage bzw. Schicht 24 auf ein Mindestmass herabzusetzen. In jeder Lage oder Schicht von Elektroden- 

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 ;ehe in einer Zelle im Normalbetrieb), so ist die aufgenommene Leistung z. B. 1/10 derjenigen des   oubli-   chen Ofenbetriebes. 



   Darauf beginnt die zweite Stufe des Anfahrens, wobei der Ofen geschlossen bleibt und seine Inert- gasatmosphäre vorzugsweise aufrecht erhalten wird. Das Maximum an verfügbarem bzw. aufnehmbarem
Gleichstrom wird durch die kurzgeschlossenen Zellen geleitet und die in den Aussenwandungen des Ofens untergebrachten Reihenwiderstände werden auf Höchstmass belastet. Auf diese Weise steigt die Temperatur des Ofeninneren allmählich von 7000 C auf etwa 900 - 9500 C. 



   Wenn es so weit ist, wird damit begonnen, die oberste Kammer. am Kopfende der   perlenschnurartig   aneinandergereihten Zellen mit einer tonerdereichen Badflüssigkeit zu beschicken, wobei besagte Bad-   flüssigkeit   in den geschlossenen Kreislauf (Fig. 5) durch den Schacht 43 und den Kanal 46 eingeführt wird, der die notwendige Verbindung zwischen den beiden Endkammern herstellt.

   Die Badflüssigkeit fliesst geschwind von der obersten Endkammer in die an dieselbe sich anschliessende erste Zelle (die Zelle, die über die Leitung 17 mit dem Schacht 35 in Verbindung steht, der einen Überlauf 45 besitzt), dann in die zweite Zelle usf., wobei sie auch durch die Tonerdebeschickungskammern hindurchfliesst, bis sie zur letzten Zelle gelangt (d. h. zur letzten Zelle der Perlenschnur) und dann in die untere Endkammer sich   ergiesst.  

Claims (1)

1. Dieser Arbeitsgang nimmt eine. verhältnismässig kurze Zeit in Anspruch und ist beispielsweise in 1 - 2 Stunden erledigt, ohne dass es erforderlich wäre, den Hauptstrom durch den Ofen oder den Strom durch die abnehmbaren Heizwiderstände abzuschalten.

   Sowie die Badflüssigkeit den Spalt einer gegebenen Zelle füllt, sinkt der Spiegel 16 des flüssigen Metalles in der Zelle bis die Anoden- und die Kathodenfläche der Zelle nicht mehr miteinander kurzgeschlossen sind, wenn die Badflüssigkeit das flüssige Metall vollständig aus dem Spalt zwischen den Elektroden verdrängt hat. Es ist jedoch zweckmässig, dass die anfänglich eingeführte MengeflUssigenAluminiums derart gewählt werde, dass, wenn sich die Zelle mit Badflüssigkeit füllt, das Metall in der Zelle nicht tiefer als die Ebene 19 sinkt, um zu vermeiden, dass Badflüssigkeit in den Schacht 35 dringe.

   Infolgedessen wächst der Spannungsabfall in den Einzelzellen bis er einen Wert erreicht, der das Starten des Elektrolyseprozesses gestattet. Der durch den Gesamtofen hindurchgehende Strom strebt danach, abzunehmen, so dass es zweckmässig sein mag, den dem Ofen zugeführten Strom zu regeln, um die Stromstärke (Ampère-Zahl) konstant zu halten.

   Das Starten der Elektrolyse-in den dank dem Anfallen mit Badflüssigkeit nicht mehr kurzgeschlossenen Zellen ist der Beginn des dritten und letzten Stadiums des Anfahrens und besteht darin, dass die Vorrichtung in Betrieb gesetzt wird, welche die Badflüssigkeit von der unteren Endkammer in die obere Endkammer hebt, was beispielsweise durch einen schwingenden Löffel nach dem Gegenstand des belgischen Patentes Nr. 559. 165 oder durch eine Pumpe gemäss dem italienischen Patent Nr. 572920 geschehen kann.

   Ausserdem müssen die Dosiervorrichtungen (an sich bekannter Bauart) für alle Tonerdebeschickungsstellen in Gang gesetzt werden. Hernach ist es erforderlich, die Förderung der Hubvorrichtung für die Badflüssigkeit einzustellen und zu kontrollieren, sowie zu kontrollieren, dass die einzelnen Zellen ihre normale Betriebstemperatur erreicht haben. Ferner werden sämtliche an sich bekannten, üblichen Vorrichtungen zum Abführen der elektrolytischen Gase aus den oberen Kammern in Betrieb genommen.

   Schliesslich kann der Strom von den abnehmbaren Heizwiderständen abgeschaltet werden und letztere können später herausgenommen werden und anderweitige Verwendung finden.

   Die Kanäle, in denen die Heizwiderstände untergebracht waren,. sollten vorzugsweise aufgefüllt werden, beispielsweise mit Tonerde in pulveriger Form, und dann sorgfältig geschlossen und abgedichtet werden (mit Stöpseln 42 bzw. 34), wonach der Ofen als vollkommen angefahren betrachtet und die Produktion weitergeführt werden kann.

   Die. Kanäle 18 und 33 wurden Blindkanäle genannt, weil die flussigen Schmelzen im Ofen keinen Zugang zu denselben haben.

   PATENTANSPRÜCHE : EMI4.1 glänzenden Anoden, geschlossenem Badkreislauf und ortsfesten Zwischenelektroden aus Graphit, dadurch gekennzeichnet, dass in der bzw. in Berührung mit der feuerfesten Auskleidung (22,30, 44) der Seiten-und Bodenwandungen jeder Zelle Kanäle (18, 33) angeordnet sind, in denen sich gegebenenfalls leicht entfernbare Heizwiderstände (14) befinden, die mit einer unabhängigen elektrischen Stromquelle verbunden <Desc/Clms Page number 5> sind, um die Temperatur innerhalb des Ofens auf etwa 7000 C zu bringen.

   2. Mehrzellenofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizwiderstände in zwei Hauptgruppen angeordnet sind, wobei die eine Gruppe in Blindkanälen (18, 33) untergebracht ist, die sich in den Aussen- und Bodenwandungen einer jeden Ofenzelle befinden und die andere Gruppe in Abstichschächten (35) einer jeden Zelle vorgesehen ist.

   3. Mehrzellenofen nach Anspruch 1 bzw. 2, dadurch gekennzeichnet, dass an sich bekannte Beschikkungsorgane vorgesehen sind, um geschmolzenes Aluminium in jede Zelle einzulassen, wenn die Temperatur ungefähr 700 C erreicht hat.

   4. Mehrzellenofen nach einem oder mehreren der AnsprUche 1 bis 3, gekennzeichnet durch an sich bekannte Einrichtungen zum Heben der Badflüssigkeit aus einer unteren Endkammer in eine obere Endkammer des Ofens.

   5. Mehrzellenofen nach einem oder mehreren der Anspruche 1 bis 4, gekennzeichnet durch an sich bekannte Beschickungsorgane zum Zufuhren abgemessener Mengen Tonerde in jede Zelle.

   6. Mehrzellenofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede ortsfeste Elektrode zumindest aus zwei übereinander angeordneten Schichten (23,24 bzw. 2,3) besteht, wobei die unterste Schicht (23, 24) geringere Dicke besitzt als die darüber angeordnete Schicht bzw. die darüber angeordneten Schichten (2,3), und die Spalten zwischen den Schichten zumindest anfänglich mit einem elektrisch nichtleitenden Stoff, wie Tonerde, gefüllt sind.

   7. Mehrzellenofen nach Anspruch 5 bzw. 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede aufliegende Seite einer Schicht zumindest mit einer Erhabenheit bzw. mit einer komplementären Vertiefung versehen ist, die jeweils einen Passsitz (25, 26, 11) ergeben. EMI5.1 oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens zwei übereinander angeordnete ortsfeste Graphitschichten (23,24) aufweist, deren jede wenigstens eine komplementäre Erhabenheit bzw. Vertiefung aufweist, um ein genaues Aufeinanderpassen der Schichten zu gewahrlei- sten (Passsitz 25,26), um die Wärmeausdehnung der feuerfesten Auskleidung (22) aufzunehmen und dem freien Übergang von Badflüssigkeit aus einer Zelle in die andere durch die Zwischenspalte zwischen den Graphitschichten und der Auskleidung ein ausreichendes Hindernis entgegenzusetzen.

   9. Verfahren zum Anfahren von Mehrzellenöfen für die elektrolytische Aluminiumherstellung nach einem oder mehreren der AnsprUche 1 bis 7 bzw. mit Elektroden nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die leeren Einzelzellen und Kammern des Ofens durch ausserhalb der Zellen angeordnete Heizwiderstände (14) auf eine Temperatur von etwa 70 () O C aufgeheizt werden, worauf eine Menge geschmolzenen Aluminiums, die hinreicht, um die Elektrodenkohlen kurzzuschliessen, in jede Zelle eingegossen wird, die Ofenklemmen mit einer Stromquelle verbunden werden, um die Temperatur solcherart auf etwa 9500 C zu bringen, sodann die Badschmelze in die Zellen und Kammer des geschlossenen Ofens eingeleitet, die Spannung zwischen den Ofenklemmen gleichzeitig erhöht wird,

   um die Elektrolyse zu starten und schliesslich die Stromzufuhr von den Heizwiderständen abgeschaltet wird.

   10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass nur der unterste Teil einer jeden Bipolarelektrode kurzgeschlossen wird, wenn die Ofenklemmen mit einer elektrischen Stromquelle verbunden werden.

   11. Verfahren nach Anspruch 9 bzw. 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Badschmelze mindestens an einer Stelle des Ofenoberteiles eingeleitet wird und dass damit fortgefahren wird, bis das Bad in allen Zellen und Kammern des Ofens die Betriebshöhe erreicht hat, während gleichzeitig und allmählich die an die Ofenklemmenangelegte Spannung erhöht wird, bis die normale Betriebsspannung zur Elektrolyse im Ofen erreicht ist.

   12. Verfahren nach einem oder mehreren der Anspruche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalten zwischen den Schichten der Elektroden mit Badflüssigkeit ausgefüllt werden.

   13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die allmähliche Erhöhung der Spannung an den Ofenklemmen derart vorgenommen wird, dass die Stromstärke bzw. Ampèrezahl nicht wesentlich kleiner werden kann als die Ofenstromstärke bzw. Ampèrezahl bei normalemeloktrolysebe- trieb.

   14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizwiderstände in den Abstichschächten entfernt werden, bevor geschmolzenes Aluminium aufgegeben wird.

   15. Verfahren nach einem oder mehreren der AnsprUche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig mit dem Beginn der Elektrolyse eine Vorrichtung zum Heben der Badflüssigkeit aus einer <Desc/Clms Page number 6> unteren Endkammer des Ofens in eine obere Endkammer desselben in Tätigkeit gesetzt wird.

   16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsgänge nach den Ansprüchen 9 bis 15 bei geschlossenem und mit Inertgas gefülltem Ofen durchgeführt werden.