<Desc/Clms Page number 1>
Ofen zur Aluminiumschmelzflusselektrolyse
EMI1.1
<Desc/Clms Page number 2>
erhalten bleiben ; man muss daher den Elektrolyten aus der Kammer mit niedrigem in jene mit hohem Flüssigkeitsspiegel mit einer Geschwindigkeit heben, die gleich ist der Umlaufgeschwindigkeit im Ofen, z. B. 30 - 150 cm3/sec.
Da die im Kreislauf zu führendeFlüssigkeitsmenge im Vergleich zur Aufnahmefähigkeit derKammern gering ist, ist es nicht notwendig, das Heben der Flüssigkeit kontinuierlich durchzuführen. Tatsächlich ist sogar eine Unterbrechung des Elektrolytstromes vorzuziehen, um eine elektrisch leitende Verbindung der Kammern untereinander zu vermeiden. Der Spannungsabfall zwischen ihnen kann leicht den gesamten Spannungsabfall (z. B. 100 V) des angewandten elektrischen Stromes erreichen, der für den Betrieb des Ofens benötigt wird. benötigt wird.
Man kennt verschiedene Mittel zum Transport von Flüssigkeiten, doch sind die Schwierigkeiten offensichtlich, die der Anwendung der üblichen Methoden unter Berührung mit höchst korrosiven geschmolzenen, fluorhaltigen Salzen bei ungefähr 900-1000 C entgegenstehen.
Die in Form eines Beispieles im Stammpatent beschriebene Methode ist gut geeignet : Der in der Kammer mit niedrigem Flüssigkeitsspiegel enthaltene geschmolzene Elektrolyt wird durch den Druck eines zu diesem Zweck in den Raum über der Flüssigkeit eingepressten inerten Gases in einen dazwischenliegenden Raum gehoben, bis er in die angrenzende Kammer mit hohem Flüssigkeitsspiegel überfliesst.
Ein Rückschlag-Kugelventil verhindert das Zurückfliessen des Elektrolyten aus derKammer von niedrigem Flüssigkeitsspiegel in die benachbarte, am tiefsten liegende Elektrolysezelle des Ofens. Es ist aber offensichtlich, dass ein derartiges Ventil einen schwachen Punkt des Systems darstellt. Seine Gegenwart liefert keinen vollständigen Verschluss, und das periodische Zurückfliessen einer geringen. Elektrolytmenge kann den normalen Betrieb der vorhergehenden Elektrolysezelle stören, wenngleich er nicht das Heben des Elektrolyten verhindert. - Ausserdem ist'die Reparatur eines zerstörten Ventils bei einem in Betrieb befindlichen Ofen schwierig.
Das periodische Einlassen und darauffolgende Entfernen einer beachtlichen Menge Gas in den bzw. aus dem oberen Teil der Kammer mit niedrigem Flüssigkeitsspiegel bedingt einen Wärmeverlust, der es schwierig macht, die Bildung. erstarrter Krusten auf der Oberfläche des geschmolzenen Elektrolyten zu verhindern. Derartige Krusten hindern die Bewegungen der Elektrolytoberfläche, welche zum Betrieb des Systems notwendig sind. Anderseits bedingt eine Vorwärmung des Gases auf 900-1000 C vor seiner Einführung in die Kammer eine Komplizierung der Einrichtungen, Schwierigkeiten mit den Gas-Kontrollventilen und merkliche Wärmeverluste im Gasumlauf.
Schliesslich neigt die Elektrolytmenge, welche bei jeder Druckerhöhung in der Kammer mit niedrigem Flüssigkeitsspiegel von dieser letzteren in die an- grenzendeEndkammer übergeführt wird, mengenmässig zu lästigen Schwankungen, selbst bei nur geringen Änderungen von Faktoren, wie Gasdruck, Öffnungsdauer der Einlass- und Auslassventile, Schliessvermögen des Rückschlagventils und Fliessbarkeit des Elektrolyten. Aus diesem Grund ist die Einstellung des Umlaufes ein heikles Unterfangen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Ofen zur Aluminiumerzeugung mit einer Anzahl von Elektrolysezellen, die in einem geschlossenen Flüssigkeitskreislauf angeordnet sind, über welchen ein Strom eines geschmolzenen Elektrolyten kontinuierlich zirkulieren kann, und mit einer Vorrichtung, um den Elektrolyten im Kreislauf zu führen ; dies geschieht durch Heben des Elektrolyten von einer Kammer zweier im Kreislauf aneinandergrenzender Kammern zur andern durch einen Löffel mit einer Längsrinne. Ferner gehört dazu eine Vorrichtung zur Bewegung des Löffels um eine Querachse zwischen einer Stellung, in der der Löffel in den Elektrolyten in einer der erwähnten Kammern eintauchen und eine Menge des genannten Elektrolyten aufnehmen kann, und einer andern Stellung, bei der der Löffel durch die Rinne in die andere Kammer der zwei erwähnten Kammern entleeren kann.
Die Erfindung wird erläutert durch die folgende Beschreibung an Hand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele.
Fig. l Ist ein Querschnitt eines Ofens vom Perlenschnur-Typ, ähnlich jenem in Einzelheiten er- läuterten Ofen der Beschreibung zum Stammpatent Nr. 205758 (s. besonders Fig. 3 und 6 der Patent- schrift) in einer Ebene, die die beiden Kammern schneidet, wobei der genannte Ofen mit einer erfin-
EMI2.1
Teil der Fig.1 in grösserem Massstab. Fig. 3 ist ein Schnitt längs der Linie A-A von Fig. l ; Fig. 4 entspricht der Fig. l nur einer andern Form der erfindungsgemässen Flüssigkeitshebevorrichtung ; Fig. 5 zeigt einen Teil von Fig. 4 in grösserem Massstab und Fig. 6 ist ein Schnitt längs der Linie B-B von Fig. 4.
In der Anordnung nach Fig. l - 3 befindet sich eine Kammer 1 mit niedrigem Flüssigkeitsspiegel zur Aufnahme des Elektrolyten, der aus der angrenzenden letzten Elektrolysezelle 2 des Ofens über die Kanäle 3 einfliesst. Eine Kammer 4 mit hohem Flüssigkeitsspiegel ist durch die Kanäle 5 mit der be-
<Desc/Clms Page number 3>
nachbarten ersten Elektrolysezelle dis Ofens verbunden. Die beiden Endkammem sind durch eine Wand 6 getrennt und durch einen Deckel 7 verschlossen. Die Wärmeisolierung der Seitenwände 8 und des Deckels 7 (ohne jene der Trennwand 6 in Betracht zu ziehen) ist so gross, dass sie den Elektrolyten und das darüber befindliche Gas mit Sicherheit auf einer Temperatur hält (z.. B. 950 C), um das Fliessen des Bades auch in seinen obersten Schichten zu gewährleisten.
Die Seitenwände 8 und die Trennwand 6 sind mit einem Schutzüberzug 9 aus gebrannter Kohlenstoffpaste (ähnlich jener, die man zum Bedecken der derzeit üblichen Elektrolysezellen zur Aluminiumherstellung verwendet), Graphit oder einem inerten, elektrisch isolierenden Material versehen, wie es in der Beschreibung zum Stammpatent Nr. 205758 genannt wird.
Elektrische Heizelemente (nicht abgebildet), z. B. aus dem unter dem Namen"Silite"bekannten Material, befinden sich unter dem Deckel 7 und dienen dazu, einen Temperaturabfall unter die sogenannte"kritische Temperatur"zu verhindern, d. i. die Temperatur, bei der die Viskosität des Bades zu einem merklichen Anstieg neigt. In der Trennwand 6, die nicht so weit reicht wie der Deckel 7, befinden sich ein oder mehrere Schlitze 10, die gerade weit genug sind, um für den beweglichen, später beschriebenen Löffel zu passen, wobei der Schlitz bzw. jeder Schlitz einen gegen die Kammer mit hohem Flüssigkeitsspiegel geneigten Boden 11 besitzt. In den Schlitz bzw. in jeden Schlitz ist ein Löffel 12 eingepasst, aus einem Material, das einer Temperatur von ungefähr 10000C widersteht und von dem Elektrolyten nicht angegriffen wird.
Zu diesem Zweck können Graphit oder eine Hochtemperaturlegierung verwendet werden, z. B. hochlegierter, rostfreier Stahl mit austenitischer Struktur vom AISI-310-Standardtyp (251o Chrom, 2rP/o Nickel), oder ein Molybdän-legierter Stahl, z. B. die unter dem Namen"Hastelloy"
EMI3.1
(60%Kobalt-Eisen-Legierung, z. B. Multimet-Legierung (N-155), oder eine Nickellegierung mit 800b Nickel neben Chrom und Eisen mit oder ohne Titan und Aluminium, z. B. Inconel-Legierung. Alle diese Legierungen zeigen gute mechanische Eigenschaften bei 1000 C. Die Legierung wird vorzugsweise mit einer Schutzschicht überzogen, z. B. Kohlenstoffelektrodenmasse oder elektrisch geschmolzenes und wärmebehandeltes Magnesiumoxyd.
Um die Oxydation des kohlenstoffhaltigen Materials über dem Elektrolyten in den beiden Kammern zu verhindern, wird eine reduzierende oder neutrale Gasatmosphäre aufrechterhalten, entweder durch Einführen von Ofengas oder Stickstoff mit einem wenig über dem der Aussenluft liegenden Druck oder durch Ablagerung von fein verteilter Holzkohle auf besonders eingeführten Stützen (nicht abgebildet), wobei die Kohle den allenfalls durch Öffnungen im Deckel oder in den Wänden in den Gasraum eingedrungenen Sauerstoff aufbraucht, indem sie damit verbrennt.
Der Löffel hat beispielsweise die Form einer Rinne von U-förmigem Querschnitt, doch kann jede Form angewendet werden, sofern sie die nötige mechanische Stärke gewährleistet und einen länglichen Durchlauf für den Elektrolyten von einem Ende zum andern besitzt. Das Ende der Rinne gegenüber der Kammer 4 mit hohem Flüssigkeitsspiegel ist vollständig geöffnet. Das gegenüberliegende Ende der Rinne, das als Schöpfer wirkt, ist geschlossen und mit einem Deckel versehen, wobei die Anordnung so ist, dass der ganze genannte Deckel (der mit dem Ende der Rinne den Eimer 13 bildet) unter den Elektrolyten in der Kammer mit niedrigem Flüssigkeitsspiegel taucht. Falls gewünscht, kann der Löffel am erwähnten gegenüberliegenden Ende verbreitert werden.
Um den Löffel drehbar zu lagern, ist er in einigem Abstand von seinem Schwerpunkt mit Trägern in Form von Messerschneiden 14 versehen, welche in Sitzkerben 15 von solcher Form ruhen, dass der bewegliche Löffel frei auf den genannten Messerschneiden schaukeln kann. Eine wippende Bewegung zwischen der einen Randlage 16, bei der der Eimer 13 in die Flüssigkeit der Kammer 1 taucht und der Löffel nahe an die Trennwand 6 kommt, und der andern Randlage 17, bei der der Eimer gehoben und das offene Ende des Kanals gegen die Kammer 4 mit hohem Flüssigkeitsspiegel gerichtet wird, kann dem Löffel durch irgendeine geeignete Vorrichtung erteilt werden.
In der Anordnung, wie sie Fig. l - 3 zeigt, drückt eine durch den Deckel gleitende und vom Mantel 19 geführte Stösselstange mit ihrem unteren Ende 20 auf die Spitze des Löffels, u. zw. an einer Stelle, welche auf der dem Schwerpunkt des Löffels gegenüberliegenden Seite der Messerschneiden liegt. Der Eimer hebt sich daher, wenn sich die Stösselstange senkt, und sinkt auf Grund seines Gewichtes, wenn sich die Stösselstange hebt.
Die Stange 18 wird über eine Nocke 21 oder über eine hinzugebaute Verbindungsstange betätigt. Der Stössel 18 besteht vorzugsweise aus Metall mit Graphitüberzug, um ein leichtes Gleiten zu erreichen. Die Stange kann auch schwach geneigt verlaufen, anstatt der in der Zeichnung der Einfachheit halber gezeigten senkrechten Führung. Es wurde festgestellt, dass der Gasabschluss des Durchlasses 22 im Deckel ohne schädliche Auswirkungen undicht sein kann.
Die Anordnung, wie sie in Fig. 4, 5 und 6 gezeigt wird, ist der eben beschriebenen ähnlich, mit
<Desc/Clms Page number 4>
der Ausnahme, dass der Löffel mit Flanschen 27 versehen ist, die als Sitz dienen gegenüber dem nicht kreisförmigen (hier rechteckig gezeigten) Teil 26 einer Welle 23, deren Ende 24 aus dem Ofen heraussteht und dort mit einer geeigneten Vorrichtung verbunden wird, um eine axial wippende Bewegung zu erzielen. Die Anordnung ist vorzuziehen, wenn man mehr als einen Schöpflöffel verwendet. Die Vorrichtung zur Bewegung der Welle soll am besten von einer Art sein, welche eine Veränderung der Zahl der Bewegungen ermöglicht ; sie kann z. B. ein veränderliches Gesehwindigkeitsregelgetriebe enthalten.
Die Bedienung der in den Zeichnungen gezeigten Vorrichtungen ist einfach. Bei jeder Bewegung nimmt der Löffel mit seinem einen Ende eine festgesetzte Menge an Elektrolyt aus der Kammer mit niedrigem Flüssigkeitsspiegel auf, hebt sich und entleert über die Rinne derart, dass der Elektrolyt über die geneigte Oberfläche des Schlitzes in der Trennwand fliesst und sich schliesslich mit dem Elektrolyten in der Kammer mit hohem Flüssigkeitsspiegel vereinigt. Die so gehobene Elektrolytmenge kann leicht durch Veränderung der Zahl der Schöpfbewegungen pro Stunde so eingestellt werden, dass der Elektrolyt in der Kammer mit hohem Flüssigkeitsspiegel auf dem erforderlichen Niveau bleibt.
Ein Überlauf 25, dessen Schwelle der Höhe des höchstzulässigen Elektrolytstandes entspricht, kann zum Abfliessen eines Elektrolytiiberschusses in die Kammer mit niedrigem Flüssigkeitsspiegel vorgesehen werden, wie er z. B. auftreten kann, wenn sich die Kanäle zwischen den Elektrolysezellen verstopfen.
Der besonders einfache Mechanismus gewährleistet seine einwandfreie Bedienung.
Die Zahl der Schöpfbewegungen kann niedrig genug gehalten werden, um heftige Stösse und Drücke zu vermeiden, z. B. ist es möglich, bei einem verlangten durchschnittlichen Fluss von 100 cms/sec bei Verwendung eines zur Aufnahme von 500 cm3 pro Schöpfbewegung (bei niedrigstem Elektrolytstand in der unteren Kammer) dimensionierten Löffels nur eine Schöpfbewegung pro 5 sec durchzuführen ; eine noch geringere Zahl kann bei Vergrösserung des Fassungsvermögens des Löffels oder bei Verwendung von zwei Löffeln erzielt werden.
Ist es notwendig, die pro Schöpfbewegung gehobene Flüssigkeitsmenge zu vergrössern, so kann das Fassungsvermögen des Schöpfteiles des Löffels schon durch teilweises Bedecken der Rinne an seinem Ende vergrössert werden.
Die wie oben beschrieben angeordneten Messerschneiden bewirken nur einen Teil des Umlaufes und werden immer durch eine. senkrecht wirkende Kraftkomponente getroffen. Daher arbeiten diese Messerschneiden völlig zufriedenstellend. Sie geben eine sehr geringe Reibung und benötigen keine Schmierung oder Erhaltung.
Es gibt nur einen einzigen beweglichen Teil, der aus dem Ofen heraussteht. Die Öffnung, durch welche dieser geführt wird, stellt keine besonderen Ansprüche im Hinblick auf einen dichten Abschluss.
Es gibt weder Ventile noch andere heikle Teile, und der gesamte, dem Elektrolyten ausgesetzte Mechanismus besteht aus einem einzigen Stück, das keine genauen Ansprüche hinsichtlich Dimension oder Anpassung stellt und deshalb noch arbeiten kann, wenn es abgenützt oder verzerrt ist. Da ferner der Mechanismus sehr einfach entfernt oder ersetzt werden kann, weil er durch Abheben des Deckels sofort zugänglich ist, kann das Auswechseln, ohne Schwierigkeit und ohne Unterbrechung des Ofenbetriebes erfolgen.
Eine wirksame Wärmeisolierung der Kammern und der Vorrichtungen kann leicht erreicht werden, da an der einzigen Unterbrechung der Wand als Stelle direkten Wärmeverlustes, nämlich dem Durchlass für die Stösselstange 18 oder den Schaft 24, die Wärmeabgabe leicht auf einen vernachlässigbaren Wert vermindert werden kann, Der mechanische Betriebsaufwand kann durch geeignete Anordnung der Lage des Löffeischwerpunktes durch Gegenwägen auf ein Minimum herabgedrückt werden ; daher verringern sich Einbau- und Betriebskosten der gesamten Vorrichtung auf einen Bruchteil der Kosten bei andern bisher vorgeschlagenen Mechanismen für analoge Zwecke.
Infolge der Zuverlässigkeit des Betriebes und der Wirksamkeit der Vorrichtung wird durch die gegenständliche Erfindung das Problem des Hebens des geschmolzenen Elektrolyten in Öfen vom PerlenschnurTyp in sehr zufriedenstellender Weise gelöst.
Abgesehen von ihrer nützlichen Anwendung auf Öfen vom Perlenschnur-Typ kann die Vorrichtung in allen Fällen mit Vorteil benützt werden, wo es notwendig ist, kleine fixierte oder veränderliche Flüssigkeitsmengen über wenige Dezimeter zu heben, u. zw. unter solchen Bedingungen von Temperatur oder Korrosion, dass der sichere Betrieb komplizierterer Einrichtungen schwierig ist.
Es ist selbstverständlich, dass der Umfang der gegenständlichen Erfindung nicht durch die Beispiele eingeschränkt wird, welche hier im besonderen gegeben wurden, sondern ebenso strukturelle und funktionelle Analogiefälle beinhaltet.