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Elektrolyseofen für die Herstellung von Aluminium und Verfahren zu dessen Betrieb
In dem Bestreben, die Wirtschaftlichkeit der Erzeugung von Hüttenaluminium durch Schmelzfluss- elektrolyse immer weiter zu verbessern, hat man die Aluminiumöfen in den letzten Jahrzehnten für immer höhere Stromstärken gebaut und die für den Betrieb der Öfen erforderlichen Arbeitsvorgänge mehr und mehr mechanisiert.
So hat man z. B. bei Öfen mit selbstbackenden Söderberg-Anoden den Transport der frischen Kohle- masse und ihr Aufbringen auf die Anode weitgehend mechanisiert und dazu verschiedene Chargierungs- methoden sowie die entsprechenden Einrichtungen und Hilfsmittel entwickelt. Ebenso hat man bei Alu- minium-Elektrolyseöfen, die mit vorgebrannten Anoden betrieben werden, insbesondere den Transport der neu in den Ofen einzusetzenden Anoden und der aus dem Ofen zu entfernenden Anodenreste mit der Zeit mehr und mehr mechanisiert. Auch hat man verschiedene Vorrichtungen für das Ziehen und das Setzen der seitlichen oder vertikalen Stromzuführungsbolzen der selbstbackenden Anoden entwickelt.
Besonders aber ist die Arbeit des Einstossens der Kruste auf dem Schmelzfluss in Aluminium-Elektrolyseöfen sowie das Auftragen der Tonerde nach erfolgtem Einstossen und Wiedererhärten der Oberfläche des Ofenflusses weitgehend mechanisiert worden.
Bekanntlich wird die Kruste der Öfen, auf die jeweils die Tonerde aufgetragen wird, eingeschlagen, wenn der Ofen den Anodeneffekt zeigt, d. h. wenn der Ofenfluss soweit an Tonerde verarmt ist, dass eine Passivierung der Anode eintritt, wodurch sich die Spannung des Ofens um ein Mehrfaches der normalen erhöht. Man spricht dann auch von einem "Zünden". Durch das Einschlagen der Kruste wird die Konzentration des Ofenflusses an Tonerde erhöht und der Anodeneffekt beseitigt. Auch zwischen zwei aufeinanderfolgenden Anodeneffekten wird die Kruste des Aluminium-Elektrolyseofens im allgemeinen noch einmal oder mehrere Male eingestossen, damit die Anzahl der Anodeneffekte verringert und ein möglichst kalter Ofengang erzielt wird.
Diese Arbeit wurde früher von Hand mittels Stossstangen ausgeführt. Seit einigen Jahrzehnten werden hiefür meist mit Pressluft angetriebene Krusteneinschlagmaschinen benützt, die fahrbar sind, mit Menschenkraft bedient werden und mit denen die Krusten der Öfen der Reihe nach eingeschlagen werden.
Nach dem Einstossen der Kruste wird, sobald die Oberfläche des Ofenflusses wieder erstarrt ist, Tonerde aufgetragen. Auch das Auftragen der Tonerde wurde früher von Hand unter Verwendung von tragbaren Kübeln vorgenommen, in welche Tonerde aus grösseren Behältern eingefüllt wurde. Heute wird die Tonerde durch mechanische Transportmittel, z. B. in über den Öfen angebrachten Vorratsbehältern, befördert, von wo sie auf die Ofenkruste gelangt.
Trotz der Anwendung dieser mechanischen Hilfsmittel für das Einstossen der Ofenkruste und das Auftragen der Tonerde ist der Arbeitsaufwand für diese Operationen auch heute im allgemeinen immer noch verhältnismässig hoch im Vergleich zum Arbeitsaufwand für das Chargieren der Söderberg-Anoden, das Auswechseln der Blockanoden und das Ziehen und Stecken der Stromzuführungsbolzen. Der Grund hiefür liegt darin, dass die Krusten der Öfen verhältnismässig häufig (etwa jede 2. - 4. Stunde) eingeschlagen und entsprechend oft mit Tonerde chargiert werden müssen, und dass heute noch sowohl für die Steuerung der Krusteneinschlagmaschinen als auch für das Füllen und Entleeren der Tonerdebehälter menschliche Arbeitskraft angewendet wird.
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Bei den Öfen mit vorgebrannten Kohleelektroden wird die Kruste am Rande des schmelzflüssigen Bades eingeschlagen, aber auch zwischen den einzelnen Elektroden, so dass der Ofenfluss gut durchgerührt wird. Bei Aluminiumöfen mit Söderberg-Elektrode deckt die Elektrode den ganzen Mittelteil des Bades, so dass die Elektrolytschicht weniger zugänglich ist und nur am Umfang der Elektrode gearbeitet werden
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vorgeschlagen, Arbeitsöffnungen in der Söderberg-Elektrode vorzusehen oder diese aus zwei im Quer- schnitt halbrunden Teilen zusammenzusetzen, die voneinander durch einen Zwischenraum getrennt sind.
Es sind. auch Öfen bekannt, die mit zwei Reihen eng aneinander gerückter, vorgebrannter Anoden- blöcke ausgerüstet sind, welche so angeordnet sind, dass in der Längsachse des Ofens ein Zwischenraum zwischen den Anodenreihen verbleibt, über dem Tonerdebehälter angeordnet sind, aus denen durch Hand- betätigung eines Griffes Tonerde portionenweise auf die Ofenkraste im erwähnten Zwischenraum abgelas- sen werden kann.
In der Mitte sind an den beiden Stirnseiten der Kathodenwanne Rollen angebracht, auf denen von beiden Stirnseiten her lange Stangen bis zur Ofenmitte hin-und herbewegt werden können, die an den nach dem Ofeninnern weisenden Enden abgekröpft und aussen mit einem Handgriff versehen sind ; mittels dieser Stangen wird die Ofenkruste im Zwischenraum zwischen den Anodenreihen von Hand ein- gestossen und auf diese Weise die auf der Kruste aufliegende Tonerde in den Ofenfluss eingebracht. Nach dem Einstossvorgang wird eine neue Portion Tonerde aus den Tonerdebehältern auf die neu gebildete
Kruste im erwähnten Zwischenraum abgelassen.
Bei den geschilderten bekannten Ofentypen erfolgt also das Einschlagen der Krusten von Hand ; ebenso werden die Tonerdebehälter über den Öfen von Hand bedient.
Diese Ofentypen weisen, obwohl damit verhältnismässig günstige Betriebsergebnisse erzielt werden, erhebliche Nachteile auf. Der Arbeitsaufwand für das Einstossen der Kruste ist besonders hoch. Den Zwi- schenraum zwischen den Anodenreihen muss man verhältnismässig eng halten, um nicht Gefahr zu laufen, dass sich im Ofen zwei voneinander unabhängige Metallsümpfe bilden. Infolgedessen muss auch die Men- ge an Tonerde, die jeweils beim Einstossvorgang in den Ofenfluss gelangt, relativ gering gehalten werden.
Obwohl der von Hand ausgeführte Einstossvorgang bei den bekannten Ofentypen mit vorgebrannten
Anodenblöcken zuweilen verhältnismässig oft, sogar alle 2 Stunden und ausserdem noch beim Anoden- effekt erfolgt, ist es. nicht zu vermeiden, dass häufig eine stark ungleichmässige Verteilung der in den Ofenfluss gelangenden Tonerde über die gesamte Länge des Raumes zwischen den beiden Anodenreihen erfolgt. So kommt es oft vor, dass mit Tonerde zu stark angehäufte Krustenstücke in den Ofenfluss ge- langen. Bekanntlich ist die Dichte des Ofenflusses mit hohem Tonerdegehalt grösser als die des flüssigen
Metalles. Die Krustenstücke mit hohem Tonerdegehalt sinken daher auf den Boden in den Zwischenräu- men zwischen den beiden Anodenreihen, wo sie mit der Zeit einen äusserst festen, elektrisch isolierenden
Bodenbelag bilden.
Hiedurch wird der aus den Anoden in den Ofenfluss fliessende Strom nach den äusseren
Längsseiten des Ofens abgedrängt, der Ofen fängt an"hohlzugehen", d. h. der auf den Wannenwänden erstarrte Elektrolytbelag und schliesslich auch der Kohlerand werden in ihrem unteren Teil ausgehöhlt, wodurch die Stromausbeute erfahrungsgemäss mit der Zeit erheblich absinkt ; man erhält Werte für die Stromausbeute, die höchstens 8to betragen.
Zur Beseitigung der. erwähnten Nachteile werden diese Öfen bekanntlich mit besonders schmalen Kohlerändern ausgeführt und der Abstand der Anoden vom Kohlerand wird so gering wie möglich gehalten. Auf diese Weise erfolgt eine erhebliche Abkühlung des Bades an den Längsseiten, die Kohleränder bedecken sich innen mit einer dünnen, erstarrten Flusskruste, die elektrisch gut isoliert und die bewirkt, dass der Strom aus den Anoden zunächst vorwiegend in senkrechter Richtung austritt. Mit der Bildung des vorerwähnten Bodensatzes in der Mitte des Ofens wird jedoch die seitliche Stromstreuung an den äusseren Anodenecken mit der Zeit immer grösser, so dass die Kohleränder der Öfen dennoch verhältnismässig schnell ausgehöhlt werden.
Auf diese Erscheinung ist es zurückzuführen, dass die Kathodenwannen dieser Öfen häufig, u. zw. mindestens alle 11/2 Jahre, ausgewechselt oder erneuert werden müssen, wenn Wert darauf gelegt wird, dass die Öfen weiter mit günstigen Betriebsergebnissen arbeiten. Vergleichsweise sei erwähnt, dass das Lebensalter der Kathodenwannen von Öfen, die normalerweise an den Aussenseiten bedient werden, etwa 3 bis 4 Jahre beträgt.
Es wurde auch bereits vorgeschlagen, das Einbrechen der Kruste zu automatisieren. So wird in der deutschen Patentschrift Nr. 895379 vorgeschlagen, in der Mitte des Ofens eine rotierende Walze mit Arbeitszähnen aus warmfestem Material, wie Quarz, keramischer Spezialmasse od. dgl., anzuordnen.
Bei jedem Anodeneffekt soll die Spannungserhöhung eine mit Gleichstrom vormagnetisierteRegeldrossel derart beeinflussen, dass der über diese Drossel gespeiste Antriebsmotor die Rührvorrichtung in Gang setzt. Diese Vorrichtung weist aber den Nachteil auf, dass sie in der Mitte des Ofens sehr viel Platz beansprucht.
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Ausserdem bleibt mindestens ein Zahn während der Arbeitspause immer in der Elektrolytschmelze einge- taucht, so dass diese Walze aus einem Material bestehen muss, das dem bei der Arbeitstemperatur von ungefähr 9000C sehr stark angreifenden Fluoridelektrolyten widersteht. Solche Materialien sind nicht nur sehr teuer, sondern auch zerbrechlich, was einen weiteren Nachteil dieser Konstruktion darstellt.
Die geschilderten Nachteile der bisherigen Öfen werden bei der Ofenkonstruktion gemäss Erfindung vermieden. Ausserdem arbeiten die erfindungsgemässen Öfen mit günstigerer Spannung und höherer Strom- ausbeute als die bekannten Ofentypen, so dass mit ihnen günstigere Betriebsergebnisse erzielt werden kön- nen. Sie können auch in bezug auf das Einschlagen der Kruste und die Chargierung der Tonerde vollauto- matisch betrieben werden, so dass also ein grosser Teil an Arbeitskraft, der zurzeit noch für den Betrieb der Aluminium-Elektrolyseöfen aufgewendet wird, praktisch völlig entfällt. Die sonstigen bei Söderberg- Öfen erforderlichen Arbeitsprozesse, z.
B. das Auftragen der Söderbergmasse auf die Anoden, das Ziehen und Setzen der Bolzen usw. werden auch bei den Öfen gemäss Erfindung in bekannter Weise unter weit- gehender Verwendung maschineller Hilfsmittel durchgeführt.
Ein gemäss der Erfindung ausgebildeter Ofen für die Herstellung von Aluminium durch Schmelzfluss- elektrolyse ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass sein Anodenbereich in voneinander getrennte
Hälften geteilt ist, zwischen denen ein in der Längsachse des Ofens verlaufender schmaler Zwischenraum verbleibt, wobei in diesem Zwischenraum eine maschinenangetriebene, im wesentlichen in vertikaler Richtung wirkende und über die ganze Länge des Anodenbereiches reichende Krusteneinschlagvorrichtung angeordnet ist. Als Anodenbereich wird dabei die Horizontalfläche verstanden, über die sich die Anode im Falle von Öfen mit einer selbstbackenden Anode erstreckt oder die von den Anoden und deren Zwischenräumen im Falle von mehr als zwei selbstbackenden oder vorgebrannten Anoden überdeckt wird.
Die Öfen gemäss Erfindung können also sowohl als Öfen mit üblichen Söderberg-Anoden als auch als Öfen mit selbstbackenden kontinuierlichen Blockanoden (Anoden aus gepressten, nicht gebrannten Anodenblöcken, die kontinuierlich aufgesetzt werden) oder auch als Öfen mit vorgebrannten Anoden ausgeführt werden. Die erfindungsgemässe Ofenkonstruktion ist für Öfen mit im wesentlichen länglichem, z. B. rechteckigem oder ovalem Grundriss, besonders geeignet.
Die im Zwischenraum angeordnete Krusteneinschlagvorrichtung besteht aus mindestens einem durchgehenden Balken, der mit nach unten gerichteten Brechwerkzeugen, z. B. Brechmeisseln, versehen ist. Diese Balken können als Hebelarme ausgebildet sein, die in der Verlängerung des Zwischenraumes auf der einen Seite des Ofens gelagert sind und auf der andern Seite mechanisch auf- und abwärts bewegt werden. Als Antriebsmittel kommen z. B. pneumatische oder hydraulische Druckzylinder in Frage oder auch Kniegelenke oder Exzenter, die durch Elektromotoren betätigt werden, welche durch Druckknopfbetätigung oder durch eine automatische Schaltvorrichtung gesteuert werden.
Sowohl die Lagerung des Hebelarmes als auch die Antriebsmittel sind auf den Seiten des Ofens ausserhalb des Anodenbereiches angeordnet. Damit werden sie einerseits vor den Ofenabgasen und der Hitze geschützt und anderseits bleibt der Zwischenraum oberhalb der Balken für das Einbauen von Abgas-Auffangvorrichtungen frei. Durch eine Haube oder durch seitliche Verschlussbleche kann nämlich der Raum zwischen beiden Anodenbereichen zugedeckt werden ; die in diesen Raum hineintretenden Abgase können mit der darin enthaltenen Luft in bekannter Weise abgesaugt und den bekannten Absorptionsanlagen zugeführt werden.
Zweckmässig werden zwei derartige Hebelarme, einer an der einen und einer an der gegenüberliegenden Seite des Ofens, symmetrisch zueinander angeordnet, damit eine breite Einstossfläche erzielt wird. Man erreicht durch Anordnung zweier Hebelarme und dadurch, dass man die Brechwerkzeuge an der dem Drehpunkt ahgewendeten Hälfte des Hebelarmes anordnet, eine genügend grosse Einstosstiefe, so dass nicht nur die Krustenoberfläche gebrochen wird, sondern auch die entstehenden Krustenbruchstücke in das flüssige Band eingestossen werden. Beim Einstossvorgang fällt die auf der Kruste lagernde Tonerde in den Ofenfluss, wodurch die Konzentration des Flusses an Tonerde erhöht wird. Über den Einstosshebeln ist im Raum zwischen den Anodenhälften ein Tonerdebehälter angeordnet, der in seinem Boden Auslauföffnungen aufweist.
Das Austragen der Tonerde geschieht zweckmässig nach folgendem Verfahren : Die Tonerde ruht im Vorratsbehälter auf einem porösen Boden und kann mittels Luft, die durch die Platten gedrückt wird, aufgelockert werden, so dass das Fliessvermögen der Tonerde erhöht wird und diese aus den Öffnungen des Behälters in gleichmässigem Fluss ausläuft. Das Auslaufen der Tonerde kann auch in anderer Weise bewirkt werden, z. B. durch Betätigung von Schleusenverschlüssen.
Nach erfolgtem Einschlagvorgang wird ein genau dosierter Teil der Tonerde aus dem Vorratsbehälter, vorzugsweise durch automatische Betätigung der Ausläufe, auf die inzwischen wieder entstandene Kruste abgelassen.
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Eine weitere Ausführungsmöglichkeit der Krusteneinschlagvorrichtung besteht darin, dass diese durch mindestens einen durchgehenden, mit nach unten gerichteten Brechwerkzeugen, z. B. Meisseln, versehe- nen Balken gebildet wird, der an beiden Enden angetrieben und auf seiner ganzen Länge auf-und/oder abwärts-bewegt wird. Auch in diesem Falle befinden sich die Antriebsmittel ausserhalb des Anodenbe- reiches.
Bei den erfindungsgemässen Elektrolyseöfen lässt sich auch die an sich bekannte Regulierung der effektiven Spannung auf die"Sollspannung"mittels eines automatischen Reglers durchführen. Dies ge- schieht durch Einstellen der Anoden auf die richtige Höhe, so dass zwischen den Anoden und dem katho- dischen Wannenboden ein solcher Abstand besteht, dass sich zwischen den Elektroden die für den betref- fenden Ofen günstigste Spannung ergibt.
Zu diesem Zweck wird nach jeder automatischen Bedienung des Ofens (Krusteneinbrechen und Ton- erdechargierung) die effektive Ofenspannung selbsttätig für eine kurze Regulierzeit auf den Regler ge- schaltet ; es braucht daher nur ein einziger Spannungsregler für eine Mehrzahl von Öfen vorhanden zu sein, wenn die durch diesen Regler gesteuerten Öfen mit der gleichen "Sollspannung" arbeiten oder wenn der
Regler auf die verschiedenenSollspannungen der einzelnen gesteuerten Öfen automatisch eingestellt wer- den kann. Auf diese Weise wird der Rundgang des Meisters durch die Ofenhalle zum Regulieren der Span- nung der Öfen nachgeahmt. Selbstverständlich ist es auch möglich, an jedem Ofen einen besonderen
Spannungsregler anzubringen.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung werden folgende Vorgänge durch eine
Programmsteuerung automatisch betätigt : Das Ein- und Ausschalten der Einstosswerkzeuge, die Zuführung der Tonerde und die Regulierung der Ofenspannung, insbesondere das Wiedereinstellen der Sollspannung nach dem Einschlagen der Kruste.
Näheres über den erfindungsgemässen Elektrolyseofen mit maschineller Krusteneinschlagvorrichtung wird an Hand der Zeichnungen erläutert, die verschiedene Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstan- des darstellen.
Die Fig. 1 - 3 zeigen im Querschnitt und zum Teil in Seitenansicht rechteckige Elektrolyseöfen mit in der Vertikalebene und in der Längsachse des Ofens eingebauten Krusteneinschlagvorrichtungen und
Tonerdezuführungsvorrichtungen, u. zw. betrifft Fig. 1 den Fall eines Elektrolyseofens mit vorgebrannten Kohleanoden, Fig. 2 den Fall eines Elektrolyseofens mit Söderberg-Anoden mit seitlichen Stromzufüh- rungsbolzen und Fig. 3 den Fall eines Elektrolyseofens mit Söderberg-Anoden mit vertikalen Stromzufüh- rungsbolzen. An Hand eines Vertikalschnittes in der Mittelebene eines Elektrolyseofens nach den Fig. 2 oder 3 zeigen die Fig. 4 und 5 zwei Varianten der Krusteneinschlagvorrichtung.
Die in den verschiedenen Figuren dargestellten Elektrolyseöfen umfassen eine Wanne 1, die mit feuerfesten Steinen 2 und Kohlemasse 3 ausgekleidet ist. In der Kohleauskleidung 3 sind Stromschie- nen 4 für die kathodische Stromzuleitung eingebettet. In der Wanne befinden sich die Schicht 5 aus geschmolzenem, abgeschiedenem Aluminium und das aus geschmolzenen Fluoriden bestehende Elektrolytbad 6, dessen Oberfläche zu einer Kruste 7 erstarrt ist. Zum Aufhängen des anodischen Teiles des Ofens dient ein Traggerüst 8, auf dessen oberen Querbalken sich Hubwerks 9 befinden, die durch einen Motor 10 über Verteilergetriebe 11 und Quer- und Längswellen 12 bzw. 13 angetrieben werden. Diese Hubwerke 9 wirken auf Hebe- und Senkspindeln 14, welche das Anodengerüst 15 und die dazugehörenden anodischen Stromleiter 16 tragen.
Am Anodengerüst 15 sind die Kontakt-oder Anodenstangen 17 befestigt, welche einerseits mit dem anodischen Stromleiter 16, anderseits mit in der Anode oder den Anoden 18, 19 eingesteckten Stromzuführungsbolzen 20,21, 22 verbunden sind und damit die Anode oder die Anoden tragen und mit elektrischem Strom versorgen. Durch Betätigen des Hubsystems mit dem Motor 10 lässt sich das Anodengerüst 15 und damit die ganze Anodengruppe in der Höhe verstellen. Auf diese Weise ist es möglich, die Anodengruppe auf eine solche Höhe einzustellen, dass zwischen den Anoden und dem kathodischen Wannenboden die gewünschte Spannung herrscht.
Der in Fig. 1 dargestellte Ofen ist mit vorgebrannten Anodenblöcken 18 ausgerüstet, die in zwei in Längsrichtung des Ofens verlaufenden Reihen angeordnet sind, u. zw. derart, dass zwischen den beiden Reihen ein in der Längsachse des Ofens verlaufender Zwischenraum 23 gebildet wird, dessen Breite vorzugsweise 20 - 70 cm beträgt. Der Anodenbereich ist also in durch einen in der Ofenlängsachse verlaufenden Zwischenraum voneinander getrennte Hälften geteilt. In diesem Zwischenraum 23 ist, ebenfalls in Längsrichtung des Ofens, die im wesentlichen in vertikaler Richtung wirkende Krusteneinschlagvorrichtung angeordnet. Diese Vorrichtung besteht aus zwei Balken 24,25, die mit nach unten gerichteten Meisseln 26 versehen sind.
Die Balken der Krusteneinschlagvorrichtung sind in vertikaler Richtung beweg- lich ; in einem bestimmten Augenblick liegt der eine Balken in seiner höchsten Stellung, der andere in
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;lung sind die beiden Balken in der Hochlage gehalten, damit die Spitzen der Meissel nicht dauernd in der starlt angreifenden Elektrolytschmelze eingetaucilt bleiben. Selbstverständlich wäre es auch möglich, die beiden Balken 24 und 23 gleichzeitig abzusenken und darauf gleichzeitig zu heben.
Im mittleren Zwischenraum 23 ist auch ein Tonerdevorratsbehälter 27 angeordnet, der an seinem unteren Teil steuerbare Auslassöffnungen 28 aufweist.
Die Öfen nach den Fig. 2 und 3 sind je mit zwei in Längsrichtung des Ofens verlaufenden selbst- backenden Anoden 19 ausgerüstet, so dass der Anodenbereich hier wieder in durch einen in der Längs- achse des Ofens verlaufenden Zwischenraum 23 voneinander getrennte Hälften geteilt ist. Die beiden
Anoden sind je von einem zum Teil doppelwandigen Mantel 29 eingefasst, der durch die Stangen 30 am
Gerüst 8 aufgehängt ist und ausserdem rings um den Anodenberei. ch eine Gassammelhaube 31 bildet. Im
Ofen nach Fig. 2 wird der elektrische Strom durch mit den anodischen Stromschienen 16 über Stangen 17 verbundene seitliche Stromzuführungsbolzen 21 zu den beiden Anoden geführt. Für diese seitlichen Bol- zen 21 ist die Möglichkeit gegeben, mit der Anode herunterzuwandern, indem sie in Vertikalschlitzen im
Anodenmantel angeordnet sind.
Mit Ausnahme seines oberen Teiles, welcher den durchgehenden Gassammelkanal bildet, ist also der Anodenmantel nicht kontinuierlich, sondern besteht aus einzelnen in den oberen Sammelkanal einmündenden kastenförmigen Vertikalsäulen, in welchen die Abgase hochströ- men und zwischen welchen die seitlichen Strombolzen angeordnet sind. In Fig. 2 ist hinter den Bolzen 21 je eine Seitenwand einer solchen Vertikalsäule des Mantels in Ansicht dargestellt. Im Ofen nach Fig. 3 übernehmen vertikale Bolzen 22 die Stromzuführung von den Anodellschicnen 16 zu den Anoden 19.
Zwischen den beiden Anoden 19 ist bei diesen Öfen ein 20-70 cm breiter Zwischenraum 23 vorhanden, in welchem die Krusteneinschlagvorrichtung, genau wie bei dem in Fig. 1 dargestellten Ofen, und der Tonerdevorratsbehälter 27 angeordnet sind. Vom Behälter 27 fliesst die Tonerde durch die an den Seiten des Zwischenraumes vorhandenen Kanäle 36. Der Behälter 27 weist einen Doppelboden auf, dessen obere Lage aus porösen Platten 32 besteht. Wird in den Bodenzwischenraum durch die Leitungen 33 und Düsen 34 Druckluft eingelassen, so dringt diese durch die porösen Platten 32 durch und lockert die im Behälter vorhandene Tonerde auf, die sodann durch die gelochten Wände 33 wie eine Flüssigkeit herunterfliesst und durch die Kanäle 36 ausströmt.
Im Rahmen der Erfindung lässt sich die in der mittleren Längsebene des Ofens eingebaute Krusteneinschlagvorrichtung auf verschiedene Arten ausführen. Zwei mögliche Bauarten sind in den Fig. 4 und 5 gezeigt, welche Vertikalschnitte durch die Längsachse von rechteckigen Elektrolyseöfen darstellen.
Bei der in Fig. 4 dargestellten Bauweise besteht die Krusteneinschlagvorrichtung aus zwei über den ganzen Anodenbereich durchgehenden und auf den beiden Stirnseiten des Anodenbereiches vorspringenden, hebelartigen Balken 24 und 2 :), wobei nur der auf der einen Seite der Ofenmittelebene befindliche Balken 25 gezeichnet ist und der zweite, auf der andern Seite der Ofenmittelebene befindliche Balken 24, der seitenverkehrt angeordnet, aber sonst gleich wie der Balken 25 gestaltet ist, nicht dargestellt ist. Der Balken 25 ist an der einen Stirnseite des Ofens auf einer mit dem Ofengerüst verbundenen Achse 37 gelagert und wird an seinem andern Ende durch einen hydraulischen oder pneumatischen Druckzylinder 38, der sich über dem Flansch 39 am Ofengerüst abstützt, bewegt.
Der Balken 25 ist mit nach unten gerichteten Brechmeisseln 26 versehen, aber nur auf der vom Drehpunkt entfernteren Hälfte des Balkens, da dieser auf seiner andern Hälfte, in der Nähe seines Drehpunktes, nur einen relativ kleinen Hub hat. Damit in der Tieflage die mit Meisseln versehene Balkenhälfte horizontal liegt und die Kruste bis zu einer regelmässigen Tiefe ins Bad einstösst, ist der Balken in seiner Mitte leicht gebogen. Ein Anschlag 40 vermeidet, dass die Meissel zu tief in das Bad eindringen. Der Balken 25 ist gestrichelt in seiner Hochlage gezeigt, die mit der Ruhestellung zusammenfällt. Es ist noch möglich, eine Arretierung 41 für den Balken in Ruhestellung vorzusehen.
Zum Auffangen der zwischen den beiden Anoden entweichenden Abgase Ist der Zwischenraum an seinen beiden Enden mit einer Blechhaube 42 geschlossen. Die Abgase werden im Kamin 43 unter Frischluftzufuhr verbrannt und dann zur Reinigungsanlage geführt. In diesen Kamin 43 münden auch die Ableitungen der Gassammelhauben 31 der beiden kontinuierlichen Anoden. Es wäre aber auch möglich, auf der dem Zwischenraum 23 zugekehrten Seite der Anoden 19 einen Sammelkanal, entsprechend dem Sammelkanal 31, anzubringen und dann den Zwischenraum 23 an beiden Enden offen zu lassen, wodurch, wenn nötig, eine bessere Abkühlung der Anodeninnenwände erreicht werden kann.
Bei der in Fig. 5 dargestellten Bauweise ist die Krusteneinschlagvorrichtung mit mindestens einem über die ganze Länge des Anodenbereiches durchgehenden und auf beiden Stirnseiten des Anodenbereiches vorspringenden geraden Balken 25 ausgerüstet, der an seinen beiden Enden durch Druckzylinder 38 ange-
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trieben wird. Dieser Balken 25 kann daher auf seiner ganzen Länge in gleichem Masse auf-und abtVärts- bewegt werden und aus diesem Grunde auf seiner ganzen nützlichen Länge mit Meisseln 26 versehen sein.
In Fig. 5 ist der anodische Teil des Elektrolyseofens nur angedeutet.
Die in den Fig. 4 und 5 dargestellten krusteneinschlagvorrichtungen lassen sich bei den Ofentypen nach Fig. 1,2 oder 3 anwenden.
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vertikaler Richtung angetrieben. Es ist aber auch noch möglich, die Balken durch geeignete Antriebs- mittel quer zu ihrer Längsrichtung oder auch in ihrer Längsrichtung zu bewegen, um damit neben dem
Einstossen der Kruste noch ein besseres Durchrühren des Bades zu erzielen. Es lassen sich zu diesem Zweck als Antriebsmittel z. B. Exzenter verwenden, die auch mit dem bereits beschriebenen Druckzylinder zur
Erzielung von dreidimensionalen Bewegungen der Brechwerkzeuge kombiniert werden können.
Die zur beschriebenen Krusteneinschlagvorrichtung gehörenden Antriebsmittel samt Motoren können durch Druckknopfbetätigung zur gegebenen Zeit angelassen-und gestoppt werden. Bei einer vorteilhaften
Ausführung werden der Einstossvorgang sowie das Beschicken des Ofens mit Tonerde und die Regulierung der Spannung durch einen Programmregler bewirkt, der bezüglich der beiden erstgenannten Vorgänge z. B. elektropneumatisch arbeitet, während der Spannungsregler z. B. über Magnetverstärker auf kontakt- elektrischem Wege funktioniert und den Motor 10 zum Heben oder Senken der Anode steuert.
Durch diesen Programmregler können beispielsweise sowohl die Zeitabstände zwischen den einzelnen Einstossvorgängen, die Dauer des Einstossvorganges (z. B. 1/ - 3 Minuten), das Zeitintervall zwischen dem Ende des Einstossvorganges und dem Beginn der Tonerdezugabe (z. B. 1/2 - :) Minuten), die Dauer des Ausfliessens von Tonerde aus dem Vorratsbehälter sowie auch die Ofenspannung geregelt werden.
'Die automatische Bedienung wird in jedem Falle durch den Anodeneffekt, d. h. durch die dabei auftretende plötzliche Spannungserhöhung, über den Spannungsregler ausgelöst. Man hat es ausserdem in der . Hand, die Programmsteuerung so einzustellen, dass der Ofen zwischen zwei Anodeneffekten weiterhin noch einmal oder mehrere Male automatisch eingestossen und automatisch mit Tonerde chargiert wird. Nach dem Einstoss- und Chargienorgang stellt der Spannungsregler den Ofen wieder auf Sollspannung ein.
Erfolgt in einer vorgegebenen Zeit kein Anodeneffekt, so kann z. B. die Steuerung selbsttätig die Tonerdezugabe nach jedem Einstossvorgang vermindern oder ganz abstellen, bis der Anodencffekt wieder eingetreten ist. Zweckmässig wird der Takt der Chargierungen überhaupt etwa einmal pro Tag unterbrochen, um wenigstens täglich einmal den Anodeneffekt herbeizuführen.
Vorzugsweise wird in Zeitabständen von z. B. 30 Minuten, 1 Stunde, 1 1/2 oder 2 Stunden, die Km- steneinschlagvorrichtung automatisch in Gang gesetzt, welche die Tonerde in das Schmelzbad bei gleichzeitigem Einbrechen der Kruste einstösst.Unminelbar oder kurz darauf wird automatisch die neue Tonerdemenge aus dem Vorratsbehälter ausgelassen und fällt auf die in der Zwischenzeit wieder gebildete Kruste. Diese Tonerde schützt die Badoberfläche or Erkalten und wird gleichzeitig für das nächste Einstossen vorgewärmt. Durch die Zeitdauer der Betätigung der Auslaufvorrichtung wird die Tonerdemenge so genau wie möglich reguliert, um eine bestimmte Konzentration der Tonerde im Ofenfluss nicht zu überschreiten.
Die nicht vermeidbaren Genauigkeitstoleranzen bei der Dosierung der Tonerde werden dadurch berücksichtigt, dass, wie oben erwähnt, bei ausbleibendem "Zünden" automatisch weniger Tonerde aufgegeben wird, so lange, bis wieder ein neuer Anodeneffekt auftritt. Die Programmsteuerung kann weiterhin so eingerichtet werden, dass bei zu häufigem Zünden des Ofens automatisch mehr Tonerde eingetragen wird.
Es kann aber auch vorkommen, dass einmal ans irgendeinem Grunde die notwendige Tonerdemenge nicht eingestossen wird oder sich zumindest nicht im Elektrolyten auflöst. In einem solchen Falle wird vor Ablauf der normalen Periode und also vor einem automatischen Anlassen der Krusteneinschlagvorrichtung und der Tonerdezugabevorrichtung ein Anodeneffekt auftreten. Die Programmsteuerung der er-
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reagiert und die notwendigen Vorgänge in Gang setzt.
Durch die Anordnung der automatischen Einstossvorrichtungzwischen den beiden Anoden mittels mindestens zweier Breehwerkzeuge, Vorzngsweise einer grösseren Anzahldavon.wirderreicht.dassdasEinstossender Tonerde in den Fluss über den ganzen Zwischenraum zwischen den Anoden gleichmässig erfolgt und keine Krustemeile mit allzu hoher Tonerdekonzentration lokal zu Boden sinken, weil die Kruste im Innern des Dfens zwischen den beiden relativ heissen Anodenhälften weich ist und sich leicht einstossen lässt.
Bei den bekannten Öfen sind die Krusten an den Aussenseiten des Ofens verhältnismässig kompakt, weil sie an den kühleren Rändern des Ofens in zusammenhängenden Stücken erstarren, die dann beim Einstossvorgang in den Fluss gelangen. Dieser Vorgang ist bei den Öfen, die von den Aussenseiten her be-
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dient werden, geradezu erwünscht. Mit den zusammenhängenden Stücken erstarrten Flusses gelangen nämlich gleichzeitig Anhäufungen von Tonerde in den Fluss, sinken auf den Boden ab und bilden hier Verkrustungen der Seitenwände der Ofenwanne. Durch diese Verkrustungen der Seitenwände, die am Wannenboden bis etwa zum äusseren Rand der Anode reichen, wird der Kohlerand geschützt und das Flussund Metallbad des Ofens eng gehalten.
Dadurch wird wieder der Strom auf die Kathode konzentriert und der Spiegel des an der Kathode abgeschiedenen Metalles steigt schnell an. Durch beide Vorgänge wird erfahrungsgemäss die Stromausbeute günstig beeinflusst.
Dagegen ist bei den erfindungsgemässen Öfen, die in der Mitte im Zwischenraum zwischen den beiden Anoden bzw. zwischen den beiden Reihen von Anodenblöcken bedient werden (d. h. bei denen die
Kruste zwischen den beiden Anoden bzw. zwischen den beiden Reihen von Anodenblöcken gebrochen wird), der Vorgang der Bildung von Bodensatz beim Einstossvorgang unerwünscht. Wie erwähnt, bewirkt dieser
Bodensatz beim Einstossvorgang in der Mitte eineAbdrängung des Stromes nach den Aussenseiten der Kathodenwanne, ein"Hohlgehen"des Ofens und damit eine Verschlechterung insbesondere der Stromausbeute.
Dieser Nachteil wird jedoch bei der Ofenkonstruktion gemäss Erfindung mit maschineller Einschlagvorrichtung in der Mitte vermieden.
Bei Verwendung einer selbsttätigen Einstossvorrichtung und Tonerdeaufgabe mit elektropneumatischer Schaltapparatur besteht die Möglichkeit, die automatische Bedienung des Ofens oft erfolgen zu lassen.
Die Schalteinrichtung wird so eingestellt, dass die Kruste häufig eingeschlagen wird. Das Einschlagen der Kruste und die Tonerdezugabe können mittels einer automatischen Einrichtung ununterbrochen erfolgen.
Um die Einrichtung zu schonen, wird man jedoch die maschinelle Vorrichtung praktisch nicht kontinuierlich, sondern ein-oder mehrmals in der Stunde, jedoch mindestens einmal alle zwei Stunden, in Gang setzen lassen. Hiebei können die ZündllorgÅange zwischen den Takten der maschinellen Bedienung auftreten oder jeweils als Nullpunkte für die weitere Taktgebung ausgenützt werden.
Durch dieses praktisch fast kontinuierliche Einstossen der Kruste und die praktisch fast kontinuierliche Tonerdeaufgabe wird eine Konstanz der Flusstemperatur und der Tonerdekonzentration im Fluss erreicht, die bisher noch nie erzielt worden ist. Man kann den Ofen gemäss Erfindung mit einer Tonerde-Konzentration und einer Flusstemperatur arbeiten lassen, bei denen sich die höchsterreichbaren Werte für die Stromausbeute ergeben. Durch systematische Versuche im industriellen Massstab ist festgestellt worden, dass man bei gleichbleibender Tonerdekonzentration \on mindestens 3, vorzugsweise mindestens 3. 51o, Stromausbeutewerte von 90 bis 96% erhält.
Die praktisch erreichbare Hbchstgrenze der gesamten Tonerde- konzentration im Fluss liegt bei etwa 8 - 10go. Im normalen Betrieb wird man vorteilhafterweise im Bereich von 3, r) bis-je arbeiten. Der Ofen gemäss Erfindung bietet infolge der praktisch kontinuierlichen Beschickung mit Tonerde die Möglichkeit, derart hohe und bisher nie erzielte Werte der Stromausbeute zu erreichen.
Bei der Wahl der Tonerdekonzentration kann man gleichzeitig auf die Leitfähigkeit des Flusses bei gegebener Temperatur Rücksicht nehmen und die Leitfähigkeit und Temperatur so einstellen, dass Ofenspannung und Stromausbeute ain Op. imum ergeben.
Die Spannungsregulierung bietet ausserdem die Möglichkeit, den Ofen bei einer Spannungskurve zu fahren, bei der in jedem Augenblick optimale Werte für Stromausbeute und spezifischen Energieverbrauch erreicht werden. Der einfachste Fall ist der, bei dem der Spannungsregler die Ofenspannung auf einen konstanten Sollspannungswert reguliert, wobei kurze Zeit vor dem Zünden der Regler die Spannung frei gibt, damit sich das Zünden voll auswirken kann. Die Verwendung eines Spannungsreglers schliesst nicht aus, dass die Ofenspannung auch durch motorisches Auffahren und Abfahren der Anode durch Druckknopfbetätigung geregelt werden kann. Eine derartige Regelung wird immer in Störungsfällen angewendet werden müssen.
Bei Öfen gemäss der Erfindung werden daher Werte für den spezifischen Energieverbrauch erreicht. die um 0,-5-1 kWh/kg Al niedriger liegen als bei den bisher verwendeten Ofentypen. Die gleichmässige niedrige Flusstemperatur der Öfen gemäss der Erfindung wirkt sich ebenfalls günstig auf den Anodenverbrauch und den Flussmittelverbrauch aus.
Ausserdem wird bei Öfen gemäss der Erfindung infolge der weitgehenden Mechanisierung der Arbeit-
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