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Schmelzfluss-Elektrolysezelle für die Herstellung von Aluminium
Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrolysezelle, die dem Aufbau nach aus einer
Kathodenwanne besteht, auf deren Boden sich das gewonnene Aluminium ansammelt ; über dem Aluminium befindet sich der Kryolit-Tonerde-Schmelzflusselektrolyt, welcher auch noch andere
Salzzusätze enthalten kann.
In den Elektrolyten ragt von oben die aus Kohle als Grundmaterial bestehende Anode, welche aus vorgebrannten Blöcken besteht. Die Anode kann aber auch eine während des Betriebes stetig verbrennende, sogenannte selbstbackende Anode sein. Die Anode hat die Besonderheit, dass ihre mit dem Elektrolyten in Berührung stehende Fläche eine praktisch waagrechte Ebene ist.
Die Wanne ist ein aus Seitenwänden und Boden bestehender Behälter, dessen Bodenteil, im weiteren Kathodenboden genannt, teilweise oder ganz aus elektrisch leitendem Material besteht und die eigentliche Kathode der Zelle bildet. An den Kathodenboden sind die aus elektrisch gut leitendem Material bestehenden, seitlich oder unten herausgeführten Kathodenleiter angeschlossen.
Der elektrische Strom fliesst durch die Anode in den Elektrolyten, danach in das Metall, dann in den Kathodenboden und von da über die Kathodenleiter in die äusseren Schienen.
Die mit dem geschmolzenen Aluminium in Berührung stehende Fläche des Kathodenbodens, also die Stromübergangsfläche zwischen dem geschmolzenen Aluminium und dem Kathodenboden, liegt bei den derzeit üblichen Zellentypen in einer praktisch waagrechten ebenen Fläche bzw. weicht davon nur insofern ab, als sie sich während des Betriebes abnutzt oder sich deformiert.
Während des Betriebes der Zelle sinkt die Aluminiumkonzentration im Elektrolyten allmählich zufolge der Einwirkung des elektrischen Stromes. Dementsprechend wird, der Technologie der Elektrolyse gemäss, zeitweise dem Elektrolyten Tonerde zugesetzt, u. zw. so, dass im Elektrolyten ein Teil der um die Anode gebildeten Kruste durchbrochen wird und die auf derselben schon vorher vorgewärmte Tonerde in den Elektrolyten eingemischt wird. Bei der Tonerdebeschickung anlässlich des Durchbrechens der Kruste gerät eine erhebliche Menge von Tonerdeablagerungen auf den Kathodenboden, d. h., zwischen das Aluminium und die Stromübergangsfläche, wodurch der Widerstand des Bodens beträchtlich erhöht wird. Oft verwandelt sich der Bodenschlamm zu einem dichten Satz oder gar zu einer festen Ablagerung, die den Stromübergang vom geschmolzenen Aluminium in den Boden fast sperrt.
Der im normalen Betrieb übliche Spannungsabfall von 300 bis 500 mV im Boden kann sich in diesem Fall erheblich, u. zw. auf 800 bis 1400 mV erhöhen. Als eine bekannte Folge der Erhöhung des Bodenwiderstandes sinkt die Stromausbeute, die Badspannung erhöht sich, der Betrieb wird gestört, der spezifische Energieverbrauch und der Erzeugungspreis des Metalles erhöht sich.
Bisherige Versuche und Literaturangaben bestätigen, dass bei einem Betrieb mit kleiner Aluminiumschichtdicke wesentlich geringere Ablagerungen entstehen als bei einem mit ähnlicher Technologie betriebenen Bad mit höherer Aluminiumschichtdicke. Es wurde ferner durch Versuche festgestellt, dass eine höhere Aluminiumschichtdicke am Kathodenboden, insbesondere im Fall einer selbstbackenden Anode, für den Temperaturausgleich zwischen der Anodenmitte und dem Anodenrand günstig ist, da durch Vermeidung einer Überhitzung unter der Anodenmitte der gute Zustand der Anode erhalten bleibt und die Stromausbeute nicht absinkt.
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Aus dem vorhergesagten folgt, dass hinsichtlich des Betriebes entlang dem Anodenumfang, an den
Stellen der Tonerdebeschickung, eine niedrige, hingegen unter der Anode, insbesondere im Gebiet der
Anodenmitte, eine grössere Aluminiumschichtdicke günstig ist. Der für die Verminderung der
Ablagerungsbildung günstige Betrieb mit kleiner Aluminiumschichtdicke wird, besonders bei Bädern mit grösseren Abmessungen, dadurch erschwert, dass sich der Kathodenboden im Laufe der Zeit gegen die
Anodenmitte zu in zunehmendem Masse erhöht, wodurch sich die Aluminiumschichtdicke an dieser
Stelle vermindert, an der gerade eine grosse Aluminiumschichtdicke am günstigsten wäre.
Der zur Zeit allgemein verwendete, praktisch als eine waagrechte Ebene ausgebildete
Kathodenboden ist vom Standpunkt der Verschlammung und der Ablagerungsbildung ungünstig und sichert nicht die Möglichkeit der Ausbildung einer günstigen Metallschichtdicke.
Dies wird auch nicht bei einer Wanne erreicht, deren Boden aus Kohlenstoff entlang den
Längskanten zwei flache Kanäle aufweist, in welche stabförmige Stromzufuhrungsteile aus gesintertem
Titancarbid ragen. Da der Bodenteil unter der Anode höher ausgebildet ist als die übrige Bodenfläche, führt dies sogar zu einer entgegengesetzten Wirkung, als die mit der Erfindung angestrebt wird.
Bei einem andern bekannten Ofen mit Söderberganode ist der Kathodenboden einem
Kugelflächenteil entsprechend ausgebildet, wobei die Tonerde über der Mitte des Bodens zugeführt wird, also an einer Stelle, wo die Wanne am tiefsten und das Aluminiumniveau am höchsten ist. Die
Bildung von unerwünschten Ablagerungen ist daher sehr wahrscheinlich.
Zweck der Erfindung ist die Vermeidung der Erhöhung des Bodenwiderstandes, die durch die Tonerdeschlamm- und Ablagerungsbildung zustande kommt, und die Gestaltung einer günstigen Aluminiumschichtdicke durch entsprechende Ausbildung der mit dem geschmolzenen Aluminium in Berührung stehenden Kathodenbodenfläche.
Ausgehend nun von einer Schmelzfluss-Elektrolysezelle für die Herstellung von Aluminium, mit einer Kathodenwanne, an deren Boden mindestens eine Bodenerhöhung vorgesehen ist und in welche von oben eine oder mehrere mit waagrechter unterer Fläche ausgebildete Anoden ragen, besteht das Wesentliche einer solchen Elektrolysezelle nach der Erfindung darin, dass die Bodenerhöhungen aus elektrisch leitendem Material, insbesondere aus vorgebrannten Kohlen- oder Graphitblöcken oder einer Stampfmasse mit Kohle als Grundstoff, mit einem spezifischen elektrischen Widerstand vorzugsweise von 5 bis 20 Ohm. mm2/m, ausgebildet und vom geschmolzenen Aluminium vollständig bedeckt sind, wobei sie unter den Tonerdebeschickungsstellen oder in deren Umgebung bzw. entlang dem Umfang der Anode angeordnet sind.
Hiebei beträgt der Gesamtquerschnitt der Bodenerhöhungen mindestens 20% des waagrechten Querschnittes der Anode.
Bei einer günstigen Ausführungsform der erfmdungsgem ssen Elektrolysezelle verlaufen die oberen Flächen der Bodenerhöhungen waagrecht. Die Seitenflächen sind lotrechte ebene Flächen, gegebenenfalls Zylindermantel-, und/oder Kegelflächen.
Bei einer andern günstigen Ausführungsform besteht der mit dem flüssigen Aluminium in Berührung stehende Kathodenbodenteil ausserhalb der Bodenerhöhungen aus irgeneinem der Materialien, wie gesinterter Magnesit, Siliziumkarbid, Korund oder Koks, oder aus einer beliebigen Zwei-, Drei oder Vierkomponentenmischung dieser Stoffe, mit Teer oder Pech als Bindemittel hergestellten Stampfmasse.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert, die eine beispielsweise Ausführungsform einer Schmelzfluss-Elektrolysezelle veranschaulichen. Fig. 1 zeigt den Teilquerschnitt einer Elektrolysezelle entlang der Linie B-B in Fig. 2. Fig. 2 ist ein Schnitt entlang der Linie C-C in Fig. 1. Fig. 3 veranschaulicht ein zweites Beispiel einer Elektrolysezelle u. zw. im Schnitt entlang der Linie D-D in Fig. 4, welche einen Querschnitt nach der Linie E-E in Fig. 3 darstellt. Schliesslich zeigen die Fig. 5 und 6 ein drittes Beispiel einer Elektrolysezelle u. zw. Fig. 5 einen Teilschnitt entlang der Linie F-F in Fig. 6 und Fig. 6 einen Teilquerschnitt nach der Linie G-G in Fig. 5.
In den Fig. 1 und 2 ist beispielsweise eine Ausführungsform dargestellt, bei der die Bodenerhöhungen-7 und 8-unter der strichliert angedeuteten Anode --11-- ausgebildet sind, wobei die oberen Flächen--Fl--, die mit dem flüssigen Aluminium --9-- in Berührung stehen, kreisförmig, die oberen Flächen--F2--dagegen rechteckig sind und in einer waagrechten Ebene liegen. Die Seitenflächen--Öl--der Bodenerhöhungen--7--sind lotrechte Zylinderflächen und die Seitenflächen-02-der Bodenerhöhungen-8-lotrechte Ebenen.
Die Bodenerhöhungen --7 und 8--bestehen aus Graphit mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 5 bis 20 Ohm. mm2/m. Die Gesamtfläche, Flächen-Fl und F2-der Bodenerhöhungen-7 und 8--,
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Bei der in den Fig. 3 und 4 gezeigten beispielsweisen Ausführung einer Elektrolysezelle nach der Erfindung erstreckt sich die Bodenerhöhung-10-entlang dem Umfang der Anode --11-- und die oberen Flächen-F3--, die vom flüssigen Aluminium --9-- bedeckt sind, liegen in einer
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In den Fig. 5 und 6 ist eine dritte beispielsweise Ausführungsform der erfmdungsgemässen Elektrolysezelle veranschaulicht, bei der die Bodenerhöhungen--12-- ebenfalls unter der Anode grösstenteils jedoch entlang dem Anodenumfang ausgebildet sind. Die mit dem flüssigen Aluminium --9-- in Berührung stehenden Flächen-05 und 06-liegen in schrägen Ebenen, die mit einer waagrechten Ebene einen Winkel von 100 bis 150 einschliessen. Die Bodenerhöhungen - sind aus Graphit mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 5 bis 20 Ohm. mm2 Im hergestellt, die Bodenteile unter den Flächen-F5 und A5-bestehen aus einer Stampfmasse aus 20% Siliciumkarbid, 70% gesintertem Magnesit und 10% Teer kleiner Viskosität.
Der Vorteil der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 ist, dass selbst bei einem für den Temperaturausgleich günstigen Betrieb mit hohen durchschnittlichen Schichtdicken, keine Ablagerung zwischen dem flüssigen Aluminium und dem stromleitenden Kathodenboden entsteht. Ein weiterer Vorteil ist, dass die vom flüssigen Aluminium bedeckten oberen Flächen der Bodenerhöhungen so gross sind, dass hiedurch der elektrische Übergangswiderstand zwischen dem flüssigen Aluminium und der Bodenerhöhung klein ist und keine schädliche Strömungen zufolge der mit der hohen Übergangsstromdichte zusammenhängenden Wärme- und magnetischen Wirkungen auftreten.
Der Vorteil der in den Fig. 3 bis 6 gezeigten Ausführungsformen ist einerseits, dass auf dem äusseren Teil des Kathodenbodens, also am Ort der Tonerdebeschickung, durch das Aufrechterhalten einer geringen Metallschichtdicke die Bildung einer Ablagerung verhindert wird, gegen die Mitte des Kathodenbodens zu dagegen, also unterhalb der Anode, eine für den Temperaturausgleich günstige höhere Metallschichtdicke vorhanden ist.
Ein weiterer wirtschaftlicher Vorteil der erfmdungsgemässen Elektrolysezellen ist, dass sich die Kosten für das Wannenfutter trotz der Verwendung von gegenüber dem Preis gewöhnlicher Kohlenblöcke doppelt so teuerem Graphit, nicht erheblich erhöhen, weil bloss ein Teil des Bodens aus Graphit besteht.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schmelzfluss-Elektrolysezelle für die Herstellung von Aluminium, mit einer Kathodenwanne, an deren Boden mindestens eine Bodenerhöhung vorgesehen ist und in welche von oben eine oder mehrere
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8, 10, 12)Kohlen- oder Graphitblöcken oder einer Stampfmasse mit Kohle als Grundstoff, mit einem spezifischen elektrischen Widerstand vorzugsweise von 5 bis 20 Ohm. mm2 Im ausgebildet und vom geschmolzenen Aluminium (9) vollständig bedeckt sind, wobei sie unter den Tonerdebeschickungsstellen oder in deren Umgebung bzw. entlang dem Umfang der Anode (11) angeordnet sind, und dass der Gesamtquerschnitt der Bodenerhöhungen mindestens 20% des waagrechten Querschnittes der Anode beträgt.
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