AT312318B - Verfahren zur Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxyd im Fluoridschmelzfluß - Google Patents

Description

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 Das kathodisch abgeschiedene Aluminium sammelt sich unter der Fluoridschmelze auf dem Boden der Zelle. In die Schmelze tauchen von oben Anoden aus amorphem Kohlenstoff ein. An den Anoden entsteht durch die elektrolytische Zersetzung des Aluminiumoxyds Sauerstoff, der sich mit dem Kohlenstoff der Anoden zu CO und CO2 verbindet. 



   Das Prinzip einer Aluminium-Elektrolysezelle geht aus der schematischen und nicht massstäblichen Fig. l 
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    (derIsolation --13-- aus   hitzebeständigem, wärmedämmendem Auskleidungsmaterial versehen ist. Das kathodisch abgeschiedene   Aluminium --14-- liegt   auf dem   Boden --15-- der   Zelle. Die   Oberfläche --16-- des   flüssigen Aluminiums stellt die Kathode dar. In die   Kohlenstoffauskleidung-11-sind   eiserne   Kathodenbarren--17--eingelassen,   die den Strom aus dem Boden der Zelle nach aussen führen. In die   Fluoridschmelze-10-tauchen   von oben   Anoden --18-- aus   amorphem Kohlenstoff ein, die den Gleichstrom dem Elektrolyten zuführen.

   Sie sind über   Stromleiterstangen-19-und   durch Schlösser - mit dem   Anodenbalken-21-fest   verbunden. Der   Elektrolyt --10-- ist   mit einer Kruste --22-- aus erstarrter Schmelze und einer darüber befindlichen   Aluminiumoxydschicht-23-bedeckt.   Der   Abstand-d--der Anodenunterseite--24--zur Aluminiumoberfläche--16--,   auch Interpolardistanz genannt, lässt sich durch Heben oder Senken des   Anodenbalkens--21--mit   Hilfe der   Hubwerks--25-   verändern, die auf   Säulen-26-montiert   sind. Infolge des Angriffs durch den bei der Elektrolyse in Freiheit gesetzten Sauerstoff verbrauchen sich die Anoden an ihrer Unterseite täglich um zirka 1, 5 bis 2 cm je nach Zellentyp. 



   Die anodische Stromdichte einer Zelle kann nicht beliebig gewählt werden. 



   Zwischen Anoden und Kathode darf eine Interpolardistanz von 4 cm nicht unterschritten werden, da es sonst zu Kurzschlüssen zwischen Metall und Anoden infolge von elektromagnetischen Kraftwirkungen kommen kann. Ausserdem ist die Stromausbeute (Verhältnis der Menge des gewonnenen Aluminiums zu der theoretischen Menge, die nach dem Faraday'schen Gesetz produziert wird) bei zu kleiner Interpolardistanz niedrig. 



   Anderseits wird bei einer zu grossen Interpolardistanz innerhalb der Zellenwanne unnötig viel Wärme erzeugt, die als Wärmeverlust abgeführt werden muss, wodurch der spezifische elektrische Energieverbrauch   (kWh/kgAl)   unnötig erhöht wird. 



   Es muss diejenige Stromdichte gewählt werden, die im Elektrolyten und im Zellenboden,   d. h.   also innerhalb der Zellenwanne, nur so viel Wärme erzeugt, wie nach Abzug der Nutzenergie (die für das Zersetzen des Aluminiumoxyds und das Anwärmen der Einsatzstoffe auf eine Arbeitstemperatur von 940 bis 9750C bei einer zweckmässigen   Aluminiumoxyddecke--23-auf   der festen Elektrolytkruste benötigt wird) noch abgeführt werden kann. Die   Aluminiumoxyddecke --23-- hat   mehrere Aufgaben. Neben der Aufgabe, Aluminiumoxyd für das Einführen in den Schmelzflusselektrolyten vorzubereiten, muss sie einerseits die Anoden vor Luftabbrand schützen, anderseits eine gute Wärmeisolation darstellen. 



   Die unterste Dicke der   Aluminiumoxyddecke --23-- auf   der verkrusteten   Badoberfläche-22-kann   mit ungefähr 7 cm angenommen werden. Das ist das betriebstechnische Minimum. 



   Grundsätzlich kann man mit einer höheren Stromdichte als der optimalen arbeiten. Die zuviel erzugte Wärme muss dann über eine künstliche Erhöhung der Wärmeverluste der Zelle abgeführt werden,   z. B.   durch Verringerung der   Aluminiumoxyddecke--23--auf   der verkrusteten   Badoberfläche --22-- auf   8 bis 7 cm, wodurch der spezifische elektrische Energieverbrauch beträchtlich erhöht wird. Der Vorteil liegt darin, dass die Zelle kleiner dimensioniert werden kann, was zu einer Herabsetzung der Kapitalkosten führt. 



   Wählt man anderseits eine zu kleine anodische Stromdichte, erniedrigt sich bei konstanter Interpolardistanz der Spannungsabfall im Elektrolyten, wodruch der spezifische elektrische Energieverbrauch abnimmt und infolgedessen eine grössere Zelle benutzt werden muss, die schwerer und daher teuer ist. Mit steigendem Gewicht der Zelle wird auch die ganze   Hallenunterkonstruktion   aufwendiger. Auch die Reparaturkosten erhöhen sich mit steigendem Zellengewicht. Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, Wege zur Wahl der richtigen anodischen Stromdichte zu suchen. 



   Erfindungsgemäss wird in einer Aluminiumelektrolysezelle mit vorgebrannten Anoden nach Festlegung einer bestimmten Stromstärke von 50 kA oder darüber für die Elektrolyseanlage diejenige anodische Stromdichte -   -j-- nach Fig. 2   gewählt, bei der bei einer Elektrolyttemperatur zwischen 940 und   975 C,   bei einer Interpolardistanz von 5 bis 6 cm und bei einer Aluminiumoxyddecke von etwa 14 bis 16 cm Dicke auf der verkrusteten Badoberfläche gerade so viel Wärme in der Zelle erzeugt wird, wie diese Zelle nach Abzug der Nutzwärmemengen für die Zersetzung des Aluminiumoxyds und für das Anwärmen der Einsatzstoffe als Verluste abführen kann. 



   Fig. 2 zeigt den Zusammenhang zwischen anodischer   Stromdichte-j-in A/cm und   der   Zellenstromstärke --1-- in   kA für die genannten Bedingungen. Man erkennt, dass die anodische Stromdichte mit steigender Zellenstromstärke abfällt. In der gleichen   Fig. 2   ist der spezifische elektrische Energieverbrauch 

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 - in kWh/kgAl eingezeichnet, der zu der betreffenden Stromdichte und zu der zugehörigen Zellenstromstärke gehört. 



   Aus Fig. 2 lässt sich diejenige anodische Stromdichte herauslesen, die bei festgesetzter Zellenstromstärke 
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Bei Einhaltung der   erfindungsgemässen   Bedingungen arbeitet die Zelle im optimalen Stromdichtebereich. 



  Auf der verkrusteten Badoberfläche liegt so viel Aluminiumoxyd in etwa 14 bis 16 cm Schichtdicke, dass der Elektrolyt beim nächsten Krusteneinschlagen mit einer genügenden Menge dieses vorgewärmten Stoffes versorgt werden kann. Da die Oberfläche der Aluminiumoxyddecke praktisch eben verläuft, liegt   z. B.   auf denjenigen Anoden, die ungefähr die Hälfte ihrer Einsatzzeit hinter sich haben, eine Aluminiumoxydschicht von etwa 7 bis 8 cm Dicke, die sie vor Luftabbrand schützt. Die neueren Anoden, deren oberer Teil aus der Aluminiumoxyddecke noch herausragt, werden nur bis höchstens etwa 5000C warm, sind dem Luftabbrand kaum ausgesetzt und brauchen keine Aluminiumoxydschicht zum Schutz gegen den Luftsauerstoff. 



   Die Interpolardistanz ist nicht zu klein, so dass keine störenden magnetischen Effekte auftreten können ; sie ist auch nicht so hoch, dass unnötige Wärme im Elektrolyten erzeugt wird, die über künstlich erhöhte Wärmeverluste aus der Zelle abgeführt werden muss. Die Elektrolyttemperatur wieder liegt im optimalen Bereich (940 bis   975 C),   so dass auch eine gute Stromausbeute in erfindungsgemäss betriebenen Zellen und damit ein niedriger spezifischer elektrischer Energieverbrauch erreicht werden können.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH : Verfahren zur Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxyd im Fluoridschmelzfluss EMI2.2 Stromstärke von 50 kA oder darüber für die Elektrolyseanlage diejenige anodische Stromdichte (j) nach Fig. 2 gewählt wird, bei der bei einer Elektrolyttemperatur zwischen 940 und 975 C, bei einer Interpolardistanz von 5-6 cm und bei einer Aluminiumoxyddecke von etwa 14-16 cm Dicke auf der verkrusteten Badoberfläche gerade so viel Wärme in der Zelle erzeugt wird, wie diese Zelle nach Abzug der Nutzwärmemenge für die Zersetzung des Aluminiumoxyds und für das Anwärmen der Einsatzstoffe als Verluste abführen kann.