Aluminiumelektrolyseofen und Verfahren zu dessen Betrieb In dem Bestreben, die Wirtschaftlichkeit der Er zeugung 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 den Öfen mit selbstbacken den Söderberganoden den Transport der frischen Kohlemasse und ihr Aufbringen auf die Anode weit gehend mechanisiert und dazu verschiedene Chargie- rungsmethoden sowie die entsprechenden Einrich tungen und Hilfsmittel entwickelt.
Ebenso hat man bei Aluminiumelektrolyseöfen, die mit vorgebrannten Anoden betrieben werden, ins besondere den Transport der neu in den Ofen einzu setzenden Anoden und der aus dem Ofen zu entfer nenden 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 im Aluminiumelektro- lyseofen sowie das Auftragen der Tonerde nach erfolgtem Einstossen und Wiedererhärten der Ober fläche des Ofenflusses weitgehend mechanisiert wor den.
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 so weit an Tonerde verarmt ist, dass eine Passivierung der Anode eintritt, wodurch sich die Spannung des Ofens um ein Mehrfaches der normalen erhöht. Man spricht auch von einem Zünder oder einem Zünden . Durch das Einschla gen der Kruste wird die Konzentration des Ofenflusses an Tonerde erhöht und der Anodeneffekt beseitigt. Auch zwischen zwei aufeinanderfolgenden Anoden effekten wird die Kruste des Aluminiumelektrolyse ofens im allgemeinen noch ein oder mehrere Male eingestossen, damit die Anzahl der Anodeneffekte ver ringert und ein möglichst kalter Ofengang erzielt wird.
Diese Arbeit wurde früher von Hand mittels Stossstangen ausgeführt. Seit einigen Jahrzehnten werden hierfür meist mit Pressluft angetriebene Krusteneinschlagmaschinen benützt, die fahrbar sind, mit Menschenkraft bedient werden und mit denen die Öfen (d. h. deren Krusten) der Reihe nach ein geschlagen werden.
Nach dem Einstossen der Kruste wird, sobald die Oberfläche des Ofenflusses wieder erstarrt ist, Tonerde aufgetragen. Auch das Auftragen der Ton erde wurde früher von Hand unter Verwendung von tragbaren Kübeln, in welche Tonerde aus grösseren Behältern eingefüllt wurde, vorgenommen. Heute wird die Tonerde durch mechanische Transportmittel, z. B. in über den Öfen angebrachte Vorratsbehälter, be fördert, von wo sie auf die Ofenkruste gelangt.
Trotz der Anwendung dieser mechanischen Hilfs mittel für das Einstossen der Ofenkruste und das Auftragen der Tonerde ist der Arbeitsaufwand für letztere 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 hierfür liegt darin, dass die Krusten der Öfen verhältnismässig häufig (etwa jede zweite bis vierte Stunde) eingeschlagen und die Öfen entsprechend oft mit Tonerde chargiert werden müssen, und dass heute noch sowohl für die Steuerung der Krusteneinschlag maschinen,
als auch für das Füllen und Entleeren der Tonerdebehälter menschliche Arbeitskraft ange wandt wird.
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 kann, wo die Kruste immer sehr dick und fest ist.
Es wurde daher in der deutschen Patentschrift Nr. 638 470 vorgeschlagen, Arbeitsöffnungen in der Söderberg-Elektrode vorzusehen oder diese aus zwei im Querschnitt halbrunden Teilen zusammenzusetzen, die voneinander durch einen Zwischenraum getrennt sind.
Es sind auch Öfen bekannt, die mit zwei Reihen eng aneinandergerückter vorgebrannter Anoden blöcke ausgerüstet sind, welche so angeordnet sind, dass in der Längsachse des Ofens ein Zwischenraum zwischen den Anodenreihen verbleibt, über dem Ton erdebehälter angeordnet sind, aus denen durch Hand betätigung eines Griffes Tonerde portionenweise auf die Ofenkruste in dem genannten Zwischenraum ab gelassen werden kann.
In der Mitte sind auf den beiden Stirnseiten der Kathodenwanne Rollen ange bracht, auf denen von beiden Stirnseiten her lange Stangen bis zur Ofenmitte hin und her bewegt werden können, die an den nach dem Ofeninnern weisenden Enden abgekröpft und aussen mit einem Handgriff versehen sind; mittels dieser Stangen wird die Ofen kruste in dem Zwischenraum zwischen den Anoden reihen von Hand eingestossen und auf diese Weise die auf der Kruste aufliegende Tonerde in den Ofen fluss eingebracht. Nach dem Einstossvorgang wird eine neue Portion Tonerde aus den Tonerdebehältern auf die neu gebildete Kruste in dem erwähnten Zwischen raum abgelassen.
Bei den oben genannten 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 verhältnis mässig günstige Betriebsergebnisse erzielt werden, er hebliche 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 lau fen, dass sich im Ofen zwei voneinander unabhängige Metallsümpfe bilden. Infolgedessen muss auch die Menge an Tonerde, die jeweils beim Einstossvorgang in den Ofenfluss gelangt, relativ gering gehalten wer den.
Obwohl der von Hand ausgeführte Einstossvor- gang bei den bekannten Ofentypen mit vorgebrannten Anodenblöcken zuweilen verhältnismässig oft, sogar alle zwei Stunden, und ausserdem noch beim Anoden- effekt erfolgt, ist es nicht zu vermeiden, dass häufig eine stark ungleichmässige Verteilung der in den Ofen- fiuss 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 gelangen.
Bekanntlich ist die Dichte des Ofenflusses mit hohem Tonerdegehalt grösser als die des flüssigen Metalls. Die Krustenstücke mit hohem Tonerdegehalt sinken daher auf den Boden in den Zwischenräumen zwi schen den beiden Anodenreihen, wo sie mit der Zeit einen äusserst festen, elektrisch isolierenden Boden belag bilden.
Hierdurch 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 87 /o betragen.
Zur Beseitigung der vorgenannten Nachteile wer den diese Öfen bekanntlich mit besonders schmalen Kohlerändern ausgeführt und der Abstand zwischen den Anoden vom Kohlerand so gering wie möglich gehalten. Auf diese Weise erfolgt eine erhebliche Abkühlung des Bades an den Längsseiten, die Kohle ränder bedecken sich innen mit einer dünnen erstarr ten 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 Kathoden wannen dieser Öfen häufig, und zwar mindestens alle 1 1.;; Jahre, ausgewechselt oder erneuert werden müs sen, 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 Ein brechen der Kruste zu automatisieren und zu diesem Zweck in der Mitte des Ofens eine rotierende Walze mit Arbeitszähnen aus warmfestem Material, wie Quarz, keramischer Spezialmasse oder dergleichen, anzuordnen. Bei jedem Anodeneffekt soll die Span nungserhöhung eine gleichstromvormagnetisierte Re geldrossel 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.
Ausserdem bleibt mindestens ein Zahn während der Arbeitspausen immer in der Elek- trolytschmelze eingetaucht, so dass diese Walze aus einem Material bestehen muss, das dem bei der Ar- beitstemperatur von ungefähr 900 C sehr stark an greifenden Fluoridelektrolyten widersteht. Solche Materialien sind nicht nur sehr teuer, sondern auch zerbrechlich, was einen weiteren Nachteil dieser Kon struktion darstellt.
Die vorgenannten Nachteile der bisherigen Öfen werden bei der Ofenkonstruktion gemäss Erfindung vermieden. Ausserdem ermöglicht die Erfindung ein Arbeiten der Öfen mit günstigerer Spannung und höherer Stromausbeute als die bekannten Ofentypen, so dass mit ihnen günstigere Betriebsergebnisse erzielt werden können. Sie können auch in bezug auf das Einschlagen der Kruste und die Chargierung der Tonerde vollautomatisch betrieben werden, so dass also ein grosser Teil an Arbeitskraft, der zur Zeit noch für den Betrieb der Aluminiumelektrolyseöfen auf gewendet wird, praktisch völlig entfällt. Die sonstigen bei Söderberg-Öfen erforderlichen Arbeitsprozesse, z.
B. das Auftragen der Söderbergmasse auf die An oden, das Ziehen und Setzen der Bolzen, können auch in bekannter Weise unter weitgehender Verwendung maschineller Hilfsmittel durchgeführt werden.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich nun auf einen Ofen für die Herstellung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse, dessen Anodenbereich in Hälften geteilt ist, zwischen denen ein Zwischenraum verbleibt. über die ganze Länge des Anodenbereiches ist eine maschinenangetriebene Krusteneinschlagvor- richtung angeordnet, welche in diesem Zwischenraum in im wesentlichen vertikaler Richtung wirkt.
Als Anodenbereich wird dabei die Horizontal fläche verstanden, über die sich die Anoden im Falle von Öfen mit selbstbackenden Anoden erstrecken oder die von den Anoden und eventuell deren quer zum Ofen verlaufenden 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 wie auch als Öfen mit selbstbackenden kontinuierlichen Block anoden (Anoden aus gepressten, nicht gebrannten Anodenblöcken, die kontinuierlich aufgesetzt werden), oder auch als Öfen mit vorgebrannten Anoden aus geführt werden. Die erfindungsgemässe Ofenkonstruk tion ist für Öfen mit im wesentlichen länglichem, z. B. rechteckigem oder ovalem Grundriss besonders geeignet.
Die im Zwischenraum angeordnete Krustenein- schlagvorrichtung besteht z. B. aus mindestens einem durchgehenden Balken, der mit nach unten gerichte ten 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 anderen Seite mechanisch auf- und abwärts be wegt werden. Als Antriebsmittel kommen z. B. pneu matische oder hydraulische Druckzylinder in Frage, oder auch Kniegelenke oder Exzenter, die durch Elektromotoren betätigt werden, welche durch Druck- knopfbetätigung oder automatische Schaltvorrichtung gesteuert werden.
Sowohl die Lagerung des Hebelarmes als auch die Antriebsmittel sind auf den Seiten des Ofens zweck mässig ausserhalb des Anodenbereiches angebracht. Damit werden sie einerseits vor den Ofenabgasen und der Hitze geschützt und anderseits bleibt der Zwi schenraum oberhalb der Balken frei für das Einbauen von Abgasauffangvorrichtungen. Durch eine Haube oder durch seitliche Verschlussbleche kann nämlich der Raum zwischen beiden Anodenbereichen zuge deckt werden; die in diesem Raum hineintretenden Abgase können mit der darin enthaltenen Luft in bekannter Weise abgesaugt und den bekannten Ab sorptionsanlagen zugeführt werden.
Zweckmässigerweise werden zwei Hebelarme, einer an der einen und einer an der gegenüberliegen den Seite des Ofens, symmetrisch zueinander ange ordnet, damit eine breite Einstossfläche erzielt wird. Man erreicht durch Anordnung zweier Hebelarme und dadurch, dass man die Brechwerkzeuge an der dem Drehpunkt abgewandten Hälfte des Hebelarmes anordnet, eine genügend grosse Einstosstiefe, so dass nicht nur die Krustenoberfläche gebrochen wird, son dern auch die entstehenden Krustenbruchstücke in das flüssige Bad eingestossen werden.
Beim Einstoss vorgang fällt die auf der Kruste lagernde Tonerde in den Ofenfluss, wodurch die Konzentration des Flus ses an Tonerde erhöht wird. über den Einstosshebeln in dem Raum zwischen den Anodenhälften ist zweck mässig ein Tonerdebehälter angeordnet, der in seinem Boden Auslassöffnungen enthält. Das Austragen der Tonerde geschieht zweckmässigerweise nach folgen dem Verfahren: Die Tonerde ruht im Vorratsbehälter auf einem porösen Boden und kann mittels Luft, die durch die Platten gedrückt wird, aufgelockert werden, so dass ihr Fliessvermögen erhöht wird und sie 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 Einschlag vorgang wird ein genau dosierter Teil der Tonerde aus dem Vorratsbehälter, vorzugsweise durch auto matische Betätigung der Ausläufe, auf die sich inzwi schen wieder gebildete Kruste abgelassen.
Eine weitere Ausführungsmöglichkeit der Kru- steneinschlagvorrichtung besteht darin, dass diese durch mindestens einen durchgehenden, mit nach unten gerichteten Brechwerkzeugen, z. B. Meisseln, versehenen Balken gebildet wird, der an beiden Enden angetrieben und auf seiner ganzen Länge auf- und/ oder abwärts bewegt wird. Auch in diesem Fall befinden sich die Antriebsmittel z. B. ausserhalb des Anodenbereiches.
Bei den erfindungsgemässen Elektrolyseöfen lässt sich auch die an sich bekannte Regulierung der effek tiven Spannung auf die Sollspannung mittels eines automatischen Reglers durchführen. Dies geschieht vorteilhaft durch Einstellen der Anoden auf die rich tige Höhe, so dass zwischen den Anoden und dem kathodischen Wannenboden ein solcher Abstand be steht, dass sich zwischen den Elektroden die für den betreffenden Ofen günstigste Spannung ergibt.
Zu diesem Zweck wird z. B. nach jeder automa tischen Bedienung des Ofens (Krusteneinbrechen und Tonerdechargierung) die effektive Ofenspannung selbsttätig für eine kurze Regulierzeit auf den Regler geschaltet; es braucht dann nur ein Spannungsregler für eine Mehrzahl von Öfen vorhanden zu sein, wenn die durch diesen Regler gesteuerten Öfen mit der gleichen Sollspannung arbeiten oder wenn der Reg ler auf die verschiedenen Sollspannungen der einzel nen gesteuerten Öfen automatisch eingestellt werden kann. Auf diese Weise wird der Rundgang des Mei sters durch die Ofenhalle zum Regulieren der Span nung der Öfen nachgeahmt. Selbstverständlich ist es auch möglich, an jedem Ofen einen besonderen Span nungsregler anzubringen.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung werden folgende Vorgänge durch eine Programmsteuerung automatisch betätigt: Das Ein- und Ausschalten der Einstosswerkzeuge, die Zufüh rung der Tonerde und die Regulierung der Ofen spannung, insbesondere das Wiedereinstellen der Sollspannung nach dem Einschlagen der Kruste.
Näheres über den erfindungsgemässen Elektrolyse ofen mit maschineller Krusteneinschlagvorrichtung wird an Hand der beigelegten Zeichnungen erläutert, die verschiedene Ausführungsbeispiele des Erfin dungsgegenstandes darstellen.
Die Fig. 1 bis 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,und zwar bei Fig. 1 im Falle eines Elektrolyseofens mit- vor gebrannten Kohlenanoden,
Fig. 2 im Falle eines Elektrolyseofens mit Söder- berg-Anoden mit seitlichen Stromzuführungsbolzen und Fig. 3 im Falle eines Elektrolyseofens mit Söder- berg-Anoden mit vertikalen Stromzuführungsbolzen. An Hand eines Vertikalschnittes in der Mittel ebene eines Elektrolyseofens nach Fig. 2 oder 3 zei gen in Ansicht:
Fig. 4 eine erste Variante der Krusteneinschlag vorrichtung, Fig. 5 eine zweite Variante der Krusteneinschlag vorrichtung.
Die in den verschiedenen Figuren dargestellten Elektrolyseöfen besitzen eine Wanne 1, die mit feuer festen Steinen 2 und Kohlenmasse 3 ausgekleidet ist. In der Kohlenauskleidung 3 sind Stromschienen 4 für die kathodische Stromzuleitung eingebettet. In der Wanne befindet sich die Schicht aus geschmolzenem abgeschiedenem Aluminium 5 und das aus geschmol zenen Fluoriden bestehende Elektrolytbad 6, dessen Oberfläche zu einer Kruste 7 erstarrt ist. Zum Auf hängen des anodischen Teiles des Ofens dient das Traggerüst 8, auf dessen oberen Querbalken sich Hubwerke 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 sind die Kontakt- oder Anodenstangen 17 befestigt, welche einerseits mit dem anodischen Stromleiter 16, ander seits mit in der Anode oder den Anoden (18, 19) eingesteckten Stromzuführungsbolzen (20, 21, 22) verbunden sind und damit die Anode oder die An oden 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 abgebildete Ofen ist mit vorgebrann- ten Anodenblöcken 18 ausgerüstet, die in zwei in Längsrichtung des Ofens verlaufenden Reihen ange ordnet sind, und zwar derart, dass zwischen den bei den Reihen ein in der Längsachse des Ofens ver laufender Zwischenraum 23 gebildet wird, dessen Breite vorzugsweise 20 bis 70 cm beträgt. Der An odenbereich ist also in durch einen in der Ofenlängs achse verlaufenden Zwischenraum voneinander ge trennte Hälften geteilt. In diesem Zwischenraum 23 ist, ebenfalls in Längsrichtung des Ofens, die im wesentlichen in vertikaler Richtung wirkende Krii- steneinschlagvorrichtung angeordnet.
Diese Vorrich tung besitzt zwei Balken 24, 25, die mit nach unten gerichteten Meisseln 26 versehen sind. Die Balken der Krusteneinschlagvorrichtung sind in vertikaler Rich tung beweglich; in der Zeichnung ist der Balken 25 in Arbeitsstellung dargestellt; in einem bestimmten Augenblick liegt der eine Balken in seiner höchsten Stellung, der andere in seiner tiefsten Stellung; etwas später ist die Lage umgekehrt, wie gestrichelt dar gestellt. In der Ruhestellung sind die beiden Balken in der Hochlage gehalten, damit die Spitzen der Meissel nicht dauernd in der stark angreifenden Elek- trolytschmelze eingetaucht bleiben. Selbstverständlich wäre es auch möglich, die beiden Balken 24 und 25 gleichzeitig abzusenken und darauf gleichzeitig zu heben.
Oberhalb des mittleren Zwischenraumes 23 ist auch ein Tonerdevorratsbehälter 27 angeordnet, der an seinem unteren Teil steuerbare Auslassöffnungen 28 aufweist.
Die Öfen nach Fig. 2 und 3 sind je mit zwei in Längsrichtung des Ofens verlaufenden selbstbacken den Anoden 19 ausgerüstet, so dass der Anoden bereich hier wieder in durch einen in der Längsachse des Ofens verlaufenden Zwischenraum 23 vonein ander getrennte Hälften geteilt ist. Die beiden An oden sind jede von einem zum Teil doppelwandigen Mantel 29 eingefasst, der durch die Stangen 30 am Gerüst 8 aufgehängt ist und ausserdem rings um den Anodenbereich eine Gassammelhaube 31 bildet.
Im Ofen nach Fig.2 wird der elektrische Strom durch mit den anodischen Stromschienen 16 über Stangen 17 verbundene seitliche Stromzuführungs- bolzen 21 zu den beiden Anoden geführt. Für diese seitlichen Bolzen 21 wird die Möglichkeit gegeben, mit der Anode herunterzuwandern, indem sie in Vertikalschlitzen im Anodenmantel angeordnet sind.
Mit Ausnahme seines oberen Teils, welcher den durchgehenden Gassammelkanal bildet, ist also der Anodenmantel nicht kontinuierlich, sondern besteht aus einzelnen, in den oberen Sammelkanal einmün denden kastenförmigen Vertikalsäulen, in welchen die Abgase hochströmen und zwischen welchen die seitlichen Strombolzen angeordnet sind. In der Fig. 2 ist hinter den Bolzen 21 je eine Seitenwand einer solchen Vertikalsäule des Mantels in Ansicht darge stellt. Im Ofen nach Fig.3 übernehmen vertikale Bolzen 22 die Stromzuführung von den Anoden schienen 16 zu den Anoden 19.
Zwischen den beiden Anoden 19 ist bei diesen Öfen ein 20 bis 70 cm breiter Zwischenraum 23 vorhanden, in welchem die Krusteneinschlagvorrich- tung, genau wie bei dem in Fig. 1 abgebildeten Ofen, und der Tonerdevorratsbehälter 27 angeordnet sind. Vom Behälter 27 fliesst die Tonerde durch die auf den Seiten des Zwischenraumes vorhandenen Kanäle 36. Dieser Behälter weist einen Doppelboden auf, dessen obere Lage aus porösen Platten 32 besteht.
Wird in den Bodenzwischenraum Druckluft durch die Leitungen 33 und Düsen 34 geschickt, so dringt sie durch die porösen Platten 32 durch und lockert die im Behälter vorhandene Tonerde auf, die durch die gelochten Wände 35 wie eine Flüssigkeit herunter fliesst und durch die Kanäle 36 ausströmt.
Im Rahmen der Erfindung lässt sich die in der mittleren Längsebene des Ofens eingebaute Krusten einschlagvorrichtung auf verschiedene Arten aus führen. Zwei mögliche Bauarten sind in den Fig. 4 und 5 gezeigt, welche Vertikalschnitte durch die Längsachse von rechteckigen Elektrolyseöfen dar stellen.
Nach der in Fig.4 dargestellten Bauweise be steht die Krusteneinschlagvorrichtung aus zwei über den ganzen Anodenbereich durchgehenden und auf den beiden Stirnseiten des Anodenbereiches vorsprin genden, hebelartigen Balken 24 und 25, wobei nur der auf der einen Seite der Ofenmittelebene befind liche Balken 25 gezeichnet ist und der zweite, auf der anderen Seite der Ofenmittelebene befindliche Balken 24, der seitenverkehrt angeordnet, aber sonst gleich wie der Balken 25 gestaltet ist, nicht darge stellt ist.
Der Balken 25 ist auf der einen Stirnseite des Ofens auf einer mit dem Ofengerüst verbundenen Achse 37 gelagert und wird an seinem anderen Ende durch den 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 anderen Hälfte, in der Nähe seines Drehpunktes, nur einen relativ klei nen 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 An schlag 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 ge schlossen. Die Abgase werden im Kamin 43 unter Frischluftzufuhr verbrannt und dann zur Reinigungs anlage 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.
Nach der in Fig. 5 dargestellten Bauweise besitzt die Krusteneinschlagvorrichtung mindestens einen über die ganze Länge des Anodenbereiches durch gehenden und auf beiden Stirnseiten des Anoden bereiches vorspringenden geraden Balken 25, der an seinen beiden Enden durch Druckzylinder 38 ange trieben wird. Dieser Balken 25 kann daher auf seiner ganzen Länge im gleichen Mass auf- und abwärts bewegt werden und aus diesem Grund auf seiner ganzen nützlichen Länge mit Meisseln 26 versehen sein. In der Fig. 5 ist der anodische Teil des Elektro- lyseofens nur angedeutet.
Die in den Fig. 4 und 5 dargestellten Krusten einschlagvorrichtungen lassen sich bei den Ofen typen nach Fig. 1, 2 oder 3 anwenden.
Durch die in den Fig. 4 und 5 dargestellten An triebsmittel werden die Balken 24, 25 in praktisch rein vertikaler Richtung angetrieben. Es ist aber auch noch möglich, durch geeignete Antriebsmittel die Balken quer zu ihrer Längsrichtung oder auch in ihrer Längsrichtung zu bewegen, um damit neben dem Einstossen der Kruste noch ein besseres Durch rühren des Bades zu erzielen. Es lassen sich zu diesem Zweck als Antriebsmittel z. B. Exzenter verwenden, die auch mit dem bereits beschriebenen Druckzylin der zur Erzielung von dreidimensionalen Bewegungen der Brechwerkzeuge kombiniert werden können.
Die zur beschriebenen Krusteneinschlagvorrich- tung gehörenden Antriebsmittel samt Motoren kön nen durch Druckknopfbetätigung zur gegebenen Zeit angelassen und gestopft werden. In einer vorteil haften Ausführung wird der Einstossvorgang sowie das Beschicken des Ofens mit Tonerde und die Regulierung der Spannung durch einen Programm regler bewirkt, der bezüglich der beiden erstgenann- ten Vorgänge z. B. elektropneumatisch arbeitet, wäh rend der Spannungsregler z. B. über Magnetver stärker auf kontaktelektrischem Wege funktioniert und den Motor 10 zum Heben oder Senken der Anode steuert.
Durch diesen Programmregler können beispiels weise sowohl die Zeitabstände zwischen den einzel nen Einstossvorgängen, die Dauer des Einstossvor- ganges, z. B. eine halbe bis 3 Minuten, das Zeit intervall zwischen dem Ende des Einstossvorganges und dem Beginn der Tonerdezugabe (z. B. eine halbe bis 5 Minuten), die Dauer des Ausfliessens von Tonerde aus dem Vorratsbehälter sowie auch die Ofenspannung geregelt werden.
Die automatische Bedienung wird in jedem Fall durch den Anodeneffekt, d. h. durch die dabei auf tretende 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 einge stossen und automatisch mit Tonerde chargiert wird. Nach dem Einstoss- und Chargiervorgang stellt der Spannungsregler den Ofen wieder auf Sollspannung ein.
Erfolgt in einer vorgegebenen Zeit kein Anoden effekt, so kann z. B. die Steuerung selbsttätig die Tonerdezugabe nach jedem Einstossvorgang vermin dern oder ganz abstellen, bis der Anodeneffekt wieder eingetreten ist. Zweckmässigerweise 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 min, 1 h, 1 1/2 oder 2 h die Krusteneinschlag vorrichtung automatisch in Gang gesetzt, welche die Tonerde in das Schmelzbad bei gleichzeitigem Ein brechen der Kruste einstösst. Unmittelbar oder kurz darauf wird automatisch die neue Tonerdemenge aus dem Vorratsbehälter ausgelassen und fällt auf die sich in der Zwischenzeit wieder gebildete Kruste. Diese Tonerde schützt die Badoberfläche vor Erkal ten 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 Kon zentration der Tonerde im Ofenfluss nicht zu über schreiten. Die nicht vermeidbaren Genauigkeitstole ranzen bei der Dosierung der Tonerde werden da durch berücksichtigt, dass, wie oben erwähnt, bei ausbleibendem Zünder automatisch weniger Tonerde aufgegeben wird, solange bis wieder ein neuer Anodeneffekt auftritt. Die Programmsteuerung kann weiterhin so eingerichtet werden, dass, wenn der Ofen zu häufig zündet, automatisch mehr Tonerde eingetragen wird.
Es kann aber auch vorkommen, dass einmal aus irgendeinem Grund die notwendige Tonerdemenge nicht eingestossen wird, oder sich zumindest nicht im Elektrolyten auflöst. In einem solchen Fall wird vor Ablauf der normalen Periode und also vor einem automatischen Anlassen der Krusteneinschlagvor- richtung und der Tonerdezugabevorrichtung ein An odeneffekt auftreten. Die Programmsteuerung ist wie gesagt so geregelt, dass sie ebenfalls auf solche Zwi schenfälle reagiert und die notwendigen Vorgänge in Gang setzt.
Durch die Anordnung der automatischen Ein stossvorrichtung zwischen den beiden Anoden mittels mindestens zweier Brechwerkzeuge, vorzugsweise einer grösseren Anzahl davon, wird erreicht, dass das Einstossen der Tonerde in den Fluss über den ganzen Zwischenraum zwischen den Anoden gleichmässig erfolgt und keine Krustenteile mit allzu hoher Ton erdekonzentration lokal zu Boden sinken, da die Kruste im Innern des Ofens 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, da sie an den kühleren Rändern des Ofens in zusam menhängenden Stücken erstarren, die dann beim Einstossvorgang in den Fluss gelangen. Dieser Vor gang ist bei den Öfen, die von den Aussenseiten her bedient werden, geradezu erwünscht. Mit den zu sammenhängenden Stücken erstarrten Flusses gelan gen gleichzeitig Anhäufungen von Tonerde in den Fluss, sinken auf den Boden ab und bilden hier Ver- krustungen der Seitenwände der Ofenwanne.
Durch diese Verkrustungen der Seitenwände, die am Wannen boden bis etwa zum äusseren Rand der Anode rei chen, wird der Kohlerand geschützt und das Fluss- und Metallbad des Ofens eng gehalten. Dadurch wird wiederum 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 beschriebenen Öfen, die in der Mitte in dem 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 eine Abdrängung des Stromes nach den Aussen seiten der Kathodenwanne, ein Hohlgehen des Ofens und damit eine Verschlechterung insbeson dere der Stromausbeute. Dieser Nachteil wird jedoch bei der Ofenkonstruktion gemäss Erfindung mit ma schineller Einschlagvorrichtung in der Mitte ver mieden.
Bei Verwendung einer selbsttätigen Einstossvor- richtung und Tonerdeaufgabe mit elektropneumati- scher 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 Ein- schlagen der Kruste und die Tonerdezugabe können mittels automatischer 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.
Hierbei können die Zündvor- gänge zwischen den Takten der maschinellen Bedie nung auftreten oder jeweils als Nullpunkte für die weitere Taktgebung ausgenützt werden.
Durch ein praktisch fast kontinuierliches Einsto ssen der Kruste und eine praktisch fast kontinuier liche Tonerdeaufgabe wird eine Konstanz der Fluss- temperatur 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 Flusstemperaturr 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 Tonerde konzentration von mindestens 3, vorzugsweise min destens 3,5 /o Stromausbeutewerte von 90 bis 96 % erhält.
Die praktisch erreichbare Höchstgrenze der gesamten Tonerdekonzentration im Fluss liegt bei etwa 8-10 %. Im normalen Betrieb wird man vorteil- hafterweise im Bereich von 3,
5 bis 5 % arbeiten. Der Ofen gemäss Erfindung bietet infolge der prak tisch 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 ein Optimum 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 Zünder der Regler die Spannung frei gibt, damit der Zünder sich voll auswirken kann. Die Verwendung eines Spannungsreglers schliesst nicht aus, dass die Ofenspannung auch durch moto risches Auffahren und Abfahren der Anode durch Druckknopfbetätigung geregelt werden kann. Eine derartige Regelung wird immer in Störungsfällen angewandt werden müssen.
Bei Öfen gemäss Erfindung werden daher Wert;. für den spezifischen Energieverbrauch erreicht, die um 0,5 bis 1 kWh/kg A1 niedriger liegen als bei den bisher verwendeten Ofentypen. Eine gleichmässige niedrige Flusstemperatur der Öfen wirkt sich eben falls günstig auf den Anodenverbrauch und den Flussmittelverbrauch aus.
Ausserdem wird bei den beschriebenen Öfen bei weitgehender Mechanisierung der Arbeitsaufwand für sämtliche Bedienungsvorgänge am Ofen um etwa 25 bis 50 0/0. je nach Ofentype und Bedienungs verhältnissen, eventuell auch mehr, herabgesetzt.