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.
Aluminum electrolysis furnace and process for its operation In the endeavor to continuously improve the profitability of the production of primary aluminum by fused-metal electrolysis, the aluminum furnaces have been built for ever higher currents in the last few decades and the work processes required for the operation of the furnaces have increased more mechanized.
So one has z. For example, in the case of the ovens with self-baking the Söderbergganodes, the transport of the fresh coal mass and its application to the anode are largely mechanized and various charging methods as well as the corresponding equipment and aids have been developed.
Likewise, in the case of aluminum electrolysis furnaces that are operated with pre-burned anodes, the transport of the anodes to be newly inserted into the furnace and the anode remains to be removed from the furnace have been mechanized more and more over time.
Various devices have also been developed for pulling and setting the side or vertical power supply bolts of the self-baking anodes.
In particular, however, the work of pushing in the crust on the melt flow in the aluminum electrolysis furnace and the application of the alumina after the pushing in and re-hardening of the surface of the furnace flow has been largely mechanized.
It is known that the crust of the furnaces to which the alumina is applied is crushed when the furnace shows the anode effect, i.e. H. when the furnace flow is so depleted of alumina that passivation of the anode occurs, as a result of which the voltage of the furnace increases by a multiple of the normal. One also speaks of a detonator or an ignition. By impacting the crust, the concentration of alumina in the furnace flow is increased and the anode effect is eliminated. Even between two successive anode effects, the crust of the aluminum electrolysis furnace is generally pushed in one or more times so that the number of anode effects is reduced and the furnace is as cold as possible.
This work used to be done by hand using bumpers. For several decades, crust wrapping machines driven by compressed air have been used for this purpose, which are mobile, operated with human power and with which the ovens (i.e. their crusts) are knocked in one after the other.
After poking in the crust, as soon as the surface of the furnace flow has solidified again, clay is applied. In the past, clay was also applied by hand using portable buckets into which clay was poured from larger containers. Today the clay is transported by mechanical means of transport, e.g. B. in mounted on the ovens storage container, be promoted from where it reaches the oven crust.
Despite the use of these mechanical aids for pushing in the furnace crust and applying the alumina, the workload for the latter operations is generally still relatively high compared to the workload for charging the Söderberg anodes, replacing the block anodes and drawing and inserting the power supply bolts. The reason for this is that the crusts of the ovens have to be smashed relatively often (about every second to fourth hour) and the ovens have to be charged with alumina correspondingly often, and that today both for controlling the crust wrapping machines,
as well as for filling and emptying the alumina container human labor is applied.
In furnaces with pre-burned carbon electrodes, the crust is wrapped around the edge of the molten bath, but also between the individual electrodes, so that the furnace flow is well stirred. In aluminum ovens with a Söderberg electrode, the electrode covers the entire central part of the bath, so that the electrolyte layer is less accessible and you can only work on the periphery of the electrode, where the crust is always very thick and firm.
It was therefore proposed in German Patent No. 638 470 to provide working openings in the Söderberg electrode or to assemble these from two parts which are semicircular in cross section and which are separated from one another by a gap.
There are also ovens known which are equipped with two rows of closely spaced prefired anode blocks, which are arranged so that a space between the anode rows remains in the longitudinal axis of the oven, above which clay containers are arranged, from which a handle is operated by hand Alumina can be left in portions on the oven crust in the space mentioned.
In the middle, roles are placed on the two end faces of the cathode trough, on which long rods can be moved back and forth to the furnace center from both ends, which are cranked at the ends pointing towards the inside of the furnace and provided with a handle on the outside; By means of these rods, the furnace crust is pushed into the space between the rows of anodes by hand and in this way the alumina on the crust is introduced into the furnace flow. After the pushing-in process, a new portion of clay is drained from the clay containers onto the newly formed crust in the space mentioned.
In the above-mentioned known types of ovens, the crusts are hammered in by hand, and the clay containers above the ovens are operated by hand.
These types of furnace have, although relatively favorable operating results are achieved with them, he has significant disadvantages. The work involved in poking the crust is particularly high. The space between the rows of anodes must be kept relatively narrow in order not to run the risk of two independent metal sumps forming in the furnace. As a result, the amount of clay that gets into the furnace flow during the pushing process must also be kept relatively low.
Although the manual push-in process in the known types of furnace with pre-fired anode blocks sometimes takes place relatively often, even every two hours, and in addition to the anode effect, it cannot be avoided that a very uneven distribution of the The alumina flowing into it takes place over the entire length of the space between the two rows of anodes. It often happens that too much crust pieces accumulated with clay get into the furnace flow.
It is well known that the density of the furnace flux with high alumina content is greater than that of the liquid metal. The crust pieces with a high alumina content therefore sink to the floor in the spaces between the two rows of anodes, where they form an extremely solid, electrically insulating floor covering over time.
As a result, the current flowing from the anodes into the furnace flow is pushed to the outer longitudinal sides of the furnace, the furnace begins to go hollow, i.e. H. the electrolyte coating that has solidified on the tub walls and finally also the carbon rim are hollowed out in their lower part, as a result of which, experience has shown, the current yield drops considerably over time; one obtains values for the current yield which are at most 87 / o.
To eliminate the aforementioned disadvantages, whoever runs these ovens with particularly narrow carbon edges and the distance between the anodes from the carbon edge is kept as small as possible. This results in a significant cooling of the bath on the long sides, the coal edges are covered on the inside with a thin solidified river crust, which is electrically well insulated and which causes the current to exit the anodes primarily in a vertical direction.
With the formation of the aforementioned sediment in the middle of the furnace, however, the lateral current spread at the outer anode corners increases over time, so that the coal edges of the furnace are nevertheless hollowed out relatively quickly. It is due to this phenomenon that the cathode tanks of these furnaces are frequently used, at least every 1 1. ;; Years, must be exchanged or renewed if value is placed on the furnaces continuing to work with favorable operating results. By way of comparison, it should be mentioned that the age of the cathode tubs in furnaces that are normally operated on the outside is around 3 to 4 years.
It has also been proposed to automate the break in the crust and, for this purpose, to arrange a rotating roller with working teeth made of heat-resistant material such as quartz, special ceramic mass or the like in the middle of the furnace. With every anode effect, the voltage increase should influence a direct current bias control throttle in such a way that the drive motor fed via this throttle sets the stirring device in motion. However, this device has the disadvantage that it takes up a lot of space in the middle of the furnace.
In addition, at least one tooth always remains immersed in the electrolyte melt during work breaks, so that this roller must be made of a material that withstands the fluoride electrolyte, which is very strong at the working temperature of around 900 C. Such materials are not only very expensive but also fragile, which is a further disadvantage of this construction.
The aforementioned disadvantages of the previous ovens are avoided in the oven construction according to the invention. In addition, the invention enables the ovens to work with a more favorable voltage and a higher current yield than the known types of ovens, so that more favorable operating results can be achieved with them. They can also be operated fully automatically with regard to the breaking in of the crust and the charging of the alumina, so that a large part of the labor that is currently still used to operate the aluminum electrolysis furnaces is practically completely eliminated. The other work processes required at Söderberg ovens, e.g.
B. the application of the Söderberg mass on the anodes, pulling and setting the bolts, can also be carried out in a known manner with extensive use of mechanical aids.
The present invention now relates to a furnace for the production of aluminum by fused-salt electrolysis, the anode area of which is divided into halves with a gap between them. A machine-driven crust hammering device is arranged over the entire length of the anode area, which acts in this intermediate space in an essentially vertical direction.
The anode area is understood to be the horizontal surface over which the anodes extend in the case of ovens with self-baking anodes or which is covered by the anodes and possibly their interstices running across the oven in the case of more than two self-baking or prebaked anodes.
The ovens according to the invention can thus be performed both as ovens with conventional Söderberg anodes and as ovens with self-baking continuous block anodes (anodes made from pressed, unfired anode blocks that are continuously placed on top), or as ovens with pre-baked anodes. The inventive Ofen Konstruk tion is for ovens with a substantially elongated, z. B. rectangular or oval plan is particularly suitable.
The crust-breaking device arranged in the space consists e.g. B. of at least one continuous bar, which is directed with downward th breaking tools, z. B. breaking chisels is provided.
These bars can be designed as lever arms which are mounted in the extension of the gap on one side of the furnace and are mechanically moved up and down on the other side. As a drive means z. B. pneumatic or hydraulic pressure cylinders in question, or knee joints or eccentrics that are operated by electric motors that are controlled by pushbutton actuation or automatic switching device.
Both the mounting of the lever arm and the drive means are conveniently attached to the sides of the furnace outside the anode area. This protects them on the one hand from the furnace exhaust gases and the heat and on the other hand the inter mediate space above the bars remains free for the installation of exhaust gas collection devices. The space between the two anode areas can namely be covered by a hood or by lateral locking plates; the exhaust gases entering this room can be sucked off with the air contained therein in a known manner and supplied to the known absorption systems from.
Conveniently, two lever arms, one on the one and one on the opposite side of the furnace, are arranged symmetrically to each other, so that a wide contact surface is achieved. By arranging two lever arms and by arranging the breaking tools on the half of the lever arm facing away from the pivot point, a sufficiently large penetration depth is achieved so that not only the surface of the crust is broken, but also the fragments of the crust that are produced are pushed into the liquid bath.
During the push-in process, the clay stored on the crust falls into the furnace flow, which increases the concentration of the flow of clay. Above the push levers in the space between the anode halves, an alumina container is expediently arranged, which contains outlet openings in its bottom. The clay is expediently discharged according to the following procedure: The clay rests in the storage container on a porous floor and can be loosened by means of air that is pressed through the plates, so that its fluidity is increased and it flows out of the openings of the container evenly River runs out.
The leakage of the clay can also be effected in other ways, e.g. B. by operating lock locks. After the felling process, a precisely dosed portion of the clay is drained from the storage container, preferably by automatic actuation of the outlets, onto the crust that has now formed again.
Another possible embodiment of the crust wrapping device is that it is driven by at least one continuous, downwardly directed breaking tool, e.g. B. chisels, provided beam is formed, which is driven at both ends and moved up and / or down its entire length. Also in this case, the drive means are z. B. outside the anode area.
In the electrolysis ovens according to the invention, the known regulation of the effective voltage to the target voltage can also be carried out by means of an automatic regulator. This is advantageously done by setting the anodes to the correct height so that there is such a distance between the anodes and the cathodic tank bottom that the most favorable voltage for the furnace in question results between the electrodes.
For this purpose z. B. after each automatic operation of the oven (crust break-in and alumina charging), the effective oven voltage is automatically switched to the controller for a short regulation time; there then only needs to be one voltage regulator for a plurality of ovens if the ovens controlled by this regulator operate with the same nominal voltage or if the regulator can be automatically adjusted to the different nominal voltages of the individually controlled ovens. In this way, the master's tour of the furnace hall to regulate the voltage of the furnace is simulated. Of course it is also possible to attach a special voltage regulator to each furnace.
According to a particularly advantageous embodiment of the invention, the following processes are automatically actuated by a program control: Switching the insertion tools on and off, feeding the alumina and regulating the furnace voltage, in particular setting the target voltage again after the crust has been hammered in.
More details about the inventive electrolysis furnace with mechanical crust impact device is explained with reference to the accompanying drawings, which represent various embodiments of the subject of the invention.
1 to 3 show in cross-section and partly in side view rectangular electrolysis furnaces with built-in crust impact devices and alumina feed devices in the vertical plane and in the longitudinal axis of the furnace, namely in FIG. 1 in the case of an electrolysis furnace with coal anodes burnt in front,
FIG. 2 in the case of an electrolysis furnace with Söderberg anodes with lateral power supply bolts and FIG. 3 in the case of an electrolysis furnace with Söderberg anodes with vertical power supply bolts. Using a vertical section in the middle plane of an electrolytic furnace according to Fig. 2 or 3 show in view:
Fig. 4 shows a first variant of the crust impact device, Fig. 5 shows a second variant of the crust impact device.
The electrolysis furnaces shown in the various figures have a tank 1 which is lined with refractory bricks 2 and coal mass 3. In the carbon lining 3, busbars 4 for the cathodic power supply are embedded. In the tub is the layer of molten deposited aluminum 5 and the electrolyte bath 6 consisting of molten fluorides, the surface of which has solidified to form a crust 7. To hang on the anodic part of the furnace, the support frame 8 is used, on the upper transverse beam there are hoists 9, which are driven by a motor 10 via transfer case 11 and transverse and longitudinal shafts 12 and 13, respectively.
These lifting mechanisms 9 act on lifting and lowering spindles 14 which carry the anode framework 15 and the associated anodic current conductors 16. On the anode frame, the contact or anode rods 17 are attached, which are connected on the one hand to the anodic conductor 16, on the other hand with in the anode or the anodes (18, 19) inserted power supply bolts (20, 21, 22) and thus the anode or the Wear anodes and supply electricity. By operating the lifting system with the motor 10, the anode frame 15 and thus the entire anode group can be adjusted in height.
In this way, it is possible to set the anode group to such a height that the desired voltage prevails between the anodes and the cathodic tank bottom.
The furnace shown in FIG. 1 is equipped with prebaked anode blocks 18, which are arranged in two rows running in the longitudinal direction of the furnace, in such a way that an intermediate space 23 running in the longitudinal axis of the furnace is formed between the rows is, the width of which is preferably 20 to 70 cm. The anode area is thus divided into halves separated from one another by an intermediate space running in the longitudinal axis of the furnace. In this intermediate space 23, also in the longitudinal direction of the furnace, the cristall impact device, which acts essentially in the vertical direction, is arranged.
This Vorrich device has two bars 24, 25 which are provided with chisels 26 pointing downwards. The bars of the crust impact device are movable in the vertical direction Rich; in the drawing, the beam 25 is shown in the working position; At a certain moment one beam is in its highest position, the other in its lowest position; a little later the situation is reversed, as shown by dashed lines. In the rest position, the two bars are held in the elevated position so that the tips of the chisels do not remain immersed in the strongly attacking electrolyte melt. Of course, it would also be possible to lower the two bars 24 and 25 at the same time and then to raise them at the same time.
An alumina storage container 27 is also arranged above the central intermediate space 23 and has controllable outlet openings 28 on its lower part.
The ovens according to FIGS. 2 and 3 are each equipped with two self-baking anodes 19 running in the longitudinal direction of the oven, so that the anode area is again divided into halves separated from one another by an intermediate space 23 running in the longitudinal axis of the oven. The two anodes are each surrounded by a partially double-walled jacket 29 which is suspended from the frame 8 by the rods 30 and which also forms a gas collection hood 31 around the anode area.
In the furnace according to FIG. 2, the electric current is fed to the two anodes through lateral power supply bolts 21 connected to the anodic busbars 16 via rods 17. These lateral bolts 21 are given the opportunity to wander down with the anode by being arranged in vertical slots in the anode jacket.
With the exception of its upper part, which forms the continuous gas collecting duct, the anode jacket is not continuous, but consists of individual box-shaped vertical columns that converge into the upper collecting duct, in which the exhaust gases flow up and between which the side current bolts are arranged. In Fig. 2 is behind the bolt 21 each a side wall of such a vertical column of the shell in view Darge provides. In the furnace according to FIG. 3, vertical bolts 22 take over the power supply from the anode rails 16 to the anodes 19.
In these ovens there is a 20 to 70 cm wide gap 23 between the two anodes 19, in which the crust wrapping device, exactly as in the oven shown in FIG. 1, and the clay storage container 27 are arranged. The alumina flows from the container 27 through the channels 36 on the sides of the gap. This container has a double bottom, the upper layer of which consists of porous plates 32.
If compressed air is sent through the lines 33 and nozzles 34 into the space between the floors, it penetrates the porous plates 32 and loosens the clay present in the container, which flows down through the perforated walls 35 like a liquid and flows out through the channels 36.
In the context of the invention, the crust hammering device built into the central longitudinal plane of the furnace can be carried out in various ways. Two possible designs are shown in FIGS. 4 and 5, which represent vertical sections through the longitudinal axis of rectangular electrolytic furnaces.
According to the construction shown in Figure 4 be the crust impact device consists of two over the entire anode area and protruding on the two end faces of the anode area, lever-like bars 24 and 25, only the bar 25 located on one side of the furnace center plane is drawn and the second, located on the other side of the furnace center plane beam 24, which is arranged reversed, but is otherwise designed the same as the beam 25, is not illustrated.
The beam 25 is mounted on one end of the furnace on an axle 37 connected to the furnace frame and is moved at its other end by the hydraulic or pneumatic pressure cylinder 38, which is supported on the flange 39 on the furnace frame. The beam 25 is provided with downwardly directed breaking chisels 26, but only on the half of the beam farther away from the pivot point, since this has only a relatively small hub on its other half, near its pivot point. So that the chiseled half of the beam lies horizontally in the lower position and the crust penetrates the bathroom to a regular depth, the beam is slightly curved in its center.
A stop 40 prevents the chisel from penetrating too deeply into the bath. The bar 25 is shown in dashed lines in its elevated position, which coincides with the rest position. It is still possible to provide a lock 41 for the beam in the rest position.
To collect the exhaust gases escaping between the two anodes, the gap is closed at both ends with a sheet metal hood 42. The exhaust gases are burned in the chimney 43 with a supply of fresh air and then fed to the cleaning system. The discharges of the gas collection hoods 31 of the two continuous anodes also open into this chimney 43. However, it would also be possible to attach a collecting channel, corresponding to the collecting channel 31, to the side of the anodes 19 facing the intermediate space 23 and then to leave the intermediate space 23 open at both ends, whereby, if necessary, better cooling of the anode inner walls can be achieved .
According to the construction shown in Fig. 5, the crust impact device has at least one over the entire length of the anode area through continuous and on both end faces of the anode area projecting straight bar 25, which is driven at both ends by pressure cylinder 38 is. This bar 25 can therefore be moved up and down to the same extent over its entire length and, for this reason, be provided with chisels 26 over its entire useful length. The anodic part of the electrolysis furnace is only indicated in FIG. 5.
The crust impact devices shown in FIGS. 4 and 5 can be used in the furnace types according to FIG. 1, 2 or 3.
By means of the drive means shown in FIGS. 4 and 5, the bars 24, 25 are driven in a practically purely vertical direction. But it is also possible to move the bars transversely to their longitudinal direction or also in their longitudinal direction by suitable drive means in order to achieve better stirring of the bath in addition to pushing in the crust. It can be used as a drive means for this purpose. B. use eccentrics, which can also be combined with the already described Druckzylin to achieve three-dimensional movements of the crushing tools.
The drive means and motors belonging to the described crust hammering device can be started and stuffed at the given time by pressing a button. In an advantageous embodiment, the pushing-in process as well as the charging of the furnace with alumina and the regulation of the voltage are effected by a program controller which, with regard to the first two processes, z B. works electro-pneumatically, while the voltage regulator rend z. B. via Magnetver works more on electrical contact and controls the motor 10 to raise or lower the anode.
With this program controller, for example, both the time intervals between the individual push-in processes, the duration of the push-in process, z. B. half to 3 minutes, the time interval between the end of the pushing process and the start of the addition of alumina (z. B. Half to 5 minutes), the duration of the outflow of alumina from the storage container and the furnace voltage can be regulated.
The automatic operation is in any case due to the anode effect, i.e. H. triggered by the sudden increase in voltage via the voltage regulator. You can also set the program control so that the furnace is automatically pushed in one or more times between two anode effects and automatically charged with alumina. After the pushing-in and charging process, the voltage regulator sets the furnace back to the target voltage.
If there is no anode effect in a given time, z. B. the control automatically vermin the addition of alumina after each insertion process or turn it off completely until the anode effect has occurred again. The charging cycle is expediently interrupted about once a day in order to bring about the anode effect at least once a day.
Preferably, at intervals of z. B. 30 min, 1 h, 1 1/2 or 2 h the crust impact device automatically set in motion, which pushes the clay into the molten bath at the same time a break in the crust. Immediately or shortly thereafter, the new amount of clay is automatically discharged from the storage container and falls onto the crust that has formed again in the meantime. This clay protects the bath surface from cold and is also preheated for the next push.
The amount of alumina is regulated as precisely as possible by the duration of the actuation of the outlet device in order not to exceed a certain concentration of the alumina in the furnace flow. The unavoidable tolerances of accuracy in the dosage of the alumina are taken into account because, as mentioned above, if the igniter fails, less alumina is automatically added until a new anode effect occurs again. The program control can also be set up in such a way that more clay is automatically added if the stove ignites too often.
But it can also happen that for some reason the necessary amount of clay is not injected, or at least does not dissolve in the electrolyte. In such a case, an anode effect will occur before the end of the normal period and thus before the crust impact device and the alumina adding device are started automatically. As mentioned, the program control is regulated in such a way that it also reacts to such incidents and initiates the necessary processes.
By arranging the automatic pusher between the two anodes by means of at least two breaking tools, preferably a larger number of them, it is achieved that the pounding of the alumina into the flow takes place evenly over the entire space between the anodes and no crust parts with an excessively high clay concentration locally sink to the bottom, as the crust inside the furnace between the two relatively hot anode halves is soft and can be easily pushed in.
In the known ovens, the crusts on the outside of the oven are relatively compact because they solidify in coherent pieces at the cooler edges of the oven, which then end up in the river during the pushing process. This process is desirable for the ovens that are operated from the outside. With the connected pieces of solidified river at the same time accumulations of clay get into the river, sink to the bottom and form encrustations on the side walls of the furnace pan.
These incrustations on the side walls, which at the bottom of the tub extend to roughly the outer edge of the anode, protect the carbon edge and keep the flux and metal baths in the furnace close. This in turn concentrates the current on the cathode and the level of the metal deposited on the cathode increases rapidly. Experience has shown that both processes have a positive effect on the current yield.
In contrast, with the ovens described, which are operated in the middle in the space between the two anodes or between the two rows of anode blocks (i.e. in which the crust is broken between the two anodes or between the two rows of anode blocks), the process of the formation of sediment during the pushing-in process is undesirable. As mentioned, this sediment causes the pushing-in process in the middle to push the current to the outside of the cathode trough, to hollow the furnace and thus to worsen the current yield in particular. However, this disadvantage is avoided ver in the furnace construction according to the invention with machineller impact device in the middle.
When using an automatic pusher and alumina feed with electropneumatic switchgear, it is possible to have the furnace operated automatically. The switching device is set so that the crust is often tapped. The crust can be folded in and the alumina addition can be carried out continuously using an automatic device. In order to protect the device, however, the mechanical device will practically not be started continuously, but once or several times an hour, but at least once every two hours.
The ignition processes can occur between the cycles of the machine operation or they can be used as zero points for further timing.
By practically almost continuous penetration of the crust and practically almost continuous feeding of alumina, a constancy of the flow temperature and the alumina concentration in the flow is achieved that has never been achieved before. The furnace according to the invention can be made to work with an alumina concentration and a flow temperature at which the highest possible values for the current yield result.
Systematic tests on an industrial scale have shown that with constant alumina concentration of at least 3, preferably at least 3.5 / o, current efficiency values of 90 to 96% are obtained.
The practically achievable maximum limit of the total alumina concentration in the river is around 8-10%. In normal operation, one is advantageously in the range of 3,
5 to 5% work. The furnace according to the invention offers as a result of the practically continuous charging with alumina the possibility to achieve such high and previously never achieved values of the current yield.
When choosing the alumina concentration, the conductivity of the flow at a given temperature can be taken into account and the conductivity and temperature can be adjusted so that the furnace voltage and current yield are optimal.
The voltage regulation also offers the possibility of running the furnace on a voltage curve, in which optimal values for current yield and specific energy consumption are achieved at every moment. The simplest case is the one in which the voltage regulator regulates the furnace voltage to a constant target voltage value, with the regulator releasing the voltage a short time before the igniter so that the igniter can take full effect. The use of a voltage regulator does not rule out that the furnace voltage can also be regulated by motorized opening and closing of the anode by pressing a button. Such a regulation will always have to be applied in the event of a malfunction.
In ovens according to the invention, therefore, value; for specific energy consumption, which are 0.5 to 1 kWh / kg A1 lower than with the previously used furnace types. A uniformly low flow temperature in the furnace also has a positive effect on the anode consumption and the flux consumption.
In addition, in the case of the ovens described, with extensive mechanization, the workload for all operating processes on the oven is about 25 to 50%. depending on the furnace type and operating conditions, possibly more, reduced.