CH620948A5

CH620948A5 -

Info

Publication number: CH620948A5
Application number: CH601576A
Authority: CH
Inventors: Theodor Dipl Ing Tschopp
Original assignee: Alusuisse
Priority date: 1976-05-13
Filing date: 1976-05-13
Publication date: 1980-12-31
Also published as: ATA341477A; HU177269B; NO150287B; IT1078984B; PL198030A1; ES458692A1; DE2624171C3; PL111347B1; NO150287C; DK187177A; AU2468577A; IN146454B; CA1114328A; AT358291B; PH14831A; FR2351192B1; DE2624171B2; FR2351192A1; NZ184044A; AU507649B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflussung des elektrischen Stromes im flüssigen Aluminium bei dessen Gewinnen durch Elektrolyse in einer Elektrolysezelle, mit in eine Schmelze tauchenden Anoden und diesen in Abstand gegenüberliegenden, in einen Kohlenstoffboden eingebetteten Kathodenbarren, wobei zwischen diesen und den Anoden abgeschiedenes Aluminium als Kathode dient, und einen Kohleboden mit darin eingebetteten Kathodenbarren einer Elektrolysezelle zur Durchführung dieses Verfahrens.

Für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse aus Aluminiumoxid (AI2O3) wird letzteres üblicherweise in einer Fluoridschmelze gelöst, die zum grössten Teil aus Kryolith (NasAlFô) besteht. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium sammelt sich unter jener Fluoridschmelze auf dem aus Kohlenstoff bestehenden Boden der Zelle; die Oberfläche des flüssigen Aluminiums bildet dann die Kathode. In die Fluoridschmelze tauchen von oben her die Anoden ein, an denen durch die elektrolytische Zersetzung des Aluminiumoxides Sauerstoff entsteht. Letzterer verbindet sich bei der konventionellen Elektrolyse mit dem Anodenkohlenstoff zu CO und CO2.

Die elektrische Leitfähigkeit der Fluoridschmelze ist im Verhältnis zu der des flüssigen Aluminiums so schlecht, dass der Elektrolysestrom, der die Anoden wannenwärts verlässt, die Fluoridschmelze annähernd vertikal durchströmt, d. h. die vertikale Stromdichte ist im Elektrolyten bzw. der Fluoridschmelze im allgemeinen überall vergleichmässigt. Dies trifft jedoch für den Kohlenstoffboden und den in diesem untergebrachten Kathodenbarren beispielsweise in Form eines eisernen Kathodenbarrens - nicht zu. Kohlenstoffboden, Kathodenbarren und die Kontaktwiderstände zwischen beiden Stoffen weisen unterschiedliche elektrische Eigenschaften auf, weshalb der Kohlenstoffmantel am Zellenrand relativ mehr Strom als in Zellenmitte bzw. im Zellenzentrum aufnimmt. Diese Stromabnahme an der Unterseite des flüssigen Aluminiums ist selbst dann ungleichmässig, wenn das flüssige Aluminium an seiner Oberseite völlig gleichmässig mit Strom versorgt wird. Die im flüssigen Aluminium auftretenden i.w. horizontal nach aussen gerichteten Stromdichtekomponenten sind sehr schädlich; sie erzeugen zusammen mit den nicht zu verhindernden magnetischen Induktionskomponenten im flüssigen Aluminium Kräfte, die von denen im Elektrolyten stark unterschiedlich sind und zu Aufwölbungen des flüssigen Aluminiums bzw. zu Strömungen führen.

Angesichts dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, die Stromverdrängung im flüssigen Aluminium nach aussen hin zu beseitigen und zu erreichen, dass bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art auch das flüssige Aluminium in vertikaler Richtung mit konstanter Stromdichte durchflössen wird. Zur Lösung dieser Aufgabe führt ein Verfahren, bei dem, zwischen der Schmelze bzw. der Kathode einerseits sowie den Kathodenbarren anderseits, die elektrische Leitfähigkeit vom Zentrum der Elektrolysezelle zu deren Rand hin so vermindert wird, dass auf den Kathodenbarren über die ganze Breite der Elektrolysezelle durch das abgeschiedene Aluminium die gleiche Stromdichte je Flächeneinheit trifft. Die elektrische Verbindung zwischen dem Stromleiter und einem diesen umgebenden und an sich bekannten Kohlenstoffmantel soll vom Zentrum der Elektrolysezelle zu deren Rand hin so vermindert werden, dass der Kohlenstoffboden aus dem abgeschiedenen Aluminium über die gesamte Breite der Elektrolysezelle den gleichen Strom je Flächeneinheit des Kohlenstoffbodens aufnimmt. Dieses Verfahren wird durch eine Vorrichtimg ermöglicht, bei welcher die elektrische Verbindung zwischen Kohlenstoffboden und Kathodenbarren vom Zentrum der Elektrolysezelle zu deren Rand abnehmend ausgestaltet und der Kontaktwiderstand in gleicher Richtung ansteigend ist.

Dank diesen Massgaben werden die Kräfte im flüssigen Aluminium sowie im Elektrolyten gleich gross, was sowohl die erwähnten Aufwölbungen als auch die Metallströmungen entweder stark reduziert oder gar zum Verschwinden bringt. Dies wird erreicht durch Beseitigung der Stromverdrängung nach aussen im flüssigen Aluminium.

Die Verminderung der Stromführung vom Zentrum der Elektrolysezelle zu deren Rand hin kann stufenweise erfolgen,

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wobei die Längen der Stufen- oder Teilstücke der elektrischen Verbindung zwischen Kohlenstoffboden und Kathodenbarren in gleicher Richtung abnimmt, während die Weite der Zwischenräume zwischen jenen Teilstücken zunimmt.

Auch liegt es im Rahmen der Erfindung, eine stufenlose Verminderung der Stromführung vom Zentrum der Elektrolysezelle zu deren Rand hin zu erreichen, wobei ein den Kohlenstoffboden und den Kathodenbarren trennender Zwischenraum zum Zellenrand hin abnehmend mit einem Leitmedium gefüllt wird, bevorzugt durch Eingiessen von Gusseisen in den Zwischenraum.

Der vorteilhafterweise aus einzelnen vorgebrannten Kohleblöcken bestehende Kohlenstoffboden wird mit den eisernen Kathodenbarren durch eine gut leitende Stampfmasse oder Gusseisen nur teilweise elektrisch verbunden, was an den freien Stellen, also zum Zellenrand hin, zu einer Erhöhung des Kontaktwiderstandes führt. Die Stromaufnahme des Kohlenstoffbodens verstärkt sich somit zum Zellenzentrum hin bzw. nimmt zum Zellenrand hin ab. Bei einer vorausschauenden Dimensionierung des Kontaktwiderstandes kann ein vertikaler Stromfluss im flüssigen Aluminium erreicht werden.

Die Vermeidung horizontaler und nach aussen gerichteter Stromkomponenten im flüssigen Aluminium verkleinert die Reoxidation des bereits entstandenen Aluminiums durch die Anodengase, indem Metallaufwölbung und/oder Metallströmungen des flüssigen Aluminiums erheblich verkleinert oder zum Verschwinden gebracht werden, wie bereits weiter oben erläutert. Weiterhin verringern sich die Wärmeverluste durch die eisernen Kathodenbarren nach aussen, da mit dem elektrischen Kontaktwiderstand natürlich auch der Wärmewiderstand zwischen Kathodenbarren und Kohlenstoffboden erhöht wird.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Teil einer konventionellen Aluminium-Elektrolysezelle ;

Fig. 2 einen Querschnitt durch Fig. 1 gemäss deren Linie II-IV;

Fig. 3 einen vergrösserten Ausschnitt aus Fig. 2;

Fig. 4 einen vergrösserten Ausschnitt entsprechend Fig. 3 zu einem anderen Ausführungsbeispiel.

Über einer Stahlwanne 1 mit wärmeisolierender Innenschicht 2 und einem auskleidenden Kohlenstoffboden 3 erstrecken sich in Längsrichtung balkenartige Anodenträger 4, welche an Spindeln 6 auf Sockelstücken 5 lagern und durch -mit der/den Spindel/n 6 kämmende - Schneckenräder 7 in Pfeilrichtung y höhenverschieblich sind.

Mit den Anodenträgern 4 sind durch Schlösser 8 etwa vertikal verlaufende Anodenstangen 9 verbunden, welche an ihren wannenseitigen Enden mit Anodenkörpern 10 aus amorphem Kohlenstoff versehen sind. Letztere können mit ihren Stromleiterstangen 9 in den Schlössern 8 in Pfeilrichtung y verschoben und damit der Abstand h zwischen Anodenunterseite 11 und der Innenfläche 12 des Kohlenstoffbodens 3 verändert sowie justiert werden.

Wie insbesondere die eine Stahlwanne 1 mit lediglich einem sie in ihrer Mittelsenkrechten M übergreifenden - Querj oche 13 für die Anodenstangen 9 aufnehmenden - Anodenträger 4 verdeutlichende Fig. 2 erkennen lässt, wird der Kohlenstoffmantel 3 in seiner gesamten Breite b von eisernen Kathodenbarren 14 durchsetzt, deren abkragende Enden 15 über Leitungen 16 mit seitlich flankierenden Stromschienen 17 verbunden sind.

Im Inneren der Stahlwanne 1 bzw. des vom Kohlenstoffboden 3 gebildeten Innenraumes J befindet sich eine zum grössten Teil aus Kryolith (Na3AlF(.) bestehende Fluoridschmelze S als Elektrolyt für die Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid (ÀI2O3) durch Elektrolyse.

Das kathodisch abgeschiedene Aluminium A sammelt sich auf dem Kohlenstoffboden 3 ; die Oberfläche 20 der Aluminiumschicht A stellt die Kathode für den Elektrolysevorgang dar, über welcher die Anodenkörper 10 im Abstand d hängen.

Über den/die Anodenträger 4 sowie die Anodenstangen 9 wird den Anodenkörpern 10 Gleichstrom zugeführt, der über dem Elektrolyten S, das flüssige Aluminium A und den Kohlenstoffboden 3 zu den jeweils zugeordneten Kathodenbarren 14 gelangt; vom Kathodenbarren 14 der beschriebenen Elektrolysezelle E fliesst der Strom zum Anodenträger 4 einer -nicht dargestellten - folgenden Zelle; dies kann sich entsprechend der Zellenanzahl beliebig wiederholen.

Der Elektrolyt S wird von einer Kruste 30 aus erstarrter Fluoridschmelze überdeckt; ebenfalls bilden sich an den Seiten 29 des Kohlenstoffbodens 3 sogenannte Bordkrusten 31. Letztere sind mitbestimmend für die horizontale Ausdehnung f des Bades aus dem flüssigen Aluminium A und dem Elektrolyten S.

Jener überdeckenden Kruste 30 liegt eine Aluminiumoxidschicht 32 auf. Unterhalb der Kruste 30 finden sich über der Fluoridschmelze S Hohlräume 33.

Der Abstand d der Anodenunterseite 11 zur Aluminiumoberfläche 20, auch Interpolardistanz genannt, lässt sich zum Heben oder Senken des Anodenträgers 4 in Pfeilrichtung Y mit Hilfe der Hubeinrichtung 6-7 ändern; dies erfolgt entweder gleichzeitig mit sämtlichen Anodenkörpern 10 oder -vermöge der Schlösser 8 - für jede Anodenstange 9 gesondert.

Infolge des Angriffes durch den bei der Elektrolyse in Freiheit gesetzten Sauerstoff verbrauchen sich die Anodenkörper 10 an ihrer Unterseite 11 täglich je nach Zellentyp um etwa 15 bis 20 mm; gleichzeitig steigt der Oberflächenspiegel 20 des in der Zelle E befindlichen flüssigen Aluminiums A im gleichen Zeitraum um 15 bis 20 mm. Nach dem Verbrauch eines Anodenkörpers 10 wird dieser gegen einen neuen Anodenkörper 10 ausgewechselt.

In der Praxis wird eine Zelle E derart betrieben, dass sich bei den Anodenkörpern 10 bereits nach wenigen Tagen unterschiedliche Verbrauchserscheinungen zeigen. Die Anodenkörper 10 müssen über einen Zeitraum von mehreren Wochen getrennt voneinander ausgewechselt werden. Insbesondere Fig. 1 lässt erkennen, dass in einer Zelle E Anodenkörper 10 verschiedenen Einsatzalters vorhanden sind.

Im Laufe des Elektrolysevorganges verarmt der Elektrolyt S an Aluminiumoxid. Bei einer unteren Konzentration von einem Prozent bis zwei Prozent Aluminiumoxid im Elektrolyten S kommt es zum sogenannten Anodeneffekt, der sich in einer plötzlichen Erhöhung der Normalspannung von 4 bis 4,5 V auf dann etwa 30 V und mehr auswirkt. Spätestens zu diesem Zeitpunkt muss die überdeckende Kruste 30 eingeschlagen und die Ak03-Konzentration durch Zugabe von neuen Aluminiumoxid 32 angehoben werden.

Üblicherweise wird die Zelle E im normalen Betrieb periodisch bedient, auch wenn der beschriebene Anodeneffekt nicht auftritt. Darüber hinaus muss bekanntlich bei jedem Anodeneffekt - wie geschildert - die Badkruste 30 eingeschlagen und die Aluminiumoxid-Konzentration durch Zugabe angehoben werden. Der Anodeneffekt ist daher im Betrieb stets mit einer zusätzlichen Zellenbedienung verbunden, das sich auf dem Kohlenstoffboden 3 der Zelle E sammelnde elektrolytisch erzeugte Aluminium wird im allgemeinen einmal täglich durch konventionelle Entnahmevorrichtungen, beispielsweise durch Saugrüssel 40, der Zelle E entnommen.

Die elektrische Leitfähigkeit der Fluoridschmelze S ist im Verhältnis zu der des flüssigen Aluminiums A so schlecht, dass der die Anodenkörper 10 an ihrer Unterseite 11 verlassende s

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Elektrolysestrom die Fluoridschmelze S annähernd vertikal durchströmt - wenn man Randeffekte vernachlässigt, ist die vertikale Stromdichte im Elektrolyten S folglich überall gleich.

Im Kohlenstoffboden 3 mit seinen eisernen Kathodenbarren 14 und den Kontaktwiderständen zwischen beiden Medien s sind Elemente unterschiedlicher Eigenschaften vereinigt. Der Kohlenstoffboden 3, der den Strom aus dem flüssigen Aluminium A aufnimmt, zieht wegen dieser Verschiedenheit in elektrischer Hinsicht am Zellenrand relativ mehr Strom als in Zellenmitte M. Wird das flüssige Aluminium A an der Ober- io seite 20 gleichmässig mit Strom versorgt und ist die Stromabnahme an der Innenfläche 12 des Kohlenstoffbodens 3 ungleichmässig, müssten im flüssigen Aluminium A Ausgleichströme in horizontaler Richtung fliessen, um die in Fig. 2 dargestellte Auslenkung der Stromlinien 41 zu unterbinden. is Denn der Elektrolysestrom verlässt die Anodenkörper 10 annähernd vertikal und fliesst im flüssigen Aluminium A nach aussen, d. h. zur Wand der Stahlwanne 1 hin.

Die im flüssigen Aluminium A auftretenden horizontalen,

nach aussen gerichteten Stromdichtekomponenten sind sehr a> schädlich. Zusammen mit den in der Nachbarschaft stromführender Leiter stets vorhandenen magnetischen Induktionskomponenten erzeugen sie im flüssigen Aluminium A Kräfte, die von denen im Elektrolyten S stark unterschiedlich sind. Die Folge dieser Kraftunterschiede sind Aufwölbungen des flüssi- 25 gen Aluminiums und/oder Strömungen. Beide Folgen verschlechtern den Ofengang erheblich, da bereits produziertes Aluminium A durch jene Effekte in die Nähe der Anodenkörper 10 gebracht wird, wo es durch die dort vagabundierenden Anodengase (CO2) zu Ab O3 oxidiert - erheblicher Produktionsverlust ist die Folge.

Diese Mängel werden gemäss Fig. 3 bzw. Fig. 4 durch Schichten 42 bzw. 46 vermieden, welche zwischen Kohlenstoffboden 3 und Kathodenbarren 14 angeordnet sind. Die Teilstücke 43 der Schicht 42 weisen quer zur Zellenlängsachse unterschiedliche Längen n auf; letztere nehmen zur Stahlwan-nenaussenseite hin ab. Entsprechend vergrössern sich die Weiten p der zwischen den eingegossenen oder eingestampften Teilstücken 43 verbleibenden Räume 44. Im Bereich dieser freien Räume 44 können die Kathodenbarren 14 mit elektrisch nicht leitendem Material 45 gegenüber dem Kohlenmantel 3 isoliert werden.

Werden die eingegossenen oder eingestampften Teilstücke 43 nach aussen kürzer oder wird die Füllung zwischen Kathodenbarren 14 und Kohlenstoffboden 3 mit Gusseisen oder Stampfmasse 46 gemäss Fig. 4 in gleicher Richtung vermindert, verschlechtert sich der Kontakt zwischen eisernen Kathodenbarren 14 einerseits und Kohlenstoffboden 3 anderseits zu den Rändern hin. Die entsprechende Zunahme des Kontaktwiderstandes nach aussen wird nach Methoden der elektrischen Netzberechnung so bestimmt, dass die Stromaufnahme des Kohlenstoffbodens 3 aus dem flüssigen Aluminium A in der ganzen Zelle E überall gleich wird.

Im übrigen lässt Fig. 4 erkennen, dass der Kohlenstoffboden 3 aus einzelnen Blöcken 3a, 3b unter Bildung vernachlässigbarer Stossfugen 47 hergestellt ist.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Verfahren zur Beeinflussung des elektrischen Stromes im flüssigen Aluminium bei dessen Gewinnen durch Elektrolyse in einer Elektrolysezelle, mit in eine Schmelze tauchenden Anoden und diesen in Abstand gegenüberliegenden, in einen Kohlenstoffboden eingebetteten Kathodenbarren, wobei zwischen diesen und den Anoden abgeschiedenes Aluminium als Kathode dient, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Schmelze (S) bzw. der Kathode (A) einerseits sowie den Kathodenbarren (14) andrerseits die elektrische Leitfähigkeit vom Zentrum (M) der Elektrolysezelle (E) zu deren Rand (31) hin so vermindert wird, dass auf den Kathodenbarren (14) über die ganze Breite (b) der Elektrolysezelle durch das abgeschiedene Aluminium (A) die gleiche Stromdichte je Flächeneinheit trifft.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindung zwischen dem Kohlenstoffboden (3) und den Kathodenbarren (14) von innen nach aussen kontinuierlich oder in Form von kürzer werdenden Teilstücken (43) vermindert wird.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Kohlenstoffboden mit darin eingebetteten Kathodenbarren einer Elektrolysezelle zur Durchführung des im Anspruch 1 definierten Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindung zwischen dem Kohlenstoffboden (3) und den Kathodenbarren (14) vom Zentrum (M) der Elektrolysezelle (E) zu deren Rand (31) hin abnehmend ausgestaltet und der Kontaktwiderstand in gleicher Richtung ansteigend ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Zwischenraum zwischen dem Kohlenstoff (3) und den Kathodenbarren (14) ein elektrisches Leitmedium (46) mit vom Zentrum (M) nach aussen abnehmender Stärke angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Zwischenraum zwischen dem Kohlenstoff (3) und den Kathodenbarren (14) in Stromrichtung Teilstücke (43) aus einem elektrischen Leitmedium mit vom Zentrum (M) nach aussen abnehmender Länge (n), unter Bildung von freien Räumen (44) mit vom Zentrum (M) nach aussen zunehmender Länge (p), angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Leitmedium (43,46) aus Gusseisen oder Stampfmasse besteht.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Räume zwischen dem elektrischen Leitmedium (43,46) einerseits sowie dem Kohlenstoffboden (3) und/oder den Kathodenbarren (14) andrerseits wenigstens teilweise mit einem elektrisch leitenden Medium (45) versehen sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffboden (3) aus einzelnen vorgebrannten Blöcken (3a, 3b) zusammengefügt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Leitmedium (43, 46) auf einzelne vorgebrannte Blöcke (3a, 3b) des Kohlenstoffbodens (3) aufgestampft ist.