CH641209A5 - Elektrolysezelle. - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium, wobei geschmolzener Elektrolyt sowie ein Bett aus geschmolzenem Metall von einem Kohlenstoff enthaltenden Boden, der die Zellenkathode bildet, getragen sind, und wobei sich zwei in Längsrichtung angeordnete Hauptstromleitungen entlang den beiden Längsseiten der Zelle erstrecken, um an in Längsrichtung beabstandeten Stellen Anschlüsse an den Boden aufzunehmen. Bei solchen Zellen, welche zur elektrolytischen Herstellung von Aluminium verwendet werden, sammelt sich auf dem Boden der Zelle unterhalb der Elektrolytschmelze, in welche eine oder mehrere Anoden von einer Halterung aus eintauchen, eine Schicht flüssigen Metalls. Um einen möglichst guten Wirkungsgrad der nötigen elektrischen Energie zu erreichen, ist es wichtig, den Abstand zwischen der Anodenunterseite und der Kathodenoberfläche, welche durch die Oberfläche der Schicht flüssigen Metalls gebildet wird, so nahe als möglich bei einem bestimmten gewählten Wert zu halten. Demzufolge ist es klar, dass jede Störung der Oberfläche der Schicht flüssigen Metalls sich ungünstig auf den Wirkungsgrad des Zellenbetriebs auswirkt.

Elektrolysezellen arbeiten bei kleiner Spannung und sehr hohen Strömen. Die Zellen sind in Serie geschaltet und in einer Reihe angeordnet. Der Stromtransport von einer Zelle zur anderen erfolgt über grosse Stromschienen, welche jeweils die Kathode der einen mit der Anode der nächsten Zelle verbinden. Der Stromfluss durch die Zelle und in den Stromschienen verursacht ein starkes Magnetfeld in der Zelle und ihrer Umgebung. Dieses Magnetfeld kann eine starke Störung der Schicht aus flüssigem Metall bewirken wegen der Wechselwirkungskräfte zwischen dem Strom in der flüssigen Metallschicht und dem Magnetfeld.

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine einfache Kathodenkonstruktion zu schaffen, die zu einem Schichtverhalten führt, welches eine Verbesserung des Wirkungsgrades und der Steuerung zur Folge hat.

Dazu soll die horizontale Stromkomponente, welche quer zur Zelle in der Schicht flüssigen Metalls fliesst, vermindert und kontrolliert werden. Da die elektromagnetische Kraft unter anderem proportional zur Stromdichte ist, stellt dies eine sehr wirksame Massnahme zur Beeinflussung der Schicht flüssigen Metalls sowie der Zellenstabilität dar.

In herkömmlichen Elektrolysezellen ist die Kathode aus den Zellenboden bildenden Kohlekathodenblöcken aufgebaut, welche in ihrer Längsrichtung quer zur Zelle ausgelegt sind. Die Unterseite der Kathodenblöcke weist der Länge nach Nuten zur Aufnahme von Metall- (in der Regel Stahl-) sammelschienen auf, die unter den Blöcken quer zur Zelle verlaufen, sich durch die Zellenwände erstrecken und an die Hauptstromleitungen angeschlossen sind. Diese Sammelschienen sind mit Gusseisen eingegossen oder mit einem Kohle-Pech-Gemisch eingestampft, das später, wenn sich die Zelle erwärmt, verkohlt und dadurch einen guten elektrischen Kontakt zwischen dem Kohleblock und der Metall-sammelschiene herstellt. Obschon viele andere Anschlussarten von Metallsammelschienen an Kohleblöcke vorgeschlagen worden sind, werden dank ihrer Einfachheit in der Regel die oben erwähnten Methoden verwendet.

Da die Kohlekathodenblöcke relativ gute thermische Leiter sind, müssen die Sammelschienen aus einem Metall mit höherem Schmelzpunkt als die Betriebstemperatur der Zelle bestehen und werden deshalb gewöhnlich aus Stahl hergestellt.

Es wurde nun gefunden, dass der herkömmliche Stromfluss zwischen der Elektrolytschmelze und den Sammelschienen der Kathode zu einer wesentlichen quer zur Zelle verlaufenden Horizontalkomponente des Stromes durch die Schicht geschmolzenen Metalls führt, da der Weg kleinsten elektrischen Widerstandes zwischen der Elektrolytschmelze und den Hauptstromleitungen durch die Schicht des geschmolzenen Metalls zur Zellenseite und dann durch den Kohleblock hinunter zur Sammelschiene verläuft. Dies ergibt eine relativ grosse Stromdichte an der Grenzfläche Kohle/ Stahl in Bereichen nahe den Zellenseiten.

Eine Anordnung, bei welcher der Strom durch einen relativ kleinen Bereich nahe den Enden der Sammelschienen in diese eintritt, gibt Anlass zum Einwand, dass der Spannungssprung zwischen den Sammelschienen und der Kohle wegen der hohen Stromdichte unangemessen hoch sei. Indem sich die vorliegende Erfindung zum Ziel setzt, horizontale Querströme in der Metallschicht herabzusetzen, setzt sie sich

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zugleich die Aufgabe, den Spannungssprung an der Grenzfläche Kohle/Stahl zu vermindern, indem dort die Stromdichtenunterschiede reduziert werden. Eine gleichmässigere Stromdichte führt auch zur Verkleinerung des Spannungsabfalles über dem Kathodenkohleblock mit möglicher Stromersparnis.

Die elektromagnetischen Kräfte, die zu einer Störung der Metallschicht führen, ergeben sich aus der Wechselwirkung des Stromes in der Metallschicht und dem Magnetfeld. Diese Kräfte rufen eine Deformation der Grenzfläche Metall-Elektrolytschmelze sowohl in Längs- als auch in Querrichtung hervor, während gleichzeitig kreisförmige Bewegungen in der Metallschicht und der Elektrolytschmelze entstehen. Zwischen der Anode und der Kathode muss ein genügend grosser Abstand aufrecht erhalten werden, um trotz dieser Störungen den direkten Kontakt zwischen der Metallschicht und der Anode zu verhindern. Dies führt zu einem Abstand der Anode von der Kathode, der grösser ist als es nötig wäre, wenn die Metallschicht ruhig und eben bliebe. Die erwünschte Verbesserung kann grundsätzlich auf zwei verschiedenen Wegen erreicht werden. Gewöhnlich verbessert man die Verteilung des magnetischen Feldes zum Beispiel durch passende Anordnung der äusseren Leiter und/oder magnetischer Abschirmung. Der andere Weg, den die vorliegende Erfindung einschlägt, besteht darin, die Stromverteilung in der Zelle zu verbessern. Im wesentlichen soll mittels der Erfindung die Stromverteilung so verbessert werden, dass der Stromfluss von der Grenzfläche Metall/Elektrolytschmelze zu den Hauptstromleitungen vorwiegend in vertikaler Richtung durch die Schicht flüssigen Metalls verläuft und sich in der Folge die horizontalen Querströme in der Schicht vermindern. Durch die Reduktion des horizontalen Querstromes sollen die Kräfte, die sich aus der Wechselwirkung der vertikalen Komponente des Magnetfeldes mit dem Querstrom in der Metallschicht ergeben, herabgesetzt werden. Die gleichmässigere vertikale Stromverteilung führt zu einem Kraftfeld in der Schicht flüssigen Metalls, das eine kleinere Verformung und Zirkulation begünstigt.

Um das gewünschte Ergebnis zu erzielen, ist erfindungsge-mäss eine Elektrolytzelle der eingangs genannten Art vorgesehen, wobei die Zelle dadurch gekennzeichnet ist, dass an jeder dieser Stellen mehr als zwei separate, metallische Sammelschienenabschnitte, die in elektrischer Verbindung mit dem Boden stehen, quer zur Längsachse der Zelle und bezüglich der Längsmittelachse der Zelle symmetrisch angeordnet sind, wobei jeder dieser Sammelschienenabschnitte in einem mittleren Bereich zwischen seinen Enden elektrisch mit einer Anschlussschiene verbunden ist, die zu einer Hauptleitung führt und elektrisch vom Boden isoliert ist, wobei die Stromverteilung im geschmolzenen Metallbett im Bereich der Sammelschienen durch die Bemessung des elektrischen Widerstands der Verbindung jedes Sammel-schienenabschnitts mit der zugehörigen Hauptstromleitung bestimmt ist.

Die beanspruchte Anordnung bewirkt, dass der Strom an mehreren Orten, die jeweils vom Ende der Sammelschienenabschnitte abliegen, weggeführt wird, so dass die Grösse der verbleibenden Querströme in der Metallschicht stark reduziert wird, wobei die verbleibenden Ströme so verlaufen, dass sie einander lokal entgegengesetzt sind. Die resultierende Wechselwirkung dieser Ströme und der vertikalen Komponenten des Magnetfeldes werden entsprechend vermindert und lokalisiert und vermindern so die Deformation und Bewegung in der flüssigen Metallschicht.

Vorzugsweise sind an jeder der in Längsrichtung beabstandeten Stellen die einzelnen Widerstandswerte der Verbindungen zwischen den Sammelschienen an dieser Stelle und den Hauptstromleitungen so bemessen sind, dass die Stromdichten bei den einzelnen Sammelschienen an dieser Stelle im wesentlichen ausgeglichen sind.

In einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung ist die Sammelschiene in vier getrennte Abschnitte unterteilt, aus denen der Strom jeweils an ihrer Mitte oder nahe daran abgeführt wird. Die Widerstände der Anschlussschienen sind vorteilhaft so gewählt, dass von jedem Abschnitt der Sammelschiene vorbestimmte Ströme wegführen. Dies kann entweder durch entsprechende Dimensionierung der Anschlussschienen oder durch Einschalten von äusseren Widerständen erfolgen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der einzigen Figur beschrieben, die eine Schnittansicht einer erfindungs-gemässen Elektrolysezelle zeigt. Der Zellenboden setzt sich aus Kohlekathodenblöcken 1 zusammen, die in ihrer Längsrichtung quer zur Zelle ausgelegt und der Länge nach auf herkömmliche Weise mit Nuten zur Aufnahme der Sammelschienenabschnitte 2 versehen sind. Die Sammelschienenabschnitte 2 sind mittels Anschlusschienen 4,5 an die Hauptstromleitungen 3 angeschlossen. Die Anschlussschienen 4 besitzen eine kleinere Dicke als die Anschlussschienen 5, um die Stromdichte an den Sammelschienenabschnitten 2 ungefähr auszugleichen. Wie ersichtlich ist, sind die Anschlussschienen 4 und 5 durch eine Isolationsschicht 6 zu den Mittelpunkten der entsprechenden Sammelschienenabschnitten 2 geführt. Als Folge davon fliesstder Strom in jeden Sammel-schienenabschnitt 2 auf dessen bezüglich des Mittelpunktes gegenüberliegenden Seiten in entgegengesetzter Richtung. Bei dieser Zellenanordnung hat der Strom von der Anode 7 durch die Schmelze 8 und die flüssige Metallschicht 9 relativ kleine Komponenten quer zur Zelle bei ihrem Durchgang durch die Metallschicht 9, wenn man mit herkömmlichen Zellen vergleicht.

Dies hat zur Folge, dass der kreisförmige Fluss in der flüssigen Metallschicht abnimmt. Dennoch ist es wünschenswert, dass eine gewisse gesteuerte Zirkulation ezielt wird, und deshalb ist es günstig, die erfindungsgemässe Zelle so aufzubauen, dass mehr oder weniger als der mittlere Strom von den Sammelschienen in der Nähe der Zellenenden weggezogen wird. Dies führt zu lokaler Zirkulation in jedem der vier Zellenquadranten. Am besten erfolgt die Anordnung so, dass die Anschlussschienen 4 der letzten zwei oder drei Sammelschie-nenreihen einen etwas tieferen oder höheren Widerstand aufweisen.

Es ist ein Vorteil der beschriebenen Anordnungen, dass die Deformation und/oder die Störung der Schicht flüssigen Metalls mit dem Resultat eines kleineren Anoden-Kathoden-Abstandes herabgesetzt wird, was einen kleineren Spannungsabfall im Elektrolyten zwischen der Anode und der Kathode und Ersparnis an für das Verfahren nötiger Energie zur Folge hat.

Beispiel

Gemäss der Anordnung in Fig. 1 wurden zwei Kathoden hergestellt, in einen 128 KA Söderbergofen mit vertikalen Kontaktbolzen eingebaut und während einigen Monaten unter normalen Bedingungen betrieben. Während dieser Zeit wurde die Kathodenstromverteilung und andere Parameter gemessen und mit den durch ein mathematisches Modell vorhergesagten Werten verglichen. Abgesehen von den in Fig. 1 dargestellten Merkmalen war die Kathode so ausgebildet, dass sie mit demselben thermischen Gleichgewicht wie eine normale Kathode arbeitete. Die gemessene Stromverteilung stimmte mit der vorhergesagten sehr gut überein und zeigte eine Verminderung der horizontalen Querstromdichte um einen Faktor 3 bis 5, je nach dem Erstarrungsprofil, der Metalltiefe etc.

Das Stabilitätskriterium der Zellen ist die «Schwankungs5

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zeit», d.h. die Stundenzahl pro Tag, während welcher die Spannungsschwankungen mehr als 150 mV betragen. Durch die ganze Messperiode hindurch war die mittlere «Schwankungszeit» der Versuchszellen um einen Faktor 8 tiefer als diejenige der Kontrollzellen. Der Punkt beginnender Instabilität war etwa ein Volt tiefer als bei benachbarten Kontrollzellen.

Obschon die Resultate zeigen, dass die Zellenspannung unter Aufrechterhaltung des stabilen Betriebs wesentlich gesenkt werden konnte, war es nicht möglich, bei den Versuchszellen dieses Experimentes davon Nutzen zu ziehen wegen Erfordernissen betreffend das thermische Gleichgewicht der Zelle. Diese verlangten, dass die Zelle mit derselben s Spannung wie die Nachbarzellen betrieben wurde. Bei einer neuen Kathodenkonstruktion wäre es jedoch möglich, Nutzen aus der höheren Stabilität der flüssigen Metallschicht zu ziehen und so einenkleineren Energieverbrauch, d.h. eine herabgesetzte Zellenspannung zu erzielen.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium, wobei geschmolzener Elektrolyt sowie ein Bett aus geschmolzenem Metall von einem Kohlenstoff enthaltenden Boden (1), der die Zellenkathode bildet, getragen sind, und wobei sich zwei in Längsrichtung angeordnete Hauptstromleitungen (3) entlang der beiden Längsseiten der Zelle erstrecken, um an in Längsrichtung beabstandeten Stellen Anschlüsse an den Boden (1) aufzunehmen, dadurch gekennzeichnet, dass an jeder dieser Stellen mehr als zwei separate, metallische Sam-melschienenabschnitte (2), die in elektrischer Verbindung mit dem Boden stehen, quer zur Längsachse der Zelle und bezüglich der Längsmittelachse der Zelle symmetrisch angeordnet sind, wobei jeder dieser Sammelschienenab-schnitte in einem mittleren Bereich (2) zwischen seinen Enden elektrisch mit einer Anschlussschiene (4,5) verbunden ist, die zu einer Hauptstromleitung (3) führt und elektrisch vom Boden isoliert ist, wobei die Stromverteilung im geschmolzenen Metallbett im Bereich der Sammelschienen durch die Bemessung des elektrischen Widerstands der Verbindung jedes Sammelschienenabschnitts mit der zugehörigen Hauptstromleitung (3) bestimmt ist.
2. 2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussschienen (4,5) der Sammelschienen (2) im Bereich der Mittelpunkte derselben an diese angeschlossen sind.
3. 3. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an jeder der in Längsrichtung beabstandeten Stellen die einzelnen Widerstandswerte der Verbindungen zwischen den Sammelschienenabschnitten (2) an dieser Stelle und den Hauptstromleitungen (3) so bemessen sind, dass die Stromdichten bei den einzelnen Sammelschienenabschnitten (2) an dieser Stelle im wesentlichen ausgeglichen sind.
4. 4. Elektrolysezelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungen zwischen den Sammelschienenabschnitten (2) an oder nahe den Zellenenden und ihren zugeordneten Hauptstromleitungen (3) derart gewählte Widerstandswerte besitzen, dass der von den entsprechenden Sammelschienenabschnitten (2) aufgenommene Strom wert sich vom Mittelwert des von den Sammelschienenabschnitten an den in Längsrichtung beabstandeten Stellen aufgenommenen Stromes unterscheidet, so dass sich im Metallbett ein begrenzter zirkulärer Fluss im wesentlichen in Zellenlängsrichtung ergibt.
5. 5. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle derart ausgebildet ist, dass der durch die Sammelschienenabschnitte an den den Zellenenden nahen Stellen abgezogene Strom grösser oder kleiner als der Mittelwert des durch die Sammelschienenabschnitte abgezogenen Stromes ist.