CH643602A5 - Elektrolysewanne. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysewanne, insbesondere für die Herstellung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse, mit einer im wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden Seitenwandauskleidung und einer Anordnung von Kathodenblöcken sowie die Wanne umfangenden Verstärkungselementen.

Die Herstellung von Aluminium nach dem HALL-HEROULT-Verfahren mittels Elektrolyse von Aluminiumoxid wird im grösstechnischen Massstab in verschiedenartigen Elektrolysezellen durchgeführt, welche sich vornehmlich durch die Konstruktion ihrer Elektroden unterscheiden. Gemeinsam ist den meisten Zellenkonstruktionen eine metallische Wanne, deren Seitenwände mit Kohlerandblöcken von im einzelnen variierender Form ausgekleidet sind und in welcher Kathodenblöcke für den Elektrolysevorgang ruhen.

Da die Elektrolyse in einem Temperaturbereich von ca. 1000°C durchgeführt wird, dehnt sich die Kathode zum Teil erheblich aus. Die Kohlerandblöcke folgen dieser thermischen Ausdehnung, was zu Fugen zwischen Wanne und Kohlerandblöcken und zu Rissen im Material der Kohlerandblöcke führt. Durch diese Risse tritt Aluminium u.a. in die Fuge, was zu vermehrten Reparaturen, vorzeitiger Unbrauchbarkeit und damit einer Herabsetzung der Standzeiten der Kohlestoffkathoden bzw. der Elektrolysewannen führt.

Zudem hat es sich gezeigt, dass die zwischen Kohlerandblöcken und Kathodenblöcken in der Regel angeordnete Einstampfmasse beim Anfahren der Elektrolysezelle schrumpft und eine zusätzliche Rissbildung bewirkt.

Um diese Nachteile zu verhindern, ist versucht worden, der Ausdehnung der Wanne durch einfache mechanische Verstärkungen entgegen zu wirken. So sind beispielsweise an den Seitenwänden der Wanne verschiedenartige metallische Leisten bzw. Profile festgelegt worden. Die praktische Erfahrung hat indessen gezeigt, dass derartige Verstärkungen der Wannenwände in der Regel die Bildung der geschilderten Spannungsrisse nicht wesentlich einzuschränken vermögen.

Zum einen wiesen entweder die Verstärkungsleisten nach kurzer Zeit teilweise die gleiche Temperatur auf wie die Wanne und dehnten sich dementsprechend mit oder aber sie bildeten eine starre Umklammerung der Wanne, wobei sich diese an den nichtverstärkten Wandteilen besonders ausweiteten.

Der Erfinder hat sich zum Ziel gesetzt, eine Elektrolysewanne so zu verformen bzw. mit Versteifungen zu belegen, dass diese Nachteile nicht auftreten und insbesondere eine Elastizität der Wannenausdehnung ohne Schaden für die Einlagen erhalten bleibt.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt eine Elektrolysewanne der obengenannten Art, bei der die an die Seitenwände der Wanne angelegten Verstärkungen als den thermischen Ausdehnungsdruck der Wanne elastisch begrenzenden Versteifungselemente ausgebildet und mittels Befestigungsvorrichtungen bewegbar angeordnet sind.

Vorzugsweise haben die Versteifungselemente - im folgenden als Thermofedern bezeichnet - die Form von Hohlprofilen, bei denen sich gezeigt hat, dass die der Wanne anliegenden Seitenkante sich mit der Wanne erwärmt, die der Wanne entfernt liegende Kante dagegen eine um 100-200°C tiefere Temperatur aufweist.

Zur weiteren Verbesserung der Wirkungsweise zeigen die Hohlprofile längsseitige Öffnungen, welche die Wärmeleitung zwischen der Innen- und Aussenseite der Thermofeder hemmen und durch Luftzirkulation zusätzlich die Temperaturdifferenz unterstützen.

Diese Temperaturdifferenz im Hohlprofil führt zu einer unterschiedlichen Längendilatation im thermischen Gleichgewichtszustand der Elektrolysewanne, wobei diese unterschiedliche thermische Ausdehnung ihrerseits eine Durchbiegung des ganzen Profils in Richtung der inneren, an der heissen Wannenwand anliegenden Seite bewirkt.

Die Durchbiegung lässt sich noch dadurch erhöhen, dass die beiden Hälften des Hohlprofils in der Art eines Bimetallstreifens aus zwei verschiedenen Werkstoffen mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hergestellt werden derart, dass die nach innen gerichtete Seite des

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Profils den höheren, die nach aussen gerichtete Seite den niedrigeren Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Da das Hohlprofil indessen formschlüssig an der Seitenwand der Wanne verankert ist, überträgt sich die Biegung des Profils auf die Seitenwand der Wanne und übt auf diese eine in das Innere der Elektrolysewanne gerichtete Kraft aus, welche den von dem diktierenden Zelleninhalt auf die Wannen wände ausgeübten Kräften elastisch entgegen wirkt. Bei geeigneten Einstellung des thermischen Gleichgewichts in der Elektrolysewanne und entsprechender Dimensionierung und Auswahl des Werkstoffes für das Hohlprofil, weisen diese entgegengesetzten Kräfte gleiche Beträge auf, kompensieren sich daher gegenseitig und eine ungleiche Deformation der Seitenwände der Wanne mit ihren unerwünschten Nebenwirkungen wird vermindert oder bleibt völlig aus.

Zur Erreichung der Nachgiebigkeit ist die Thermofeder mittels Befestigungselementen an der Seitenwand festgelegt, die eine Ausdehnung der Wannenwand trotz angebrachter Thermofeder zulassen. Hierzu können z.B. die Thermofedern mittels in Langlöchern verschiebbaren Schrauben oder Gleitschienen an den Seitenwänden festgelegt sein.

Als weiteres Beispiel wird die Befestigung mittels an benachbarten Längskanten der Thermofeder angeformten flügelartigen Absätzen genannt, welche in an den Seitenwänden der Wanne festgelegte Gleitschienen nut- und federartig eingreifen.

Diese Arten der Verankerung der Hohlprofile gewährleisten nicht nur die Übertragung der aus der Durchbiegung derselben im heissen Zustand resultierenden Kräfte auf die Wannenwand, sondern auch eine einfache Montage und Demontage der gesamten Vorrichtung.

Vorzugsweise sind die Thermofedern aus Spannungsgründen oberhalb von zu den Kathodenblöcken führenden Kathodenbarren angeordnet.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt in einer Verhinderung der Auswölbung der Wannenwand.

Die Durchbiegung der Wannenwände ist bei Kathoden ohne Thermofeder in der Mitte am grössten. Die thermischen Dilatationskräfte der Kathodenblöcke in den Eckbereichen drücken die Wanne nach aussen, was dazu führen kann, dass die Wannenauskleidung gegen die Mitte der Seitenwand überhaupt keinen Druck mehr gegen die Seitenwände ausübt.

Die Thermofeder wirkt der Durchbiegung der Seiten wände in zweierlei Wirkung entgegen:

a) durch die dimensionierbare Verstärkung der Wände b) durch die nach innen wirkende Durchbiegung der Thermofeder wegen der Seiten-Temperaturdifferenz an der Thermofeder selbst und verhindert somit die Entstehung von Rissbildungen in der Kathodenauskleidung.

Zur Verbesserung und Steuerung der Ausdehnung sind vorzugsweise im Boden der Wanne zusätzlich eine oder mehrere Ausdehnungsschienen angeordnet, vorteilhafterweise in Form einer falzartigen Aufwölbung, welche die Entwicklung einer zu hohen Zugspannung zwischen Wannenwand und -boden unterlaufen.

Diese Ausdehnungsschienen können beliebig am bzw. in dem Boden angeordnet sein, je nach Wannenform bzw. fertigungstechnischen Bedürfnissen.

Ebenso sind vorzugsweise die Eckenbereiche nach aussen gewölbt und verstärkt ausgebildet, um auch hier bei der gleichmässigen Wandausdehnung keine zu hohen Zugspannungen auftreten zu lassen. Die Praxis hat gezeigt, dass eine Auswölbung in den Eckenbereichen mit einem Verhältnis von Auswölbung zu Länge der Seitenwände der Wanne im Bereich von 1:3 bis 1:10 am günstigsten erscheint.

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

Fig. 1 einen schematisierten Querschnitt durch eine Elektrolysezelle;

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Elektrolysezelle, geschnitten nach Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 ein vergrössertes Detail aus einem Querschnitt durch eine Elektrolysezelle;

Fig. 4 eine perspektivische Seitenansicht einer Thermofeder;

Eine Elektrolysezelle A besteht gemäss Fig. 1 aus einer metallischen, zumeist aus kohlenstoffarmen Stahl gefertigten und einen rechteckigen Grundriss aufweisenden Wanne 1, welche am Boden mitlsoliermaterial 3 und an den Seitenwänden mit Kohlerandblöcken 2 ausgekleidet ist.

Durch die Seitenwände der Stahlwanne 1 sind Kathodenbarren 4 geführt, welche auf dem Isoliermaterial 3 lagern. Auf den Kathodenbarren 4 liegen Kathodenblöcke 5 auf. Gegebenenfalls ist ein möglicher Zwischenraum zwischen den Kathodenblöcken 5 und den Kohlerandblöcken 2 mit einer Einstampfmasse 14 aufgefüllt.

Anoden 6 tauchen in den aus schmelzflüssigen Aluminiumsalzen und Flussmittel bestehenden Elektrolyten 7 ein, der gegen die Seitenwände der Wanne und nach oben von einer erstarrten Kruste 8 abgegrenzt ist. Auf der Kruste 8 liegt Tonerde 9 auf. Zwischen dem Elektrolyten 7 und den Kathodenblöcken 5 sammelt sich ausgeschiedenes schmelzflüssiges Elektrolysemetall 10.

Der Boden der Wanne 1 weist eine oder mehrere Ausdeh-nungsschiene(n) 11 mit einer falzartigen Form auf, welche sich in der Regel über die gesamte Länge und/oder Breite des Wannenbodens erstrecken können.

Der Grundriss der im Boden der Wanne 1 verlaufenden Ausdehnungsschiene 11 kann verschiedenartige Formen aufweisen, von denen das in Fig. 2 dargestellte Doppel-Y lediglich ein Beispiel zeigt. Die Auswahl zwischen verschiedenen Formen ist im Einzelfall anhand der zu erwartenden thermischen Dilatation des Zelleninhaltes oder auf Grund von fertigungstechnischen Kriterien zu treffen.

Die Ecken 18 der Wanne 1 sind gemäss Fig. 2 nach aussen gewölbt und vorzugsweise verstärkt ausgebildet. Sie weisen einen Grundriss in der Form eines Kreis- oder Kurvensegments auf, wobei es sich in betrieblichen Versuchsreihen gezeigt hat, dass das zweckmässige Verhältnis zwischen der Länge aller vier Auswölbungen und der Länge der Seitenwände der Wanne in einem Bereich von 1:3 bis 1:10 liegt. Dilatiert der heisse Inhalt der Elektrolysezelle und übt daher entsprechende aus dem Zelleninnern nach aussen gerichtete Kräfte auf die Seitenwände der Wanne 1 aus, so ermöglichen die Auswölbungen eine elastische Verformung der Eckenpartien, ohne dass zu hohe Zugspannungen auftreten.

Die Seitenwände der Stahlwanne 1 sind von Thermofedern 12 eingerahmt, welche an der Wanne 1 angebracht, bzw. mittels Befestigungselementen 13 (Fig. 3) mit ihr verbunden sind. Vorzugsweise erfolgt die Anbringung der Thermofedern 12 an der Stahlwanne 1 oberhalb der Barrenfenster 15 der Kathodenbarren 4.

Eine Thermofeder 12 besteht gemäss Fig. 4 vorzugsweise aus einem Hohlkastenprofil mit Öffnungen 16 in Ober- und Unterseite, welche u.a. auch eine Luftzirkulation ermöglichen.

Die Befestigung der Thermofedern 12 an der Stahl wanne 1 erfolgt z.B. mittels Gleitschienen oder Schrauben. In letzterem Fall weist die der Stahlwanne 1 zugekehrte Seite der

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Thermofeder Schlitze 17 auf, welche ein Verschieben der Befestigungselemente 13 ermöglichen.

Bei der Befestigungsart mittels Gleitschienen 13a (in Fig. 3

angedeutet) sind an zwei benachbarten Längskanten der Thermofeder 12 flügelartige Absätze angeformt, die nut- und federartig in Gleitschienen 13a eingreifen.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

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1. Elektrolysewanne, insbesondere für die Herstellung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse, mit einer im wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden Seitenwandaus-kleidung und einer Anordnung von Kathodenblöcken sowie die Wanne umfangenden Verstärkungselementen, dadurch gekennzeichnet, dass die an die Seitenwände der Wanne (1) angelegten Verstärkungen als den thermischen Ausdehnungsdruck der Wanne elastisch begrenzende Versteifungselemente (12) ausgebildet und mittels Befestigungsvorrich-tungen (13) bewegbar angeordnet sind.

2. Elektrolysewanne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungselemente (12) als Hohlprofile zu sogenannten Thermofedern ausgebildet sind.

3. Elektrolysewanne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die als Hohlprofile ausgebildeten Thermofedern (12) längsseitige Öffnungen (16) aufweisen.

4. Elektrolysewanne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermofedern (12) mittels in Langlöchern (17) verschiebbaren Schrauben oder Gleitschienen an den Seitenwänden der Wanne (1) bewegbar festgelegt sind.

5. Elektrolysewanne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermofedern (12) mittels an benachbarten Längskanten angeformten flügelartigen Absätzen, welche in an den Seitenwänden der Wanne (1) festgelegte Gleitschienen nut- und federartig eingreifen, bewegbar befestigt sind.

6. Elektrolysewanne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermofedern (12) oberhalb von zu den Kathodenblöcken führenden Kathodenbarren (4) angeordnet sind.

7. Elektrolysewanne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermofedern (12) aus zwei verschiedenen Werkstoffen mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bestehen, wobei die der Wannenwand anliegenden Seite den grösseren, die gegenüberliegende Seite den kleineren Ausdehnungskoeffizienten aufweist.

8. Elektrolysewanne nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Boden der Wanne (1) zumindest eine Ausdehnungsschiene (11) angeordnet ist.

9. Elektrolysewanne nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnungsschiene (11) eine falzartige Aufwölbung aufweist.

10. Elektrolysewanne nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ecken (18) der Wanne (1) nach aussen aufgewölbt sind.

11. Elektrolysewanne nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ecken (18) der Wanne (1) im Bereich der Aufwölbung verstärkt ausgebildet sind.

12. Elektrolysewanne nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Grundriss die Länge aller vier Auswölbungen der Ecken (18) zu der Länge der Seitenwände der Wanne (1) wie 1:3 bis l:10verhält.