CH652757A5

CH652757A5 - TUB OF A MELTFLOW ELECTROLYSIS CELL FOR PRODUCING ALUMINUM.

Info

Publication number: CH652757A5
Application number: CH822081A
Authority: CH
Inventors: Rolf Roggen
Original assignee: Alusuisse
Priority date: 1981-12-22
Filing date: 1981-12-22
Publication date: 1985-11-29
Also published as: DE3151419C1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wanne einer Schmelzflusselektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium, die das flüssige Aluminium und den Elektrolyten enthält sowie gegen dieses Bad beständig und wärmeisolierend ist. Die Wanne weist mindestens einen vom Aluminiumsumpf ausgehenden, die Seitenwand schräg nach oben durchquerenden Kanal auf, welcher den kathodenseitigen Stromanschluss aufnimmt. The invention relates to a tub of a melt flow electrolysis cell for the production of aluminum, which contains the liquid aluminum and the electrolyte and is resistant to this bath and heat-insulating. The trough has at least one channel which starts from the aluminum sump and crosses the side wall at an upward angle and which receives the cathode-side power connection.

Für die Gewinnung von Aluminium durch Schmelzfluss-elektrolyse von Aluminiumoxid wird dieses in einer Fluorid-schmelze gelöst, die zum grössten Teil aus Kryolith besteht. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium sammelt sich unter der Fluoridschmelze auf dem Kohleboden der Zelle, wobei die Oberfläche des flüssigen Aluminiums die Kathode bildet. In die Schmelze tauchen von oben Anoden ein, die bei konventionellen Verfahren aus amorphem Kohlenstoff bestehen. An den Kohleanoden entsteht durch die elektrolytische Zersetzung des Aluminiumoxids Sauerstoff, der sich mit dem Kohlenstoff der Anoden zu CO2 und CO verbindet. Die Elektrolyse findet in einem Temperaturbereich von etwa 940-970°C statt. For the extraction of aluminum by melt flow electrolysis of aluminum oxide, this is dissolved in a fluoride melt, which consists largely of cryolite. The cathodically deposited aluminum collects under the fluoride melt on the carbon bottom of the cell, the surface of the liquid aluminum forming the cathode. Anodes which consist of amorphous carbon in conventional processes are immersed in the melt. The electrolytic decomposition of the aluminum oxide produces oxygen at the carbon anodes, which combines with the carbon of the anodes to form CO2 and CO. The electrolysis takes place in a temperature range of approximately 940-970 ° C.

Im Laufe der Elektrolyse verarmt der Elektrolyt an Aluminiumoxid. Bei einer unteren Konzentration von 1 bis 2 Gew.-% Aluminiumoxid im Elektrolyten kommt es zum Anodeneffekt, der sich in einer Erhöhung der Spannung von beispielsweise 4 bis 5 V auf 30 V und darüber auswirkt. Spätestens dann muss die Aluminiumoxidkonzentration durch Zugabe von neuer Tonerde angehoben werden. In the course of electrolysis, the electrolyte becomes poor in aluminum oxide. At a lower concentration of 1 to 2% by weight of aluminum oxide in the electrolyte, there is an anode effect, which results in an increase in the voltage from, for example, 4 to 5 V to 30 V and above. Then, at the latest, the aluminum oxide concentration must be increased by adding new alumina.

Bei den Aluminiumherstellern ist ein Trend zu Schmelzflusselektrolysezellen mit grösseren Stromstärken festzustellen. Mit diesen Massnahmen wird angestrebt, den spezifischen Energieverbrauch aufwerte unter 13 kWh pro hergestelltes Kilogramm Aluminium zu senken und dadurch die Produktivität zu erhöhen. Die Verbesserung der Produktivität wird u.a. durch zwei erkannte Unannehmlichkeiten behindert: There is a trend among aluminum manufacturers towards smelting flow electrolysis cells with higher currents. These measures are aimed at reducing the specific energy consumption to less than 13 kWh per kilogram of aluminum produced and thereby increasing productivity. The improvement in productivity will include hindered by two identified inconveniences:

- Die verhältnismässig kurze Lebensdauer der Kathodenelemente, welche den Kohleboden der Zelle bilden, und - The relatively short life of the cathode elements that form the carbon bottom of the cell, and

- der zwischen 300 und 500 mV liegende Spannungsabfall in der Kathode. - The voltage drop between 300 and 500 mV in the cathode.

Die Schwierigkeiten beim Eingiessenbzw. Verkleben der Kathodenbarren beschränken die Länge der Kathodenelemente auf ungefähr 3 m. Weiter ist das Problem der Dichtigkeit gegen das Eindringen von Aluminium in die Kathodenelemente sowie in deren Verbindungsmasse gegenwärtig noch nicht gelöst. The difficulties with pouring or Gluing the cathode bars limits the length of the cathode elements to approximately 3 m. Furthermore, the problem of tightness against the penetration of aluminum into the cathode elements and in their connecting compound has not yet been solved.

Schon vor langer Zeit ist versucht worden, mit sogenannten flüssigen Kathodenanschlüssen den Spannungsabfall zu verkleinern. Zu diesem Zweck werden gegen das flüssige Metall beständige Leiterelemente in den Aluminiumsumpf eingetaucht. Dazu sind aber nur speziell ausgewählte Materialien geeignet, wie z.B. Titandiborid, das in mehreren Vorveröffentlichungen als in das flüssige Aluminium eingetauchtes Elektrodenmaterial dient. It has long been attempted to reduce the voltage drop with so-called liquid cathode connections. For this purpose, conductor elements resistant to the liquid metal are immersed in the aluminum sump. However, only specially selected materials are suitable for this, e.g. Titanium diboride, which serves as electrode material immersed in the liquid aluminum in several previous publications.

Einerseits bestehen jedoch gegenwärtig noch erhebliche Schwierigkeiten, diese Kathoden in den notwendigen Dimensionen zu erstellen, und andererseits stehen die hohen Kosten dieser Materialien in schroffem Gegensatz zu den erwarteten Kosteneinsparungen. Weiter ist die Verbindung von Titandiborid und Aluminium in der Praxis problematisch. On the one hand, however, there are still considerable difficulties in producing these cathodes in the necessary dimensions, and on the other hand the high costs of these materials are in sharp contrast to the expected cost savings. The connection of titanium diboride and aluminum is also problematic in practice.

In der GB-PS 1 111 056 wird eine Aluminiumschmelzflusselektrolysezelle offenbart, welche eine refraktäre Seitenwand mit wenigstens einem, den elektrischen Strom sammelnden Hohlraum aufweist, der sich aufwärts und seitwärts durch die Seitenwand erstreckt. An seinem unteren Ende kommuniziert dieser Hohlraum mit dem Innern der Elektrolysewanne und mündet in den Aluminiumsumpf. Am oberen Ende des Hohlraums wird der kathodische Stromleiter eingeführt, welcher vorzugsweise aus Titandiborid oder pyrolitischem Graphit besteht. Der elektrische Kontakt zwischen Kathode und flüssigem Metall ist nicht optimal, weiter wird der Elektrolysezelle verhältnismässig viel Wärme entzogen. Dies wirkt sich insbesondere beim Einsatz von benetzbaren Festkörperkathoden aus Titandiborid nachteilig aus, weil die Interpolardi-stanz zwischen Kathode und Anode gering ist, und so weniger Wärme produziert wird als bei grosser Interpolardi-stanz. Auch mit der in dieser GB-PS vorgeschlagenen Lösung werden also die obenstehenden Nachteile bezüglich des teuren und schwer in grossen Dimensionen herstellbaren s GB-PS 1 111 056 discloses an aluminum melt flow electrolysis cell which has a refractory side wall with at least one electrical current collecting cavity which extends upwards and sideways through the side wall. At its lower end, this cavity communicates with the inside of the electrolysis bath and opens into the aluminum sump. The cathodic current conductor, which preferably consists of titanium diboride or pyrolytic graphite, is introduced at the upper end of the cavity. The electrical contact between the cathode and the liquid metal is not optimal; furthermore, a relatively large amount of heat is removed from the electrolytic cell. This has a disadvantageous effect, in particular, when using wettable solid-state cathodes made of titanium diboride because the interpolar distance between the cathode and anode is small, and so less heat is produced than with a large interpolar distance. Even with the solution proposed in this GB-PS, the above disadvantages with regard to the expensive and difficult to produce in large dimensions

10 10th

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Titandiborids nicht beseitigt. Titanium diborids not removed.

Der Erfinder hat sich deshalb die Aufgabe gestellt, eine Wanne einer Schmelzflusselektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium zu schaffen, bei welchem auf den Einsatz von Kathoden aus teuren, refraktären Materialien, insbesondere Titandiborid, mit ungünstigem Spannungsabfall verzichtet werden kann. Mit kostengünstigeren Materialien soll für den kathodenseitigen Stromanschluss bei geringem Wärmeentzug ein minimaler Spannungsabfall erreicht werden. The inventor has therefore set himself the task of creating a trough of a melt-flow electrolysis cell for the production of aluminum, in which the use of cathodes made of expensive, refractory materials, in particular titanium diboride, with an unfavorable voltage drop can be dispensed with. With less expensive materials, a minimal voltage drop should be achieved for the cathode-side power connection with little heat removal.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass im/in den Kanal/Kanälen im mittleren und oberen Bereich ein entsprechend geformtes, satt anliegendes Wärmerohr aus einer den elektrischen Strom und die Wärme gut leitenden Metallwandung und einer darin eingeschlossenen verdampf-und kondensierbaren Wärmeträgersubstanz vorgesehen ist/ sind, wobei ein Wärmerohr soviel Wärme von innen nach aussen abzuziehen vermag, dass an dessen unterem Ende, das um das l-4fache des Innendurchmessers des Kanals von dessen unterer Eintrittsöffnung entfernt ist, eine stationäre Erstarrungsfront aus Aluminium entsteht, was den elektrischen Übergangs widerstand vom Aluminiumsumpf zum als kathodischen Stromableiter eingesetzten Wärmerohr erniedrigt. According to the invention, the object is achieved in that a correspondingly shaped, snug fitting heat pipe is provided in / in the channel (s) in the middle and upper area from a metal wall which conducts the electricity and heat well and an evaporable and condensable heat transfer substance enclosed therein / where a heat pipe is able to draw off so much heat from the inside out that at its lower end, which is 1/4 times the inside diameter of the channel from its lower inlet opening, a stationary solidification front made of aluminum is created, which resists the electrical transition from Aluminum sump lowered to the heat pipe used as a cathodic current arrester.

Das Prinzip der erfindungsgemäss eingesetzten Wärmerohre ist an sich bekannt, beispielsweise aus der Zeitschrift Chem.-Ing. Tech. 50 (1978) Nr. 11, Seiten A 654 ff. Die vakuumdicht verschlossenen Behälter haben im Innern eine Kapillarstruktur, die z.B. aus Textil- oder Drahtgeweben, Rillen, gesinterten Strukturen usw. gebildet sein kann. Nach dem Evakuieren werden die Wärmerohre mit einer geringen Menge Flüssigkeit als Wärmeträgersubstanz soweit gefüllt, dass die Kapillarstruktur gerade gesättigt ist. Diese Flüssigkeit steht mit ihrem Dampf im übrigen zur Verfügung stehenden Innenraum des Wärmerohres im Gleichgewicht. The principle of the heat pipes used according to the invention is known per se, for example from the magazine Chem.-Ing. Tech. 50 (1978) No. 11, pages A 654 ff. The vacuum-tightly sealed containers have a capillary structure on the inside, which e.g. can be formed from textile or wire mesh, grooves, sintered structures, etc. After evacuation, the heat pipes are filled with a small amount of liquid as a heat transfer substance until the capillary structure is just saturated. This liquid is in equilibrium with its vapor in the remaining interior of the heat pipe.

Wird das eine Ende des Wärmerohres erwärmt und das andere Ende gekühlt, so verdampft die Flüssigkeit auf der warmen Seite unter Aufnahme der Verdampfungswärme. Der Dampf strömt auf die andere, kalte Seite des Wärmerohres und kondensiert dort unter Abgabe der Kondensationswärme an das Kühlmedium. Das Kondensat strömt unter Einwirkung der Kapillarkraft wieder auf die warme Seite zurück. If one end of the heat pipe is heated and the other end is cooled, the liquid on the warm side evaporates, absorbing the heat of vaporization. The steam flows to the other, cold side of the heat pipe and condenses there, giving off the heat of condensation to the cooling medium. The condensate flows back to the warm side under the influence of the capillary force.

Ein Wärmerohr besteht also im wesentlichen aus drei Zonen: Einer Verdampfungszone, einer isolierten Adiabatenzone und einer Kondensationszone. A heat pipe essentially consists of three zones: an evaporation zone, an isolated adiabatic zone and a condensation zone.

Mit einem Wärmerohr kann der zum Auskristallisieren des Aluminiums am unteren Ende notwendige Wärmeentzug -mit grosser Wärmeflussdichte - konzentriert und gerichtet entzogen werden. Die dabei gebildete Erstarrungsfront ist bei konstantem Wärmeentzug stationär. Das in fester Form vorliegende Aluminium bildet eine schützende, selbstheilende Schicht um das untere Ende des Wärmerohres, das vorzugsweise auch aus Aluminium besteht. Weiter hat das erstarrte Aluminium einen geringeren Übergangswiderstand zum Wärmerohr. With a heat pipe, the heat extraction - with a high heat flux density - necessary for the crystallization of the aluminum at the lower end can be concentrated and extracted in a directed manner. The solidification front formed is stationary with constant heat removal. The solid aluminum forms a protective, self-healing layer around the lower end of the heat pipe, which is preferably also made of aluminum. The solidified aluminum also has a lower contact resistance to the heat pipe.

Der Wärmeverlust nach aussen ist kleiner, weil bei erstarrtem Aluminium keine Verluste durch Konvektion entstehen, wie dies bei flüssigem Aluminium der Fall wäre. Das zwischen den Kanal in der Seitenwand und das Wärmerohr eindringende Aluminium erstarrt und bildet so einen dichten Verschluss. The heat loss to the outside is smaller, because with solidified aluminum there are no losses through convection, as would be the case with liquid aluminum. The aluminum penetrating between the channel in the side wall and the heat pipe solidifies, forming a tight seal.

Muss das Wärmerohr aus irgend einem Grunde ausgewechselt werden, so wird die Kühlung entfernt bzw. abgestellt. Dadurch verliert das Wärmerohr seine Kühlkapazität; das zwischen Kanal und äusserem Mantel des Rohres erstarrte Aluminium wird allmählich flüssig. Nach einiger Zeit kann das Wärmerohr problemlos aus der Seitenwand der Elektrolysezelle entfernt und durch ein neues ersetzt werden. If the heat pipe has to be replaced for any reason, the cooling is removed or switched off. As a result, the heat pipe loses its cooling capacity; the solidified aluminum between the channel and the outer jacket of the tube gradually becomes liquid. After a while, the heat pipe can be easily removed from the side wall of the electrolytic cell and replaced with a new one.

Damit beim Auswechseln des Wärmerohres das Bad nicht aus der Wanne ausläuft, ist der untere Rand der Austrittsöffnung des Kanals bevorzugt oberhalb des Niveaus des Elektrolyten angeordnet. So that the bath does not run out of the tub when the heat pipe is replaced, the lower edge of the outlet opening of the channel is preferably arranged above the level of the electrolyte.

Es ist in höchstem Masse unerwünscht, dass Teile des aufgewirbelten Bodenschlamms in den das Wärmerohr enthaltenden Kanal hineingetragen werden. Hier sollen möglichst keine Turbulenzen entstehen können. In der Regel ist deshalb die Erstarrungsfront aus festem Aluminium im Kanal etwa 30 bis 40 cm von dessen Eintrittsöffnung in der Seitenwand entfernt. Zweckmässig ist der untere Rand dieser Eintrittsöffnung oberhalb des Niveaus des Wannenbodens angeordnet, vorzugsweise wenige Zentimeter. It is highly undesirable for parts of the agitated sludge to be carried into the channel containing the heat pipe. No turbulence should arise here if possible. As a rule, the solidification front made of solid aluminum in the channel is about 30 to 40 cm away from its entry opening in the side wall. The lower edge of this inlet opening is expediently arranged above the level of the tub floor, preferably a few centimeters.

In den vom Aluminiumsumpf ausgehenden, die Seitenwand schräg nach oben durchquerenden Kanal ist bevorzugt ein gegen den Fluss beständiges Schutzrohr eingeführt. A protective tube that is resistant to the flow is preferably introduced into the channel starting from the aluminum sump and crossing the side wall at an upward angle.

Dieses Schutzrohr kann aus einem elektrisch isolierenden oder elektrisch leitenden Material bestehen, beispielsweise aus hoch gesintertem Aluminiumoxid, Refrax oder Graphit. Diese Materialien sind nicht nur gegen flüssiges Aluminium, sondern auch gegen im flüssigen Aluminium vorhandene Tröpfchen des Schmelzflusses beständig. Schutzrohre aus Graphit haben weiter den Vorteil, dass sie aus einem verhältnismässig weichen Material bestehen. This protective tube can consist of an electrically insulating or electrically conductive material, for example of highly sintered aluminum oxide, refrax or graphite. These materials are not only resistant to liquid aluminum, but also to droplets of the melt flow present in the liquid aluminum. Protective tubes made of graphite have the further advantage that they are made of a relatively soft material.

Die Metallwandung des Wärmerohres kann beispielsweise aus Aluminium, Kupfer, deren Legierungen oder einer elektrisch gut leitenden Eisenlegierung bestehen. Aus folgenden Gründen ist eine Wandung aus Aluminium für das Wärmerohr bevorzugt: The metal wall of the heat pipe can consist, for example, of aluminum, copper, their alloys or an electrically conductive iron alloy. A wall made of aluminum is preferred for the heat pipe for the following reasons:

- Der zur folgenden Elektrolysezelle führende Stromleiter kann am oberen Ende des den Elektrolysestrom leitenden Wärmerohres problemlos verschweisst werden. - The conductor leading to the following electrolytic cell can be easily welded to the upper end of the heat pipe conducting the electrolytic current.

- Am unteren Ende des Wärmerohres wird eine Erstarrungsfront aus festem Aluminium gebildet, der elektrische Übergangswiderstand von der Erstarrungsfront zum Wärmerohr ist bei der Verwendung von Aluminium als Wandungsmaterial sehr gering. - At the lower end of the heat pipe a solidification front made of solid aluminum is formed, the electrical contact resistance from the solidification front to the heat pipe is very low when using aluminum as the wall material.

Die Dicke der Seitenwandung des Wärmerohres ist so bemessen, dass die zu leitende Stromdichte auf höchstens 50 A/cm2 steigen kann. Im allgemeinen ist die Aussenwan-dung des Wärmerohres zylinderförmig ausgebildet, sie kann jedoch auch von in Längsrichtung verlaufenden Rillen durchzogen sein. The thickness of the side wall of the heat pipe is dimensioned so that the current density to be conducted can increase to a maximum of 50 A / cm2. In general, the outer wall of the heat pipe is cylindrical, but it can also have grooves running in the longitudinal direction.

Die im Wärmerohr hermetisch verschlossene Wärmeträgersubstanz kann in an sich bekannter Weise Natrium, Kalium, ein Silikonöl oder ein geeigneter Alkohol sein. The heat transfer substance hermetically sealed in the heat pipe can be sodium, potassium, a silicone oil or a suitable alcohol in a manner known per se.

Das obere, aus der Elektrolysewanne herausragende Ende des Wärmerohres ist vorzugsweise mit einem lamellenartig ausgebildeten Wärmeaustauscher versehen. The upper end of the heat pipe protruding from the electrolysis tank is preferably provided with a lamella-like heat exchanger.

Wärmeaustauscher mit grossen Lamellen werden durch die umgebende Atmosphäre gekühlt. Obwohl die Kühlwirkung mit einem Ventilator erhöht werden kann, ist diese Ausführungsform nicht besonders günstig, weil der Wärmeaustauscher sperrig ausgebildet werden muss, und Manipulation an der Elektrolysezelle behindern kann. Heat exchangers with large fins are cooled by the surrounding atmosphere. Although the cooling effect can be increased with a fan, this embodiment is not particularly favorable because the heat exchanger has to be made bulky and can hinder manipulation on the electrolysis cell.

Zur Kühlung des Wärmerohres besser geeignet sind am oberen Ende angebrachte kleinere Lamellen, die von einem Behälter umgeben sind. In diesem Behälter zirkuliert ein geeignetes kühlendes Medium, beispielsweise Luft oder Wasserdampf, welches rezykliert werden kann. Smaller fins attached to the upper end and surrounded by a container are more suitable for cooling the heat pipe. A suitable cooling medium, for example air or water vapor, which can be recycled, circulates in this container.

Die den elektrischen Strom aus der Elektrolysezelle abführenden Wärmerohre sind am oberen Ende mit flexiblen Bändern aus Aluminium verschweisst, welche ihrerseits mit den zur folgenden Elektrolysezelle führenden Aluminium-schienen verbunden sind. The heat pipes discharging the electrical current from the electrolysis cell are welded at the upper end with flexible aluminum bands, which in turn are connected to the aluminum rails leading to the following electrolysis cell.

Die Elektrolysezelle ist so berechnet, dass bei der unteren The electrolytic cell is calculated so that at the bottom

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10 10th

15 15

20 20th

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Eintrittsöffnung der durch das Seitenbord der Zelle führenden Kanäle keine Elektrolytkruste ausgebildet wird. Untersuchungen haben gezeigt, dass mittel- und punktbediente Elektrolysezellen auf diesem Niveau eine schwach ausgebildete Kruste aus erstarrtem Schmelzfluss haben. Seitenbord und Einzug können in diesem Bereich sogar unterbrochen sein. Bei älteren, seitenbedienten Elektrolysezellen dagegen ist das Seitenbord bis zum Einzug in verhältnismässig konstanter Stärke ausgebildet. No inlet of the electrolyte crust is formed in the channels leading through the side board of the cell. Studies have shown that medium and point-operated electrolysis cells at this level have a weakly formed crust from solidified melt flow. The side board and feeder can even be interrupted in this area. In the case of older, side-operated electrolysis cells, on the other hand, the side board is designed to be relatively constant in strength until it is drawn in.

Als Elektrolysewannen können konventionelle Ausführungsformen verwendet werden, bei welchen die eisernen Kathodenbarren nicht mehr als Stromleiter benötigt werden. Falls die Stromzufuhr durch die Seitenwand erfolgt, müssen entsprechende Kanäle ausgespart werden. Die Erfindung ist jedoch auch für völlig neuartige Elektrolysewannen gedacht, welche elektrisch nicht leitende Wände haben können, Conventional embodiments can be used as electrolysis wells, in which the iron cathode bars are no longer required as current conductors. If the power is supplied through the side wall, appropriate channels must be left out. However, the invention is also intended for completely new electrolysis tanks, which can have electrically non-conductive walls,

jedoch stets thermisch gut isoliert sein müssen. Insbesondere aus hitzebeständigem Beton bestehende Innenauskleidungen von Elektrolysewannen weisen die in der Praxis notwendige Widerstandfähigkeit gegen den schmelzflüssigen Elektrolyten und den Aluminiumsumpf auf. but must always be thermally well insulated. Inner linings of electrolysis tanks, in particular made of heat-resistant concrete, have the resistance to the molten electrolyte and the aluminum sump necessary in practice.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung näher erläutert. Der in Querrichtung zur Elektrolysezelle verlaufende schematische Vertikalschnitt zeigt eine Elektrolysewanne mit seitlich eingesetztem Wärmerohr. The invention is explained in more detail using an exemplary embodiment in the drawing. The schematic vertical section running in the transverse direction to the electrolysis cell shows an electrolysis trough with a heat pipe inserted at the side.

Die Elektrolysewanne 10 besteht aus einem äusseren Stahlmantel 12, einer thermischen Isolation 14 der Zelle, die sich auch über den seitlichen Bereich erstrecken kann, und einer gegen das geschmolzene Aluminium 20 und den Schmelzflusselektrolyten 22 beständigen Wannenauskleidung 16, z.B. aus Kohlenstoff, die im unteren Bereich den Wannenboden 18 bildet. Von oben taucht mindestens eine Anode 24 in den Schmelzflusselektrolyten 22 ein. The electrolysis tub 10 consists of an outer steel jacket 12, a thermal insulation 14 of the cell, which can also extend over the lateral area, and a tub lining 16, e.g., resistant to the molten aluminum 20 and the melt flow electrolyte 22. made of carbon, which forms the tub bottom 18 in the lower region. At least one anode 24 is immersed in the melt flow electrolyte 22 from above.

Im vorliegenden Fall bildet die Aluminiumoberfläche 26 die Kathode. Nach einer nicht dargestellten Variante können jedoch auch Festkörperkathoden mit kleinerer Interpolardi-stanz eingesetzt sein. In the present case, the aluminum surface 26 forms the cathode. According to a variant not shown, solid-state cathodes with a smaller interpolar distance can also be used.

In der Seitenwand der Wannenauskleidung 16 verläuft, ausgehend vom Aluminiumsumpf 20, ein Kanal schräg nach oben. Im oberen Bereich dieses Kanals ist ein beidseitig offenes, zylinderförmig ausgebildetes Schutzrohr 28 eingebettet. Der unterste Bereich 30 der Eintrittsöffnung des Schutzrohres 28 liegt einige Zentimeter über dem Wannenboden 18. Starting from the aluminum sump 20, a channel runs obliquely upwards in the side wall of the tub lining 16. In the upper area of this channel, a protective tube 28 which is open on both sides and is cylindrical is embedded. The lowermost area 30 of the inlet opening of the protective tube 28 is a few centimeters above the trough bottom 18.

In das Schutzrohr 28 ist von oben ein Wärmerohr 32 mit etwas Spiel eingeführt. Flüssiges Aluminium dringt zwischen das Schutzrohr 28 und das Wärmerohr 32 ein und erstarrt mindestens im obersten Bereich. A heat pipe 32 with a little play is inserted into the protective tube 28 from above. Liquid aluminum penetrates between the protective tube 28 and the heat tube 32 and solidifies at least in the uppermost region.

Das obere Ende des Wärmerohres 32 ist von einem Wärmeaustauscher umgeben, der aus einem lamellenartigen Aufsatz 34 mit einem Gehäuse 36 besteht. Über einen Eintrittsstutzen 38 wird ein Kühlmedium in das Gehäuse 36 eingeführt und umströmt den lamellenartigen Aufsatz 34, wodurch das Wärmerohr 32 gekühlt wird. Durch den Austrittsstutzen 40 verlässt das Kühlmedium das Gehäuse 36. Im Bereich des unteren Endes 42 des Kühlrohres 32 erstarrt das flüssige Aluminium zu einer Erstarrungsfront 44, welche stationär gehalten wird. Das flüssige Aluminium des unteren Bereichs The upper end of the heat pipe 32 is surrounded by a heat exchanger, which consists of a lamella-like attachment 34 with a housing 36. A cooling medium is introduced into the housing 36 via an inlet connection 38 and flows around the lamella-like attachment 34, as a result of which the heat pipe 32 is cooled. The cooling medium leaves the housing 36 through the outlet connection 40. In the region of the lower end 42 of the cooling tube 32, the liquid aluminum solidifies to a solidification front 44, which is held stationary. The liquid aluminum of the lower area

46 des Kanals wird möglichst ohne Ausbildung von Turbulenzen gehalten, damit keine unnötigen Wärmeverluste entstehen. 46 of the channel is kept as far as possible without the formation of turbulence, so that no unnecessary heat losses occur.

Das obere Ende 48 des Wärmerohres 32 ist vollflächig mit flexiblen Aluminiumbändern 50 verschweisst, welche den Elektrolysestrom in die zur Folgezelle führende Aluminiumschiene 52 überführen. The upper end 48 of the heat pipe 32 is welded over the entire surface with flexible aluminum strips 50 which transfer the electrolysis current into the aluminum rail 52 leading to the subsequent cell.

Der dem vorliegenden Beispiel zugrunde liegenden Elektrolysezelle wird über zwölf Doppelanoden 140 kA Elektrolysemesser von 23 cm und einem Leiterquerschnitt von je 390 cm2 entziehen der Elektrolysewanne den Strom und speisen ihn in die Schienenführungen zur Folgezelle ein. Die Stromdichte in der seitlichen Wandung der Wärmerohre 32 beträgt ungefähr 30 A/cm2. The electrolysis cell on which the present example is based is extracted from the electrolysis tub by means of twelve double anodes 140 kA electrolysis meters of 23 cm and a conductor cross section of 390 cm2 and feed it into the rail guides to the next cell. The current density in the side wall of the heat pipes 32 is approximately 30 A / cm 2.

Wärmerohre mit einem Aussendurchmesser von 23 cm bedingen einen minimalen Metallstand von etwa 30 cm. Ist ein niedrigerer Metallstand erwünscht, so kann ein Wärmerohr durch eine Gruppe von 2-5 horizontal nebeneinander liegenden Wärmerohren ersetzt werden, die zusammen einen Leiterquerschnitt von 390 cm2 haben. Heat pipes with an outer diameter of 23 cm require a minimum metal level of around 30 cm. If a lower metal level is desired, a heat pipe can be replaced by a group of 2-5 horizontally adjacent heat pipes, which together have a conductor cross-section of 390 cm2.

Die Wärmeverluste über die kathodischen Stromableiter sind mit 63 kW/m2 Leiterquerschnitt errechnet worden, was ungefähr 10% der totalen Wärmeverluste entspricht. Unter diesen Bedingungen hat die Erstarrungsfront 44 eine Dicke von ca. 20 cm. Der Bereich mit flüssigem Aluminium im Schutzrohr 28 ist etwa 40 cm lang. The heat losses via the cathodic current arrester have been calculated with a cross-section of 63 kW / m2, which corresponds to approximately 10% of the total heat losses. Under these conditions, the solidification front 44 has a thickness of approximately 20 cm. The area with liquid aluminum in the protective tube 28 is about 40 cm long.

Nach einem weiteren Beispiel hat eine von zwölf Doppelanoden gespeiste 100 kA Elektrolysezelle zwölf Wärmerohre mit einem äusseren Durchmesser von 19 cm oder zwölf entsprechende Gruppen von Wärmerohren, die einen Leiterquerschnitt von je 278 cm2 haben. Die Stromdichte in deren seitlicher Wandung beträgt wieder ungefähr 30 A/cm2. According to another example, a 100 kA electrolysis cell fed by twelve double anodes has twelve heat pipes with an outer diameter of 19 cm or twelve corresponding groups of heat pipes, each with a conductor cross section of 278 cm2. The current density in its side wall is again approximately 30 A / cm2.

Abschliessend können die Vorteile der Erfindung wie folgt zusammengefasst werden: In conclusion, the advantages of the invention can be summarized as follows:

- Verminderung des kathodischen Spannungsabfalls um etwa 300 mV, was einem Energiegewinn von etwa 1 kWh/kg erzeugtes Aluminium entspricht, während die thermische Bilanz der Elektrolysezelle nicht verändert wird. - Reduction of the cathodic voltage drop by approximately 300 mV, which corresponds to an energy gain of approximately 1 kWh / kg of aluminum produced, while the thermal balance of the electrolytic cell is not changed.

- Es können preisgünstige Kathoden von langer Lebensdauer eingesetzt werden, die nicht aus Kohlenstoff bestehen müssen. - Inexpensive long-life cathodes can be used, which do not have to be made of carbon.

- Die Elektrolysewannen sind nicht empfindlich gegen Verkrustung des Wannenbodens. - The electrolysis baths are not sensitive to crusting on the floor of the bath.

- Die kathodischen Stromableiter können während des Betriebs ersetzt werden. - The cathodic current arrester can be replaced during operation.

- Durch die seitliche Kühlung der Elektrolysewanne wird die Ausbildung eines Seitenbordes bevorzugt, was sich auf die Lebensdauer positiv auswirkt. - Due to the lateral cooling of the electrolysis tub, the formation of a side board is preferred, which has a positive effect on the service life.

- Der Wärmeentzug durch die Wärmerohre kann an die äusseren Arbeitsbedingungen der Elektrolysezelle angepasst werden, beispielsweise auf ein im Verlaufe des Tages wechselndes Energieangebot. - The heat removal through the heat pipes can be adapted to the external working conditions of the electrolytic cell, for example to an energy supply that changes during the day.

- Die abgezogene Wärme ist rekupierbar. - The heat removed is reproducible.

- Beim Einsatz von Materialien wie z.B. hitzebeständigem Beton muss der Kathodenausbruch weder aufgearbeitet noch in einer Deponie gelagert werden. Solche Wannenauskleidungen sind also umweltfreundlich. - When using materials such as The cathode outbreak does not have to be reconditioned or stored in a landfill for heat-resistant concrete. Such tub linings are therefore environmentally friendly.

4 4th

s s

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

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35 35

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45 45

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55 55

B B

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

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1. Trough of a melt flow electrolysis cell for the production of aluminum, which contains the liquid aluminum and the electrolyte, and is resistant to this bath and heat-insulating, the trough having at least one channel which starts from the aluminum sump and crosses the side wall at an upward angle and which has the cathode-side Receives power connection, characterized in that in the / in the channel / channels in the middle and upper area a correspondingly shaped, snug-fitting heat pipe (32) is provided from a metal wall that conducts electricity and heat well and an evaporable and condensable heat transfer substance enclosed therein is / are, a heat pipe (32) being able to draw off so much heat from the inside out that at its lower end (42), which is four to four times the inner diameter of the channel from its lower inlet opening (30), a stationary one Solidification front (44) made of aluminum, which is the electrical Contact resistance from the aluminum sump (20) to the heat pipe (32) used as a cathodic current conductor is reduced.

2. Trough according to claim 1, characterized in that the channel is formed by a protective tube (28) which is anchored in an opening in the side wall of the electrolytic trough (10) and is open on both sides.

2nd

PATENT CLAIMS

3. Tub according to claim 2, characterized in that the protective tube (28) protrudes from the side wall inside the tub.

4. Tub according to one of claims 1 to 3, characterized in that the metal wall of the heat pipe (32) consists of aluminum, copper or an electrically conductive iron alloy.

5. Tub according to one of claims 1 to 4, characterized in that the thickness of the side wall of the heat pipe (32) is dimensioned such that the current density can increase to at most 50 A / cm2.

6. Tub according to one of claims 1 to 5, characterized in that the heat pipe in the upper, from the electrolysis tub (10) projecting part is provided with a lamella-like attachment (34).

7. Trough according to one of claims 1 to 6, characterized in that the lamella-like attachment (34) is surrounded by a container (36) through which a circulating, cooling medium flows.

8. Trough according to one of claims 1 to 7, characterized in that the upper end (48) of the heat pipe is welded over its entire surface with flexible bands (50) which in turn are connected to an aluminum rail (52) for traversing the subsequent cell.