DE1000156B

DE1000156B - Cell for the production of high-purity aluminum

Info

Publication number: DE1000156B
Application number: DEV8016A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Werner Helling
Original assignee: Vereinigte Aluminium Werke AG
Current assignee: Vereinigte Aluminium Werke AG
Priority date: 1954-11-05
Filing date: 1954-11-05
Publication date: 1957-01-03
Also published as: DE1092668B; CH338970A; US2859160A; CH372168A; GB784660A; FR1132770A; GB859701A

Description

DEUTSCHESGERMAN

Die technische Erzeugung von Aluminium erfolgt durch die Schmelzflußelektrolyse, bei welcher eine etwa iooo⁰ C heiße Schmelze von Tonerde in Kryolith durch elektrischen Gleichstrom zerlegt wird. An der Kathode, die durch das mit Kohlenstoff ausgekleidete wannenförmige Ofenbecken gebildet wird, scheidet sich Aluminium in flüssiger Form ab und bildet eine Schicht auf dem Boden des Beckens unter der im Becken befindlichen Schmelze. Das erzeugte Metall wird in Abständen von 24 bis 48 Stunden aus dem Ofen entfernt; eine gleichbleibende Metallmenge läßt man jedoch aus verschiedenen Gründen im Ofen. Die Anode besteht aus Kohlenstoffblöcken, die von oben in die Schmelze eintauchen. Sie ist einem dauernden Verbrauch unterworfen und muß entsprechend ergänzt werden, weil an ihr Sauerstoff abgeschieden wird, der mit dem Kohlenstoff der Anode reagiert. Die Reaktionsprodukte, Kohlendioxyd und Kohlenmonoxyd, entweichen aus dem Elektrolyseofen. Die in der Schmelze enthaltene Tonerde muß ebenfalls von Zeit zu Zeit ergänzt werden, da auch sie bei dem Elektrolyseprozeß verbraucht wird. Bezogen auf ein Gewichtsteil erzeugtes Aluminium werden bei der Elektrolyse theoretisch mindestens 1,89 Gewichtsteile Tonerde und 0,33 Gewichtsteile Anodenkohlenstoff verbraucht. In der Praxis sind diese Verbrauchszahlen größer infolge von Verlusten durch Verstaubung, Verflüchtigung, Stromausbeute, Nebenreaktionen usw. Bei den Anoden kann der Verbrauch in der Praxis z. B. zwischen 0,37 und 0,57 Gewichtsteilen Anodenkohlenstoff schwanken. Es entstehen auch geringere Verluste an Kryolith, etwa 0,05 Gewichtsteile. Bei der Elektrolyse gelangen praktisch alle Verunreinigungen der verbrauchten Stoffe in das erzeugte Aluminium. Die Aluminiumelektrolyse erfordert daher hohe Reinheit der Einsatzstoffe. Zur Erhöhung der Reinheit des erzeugten Aluminiums werden z. B. bereits die Vorstoffe zur Herstellung der Tonerde und der Anoden durch Anwendung von chemischen und physikalischen Verfahren gereinigt, um hochreine Einsatzstoffe für die Elektrolyse zu erhalten. Bei der notwendigen Bearbei tung der Schmelze in den Elektrolyseöfen werden eiserne Werkzeuge, wie Stangen und Haken, benutzt, die an ihrem mit der Schmelze oder dem Metall in Berührung kommenden Ende besonders dick sind, damit sie während der absichtlich kurz gehaltenen Anwendungszeit keine hohen Temperaturen annehmen, sondern unter dem Schmelzpunkt der Schmelze bleiben und somit einen Schutzüberzug von erstarrter Schmelze behalten. Diese und andere Maßnahmen führen bei Benutzung 'der bekannten reinsten Vorstoffe zu einem Metall von der Reinheit 99,7%· Aluminium. Die Verunreinigungen bestellen aus Eisen, Silizium und einer Reihe von Metallen in kleinen Mengen.The technical production of aluminum by the molten salt electrolysis is carried out in which an approximately iooo ⁰ C hot melt of alumina in cryolite decomposed by electrical direct current. At the cathode, which is formed by the tub-shaped furnace basin lined with carbon, aluminum is deposited in liquid form and forms a layer on the bottom of the basin under the melt in the basin. The metal produced is removed from the furnace at intervals of 24 to 48 hours; however, a constant amount of metal is left in the furnace for various reasons. The anode consists of carbon blocks that are immersed in the melt from above. It is subject to constant consumption and must be supplemented accordingly, because oxygen is deposited on it, which reacts with the carbon of the anode. The reaction products, carbon dioxide and carbon monoxide, escape from the electrolysis furnace. The alumina contained in the melt must also be replenished from time to time, since it is also consumed in the electrolysis process. Theoretically, at least 1.89 parts by weight of alumina and 0.33 parts by weight of anode carbon are consumed in the electrolysis, based on one part by weight of aluminum produced. In practice, these consumption figures are greater as a result of losses due to dust, volatilization, current yield, side reactions, etc. B. vary between 0.37 and 0.57 parts by weight of anode carbon. There are also lower losses of cryolite, about 0.05 parts by weight. During electrolysis, practically all of the impurities in the consumed substances find their way into the aluminum produced. The aluminum electrolysis therefore requires high purity of the starting materials. To increase the purity of the aluminum produced, for. B. already cleaned the raw materials for the production of the alumina and the anodes using chemical and physical processes in order to obtain high-purity feedstock for the electrolysis. When processing the melt in the electrolysis furnace, iron tools such as rods and hooks are used, which are particularly thick at their end coming into contact with the melt or the metal so that they do not reach high temperatures during the intentionally short application time , but remain below the melting point of the melt and thus retain a protective coating from the solidified melt. When using the known purest precursors, these and other measures lead to a metal with a purity of 99.7% aluminum. The impurities order from iron, silicon and a number of metals in small quantities.

Zelle zur Herstellung von Aluminium
hoher ReinheitCell for the production of aluminum
high purity

Anmelder: Vereinigte Aluminium-Werke Aktiengesellschaft, Bonn, Am NordbahnhofApplicant: Vereinigte Aluminum-Werke Aktiengesellschaft, Bonn, Am Nordbahnhof

Dipl.-Ing. Werner Helling, Grevenbroich (Ndrh.)
ist als Erfinder genannt wordenDipl.-Ing. Werner Helling, Grevenbroich (Ndrh.)
has been named as the inventor

Eine weitere Steigerung der Reinheit des Aluminiums erfordert die Anwendung besonderer technischer Prozesse, z. B. der elektrolytischen Raffination. Dieses Verfahren führt zwar zu hohen Reinheiten, z.B. 99,99%, erhöht aber die Erzeugungskosten sehr stark. Andererseits hat das höchstreine Aluminium trotz hohen Preises wegen seiner besonderen technologischen Eigenschaften neue Anwendungsgebiete erschlossen, die dem zur Zeit reinsten durch einfache Elektrolyse gewonnenen Aluminium verschlossen bleiben. Eine Steigerung der Reinheit dieses Metalls ohne Anwendung der besonderen Raffinationsverfahren auch nur um 0,1 bis 0,2% wäre ein technischer Fortschritt, weil auch dann dem Metall schon wichtige, umfangreiche Anwendungsgebiete erschlossen werden könnten.A further increase in the purity of the aluminum requires the use of special technical methods Processes, e.g. B. electrolytic refining. Although this process leads to high purities, e.g. 99.99%, but increases the generation costs very much. On the other hand, it has the highest purity aluminum opened up new areas of application despite the high price due to its special technological properties, which are sealed to the currently purest aluminum obtained by simple electrolysis stay. An increase in the purity of this metal without the use of special refining processes only 0.1 to 0.2% would be a technical advance, because even then the metal is already important, extensive areas of application could be opened up.

Diese erwünschte höhere Reinheit des durch Elektrolyse gewonnenen Aluminiums könnte z. B. durch weitere Verbesserung der Reinheit der Einsatzetoffe, Tonerde, Anoden und Kryolith, erreicht werden.This desired higher purity of the aluminum obtained by electrolysis could e.g. B. by further improvement of the purity of the raw materials, alumina, anodes and cryolite, can be achieved.

Jedoch ist dieser Weg nicht gangbar, weil eine weitere Erhöhung der Reinheit dieser Stoffe nur durch Anwendung kostspieliger Methoden und Apparaturen durchführbar wäre, die den Prozeß unwirtschaftlich machen würden.However, this path is not feasible, because a further increase in the purity of these substances is only possible Use of costly methods and equipment would be feasible, making the process uneconomical would do.

Die vorliegende Erfindung erreicht die Erhöhung der Reinheit des erzeugten Aluminiums auf folgende Weise:The present invention achieves the increase in the purity of the aluminum produced as follows Way:

Die an der Anode entstehenden und aus der Elektrolysezelle entweichenden Gase Kohlendioxyd und Kohlenmonoxyd enthalten geringe, wechselnde Mengen von Eisen und Silizium, aber auch in Spuren Titan, Chrom, Vanadium und andere Metalle bzw. deren Verbindungen in gasförmigem oder festem Zustand (Rauch). Von diesen Stoffen verbleibt der größte Teil durch Zerfall oder Ablagerung im Elektrolyseofen. Those arising at the anode and from the electrolytic cell Escaping gases carbon dioxide and carbon monoxide contain small, changing amounts of iron and silicon, but also traces of titanium, chromium, vanadium and other metals or their compounds in gaseous or solid state (smoke). Of these substances, the largest remains Part of it due to disintegration or deposition in the electrolytic furnace.

Erfindungsgemäß wird die Entstehung und der Transport der genannten Gase bzw. Rauche begünstigtAccording to the invention, the formation and transport of the gases or fumes mentioned is promoted

und ihre Entfernung sowie die ftirer ZeriaWsprodukte. aus dem Bereich des Ofens durchgeführt, indem die Strömungsgeschwindigkeit der Ofengase im Ofen bis zum Entweichen aus dem Ofen möglichst hoch gehalten, ihr Weg im Ofen verkürzt und die Gase bis zum Entweichen aus dem Ofen unter Überdruck gehalten werden. Diese Bedingungen werden durch besondere bauliche Maßnahmen bei der Konstruktion des Ofens erfüllt, indem die einzelnen Anoden, aus denen die Gesamtanode besteht, im Ofen mit geringem Abstand voneinander angeordnet sind und eine geringe Breite von 200 bis maximal 700 mm haben. Ihre Länge soll dabei größer als 1400 mm sein. Die Strombelastung dieser Einzelanoden soll 10 000 Amp. nicht überschreiben, sondern etwa 5⁰⁰⁰ bis 8000 Amp. betragen. In den Zwischenräumen, die zu diesem Zweck nicht größer als etwa 150 mm, vorzugsweise etwa 50 bis 40 mm, breit gehalten werden, entstehen Kanäle geringen Querschnitts, da sich etwa 30 mm über dem Niveau der Schmelze eine Erstarrungskruste bildet, die den Kanal nach oben abschließt. Diese Kanäle sind gasdicht. An den Kopfseiten der Anoden werden diese Kanäle durch Durchstoßen der Schmelzkruste mittels Brechstangen od. dgl. beständig offengehalten, um den Gasen den Austritt in die Atmosphäre zu gestatten. Mit diesen Maßnahmen werden die an der Unterseite der Anode entstehenden Reaktionsgase einschließlich der darin enthaltenen oben beschriebenen Stoffe auf verhältnismäßig sehr kurzen Wegen, die maximal der halben Breite der Anode entsprechen, im Mittel aber wesentlich kürzer sind, in die zwischen den Anoden gebildeten Kanäle geleitet. In diesen Kanälen strömen die Gase mit hoher Geschwindigkeit und unter Druck zu den an den Kopfseiten der Anoden angeordneten Gasaustrittsstellen, die in der die gesamte Schmelzoberfläche bedeckenden Erstarrungskruste offen gehalten werden. Die in den Reaktionsgasen enthaltenen Stoffe werden durch diese Anordnung vor Zerfall und Ablagerung innerhalb des Ofens bewahrt, insbesondere auch dadurch, daß die Gase stets unter Überdruck stehen und nicht abgesaugt werden, wodurch eine Vermischung mit der atmosphärischen Luft vermieden wird.and their removal, as well as the products of cereal. carried out from the area of the furnace by keeping the flow velocity of the furnace gases in the furnace as high as possible until they escape from the furnace, shortening their path in the furnace and keeping the gases under overpressure until they escape from the furnace. These conditions are met by special structural measures in the construction of the furnace, in that the individual anodes that make up the overall anode are arranged in the furnace at a small distance from one another and have a narrow width of 200 to a maximum of 700 mm. Their length should be greater than 1400 mm. The current load of these individual anodes should not exceed 10,000 amps, but should be around ^5,000 to 8,000 amps. In the gaps, which for this purpose are kept no larger than about 150 mm, preferably about 50 to 40 mm wide, channels with a small cross-section are created, since a solidification crust forms about 30 mm above the level of the melt, which the channel upwards concludes. These channels are gas-tight. At the top of the anodes, these channels are kept open by piercing the melt crust with crowbars or the like, in order to allow the gases to escape into the atmosphere. With these measures, the reaction gases generated on the underside of the anode, including the substances described above, are passed into the channels formed between the anodes on relatively very short paths, which correspond at most to half the width of the anode, but are on average much shorter. In these channels, the gases flow at high speed and under pressure to the gas outlet points located on the head sides of the anodes, which are kept open in the solidification crust that covers the entire surface of the melt. This arrangement prevents the substances contained in the reaction gases from decomposing and depositing inside the furnace, in particular also because the gases are always under excess pressure and are not sucked off, which prevents mixing with the atmospheric air.

Diese Kanäle, die sich zwischen den Anoden befinden, die ihre Seitenwandung bilden und deren. Bodenfläche durch die Oberfläche der flüssigen Schmelze gebildet wird, erhalten ihren oberen Abschluß beständig aufrecht, auch bei der langsamen, ihrem Verbrauch entsprechenden Bewegung der Anoden nach unten, da sie sich ohne Zutun mit einer nach oben abschließenden, erstarrten Schicht von Schmelze bedecken, die durch den Gasstrom beständig nach oben' getrieben wird. Dkse. abschließende Schicht bleibt auch trotz der Bewegung der Anode erhalten, da sie sich ständig selbsttätig erneuert.These channels, which are located between the anodes that form their side wall and their. Floor area is formed by the surface of the liquid melt, their upper end is permanent upright, even with the slow downward movement of the anodes in accordance with their consumption they cover themselves with a solidified layer of melt that closes at the top without any action is constantly driven upwards by the gas flow. Dkse. final shift stays in spite of it the movement of the anode, as it is constantly renewing itself.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung der Anoden mit einem verhältnismäßig kleinen Abstand voneinander besteht die Gefahr, daß die Oberfläche der Anoden oberhalb der Badkruste in den Zwischenräumen zwischen den Anoden durch den Luftabbrand sehr stark angegriffen und tiefgreifend zerstört werden, weil dort hohe Temperaturen auftreten, die durch den Abbrand noch gesteigert werden und oft helle Rotglut erreichen. Es ist daher zweckmäßig, den Luftabbrand an diesen Stellen zu verhindern. Als sehr wirksam haben sich zur Verhinderung des Luftabbrandes bei Elektrolyseöfen bereits vorgeschlagene Packungen bewährt, die durch Einstampfen pulverförmiger Stoffe in die Zwischenräume zwischen den Anoden hergestellt werden. Man wählt solche Stoffe aus, die für den Elektrolyt unschädlich sind und haltbare Packungen ergeben.In the arrangement of the anodes according to the invention with a relatively small distance from one another there is a risk that the surface of the anodes above the bath crust in the interstices between the anodes are very strongly attacked by the air burn and are profoundly destroyed, because there are high temperatures that are increased by the burn-off and are often bright Reach red heat. It is therefore advisable to prevent the air from burning up at these points. As very Effective have already been proposed to prevent air burn-up in electrolysis furnaces Proven packs made by pulverizing powdery substances into the spaces between the Anodes are made. One chooses those substances that are harmless to the electrolyte and that are durable Packs result.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung diene die Abbildung, die eine Elektrolysenzelle beispielsweise und schematisch wiedergibt. Die Abbildung zeigt schematisch die Ofenbauweise. Hierin bedeutet ι Kathode, 2 abgeschiedenes Aluminium, 3 die Schmelze, 4 die schmalen Einzelanoden mit kleinen Zwischenräumen, 5 die Kruste aus erstarrter Schmelze, 6 die Packung zwischen den Anoden, 7 die sich bildenden Kanäle, in denen die sich an der Unterseite der Anoden durch den elektrolytischen Prozeß entstehenden Gase sammeln und nach außen geleitet werden; Pfeil 8 deutet den kurzen Weg der Gase zu den Kanälen an.To further explain the invention, the illustration shows an electrolysis cell, for example and reproduces schematically. The figure shows a schematic of the furnace construction. Herein means ι cathode, 2 deposited aluminum, 3 the melt, 4 the narrow individual anodes with small Gaps, 5 the crust of solidified melt, 6 the packing between the anodes, 7 the forming Channels in which those on the underside of the anodes are created by the electrolytic process Collect gases and discharge them to the outside; Arrow 8 indicates the short path of the gases to the Channels.

In der Zeichnung sind die für die Erfindung unwesentlichen Teile des Elektrolyseofens weggelassen worden, wie die Stromzuführungen, die Aufhängung der Anoden usw. Die Abbildung ist auch in der Hinsicht als Schema zu verstehen, als die Zahl von Anodenstreifen je nach Ofengröße in Wirklichkeit größer als dargestellt ist.In the drawing, the parts of the electrolytic furnace that are not essential to the invention are omitted such as the power supply lines, the suspension of the anodes, etc. The picture is also in This is to be understood as a scheme, as the number of anode strips depending on the size of the furnace in reality larger than shown.

Claims

PATENT CLAIM:

Cell for the production of aluminum of high purity by fused-salt electrolysis, characterized by using pre-fired continuous anodes arranged next to one another, the individual anodes having a width of about 200 to a maximum of 700 mm, a length of over about 1400 mm, a mutual distance below about 150 mm, preferably 40 to 50 mm, and a current load of less than 10,000 amps, preferably 5,000 to 8,000 amps.

For this 1 sheet of drawings ^