DE1115467B - Ofen zur Herstellung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse - Google Patents
Ofen zur Herstellung von Aluminium durch SchmelzflusselektrolyseInfo
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Description
DEUTSCHES
PATENTAMT
M42236VIa/40c
BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 19. OKTOBER 1961
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 19. OKTOBER 1961
Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein neuer Ofen zur Herstellung von Aluminium durch Schmelzflußelektrolyse
von Aluminiumoxyd.
»Einzellenöfen«, die bei der Reduktion von Aluminiumoxyd im Kryolithschmelzbad allgemein üblich
sind, bestehen im wesentlichen aus einer Wanne aus geeignetem kohlenstoffhaltigem Material, wobei die
Wanne durch eine breit ausgebildete, horizontale, den Innenboden der Wanne darstellende Fläche und durch
ihre verhältnismäßig geringe Tiefe die für sie charakteristische Form erhält. Die Wanne dient als Kathode,
an der sich das flüssige Aluminium niederschlägt. Das Anodensystem solcher allgemein üblicher Öfen
wird durch ein oder mehrere Elemente gebildet, die aus einem geeigneten, kohlenstoffhaltigen Material
bestehen und horizontal und parallel, mit einem einstellbaren Abstand von 3,5 bis 9 cm, dem Niveau
des flüssigen Metalls gegenüberliegen. Es muß beachtet werden, daß bei derartigen öfen der Boden der
Kohlenstoffwanne stets mit einer Schicht flüssigen Aluminiums bedeckt ist, auf der ja die kathodische
Reduktion stattfindet. Das gewonnene Aluminium wird in regelmäßigen Abständen, unter Beachtung
der Notwendigkeit, daß stets eine wenige Zentimeter hohe schützende Metallschicht auf dem Boden der
Kohlenstoff wanne zurückbleibt, entnommen.
Diese Ausführung herkömmlicher öfen bietet keine Möglichkeit, die Wärmeabstrahlung der Schmelzbadoberfläche
sowie die der Anodenflächen merklich zu vermindern.
Die Folge dieses Umstandes sind viele Nachteile, was sowohl die Konstruktion als auch den Betrieb
solcher Öfen betrifft, z. B.
a) erhebliche Wärmeverluste als Folge der großen Oberflächen, insbesondere der des offenen
Schmelzbades,
b) Verluste des Kryolithbades an flüchtigen Bestandteilen, ebenfalls eine Folge der großen Oberflächen,
c) erhebliche Raumerfordernisse.
Außerdem ist es klar, daß die Stromdichte der Kathodenoberfläche bedeutend geringer ist als die
Stromdichte der gegenüberliegenden Gesamtfläche der Anode bzw. der Anoden. Von ganz besonderer Bedeutung
aber sind bei solchen Ofenkonstruktionen die Verhältnisse Gesamtgewicht des Bades zu den Anodenflächen
und Gesamtgewicht des Bades zur Stromstärke.
Es sind bereits Vorschläge gemacht worden, diese Nachteile zu beheben, indem man den Elektrolyseofen
mit geneigten Kathoden- und Anodenwänden versah und insbesondere die Kathode aus geneigten Zirkonium-Ofen
zur Herstellung von Aluminium
durch Schmelzflußelektrolyse
durch Schmelzflußelektrolyse
Anmelder:
Montecatini Sozietä Generale per Hndustria
Mineraria e Chimica, Mailand (Italien)
Vertreter:
Dipl.-Ing. DipL-Chem. Dr.phil. Dr.techn. J. Reitstötter,
Patentanwalt, München 15, Haydnstr. 5
Beanspruchte Priorität:
Italien vom 24. Juli 1958
Alberto Vajna de Pava, Mailand (Italien),
ist als Erfinder genannt worden
ist als Erfinder genannt worden
oder Titancarbidplatten fertigte — was sehr kostspielig
ist und eine schwierige, keineswegs einfache Herstellung zur Voraussetzung hat. Der Vorschlag zeugt von dem
technischen Vorurteil, daß die Verwendung einer Kathode aus »blankem« Kohlenstoffmaterial, d. h.
solchem, das nicht von einer Schutzschicht aus flüssigem Aluminium bedeckt ist, was bei geneigter
Kathodenfläche natürlich nicht zu bewerkstelligen ist, unmöglich ist, weil in diesem Falle die direkte Abscheidung
des Aluminiums bei zu niedriger Stromausbeute erfolgen würde.
Hierbei muß berücksichtigt werden, daß durch den direkten Kontakt der Zirkonium- bzw. Titancarbidkathode
mit dem Kryolithbad und dem Metall das gewonnene Aluminium durch das aus der Kathode
stammende Zirkonium bzw. Titan gegebenenfalls verunreinigt werden kann.
Ein anderer Vorschlag hinsichtlich der hier zur Diskussion stehenden Elektrolyse sieht einen Ofen mit
geneigten Anoden aus Elektrodenkohle, die von der Badseite her, wo sie geneigten Graphitkathoden gegenüberstehen,
erneuert werden können, vor.
Hierzu ist zu bemerken, daß der Elektrodenzwischenraum in solchen Öfen an den Seiten begrenzt ist durch
Wände aus feuerfesten Steinen, die elektrisch nicht leitend sind; darüber hinaus muß dieses Material inert
sein gegenüber Einwirkungen des Schmelzbades, es ist teuer und unwirtschaftlich. Weiter ist festzustellen,
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3 4
daß diese bekannten Lösungsversuche in Form ge- dürfte es klar erkennbar sein, daß bei den bekannten
neigter Kathodenflächen die Verwendung von Anoden Öfen nur ein sehr kleiner Teil, bei dem erfindungs-
verlangen, die nur an einer oder zwei, nämlich der gemäßen Ofen aber der überwiegende Teil des Stromes
Kathode gegenüberliegenden Flächen, nicht aber auf durch die geneigten Kathodenwände fließt. Da diese
den Seitenflächen wirksam werden und zusätzlich 5 Seitenflächen aus Kohle und nicht aus Graphit be-
eine starke, beidseitige Wärmeisolierung erforderlich stehen, sind sie einer schnellen Korrosion unterworfen
machen. und werden gegebenenfalls durch festgewordenen
Die vorliegende Erfindung löst nun das Problem Elektrolyten ersetzt.
durch Schaffung eines Ofens mit geneigten Kathoden- Der hier beschriebene erfindungsgemäße Ofen kann
flächen, indem sie die Vorteile der bekannten Vor- io ferner zur leichteren Handhabung mit mehreren
Schläge, z. B. höheres Verhältnis von oberer, verteilend Anoden ausgestattet werden, dadurch, daß man die
wirkender Oberfläche (Bad, Kathode, Anode) zu üblichen Zellen mit mehreren Anoden oder mehrere
weniger aktiver anodischer Oberfläche, wie dies bei Zellen verwendet, d. h. ein Ofen mit mehreren neben-
dem gebräuchlichen Ofentyp der Fall ist — mit vor- einander- oder hintereinandergeschalteten Elektroden,
gebrannten Anoden oder Söderberg-Anoden mit der 15 mit Anoden der beschriebenen Form und einer
Kathode gegenüberliegenden, vorwiegend horizontalen massiven Kathodenwanne aus Graphit mit einer
Flächen —, mit der Beseitigung der bereits erwähnten entsprechenden Anzahl von Hohlräumen — falls es
Nachteile verbindet. sich um getrennte Anodenelemente handelt — zwischen
Insbesondere arbeitet der Elektrolyseofen gemäß massiven Trennwänden und geneigten gegenüber-
Erfindung mit einer von oben und außerhalb einstell- 20 liegenden (nach unten divergierenden) Wänden mit
baren Anode, die nachgestellt und ausgewechselt oder ohne elektrisch isolierende Trennwände zwischen
werden kann. den zwei geneigten Seitenflächen, je nachdem die
Der neue Elektrolyseofen besteht aus einem massiven zugehörigen elektrischen Verbindungen in Serie oder
Graphitgefäß, dessen Innenwände nach der Mitte zu parallel geschaltet sind.
geneigt sind und einer gleichen Zahl paralleler Anoden- 25 Im ersteren Fall bei der massiven Graphit-Kathodenflächen
gegenüberliegen, so daß sie im wesentlichen die wanne ist ein besonderes Verbindungsmittel zwischen
Form einer Pyramide oder eines Pyramidenstumpfes den Kathoden der verschiedenen Zellen nicht notbilden
(quadratisch oder rechteckig, je nachdem das wendig; im zweiten Fall können die Verbindungen
Gefäß — was gewöhnlich der Fall ist — die Form zweckmäßig z. B. oberhalb des Ofens installiert
eines Parallelepipedons oder eines Würfels hat). In der 30 werden.
Mitte des Gefäßes ist ein Sumpf vorgesehen, in dem Es sei ausdrücklich vermerkt, daß im Rahmen der
sich das im Verlaufe der Elektrolyse gewonnene und Erfindung auch nur ein Teil der beschriebenen Merkgeschmolzene Aluminium sammelt. male verwirklicht sein kann, z. B. fällt unter die
Die vorliegende Erfindung überwindet auch ein Erfindung ein Ofen mit massiver Graphit-Kathodentechnisches Vorurteil: es war nämlich zu erwarten, daß 35 wanne und prismatischem Hohlraum mit im wesenteine
massive Graphitkathode ähnlichen Volumens und liehen V-förmig gestaltetem (oder trapezoidem) Verähnlicher
Form erhebliche Nachteile mit sich bringen tikalschnitt und der größeren Basis oben; ein Ofen mit
würde, wie unregelmäßige Stromverteilung in der Anode oder Anodenreihe und von konvexer Form
Kathode und größte Stromdichte auf der Kathoden- entsprechend einem erwähnten Hohlraum von prisoberfläche.
40 matischer Gestalt. In diesem Falle sind die Anode
Die (bewegliche) Anode im erfindungsgemäßen bzw. die Anodenreihen und die entsprechenden
Ofen kann vom halbkontinuierlichen, vorgebrannten Wannenwände senkrecht und nicht geneigt. Eine
Kohletyp oder eine Söderberg-Elektrode in allen andere Ausführungsform sieht Anodenreihen mit
Abarten sein, sofern nur die beschriebene Form vertikalen, einander zugewandten Flächen vor,
eingehalten wird. 45 während an beiden Enden der Anodenelementreihe
Die Beschickung des Elektrolysebades mit Alumi- die Seiten (und die entsprechenden Wannenwände) im
niumoxyd kann mechanisch oder von Hand, Chargen- Sinne der Erfindung geneigt sind. In diesem Falle
weise, halb- oder vollkontinuierlich erfolgen. werden nur die vertikal einander gegenüberstehenden
Das gewonnene Aluminium, das, wie erwähnt, an Anodenseiten elektrolytisch nicht »arbeiten«, während
den geneigten Flächen der Kathode abfließt und in 50 alle anderen Vorteile der Erfindung, so der beachtliche
einer Kammer aufgefangen wird, kann von einer Vorteil, daß alle anderen Anodenseiten arbeiten,
Strommenge durchflossen werden, die von dem Ver- bestehenbleiben.
hältnis Fläche der seitlichen Anodenoberflächen zu Zur Erläuterung der Erfindung sind beispielsweise
Fläche des dem Boden gegenüberliegenden Anoden- einige Ausführungsmöglichkeiten schematisch durch
teils abhängig ist. Die metallische Oberfläche kann 55 die Zeichnungen dargestellt, ohne daß die Erfindung
deshalb als Teil der Gesamtkathodenfläche des Ofens hierdurch beschränkt werden soll,
wirken, wobei die Kathodenfläche vornehmlich durch Fig. 1 zeigt einen senkrechten Schnitt durch einen
eine blanke Kohle-(Graphit-) Kathode gebildet wird. »Einzellenofen« gemäß Erfindung mit einer Graphit-
Auch bei den herkömmlichen Elektrolyseöfen fließt Kathodenwanne und einer pyramidenförmigen Anode;
ein Teil des Stromes durch die (aus amorpher Kohle 60 Fig. 2 zeigt den Ofen der Fig. 1, von oben gesehen;
bestehenden) Seitenflächen und bewirkt dort eine Fig. 3 zeigt einen senkrechten Schnitt durch einen
kathodische Reduktion. Ofen mit mehreren Anoden von der Art, gezeigt in
Dabei beträgt aber die seitlich wirksame Fläche — Fig. 1 und 2, und ebenfalls mit einem massiven
sofern sie bei den bekannteren Industrieöfen überhaupt Graphitgefäß als Kathode;
vorhanden ist — höchstens 20% der horizontalen 65 Fig. 4 zeigt einen Ofen der Fig. 3, von oben gesehen;
Aluminiumoberfläche; da diese Fläche einen durch- Fig. 5 zeigt einen senkrechten Schnitt durch einen
schnittlichen Abstand hat, der das Siebenfache des Mehrzellenofen mit Einzelzellen ähnlich denen der
allgemein üblichen Elektrodenabstandes ausmacht, Fig. 1 und 2;
Fig. 6 zeigt einen Ofen der Fig. 5, von oben gesehen;
Fig. 7 zeigt einen senkrechten Schnitt durch einen Ofen mit prismatischen Anoden in einer massiven
Graphitwanne;
Fig. 7a zeigt einen Ofen der Fig. 1 in der Perspektive;
Fig. 8 zeigt einen Ofen der Fig. 7 von oben.
Gleiche, gleichartige oder entsprechende Teile tragen die gleichen Bezugszahlen, und zwar 1 Stromanschluß
einer regulierbaren Anode, 2 Anode, 3 aus massivem Graphit bestehende und die Kathode
bildende Wanne (z. B. Elektrographit), 4 Ausmauerung aus feuerfesten Steinen, 5 stromführende Eisenstäbe für
die Kathode, 6 Kammer, in der das gewonnene Aluminium gesammelt wird, 7 Raum zwischen den
Elektroden, der vom Elektrolytbad eingenommen wird.
In Fig. 5 und 6 ist zwischen den benachbarten Kathoden 3 eine Isolierung 8 eingebaut (Mehrzellenofen).
Form und Anordnung der Ofenelektroden bedürfen keiner weiteren Beschreibung. Stromzuleitung,
Art und Mittel der elektrischen Verbindungen und die Stromführung, das Einschalten, die Al2O3-BeScMkkung,
das Abstechen des gewonnenen flüssigen Aluminiums, die Einstellung des Elektrodenabstandes,
Ergänzung bzw. Wiedereinsetzen der Anoden von oben, wobei es sich um vorgebrannte oder um selbstbackende
Söderberg-Anoden handeln kann, sind völlig analog den Anordnungen, wie sie bei den üblichen
und im industriellen Einsatz stehenden Ofentypen zu finden sind. Das gleiche gilt für das Material der
Stromanschlüsse, des Leitungsgestänges, der Ausmauerung und der Isolation usw. mit Ausnahme, wie
gesagt, der massiven Graphitwanne, welche die Kathode bildet. Alle Teile, die nicht in den eigentlichen
Rahmen der Erfindung fallen, sind deshalb weder beschrieben noch in den Zeichnungen erläutert
worden. Die Zeichnungen sind aus Gründen des besseren Verständnisses rein schematisch.
Es muß weiterhin erwähnt werden, daß die Fig. 1,
3, 5 und 7 nur den senkrechten Schnitt der Ebenen entlang der Linien A-A, B-B, C-C und D-D der Fig. 2,
4, 6 und 8 zeigen und daß die einander gegenüberliegenden Flächen der Anode 2 und Kathode 3 im
rechteckigen Vertikalschnitt den in den Fig. 1/2, 3/4 und 5/6 gezeigten ähnlich sind. In Fig. 8 sind die
einander gegenüberliegenden Flächen 2'" und 2"" zweckmäßig vertikal, desgleichen die Flächen 2', 3',
2" und 3" (prismatische Form mit nahezu dreieckigem oder trapezoidem Querschnitt des Gefäßes und der
Anoden).
Selbstverständlich können die »Mehranoden«- und »Mehrzellen«-Typen mehr als zwei Anoden und mehr
als zwei Zellen aufweisen, und »Mehranoden«- und »Mehrzellen «-Typen können kombiniert sein, ohne
daß dadurch der Umfang der Erfindung berührt wird.
Im folgenden soll ein keineswegs abgrenzendes Beispiel für die Leistung eines Ofens gemäß Erfindung
aufgezeigt werden, das sich auf den Ofentyp bezieht, der in Fig. 3 und 4 gezeigt wird und gleichermaßen
für den Ofentyp der Fig. 5 und 6 Gültigkeit hat.
Technische Daten der Zellen:
Bad Kryolith und Al2O3
Stromstärke 1000 A
Anodenstromdichte ... 0,7 A/cm2
Kathodenstromdichte . 0,4 A/cm2
Elektrodenabstand .... 4 bis 7 cm
Durchschnittliche
Gesamtspannung ... 5 V
Elektrolysenspannung . 4 V
Durchschnittliche
Elektrolysenspannung . 4 V
Durchschnittliche
Badtemperatur 950 bis 9700C
Stromausbeute 80 bis 90%
Spezifischer Energieverbrauch 16,7 bis 18,7 kWh/kg Al
einschließlich äußerer
Spannungsabfälle,
13,3 bis 15 kWh/kg Al
ohne äußere
Spannungsabfälle
Spannungsabfälle,
13,3 bis 15 kWh/kg Al
ohne äußere
Spannungsabfälle
Die Zelle besteht aus einer Einblockwanne, deren Länge das Zweifache der oberen Breite und das
Dreifache der unteren Breite beträgt.
Ausmaße im Inneren der Wanne:
Länge 400 mm
Tiefe 260 mm
Obere Weite 200 mm
Untere Weite 100 mm
Der Querschnitt hat so die Form eines Trapezes mit der schmalen Basis unten und Seitenwinkeln von 80°
zur Horizontalen.
Material
Die Wanne wurde aus einem Elektrographitzylinder (450 mm Durchmesser) hergestellt und auf
beiden Seiten abgeflacht, um ihm auch außen eine trapezoide Form zu geben. Zusätzlicher Heizstrom
wurde nicht zugeführt.
Claims (8)
1. Ein- oder Mehrzellenofen für die Schmelzflußelektrolyse von vorzugsweise in Kryolithbädern
gelösten Aluminiumverbindungen zur Herstellung von Aluminium unter Anordnung von Anoden
und Kathoden mit geneigten Flächen, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Zelle oder jede
einzelne Zelle bei einem Mehrzellenofen durch eine massive Kathodenwanne (3) mit aus Graphit
flach geneigten Innenwänden und mindestens einer der Form der Innenwände der Kathodenwanne
entsprechenden Anode (2) gebildet wird, wobei die Anode im wesentlichen die Form einer Pyramide
oder eines Pyramidenstumpfes oder eines konvexen Prismas und die Kathode eine entsprechende
konkave Form gleicher Neigung hat.
2. Mehrzellenofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er Trennwände aufweist, die
die Kathodenwanne (3) in voneinander unabhängige Zellen teilt.
3. Ofen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden aus amorpher Kohle oder
aus selbstbackender Söderberg-Masse bestehen.
4. Ofen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenwanne (3) aus Elektrographit
besteht.
5. Ofen nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode und die Kathode der Zelle
bzw. jeder einzelnen Zelle einen Vertikal-, Quer- und/oder Längs-, Trapezschnitt aufweisen, dessen
Grundflächen ein Verhältnis von 0,1:0,5 haben,
während das Verhältnis Höhe zu größerer Grundfläche zwischen 0,3 und 1,3 liegt.
6. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme und zum Abstechen
des auf dem Boden der Kathodenwanne (3) gebildeten Aluminiums eine Kammer (6) vorgesehen
ist, die die Form einer Rinne oder eines Kanals hat.
7. Ofen nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß er mehrere untereinander in Verbindung stehende Kammern oder eine gemeinsame
Kammer in Form eines die Böden der einzelnen
Hohlräume der Kathodenwanne (3) verbindenden Kanals aufweist.
8. Ofen nach Anspruch 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß er für jede Zelle eigene Kammern
zum Auffangen und Abstechen des Aluminiums aufweist.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 784 695;
W. Fulda und H. Ginsberg, »Tonerde und Aluminium«, II. Teil/»Aluminium«, 1953, S. 14 und 79.
Britische Patentschrift Nr. 784 695;
W. Fulda und H. Ginsberg, »Tonerde und Aluminium«, II. Teil/»Aluminium«, 1953, S. 14 und 79.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
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---|---|---|---|
IT1131458 | 1958-07-24 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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ID=11135014
Family Applications (1)
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---|---|---|---|
DEM42236A Pending DE1115467B (de) | 1958-07-24 | 1959-07-24 | Ofen zur Herstellung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse |
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CH (1) | CH378046A (de) |
DE (1) | DE1115467B (de) |
ES (1) | ES251007A1 (de) |
FR (1) | FR1230964A (de) |
GB (1) | GB922189A (de) |
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