DE1122263B - Elektrolysezelle zur Elektrolyse von geschmolzenen Metallen, insbesondere von Magnesium - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle zur Elektrolyse von geschmolzenen Metallen, die leichter sind als das geschmolzene Bad, insbesondere von Magnesium.

Es sind Zellen zur Schmelzflußelektrolyse von Magnesium bekannt, die aus einer das geschmolzene Bad bis zu einem vorbestimmten Spiegel aufnehmenden Hauptkammer und aus einer von der Hauptkammer durch eine selbsttragende feuerfeste Wand getrennte Nebenkammer bestehen, die dazu dient, das an den Kathoden erzeugte geschmolzene Metall zu sammeln, wobei die Hauptkammer die Kathoden enthält, an ihrer Oberseite geschlossen ist und oberhalb des Spiegels des geschmolzenen Bades eine Einrichtung zum Ableiten des an den Anoden dieser Kammer erzeugten Gases aufweist. Es ist auch bekannt, das geschmolzene Metall über Kanäle zur Nebenkammer abzuleiten.

Eine der Schwierigkeiten in Zellen dieser Art besteht nun darin, das Metall ohne besonderen Umlauf von der Oberfläche des geschmolzenen Elektrolyten in solcher Weise zu sammeln, daß sich das Metall nicht wieder mit dem an den Anoden frei werdenden Gas umsetzt.

Diese Nachteile der bekannten Schmelzflußelektrolysezellen werden bei der Elektrolysezelle nach der Erfindung dadurch behoben, daß die selbsttragende Zwischenwand unter der Oberfläche des geschmolzenen Bades Durchbrüche aufweist, die eine Verbindung zwischen den Kammern über umgekehrte Rinnen herstellen, welche sich über den Kathoden über die Hauptkammer weg durch die Durchbrüche erstrecken und schräg nach oben führen, um das geschmolzene Metall aus der Hauptkammer in die Nebenkammer zu leiten.

Die oberhalb der Kathoden gewählte Aufstellung der Sammelrinnen, die das Metall zu einer parallel zur Hauptkammer angeordneten Nebenkammer leiten, ist eine sehr vereinfachte und auch leistungsfähige Anordnung, die den stabilen Aufbau der zwisehen den Kammern vorhandenen selbsttragenden Zwischenwand vorteilhaft verwendet. Das gesamte geschmolzene Metall wird daher aus der aktiven Zone zur Sammelkammer geleitet. Infolge der Aufstellung und der Wirksamkeit der mit der Mündung nach unten gerichteten Rinnen können auch die Elektroden in einem möglichst dichten Abstand aufgestellt werden.

Das von mehreren einzelnen Kathoden her stammende geschmolzene Magnesium wird also in einer gemeinsamen Zone gesammelt, und das frei werdende Chlor wird von einer entsprechenden Anzahl Anoden Elektrolysezelle zur Elektrolyse
von geschmolzenen Metallen,
insbesondere von Magnesium

Anmelder:

Aluminium Laboratories Limited,
Montreal (Kanada)

Vertreter: Dr.-Ing. H. Ruschke, Berlin-Friedenau,

und Dipl.-Ing. K. Grentzenberg,
München 27, Pienzenauer Str. 2, Patentanwälte

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 1. März 1952 (Nr. 274 377)

Alan Hutchison Johnston,

Arvida, Chicoutimi, Quebec (Kanada),

ist als Erfinder genannt worden

in reinem Zustand aufgefangen, ohne daß ein Angriff des Chlors an den Kathoden oder eine wesentliche Umsetzung mit dem frei gewordenen Magnesium erfolgt.

In den Zeichnungen ist

Fig. 1 eine Draufsicht einer erfindungsgemäßen Mehrelektrodenzelle, von der ein Abschnitt in einem waagerechten Schnitt dargestellt ist, während in den Fig. 2, 3 und 4 verschiedene Teile der Zelle in einem senkrechten Schnitt dargestellt wurden,

Fig. 2 ein senkrechter Schnitt nach Linie 2-2 der Fig. 1,

Fig. 3 ein senkrechter Schnitt nach Linie 4-4 der Fig. 2,

Fig. 4 ein senkrechter Schnitt im verkleinerten Maßstab nach Linie 10-10 der Fig. 2.

Die zur elektrolytischen Herstellung von Magnesium aus einem geschmolzenes Magnesiumchlorid enthaltenden Bade bestimmte Zelle weist ein kastenähnliches Stahlgehäuse 20 auf, das durch ein an seinen Wänden anliegendes Stahlgerüst 21, dessen Träger 22 unterhalb des Gehäusebodens 24 liegen, versteift und getragen wird. Im Stahlgehäuse selbst ist eine in waagerechter Richtung langgestreckte, rechteckige Hauptkammer 25 und parallel zu einer seiner Längsseiten eine das Metall sammelnde Nebenkammer 27 angeordnet. Die diese Kammern umgrenzenden Innenwände bestehen aus feuerfestem Material,

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mit dem das Stahlgehäuse 20 ausgekleidet ist. Die gesamte Zelle besteht also aus einer Rückwand 28, einer Vorderwand 29 sowie den Stirnwänden 30 und 31 und einer die beiden Kammern trennenden Zwischenwand 32 mit Boden 33.

Die Hauptkammer 25 ist an ihrer Oberseite durch aufwärts gerichtete Aufbauten 34, 35, 36 und 37, die sich von den Wänden 28, 32, 30 und 31 nach oben erstrecken, höher gesetzt als die Nebenkammer 27 und wird von einer mit feuerfestem Material ausgekleideten Haube 40 abgeschlossen, die auf den oberen Wandaufsätzen aufruht. Die Nebenkammer

27 hat erforderlichenfalls auch eine aus Leichtmetall, z. B. Aluminium oder einer Aluminiumauskleidung, bestehende Haube 41, die ein Abzugsrohr aufweist. Sie ist leicht abhebbar ausgebildet, um den Innenraum der Kammer zugänglich zu machen.

In der Hauptkammer 25 angeordnete, aus großen rechteckigen Tafeln bestehende Elektroden befinden sich in lotrechter Stellung und weisen einen parallelen Abstand zueinander auf Die als Anoden und Kathoden geschalteten Elektroden wechseln einander ab. Als Anoden werden z. B. starke tafelförmige Platten oder Blöcke 44 aus Graphit verwendet, die an der Haube 40 befestigt von oben her in die Kammer hineinragen, während die Kathoden aufrecht stehende, rechteckige Stahl- oder Eisenplatten sind. An jedem Ende einer solchen Elektrodenreihe (Fig. 3) ist eine sogenannte Einzelkathode angeordnet, während zwischen aufeinanderfolgenden Anodenpaaren eine Doppelkathode 45 vorgesehen ist, so daß sich auf diese Weise eine Anordnung ergibt, bei der die Kathoden ziemlich dicht an den benachbarten Anoden liegen, jedoch immer noch ein genügender Abstand in der Zellenwand oder in der Haube für das Aufstellen der verschiedenen Elektrodenträger und Verbindungsteile vorhanden ist. Die Kathodentragplatten 47 bestehen aus Metall und erstrecken sich durch die Rückwand

28 der Hauptkammer 25. Damit ist gewährleistet, daß die gesamte Kathode innerhalb des Schmelzbades sich befindet, dessen Oberflächenspiegel etwa die Höhe der strichpunktierten Linie 48 (Fig. 2 und 3) einnimmt.

An den Oberkanten der Kathodenplatten 45 sind umgekehrte Rinnen 49 angeordnet, die etwas aufwärts von den nahe der Rückwand 28 befindlichen Enden der Kathode durch die Zwischenwand 32 hindurch schräg aufwärts verlaufen. Die vorderen Enden 50 der Rinnen ragen somit in die Nebenkammer 27 unter Anordnung entsprechender Durchbrüche 52 der Zwischenwand 32 hinein. Das wird besonders deutlich aus der Fig. 2, in der ein einzelner Kathodenaufbau dargestellt ist. Auch in der Fig. 3 sind sie strichpunktiert festgehalten. Wenn auch andere als die beschriebenen Durchbrüche verwendet werden können bzw. in besonders gelagerten Fällen hierfür auch eine Zwischenwand zu benutzen ist, die als eine beide Kammern oberhalb und noch etwas unterhalb des Spiegels 48 trennende und dabei die unterhalb gelegene Seite der Kammer 25 im wesentlichen völlig offen lassende obere Scheidewand wirksam wird, so stellt doch die dargestellte Zwischenwand mit ihren Durchbrüchen ein wesentliches und wichtiges Merkmal der Erfindung dar, weil sich auf diese Weise erst die beanspruchte Wirkung erzielen läßt und damit auch ein verhältnismäßig einfacher, kräftiger und selbsttragender Aufbau bedingt ist. In jedem Falle stehen die beiden Kammern unterhalb des geschmolzenen Elektrolyten, z. B. durch die Durchbrüche 52, miteinander in Verbindung, so daß der Spiegel des geschmolzenen Metallsalzes in der Kammer 27 bis zu der bei 54 in Fig. 2 dargestellten Höhe ansteigt.
Das bei der Elektrolyse an den Kathoden 45 sich absetzende metallische Magnesium steigt an den Seitenwänden der Kathoden 45 hoch, sammelt sich an den umgekehrten Rinnen 49 und strömt schließlich längs der schrägliegenden Unterseiten dieser

ίο Rinnen zur Nebenkammer 27, wo es sich als überstehende Oberschicht 55 (Fig. 2) oberhalb der Badoberfläche 54 des geschmolzenen Metallsalzes ansammelt. Das außerdem an den Anoden 44 sich oberhalb des Elektrolytspiegels 48 der Kammer 25 bildende Chlor wird über Rohrleitung 57, die in einem oberen Teil einer der Kammerwände, z. B. dem oberen Wandaufsatz 36 (Fig. 1 und 3), vorgesehen ist, abgeführt und kann anderweitig verwendet werden. Von besonderer Bedeutung hierbei ist, daß das Me-

ao tall an einer einzigen Stelle, nämlich an der Oberfläche des in der Nebenkammer 27 liegenden geschmolzenen Bades, erzeugt wird. Von der Oberflächenschicht 55 kann das Metall von Zeit zu Zeit abgeschöpft oder aber über einen besonderen Ablauf abgezogen werden. Da die Zwischenwand 32 die Auffangkammer für das Chlor völlig abschließt, kann reines Chlor getrennt abgeführt werden.

Die Kathodentragplatten 47 (Fig. 1 und 2) durchsetzen die feuerfeste Rückwand 28 der Hauptkammer 25 unter Verwendung rechteckiger Stahlbüchsen 63, die von dem Gehäuse 24 vorstehen. Sie sind in den Büchsen 63 durch entsprechende Mittel, z. B. durch eine dicke Schicht feuerfesten Zements 64, der dabei gleichzeitig eine elektrische Isolierung übernimmt, abgedichtet. Mit den Kathodentragplatten 47 in Verbindung stehende Sammelschienen 65 liegen am negativen Pol einer Gleichstromquelle (nicht dargestellt). Die umgekehrten und aus starkem Blech gefertigten Rinnen 49 erstrecken sich längs und oberhalb der oberen Kante jeder Kathodenplatte 45 und weisen über die Außenseiten der Platten gehende abwärts und auswärts schrägliegende Seitenleisten auf. In ähnlicher Weise sind oberhalb der inneren Flächen der Kathodenplatten 45 etwas tiefer liegende Seitenleisten angeordnet. An den den Kathodentragplatten 47 angrenzenden Kanten sind die langen Rinnen 49 durch eine Querrrinne miteinander verbunden, daß ein langer U-förmiger Rinnenaufbau entsteht, der das gesamte geschmolzene metallische Magnesium auffängt.

Der Rinnenaufbau wird an den Kathodenplatten von besonderen Konsolen getragen, die an der oberen Kante der Kathodenplatte befestigt sind. An dem einen Tragblock 62 gegenüberhegenden Ende verengt sich jede Rinne 49 mit Hilfe eines tunnelartigen Ab-Schnitts 71 zu einem Abschnitt 72 umgekehrter U-Form, der in einer aufwärts sich erweiternden Mündung 50 endet.

Die Abschnitte 72 (Fig. 1 und 2) ragen durch die Durchbrüche 52 der Zwischenwand 32 hindurch, so daß das die Rinnenmündungen verlassende geschmolzene Metall bis zu der in der Nebenkammer 27 befindlichen Oberfläche 55 ansteigen kann. Die Rinnen und ihre Ansätze 72 steigen von der Querrinne 69 zu den Mündungen 50 allmählich nach oben, so daß die gewünschte Strömung des Metalls erzielt wird. Im allgemeinen richtet sich der Wirkungsgrad solcher Elektrolysezellen nach dem jeweiligen Elektrodenabstand und der an die Zelle zu legenden elektrischen Span-

nung. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht nun darin, daß die Festsetzung des günstigsten Elektrodenabstandes nötigenfalls durch Versuche mit einstellbar gelagerten Kathoden oder einstellbaren Kathodenverlängerungen bestimmt werden kann. Maßgebend für die Erfindung ist und bleibt, daß eine lotrechte Kathode großer Form unterhalb der Seitenleiste der Rinne liegt und verhältnismäßig große, mehr oder weniger lotrechte Flächen aufweist, die dicht gegenüber der nächsten Anodenplatte stehen.

Der Aufbau jeder an den Enden der Zelle befindlichen Einzelkathoden (Fig. 1 und 3) besteht aus einer einzigen verstärkten Kathodenplatte 45 mit einem einzigen Rinnenaufbau 49, der einen nach vorn gerichteten Abschnitt 72 und eine Mündung 50 besitzt, die in die Nebenkammer 27 mündet. Im Trägeraufbau für jede Einzelkathode ändert sich gegenüber der Doppelkathode kaum etwas Wesentliches, so daß sich ein weiteres Eingehen hierauf erübrigt.

Wie oben schon erwähnt, werden die Anoden 44 von der Haube 40 getragen, von der sie abwärts in das Bad hinein stehen. Wenn die Anoden statt dessen auch in einigen Fällen zwischen den Kathoden durch die Rückwand 28 bei gleich guter elektrolytischer Wirkung und unter Erzielung der anderen Vorteile (getrenntes Abführen von Chlor und Magnesium) in die Zellen seitlich eingeführt werden können, ist die von oben erfolgende Lagerung besonders vorteilhaft, da der Haubenaufbau nicht nur abgehoben werden kann, sondern auch eine unzulässige Erwärmung, ferner elektrische Kriechströme und damit zusammenhängende Zerstörungen verhindert, die, wenn nicht besondere Kühl- und Isolieranlagen vorgesehen sind, in der Wand auftreten, durch die die Anoden und Kathoden in dichtem Abstand voneinander hindurchgehen.

Zur Vereinfachung des gesamten Aufbaus können die in den Fig. 1, 2 und 3 beschriebenen Hauptwände sowie der Zellenboden z. B. auch aus feuerfesten Steinen oder Blöcken bestehen, was in Fig. 4 dargestellt ist. Ein solcher Aufbau ist einfacher und dem anderen auch in jeder Beziehung vorzuziehen. Außer allen lotrechten Außen wandungen von Zelle und Boden werden auch die zwischen den Durchbrüchen 52 hegenden Teile der Zwischenwand 32, wie sie z. B. bei 104 in Fig. 4 dargestellt ist, aus feuerfestem Ziegelwerk angefertigt. Die Durchbrüche 52 werden durch keilförmige Blöcke 105 gespannt, während der übrige Teil dieser Lage mit anderen Blöcken 106 umgekehrter Keilform gemauert wird. Der oberste Wandabschnitt 35 kann aus mehreren Lagen aus einfachen feuerfesten Steinen bestehen.

In der beschriebenen Zelle können geschmolzene Salzbäder verschiedener Zusammensetzung behandelt werden. Beispielsweise enthält ein Bad dieser Art etwa 15% Magnesiumchlorid, 30% Calciumchlorid, 50 % Natriumchlorid und eine kleine Menge Calciumfluorid, z. B. 5 % oder weniger. Die Betriebstemperatur der Zelle beträgt etwa 700° C. Gute Ergebnisse sind erzielt worden, wenn das Bad auf 720 ±30° C gehalten wurde, wobei die ganze Wärme während des ununterbrochenen Betriebes aus dem elektrolytischen Vorgang selbst entstammt.

Von Zeit zu Zeit muß ein Bad der obenerwähnten Art teilweise abgelassen werden, und zwar dann, wenn der Calciumchloridgehalt zu hoch wird, der durch die Zusätze dieses Salzes als Verunreinigung des Magnesiumchlorids entsteht. Zum Ablassen wird ein Saugheber oder ein Heberohr in die Nebenkammer 27 eingesetzt, das eine entsprechende Menge des geschmolzenen Elektrolyts absaugt, der dann durch ein Gemisch ersetzt wird, das nur die anderen Badbestandteile enthält. Auf diese Weise kann der Calciumchloridgehalt zwischen 25 und 40% gehalten werden, so daß ein Durchschnittsgehalt von etwa

ίο 30% besteht. Sobald das Magnesiumchlorid selbst durch den gewünschten elektrolytischen Vorgang, bei dem Magnesium und Chlor erzeugt werden, erschöpft ist, werden weitere Mengen dieses Salzes durch die Kammer 27 hindurch, gewünschtenfalls in geschmolzener Form, zugegeben.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Elektrolysezelle zur Elektrolyse von geschmolzenen Metallen, die leichter sind als das geschmolzene Bad, insbesondere von Magnesium, mit einer Hauptkammer, die das geschmolzene Bad bis zu einem vorbestimmten Spiegel aufnimmt, mit einer Nebenkammer, die von der Hauptkammer durch eine selbsttragende feuerfeste Wand getrennt ist und die dazu dient, das an den Kathoden erzeugte geschmolzene Metall zu sammeln, wobei die Hauptkammer die Kathoden enthält, an ihrer Oberseite geschlossen ist und oberhalb des Spiegels des geschmolzenen Bades eine Einrichtung zum Ableiten des an den Anoden dieser Kammer erzeugten Gases aufweist, und mit einer Einrichtung zum Sammeln und Ableiten des an den Kathoden erzeugten geschmolzenen Metalles zur Nebenkammer, dadurch gekennzeichnet, daß die selbsttragende Zwischenwand (32) unter der Oberfläche des geschmolzenen Bades Durchbrüche (52) aufweist, die eine Verbindung zwischen den Kammern über umgekehrte Rinnen (49) herstellen, welche sich über den Kathoden

   (45) über die Hauptkammer (25) weg durch die Durchbrüche (52) erstrecken und schräg nach oben führen, um das geschmolzene Metall aus der Hauptkammer (25) in die Nebenkammer (27) zu leiten.
2. 2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden (45) oberhalb des Bodens der Hauptkammer von Metallplatten (47) getragen werden, welche die der selbsttragenden Zwischenwand (32) gegenüberliegende Rückwand

   (28) der Hauptkammer durchsetzen.
3. 3. Zelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche (52) der selbsttragenden Zwischenwand (32) mit den benachbarten Enden der Kathoden (45) fluchten und daß die selbsttragende Zwischenwand (32) und die Nebenkammer (27) so ausgeführt und geformt sind, daß ein mechanischer Zugang von der Oberseite der Nebenkammer (27) durch das geschmolzene Bad über den unterhalb der Kathoden (45) in der Hauptkammer (25) befindlichen Boden vorhanden ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschriften Nr. 2 432 431, 2 468 022; Zeitschrift »Angewandte Chemie«, 63 (1951), S. 385 bis 395, insbesondere S. 391.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen