-
Anode für Aluminium-Elektrolyseöfen Die Erfindung betrifft eine aus
vorgebrannten Kohleblöcken bestehende Anode für Aluminium-Elektrolyseöfen.
-
Bei der Aluminium-Sehmelzflußelektrolyse sind bündelweise zusammengefaßte,
aus vorgebrannten Kohleblöcken bestehende Anoden, die auch kontinuierlich verwendet
werden können, bekannt. Daneben gibt es noch die selbstbackenden Anoden, die sogenannten
»Söderberg«-Anoden. Die Erfindung befaßt sich mit der Weiterbildung der erstgenannten
Blockanoden. Bei diesen aus Einzelkohlen zusammengesetzten Anoden ist es auch bekannt,
sie zur Erhöhung der Leitfähigkeit mit Metalleinlagen zu versehen. Diese Metalleinlagen
bestehen bei mehrteiligen Elektroden aus zwischen die Einzelkohlen gelegte Blechstreifen,
die elektrisch miteinander verbunden sind. Bei einer aus einem Bündel gebrannter
Stabelektroden bestehender Großanode wird eine zwischen den Stäben angeordnete Metallzwischenlage
verwendet. In diesem Falle besteht die Zwischenlage aus einem sich längs der Elektrode
erstreckenden Metallgerippe, das durch Ausgießen der Zwischenräume zwischen den
einzelnen Elektroden mit Metall hergestellt ist und das die einzelnen Elektrodenstäbe
teilweise oder, ganz umfaßt. Bei diesen Elektroden sind auch in Längsrichtung sich
erstrekkende Kanäle für den Gasaustritt vorgesehen.
-
Mit diesen bekannten Ausführungsformen sollen in erster Linie die
elektrischen Eigenschaften von vorgebrannten Blockanoden verbessert werden. Die
Metalleinlagen dienen zum Herabsetzen des elektrischen Widerstandes und zum Ausgleich
der Stromübergänge. Solche Verbundelektroden werden wie homogene Kohleblöcke verwendet,
d. h., sie werden bei der Elektrolyse derart verbraucht, daß auch die Metalleinlagen
schmelzen und in das Elektrolysebad gelangen. Aus diesem Grunde ist die Art der
Metalleinlagen von dem durch die Schmelzflußelektrolyse zu gewinnenden Metall abhängig.
-
Um die bekannten $lockanoden zu verbessern, insbesondere um die teure
und komplizierte Herstellungsweise von zusammengesetzten Blockanoden zu vereinfachen,
schlägt die Erfindung daher eine Anode vor, die dadurch gekennzeichnet ist, daß
die Kohleblöcke und die aus Stahlplatten bestehenden Zwischenlagen eines Bündels
durch eine lösbare Spannvorrichtung so zusammengehalten sind, daß die Kohleblöcke
unten über die bei der Elektrolyse außerhalb des Elektrolyten bleibenden Stahlzwischenlagen
herausragen, wobei die Dicke der Stahlzwischenlagen so gewählt ist, daß zwischen
den freien Enden der Kohleblöcke genügend Raum zum Abzug der während der Elektrolyse
entstehenden Gase vorhanden ist. Hierzu weisen die Kohleblöcke zweckmäßig rechteckigen
Querschnitt auf, und die Stahlzwischenlagen werden von planparallelen Platten, deren
Höhe nur einen Teil der Blocklänge ausmacht, gebildet.
-
Die Spannvorrichtung besteht vorteilhaft aus zwei Endplatten, die
durch an beiden Seiten der Endplatten angreifende Zuganker verbunden sind.
-
Die Verbindung zwischen den Kohleblöcken und den Stahlplatten beruht
auf Reibungsschluß, so daß bei mit den Stahlplatten verspannten Kohleblöcken jede
Anode insgesamt und bei gelöster Spannvorrichtung auch die einzelnen Kohleblöcke
durch zusätzliche Tragvorrichtungen gegenüber den Zwischenlagen einstellbar sind.
-
Bei einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Anode haben also die Metallzwischenlagen
außer der Verlegung der Stromzuführung in die nächste Nähe der Reduktionszone noch
eine weitere Funktion: Statt wie bisher mit der Kohle zu einem unlösbaren Ganzen
vereint zu sein, dienen die Zwischenlagen nunmehr als Tragorgane, die mit den Kohleblöcken
in lösbarer Verbindung stehen. Die Metallzwischenlagen werden während der Elektrolyse
auch nicht verbraucht. Sie können daher aus beliebigem Material bestehen, beispielsweise
aus Stahl, das eine weit höhere mechanische und thermische Belastung als Aluminium
zuläßt. Dies ermöglicht auch eine Bauweise mit einstellbarer Halterung der einzelnen
Kohleblöcke. Die Zwischenlagen sind nicht aus dünnen Blechen oder komplizierten
Gußfugen ausgebildet, sondern bestehen aus kräftigen Platten, deren
Dicke
ausreicht, um die Kohleblöcke zur Bildung von Gasabzugskanälen genügend weit auseinanderzuhalten.
-
Bei der erfindungsgemäßen Anode fällt somit der Verbrauch von teurem
Aluminium und die damit kostspielige Anodengewinnung fort. Besonders erwähnenswert
ist noch die große Anzahl gleichzeitig verwendbarer Kohleblöcke, der stetige Betrieb
und die Möglichkeit des Auswechselns einzelner Kohleblöcke ohne Unterbrechung der
Elektrolyse.
-
Die Zeichnungen zeigen ein Ausführungsbeispiel einer Elektrolysezelle
mit Blockanoden gemäß der Erfindung. Es stellt dar F i g. 1 eine Ansicht, teilweise
im Horizontalschnitt nach der Linie 1-1 gemäß F i g. 2, F i g. 2 einen Vertikalschnitt
nach der Linie 2-2 der F i g. 1 (in den F i g. 1 und 2 ist ein Mittelteil weggelassen,
um den verbleibenden Teil größer zeigen zu können), F i g. 3 eine Seitenansicht,
wobei die Zelle und ein Teil des Oberbaus vertikal nach der Linie 3-3 der F i g.
1 geschnitten sind, F i g. 4 eine Detailansicht nach der Linie 4-4 der Fig.2, F
i g. 5 eine Detailansicht nach der Linie 5-5 der F i g. 4 und F i g. 6 und 7 Detailansichten
einer Klinke für einen Anodenhebebock.
-
In einer Elektrolysezelle 8 zur Gewinnung von Aluminium sind Anodenbündel
B (F i g. 3) vorgesehen, die je aus einem Satz vorgebrannter Kohleblöcke 9 bestehen.
Diese Kohleblöcke sind von Metallplatten 10 durchschossen, die seitlich über
die Blöcke vorstehen und Fortsätze 11 zum Anbringen einer Befestigung für die Stromschienen
12 sowie einer Anodenspanneinrichtung bilden. Die Kohleblöcke sind stehend angeordnet
und ragen mit den unteren Enden in den Elektrolyten 13 der Zelle. Die Stahlzwischenlagen
sind dabei so weit über diesen eintauchenden Enden angeordnet, daß sie selbst nicht
in den Elektrolyten eintauchen. Hierdurch befinden sich die durch die Zwischenlagen
10 getrennten Kohleblöcke voneinander in einem Abstand zur Schaffung von Kanälen
14 im unteren Bereich der Blöcke. Diese Kanalspalten erstrecken sich über die ganze
Blockbreite und enden oben an der Unterkante der Zwischenlagen 10, wodurch
das an den unteren aktiven Anodenflächen entstehende Gas nach oben entweichen kann,
um auf diese Weise die aktiven Flächen von dem die Elektrolyse beeinträchtigenden
Gas zu befreien. Es entsteht ein relativ ruhiger und gleichmäßiger Gasaustritt,
und weil die Gasblasen nur einen kurzen Weg zu überwinden haben, besteht auch nur
eine geringe Neigung, das Elektrolytbad aufzuwirbeln und keine große Gelegenheit
für unerwünschte Berührung zwischen dem Anodengas und dem zu gewinnenden Aluminium.
-
Bevor auf eine genaue Beschreibung des Anodenaufbaus eingegangen wird,
wird zum besseren Verständnis der allgemeinen Anordnung der Anoden in bezug auf
Befestigung, Aufhängung, Verstellung und schließlich zum Zuführen der langen Anodenblöcke
relativ zu den Stahlzwischenlagen auf die F i g. 3 verwiesen. Innerhalb eines Aufbaus
A einer Zelle sind die Blockbündel B in folgender Weise gelagert: Ein vertikal beweglicher
Rahmen C wird direkt vom Aufbau mittels Spindeln 15 getragen. Diese Spindeln sind
in den vier Eckpunkten 16 des Rahmens geführt. Geeignete Mittel, z. B. Hebezylinder
C, sind zum beliebigen Anheben und Absenken des Rahmens vorgesehen. Jedes
aus Kohleblöcke 9 und Stahlzwischenlagern 10 bestehendes Bündel B, das bei
bestimmtem Druck durch eine Spanneinrichtung D zusammengehalten wird, ist wiederum
an dem beweglichen Anodenrahmen C aufgehängt, beispielsweise durch eine Tragvorrichtung
17, die an den Enden der Spanneinrichtung D eingeklinkt ist. Geeignete Mittel, beispielsweise
Hebezeuge D', die am Rahmen C befestigt sind, dienen zum beliebigen Anheben und
Absenken der entsprechenden Bündel gegenüber dem Rahmen C, entweder einzeln oder
gemeinsam. Andere Trageinrichtungen für die Kohleblöcke 9 jedes Bündels sind unabhängig
von den gerade beschriebenen bei B' vorgesehen. Nach der gezeigten Konstruktion
umfaßt diese Einrichtung einen abnehmbaren Balken 18, der vom Aufbau getragen wird.
Auf diesem befindet sich ein Keil 19, der an einer Tragstange 20 angreift,
die wiederum die Tragbügel 21 der Kohleblöcke 9 hält.
-
Die Kohleblöcke 9 einer Anode sind vorzugsweise gegenüber den
zwischengeschossenen Stahlplatten 10 so verstellbar, daß, falls sie zuerst mit den
innerhalb eines gewünschten Abstandes von beispielsweise 3 bis 5 cm über dem flüssigen
Aluminium 51 angeordneten wirksamen Spitzen der Anoden installiert sind, werden
sich die unteren Kanten der Zwischenlagen bzw. die Decken der Kanäle 14 etwa zwischen
15 und 20 cm über dem geschmolzenen Elektrolyten befinden. Wenn nun die wirksamen
Spitzen der Anoden abbrennen, so werden die Anoden je nach Belieben durch die Hebezeuge
C oder D' oder durch beide abgesenkt. Die Hebezylinder C senken den
Rahmen C und mit ihm alle die Bündel B ab, wobei zu verstehen ist, daß die Trageinrichtung
B' für die verschiedenen Bündel während dieses Bewegungsvorganges unverkeilt ist.
Die Hebezeuge D' der verschiedenen Anodenbündel können entweder zusammen oder auch
einzeln betätigt werden. Es ist klar, daß unter Verhältnissen, in denen eines der
Anodenbündel schneller als die anderen abbrennt, dieses unabhängig abgesenkt werden
kann, um so die verschiedenen Anodenbündel auf gleicher Höhe oder innerhalb des
gleichen Abstandes zur Kathode zu halten. In gleicher Weise ist es, falls ein Block
eines Bündels rascher als die anderen abbrennen sollte, möglich, diesen mehr als
die anderen Blöcke abzusenken, um auch innerhalb eines Bündels einen einheitlichen
Abstand von der Kathode beizubehalten.
-
Wenn nun ein bestimmtes Blockbündel zum Ausgleich des Abbrandes um
eine solche Strecke, daß die unteren Kanten der Stahlzwischenlagen 10 beispielsweise
etwa 5 cm in den Badpegel gelangen, abgesenkt worden ist, dann lassen sich die Zwischenlagen
wie folgt verstellen (die nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf ein einziges
Bündel:) a) Der Klemmkeil 19 wird eingesetzt, um das von der Stange 20, die
am Balken 18 und dem Aufbau A befestigt ist, getragene Bündel zu erfassen und so
die Blöcke 9 zu halten.
-
b) Die Spannvorrichtung D wird gelöst, um den Druck, der die Blöcke
9 gegen die Zwischenlagen 10 drückt, aufzuheben.
-
c) Die Hebezeuge D' werden zum Anheben der Spannvorrichtung D und
damit der Zwischenlagen 10 betätigt.
d) Nachdem die Zwischenlagen
10 die gewünschte Höhe erreicht haben, -wird die Spannvorrichtung D wieder verspannt,
um die Blöcke 9 gegen die Zwischenlagen 10 zu drücken und um eine Halterung des
ganzen Anodenbündels durch die Tragvorrichtung 17 am Anodenrahmen C und so über
die Spindel 15 am Aufbau A zu bekommen.
-
e) Der Klemmkeil 19 wird gelöst, so daß die Anode mit dem beweglichen
Rahmen C nach oben oder nach unten bewegbar ist.
-
Das Auswechseln eines Anodenbündels geschieht wie folgt: a) Mit der
Freigabe des Klemmkeiles 19 wird der Balken 18 über dem Aufbau angehoben. Es ist
klar, daß solche Mittel, wie sie zur Befestigung des Balkens am Aufbau verwendet
werden, auch entfernbar oder lösbar sein können.
-
b) Die flexiblen Anschlüsse 22 werden von der Anode getrennt.
-
c) Ein Kran wird an der Bündel-Tragstange 20 durch eine geeignete
Verbindung befestigt.
-
d) Die Tragvorrichtung 17 wird vom Bündel abgeklemmt.
-
e) Das Bündel wird dann aus dem Bad gehoben. f) Das neue Bündel wird
in Stellung gebracht und die Vorrichtung 17 damit verklinkt.
-
g) Die flexiblen Anschlüsse 22 werden angeklemmt. h) Der Druck der
Spannvorrichtung D wird geprüft und eingestellt.
-
i) Strommessungen werden an den flexiblen Anschlüssen zur Bestimmung
der Belastung an der Anode vorgenommen.
-
j) Die Anode wird mittels der Hebezeuge D' eingerichtet, um die Enden
in den gewünschten Abstand zur Kathode zu bringen.
-
Aus der vorhergehenden allgemeinen Beschreibung ist ersichtlich, daß
die erfindungsgemäße Anode aus bündelweise vorgebrannten Kohleblöcken 9 mit elektrisch
unter sich verbundenen Metallzwischenlagen 10 besteht, wobei das Bündel aus Kohleblöcken
und Zwischenlagen durch die Spannvorrichtung D verbunden ist. Diese Vorrichtung
sieht eine vertikale Verstellung der Zwischenlagen gegenüber den Blöcken 9 vor,
so daß die Blöcke zum Ausgleich des Abbrandes abgesenkt werden können. Andererseits
sind Spannvorrichtungen D zum Tragen der Zwischenlagen und Verspannen des Kohleblockbündels
vorgesehen, wobei die Organe zum Tragen der Zwischenlagen auch die Kohleblöcke halten.
Die Spannvorrichtungen sind lösbar, und Hebezeuge D' zum Anheben der Zwischenlagen
gegenüber den Kohleblöcken 9, wenn die Spannvorrichtung 9 gelöst ist, sind ferner
vorhanden. Zusätzlich tragen die Hebezeuge D' die Kohleblöcke unabhängig von der
Spannvorrichtung D, wodurch die Stellung der Kohleblöcke gegen unerwünschte vertikale
Bewegungen gehalten wird, wenn die Spannvorrichtung D gelöst ist und die Hebezeuge
D' betätigt werden. Durch diese Einrichtung sind die elektrisch verbundenen Zwischenlagen
10 vertikal gegenüber den Kohleblöcken verstellbar, wodurch die Anode entsprechend
ihrem Abbrand abgesenkt werden kann, während die Tiefe der Kanäle 14 innerhalb bestimmter
Grenzen aufrechterhalten und auch die elektrischen Kontakte an den Kohleblöcken
stets ganz dicht am Schmelzelektrolyten gehalten werden können. Diese Konstruktion
macht es möglich, lange Kohleblöcke zu verwenden, um eine gesteigerte Lebensdauer
der Anode und eine Verringerung der Häufigkeit des erforderlichen Auswechselns sowie
auch eine Reduzierung des Spannungsabfalls in der Anode auf ein Minimum zu erreichen.
-
Die den senkbaren Rahmen C umfassende Zusammenstellung kann auch ein
Hubzylinder C zum Anheben und Absenken des Rahmens C aufweisen, demzufolge
die Kohleblöcke und Zwischenlagen gemeinsam angehoben und abgesenkt werden können,
wenn eine Verspannung vorhanden ist, während die Zwischenlagen unabhängig von den
Kohleblöcken angehoben werden können, wenn die Kohleblöcke durch ihre eigenen unabhängigen
Organe B' gehalten werden und die Verspannung aufgehoben ist.
-
Die Vorsprünge 11 der Zwischenlagen 10 übergreifen die Träger 23,
die sich seitlich der Anode erstrecken. Diese Träger 23 werden durch Nasen 24 gehalten,
die sich von den Endplatten 25 (F i g. 4 und 5) erstrecken. Verbindende Zuganker
26 erstrecken sich durch Öffnungen in den Endplatten. Gewindemuttern an jedem Ende
dieser Anker gewährleisten in Verbindung mit kalibrierten elastischen Dichtungen
27 einen bestimmten Kontaktdruck zwischen den Kohleblöcken und den Zwischenlagen
eines Anodenbündels. Der Strom wird von den Stromschienen 28 über flexible Anschlüsse
22 und Strombänder 12 zu den Zwischenlagen 10 und damit zu den Kontaktteilen der
Kohleblöcke geführt. Die gesamte Anodenzusammenstellung wird durch die Endplatten
25 über Tragstangen 29; die an den Endplatten befestigt sind, getragen. Die Tragstangen
29 werden wiederum durch Traghaken 17, die selbst an einzelnen Hebezeugen D' hängen,
getragen. Die Traghaken 17 sind in geeigneter Weise mit der Anodenspannvorrichtung
D, beispielsweise durch einen Haken 45 und einer Klinke 46 mit Betätigungshandgriff
44 verklinkt, wovon in den F i g. 6 und 7 Details gezeigt sind. Die zurückgezogene
Stellung der Klinke ist mit 46' bezeichnet. Beim -Anheben des Handgriffes
47 fallen die Haken 45 frei von den Tragstangen 29 ab, so da.ß sie dann vom Gelenk
48 nach unten hängen, durch das die Tragvorrichtung 17 mit dem beweglichen Teil
49 des Hebezeuges D' verbunden ist.
-
Falls die Anode nicht durch die einzelnen Hebezeuge D' getragen wird,
wird sie durch die Tragbügel 21 gehalten, die vorzugsweise Stäbe 30 (F i g. 2) aufweisen,
die in Rillen in den oberen Rändern der Kohleblöcke 9 eingreifen und durch Flansche
an den unteren Kanten der Bügel 21 befestigt sind. Diese Bügel 21 werden von einem
Tragbalken 31 aus einem U-Schienen-Paar gehalten, das an der Anodenstange 20, beispielsweise
durch einen Zapfen 32, der sich durch die U-Schienen und dem unteren Ende der Stange
20 erstreckt, angekuppelt ist. Öffnungen 33 sind im Bügel 21 zum Einsetzen
dieser Verbindungszapfen 32 vorgesehen.
-
Eine andere Spannvorrichtung ist bei B' vorgesehen, die aus einer
mit dem Balken 18 in Verbindung stehenden Klemme 19 besteht. In der gezeigten Konstruktion
wird der Balken von einem im Abstand angeordneten U-Schienen-Paar gebildet, und
der Spanner ist mit seinem Betätigungsmechanismus zwisehen
diesen
Spalten vorgesehen. Der Spanner kann z. B. aus einem Kniegelenkmechanismus von gewöhnlicher
Konstruktion bestehen, der durch einen Handgriff 34 betätigt wird. Zu diesem Zweck
kann er beispielsweise aus einem Winkelhebel 35 und einem Gelenkhebel 36
zum Vor- und Zurückziehen des Klemmorgans 37 bestehen, das in seiner Klemmstellung
die Anodentragstange 20 zwischen dem Keil 37 und dem Anschlag 38, der an
dem Balken 18 befestigt ist, festhält. Der Balken 18 kann wie bei 39 mit einem Ständer
A verbolzt sein. Zum Anheben des Balkens mit seinem Spannmechanismus, um den Weg
für den Anodenaustausch freizugeben, ist ein Hubbügel 40 vorgesehen. Die Hebezeuge
D' werden in üblicher Weise durch eine gemeinsame Welle 41, die mit einem üblichen
Kraftantrieb (nicht gezeigt) in Verbindung steht, angetrieben. Die Hebezeuge können
Einzelkupplungen aufweisen, um so je nach den Erfordernissen die wahlweise Betätigung
der Hebezeuge unabhängig von den anderen oder auch gemeinsam zu ermöglichen. übliche
bekannte Kupplungen können hierzu vorgesehen sein.
-
Zur Betätigung der Hebezeuge C, die zum Anheben und zum Absenken
des beweglichen Rahmens C dienen, sind geeignete Einrichtungen vorgesehen, z. B.
die Antriebswellen 42, 43, die miteinander, wie in F i g. 1 gezeigt, zum
Antrieb durch eine gemeinsame Antriebskraft 44 verzahnt sein können.
-
Auf der rechten Seite der F i g. 2 ist ein Vorgang zum Einstellen
der Zwischenlagen 10 in bezug auf die Kohleblöcke 9 dargestellt, nämlich der vorher
beschriebene Schritt c), bei dem nach dem Verspannen der Blöcke 9 mittels des Balkenspanners
19, bezeichnet mit 34' und nach dem Lösen der Spannvorrichtung D die Anodenhebezeuge
D' zum Anheben der Zwischenlagen betätigt werden. Hier sind die Zwischenlagen
in solch einer Anhubstellung gezeigt, in der die Spannvorrichtung D wieder festgezogen
und der Balkenspanner 19 durch Bewegen seines Betätigungshandgriffes in die Ausgangsstellung
34 gelöst worden ist. Es ist ersichtlich, daß die anderen Anodenbündel gemäß der
F i g. 2 in Benutzung sind und daß sie bis nahe dem Punkt, wo es an der Zeit ist,
die Zwischenlagen gegenüber den Kohleblöcken 9 anzuheben, abgesenkt worden sind.
In F i g. 3 ist andererseits angenommen, daß die Anodenbündel neu und gerade in
Benutzung genommen worden und die unteren Enden der Zwischenlagen 10 etwa 15 bis
20 cm über dem Spiegel des Elektrolyten angeordnet sind.
-
Während der Elektrolyse verjüngen sich die Enden der Blöcke zusehends,
wie es in Fig. 4 mit 50 bezeichnet ist. Dies steht im Gegensatz zum Söderberg-Verfahren,
wo die Enden sich bloß abrunden. Diese Verjüngungen demonstrieren, daß der Strom
auch an den Seiten der Anodenblöcke austritt.