DE1179011B - Elektrolysezelle, insbesondere fuer die Gewinnung von Aluminium durch Schmelzfluss-elektrolyse, mit Stromstaerken ueber 50 kA und einseitiger Stromzufuehrung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: C22d

Deutsche Kl.: 40 c-3/12

Nummer: 1179 011

Aktenzeichen: V 5870 VI a/40 c

Anmeldetag: 2. Juni 1953

Auslegetag: 1. Oktober 1964

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle, insbesondere für die Gewinnung von Aluminium durch Schmelzflußelektrolyse, mit Stromstärken über 50 kA und einseitiger Stromzuführung unter Anwendung von Maßnahmen, durch die die Wirkung der von den Außenleitern herrührenden magnetischen Felder auf den die Metallschmelze und den Elektrolyten enthaltenden Raum weitgehend aufgehoben wird.

Man hat im Laufe der Entwicklung der Schmelzflußelektrolyseöfen bei Stromstärken über 50 kA, besonders stark aber bei Aluminiumöfen mit 6OkA und mehr, eine Aufwölbung des Metallspiegels beobachtet. Diese Erscheinung ist für den Betrieb des Ofens sehr störend, weil der Abstand zwischen Anode und Metall, der sogenannte Richtabstand, die im Ofen erzeugte Wärme bestimmt und z. B. bei Aluminiumöfen in der Größenordnung 3 bis 4 cm liegt, während die beobachteten Aufwölbungen das Zweibis Dreifache dieses Wertes betragen.

Es besteht kein Zweifel, daß elektromagnetische Kräfte am Zustandekommen dieses störenden Effekts wesentlich beteiligt sind, doch hat man früher in Unkenntnis dieser Tatsache auf die magnetischen Verhältnisse bei der Gestaltung der Öfen keine Rücksicht genommen. In jüngster Zeit wurden Maßnahmen versucht, unter denen zu nennen sind:

1. Die Schienen, in welchen Strom mit entgegengesetzter Stromrichtung zwischen den Ofenreihen hin- und zurückgeführt wird, sollen in öfen mit gleich großen Stromstärken, die für schmelzelektrolytische Erzeugung von Metallen Anwendung finden, zwecks Verminderung oder Behebung der in der Schmelze und besonders im Metallbad entstehenden elektromagnetischen Kraftwirkungen möglichst parallel zueinander angeordnet werden.

2. Bei einem Ofen für die elektrolytische Aluminiumerzeugung mit seitlich über dem Boden eingeführten Kathodenbärren sollen diese so gekrümmt sein, daß die Höhe der Kohleausfütterung oberhalb der Kathodenbarren in der Nähe der Ofenseiten größer ist als in den zentralen Teilen des Ofens.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ohne eine wesentliche Erhöhung der Anlagekosten die Aufwölbung abzustellen. Zur Erläuterung des Erfindungsgedankens werden zunächst einige Erkenntnisse über das Zustandekommen des Effekts mitgeteilt.

Im Elektrolyseofen fließt der elektrische Strom hauptsächlich in vertikaler Richtung vom oben an-Elektrolysezelle, insbesondere für die
Gewinnung von-iälteminium durch Schmelzflußelektrolyse, mit Stromstärken über 50 kA und
einseitiger Stromzuführung

Anmelder:

Vereinigte Aluminium-Werke Aktiengesellschaft, Bonn

Als Erfinder benannt:

Dr.-Ing. Ludwig Lebrecht, Darmstadt-Eberstadt, Dr.-Ing. Robert Jötten, Berlin-Frohnau,
Dr.-Ing. Hans Ginsberg, Oberdollendorf/Rhein

geordneten Anodenbalken zu den im Ofenboden angeordneten Kontakteisen der Kathode. Das von diesem Stromlauf herrührende, im Bad und in der Schmelze wirksame -magnetische Feld sei im folgenden kurz »Innenfeld« genannt. An den Längsseiten des Ofens wird unten der Strom aus den Kontakteisen der Kathode im Kathodenbalken gesammelt und dem nächsten Ofen zugeführt, dort durch die Steigleitung nach oben und durch den Anodenbalken der Anode des folgenden Ofens von oben zugeführt, wobei der Kontakt zu der aus Kohle bestehenden Anode gewöhnlich durch eiserne Kontaktnippel hergestellt wird. Kathodenbalken, Steigleitung, Anodenbalken und alle nicht vertikal im Ofen verlaufenden Leiter sollen als »Außenleiter« bezeichnet werden, die von ihnen herrührenden Anteile des im Ofenraum wirksamen magnetischen Feldes werden »Außenfelder« genannt.

Das Innenfeld ist stets voll wirksam, kann nicht abgeschirmt werden und hängt nur vom Seiten-Verhältnis des Ofens, allgemein von dessen geometrischer Gestalt, und von der gewählten Stromdichte ab. Es hat die gleiche Symmetrie, wie sie dem Ofen eigentümlich ist, beim Rechteckofen zentrale Symmetrie zum Mittelpunkt des Ofens.

Die Außenfelder sind im allgemeinen unsymmetrisch. Ihr Wirksamkeit in Bad und Schmelze hängt stark von der räumlichen Anordnung der Außenleiter ab und kann durch Gegenwart von Eisen sowohl erheblich verstärkt als auch durch »Abschirmung« abgeschwächt werden. Eine Verstärkung tritt z. B. dann ein, wenn eiserne Bestandteile des Ofens so angeordnet sind, daß das Feld eines Außenleiters zum

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Teil durch Eisen einen Rückschluß vorfindet und/ In der bewegten Flüssigkeit wird eine zusätzliche oder durch Eisenteile das magnetische Potential die- Feldstärke induziert, der im Metall eine vergleichsses Außenleiters an den Badraum herangeführt wird. weise zur normalen Stromdichte große, im Elektro-Eine Abschwächung der Außenfelder im Bad lyten dagegen wegen dessen hohen spezifischen durch Abschirmung tritt ein, wenn den Kraftlinien 5 Widerstandes verschwindend kleine zusätzliche überdie Möglichkeit gegeben ist, durch eiserne Kon- lagerte Stromdichte entspricht. Die Stromverteilung struktionsteile an Bad und Schmelze vorbei- statt im Metall ändert sich also sehr stark, im Elektrohindurchzugehen. Bei geeigneter Anordnung der lyten praktisch nicht. Neben der unterschiedlichen Leiter hat schon die eiserne Ofenzarge eine stark ab- Druckverteilung im Metall und in der Schmelze schirmende Wirkung. io resultieren daraus erhebliche Ausgleichströme in Die elektromagnetische Kraft P wirkt auf das ein- horizontaler Richtung im Metall, die zusammen mit zelne Flüssigkeitsteilchen. Die räumliche Dichte die- den überwiegend horizontal verlaufenden magneser Kraftp = dP/dF hat den Wert [j-Ή], wobei tischen Feldlinien zu vertikalen Kräften auf das Me-/ die Stromdichte, B die magnetische Kraftflußdichte tall führen, die wiederum wegen des geringen Dichte- und der Klammerausdruck das vektorielle Produkt 15 Unterschiedes beträchtliche Aufwölbungen hervorder beiden Größen darstellt und stets senkrecht so- bringen können.

wohl zur Stromdichte als auch zur magnetischen Erfindungsgemäß wird nun das magnetische Feld Kraftflußdichte gerichtet ist. Das Kraftfeld hängt also im Innern des Ofens möglichst gering, in vertikaler sowohl von der Ausbildung des Magnetfeldes als Richtung wenig veränderlich und in den drei Achsenauch von der Stromverteüung im Ofen ab. Mit dem 20 richtungen des Ofens symmetrisch gemacht durch die Kraftfeld ist eine bestimmte Verteilung des Druckes gleichzeitige Anwendung der Maßnahmen, daß die in der Flüssigkeit gegeben, ähnlich wie eine bekannte Steigleitungen, die Anodenbalken und die Kathoden-Druckverteilung in einer der Schwerkraft unter- balken geteilt, vorzugsweise in zwei Teile, mit m5gworfenen Flüssigkeit bestimmt ist. Die Differenz des liehst großem Abstand der Teile voneinander verelektromagnetisch erzeugten Druckes zwischen zwei 25 legt und symmetrisch zu einer in Höhe der Metall-Punkten ist das Linienintegral J(p-d3) zwischen oberfläche gedachten Horizontalebene so angeordnet diesen beiden Punkten. Ein Maximum des Druckes sind, daß sich die Steigleitungen in der Mitte zwiliegt bei gleichmäßiger Stromdichte jeweils dort, wo sehen zwei aufeinanderfolgenden öfen befinden und die Induktion oder magnetische Kraftfiußdichte den das Kathodenbalkenpaar gegenüber dem Anoden-Wert Null hat. 30 balkenpaar bezüglich des Ofenmittelpunktes sym-Eine Aufwölbung kommt dann zustande, wenn die metrisch liegt. Eine weitere erfindungsgemäße Maß-Druckverteilung im Metall von der Druckverteilung nähme besteht darin, daß die Tragkonstruktion für im Elektrolyten verschieden ist. Das Metall muß die Steigleitungen, Anodenbalken und Anode von der bei einem Drucküberschuß von 1 pond/cm² gegen- eisernen Ofenzarge durch Zwischenschaltung nichtüber dem Elektrolyten um ungefähr 5 cm steigen, 35 ferromagnetischen Werkstoffs voneinander getrennt um den Unterschied hydrostatisch auszugleichen, angeordnet sind. Die Tragkonstruktion für die Steigweil die Dichte des Metalls bei üblicher Betriebs- leitungen, Anodenbalken und Anode können auch temperatur um etwa 0,20 g/cm³ größer ist als die der hängend über dem Ofen eingebaut sein. Schmelze. In einer weiteren Ausbildung der erfindungs-Wenn die Aufwölbung nicht auftreten soll, so muß 40 gemäßen Anordnung ist die Tragkonstruktion für die die Druckverteilung in horizontalen Ebenen in Me- Steigleitungen, Anodenbalken und Anode in dem tall und Schmelze übereinstimmen. Das ist gleich- Raum zwischen zwei aufeinanderfolgenden öfen mit bedeutend mit den folgenden Forderungen: möglichst großem Abstand von der Zarge ohne

1. Die magnetische Kraftflußdichte soll sich beim eiserne Verbindung mit der Zarge auf dem Unter-Fortschreiten in vertikaler Richtung möglichst 45 grund stehend angeordnet.

wenig ändern. - Die Kühleinrichtung besteht aus einem in die

2. Die magnetische Kraftflußdichte soll klein blei- Trennwände mit einer oder mehreren Trennwänden, ben, sie soll hauptsächlich durch das Innenfeld die den Ofenraum in Querrichtung unterteilen, einbestimmt sein und die Größenordnung 50 bis gebauten, von einem Kühlmittel durchströmten Rohr 100 Gauß nicht überschreiten. 5o oder aus eingebauten Schienen aus gut wärmeleiten-

3. Die Stromdichte soU in Metall und Elektrolyt ^dem Metall, die außerhalb des Badraumes gekühlt gleich und über den stromführenden Querschnitt werden.

gleichmäßig verteilt sein ^^e Anode kann ferner aus mehreren Tedanoden

_. . . . . T₇ , ' , . , bestehen, welche in der Höhe sowohl einzeln als auch

Die letztgenannte Forderung kann verletzt werden ₅₅ ^ _dem'_Anodenbalken gemeinsam verstellt werden

a) durch teilweise Verkrustung des Kathoden- können

bodens, Dj_e Abschirmwirkung der Ofenzarge kann durch

b) durch Gashäute und Gassäcke an der Anode, aufgesetzte, an den Seitenwänden senkrecht und

c) durch elektrodynamische Beeinflussung der unter der Wanne quer durchgehende Profileisen verStromverteilung im Metall, die dann auftritt, 60 stärkt sein.

wenn dieses durch irgendwelche Ursachen in Im folgenden wird an Hand der Zeichnungen ein

strömende Bewegung kommt. Eine strömende Ausführungsbeispiel für die Anordnung der Außen-

Bewegung kann sowohl durch eine einseitige ge- leiter beschrieben.

richtete Gasabfuhr wie auch durch das oben be- In den A b b. 1 und 2 sind 1 die zur Hoch-, Längsschriebene elektromagnetisch hervorgerufene 65 und Querachse des Ofens symmetrisch angeordneten Druckfeld im Zusammenwirken mit der strom- Steigleitungspaare. Mit den Buchstaben a, b und c be- und kräftefreien Zone am Rand des Ofens zeichnete Strecken sollen gleich lang sein, um zu erhervorgerufen werden. reichen, daß die geforderten Symmetrien vorhanden

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sind, d. h. daß die Steigleitungen, Anodenbalken und Kathodenbalken geteilt, vorzugsweise in zwei Teile, mit möglichst großem Abstand der Teile voneinander verlegt, symmetrisch zu einer in Höhe der Metalloberfläche gedachten Horizontalebene so angeordnet sind, daß sich die Steigleitungen in der Mitte zwischen zwei aufeinanderfolgenden öfen befinden und das Kathodenbalkenpaar gegenüber dem Anodenbalkenpaar bezüglich des Ofenmittelpunktes schiefsymmetrisch liegt. 2 kennzeichnet einen Anoden- balken, 3 einen Kathodenbalken; die zur horizontalen Metalloberfläche 4 symmetrische Anordnung geht aus A b b. 2 hervor. 5 sind die aus nichtmagnetischem Material bestehenden Zuleitungen zur Anode 6. 7 stellt die entsprechenden, ebenfalls unmagnetischen Zuleitungen zu den quer durchgehenden Kathodeneisen 8 dar. 9 zeigt als Beispiel auf die Zargenwandung aufgesetzte, abschirmend wirkende Profileisen.

In den Abb. 3 und 4 ist die Anordnung der Trennwände wiedergegeben, und zwar zeigt A b b. 3 diese Anordnung im senkrechten und A b b. 4 im horizontalen Schnitt durch eine Elektrolysezelle. In den Abbildungen sind die Trennwände mit 10 bezeichnet, mit 11 das Kohlefutter der Kathode, mit 12 das Metall. Wie aus Abb. 3 ersichtlich, reichen die Trennwände 10 bis in den Elektrolyten 13. Der von der Anode 6 überdeckte Raum ist in der A b b. 4 durch eine gestrichelte Linie 14 angedeutet. Die in den Trennwänden 10 vorgesehenen Kühleinrichtungen sind mit 15 bezeichnet.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Elektrolysezelle, insbesondere für die Gewinnung von Aluminium durch Schmelzflußelektrolyse, mit Stromstärken über 50 kA und einseitiger Stromzuführung unter Anwendung von Maßnahmen, durch die die Wirkung der von den Außenleitern herrührenden magnetischen Felder auf den die Metallschmelze und den Elektrolyten enthaltenden Raum weitgehend aufgehoben wird, gekennzeichnet durch die gleichzeitige Anwendung der Maßnahmen, daß die Steigleitung (1), der Anodenbalken (2) und der Kathodenbalken (3) geteilt, vorzugsweise in zwei Teile, mit möglichst großem Abstand der Teile voneinander verlegt und symmetrisch zu einer in Höhe der Metalloberfläche (4) gedachten Horizontalebene so angeordnet sind, daß sich die Steigleitungen in der Mitte zwischen zwei aufeinanderfolgenden Öfen befinden und das Kathodenbalkenpaar gegenüber dem Anodenbalkenpaar bezüglich des Ofenmittelpunktes symmetrisch liegt.

2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragkonstruktion für die Steigleitungen (1), Anodenbalken (2) und Anode (6) von der eisernen Ofenzarge durch Zwischenschaltung nichtferromagnetischen Werkstoffs voneinander getrennt angeordnet sind.

3. Elektrolysezelle nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragkonstruktion für die Steigleitungen (1), Anodenbalken (2) und Anode (6) hängend über dem Ofen eingebaut ist.

4. Elektrolysezelle nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragkonstruktion für die Steigleitungen (1), Anodenbalken (2) und Anode (6) in dem Raum zwischen zwei aufeinanderfolgenden öfen mit möglichst großem Abstand von der Zarge ohne eiserne Verbindung mit der Zarge auf dem Untergrund stehend angeordnet ist.

5. Elektrolysezelle nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung (15) aus einem in die Trennwände (17) mit einer oder mehreren Trennwänden, die den Ofenraum in Querrichtung unterteilen, eingebauten, von einem Kühlmittel durchströmten Rohr oder aus eingebauten Schienen aus gut wärmeleitendem Metall besteht, die außerhalb des Badraumes gekühlt werden.

6. Elektrolysezelle nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die &sade (6) aus mehreren vorgebrannten Teilanoden besteht, die in der Höhe sowohl einzeln als auch mit dem Anodenbalken (2) gemeinsam verstellt werden können.

7. Elektrolysezelle nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmwirkung der Ofenzarge durch aufgesetzte, an den Seitenwänden senkrecht und unter der Wanne quer durchgehende Profileisen (9) verstärkt ist.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsche Patente Nr. 1041262, 1 049 108,
032.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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