-
Ofen zur schmelzelektrolytischen Herstellung von Aluminium Die ersten
Söderberganoden in Öfen zur schmelzelektrolytischen Herstellung von Aluminium hatten
einen kreisrunden Ofenumfang. Eine Anode mit einem Durchmesser von z. B. 1,2 m wurde
hierbei im allgemeinen mit etwa 0,9 A/cm2 belastet. Nachdem größere Ofeneinheiten
entwickelt wurden, mußte der Querschnitt der Anode dementsprechend vergrößert werden,
und ein Ofen von etwa 30 000 A hatte damals gewöhnlich eine Anode mit einem Durchmesser
von etwa 2,5 m. Die Strombelastung in einer so großen Anode war wesentlich reduziert
und betrug etwa 0,72 A/cm2. In den noch größeren Öfen von etwa 50 000 A mit dementsprechend
größeren Anoden mußte die Stromdichte noch mehr reduziert werden. In so großen Öfen
verwendete man daher rechteckige oder längliche Anoden. In der Praxis wurde die
Breite der Anode auf etwa 1,1 m beschränkt, während die Länge sehr wesentlich erweitert
werden konnte. Es stellte sich bald heraus, daß das Verhältnis zwischen der Länge
und der Breite der Anode auf etwa 5:1 gehalten werden sollte. In einem Ofen von
50 000 A konnte dabei die Strombelastung der Anode auf etwa 0,8 A/cm2 gehalten werden.
Je nachdem die Ofenkapazität weiterhin erhöht wurde, konnte die Breite der Anode
auf bis zu 2,5 m, mit einer Länge von etwa 12,5 m, erweitert werden. Derartige
Anoden sind noch immer in Öfen in Betrieb, die mit bis auf etwa 120 000 A belastet
werden. Versuchsweise sind noch längere Anoden verwendet worden, wobei- die Belastung
bis auf etwa 150 000 A erhöht wurde. Hierdurch wurden jedoch keine zufriedenstellenden
Resultate erzielt, denn es war schwierig, eine gleichmäßige Strombelastung an beiden
Stirnseiten einer so langen Anode zu erhalten. Die Lebensdauer der Ofenauskleidung
wurde gleichzeitig bedeutend kürzer als in den kleineren Öfen. Während man in den
kleineren Öfen mit einer Lebensdauer der Ofenböden von normal 4 Jahren rechnet,
kann man in den sehr großen Öfen kaum eine höhere durchschnittliche Lebensdauer
als etwa 2 Jahre erzielen. In letzter Zeit hat sich in der Industrie eine deutliche
Tendenz geltend gemacht, wieder zu den Öfen von etwa 80 000 bis 100 000 A zurückzukehren,
die jetzt als die wirtschaftlichsten angesehen werden.
-
Gegenstand der Erfindung ist ein Ofen zur schmelzelektrolytischen
Herstellung von Aluminium unter Anwendung großer Stromstärken, bei dem die Söderbergelektrode
und die Ofenwanne runden Querschnitt aufweisen und der dadurch gekennzeichnet ist,
daß der Ofen mit einer kontinuierlichen, selbstbackenden, als zylindrische Hohlanode
ausgeformten Söderberganode ausgerüstet ist.
-
Es wurde gefunden, daß man bei der Herstellung von Aluminium die Installations-
und Betriebskosten erheblich herabsetzen kann, wenn ein Ofen gemäß der Erfindung
verwendet wird. Bei derartigen zylindrischen Hohlanoden kann man, ohne Erweiterung
der Breite oder Erhöhung der Strombelastung der Anode in A/cm2, sowohl ungleichmäßige
Strombelastung in der Anode als ungleichmäßige Beanspruchung des Ofenbodens mit
daraus folgender kürzerer Lebensdauer vermeiden. Gleichzeitig kann man die Strombelastung
des Ofens ganz wesentlich erhöhen. Falls man auf eine maximale Anodenbreite von
etwa 2,5 m basiert, kann eine ringförmige Anode, mit einem äußeren Durchmesser von
etwa 7 m und einem inneren Durchmesser von etwa 2,0 m, mit etwa 250 000 A oder etwa
0,75 A/cm2 belastet werden.
-
Die kreisrunde bzw. zylindrische Gestaltung von Anode und Kathode
bietet viele Vorteile. Beide werden ihre Form ohne die kostspieligen Verstärkungen
beibehalten, die bei der Anwendung von länglichen Öfen erforderlich sind. Gleichzeitig
erzielt man symmetrische Verhältnisse mit Bezug auf die verschiedenen Beanspruchungen
der Bodenauskleidung sowie gut abgewogene Verhältnisse für die Stromzuführung sowohl
an die Anode als an die Kathode. Es steht daher dem nichts im Wege, einen solchen
Ofen für noch größere Amperebelastungen zu bauen als die obengenannten. Die Anode
kann vorzugsweise mit einem äußeren und einem inneren permanenten Mantel ausgerüstet
sein.
-
Das Bad unterhalb des Hohlraumes der Anode kann z. B. mit Hilfe eines
permanenten oder halbpermanenten Gewölbes gedeckt werden, das entweder
durch
eine von der Mitte des Ofens emporragende Säule getragen oder auf den inwendigen
Mantel, der den Hohlraum der Anode begrenzt, aufgestützt wird. Der Ofen kann in
jeder bekannten Weise mit ALSO, (Tonerde) beschickt werden. Die Verhältnisse sind
jedoch für eine automatische und kontinuierliche Beschickung durch den Hohlraum
der Anode außerordentlich günstig.
-
Die Anode kann an der Badoberfläche in bekannter Weise von einem Gassammelkanal
umgeben sein, der am äußersten permanenten Mantel befestigt ist. Auch der Hohlraum
in der Anode unter dem Gewölbe kann zur Aufsammlung von konzentrierten und urverbrannten
Ofengasen verwendet werden. Bei der Anwendung einer Gasaufsammlung sowohl in dem
Kanal am Umfang der Anode als in dem zentralen Hohlraum der Anode und bei gemeinsamem
Gasabzug von beiden diesen Sammelräumen müssen ein oder mehrere Verbindungskanäle
zwischen dem peripheren Gaskanal und dem zentralen Hohlraum vorgesehen werden. Diese
Kanäle durchqueren die ringförmige Anode und bilden Spalten in derselben. Der äußere
und der innere Ringmantel werden mit Hilfe von radialen oder annähernd radialen
Mantelsektionen, die die Wände der Spalten ausmachen, verbunden. Die Verbindungskanäle
werden nach oben mit einem Deckel od. ä. versehen, der gegen den unteren Teil der
Mantelsektionen, die den äußeren und inneren Ringmantel verbinden, anliegen und/oder
an diesem befestigt sein kann. Durch diese Verbindungskanäle kann dann das Ofengas,
das im Gaskanal am äußersten Umfang der Anode aufgesammelt wird, in dem Gasraum
im zentralen Hohlraum der Anode geleitet werden, oder umgekehrt.
-
Um zu verhindern, daß die Temperatur am unteren Teil der Mantelsektionen
zufolge der heißen Ofengase in den Kanälen so hoch wird, daß die Elektrodenmasse
innerhalb des Mantels verkokt und das natürliche Gleiten der Anode im Mantel verhindert,
müssen die Deckel über den Verbindungskanälen von den Mantelsektionen wärmeisoliert
sein. Man kann auch den unteren Teil des Mantels und eventuell die Deckel der Verbindungskanäle
durch Einblasen oder Einsaugen von Luft über und längs der Kanaldeckel kühlen. Die
Mantelsektionen und eventuell die Deckel der Verbindungskanäle können in diesem
Falle mit Rippen versehen werden, um das Kühlen wirksamer zu gestalten. Die Mantelsektionen,
die die Spalten in der Anode bilden, können eventuell unten abgeschnitten oder in
anderer Weise im Verhältnis zum Schmelzbad höher verlegt werden, so daß die Temperatur
an der Berührungsfläche zwischen dem Mantel und der Elektrodenmasse nicht zu hoch
wird. Die Temperatur am Mantel selbst darf, wie bekannt, etwa 420° C nicht übersteigen,
was die Verkokungstemperatur des Bindemittels in der Elektrodenmasse ist.
-
Falls man die Stromzuführung an die Anode so anordnet, daß die untere
Fläche derselben gegen die Ofenmitte hin schräg aufwärts verläuft, wird das Gas
von dem peripheren Gaskanal gegen die Ofenmitte entweichen. Diese schräge Form der
Unterfläche der Anode kann dadurch erzielt werden, daß man den Strom so in der Anode
verteilt, daß die Strombelastung im inneren Teil der Anode etwas größer wird als
im äußeren.
-
Es wurde auch gefunden, daß die Tonerdebeschickung des Elektrolyseofens
mit Vorteil durch die Verbindungskanäle erfolgen kann, indem das Schmelzbad unterhalb
der Kanäle in turbulenter Bewegung sein wird. Gleichzeitig wird sich die Kruste
hier, wegen der über sie hinwegströmenden heißen Ofengase, heiß und weich erhalten.
Die Tonerde kann kontinuierlich oder diskontinuierlich, z. B. durch Öffnungen in
den Kanaldeckeln, aufgegeben werden.
-
Die Stromzuführung an dem Ofen kann in jeder bekannten Weise erfolgen,
z. B. durch Eisenarmierungen in einem elektrisch leitenden Ofenboden. Man kann jedoch
den Strom auch am Umfang des Ofenbodens zuführen, z. B. mit Hilfe einer Schicht
aus elektrisch leitendem Material, Kohle- oder Graphitblöcken oder mit Hilfe von
Materialien, wie TiBz oder ZrBz, die bei den vorliegenden Temperaturen nicht vom
flüssigen Aluminium angegriffen werden. Eine derartige periphere Stromzuführung
hat den Vorteil, daß der Ofenboden keine Metallarmierung benötigt.
-
In dem hier genannten großen Aluminiumofen wird die Metallerzeugung
so groß sein, daß man das Metall mit Vorteil kontinuierlich, z. B. durch Rohre aus
feuerfestem Material, wie TiBz und ZrBz, abzapfen kann.
-
Die Böden der Aluminiumöfen bestehen im allgemeinen aus gebrannten
Kohleblöcken. Bei Erhitzung auf etwa 950` C dehnen sich jedoch derartige Kohleblöcke
etwas aus. Dadurch erfolgt während der Erhitzung eine bedeutende Bewegung im Ofenboden,
was dazu beiträgt, die Lebensdauer des Bodens zu verkürzen. Es wurde gefunden, daß
diese Bewegungen vermieden werden können, wenn man den Ofenboden aus einer Mischung
von gebrannten und ungebrannten Elektrodenmasseblöcken zusammensetzt. Die ungebrannten
Blöcke schrumpfen när.:-lich während des Backvorgangs in einem Ausmaß, welches praktisch
der Ausdehnung der gebrannten Blöcke entspricht. Wenn man daher den Ofenboden aus
gebrannten und ungebrannten Blöcken zusammensetzt, kann eine Bodenkonstruktion erstellt
werden, die während der Erwärmung bis zur Arbeitstemperatur des Ofens keine oder
nur eine geringe Ausdehnung herbeiführt. Man kann mit Vorteil die Zusammensetzung
so einstellen, daß eine ganz schwache Ausdehnung während der Erwärmung erzielt wird.
-
Es ist bekannt, daß man zur Erzielung der bestmöglichen elektromagnetischen
Verhältnisse im Aluminiumofen dafür Sorge tragen muß, daß die Stromlinien zwischen
der Anode und der Kathode so vertikal wie möglich verlaufen. Bei einem Ofen des
beschriebenen Typs, bei dem die Anode ringförmig ist, während die Kathode eine rein
kreisrunde Fläche aufweist, wird es schwierig sein, vertikale Strombahnen im zentralen
Teil des Ofens unter dem Anodenloch zu erzielen. Es wurde gefunden, daß dies dadurch
verbessert werden kann, daß man einen Block aus einem elektrisch nichtleitenden
oder schlecht leitenden Material unterhalb des Anodenloches auf der Kathode anbringt.
Dieser Block, der z. B. aus Siliciumcarbid bestehen kann, soll so hoch sein, daß
er das maximal mögliche Niveau des flüssigen Aluminiums im Ofen überragt. Das flüssige
Metall bildet dann am Ofenboden einen geschlossenen Kreis, und dieser Kreis wird
sich im wesentlichen gerade unterhalb der ringförmigen Anode, innerhalb deren Projektion,
befinden.
In sehr großen Aluminiumöfen von z. B. 400 000 bis 500
000 A wird der Hohlraum in der Anode einen Durchmesser von 4 bis 5 m oder mehr haben
müssen. In solchen Fällen wird es vorteilhaft sein, auch die Ofenwanne ringförmig
zu gestalten. Dies kann dadurch erzielt werden, daß man ein zentrales Rohr verwendet,
das den Ofenboden in dessen zentralen Teil vertikal durchquert. Der Durchmesser
des somit entstandenen Hohlraumes kann z. B. 2 m oder mehr betragen. In dieser Weise
kann man elektromagnetische Verhältnisse erzielen, die wesentlich günstiger sind
als in Öfen mit länglichen Elektroden. Der Hohlraum im zentralen Teil des Ofenbodens
kann auch mit Vorteil zum Einsaugen von Frischluft verwendet werden, die man durch
den Hohlraum in der Anode emporsteigen läßt, so daß die Luft gleichzeitig kühlend
auf den inneren Anodenmantel wirkt. Das Gewölbe über dem Hohlraum der Anode sollte
in diesem Falle durch einen ringförmigen Gaskanal ersetzt werden, der gegen den
inneren Anodenmantel anliegt. Die Anode braucht in diesem Falle nicht unbedingt
mit Spalten ausgerüstet zu sein.
-
Die Erfindung ist in den Zeichnungen schematisch und beispielsweise
veranschaulicht.
-
F i g. 1 zeigt einen vertikalen Schnitt durch einen kreisrunden Ofen
mit einer ringförmigen Anode; F i g. 2 zeigt denselben Ofen in Draufsicht; F i g.
3 und 4 zeigen Querschnitte von dreiteiligen Anoden, die drei Verbindungskanäle
aufweisen; F i g. 5 und 6 sind vertikale Schnitte durch einen Verbindungskanal nach
der Linie A -A der F i g. 3; F i g. 7 zeigt einen vertikalen Schnitt durch
einen Ofen, bei dem der mittlere Teil der Kathode mit einem elektrisch nichtleitenden
oder schlecht leitenden Block ausgerüstet ist; F i g. 8 ist ein vertikaler Schnitt
eines Ofens, bei dem der mittlere Teil des Ofenbodens einen durchlaufenden Hohlraum
aufweist.
-
In den F i g. 1 und 2 bezeichnet 1 den Ofenmantel. 2 ist die Anode,
die gegebenenfalls an einem oder mehreren ringförmigen stromführenden Anodenbalken
3 mit Hilfe der Kontaktbolzen 4 aufgehängt sein kann. Der Ring kann gegebenenfalls
mit Hilfe von Hebeböcken, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind, in vertikaler
Richtung bewegt werden.
-
Die Kontaktbolzen können z. B. in zwei bis vier Reihen angeordnet
sein. 5 ist der Ofenboden, der aus Blöcken von einem Material bestehen kann, das
nicht unbedingt elektrisch leitend zu sein braucht. In F i g. 1 ist angedeutet,
wie der Ofenboden aus keilförmigen Blöcken aufgebaut werden kann, die dem Boden
eine konkave Form verleihen, so daß nicht die Gefahr besteht, daß der Ofenboden
hochfließt.
-
F i g. 1 zeigt eine Ausführung, bei der der Strom dem Ofenboden (der
Kathode) mit Hilfe einer Schicht aus Kohle- oder Graphitmasse 6 zugeführt wird,
die mit einer ringförmigen den Ofen umgebenden Kathodenschiene 7 elektrisch verbunden
ist. Der Strom kann der Schicht 6 von der Kathodenschiene 7 mit Hilfe von eisernen,
z. B. in die leitende Schicht eingeschraubten Kontakten 8 zugeleitet werden. In
dieser Weise ist es möglich, die einzelnen Kontakte zwecks Reparaturen auszuwechseln,
ohne den Ofenbetrieb zu stören oder zu unterbrechen. Wegen der elektromagnetischen
Kräfte im Ofen wird das geschmolzene Aluminium in Richtung der Ofenmitte verschoben,
wodurch die Unterfläche der Anode gegen den zentralen Teil des Ofens schwach aufwärts
verlaufen wird.
-
Die Anode wird mit Hilfe eines permanenten ringförmigen doppelten
Mantels 9-10 geformt. Der inwendige Mantel 10 kann mit einem gegebenenfalls
luftgekühlten Flansch versehen sein. Dieser Flansch trägt das Ofengewölbe 11. Das
Ofengas kann vom zentralen Teil des Ofens mittels eines durch das Ofengewölbe eingeführten
vertikalen Rohres 12 abgezogen werden. Das Rohr 12 kann an einem über dem Ofen angebrachten
Brenner emporgeführt und gegebenenfalls an die Sammelleitungen 13 für Ofengase angeschlossen
sein. Das Gas kann selbstverständlich auch in bekannter Weise ohne Verbrennung konzentriert
aufgesammelt werden. In F i g. 1 ist auch eine besondere Auslüftung des offenen
Raumes im zentralen Teil der Anode über dem Gewölbe angedeutet, wozu Luft durch
das Rohr 14 eingeblasen wird. Diese Luft kühlt gleichzeitig den inneren permanenten
Mantel 10.
-
15 ist ein Silo für A120., das von hier aus in bekannter Weise durch
eine oder mehrere Öffnungen im Gewölbe 11 in den Ofen eingeführt wird. In F i g.
1 ist eine Dachkonstruktion angedeutet, die es ermöglicht, die Rohre 16 für die
Zuführung von A1203 über das Rohr 17 in den Silo 15 sowie die Sammelleitungen 13
für die Ofengase und die Luftrohre 18 auf dem Dach anzubringen, wo sie bei Reparaturen
usw. leicht zugänglich sind. Das Aluminiumoxyd kann pneumatisch durch das Rohr 16
gefördert werden, oder das Rohr kann schräggestellt sein, so daß das Nachfüllen
von Oxyd in den Silo 15 automatisch erfolgen kann. 19 deutet eine ringförmige Gaskappe
an, die in bekannter Weise die Anode an der Badoberfläche umgibt.
-
In F i g. 3 bezeichnet 20 eine kreisrunde Anode, die in diesem
Falle durch die Kanäle 21 in drei Sektionen aufgeteilt ist. Die Mäntel 22 umgeben
die einzelnen Elektrodenteile. Der kreisrunde Gaskanal 23 umgibt die Anode an der
Badoberfläche.
-
F i g. 4 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform der Anode gemäß F
i g. 3, bei der die einzelnen Anodenmäntel aus praktischen Gründen eine annähernd
elliptische Form erhalten haben.
-
In F i g. 5 bezeichnet 24 den Deckel bzw. die Überdeckung des Gaskanals
21. Am unteren Teil des Mantels 22 sind die Kühlrippen 25 angebracht. Diese Rippen
25 können mittels der Wände 26 in einen Kanal eingeschlossen werden. Während des
Ofenbetriebes wird stets Kühlluft durch diese Kanäle eingeblasen. Es können auch,
wie in F i g. 6 angedeutet, Kühlrippen 27 am Deckel bzw. an der Überdeckung 24 des
Kanals angebracht sein. Auch diese Rippen 27 können mittels einer Wand
26 a in einen Kanal eingeschlossen werden.
-
F i g. 7 zeigt einen Vertikalschnitt eines Ofens, bei dem im zentralen
Teil der Kathode ein Block von elektrisch nichtleitendem oder schlecht leitendem
Material angeordnet ist, der über die Kathode emporragt. Die kreisrunde Anode 20
braucht in diesem Falle keine Spalten zu haben. Sie kann zusammenhängend ringförmig
gestaltet und mit einem äußeren Mantel 27 und einem inneren Mantel 28 versehen sein.
Die Aufhängung und die Stromzuführung zur Anode sind nicht dargestellt. 29 ist der
Gaskanal an der Peripherie der Anode, und 30 ist der Hohlraum in der Anode, der
mit einem Gewölbe 31 abgedeckt sein kann. Das Gas wird durch das Rohr 32, das
durch
das Gewölbe 31 eingeführt ist, aus dem Gasraum abgezogen. 33 ist die Ofenwanne und
34 die Kathode mit dem zentralen Block 35 aus elektrisch nichtleitendem oder schlecht
leitendem Material. 36 ist das Schmelzbad und 37 das erzeugte flüssige Aluminium.
38 ist die Kruste, die das Bad zwischen der Anode und der Ofenwand bedeckt.
-
In F i g. 8 bezeichnet 39 das vertikale Rohr, das den Ofenboden durchquert,
wodurch derselbe ringförmig gestaltet ist. 40 bezeichnet den inwendigen Gaskanal,
der in diesem Falle zur Anwendung gelangen kann. 41 bezeichnet die Kruste, die den
zentralen Teil des geschmolzenen Bades zwischen der Anode und der Rohrwandung bedeckt.