DE1184510B

DE1184510B - Electrolysis cell for the production of aluminum

Info

Publication number: DE1184510B
Application number: DEB72224A
Authority: DE
Inventors: Jack Leland Henry; Robin David Holliday
Original assignee: British Aluminum Co Ltd
Current assignee: British Aluminum Co Ltd
Priority date: 1962-06-11
Filing date: 1963-06-07
Publication date: 1964-12-31
Also published as: US3257307A; GB976031A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Internat. Kl.: C22dBoarding school Class: C22d

Deutsche KL: 40 0-3/12*·.German KL: 40 0-3 / 12 * ·.

Nummer: 1184 510Number: 1184 510

Aktenzeichen: B 72224 VI a/40 cFile number: B 72224 VI a / 40 c

Anmeldetag: 7. Juni 1963 Filing date: June 7, 1963

Aüslegetag: 31. Dezember 1964Deployment day: December 31, 1964

Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium.The invention relates to an electrolytic cell for the production of aluminum.

Es ist bereits früher vorgeschlagen worden, ein festes Stromleiterelement zu verwenden, das im wesentlichen aus einem metallischen Hartstoff, der den Strom leitet, besteht und der sich in einem Sumpf flüssigen Aluminiums hinein erstreckt, der sich auf dem Boden der Reduktionszelle bildet, damit das flüssige Aluminium mit dem negativen Pol einer Elektrolysenstromquelle verbunden ist.It has previously been proposed to use a solid conductor element which is in the essentially consists of a metallic hard material that conducts electricity and that is in one Extends in sump of liquid aluminum, which forms on the bottom of the reduction cell, with it the liquid aluminum is connected to the negative pole of an electrolysis power source.

Der Ausdruck »metallischer Hartstoff«, wie er hier benutzt wird, umschließt die Carbide und Boride des Titans, Zirkoniums, Tantals und Niobs und Mischungen aus diesen. Der Ausdruck »im wesentlichen bestehend«, wie er hier verwandt wird, soll bedeuten, daß die Elemente wenigstens 90 Gewichtsprozent metallischen Hartstoff enthalten, obgleich andere Materialien in geringeren Mengen zugegen sein können, die die Eigenschaften des Stromleiterelementes und der Arbeitsbedingungen nicht schädlich beeinflussen.The term "metallic hard material" as used here includes the carbides and borides of Titans, zirconium, tantalum, and niobium, and mixtures of these. The term "essentially consisting", As used herein, it is intended to mean that the elements are at least 90 percent by weight contain metallic hard material, although other materials are present in smaller quantities that the properties of the conductor element and the working conditions are not harmful influence.

Es ist ferner vorgeschlagen worden, daß derartige Stromleiterelemente von oben in den Sumpf aus flüssigem Aluminium eintauchen, d. h. daß sie durch den geschmolzenen Elektrolyten in die Zelle ragen und durch die Kruste, die sich auf der Oberschicht des Elektrolyten bei den Arbeitsbedingungen der Zelle bildet, hindurch. Diese Kruste besteht im wesentlichen aus einem Gemisch von Aluminiümoxyd, Aluminiumfluorid, Kryolith und anderen der Zelle zugesetzten Stoffen. Die Kruste bildet eine harte Oberfläche für die Zellenbestandteile und besitzt gewisse nützliche Eigenschaften, z. B. die, daß sie gegen Wärme isoliert.It has also been proposed that such current conductor elements from above into the sump immerse liquid aluminum, d. H. that they protrude through the molten electrolyte into the cell and by the crust that is on the top layer of the electrolyte in the working conditions of the Cell forms through. This crust consists essentially of a mixture of aluminum oxide, Aluminum fluoride, cryolite and other substances added to the cell. The crust forms one hard surface for the cell components and has certain useful properties, e.g. B. the that insulates them from heat.

Einer der Nachteile, die bei der Verwendung der von oben in die Zelle hineinragenden Kathodenstromleiterelementen auftreten, ist der, daß diese Elemente in der oberen Schicht auf Grund des Stromflusses in der Schicht zwischen den Kathodenelementen und den Kohlenstoffanoden der Zelle der Korrosion ausgesetzt sind. Ein derartiger Stromfluß ist in seiner Art elektrolytisch und ergibt einen Niederschlag von elementarem Natrium auf der Oberfläche der Kathodenstromleiterelemente der Krustenschicht. Oxydation und Hydrolyse des Natriums ergeben dann ein stark korrosives Gemisch von NaOH, Na_?O und andere korrosive Stoffe. Als Beispiel für diesen Angriff auf den metallischen Hartstoff der Kathodenstromleiterelemente werden die folgenden Versuche wiedergegeben, um zu zeigen, daß eine ausreichende Strommenge durch das erstarrte Flußmittel, aus dem die Oberschicht im Elektrolysezelle zur Herstellung von AluminiumOne of the disadvantages of using the cathode current conductor elements protruding into the cell from above is that these elements in the upper layer are exposed to corrosion due to the current flow in the layer between the cathode elements and the carbon anodes of the cell. Such current flow is electrolytic in nature and results in a deposition of elemental sodium on the surface of the cathodic conductor elements of the crust layer. Oxidation and hydrolysis of the sodium then result in a highly corrosive mixture of NaOH, Na _? O and other corrosive substances. As an example of this attack on the metallic hard material of the cathode current conductor elements, the following experiments are given in order to show that a sufficient amount of current is passed through the solidified flux, from which the top layer in the electrolysis cell for the production of aluminum

Anmelder:Applicant:

The British Aluminium Company Limited,The British Aluminum Company Limited,

LondonLondon

Vertreter:Representative:

Dr. K.-R. EikenbergDr. K.-R. Eikenberg

und Dipl.-Chem. W. Rücker, Patentanwälte,and Dipl.-Chem. W. Rücker, patent attorneys,

Hannover, Am Klagesmarkt 10-11Hanover, Am Klagesmarkt 10-11

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Jack Leland Henry, Albany, Oreg.;Jack Leland Henry, Albany, Oreg .;

Robin David Holliday, San Jose, Calif. (V. St. A.)Robin David Holliday, San Jose, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:Claimed priority:

V. St. v. Amerika vom 11. Juni 1962 (201 669)V. St. v. America June 11, 1962 (201 669)

wesentlichen zusammengesetzt ist, geschickt werden kann, und daß Elektrolyse und Korrosion auftreten.is essentially composed, can be sent, and that electrolysis and corrosion occur.

Versuch 1Attempt 1

Ein kleiner, mit Kohlenstoff ausgekleideter Tontiegel, der mit Kryolith gefüllt ist, wird in einem elektrischen Röhrenofen so lange erhitzt, bis der Kryolith geschmolzen ist. Zwei etwa 12 mm starke Kohlensteffstäbe werden dann ungefähr 12 mm tief in den Kryolith eingetaucht. Den Kryolith läßt man dann um die Kohlenstoffstäbe herum erstarren, die etwa 10 mm voneinander getrennt sind. An den Stäben werden Stromleitungen befestigt und ein Gleichstrompotential vermittels eines kleinen Gleichrichters angelegt. Der Widerstand des Materials nimmt merklich mit der Temperatur ab. Die folgenden Temperaturen, angelegten Spannungen und Stromstärken wurden notiert: ' ^; A small, carbon-lined clay crucible filled with cryolite is heated in an electric tube furnace until the cryolite has melted. Two approximately 12 mm thick carbon rods are then immersed approximately 12 mm deep into the cryolite. The cryolite is then allowed to solidify around the carbon rods, which are separated by about 10 mm. Power lines are attached to the bars and a direct current potential is applied by means of a small rectifier. The resistance of the material decreases noticeably with temperature. The following temperatures, applied voltages and currents were noted: '^;

Temperatur (° C)Temperature (° C) Angelegte Spannung (V)Applied voltage (V) Stromstärke (A)Current (A) 650650 10,2 ■10.2 ■ 0,40.4 700700 7,0 .7.0. 1,71.7 750750 5,25.2 2,52.5 800800 4,44.4 2,9.2.9. 850850 3,63.6 3,23.2

Eine alkalische Reaktion und eine starke Natriumflamme erhält man nach der Entfernung der StäbeAn alkaline reaction and a strong sodium flame are obtained after removing the rods

«9 760/311«9 760/311

von dem Kathodengraphit, was die Anwesenheit von Natrium an der Kathode anzeigt. Die Anode hingegen reagierte neutral und verfärbte die Flamme nur sehr wenig mit der Natriumfarbe.from the cathode graphite, indicating the presence of sodium on the cathode. The anode, however reacted neutrally and stained the flame very little with the sodium color.

Versuch 2Attempt 2

Bei einem anderen Versuch wurde eine etwa 8 mm starke Titanboridstange als Kathode verwendet. Der Elektrolyt bestand aus einem Gemisch von Kryolith mit ungefähr 5% CaF₂ und 5% Al₂O₃, um dadurch die Zusammensetzung der der erstarrten Schicht anzugleichen. Der Anoden- und Kathodenstab wurden fest angeordnet und parallel zueinander gehalten. Die Temperatur wurde von 700⁰C eingeregelt und die angelegte Spannung auf 6 V bei einer Stromstärke von 3,7 A gehalten. Nach 70 Stunden wurde bei einer Untersuchung festgestellt, daß die Graphitanode durch Oxydation verschwunden · war. An der Kathodenstange wurde das Flußmittel abgebrochen, und es zeigte sich, daß eine Zerstörung begonnen hatte, durch die eine Verringerung im Durchmesser um ungefähr 6 mm unterhalb der Elektrolytoberfläche stattgefunden hat. Durch leichtes Sandstrahlen wurde festgestellt, daß der Angriff auf der Seite, die der Anodenstange zugekehrt war, besonders ausgeprägt war. Außerdem zeigte das Flußmittel in Halsnähe eine starke alkalische Reaktion, wogegen um die Anode herum keine solche Reaktion festzustellen war.In another experiment, an approximately 8 mm thick titanium boride rod was used as the cathode. The electrolyte consisted of a mixture of cryolite with approximately 5% CaF ₂ and 5% Al ₂ O ₃ , in order thereby to adjust the composition to that of the solidified layer. The anode and cathode rods were fixedly arranged and held parallel to each other. The temperature was controlled from 700 ⁰ C. and the applied voltage to 6 volts at a current of 3.7 A. After 70 hours, an examination found that the graphite anode had disappeared due to oxidation. The flux was broken off at the cathode rod and it was found that destruction had begun causing a reduction in diameter of approximately 6 mm below the electrolyte surface. It was found by light sandblasting that the attack on the side facing the anode rod was particularly pronounced. In addition, the flux showed a strong alkaline reaction near the neck, whereas no such reaction was found around the anode.

Zweck der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung einer verbesserten Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium.The purpose of the present invention is therefore to provide an improved electrolytic cell for Manufacture of aluminum.

Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung wird eine Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium vorgeschlagen mit einer unteren, einer mittleren und einer oberen Schicht, die während des Betriebes der Zelle flüssiges Aluminium, geschmolzenen Elektrolyten und eine Krustenschicht enthalten, mit wenigstens einer Anode, die sich durch die obere Schicht in die mittlere Schicht erstreckt, wenigstens einem Kathodenstromleiterelement, das im wesentlichen aus einem metallischen Hartstoff, vorzugsweise aus einem Gemisch von Titancarbid und Titandiborid besteht, das sich durch die obere und mittlere Schicht hindurch in die untere Schicht mit dem flüssigen Aluminium erstreckt. Die Zelle ist gekennzeichnet durch die Anordnung von aus leitendem Material bestehenden Schutzkathoden, die sich an einer Stelle zwischen Anode und Kathode in die Krustenschicht erstrecken.According to a feature of the present invention, an electrolytic cell for producing Aluminum proposed with a lower, a middle and an upper layer, which during the Operation of the cell contain liquid aluminum, molten electrolyte and a layer of crust, with at least one anode extending through the top layer into the middle layer, at least a cathode current conductor element, which consists essentially of a metallic hard material, preferably consists of a mixture of titanium carbide and titanium diboride, which is divided by the upper and middle Layer extends through into the lower layer with the liquid aluminum. The cell is marked by the arrangement of protective cathodes made of conductive material, which extend into the crust layer at a point between the anode and cathode.

Bei Elektrolysezellen mit wenigstens zwei voneinander getrennten Anoden und wenigstens einem Kathodenstromleiterelement, das zwischen den Anoden liegt, sind die Schutzkathoden zwischen Anoden und Kathoden angeordnet, um den Stromfluß in der Krustenschicht im wesentlichen auf einen Stromfluß zwischen den Anoden und den Schutzkathoden zu beschränken. ·In electrolysis cells with at least two separate anodes and at least one Cathode current conductor element, which lies between the anodes, are the protective cathodes between anodes and cathodes arranged to substantially reduce the flow of current in the crust layer between the anodes and the protective cathodes. ·

Die Schutzkathoden erstrecken sich vorzugsweise quer zwischen den oder jeder Anode und dem Kathodenstromleiterelement und sind aus einem metallischen Hartstoff hergestellt. Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.The protective cathodes preferably extend transversely between the or each anode and the Cathode current conductor element and are made of a metallic hard material. Some examples of the invention will now be described with reference to the drawings.

F i g. 1 ist eine Teilansicht teilweise im Schnitt der allgemeinen Ausgestaltung der Anordnung der Schutzkathoden mit Bezug auf die aus metallischem Hartstoff bestehenden Stromleiterelemente und das normale Anodensystem einer Elektrolysezelle; ·F i g. FIG. 1 is a partial view, partially in section, of the general configuration of the assembly of FIG Protective cathodes with regard to the current conductor elements made of metallic hard material and the normal anode system of an electrolytic cell; ·

F i g. 2 a und 2 b zeigen die Anordnung der Anoden-Kathoden-Anordnung mit dem Stromfeld der Anordflung ohne bzw. mit eingesetzten Scftutzkathoden; ...■"■F i g. 2 a and 2 b show the arrangement of the anode-cathode arrangement with the current field the arrangement without or with inserted protection cathodes; ... ■ "■

F i g. 3, 4 und 5 zeigen einige einfache Formen der Schutzkathoden, die erfindungsgemäß verwendet werden können;F i g. Figures 3, 4 and 5 show some simple forms of protective cathodes used in accordance with the invention can be;

ίο F i g. 6 ist eine Ansicht von oben auf einen Teil einer Zelle mit einer anderen Ausgestaltung und Anordnung der zum vorgesehenen Schutzkathoden für die aus metallischem Hartstoff bestehenden Kathodenstromleiterelemente;ίο F i g. 6 is a top view of a part a cell with a different configuration and arrangement of the protective cathodes provided for for the cathode current conductor elements made of metallic hard material;

Fig. 7 ist eine schematische Ansicht der Ausgestaltung nach Fig. 6, aus der die Verbindung der Schutzkathoden mit dem Kathodensystem zu entnehmen ist; Fig. 7 is a schematic view of the embodiment of Fig. 6, from which the connection of the Protective cathodes can be found with the cathode system;

F i g. 8 ist eine weitere Ausgestaltung der Aoord-F i g. 8 is a further embodiment of the Aoord-

ao nung der Schutzkathoden und der Kathoden aus metallischem Hartstoff, wobei letztere in der Mitte angeordnet sind und die Anoden sowie die Schutzkathoden auf beiden Seiten der Kathoden aus metallischem Hartstoff; ao tion of the protective cathodes and the cathodes made of metallic hard material, with the latter in the middle are arranged and the anodes and the protective cathodes on both sides of the cathodes made of metallic hard material;

F i g. 9 ist eine Seitenansicht der in F i g. 8 dargestellten Ausgestaltung.F i g. 9 is a side view of the FIG. 8 shown embodiment.

Bei dem in F i g. 1 dargestellten Beispiel wird eine Elektrolysezelle 10 verwendet zur Herstellung voa Aluminium, die aus einer Wand 12 aus feuerfestem Material, z. B. feuerfesten Steinen besteht, die mit einer Auskleidung 14 der Zelle über einer Schicht aus Isoliermaterial 16 angeordnet sind, wodurch sich die Zelle ergibt, in der eine untere Schicht aus flüssigem Aluminium 22 liegt, eine mittlere Schicht aus geschmolzenem Elektrolyt 24 und eine obere Schicht in Form einer erstarrten Kraste 26, die den Elektro-' lyten 24 abdeckt. Wenigstens eine Kohlenstoffanode 28 erstreckt sich durch die Krustenschicht 26 in den Elektrolyt 24 hinein und wenigstens ein Kathodenstromleiterelement 20 aus einem metallischen Hartstoff, vorzugsweise einem Gemisch von Titancarbid und Titandiborid, erstreckt sich durch die Krustenschicht 26, den Elektrolyt 24 in das geschmolzene Metall 22 hinein. Eine Schutzkathode 30 ist zwischen der Anode 28 und der Kathode 20 angeordnet und erstreckt sich in die Krustenschicht 26. Die Schutekathode 30 ist aus einem elektrisch leitendem Material, vorzugsweise einem metallischen Hartstoff, z. B. Titandiborid, aber auch andere Materialien, beispielsweise Kohlenstoff, Siliciumcarbid, Zinndioxyd oder andere elektrisch leitende Metalle, Oxyde oder Keramiken können verwendet werden, die entsprechende Korrosionsbeständigkeit, verbunden mit guter elektrischer Leitfähigkeit, besitzen. Das Kathodenstromleiterelement 20 besitzt eine Kappe 18 zum Anschluß des negativen Pols der Elektrolysen-Stromquelle, und die Schutzkathode 30 ist elektrisch mit der Kappe 18 durch eine elektrische Leitung 32, die bei 34 befestigt ist, verbunden. Die Wirkung der Schutzkathode 30 geht aus den Fig. 2a und 2b hervor. In Fig. 2a ist eine Reihe von Stromleiterelementen 20 aus metallischem Hartstoff dargestellt, die gegenüber einer parallel verlaufenden Reihe von Anoden 28 ohne irgendwelche Schutzkathoden 30 angeordnet ist, und wie aus der Zeichnung erkennbar, wird ein Stromfluß 44 in der Krustenschicht 26 zwischen den Kathodenelementen 20 und den Anoden 28 erzeugt. In Fi g. 2 b sind SchutzkathodenIn the case of the one shown in FIG. 1, an electrolytic cell 10 is used to manufacture voa Aluminum consisting of a wall 12 of refractory material, e.g. B. refractory bricks with a lining 14 of the cell are arranged over a layer of insulating material 16, whereby the cell, in which there is a lower layer of liquid aluminum 22, results in a middle layer molten electrolyte 24 and an upper layer in the form of a solidified force 26, which contains the electrical ' lyten 24 covers. At least one carbon anode 28 extends through the crust layer 26 into the Electrolyte 24 in and at least one cathode current conductor element 20 made of a metallic hard material, preferably a mixture of titanium carbide and titanium diboride, extends through the crust layer 26, the electrolyte 24 into the molten one Metal 22 into it. A protective cathode 30 is arranged between the anode 28 and the cathode 20 and extends into the crust layer 26. The Schutekathode 30 is made of an electrically conductive material, preferably a metallic hard material, for. B. Titanium diboride, but also other materials such as carbon, silicon carbide, tin dioxide or other electrically conductive metals, oxides or ceramics can be used, the corresponding Have corrosion resistance combined with good electrical conductivity. The cathode current conductor element 20 has a cap 18 for connecting the negative pole of the electrolysis power source, and the protective cathode 30 is electrically connected to the cap 18 by an electrical lead 32, which is attached at 34 connected. The effect of the protective cathode 30 can be seen in FIGS. 2a and 2b. In Fig. 2a a number of current conductor elements 20 made of metallic hard material is shown, the opposite of a parallel row of anodes 28 without any protective cathodes 30 is arranged, and as can be seen from the drawing, a current flow 44 in the crust layer 26 generated between the cathode elements 20 and the anodes 28. In Fi g. 2 b are protective cathodes

30 zwischen den Stromleiterelementen 20 und den Anoden 28 angeordnet. Die Schutzkathoden 30 erstrecken sich nur in und durch die Krustenschicht 26 in die Elektrolysezelle. Der Stromfluß in der Krustenschicht 26 verläuft daher von den Anoden 28 zu den Schutzkathoden 30; irgendeine Natriumabscheidung oder Korrosion, die auftritt, wird an den Schutzkathoden 30 und nicht in den Stromleiterelementen aus metallischem Hartstoff auftreten.30 arranged between the conductor elements 20 and the anodes 28. The protective cathodes 30 extend only in and through the crust layer 26 into the electrolytic cell. The current flow in the crust layer 26 therefore runs from the anodes 28 to the protective cathodes 30; any sodium deposition or corrosion that occurs will be on the protective cathodes 30 and not in the current conductor elements occur from metallic hard material.

In den Fig. 3, 4 und 5 sind drei Formen von Schutzkathoden 30 dargestellt. Wie gezeigt, kann die Schutzkathode die Form eines angespitzten Stabes, einer Gabel oder eines Spatens haben. In F i g. 3 hat die Schutzkathode die Form einer angespitzten Stange. Die Schutzkathode kann entweder mechanisch mit der Kappe, die an ihr befestigt ist, verbolzt oder mit ihr verschweißt werden. In F i g. 3 ist die Schutzkathode so dargestellt, als wäre sie mit der Kappe 52 verschweißt. In Fig. 4 ist eine gabelförmige Schutzkathode dargestellt, die mehrere Zinken besitzt, die untereinander verbunden sind und mit einer bolzenförmigen Kappe 56 in Verbindung stehen. Die in Fig. 5 dargestellte Schutzkathode hat Spatenform und einen bolzenförmigen Anschlußteil 60. Die Schutzkathodenelemente, die in den F i g. 3, 4 und 5 gezeigt sind, brauchen nicht groß zu sein; wenn sie in einer Anordnung, wie in Fig. 4 dargestellt, verwendet werden, ist auch die Festigkeit kein besonderer kritischer Faktor. In einem solchen Fall können, wie oben erwähnt, kleine Stäbe aus einem metallischem Hartstoff, beispielsweise Titanborid, in üblicher Weise als einfach angespitzte Stäbe verwendet werden.3, 4 and 5, three forms of protection cathode 30 are shown. As shown, the Protective cathode have the shape of a sharpened rod, fork or spade. In Fig. 3 has the protective cathode has the shape of a sharpened rod. The protective cathode can either be mechanical bolted or welded to the cap attached to it. In Fig. 3 is the The protective cathode is shown as if it were welded to the cap 52. In Fig. 4 is a fork-shaped Protective cathode shown, which has several prongs that are interconnected and are in communication with a bolt-shaped cap 56. The protective cathode shown in FIG has a spade shape and a bolt-shaped connection part 60. The protective cathode elements that are in the F i g. 3, 4 and 5 need not be large; when in an arrangement as in Fig. 4 are used, strength is also not a particularly critical factor. In such a Case, as mentioned above, small rods made of a metallic hard material, for example titanium boride, can be used in the usual way as simply sharpened rods.

Das in den F i g. 6 und 7 dargestellte Beispiel ist in vielen Punkten dem in Fig. 1 dargestellten ahnlieh, und gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Teile. In diesem Fall sind die Schutzkathoden 30 des vorherigen Beispiels durch Metallrahmen 62 ersetzt, die mit der Kathodenstromschiene der Zelle verbunden sind und die als Schutzkathode wirken und die Kathodenelemente 20 aus metallischem Hartstoff schützen. Die Zellenwand 20 ist in einer Metallschale 12 a liegend dargestellt, und die Anoden 28 sind als vorgebrannte Anoden gezeigt, obgleich auch andere Anoden, z. B. Söderberganoden verwendet werden können. Es sind zwei parallele Reihen von Anoden 28 mit einer parallel verlaufenden Reihe von Kathodenelementen 20 vorgesehen, die zwischen Anodenreihe und der benachbarten Zellenwand liegen. Die Kathodenelemente 20 sind an geeigneten Trageinrichtungen 64 befestigt, die von der Seitenwand der Zelle gehalten werden, und sind elektrisch mit der Kathodenstromschiene 66 verbunden. Die Metallrahmen 62 erstrecken sich zwischen jeder Kathodenelementenreihe 20 und der zugehörigen Anodenreihe 28 entlang. Der Rahmen 62 bzw. die Rahmen erstrecken sich nur durch die Krustenschicht 26 hindurch und bilden ein Schutzsystem für die Kathodenelemente 20. Der Rahmen 62, der aus zwei Teilen bestehen kann, so daß ein Teil für jede Anodenreihe 28 und die zugehörige Kathodenelementenreihe 20 vorgesehen ist, ist an der Seitenwand der Zelle vermittels elektrisch leitender Einrichtungen 68 befestigt und elektrisch mit dem Kathodenstromschienensystem 66 der Zelle durch elektrisch leitende Einrichtungen 70, die gegen die Zellenwand durch eine Isolierung 72 abisoliert sind, verbunden.The in the F i g. 6 and 7 is similar in many respects to that shown in Fig. 1, and like reference numerals denote like parts. In this case, the protective cathodes 30 of the previous example replaced by metal frame 62, which is connected to the cathode busbar of the cell and which act as a protective cathode and the cathode elements 20 made of metallic hard material protection. The cell wall 20 is shown lying in a metal shell 12 a, and the anodes 28 are as prefired anodes are shown, although other anodes, e.g. B. Söderberganoden can be used can. There are two parallel rows of anodes 28 with a parallel row of Cathode elements 20 are provided between the anode row and the adjacent cell wall lie. The cathode elements 20 are attached to suitable supports 64 extending from the side wall of the cell and are electrically connected to the cathode busbar 66. the Metal frames 62 extend between each row of cathode elements 20 and the associated one Anode row 28 along. The frame 62 or frames extend only through the crust layer 26 through and form a protection system for the cathode elements 20. The frame 62, from may consist of two parts, so that one part for each anode row 28 and the associated cathode element row 20 is provided is on the side wall of the cell by means of electrically conductive means 68 attached and electrically connected to the cell's cathode busbar system 66 electrically conductive devices 70 which are stripped from the cell wall by insulation 72, tied together.

In der Ausgestaltung nach F i g. 6 und 7 ist wie bei den anderen Schutzkathodenausführungen gemäß der Erfindung der Schutzkathodenrahmen 62 ohne Einwirkung auf den Fluß des Elektrolysenstromes durch den Elektrolyten 24; die flüssige Aluminiumschicht 22 der Zelle verhindert jedoch einen Stromfluß von den Anoden 28 zu den Elementen 20 durch die Krustenschicht. Der Metallrahmen 62, der verwendet wird, kann aus irgendeinem Metall hergestellt sein, das sich bei der Betriebstemperatur der elektrolytischen Zelle nicht merklich auflöst und das auch seine physikalische Eigenschaft unter den Betriebsbedingungen der Zelle behalt. Zusätzlich kann die Schutzkathode elektrisch mit einem anderen, außerhalb der Zelle liegenden Potentialsystem anstatt mit dem Kathodensystem, an dem die Kathoden 20 aus metallischem Hartstoff elektrisch angeschlossen sind, verbunden sein.In the embodiment according to FIG. 6 and 7 is according to the same as for the other protective cathode designs the invention of the protective cathode frame 62 without affecting the flow of the electrolytic current through the electrolyte 24; however, the liquid aluminum layer 22 of the cell prevents current flow from the anodes 28 to the elements 20 through the crust layer. The metal frame 62 that uses can be made of any metal that is at the operating temperature of the electrolytic Cell does not noticeably dissolve, and so does its physical property under the operating conditions keep the cell. In addition, the protective cathode can be electrically connected to another, outside the cell lying potential system instead of the cathode system on which the cathodes 20 are made metallic hard material are electrically connected, be connected.

Obgleich als Material für die Schutzkathoden, wie oben dargelegt, eine große Auswahl besteht, ist die Wahl des möglichen Materials unter Berücksichtigung der aggressiven Bedingungen in der Krustenschicht bei 800° C zu berücksichtigen. Ein Material, das sich besonders vorteilhaft für große Schutzkathoden, wie für den Rahmen 62 in Fig. 6 erwiesen hat, ist ein stark chromhaldges Gußeisen_ä das einen befriedigenden Kompromiß zwischen Lebensdauer und Ersatzkosten bietet. Außerdem besitzt ein derartiger Rahmen den zusätzlichen Vorteil, daß er als Stoßdämpfer zum Schutz der Kathodenstromleiterelemente 20 dient und diese beim Wechseln der Anode gegen Zerbrechen durch Anstoßen schützt.Although there is a wide choice of material for the protective cathodes, as set out above, the choice of the possible material must be taken into account, taking into account the aggressive conditions in the crust layer at 800 ° C. One material which has been found to be particularly advantageous for large protective cathodes, as has been shown for the frame 62 in FIG. 6, is a heavily chromium-laden cast iron _- which offers a satisfactory compromise between service life and replacement costs. In addition, such a frame has the additional advantage that it serves as a shock absorber to protect the cathode current conductor elements 20 and protects them from being broken when the anode is changed.

Der vollständigste Schutz gegen Korrosion auf Grund elektrolytischer Leitung durch die Krustenschicht zwischen den Kohlenstoffanoden 28 und den Kathoden 26 aus metallischem Hartstoff wird durch die Anordnung gemäß Fig, 6 und 7 erzielt, bei denen ein elektrisch leitender Schirm in der Kruste angeordnet ist, der direkte Leiterwege zwischen Anoden und Kathoden vollständig unterbindet. Es ist selbstverständlich möglich, die Ausgestaltung, die mit Bezug auf F i g. 6 und 7 beschrieben ist, durch die Verwendung von Schutzkathodeneinrichtungen im Krustenbereich zwischen den Anoden 28 und den Kathoden 20 abzuändern, indem diese Einrichtungen elektrisch leitend mit der Kathodenstromschiene verbunden sind, aber nicht von der Zellenwand getragen werden. Derartige Schutzkathoden können in verschiedenen Formen hergestellt werden, lassen sich alle leicht herausnehmen und auswechseln und so anordnen, daß der Elektrolysestrom, der in der Krustenschicht 26 zwischen den Anoden 28 und den Kathoden 20 übergeht, so weit wie möglich verringert wird. Sie brauchen aber nicht einen zusammenhängenden kontinuierlichen Schirm zu bilden.The most complete protection against corrosion due to electrolytic conduction through the crust layer between the carbon anodes 28 and the cathodes 26 made of metallic hard material is through the arrangement according to FIGS. 6 and 7 achieved in which an electrically conductive screen is arranged in the crust, the direct conductive paths between anodes and cathodes completely prevented. It is of course possible to use the configuration that comes with Referring to Fig. 6 and 7 is described by the use of protective cathode devices in Modify the crust area between the anodes 28 and the cathodes 20 by using these devices are electrically conductively connected to the cathode busbar, but not carried by the cell wall will. Such protective cathodes can be produced in various shapes all can be easily removed and replaced and arranged so that the electrolytic current flowing in the Crust layer 26 passes between the anodes 28 and the cathodes 20, reduced as much as possible will. But they do not need to form a coherent, continuous screen.

Ein weiteres Merkmal der Schutzkathoden für die Elemente aus metallischem Hartstoff ist in F i g. 8 und 9 dargestellt, und wieder bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile.Another feature of the protective cathodes for the elements made of metallic hard material is shown in FIG. 8th 9 and 9, and again like reference numerals designate like parts.

Aus F i g. 8 ist zu ersehen, daß in der Mitte der Zelle eine Ansammlung von Kathodenelementen 20 vorhanden ist. Auf jeder Seite dieser Ansammlung sind Tragteile 80 angeordnet, die sich quer über die Zelle hinwegerstrecken und von den Seitenwänden getragen werden. An diesen Tragteilen 80 sind die Schutzkathoden 30 in zwei parallelen Reihen auf jeder Seite der in der Mitte angeordneten Kathodenelemente 20 aufgehängt. Jede Reihe der Schutz-From Fig. 8 it can be seen that an accumulation of cathode elements 20 is present in the middle of the cell. On either side of this cluster are support members 80 which extend across the cell and are supported by the side walls. The protective cathodes 30 are suspended from these support parts 80 in two parallel rows on each side of the cathode elements 20 arranged in the center. Each row of protective

kathoden 20 liegt zwischen den Kathodenelementen 20 und einer Anodenreihe 28. Die Schutzkathoden 30 schützen somit die in der Mitte angeordneten Kathoden 20 gegen Korrosion durch den Strom, der durch die Krustenschicht 26 zwischen Anoden 28 und Kathodenelementen 20 fließt.cathode 20 lies between the cathode elements 20 and an anode row 28. The protective cathodes 30 thus protect the cathodes 20 arranged in the middle against corrosion by the current that flows through the crust layer 26 between anodes 28 and cathode elements 20.

Die Anordnung gemäß F i g. 8 und 9 stellt eine andere Möglichkeit zur Schaffung mechanischen Schutzes und Korrosionsschutzes für von oben angeführte Kathodenelemente 20 dar, unter Verwendung nur weniger, verhältnismäßig großer Schutzkathoden 30. Die Kathoden 30 können die Form kurzer, stumpfer, kompakter Teile aus metallischem Hartstoff haben. Sie können an einem festen Stahlträger aufgehangen sein, der mit der Schale der Elektrolysezelle verschweißt oder sonstwie verbunden ist. Die kurzen Schutzkathoden 30 sind nicht dem flüssigen Aluminium ausgesetzt und werden nur gelegentlich mit dem geschmolzenen Elektrolyten in Berührung kommen.The arrangement according to FIG. 8 and 9 represents another way of creating mechanical Protection and corrosion protection for cathode elements 20 listed above, using only a few, relatively large protective cathodes 30. The cathodes 30 can have the shape have short, blunt, compact parts made of metallic hard material. They can be attached to a solid steel beam be suspended, which is welded or otherwise connected to the shell of the electrolytic cell is. The short protective cathodes 30 are not exposed to the liquid aluminum and are only occasionally come into contact with the molten electrolyte.

Claims

Patent claims:

1. Electrolytic cell for the production of aluminum with a lower, a middle and an upper layer that is molten aluminum, which is molten during operation of the cell Electrolytes and a crust layer contain at least one anode that extends through the upper layer extends into the middle layer, at least one cathode current conductor element, that essentially consists of a metallic hard material, preferably a mixture of titanium carbide and titanium diboride, which extends through the top and middle layers into the lower layer with the liquid aluminum extends, characterized by the arrangement made of electrically conductive material protective cathodes (30, 62), which extend into the crust layer (26) at a point between the anode (28) and cathode (20).

2. Cell according to claim 1 with at least two separate anodes and at least a cathode current conductor element which lies between the anodes, characterized in that Protective cathodes (30) are arranged between anodes (28) and cathodes (20) to prevent the flow of current in the crust layer (26) essentially to a current flow between the anodes (28) and to restrict the protective cathodes (30).

3. Cell according to claims 1 and 2, characterized in that the protective cathodes (30,62) extend transversely between the or each anode (28) and the cathode current conductor element (20).

4. Cell according to claims 1 to 3, characterized in that the protective cathodes (30, 62) are made of a metallic hard material.

5. Cell according to claims 1 to 3, characterized in that the protective cathodes (30, 62) are made of carbon, silicon carbide, tin dioxide, an electrically conductive metal, a metal oxide or ceramic material.

6. Cell according to one of the preceding claims, characterized in that the protective cathodes (30, 62) electrically connected to the cathode system of the cathode elements (20) are.

7. Cell according to claims 1 to 5, characterized in that the protective cathodes (30, 62) electrical with a special electrical one that is independent of the cell's cathode system Potential are connected.

1 sheet of drawings