DE1187809B - Elektrolysezelle zur schmelzflusselektrolytischen Herstellung von Aluminium - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

C22d

Deutsche Kl.: 40 c-3/12

Nummer: 1187 809

Aktenzeichen: V 24909 VI a/40 c

Anmeldetag: 22. November 1963

Auslegetag: 25. Februar 1965

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle zur schmelzflußelektrolytischen Herstellung von Aluminium mit einer den Zellenboden bildenden Kathode aus kohlenstoffhaltiger Masse.

Bei der technischen Ausgestaltung der Schmelzflußelektrolyse hat man dem Aufbau der Kathode von jeher besondere Beachtung geschenkt, weil die Lebensdauer der Elektrolyseöfen nur von ihrer Haltbarkeit begrenzt ist.

Im Anfang der Aluminiumindustrie ruhte z. B. der die Kathode bildende Kohleboden des Elektrolyseofens auf einer gußeisernen Platte. Die Stromverbindung wurde dabei durch eingegossene Nocken, eingeschraubte Spaltbolzen, Schwalbenschwanzrippen oder ähnliche Vorrichtungen hergestellt. Diese Bauart der Kathode hat sich jedoch, besonders bei der dauernden Vergrößerung der Öfen, nicht bewährt. An ihre Stelle trat der Aufbau des Ofenbodens aus Kohlestampfmassen oder aus vorgebrannten Kohleblöcken, wobei die Fugen durch Stampfmasse geschlossen wurden. Zur Stromzuführung dienten in allen Fällen Stabstähle in den verschiedensten Abmessungen, deren Anordnung man sehr verschieden wählte.

Bei den Großöfen der Gegenwart wird der Boden der Elektrohysewanne vorwiegend aus vorgebrannten, rechteckigen Kohlekörpern gebildet, in die auf der Unterseite in vorgebildeten Nuten Eisenschienen als Stromleiter mit Kohlemasse eingestampft sind. Die Fugen zwischen den Kohlekörpern werden ebenfalls mit Kohlemasse ausgestampft bzw. ausgegossen.

Bei der Inbetriebnahme derartig zugestellter Öfen muß die Kathode durch möglichst gleichmäßige Erhitzung zu einem einheitlichen Kohleblock gebrannt werden, bevor der Ofen mit Schmelze bzw. Metall versorgt werden kann. Bei diesem Brennen der Kathode ist Vorbedingung, daß durch Verkokung der Stampfmassen eine einwandfreie Verbindung zwischen Kohleblock und stromführender Eisenschiene erreicht wird, damit der Übergangswiderstand mögliehst klein gehalten wird. Auf der anderen Seite ergeben sich jedoch bei fester Haftung der Kohle an der Eisenschiene infolge der sehr verschiedenen Wärmeausdehnung der beiden Materialien erhebliche mechanische Spannungen, die zur Bildung von Querrissen in der Kohle führen.

Man hat versucht, dieser mechanischen Zerstörung der Kathode auf die verschiedenste Art zu begegnen. Zunächst wurde die Form und Lage der Stromschiene in jeder möglichen Richtung variiert, jedoch ergeben sich bei Großöfen mit einer Stromstärke von z.B. etwa 100 000 A so große Quer-Elektrolysezelle zur schmelzflußelektrolytischen
Herstellung von Aluminium

Anmelder:

Vereinigte Aluminium-Werke

Aktiengesellschaft, Bonn, Am Nordbahnhof

Als Erfinder benannt:

Dr.-Ing. Friedrich Wilhelm Wrigge,

Bad Godesberg;

Ernst Weckesser, Grevenbroich

schnitte, daß die Form der Schiene ohne wesentlichen Einfluß ist. Weiter versuchte man die entstehenden Wärmespannungen dadurch unschädlich zu machen, daß man die vorgebrannten Bodenkohlen in eine Vielzahl von Blöcken unterteilte und dadurch den Anteil der Fugenmasse mit größerer Dehnbarkeit erhöhte. Die Durchbiegung der Kathodeneisen in den verschiedensten Formen nach unten, z. B. als Bogen oder als stumpfer Winkel, sollte gleichfalls zur Vermeidung der mechanischen Zerstörung dienen. Durch elektrische Erwärmung der Eisenschienen sollte die größte Ausdehnung derselben zeitlich vor die Verkokung der Stampfmasse gelegt werden, um so eine mechanische Zerstörung der Kohle zu vermeiden. Naturgemäß wurde auch der Zusammensetzung der Stampfmassen wie auch der der Kohlekörper selbst besondere Aufmerksamkeit gewidmet. In einer Vielzahl von Untersuchungen versuchte man, das geeignetste Material für den Aufbau der Kathode zu ermitteln. Schließlich unterbrach man auch die durchgehenden Schienen in der Mitte der Kohle oder beschränkte sich sogar auf seitlich angeordnete Nippel zur Stromzuführung, obwohl sich dadurch die Spannungsverluste erhöhten und die Stromverteilung in der Kathode ungünstig beeinflußt wurde.

Alle diese Bemühungen scheiterten jedoch im letzten daran, daß die grundsätzliche Schwierigkeit infolge der verschiedenen Wärmeausdehnung der benutzten Materialien nicht verhindert werden konnte. Hinzu kommt, daß das in der Kathode auftretende Temperaturgefälle außer der Längen- und Stärkenausdehnung eine Aufwölbung der Schienen nach oben bewirkt. So wird nach wie vor der weitaus größte Teil der Kathoden bereits bei der Inbetriebnahme mechanisch beschädigt, indem feinere oder

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gröbere Dehnungsrisse in den Fugen oder auch in Aluminiumlegierung geeigneter Zusammensetzung,

den Bodenkohlen selbst auftreten. Daß diese Risse z. B. eine eisenhaltige Legierung, vorsehen.

erst nach ganz verschiedenen Zeitabständen zur Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung

zwangsweisen Auswechselung der Öfen führen, liegt werden die Nippel in die Kathode eingestampft oder

lediglich daran, daß sie sich beim »Flüssigmachen« 5 eingegossen, d. h., man umstampft die Nippel mit

des Ofens mit erstarrter Schmelze füllen und damit einer kohlenstoffhaltigen, später verkokenden Masse,

vorerst unwirksam werden. Gelangen Schmelze bzw. oder man umgießt sie mit einem Metall, z. B. Eisen.

Aluminium zu den Isoliermaterialien unter der Ka- Die Kathodenstromzuführung kann seitlich oder

thode, so verursachen die Reaktionen der verschie- von unten durch die Ofenwanne in die Zelle er-

denen Stoffe Volumenvergrößerungen, die dann noch io folgen.

die thermischen Kräfte unterstützen. Von besonderem Vorteil ist es bei der erfindungs-

Diese und andere Nachteile der bisherigen Aus- gemäßen Zelle, wenn die Kathodenstromzuführung

bildungen von Elektrolysezellen zur Schmelzfluß- für jeden Nippel mindestens teilweise flexibel ist.

elektrolytischen Herstellung von Aluminium der ein- Hierbei kann die gesamte Stromzuführung als flexi-

gangs geschilderten Art werden erfindungsgemäß 15 bles Element ausgebildet sein und ζ. Β die Gestalt

vermieden durch eine Anzahl im Abstand vonein- von Bändern oder Streifen besitzen. Es ist aber auch

ander angeordneter, sich in Richtung zum Bad in möglich, eine massive Schiene als Hauptteil der

der Kathode erstreckender, diese nur teilweise durch- Stromzuführung zu verwenden und die Verbindung

dringender Nippel, wobei sich die Kathodenstrom- zwischen dieser Schiene und jedem einzelnen Nippel

zuführung außerhalb der Kathode befindet. Durch 20 flexibel zu gestalten, z. B. durch Metallbänder oder

diese Ausbildung einer Elektrolysezelle wird er- Streifen.

reicht, daß der Stromübergang zwischen Nippel und Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der ErKohle infolge der größeren Wärmedehnung der Nip- findung durchdringen die Nippel die Kathode nur pel und der dadurch gegebenen festen Anpressung teilweise, d. h., sie enden etwa in deren Mitte oder an die Kohle optimal ist. Andererseits ist bei dem 25 darunter und stehen nicht in direktem Kontakt mit verhältnismäßig geringen Durchmesser der Nippel dem Metall.

eine mechanische Zerstörung der Kohle ausgeschlos- Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Zelle

sen, besonders wenn für die Nippel ein kreisförmi- sind in den Zeichnungen beispielsweise und schema-

ger Querschnitt gewählt und damit eine Kerbwirkung tisch dargestellt.

vermieden wird. Infolge der Anordnung der Katho- ₃₀ F i g. 1 zeigt im senkrechten Querschnitt eine Zelle

denstromzuführung außerhalb der hocherhitzten gemäß der Erfindung mit massiver Stromzuführungs-

Anode ist ferner die Wärmeausdehnung, die zur schiene und flexibler Verbindung zu den Nippeln;

Aufwölbung der Stromschienen führt, wesentlich ge- Fig. 2 gibt eine andere Ausführungsform wieder,

ringer als bei den bisherigen Konstruktionen. Da- gemäß der die Kathodenstromzuführung durchweg

durch wird die vorerwähnte Beschädigung der Ka- ₃₅ aus flexiblen Elementen für jeden Nippel besteht,

thode während des Anheizens vermieden und somit wobei die Stromzuführung seitlich durch die Zargen-

die Volumenvergrößerung durch Eindringen von wandung geschieht;

Schmelze und Metall unter die Kathode völlig aus- Fig. 3 veranschaulicht eine ähnliche Ausfüh-

geschlossen. Das Endergebnis ist eine erheblich ge- rungsform wie diejenige nach Fig. 2, jedoch mit

steigerte Lebensdauer der Zellen. 40 Stromzuführung von unten;

Die Nippel werden bei einer vorteilhaften Aus- F i g. 4 zeigt einen senkrechten Längsschnitt ge-

führungsform der Erfindung winkelig oder Vorzugs- maß der Linie A-B der Fig. 2.

weise senkrecht zur Schmelze angeordnet. Die letztere In den Figuren, in denen gleiche oder gleichartige

Konstruktion bietet den Vorzug einer werkstattmäßig Mittel mit denselben Bezugszeichen beziffert sind,

einfacheren Herstellungsmöglichkeit. 45 bedeutet 1 die Kathode, die in üblicher Weise aus

Um in ungünstigen Fällen etwa noch auftretende einer kohlenstoffhaltigen Masse durch Stampfen, Wärmespannungen zu vermeiden, wird erfindungs- Schütten und anschließendes Brennen oder aus vorgemäß weiterhin vorgesehen, daß der die Kathode gebrannten Kohleblöcken hergestellt wird. Die die von der Kathodenstromzuführung trennende Raum Kathode nur teilweise durchdringenden Nippel traals Kühlkanal ausgebildet oder mit einem wärme- 50 gen das Bezugszeichen 2, und die Figuren lassen erisolierenden Mittel gefüllt ist. Als wärmeisolierendes kennen, daß eine Anzahl von Nippeln geringeren Mittel hat sich hierbei Aluminiumoxyd bewährt, das Durchmessers im Abstand voneinander angeordnet in den Trennraum eingeblasen werden kann. sind. Der Abstand der Nippel ist so gewählt, daß

Vorteilhaft werden die Nippel aus Eisen, dessen durch ihn jede gewünschte Stromdichte an der entLegierungen oder einem anderen elektrisch gut Iei- 55 sprechenden Stelle der Kathode erreicht werden tenden Werkstoff mit hohem Schmelzpunkt herge- kann.

stellt. Als Werkstoff der letztgenannten Art können Die Figuren zeigen weiterhin, daß die Kathoden-

z. B. Boride oder Karbide Verwendung finden. stromzuführung 3 sich außerhalb der Kathode 1 be-

Auch für die Kathodenstromzuführung kann man findet. Zwischen der Kathodenstromzuführung 3 und

vorteilhaft Eisen, dessen Legierungen oder einen 60 der Kathode 1 erstreckt sich ein Trennraum 4, der

anderen elektrisch besser leitenden Werkstoff ver- entweder als Kühlkanal ausgebildet sein oder mit

wenden, der einen niedrigeren Schmelzpunkt als einem wärmeisloierenden Mittel gefüllt werden kann.

Eisen besitzen kann, da sich die Kathodenstromzu- Als ein solches wärmeisolierendes Mittel hat sich

führung erfindungsgemäß außerhalb der Kathode be- Aluminiumoxyd bewährt, das in den Raum 4 einge-

findet und somit nicht mehr so hohen Wärmebean- 65 blasen werde kann. Wie bereits oben erwähnt, kön-

spruchungen wie bisher ausgesetzt ist. Als Werkstoff nen die Nippel 2 aus Eisen, dessen Legierungen oder

für die Kathodenstromzuführung kann z. B. Kupfer einem anderen elektrisch gut leitenden Werkstoff mit

verwendet werden. Man kann dafür aber auch eine hohem Schmelzpunkt bestehen. Als Werkstoff für

die Kathodenstromzuführung 3 haben sich ebenfalls Eisen oder dessen Legierungen bewährt. Man kann die Kathodenstromzuführung 3 jedoch auch aus einem anderen, und zwar elektrisch besser leitenden Werkstoff herstellen, der einen niedrigeren Schmelzpunkt als Eisen besitzt. Diese Möglichkeit ist dadurch gegeben, daß sich die Kathodenstromzuführung 3 erfindungsgemäß außerhalb der Kathode befindet und infolgedessen nur einer geringeren Temperaturbelastung ausgesetzt ist.

Die Nippel 2 sind in die Kathode 1 eingestampft oder eingegossen, was durch das Bezugszeichen 5 verdeutlicht werden soll, das entweder eine gesonderte eingestampfte kohlenstoffhaltige Masse oder ein eingegossenes Metall, z. B. Eisen, bedeutet.

Wie bereits oben angedeutet, entsprechen die Ausführungsformen nach den F i g. 2 und 3 einander. Der einzige Unterschied besteht darin, daß die Kathodenstromzuführung 3 gemäß F i g. 2 seitlich durch die Wandung der Zarge 6 geschieht, während sie gemaß F i g. 3 den Boden der Zarge von unten durchdringt.

Die Kathodenstromzuführung 3 ist entweder zum Teil oder völlig in Gestalt von flexiblen Elementen vorhanden. F i g. 1 zeigt in diesem Zusammenhang, daß die Kathodenstromzuführung 3 als flexibles Element nur einen Teil der gesamten Kathodenstromzuführung darstellt, deren größerer Teil aus einer massiven Schiene 3 α besteht, während laut den übrigen Figuren die gesamte Kathodenstromzuführung 3 z. B. aus flexiblen Bändern oder Streifen gebildet ist. Durch die Flexibilität dieser Teile werden die Wärmebeanspruchungen ausgeglichen, da diese Teile Wärmeausdehnungen aufnehmen.

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Claims (9)

Patentansprüche:

1. Elektrolysezelle zur schmelzflußelektrolytischen Herstellung von Aluminium mit einer den Zellenboden bildenden Kathode aus kohlenstoffhaltiger Masse, gekennzeichnet durch eine Anzahl im Abstand voneinander angeordneter, sich in Richtung des Bades in der Kathode erstreckender, diese teilweise durchdringender Nippel (2), wobei sich die Kathodenstromzuführung (3) außerhalb der Kathode (1) befindet.

2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nippel (2) bei einem kreisförmigen Querschnitt einen verhältnismäßig geringen Durchmesser aufweisen und sich winkelig oder vorzugsweise senkrecht zur Schmelze erstrecken.

3. Zelle nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die Kathode (1) von der Kathodenstromzuführung (3) trennende Raum (4) als Kühlkanal ausgebildet oder mit einem wärmeisolierenden Mittel gefüllt ist.

4. Zelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als wärmeisolierendes Mittel Aluminiumoxyd verwendet wird.

5. Zelle nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nippel (2) aus Eisen, dessen Legierungen oder einem anderen elektrisch gut leitenden Werkstoff mit hohem Schmelzpunkt bestehen.

6. Zelle nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenstromzuführung (3) aus Eisen, dessen Legierungen oder einem anderen elektrisch besser leitenden Werkstoff besteht, der einen niedrigeren Schmelzpunkt als Eisen besitzt.

7. Zelle nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Nippel (2) in die Kathode (1) eingestampft oder eingegossen sind.

8. Zelle nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenstromzuführung (3) seitlich oder von unten durch die Ofenwanne (5) in die Zelle eingeführt ist.

9. Zelle nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenstromzuführung (3) für jeden Nippel (2) mindestens teilweise flexibel ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 1089 980, 1093 097, 564.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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