DE1533439A1

DE1533439A1 - Elektrolytische Zelle zur Gewinnung von Aluminium und Verfahren zum Betrieb derselben

Info

Publication number: DE1533439A1
Application number: DE19661533439
Authority: DE
Inventors: Seager George Cresswell
Original assignee: British Aluminum Co Ltd
Current assignee: British Aluminum Co Ltd
Priority date: 1965-01-06
Filing date: 1966-01-05
Publication date: 1970-01-02
Also published as: GB1138522A; ES321480A1; FR1466660A; CH456169A; US3492208A; NL129768C; NL6600097A; NO118766B; AT274400B

Description

dr. K. R. EIKENBERG dipl-chem. W. RÜCKER dipl.-ing. S. LEINE

PATENTANWÄLTE

3 HANNOVER. AM KLAGESMARKT ΙΟ-Π

31. Dezember 1965

TELEFON 12402 UND I24O3 THE BRITISH ALUMINIUM _{KABEL; B1PAT HANNOVER} COMPANY LIMITED Patentanwälte Dr. Elkenborg, RlJcker * LaIM, a Hannover, Unsere Zeichen:

200/279

Blektrolytische Zelle zur Gewinnung von Aluminium und Verfahren zum Betrieb derselben

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrolytische Zelle zur Gewinnung von Aluminium und auf ein Verfahren zum Betrieb derselben.

Aluminiumreduktionszellen, wie sie heute im allgemeinen in Benutzung sind, beruhen auf der klassischen Konstruktion von Hall/Hercult mit Kohlenstoffanoden und einem im wesentlichen flachen, mit Kohlenstoff belegten Boden, der einen Teil des Kathodensystems darstellt. Für die Gewinnung von Aluminium wird ein Elektrolyt verwandt, wenn das Aluminiumoxid elektrolysiert wird, der im wesentlichen aus geschmolzenem Kryolith besteht, in dem Aluminiumoxid gelöst ist und der andere Stoffe enthalten kann, beispielsweise Flußspat. Das aus der Reduktion des Aluminiumoxids

WR/SI

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hervorgehende flüssige Aluminium sammelt sich auf dem mit Kohlenstoff ausgekleideten Boden an und wirkt wie eine Kathode aus flüssigem Metall. Die Kohlenstoffanöden ragen von oben in die Zelle hinein und stehen in Berührung mit dem Elektrolyten. Stromsammeischienen, im allgemeinen aus Stahl, sind in den Kohlenetoffboden eingebettet und vervollständigen das Kathodensystem.

Derartige Zellen werden im allgemeinen so betrieben, daß man auf dem Boden der Zelle eine Schicht flüssigen Aluminiums einer bestimmten minimalen Tiefe aufrechterhält, die wenigstens 3 cm beträgt und die erforderlich ist, we ι*, bei einer gel·'oberen Schichtdicke flüssigen Aluminiums sich dieses zu Kufeein auflösen würde, weil das Aluminium den Kohlenstoffboden nicht benetzt. Wenn ein kontinuierlicher Sumpf aus flüssigem Aluminium nicht erhalten wird, ist es nicht möglich, einen gleichmäßigen Abstand zwischen den Polen aufrechtzuerhalten, d. h. zwischen der Anode und der Oberfläche des flüssigen Aluminiums. Wenn das Aluminium Kugeln bildet, bewegen, sich diese umher und der Polabstand verändert sich, so dafc ein wirksamer Betrieb bei dem optima ieü Polabsbond nicht erhalten werden kann. Außerdem ist die oberfläche, die solche Kugeln dem Elektrolyten darbietet, beträchtlich größer als die im wesentlichen zusammenhängende Oberfläühe dea ui3 flüaeigem Metall bestehenden Sumpfes und

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da das Aluminium mit dem Elektrolyten in rückläufigem Sinne reagiert und in Lösung zu gehen versucht, ist das Ergebnis das, daß mehr Metall wieder in Lösung geht als es sonst der Fall wäre, so daß der Prozeß unwirtschaftlich wird. Die Schichtdicke des Metalls, die erforderlich ist, um diese Probleme zu lösen, führt indessen wieder zu anderen Problemen, die durch die elektromagnetischen Effekte verursacht werden, die sich im allgemeinen bei Reduktionszellen einstellen und eine Zirkulation des flüssigen Metalls hervorrufen, so daß die Schichtdicke des flüssigen Metalls sich verändert und damit auch die Möglichkeit, den Polabstand zu verringern, beschränkt. Auch dadurch ergibt sich ein Verlust in der Wirksamkeit, weil Energie an den Elektrolyten, der zwischen Anode und Kathode liegt, abgegeben wird.' Jede Beschränkung der Verringerung des Abstandes von Anode zur Kathode beschränkt; auch die Erreichung einer optimalen Wirksamkeit und begrenzt die Möglichkeit, den Betrieb der eletrolytischeu Zelle zu verbessern.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, Hartstoffsubstanzen als Material zu verwenden, welches mit dem flüssigen Metall in Verbindung steht und den elektrischen Strom aus der Zelle leitet. Derartige Stoffe bezeichnet man als durch flüssiges Aluminium benetzbar unter Betriebsbedingungen der elektrolytischen Zelle; sie haben außerdem eine geringe Löslichkeit in geschmolzenem Aluminium und

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geschmolzenem Kryolith, eine elektrische Leitfähigkeit, die wenigstens so gut ist wie Kohlenstoff, sind beständig gegen geschmolzenes Aluminium und andere Zellenbestandteile und sind im wesentlichen dimensional stabil, wenn sie in einer Kathode einer elektrolytischen Zelle verwandt werden. Hartstoffsubstanzen umfassen eine einheitliche Verbindung oder ein Gemisch mehrerer Hartstoffe als auch Gemische, die ein oder mehrere Hatstoffe und Kohlenstoffaluminiumverbindungen, beispielsweise Boride, Nitride und Karbide der seltenen Erden und dee Chroms umfassen sowie Kombinationen dieser Verbindungen. Der Ausdruck "Hartstoff umfaßt die Karbide, Boride, Suizide und Nitride der Übergangsmetalle der vierten bis sechsten Gruppe des periodischen Systems. Die bevorzugten Hartstoffverbindungen sind die Boride und Karbide von Titan und Zirkon und deren Gemische.

Die im Handel erhältlichen Hartstoffe enthalten häufig bis zu 1/2 # Kohlenstoff als Verunreinigung und werden doch ale im wesentlichen reine Hartstoffe betrachtet. Der Anteil an Hartstoff in einer Kathode kann jedoch ohne Nachteile für die Punktion der Kathode beträchtlich verringert werden. So ist in einer älteren Anmeldung bereits vorgeschlagen worden, eine Kathode mit einer Oberfläche herzustellen, die m3t den geschmolzenen Bestandteilen der Zelle in Berührung kommt und die aus einer Hartstoffsubstanz hergestellt ist, die wenigstens 5 % Kohlenstoff enthält.

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Diese Kathode wird von geschmolzenem Aluminium benetzt und hat eine kathodische Ausdehnung, die kleiner ist als etwa 3 #. Vorzugsweise jedoch sollte das Gemisch wenigstens 20 Gewichts-?* Hart st off substanz enthalten. Die Kohlenstoffkomponente des Gemisches besteht vorzugsweise aus einem kohlenstoffhaltigen Material, das bei einer Temperatur oberhalb 1500° C gebrannt ist, wodurch die Stabilität ^

unter den kathodischen Bedingungen der Zelle verbessert wird. Sei dem älteren Vorschlag ist die Hartstoffsubstanz als eine mit den flüssigen Bestandteilen der Zelle in Verbindung stehende Schicht auf dem Boden der Zelle angeordnet und bildet eine Kathode, von der das flüssige Metall abläuft, d. h. das flüssige Metall kann auf dem Zellenboden keinen Sumpf bilden und sammelt sich in einem Sammelgraben an. Genauer gesagt ist bei dem älteren Vorschlag die Kathode so ausgebildet, daß sie sich sur Horizontalen neigt, so daß das flüssige Netall, welches durch die Elektrolyse auf der | Fläche der Kathode erzeugt wird, τοη dieser abläuft und sich in tines in dar Mitte angeordneten Graben auMnafelt, der eine »erklicfce Kapasität besitst, ao daß die Zelle nur in beetiaav- ten EeitIntervallen τοη de« flüssigen Aluminium befreit su werden brauottt·

Hat elektrolytieohe Seile sit einer benet«baren Itaod«, τοη der das flüssige Alualniua herunterläuft, wie sie in dar älteren Anmeldung vorgesohlagtn iat, stellt eine

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beträchtliche Verbesserung der üblichen Reduktionszellen dar. Dadurch, daß das Metall von der Kathodenfläche herunterläuft, so daß nur ein dünner Film flüssigen Aluminiums mit der Kathode in Berührung bleibt, das ein Teil des elektrischen Strompfades bildet, ist es möglich, sehr kurze Anoden/Kathodenabstände anzuwenden und gleichzeitig eine hohe Stromausbeute aufrechtzuerhalten. Energieverluste können verringert werden, indem der elektrische Widerstand in der Zelle verringert wird. Der elektriahe Widerstand wiederum läßt eich, ohne die Stromausbeute zu beeinträchtigen, dadurch verringern, daß der Abstand epischen den ^{T 1}^??. verringert wird ^cdurch auch Spannungeverluste verringert werden, die Γ elektrolyt!sahen Widerstand zurückzuführen sind odei dls Stroadichten können erhöht werden, wodurch durch Erhöhung des durch die Zelle geschickten Stromes die leiatung ein« bestirnten Zelle erhöht wird. Aluminium, weichet* in finer Zelle alt einer Kathode gewonnen wird, die ::.-..?{-.aι· ist und τοη der ias Metall herunterläuft, weist ν At t I**ihodenfliehe nur einen dünnen, la weaentliehen , 1.. .\/j &iif*t:. lila geaebaolsenen Natalia auf, veil vagen >:- jtmtsbarlneit der fläch* durch daa flüaaige Aluainiua ■ · AiuBiBitut al« flüeaigkelt haften bleibt. Dee τοη der . .jtfcodanfllohc ebflielemae fltteeige Aluainiua aaaaelt «ich : m,mm Swm$*. m_t itr bo gelegt iat, daf daa flüaaige

Si*.χ;-χ keinem wesentlichen fall dea elektri·

BAD ORIGINAL

'§81/040?

sehen Systems darstellt, d. h. der Sumpf aus flüssigem Metall ist nicht wesentlich für die Leitung des Kathodenstromes, so daß der Sumpf periodisch beim Ablassen des flüssigen Aluminiums völlig trockengelegt werden kann.

Ein Nachteil dieses älteren Vorschlages ist aber der, daß der Sumpf, in dem sich das flüssige Aluminium sammelt, ein beträchtliches Volumen an Metall aufnehmen können muß, damit das flüssige Aluminium nur in ausreichend langen A

Zeitintervallen abgelassen zu werden braucht. Außerdem muß der Pegelstand des flüssigen Aluminiums notwendigerweise niedriger sein als die geneigte Kathodenfläche. Die Konzentration einer beträchtlichen Menge Aluminium im Sumpf führt aber zu einer Störung im Gleichgewicht der Temperaturbe-· dingungen der Zelle und kann wie ein Wärmeabzugskanal wirken. Wenn der das Metall sammelnde Sumpf außerhalb der wirksamen Fläche der Anoden liegt, d. h. außerhalb des Schattens der Anoden, wird er eine Temperatur besitzen, die niedriger ist als die Temperatur, die in der wirksamen Fläche vorherrscht und das wiederum kann dazu führen, daß sich in dom Sumpf Niederschläge und Ansammlungen verfestigter Badbestandteile zusätzlich zu der Störung im Temperaturgradienten bilden. Liegt der Sumpf hingegen in der Nähe der wirksamen Fläche der Anoden, dann hat er eine schädliche Wirkung, die eine Störung des Gleichgewichts des Anodenverbrauchs ergibt, wodurch die Verwendung von Söderberg-Anoden unmöglich wird.

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Ein weiterer Nachteil einer solchen Zelle ist der, daß der Sumpf zur Aufnahme des flüssigen Netalls eine solche Größe haben müßte, daS eine große Zelle notwendig wäre, wodurch sich wiederum Erhöhungen der Investitionskosten und eine Erhöhung der Wärmeverluste wegen der großen Oberfläche der Zelle während des Betriebs ergäben.

Zweck der vorliegenden Erfindung 1st die Schaffung einer elektrolytIschen Zelle für die Gewinnung von Aluminium sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Zelle, die die oben geschilderten Nachteile nicht besitzt.

ErfindungBgemäß wird das dadurch erreicht, daß die elektrolytische Reduktionszelle zur Gewinnung von Aluminium eine Kathode mit einer im wesentlichen ebenen Oberfläche besitzt und aus einem Material hergestellt 1st, welches durch geschmolzenes Aluminium unter den Betriebsbedingungen der Zelle benetzbar 1st, das eine niedrige löslichkeit in geschmolzenem Aluminium und geschmolzenem Kryolith hat, eine elektrische Leitfähigkeit, die wenigstens so gut ist wie die des Kohlenstoffs, gute Beständigkeit gegen Angriffe des geschmolzenen Aluminiums und anderer Zellenbestandteile, aber wenigstens so gut wie Kohlenstoff und la wesentlichen unter den Betriebsbedingungen der Zelle seine Dimensionen behält.

Torzugsweise ist eine kleine Vertiefung in dea Boden vorgesehen, um das Ablassen des flüssigen Metalls sra #rleich-^v

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tern, die aber ein Volumen besitst, welches relatir sum Volumen des flüssigen Netalls, welches sich auf dem Boden der Zelle während des Betriebs ansammelt, unbedeutend ist.

Sin weiteres Merkmal der Erfindung besieht sich auf ein Terfahren sub Betrieb einer elektrolytischen Reduktionsselle für die Gewinnung τοη Aluminium, welches darin besteht, daß der Strom aus der Zelle über eine im wesentlichen flache

Bodenfliehe, welche sum Zelleninnern freiliegt, geleitet * wird und der aus einer Hartstoffsubstan« besteht, wobei die Schicht stärk· des sich ansammelnden flüssigen Aluminiums auf der Bodenfl&che auf einem Wert gehalten wird, der nicht größer ist als 5 cm.

Aufgrund des erfindungsgemlßen Verfahrene und der Tatsache, daß der Boden der Zelle aus einer Hartstoff substanz besteht, die τοη flüssigem Aluminium benetst wird, wird die Bildung τοη Aluminiumkügelchen bei der geringen Schichtst&rke rerhindert und durch die Aufrechterhaltung einer Schichtstärke g τοη weniger als 5 cm werden die Fachteile, die sich durch die elektromagnetischen Effekte ergeben, rermieden, so daft kleinere Polabstände τοη weniger als etwa 4, cm und Torsugsweise τοη 0,6 bis 1,8 cm eingehalten werden können, wodurch sich wiederum eine Erhöhung in der Leistung der Zelle ergibt, ohne die Stromausbeute merklich su rerdngera.

Das flüssige Netall wird wie in einem Sumpf auf dem Boden der Zelle gesammelt, so daß sich kein örtlicher Y&rme-

. 909881/0407 "¹°-

abfall ergeben kann, der die Temperaturgradienten stört. Der Anstieg des flüssigen Metalls auf dem Boden der Zelle während des Betriebs kompensiert den Verbrauch des Anodenmater iale während des Betriebs, so daß der Polabstand im wesentlichen auf ziemlich konstantem Wert gehalten werden kann. Venn aus der Zelle flüssiges Aluminium abgelassen wird und die Schichtstärke des flüssigen Metalls verringert ^ wird, werden die Anoden auf den gewünschten Abstand zwischen ihren wirksamen Flächen und der Oberfläche des geschmolzenen' Metalls neu eingestellt. Obgleich eine kleine Vertiefung wünschenswert ist, um die Einführung einer Satleerungsleitung zu ermöglichen, ist ihre Kapazität hinsichtlich des Me-

auf

tallTOlumens, das sich/dem Boden in Form eines Sumpfes Tor der Ableitung des flüssigen Metalls ansammeln kann, unbedeutend. AuBerdem ist während des Betriebs der Zelle diese kleine Vertiefung gefüllt und der Netallsumpf auf dem Boden der Zelle bietet dem Elektrolyten eine zusammenhängende Oberfläche dar. Sie Vertiefung kann daher ganz oder' teilweise innerhalb der wirksamen Fläche der Anoden liegen, d. h. unterhalb des Schattens der Anode oder der Anoden, die entweder Suderberg-Anoden sind oder Torgefertigte Anoden.

Die Oberfläche des Bodens der Zelle kann bis zu 80 Gewichts-ji Kohlenstoff, vorzugsweise in der Form eines kohlenstoffhaltigen Materials enthalten, das bei einer

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Temperatur oberhalb 1500° C gebrannt ist. Der Rest ist vorzugsweise aus einem Haxtstoff, beispielsweise aus dem Carbid oder Borid des Titans oder Zirkons oder aus einem Gemisch dieser beiden oder mehrerer solcher Verbindungen hergestellt, vorzugsweise aber aus einem Gemisch Ton Titanborid (TiBp) und Titancarbid (TiC). Sin derartiges stark kohlenstoffhaltiges Material seigt die wünschenswerten Eigenschaften einer Hartstoff substanz wie sie hier umfassend formuliert worden sind, % nämlich sie ist durch geschmolzenes Aluminium benetzbar, besitzt eine geringe Löslichkeit in geschmolzenem Aluminium (d. h. es verunreinigt das gechmolzene Aluminium nur in einem unmerklichen Ausmaß und löst sich nicht so schnell auf, daß der Boden su häufig erneuert werden muß), es besitzt eine elektrische Leitfähigkeit, die wenigstens so gut ist, wie · Kohlenstoff (d. h. der spezifische Widerstand bei Zimmertemperatur liegt zwischen 0,0027 bis 0,0038/l/cm), und es besitzt eine gute Beständigkeit gegen den Angriff des geschmol- _Λ zenen Aluminiums und anderer Zellenbestandteile, wenigstens in demselben Maß wie Kohlenstoff, und es ist im wesentlichen dimensionsstabil in einer Kathode in einer elektrolytischen Zelle (d. h. es besitzt eine kathodische Ausdehnung von weniger als ungefähr 3 %).

Die kathodische Expansion, die oben erwähnt ist, ist ein Mafi, das in der folgenden Weise ermittelt wird:

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Die zu prüfenden Materialproben in Form von Zylindern von 2 1/2 bis 5 cm Durchmesser und 7 1/2 bis 15 cm Länge werden durch Verdichten hergestellt. Die Verdichtungskräfte bei der Herstellung der Proben wirken parallel zur Längsachse. Die Proben werden dann nach und nach auf 985° C - 20° C erhitzt und unter einer inerten Atmosphäre eine bekannte Tiefe in einen Elektrolyten eingetaucht, der ebenfalle während des ™ Tests auf dieser Temperatur gehalten wird. Indem man diese Proben als Kathode verwendet, wird Gleichstrom durch sie hindurchgeleitet mit einer Stromdichte von etwa 1 A/cm pro eingetauchter Oberfläche der Proben, und zwar zwei Stunden lang. Nach dieser Elektrolysenperiode wird die Probe sofort von anhaftendem Elektrolytmaterial gereinigt. Die prozentuale Zunahme im mittleren Durchmesser wird als prozentuale kathodische Ausdehnung des Materials bezeichnet. Der bei diesem Test verwendete Elektrolyt hat die folgende Zusammensetzung:

w Natriumkryolith"62,5 %

Kaliumfluorid 5,7 % Natriumfluorid 25,2 Ji und Aluminiumoxid 6,6 %,

Es soll dabei soviel Kryolith verwandt werden, daß der Aluminiumoxidgehalt nicht unter 3 % während des Teste abfällt. Die kathodische Ausdehnung, die bei diesem Prüfverfahren an

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einseinen Proben gemessen wird, kann innerhalb * 10 Ji der ■ittleren kathodischen Ausdehnung variieren, die sich durch Messen mehrerer Proben des gleichen Materials ergibt.

Sie Erfindung wird nun anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert.

Pig. 1 ist ein Grundriß einer elektrolyt!sehen Reduktionsselle gemäß der Erfindung, *

fig. 2 ist ein Vertikalschnitt auf der Linie H-II der Pig. 1 und

Pig. 3 ist ein Tertikaischnitt auf der Linie IH-III der Pig. 1.

Die elektrolytisehe Zelle besteht nach diesem Ausführungsbeispiel aus einem Boden 1 aus feuerfestem Material, beispielsweise aus Wärmeisolationssteinen, auf die eine Schicht 2 aus feuerfesten Ziegeln gelegt ist. Auf der Ziegelschicht liegen mehrere Kathodenstromschienen 3 aus Stahl, ■ swischen die und über die eine Schicht 4 aus gebranntem Kohlenstoff gestampft ist, die etwa eine Stärke von 30 cm hat· Die Seitenwände 5 der Zelle bestehen aus Aluminiumoxid und sind mit Kohlestoffsteinen 6 ausgekleidet. Die Kohlenstoffschicht 4 wird als Bodenschicht in Tabelle I bezeichnet und besitzt die dort beschriebene Zusammensetzung. Sie weist eine in der Mitte liegende Vertiefung 7 von ungefähr 22 1/2 cm Durchmesser und 2 1/2 bis 5 cm Tiefe auf. Sine Schicht aus

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eine* Hartstoffsubstanz liegt auf der eingestampften Kohlenstoff schicht 4 und ist eigentlich in drei Schichten hergestellt. Die oberste Schicht ist die» die an reichsten an Hartstoffmaterial ist. Die unterste oder dritte der drei Schichten der Schicht 8 kann 30 Gewicht s-ji Hartstoff enthalten, während der Rest aus Kohlenetoff und einem Bindemittel besteht. Die zweite Schicht kann 60 Gewichts-jC Hartstoff und für den Rest Kohlenstoff und Bindemittel umfassen und die oberste Schicht 90 Gewichts-ji Hartstoff und für den Rest Kohlenstoff und Bindemittel. Ss ist typisch, daß die Hart Stoffkomponente im wesentlichen 70 Gewicht s-jf Titandiborid und 30 Gewicht s-jt Titancarbid umfaßt, obgleich höhere Prozentsätse an TiBp zu bevorzugen sind und handelemäßig reines TiBp verwandt werden kann.

Der Kohlenstoffbeatandteil der Schicht 8 ist vorzugsweise ein kohlenstoffhaltiges Material, beispielsweise Anthrazit- oder Petroleumkoks, das hei einer Temperatur oberhalb 1500° C gebrannt worden 1st, um dadurch die Stabilität des Materials unter den Betriebsbedingungen der Zelle zu verbessern. Die Schicht 8 besitzt eine kathodische Expansion von weniger als ungefähr 3 £· Die Zusammensetzung der Schichten 8 und 4 ist in Tabelle I dargestellt.

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Tabelle I Zusammensetzung der benetzbaren Kathode

Bestandteile	Gesamt:	obere	zweite	dritte	Boden
Teilchengröße	Anthrazit: Grob	Schicht	Schicht	Schicht	schicht
Hartstoff-	fein
pulver, - 1/4 +7	Pech-Bindemittel	31,5	21,0	10,5	—
-7+14	Dichte	9,9	6,6	3,3	mm
-14+52	5,4	3,6	1,8	-
- 52 + 200	5,4	3,6	1,8	- .
- 200	37,8	25,2	12,6	-
90,0	60,0	30,0	Nil
Nil	13,4	26,7	40,0
10	26,6	43,3	60,0
11	12	13	14
3,0	2,5	2,0	1,5

Die Vertiefung in der Schicht 4 kebifc bei 9 in der Schicht 8 wieder und dient zur Aufnahme einer Ableitungsdüse für das flüssige Metall. Tier Kohlenstoffanöden 10 erstrecken sich in die Zelle hinein und bilden eine wirksame Fläche von

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ungefähr 6250 cm und sind mit Tragstangen 11 versehen, die an Aufhängevorrichtungen 12 befestigt sind, welche ihrerseits an den Anodenstromschienen befestigt sind, die in Fig.1 durch die Bezugszahlen 13 angedeutet sind.

Im Betrieb enthält die Zelle die üblichen geschmolzenen PlußmittelbeBtandteile «it darin gelöstem Aluminiumoxid und der

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Eleketrolysenstrom wird über die Anoden, die Schichten 8 und 4 2SU den Stromschienen 3 fließen. Das flüssige Aluminium setzt sich auf dem Boden der Zelle ab, der von flüssigem Aluminium benetzbar ist. Das Aluminium bildet einen Sumpf,

auf

der bei 14 angedeutet ist und dessen Tiefe/weniger als 5 cm gehalten wird. Wenn die Tiefe des Metalls diesen Wert erreicht, wird das Metall durch Einführung einer Düse in die

P Vertiefung 9 abgesaugt. Die Anoden werden dann auf den gewünschten Elektrodenabstand herabgelassen, d. h. auf einen Abstand von etwas weniger als 4,4 und vorzugsweise von weniger als 3,75 cm zwischen der wirksamen Fläche der Anoden und entweder der benetzbaren Oberfläche der Schicht 3 oder der Oberfläche des Metalls, welches sich noch auf dieser Schicht befinden mag. In dem Maße, wie das flüssige Metall sich auf der Oberfläche der Schicht 8 ansammelt, brennen die Anoden weg, so daß der Polabstand zwischen diesen beiden

^ etwa immer auf demselben Wert gehalten wird.

Die folgende Tabelle II vergleicht den Betrieb einer herkömmlichen bekannten Zelle mit dem der erfindungsgemäßen Zelle gemäß dem älteren Vorschlag und der Zelle gemäß der vorliegenden Erfindung mit dem flachen Zellenboden. Der Polabstand in der Tabelle stellt Mittelwerte an der Anodenoberfläche dar, die während des Betriebs eine gekrümmte Gestalt annimmt und der Minimalabstand kann daher 0,6 bis 1,2 cm kleiner sein als der, der in der Tabelle angegeben ist.

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!Tabelle II

Herkömmliche"	Benetzte Ka	Benetzte Ka
Zelle desselben	thode mit	thode gemäß
Stromwertes	Sammelraum	der vorlieg.
		Erfindung
Strom kA 10	10 12	10
t Stromdichte ! (A/cm²) I 1,4	1,6 1,9	1,6
Stromausbeute (*) 89,3	90,5 83	88,5
I Spannung (Y) ' 5,9	4,8 4,45	4,7
Polabstand (cm) 5,3	2,7 2,0	3,25

Es wurde gefunden, daß die freie Oberfläche der benetzbaren Kathode, von der das niedergeschlagene Aluminiummetall abfließt, wie sie in der älteren Anmeldung beschrieben ist, und die Unterbrechung in der Herstellung der Kathodenausbildung aufgrund der das flüssige Netall sammelnden Rinne dazu beiträgt, dass flüssige Badbestandteile in die Zellenauskleidung leichter eindringen. Normalerweise muß in den ersten Tagen des Betriebs einer neuen Zelle dem Elektrolyten eine Natriumverbindung zugesetzt werden, damit Elektrolyt kompensiert werden kann, der an die Auskleidung der Zelle verlorengeht und um den Elektrolyten auf der gewünschten Zusammensetzung su halten. Zur Aufrechterhaltung des Volumens des Elektrolyten gibt man Kryolith hinzu. Die zusätzlichen Verluste an Alkali und Kryolith in einer Zelle mit einer benetz-

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baren Kathode, von der das Netall herabfließt, verglichen mit einer Zelle mit flachem, benetzbarem Boden gemäß der vorliegenden Erfindung, Bind in den Tabellen III und IV dargestellt.

Tabelle III

Natriumkarbonatzugabe

benetzte Kathode mit Sammelraum

erfindungsge mäße Kathode

Alter 0-15 Tage Alter 16-30 Tage

340 72,5

Kg

95 KiI

Tabelle IY

Kryolith- zugabe	benetzte Kathode mit Sammelraum	erfindungsge mäße Kathode
Alter 5-15 Tage Alter 16-30 Tage	Kg 580 500	kg 280 172

Bei den herkömmlichen Zellen normaler Stromdichte können greifbare Stromausbeuten bei Polabständen, die geringer sind als etwa 4,4 cm, nicht erhalten werden. Wenn der Versuch gemacht wird, die Stromausbeute durch höhere Stromdichte zu verbessern, werden die Spannungen unwirtschaftlich

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hoch und die Wärmemenge, die verschwendet wird, ist außerordentlich. Bei Elektrolysenzellen mit benetzbaren Kathoden, können Polabstände von weniger als 4,4 cm ohne Schwierigkeit erreicht werden und die erfindungsgemäße Zelle wird vorzugsweise mit einem Polabstand im Bereiche von etwa 0,6 bis 3,37 cm betrieben.

In einer Zelle gemäß der vorliegenden Erfindung bietet der aus flüssigem Aluminium bestehende Sumpf eine zusammenhängende Oberfläche den Anoden dar, so daß keine merkliche Verschiebung in der Erosion oder dem Abbrennen der Anoden stattfindet, so daß entweder vorgebrannte oder Söderberg-Anoden verwandt werden können. Wenn die Tiefe des flüssigen Aluminiums auf einem Wert gehalten wird, der unter 5 cm liegt, können elektromagnetische Effekte vermieden werden. Die Vertiefung 9, die lediglich zur Erleichterung der Entfernung des flüssigen Metalls dient, besitzt ein Volumen, welches, verglichen mit dem des restlichen Aluminiums, das sich auf dem Boden der Zelle ansammelt, vernachlässigbar ist und das keine Auswirkung auf den Betrieb der Zelle hat und das auch nicht die Oberfläche des geschmolzenen Metalls in ihrer Kontinuität unterbricht. Der Strom fließt von den Anoden 10 durch die Flußmittel zur Oberfläche des geschmolzenen Metalls und über die Schichten 8 und 4 zu den Kathodenstromschienen 3. Selbst, wenn die

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Zelle von dem flüssigen Aluminium befreit ist, befindet sich noch ein zusammenhängender Film aus Aluminium auf der Schicht 8. Ein nicht unbeachtlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung ist der, daß herkömmliche Zellen ohne Schwierigkeit durch den Einbau einer Schicht 8 auf dem vorhandenen Kohlenstoffboden ohne große Kosten und ohne konstruktive Änderungen umgebaut werden können.

- Ansprüche -

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Claims

Ansprüche

1. Elektrolytisch« Reduktionszelle für die Gewinnung von Aluminium mit einer Kathode, die unter Verwendung von Kohlenstoff und Hartstoff hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode eine im wesentlichen ebene Bodenfläche ist, weiche aus einem Material besteht, das durch äk geschmolzenes Aluminium unter den Betriebsbedingungen der Zelle benetzbar ist, eine geringe Löslichkeit in flüssigem Aluminium und geschmolzenem Kryolith hat, eine elektrische Leitfähigkeit, die wenigstens so gut ist wie Kohlenstoff, beständig gegen Angriffe des geschmolzenen Aluminiums und anderer Zellenbestandteile, wenigstens in demselben Maße wie Kohlenstoff und unter Betriebsbedingungen stabile Dimensionen besitzt.

2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ™ Boden aus einem Material besteht, das wenigstens 5 % Kohlenstoff enthält.

3. Zelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoff di gebrannt ist·

Kohlenstoff des Bodens bei einer Temperatur oberhalb 1500 C

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4. Zelle nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des die Kathode bildenden Bodens eine kathodische Ausdehnung von weniger als 3 % besitzt.

5. Zelle nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das den Boden bildende Material wenigstens 5 Gewichts-^ gebrannten Kohlenstoffs enthält., der mit wenigstens einem Hartstoff oder einem Gemisch eines Hartstoffes mit einer Verbindung aus der Gruppe der Boride, Nitride und Karbide des Aluminiums, Verbindungen der seltenen Erdmetalle und Chromverbindungen gemischt ist.

6. Zelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenfläche aus einem Material gebildet ist, welches wenigstens 5 Gewichta-% Kohlenstoff enthält und wenigstens aus einer der Verbindungen besteht, die aus der Gruppe der Karbide und Boride des Titans und Zirkons stammt.

7* Zelle nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die B_ndenflache wenigstens 20 Gewichts-^ Hartstoff enthält.

8. Zelle nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die HartStoffverbindung des Bodens der Zelle Titanborid und Titankarbid in jeweiligen Mengenverhältnissen von 70 und 30 Ji ist.

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9. Zelle nach Anspruch 5 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenfläche der Zelle aus 90 Gewicht s-jt Hart stoff und dem Rest Kohlenstoff und Bindemittel besteht.

10. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden der Zelle aus einer Anzahl von Schichten besteht, wobei die oberste Schicht aus den erwähnten Bodenmaterialzusanmeneetzungen besteht, während jede darunter liegende Schicht einen geringeren Anteil an Hartstoffverbindungen aufweist als die unmittelbar darüber liegende Schicht.

11. Zelle nach einem der Torhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden der Zelle eine Vertiefung (9) aufweist.

12. Verfahren sum Betrieb einer elektrolytIschen Reduktionszelle gemäß Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den- wirksamen Flächen von Anode und Kathode bei Verwendung einer im wesentlichen als ebener Boden der Zelle ausgebildeten Kathode und der Abstand zwischen der Anode und dem flüssigen Aluminium auf einem Wert gehalten werden, de? kleiner als etwa 3»7 cm ist, vorzugsweise auf einem Wert zwischen etwa 0,6 und 3,7 cm, wobei die Tiefe des flüssigen Aluminiums auf dem Boden der Zelle auf einem Wert gehalten wird, der !deiner als 5 cm ist.

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