DE1758306A1 - Elektrolysezelle zur Gewinnung von Aluminium - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrolysezelle zur Gewinnung von Aluminium.

Bei der Gewinnung von Aluminium nach dem herkömmlichen elektrolytischen Verfahren besteht die Elektrolysezelle im allgemeinen aus einem Stablgehäuse mit einer darin liegenden Auskleidung aus Kohlenstoff. Der Boden der Kohlenstoffauskleidung bildet zusammen mit einer Schicht des elektrolytisch erzeugten flüssigen Aluminiums, welches sich auf der Bodenschicht sammelt, die Kathode. Von oben werden ein oder mehrere sich verbrauchende Kohlenstoffelektroden in die ZeLIe hineingehängt und mit ihren unteren Enden in den geochmolzenen Elektrolyten der Zelle eingetaucht, Im Betrieb besteht der Elektrolyt aus einem Gemisch von Aluminiumoxid und Kryolith, welches in die Zelle eingebracht wird, und der Elektrolysestrom fließt von der Anode zur Kathode der Zelle durch die Schicht des geschmolzenen Elektrolyten,

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wobei sich Sauerstoff an der Anode bildet. Der Strom verläßt die Zelle über geeignete Stromschienen, die in die Kohlenstoffaustcleidung der Zelle, die die Kathode bildet, eingebettet sind. Eine Kruste aus erstarrtem Elektrolyt bildet siob auf der Oberfläche des Bades und wird im allgemeinen mit zusätzlichem Aluminiumoxid abgedeckt.

B_ei dem herkömmlichen Elektrolyseverfahren verwendet man zwei Arten von Elektrolysezellen, nämlich jene, die mit vorgefertigten Anoden arbeitet und jene, die mit einer sogenannten Söderberg-Anode arbeitet. Bei jeder Zelle verläuft der Gewinnungsprozeß genau in der gleichen chemischen Weise, der Unterschied ist nur der, daß in der Zelle mit der vorgefertigten Anode die Anode vor dem Einsatz in der Zelle fertiggestellt wird, während bei der Söderberg-Anode die Anode sich in situ bildet, d. h. zum Herstellen der Anode während des Betriebes der Elektrolysezelle wird ein Teil der erzeugten Wärme, die sich bei dem Reduktionsprozeß bildet, zur Bildung der Anode auegenutzt. Die vorliegende Erfindung ist auf Zellen beider Art anwendbar.

Die herkömmliche Elektrolysezelle zur Gewinnung von Aluminium enthält eine Kohlenstoffkathode, die entweder aus einer eingestampften monolytbischen Kohleastoffauskleidung besteht, in die geeignete Stromsammeischienen eingebettet Bind oder aus vorgebrannten Kohlenstoffblöcken mit geeigneten einge* gossenen Stromsammelsohienen, beispielsweise aus Gußeisen oder Stromsammeischienen, die mit Kohlenstoff oder einer Graphitpaa* einzementiert werden. Unter der Kohlenstoffschicht liegt im

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allgemeinen ein mehrere Zentimeter dickes Wärmeisolationsmaterial aus Aluminiumoxid oder Ziegelwerk. Die Kohlenstoffauskleidung und die Isolierschicht werden von einem Stahlbebälter umgeben, der in geeigneter Weise versteift ist. Bei dieser Konstruktion leitet die gesamte Kohlenstoffmasse elektrisch und bildet zugleich einen Behälter zur Aufnahme des.flüssigen Aluminiums und des geschmolzenen Elektrolyten. Unter normalen Betriebsbedingungen dringen der Elektrolyt oder die Bestandteile des Elektrolyten in die Kohlenstoffauskleidung und in die isolier- ä schicht ein oder durch diese bindunJQ. Geschmolzenes bzw. flüssiges Aluminium greift die aus Stahl bestehenden Stromsararaelschienen an und löst sie auf, was zu einer Zerstörung der Kathode führen kann durch Kräfte, die unterhalb der Kohlenstoffaiskleidung entstehen und nach und nach dazu führen, daß die Auskleidung reißt und sich verwirft. Es gibt zwei Theorien über die Ursachen dieser Kräfte und ihre Wirkung. Die erstere und herkömmlichere Theorie besagt, da3 Natrium aus dem Bad in die Kathode eindringt und mit dem Kohlenstoff reagiert, so daß dieser sich ausdehnt. Daraufhin wiederum werden die Seitenwände nach außen gedrückt und der Boden oft angehoben. Die Theorie besagt, daß nach Beginn der Elektrolyse Natrium freigesetzt wird, und zwar an der Grenzfläche zwischen dem Bad und dem Metall oder gebildet wird durch Reaktion des Aluminiums mit dem Bad, welches sich dann in dem Metall löst und in die Auskleidung hineindiffundiert. Zur gleichen Zeit

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bildet die Auskleidung nach und nach aufgrund unbekannter Vorgänge Graphit. Eine Fluor enthaltende Verbindung diffundiert aus dem Bad durch die Auskleidung mit einer langsameren Geschwindigkeit hindurch als Natrium. Diese langsamere Geschwindigkeit mag auf das größere Molekül oder den niedrigeren Dampfdruck zurückzuführen sein. Dann reagiert sie mit dem Natrium und bildet Natriumfluorid und andere Produkte. Daran anschließend kann eine Diffusion der Badbestandteile in die Poren stattfinden, die Natrium und Natriumfluorid enthalten. Obgleich diese Diffusion die einer Flüssigkeit sein kann, wird sie bei einer normalen Elektrolysezelle zur Gewinnung von Aluminium, bei der eine Kohlenstoffauskleidung unter dem flüssigen Metall vorhanden ist, wahrscheinlich in Dampfform vor sich gehen. Die Adsorption freien Natriummetalls in dem Kohlenstoffgitter führt zur Ausdehnung der Auskleidung. Da eine Reduktionszelle bzw. Elektrolysezelle in einem Stahlgehäuse enthalten ist, wird sich die Kohlenstoffauskleidung aufwerfen. Dieses Aufwerfen ist begleitet von der Bildung von Brüchen oder Rissen. Die Risse füllen sich mit geschmolzenem flüssigem Aluminium, des sogar beide Seiten oder die Stahlsammelschienen erreichen kann und so zu Störungen führt.

Die zweite und neuere Theorie, die von den Fachleuten schnell aufgegriffen wurde, besagt, daß während dee normalen Betriebes Bestandteile des Bades in und duroh die Kohlenstoffauskleidung hindurchgelangen und in die Isolationsschicht aus

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Aluminiumoxid eindringen. Wenn das Bad eine Isotherme erreicht, bei der einer der Bestandteile ausfriert, kristallisiert dieser Bestandteil und bildet säulenförmige Kristalle, die rechtwinklig zur isothermen Fläche wachsen. Nach einer Zeitspanne übersteigen die Kräfte, die durch das Kristallwachstum hervorgerufen werden, nach und nach die Bruchfestigkeit der Kohlenstoffauskleidung, und die Auskleidung bricht und wölbt sich auf. Der ganze Prozeß der Bewegung bei einem Temperaturgradienten, das Gefrieren bei einer bestimmten Isothermen mit der Bildung säulenförmiger Kristalle bewirkt eine Expansion senkrecht zur isothermen Ebene und die Scbichtbildung des Kohlenstoffes verläuft analog den "Frosteufbrachen", die unter Kühlhäusern stattfinden oder in der Nähe von Bodenflächen in kaltem Wetter. Im letzteren Fall kann Feuchtigkeit entgegen der Schwerkraft bis zur O⁰ G - Isotherme aufgesaugt werden, die dann gefriert in Form von säulenförmigen Eiskrißtallen, deren Wachstum erhebliche Kräfte hervorruft, und zwar rechtwinklig zur 0° C - Isotherme, wodurch sogar ganze Gebäude angehoben werden können. In beiden Fällen wurden charakteristische Schichtstrukturen oder Linsen säulenförmiger Kristalle beobsobtet.

ES 1st bekannt, Maßnahmen oder Einrichtungen an den Kohlenetoffauskleidungen vorzusehen, um diese Expaneiocskräfte aufzunebse'.",., entweder dadurch, da3 man Expaneionsverbirdungen iu der Auskleidung vorsieht oder <3aroh geeignete andere Mittel.

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Erfindungegemäß wird nun ein Gehäuse für eine Elektrolysezelle vorgeschlagen, das einen flexiblen Boden besitzt, da? nachgibt, wenn er Belastungen ausgesetzt wird, die in einem Kathodensystem auftreten können. Der flexible Boden muß fest genug sein, das Gewicht des Auskleidungsmaterials zu tragen und darf dabei nur minimal nachgeben, aber muß andererseits so schwach sein, daß er nachgibt, wenn Kristallwachstumskräfte auftreten, die die Größenordnungen erreichen könnten, welche zur Zerstörung der Kohlenstoffauskleidung führen würden.

Diese Ausgestaltung bat den Vorteil, daß die Lebensdauer der Kathode erheblich verlängert wird, weil durch die Erfindung die Verwerfungskräfte praktisch eliminiert werden. Weitere Vorteile der Erfindung sind geringerer Stromverbrauch während des Betriebes der Kathode, ein verbesserter Wirkungsgrad der Zelle und eine bessere Stromverteilung in der Zelle aufgrund der sich ergebenden größeren Stabilität der Kohlenstoffauskleidung.

Erfindungsgemäß umfaßt die Elektrolysezelle ein Traggehäuse, das oben und unten offen ist. Die Bodenplatte ist verschiebbar durch die sich in der Zelle entwickelnden Kräfte in dem Gehäuse angeordnet,und die tbermtohe Isolationsschicht liegt innerhalb des Gehäuses auf der Bodenplatte. Eine stromleitende Auskleidung ist innerhalb des Gehäuses auf der thermit sehen Isolationsschicht angeordnet,und Stromsammeleohienen eindj in die stromleitende Auekleidung eingebettet und erstreoken elita duroh das Gehäuse der Zelle hindurch. Vorzugsweise sind horieon-

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tale, nach innen gerichtete Flansche an der unteren Kante des Gehäuses angeordnet, und die Bodenplatte ist gleitbar auf diesen Flanschen gelagert, wobei die Abmessungen der Bodenplatte kleiner sind als die inneren Abmessungen des Gehäuses, so daß die Platte frei unter den sich in der Zelle entwickelnden Kräften nachgeben kann. Normalerweise ist das thermische Isolationsmaterial ein Granulat,und geeignete Abdichtungsmittel sind an dem Gehäuse vorhanden, um zu verhindern, daß das Isolationstnaterial aus dem Gehäuse am Rand der Bodenplatte herausfallen kann.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung, die ein AuGführungsbeicpiel zeigt, näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Schnitt in schematiscber Darstellung durch eine Elektrolysezelle mit der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 ist ein Vertikalschnitt eines Teiles des Gehäuses einer Elektrolysezelle, aus der die Ausbildung des Gehäuses und der Bodenplatte in größerem Maßstab ersichtlich ist,

Fig. 3 ist eine Draufsicht eines Teiles der Bodenplatte,

Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, in der die

Verwerfung der Bodenplatte einer Elektrolysezelle gemäß der Erfindung dargestellt ist in Abhängigkeit vom Alter und

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Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, aus der die Verwerfung der Seitenwand einer Elektrolysezelle gemäß der Erfindung und die Verwerfung der Seitenwand einer herkömmlichen Elektrolysezelle in Abhängigkeit von der Zeit ersichtlich ist.

In Fig. 1 ist eine Elektrolysezelle 10 dargestellt. Die - Zelle 10 besteht aus einem Gehäuse 12, welohes oben und unten offen ist, insofern also nur einen Mantel darstellt. In dem Gehäuse 12 ist eine Bodenplatte 14 enthalten, die sich unter den Kräften, die in der Zelle entstehen, verschieben kann. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform erfolgt das unter Verwendung von horizontal nach innen gerichteten Flanschen 16, die mit dem unteren Ende des Gehäuses 12 verbunden sind. Die Bodenplatte 14 liegt gleitbar auf den Flanschen 16, wobei die Abmessungen der Platte 14 kleiner sind als die inneren Abmessungen des Gehäuses oder des Mantels 12, so daß die Platte 14 sich frei ausdehnen kann und sich auch unter den Kräften, ) die während des Betriebes der Zelle entstehen, verbiegen kann. Innerhalb des Gehäuses 12 und auf der Platte 14 liegt eine Schicht aus V/ärmeisolationsmaterial 18. Eine stromleitende Auskleidung 20 aus einem geeigneten Material, beispielsweise Kohlenstoff, ist innerhalb des Gehäuses 12 und auf der Isolationsschicht 18 angeordnet. Wie bereits oben erwähnt, sind geeignete Stromsammeischienen 22 in der stromleitenden Auskleidung

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20 enthalten und erstrecken sich nach außen durch das Gehäuse 12 hindurch zu einer geeigneten nicht dargestellten elektrischen Anschlußstelle. Die Elektrolysezelle 10 ist auf einer Befestigung» einrichtung 24 auf Sockeln 26 aufgestellt, so dato unterhalb der Zelle iO Platz vorhanden ist, in den sich die Bodenplatte 14 hinein/verbiegen kann. Eine Schicht aus geschmolzenem flüssigem Aluminium sammelt sich auf der Auskleidung 20 während des Betriebes der Zelle an und dient als Kathode und ist mit dem Beagszeichea 28 bezeichnet. Eine oder mehrere sich verbrauchende Kohlenstoffanoden 30 sind oberhalb der Zelle 10 an nicht dargestellten Stromleitereinricbtungen aufgehängt und tauchen mit ihren unteren Enden in eine .Schicht aus geschmolzenem Elektrolyt, der mit 33 bezeichnet ist, ein, der sich ebenfalls in der Zelle 10 befindet. Der Elektrolyt besteht au? einem G-etnisch aus Aluminiumoxid und Kryolith. Eine Kruste 34 aus erstarrtem Elektrolyt und Aluminiumoxid deckt das Bad oder den Elektrolyten 32 ab und 1st seinerseits mit einer zusätzlichen Menge Aluminiumoxid abgedeckt, vas in der Zeichnung aber nicht dargestellt ist. Geeignete Versteifungsmittel 36 aind an der Bodenplatte 14 befestigt, so da?, die Bodenplatte stark genug wire, c?.s Gewicht de?: Isolation -8, der Kohlenstoffauskleidung 20, des geschmolzenen Al'USiniums 28, des Elektrolyten 32 und der Kruste 34 zu trage;,, ohne dadurch wesentlich verbogen su werden* Die Bodeaplf: r.'¹ ist jedoch nicht so etark, de3 sie nicht bei auftretenc*■■■:> > Krlötallwecbstum sieb verbiegen konnte, ur.ö zwar ehe durcb 6bb XristaI!wachstum Kräfte entstehen, die <Jr^: 3en

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erreichen, durch die die Kohlenstoffauskleidung 20 zu Bruch gehen könnte.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausgestaltung sind geeignete Dichtungsmittel 38, beispielsweise ein Winkelprofil aus einem geeigneten Material, an dem Gehäuse 12 befestigt und überlappen die Bodenplatte 14, so daß das Isolationstnaterial 19 am Rand der Bodenplatte 14 nicht aus dem Gehäuse herausfließen kann. Diese Dichtung ist dann von besonderer Bedeutung, wenn das Isolationsmaterial 18 ein Granulat iet.

Fig. 3 zeigt deutlicher die Anordnung der Versteifüngemittel 36 und auch, wie die Bodenplatte 14 auf den Flanschen gelagert ist, so daß sich die Bodenplatte 14 verwerfen oder nachgeben kann.

In der graphischen Darstellung in Fig. 4 ist die Verwerfung eines Bodens einer Elektrolysezelle, die nach der erfindungsgemäßen Ausgestaltung gebaut ist, dargestellt, d. ta·. einer Zelle mit einem nachgiebigen Boden. Wie aus dieser graphischen Darstellung zu entnehmen ist, biegt sich die Bodenplatte 14 tatsächlich unter äem Einfluß des Kristallwacbstutas an der Grenzschicht zwischen der Kohlenstoffauskleidung und der Isolation nach unten.

Fig. 5 zeigt graphisch die entsprechende Verwerfung der niedrigen Seitenwände der Elektrolysezelle bei der Anwendung der Erfindung. Wie aus Fig. 5 hervorgeht, steigt die Verwerfung der Seitenwand ziemlich konstant in den ersten 400 Sagen en und wird dann durch die Verwerfung dee Bodens

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gesteuert, so daß sie nur noch sehr langsam weiter ansteigt. Diese Daten unterscheiden sich erheblich von jenen, die in der anderen Kurve der i'ig. 5 für eine Zellenkonstruktion herkömmlicher Art wiedergegeben sind, woraus zu ersehen ist, daß im Laufe der Zeit diese Kurve ganz beträchtlich ansteigt. Die mittlere Zeitspanne für eine Verwerfung der Seitenwand um etwa 7,5 era einer herkömmlichen Zelle liegt zwischen 600 und 850 i'agen, je nachdem, ob für die Koblenstoffauskleidung eine Gasanthrazitpaste oder eine elektrisch kalzinierte Anthrazitpaste verwandt wurde, ftach 300 Tagen hat eine Elektrolysezelle geraiii? der vorliegenden Erfindung eine Seitenwandverwerfung von weniger als etwa 3»7 cm.

Daraus geht hervor, daß die erfindungsgemäße Ausgestaltung der herkömmlichen Ausgestaltung wesentlich überlegen ist. Der nachgiebige Boden der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist fest genug, das Gewicht, welches auf ihm lastet, zu tragen, aber ist doch so schwach, daß er nachgibt, wenn Kristallwachstum beginnt und ehe die sich aus dem Kristallwacbstum ergebenden Kräfte die Kohlenstoffauskleidung zerstören. Dadurch wiederum wjad die Lebensdauer der Kathode verlängert. Weitere Vorteile, die sich durch die Erfindung ergeben, sind geringe Stromverluste in der Kathode während deren Lebensdauer, ein besserer Wirkungsgrad der Zelle und eine bessere Stromverteilung in der Zelle, was alles auf die größere Stabilität des Kathodensystems zurückzuführen ist, was sich

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wiederum durob die erfindungBgemäße Ausgestaltung des Bodens der Zelle ergibt.

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Claims (3)

Patentansprüche

1. Elektrolysezelle zur Gewinnung von Aluminium mit einem Gehäuse, einer Wärmeisolationsschicht und einer elektrisch leitenden Auskleidung, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (14) des Gehäuses (12) der Zelle nachgiebig ist.

2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenränder des Gehäuses (12) der Zelle an ihren unteren Rändern Winkelprofile (16) mit horizontal nach innen gerichteten Planschen tragen, auf denen die Bodenplatte (14) frei aufliegt und Abmessungen aufweist, die kleiner sind als die Abmessungen des Gehäuses (12).

3. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Granulats els Isolationsmaterial (18) Dichtungsmittel (38) vorgesehen sind, die mit den Rändern der Bodenplatte zusammenwirken.

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