DE1915141A1

DE1915141A1 - Mehrzellenofen fuer die Schmelzelektrolyse von Aluminium

Info

Publication number: DE1915141A1
Application number: DE19691915141
Authority: DE
Inventors: De Pava Alberto Vajna; Guiseppe De Varda
Original assignee: Montedison SpA
Current assignee: Montedison SpA
Priority date: 1968-03-26
Filing date: 1969-03-25
Publication date: 1969-10-02
Also published as: SE347767B; US3647673A; FR2004728A1; JPS4940524B1; ES365203A1; GB1263144A; NO122558B; AT287330B; BE730413A; CH517182A; OA03375A

Description

*■■■-.

München, den 13. Februar 1969 M/9578

Montecatini Edison S.p.A,
und Giuseppe de Varda
Mailand / Italien

Mehrzellenofen für die Schmelzelektrolyse von Aluminium

Die Erfindung betrifft eine Verbesserung in Mehrzellenöfen mit bipolaren aufgehängten Elektroden für die Herstellung von elektrolytischem Aluminium durch thermische Elektrolyse von Aluminiumoxyd, das in Fluorverbindungen enthaltenen Schmelzbädern gelöst ist.

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Die Erfindung betrifft insbesondere die Form des Wannenbodens der besagten Mehrzellenöfen, zum Beispiel Öfen des in der italienischen Patentschrift 659 283 der Anmelderin beschriebenen und beanspruchten Typs.

Es ist bekannt, daß in den herkömmlichen öfen des alten Typs (mit Soederberganode oder gebrannten Anoden) für die Herstellung von Aluminium durch thermische Elektrolyse von ^ Aluminiumoxyd, das in einem Kryolithbad gelöst ist, die aus kohlenstoffhaltigem Material bestehende Wanne und das Aluminium selbst als Kathode wirken und das hergestellte Aluminium am Boden der Wanne gesammelt wird, wodurch ein einziger kontinuierlicher Oberflächenniederschlag gebildet wird; bei den oben beschriebenen Mehrzellenöfen dagegen hat die Wanne nur eine Auffangfunktion für das Bad und das Metall, das sich am Boden der Wanne selbst niederschlägt nach dem Trennen an den kathodischen Oberflächen der bipolaren

Elektroden und an der Endkathode. Mit anderen Worten gesagt, während in den genannten herkömmlichen Öfen des alten Typs der gesamte metallische Niederschlag immer kathodisch polarisiert ist und die elektrische Energie hindurchfließt, erfolgt dies nicht oder nicht unbedingt in den genannten Mehrzellenöfen.

In den letztgenannten Öfen dagegen, wenn die Kontinuität des am Wannenboden gesammelten metallischen Niederschlags nicht unterbrochen werden soll, wird eine beträchtliche

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Menge der elektrischen Energie durch das Metall selbst (ein ausgezeichneter Stromleiter) "abgeleitet", wodurch folglich das Elektrodensystem abgeleitet Wird und deshalb für den
Zweck der Elektrolyse nutzlos ist.

Zur Überwindung dieses Nachteils wurde schon vorgeschlagen, den Ofenboden entsprechend auszugestalten, so daß das Metall in Niederschlägen, die voneinander getrennt sind in einer
Querrichtung zur Richtung des durch den Ofen fließenden
elektrischen Stroms, gesammelt werden kann.

Zum Beispiel in der schon genannten italienischen Patentschrift 659 283 ist der mit feuerfestem und inertem Material beschichtete Wannenboden des Ofens so ausgebildet, daß einzelne Aussparungen entlang der Wanne vorgesehen sind, durch die das Metall, das durch die Elektrolyse auf den kathodischen Oberflächen der einzelnen Elektroden hergestellt wird, wenn es durch die Schwerkraft nach unten sinkt, getrennt gesammelt werden kann.

Dieee vueraussparungen sind in dem genannten feuerfesten
Material in Übereinstimmung mit den Zwischenräumen zwischen den Elektroden angebracht. Deshalb ist für jeden einzelnen
interelektrodischen Zwischenraum mindestens eine Metallsammelnde Aussparung vorhanden.

Nach einer anderen Möglichkeit gemäß der italienischen Patentschrift 802 847 der Anmelderin können die das geschmolzene
Metall sammelnden Zonen als Taschen (auch Sammel- oder

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Auf fangt as eh. en genannt) ausgebildet sein, die in höher als die Oberfläche des Ofenbodens liegende Wände oder Zwischenwände aus einem Material mit einem großen elektrischen Widerstand eingeschlossen sind oder von diesen gebildet werden.

In Bezug auf die Anzahl dieser Aussparungen oder Sammeltaschen nach den obigen Vorschlägen gemäß der optimalen Bedingung zum Aufteilen des metallischen Mederschlage ist diese Anzahl mindestens gleich der Zahl der Elektrodenzw'ischenräume und das heißt, daß mindestens eine Aussparung oder Sammeltasche unterhalb eines jeden Elektrodenzwischenraumes (das heißt unter jeder Zelle) liegt.

Die genannten Typen der Bodenausgestaltung nach der genannten bekannten Technik, die das Ableiten des Stromes durch den metallischen Niederschlag verhindert, bringen einige Nachteile mit sich wegen der Vielzahl der Sammeltaschen oder Aussparungen, wobei eine solche Vielzahl auf der anderen Seite erforderlich ist für das Aufteilen-innerhalb des beschriebenen und beanspruchten Bereiches der genannten. Patentschriften des MetallniederSchlages und für die Abwesenheit eines Ableitene.

Diese Nachteile bestehen im wesentlichen darin, daß es notwendig ist, den MetallgußVorgang so viele Male, wie die Zahl der Metallsammeltaschen (aus diesem Grunde in dieser Weise bezeichnet) beträgt, an verschiedenen Punkten des Ofens zu wiederholen, wobei auf diese Weise in verschiedenen Zonen

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die Haut des Bades unterbrochen werden muß, die auf der Oberfläche der Elektrodenzwischenräume und in den Zwischenräumen zwischen den Elektroden und den Wannenwänden gebildet wird, wodurch das thermische Gleichgewicht des Ofens verändert wird.

Weiterhin ist es erforderlich, die Elektroden zu versetzen (die Entfernung zwischen ihnen, die "interpolarer Raum" genannt wird, wird vorzugsweise auf einem Mindestwert von 5 cm gehalten), um über der zum Sammeln bestimmten Aussparung oder Tasche einen Raum für die Einführung der Abziehvorrichtung zu schaffen.

Alle oben erwähnten Vorgänge, die offensichtlich durchgeführt werden müssen, wenn der Ofen mindestens teilweise freigemacht ist, wodurch folglich das thermische Gleichgewicht des Ofens Verändert wird, bringen Zeitverluste und bemerkenswerte betriebliche Schwierigkeiten mit sich.

Ein weiterer Nachteil für das Anbringen der Taschen zum Abziehen oder Sammeln des Aluminiums unterhalb jeder Zelle tritt ein, wenn die Trennwände durch Risse oder Eindringen von geschmolzenem Metall nicht langer als elektrisch isolierendes Material wirken. In diesem Fall werden zwei oder mehr Taschen elektrisch kurzgeschlossen, das Ableiten des Stromes erhöht sich, während die Leistungsfähigkeit des Stromes abnimmt.

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'Es ist ein. Ziel der Erfindung, einen. Boden für Mehr**llenöfen bereitzustellen, der die mit den herkömmlichen öfen nach dem Stand der !Technik erzielten Vorteil· beibehält,

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der jedoch die oben erwähnten Nachtelle vermeidet. Gegenstand der Erfindung ist die Bereitstellung ein·· Boden· für Mehrzellenöfen mit einer feuerfesten Wanne, wobei Ableitungsströme durch den metallischen Niederschlag vermie- : den werden, indem die elektrische Kontinuität der Metallschicht am Boden der Wanne unterbrochen wird, ohne daß das geschmolzene Metall in einer Vielzahl von verschiedenen Taschen oder Aussparungen abgezogen wird, und die damit verbundenen Nachteile vermieden werden·

Es wurde gefunden, daß es ausreichend ist, den Boden in Stufen anzuordnen, sogar mit kleinen Erhebungen, jedoch mit klar überstehenden Stufen, so daß das geschmolzene Aluminium, das durch die Elektrolyse hergestellt wird und sich am Boden als ein dünner Film niederschlägt, zu der SammeUfBche (oder -taschen) diskontinuierlich hinfließt, da jede Stufe einen Bruch und folglich die Diskontinuität des lilmea oder Stromes des fliessenden flüssigen Metalls hervorruft, wodurch ein Ableiten des Stromes durch den Metallniederschlag nicht möglich ist oder doch mindestens der Wert dieser Ableitungeströme sehr verringert wird.

Auf diese Weise und dies ist der wichtigste Punkt ist es möglich, die Zahl der Sammeltaschen und deshalb der Abzi.ehvorriehtungen herabzusetzen.

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Es ist selbstverständlich, daß es nach den obigen Gesichtspunkten vorzuziehen ist, eine möglichst kleine Zahl Sammeltaschen, möglichst nur eine einzige SammeItasche zu haben. Bei der Festlegung der Zahl der Sammeltaschen wird natürlich die Zahl der Elektrodenzweischenräume, die als elektrolytische Zellen wirken oder in anderen Worten es werden die Dimensionen des Ofens berücksichtigt werden.

Die Zahl der Stufen, die in der Sammeltasche enden, hängt einerseits von der Zahl der Zellen, die die Sammeltasche

ab
zu bedienen hat;ti,/und andererseits richtet sie sich danach, ob das feuerfeste Material des Bodens, auf dem die erwähnten Stufen angeordnet sind, geeignet ist und hängt von den Dimensionen der bipolaren Elektroden ab.

In der Praxis sind der Zahl der Stufen der Sammeltaschen natürlich auch durch die Dicke des feuerfesten Materials des Wannenbodens Grenzen gesetzt.

Folglich ist leicht verständlich, daß für Öfen mit einer großen Zahl bipolarer Elektroden eine größere Zahl Sammeltaschen vorgesehen ist. Auf jeden Fall ist es möglich, mit einer einzigen Sammeltasche für mindestens drei, elektrolytische Zellen, wobei diese Zellen Slektrodenzwischenräume bedeuten, zu arbeiten, was bereits einen entscheidenden Schritt auf die gewünschte Verbesserung hin bedeutet.

In Bezug auf die Anordnung der Stuf e sake t te auf dem Boden

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■wird es vorgezogen, daß für jede Zelle (außer im Fall einer Zelle, die über der Metallsammeltasche liegt) eine Stufe in der Weise vorgesehen ist, daß das "Dach" (horizontale oder Sammelfläche) der Stufe einer jeden Zelle entspricht, so daß die Dächer zweier angrenzender Stufen zwei nebeneinanderliegenden Zellen entsprechen.

Es ist möglich, die oben erwähnten Dächer oder Sammelfläche der genannten Stufen nicht völlig horizontal zu gestalten: zum Beispiel leicht geneigt, um das Herabfließen des Metalls zu der Sammeltasche zubegünstigen; oder leicht geneigt in die entgegengesetzte Richtung oder konkav, wie ein Überfall· Die "Wand" (senkrechte Seite) der Stufe kann eine nicht völlig vertikale sondern eine vertikal überhängende Steigung aufweisen.

Die beigefügten Zeichnungen erläutern diese und weiter© Eigenschaften der vorliegenden Erfindung, .ohne die Erfindung in irgendeiner Weise einzuschränken :

- Figur 1 stellt schematisch einen Längsschnitt durch einen Mehrzellenofen mit einem abgestuften Boden nach der Erfindung mit einer Sammeltasche dar;

- In den Figuren 2 und 3 werden im Längsschnitt schematisch (in einem größeren Maßstab) zwei verschiedene Arten der Kanten für die oben erwähnten Stufen gezeigt;

- Figuren 4» 5 und 6 zeigen im Längsschnitt schematischt Varianten in der Gestalt der Stufen;

- Die Figur 7 stellt schematisch im Längsschnitt einen. Mehr-

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zellenoferi mit erfindungsgemäßem abgestuften Boden mit zwei Sammelt»sehen dar;

- Figur 8 zeigt schematisch im Längsschnitt einen großen Mehrzellenofen mit einem erfindungsgemäßen abgestuften Boden mit zwei Sammeltaschen.

Nach der praktischen Ausführungsform der in Figur 1 veranschaulichten Erfindung fallen die Stufen 1 ( von großer oder kleiner Dimension) vom Ende des Ofens zur Mitte hin ab, wo

eine einzige Sammeltasehej zum Sammeln und Abziehen des sich abgetrennten geschmolzenen Aluminiums angebracht ist.

Die Figuren 2 und 3 zeigen die beiden verschiedenen Arten der Kanten 3, die die unbedingt erforderliche Unterbrechung des dünnen Films oder Metallstromes 4» der auf der Oberfläche der Stufe zu der darunterliegenden Stufe oder der Sammeltasche in Tropfen 4' läuft, begünstigen.

Die Figuren 4 bis 6 veranschaulichen schematisch einige Varianten der Stufengestalt : nach Figur 4 ist das "Dach" in Abstromrichtung abgeschrägt und die Wand herausgeneigt; in den Figuren 5 und 6 ist das "Dach" geneigt bzw. konkav ausgebildet, wie ein Überfall.

Selbstverständlich sammelt sich das Metall in den Ausnehmungen oder Vertiefungen der Stufen in den Figuren 5 und 6 und fließt sofort weiter abwärts; sie sind deshalb nicht mit den eigentlichen Metallsammeltaschen zu verwechseln, die in der Erfin-

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dung auch "Ab zieht aschen" genannt werden.

Diese Form der Stufen ist in keiner Weise als einschränkend zu betrachten.

Der in Figur 7 schematisch veranschaulichte Mehrzellenofen, zeigt eine weitere Porm der praktischen Durchführung der Erfindung, worin die Stufen 1 vom Mittelteil des Ofens abwärts zu den Enden des Ofens angeordnet sind, wo zwei Sammeltasohen 2 zum Auffangen des geschmolzenen Metalls angeordnet sind.

Die oben veranschaulichten Formen des Bodens sind nicht als einschränkend zu betrachten, sondern sind nur als Beispiele angeführt, da der Boden eines Ofens nach der vorliegenden Erfindung auch von regelmäßig wiederkehrender Bauart sein ■ kann, das heißt die Konstruktion kann periodisch eine der oben angegebenen Ofenbauarten wiederholen.

Die in der Erfindung angegebene Bedeutung "periodisch wiederholen" ist deutlich in Figur 8 gezeigt, die einen Ofen darstellt, der durch die Verbindung (oder Annäherung) in Reihe von zwei öfen, wie sie in Figur 1 dargestellt sind, erhalten sein kann, worin zum Beispiel eine einzige Endanode 8 und eine einzige Endkathode 9 vorgesehen ist.

Die zuletzt angegebenejti Ausführungsform der Erfindung ist besonders für öfen mit einer großen Zahl Zellen geeignet,

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da, wenn es erforderlich, ist, einen in den Figuren 1 oder 7 gezeigten Boden für einen Ofen mit so großen Dimensionen herzustellen, die mittlere Sammeltasche oder die beiden Endsammeltaschen zu weit vom Elektrodensystem aus dem bipolaren Elektroden 5, der Endanode 8 und der Endkathode 9 entfernt sind.

Es ist zu vermeiden, daß das elektrolytische Bad 6 erstarrt und die Sammeltasche oder -taschen verstopfen und es folglich nicht möglich ist, das hergestellte Metall abzuziehen.

Gemäß der schematisch in Figur 8 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist es sehr gut möglich, mit zehn Zellen mit nur zwei Sammeltaschen zu arbeiten, ohne daß jedoch die Sammeltaschen so weit vom Elektrolytensystem entfernt sind, daß die oben erwähnten Nachteile auftreten.

Es ist zu beachten, daß die in den Figuren 1, 7 und 8 schematisch veranschaulichten Mehrzellenöfen die bevorzugten Anordnung der Kette großer oder kleiner Stufen in Bezug auf das Elektrodensystem darstellen, das heißt das System steht ein praktisch horizontales flaches Stufendach für das Sammeln des Aluminiums vor, das jedem elektrolytischen Zwischenraum (oder Zelle) 7 entspricht, so daß die Dächer (horizontale oder praktisch horizontale Flächen) zweier nebeneinander liegender Stufen zwei beanachbarten Zellen entsprechen.

In den Bereich der Erfindung fallen jegliche offensichtliche

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Veränderungen und bauliche und funktionelle Äquivalente; sowohl zum Beispiel in Bezug auf die Zahl als auch auf die Form der Stufen und die Wahl des inerten und elektrisch isolierenden Materials, aus dein die oben erwähnten Stufen hergestellt sind (zum Beispiel "!Formelemente aus besonderem feuerfestem Material, die hauptsächlich aus Silikonkarbid mit einer Siliziumnitridlegierung bestehen); In den Bereich der Erfindung fallen ebenfalls offensichtlich analoge Anwendungen auf Öfen, die von den oben beschriebenen verschieden sind.

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Claims

- 13 ' Patentansprüche

1. Mehrzellenfffen mit bipolaren . aufgehängten Elektroden für die Herstellung von Aluminium durch thermische Elektrolyse von in Schmelzbädern mit Fluorverbindungen gelöstem Aluminiumoxyd, der mit einer Wanne aus feuerfestem, elektrisch nicht leitenden Material, mit einem Boden mit Aussparungen oder Taschen zum Sammeln und Abziehen des durch die Elektrolyse hergestellten Aluminiums versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die besagten Aussparungen oder Sammeltaschen· weniger zahlreich sind, als die Zwischenräume oder Zellen zwischen Elektrode und Elektrode und weiter^

daß der besagte Boden abgestuft ist, wobei jede Stufe eine praktisch horizontale Fläche (Dach) und eine praktisch vertikale Fläche (Wand) aufweist und die Stufen zu den besagten Aussparungen oder Samm-e!taschen abfallen.

2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der Zahl der Sammeltaschen und der Zahl der Zellen kleiner oder gleich 1 : 3 ist.

3. Mehrzellenofen nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das "Dach" der Stufen nach einer Richtung leicht geneigt ist, wodurch das Herabfließen des Metalls zu der Tasche, die das Metall seibat sammelt,

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begünstigt wird (Figur 4).

4. Mehrzeilenofen nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das "Dach" der Stufen entgegengesetzt zur Abfließrichtung des Metalle zur Sammeltasehe dee Metalls selbst leicht geneigt ist (Figur 5).

5. Mehrzellenofen nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gkennzeich.net, daß das "Dach" der Stufen leicht hohl, wie ein Überfall, ist (Figur 6).

6« Mehrzellenofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand der Stufen eine vertikal überhängende Steigung aufweist (Figur 4).

7. Mehrzellenofen nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für Jede Zelle vorzugsweise eine

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Stufe (außer für eine Zelle über der Metallsammeltasche) in der Weise vorhanden ist, daß das "Dach" der Stufe ! jeder Zelle entspricht, so daß die "Dächer" von zwei .! nebeneinander liegenden Stufen zwei benachbarten Zellen entsprechen·

8. Mehrzellenofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten der Stufen eine vorspringende Form (3) haben, um das Zerreißen der Haut oder des flüssigen Metallstromes, der

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zum niedrigsten Punkt oder zu den niedrigsten Punkten der Bodenwanne des Ofens selbst herabfließt, zu begünstigen (Figuren 2 und 3).

9· Mehrzellenofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufen von den Enden der Ofenwanne zur Mittelzone, in der sich eine einzige Sammeltasche für das geschmolzene Metall befindet, abfallen (Figur 1).

10. Mehrzellenofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufen von der Mittelzone der Ofenwanne zu deren Enden, wo sich zwei Sammeltaschen für das geschmolzene Material befinden, abfallen (Figur 7).

11. Mehrzellenofen, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden eine regelmäßig wiederkehrende Bauart aufweist, die den Ofen nach den Ansprüchen 1, 2, 9 oder 10 periodisch wiederholt, (Figur 8).

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