DE2120888C3 - Aluminum electrolytic cell - Google Patents

Aluminum electrolytic cell

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DE2120888C3
DE2120888C3 DE19712120888 DE2120888A DE2120888C3 DE 2120888 C3 DE2120888 C3 DE 2120888C3 DE 19712120888 DE19712120888 DE 19712120888 DE 2120888 A DE2120888 A DE 2120888A DE 2120888 C3 DE2120888 C3 DE 2120888C3
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Hans Dr.-Chem. Fehraltorf; Schmidt-Hatting Wolfgang Dr.-Ing. Chippis; Bohner (Schweiz)
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Description

'5'5

bestimmt ist, wobei der errechnete Querschnitt um 10% nach oben oder nach unten abweichen darf.is determined, whereby the calculated cross-section may deviate upwards or downwards by 10%.

Für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid (Al2O3, Tonerde) wird dieses in einer Fluoridschmelze gelöst. Die Elektrolyse erfolgt in einem Temperaturbereich von etwa 940 bis 975 C. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium sammelt sich unter der Fluoridschmelze auf dem Boden der Zelle. In die Schmelze tauchen von oben Anoden aus amorphem Kohlenstoff ein. An den Anoden entsteht durch die elektrolytische Zersetzung des Aluminiumoxids Sauerstoff, der sich mit dem Kohlenstoff der Anoden zu CO und CO2 verbindet.For the production of aluminum by electrolysis of aluminum oxide (Al 2 O 3 , alumina) this is dissolved in a fluoride melt. The electrolysis takes place in a temperature range of about 940 to 975 C. The cathodically deposited aluminum collects under the fluoride melt on the bottom of the cell. Anodes made of amorphous carbon are immersed in the melt from above. At the anodes, the electrolytic decomposition of the aluminum oxide creates oxygen, which combines with the carbon of the anodes to form CO and CO 2.

Das Prinzip einer Aluminium-Elektrolysezelle geht aus der F i g. 1 hervor, die einen Schnitt in Längsrichtung zeigt. Die Fluoridschmelze 10 (der Elektrolyt) befindet sich in einer mit Kohlenstoff 11 ausgekleideten Stahlwanne 12, die mit einer thermischen Isolation 13 aus hitzebeständigem Material versehen ist. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium 14 liegt auf dem Boden 15 der Zelle. Die Oberfläche 16 des flüssigen Aluminiums stellt die Kathode dar. In die Kohlenstoffauskleidung 11 sind eiserne Kathodenbarren 17 eingelassen, die den Strom aus dem Boden der Zelle nach außen führen. In die Fluoridschmelze 10 tauchen von oben Anoden 18 aus amorphem Kohlenstoff ein, die den Gleichstrom dem Elektrolyten zuführen. Sie sind über Stromleiterstangen 19 und durch Schlösser 20 mit dem Anodenbalken 21 fest verbunden. Der Elektrolyt 10 ist mit einer Kruste 22 aus erstarrter Schmelze und einer darüber befindlichen Tonerdeschicht 23 bedeckt. Der Abstand d der Anodenunterseite 24 zur Aluminiumoberfläche 16, auch Interpolardistanz genannt, läßt sich durch Heben oder Senken des Anodenbalkens 21 mit Hilfe der Hubwerke 25 verändern, die auf Säulen 26 montiert sind. Infolge des Angriffs durch den bei der Elektrolyse in Freiheil gesetzten Sauerstoff verbrauchen sich die Anoden an ihrer Unterseite täglich um elwa 1,5 bis 2 cm je nach 6c Zellentyp.The principle of an aluminum electrolysis cell is based on FIG. 1 showing a section in the longitudinal direction. The fluoride melt 10 (the electrolyte) is located in a steel tub 12 lined with carbon 11, which is provided with thermal insulation 13 made of heat-resistant material. The cathodically deposited aluminum 14 lies on the floor 15 of the cell. The surface 16 of the liquid aluminum represents the cathode. Iron cathode bars 17 are embedded in the carbon lining 11, which conduct the current from the bottom of the cell to the outside. Anodes 18 made of amorphous carbon, which feed the direct current to the electrolyte, are immersed in the fluoride melt 10 from above. They are firmly connected to the anode bar 21 via conductor rods 19 and locks 20. The electrolyte 10 is covered with a crust 22 of solidified melt and an alumina layer 23 located above it. The distance d between the anode underside 24 and the aluminum surface 16, also called the interpolar distance, can be changed by raising or lowering the anode bar 21 with the aid of the lifting mechanisms 25 which are mounted on columns 26. As a result of the attack by the oxygen released during electrolysis, the anodes on their underside are consumed by about 1.5 to 2 cm per day, depending on the 6c cell type.

Die eisernen Kathodenbarren im Kohleboden sind gute Wärmeleiter. Sie führen dementsprechend Wärmemengen aus dem Zelleninnern nach außen ab; diese abgeführten Wärmemengen stellen Verluste dar, die durch Zufuhr von elektrischer Energie ausgeglichen werden müssen. Außerdem entsteht in den Kathodenbarren Joulesche Wärme. Diese reduziert denjenigen Wärmefluß, der ohne Entstehung der Jouleschen Wärme durch die Barren nach außen fließen würde.The iron cathode bars in the coal floor are good heat conductors. Accordingly, they carry amounts of heat from inside the cell to the outside; these dissipated amounts of heat represent losses which have to be compensated for by supplying electrical energy. In addition, the Cathode bar Joule heat. This reduces the heat flow that occurs without the Joule heat through the bars to the outside would flow.

Fiü. 2 deutet schematisch den Querschnitt einer Elektrolysezelle an.Fiü. 2 schematically indicates the cross section of a Electrolysis cell on.

Die Kathodenbarren 17 haben zwei Aufgaben. Sie sammeln den Strom aus dem aktiven Teil 27 des Kohlebodens unterhalb der Anoden 18 und leiten ihn aus der Zelle heraus, dienen also außerhalb des aktiven Teils des Kohlebodens als reine Stromleiter. Sie sind dort mit 28 bezeichnet. Wo sie den Strom sammeln und mit 29 bezeichnet sind, erhöht sich die Stromstärke im Kathodenbarren nach außen. Man ist bestrebt, innerhalb des aktiven Teils des Kohlebodens einen großen Kaihoden barrenquerschnitt einzubauen. um die Kontaktfläche Eisenbarren Kohleboden zu erhöhen und damit den Kontaktwiderstand zu \eiT.;r>aen"i.The cathode bars 17 serve two purposes. They collect the current from the active part 27 of the carbon base below the anodes 18 and lead it out of the cell, so serve as a pure conductor outside the active part of the carbon base. They are labeled 28 there. Where they collect the current and are labeled 29, the current strength in the cathode bar increases to the outside. Efforts are being made to build a large cross-section of the Kaihoden bar within the active part of the coal soil. in order to increase the contact surface of the iron bar and the carbon base and thus the contact resistance. ; r> aen "i.

In der Pwixis verwendet man außerhalb des aktiven Teils des Kohlebodens den gleichen Querschnitt für den Kathodenbarren wie innerhalb des aktiven Teils. Hierdurch liegt man jedoch in bezug auf die Wärmeverluste durch die Barren ungünstig. Es wird sehr viel Wärme aus dem Zelleninnern abgeleitet.In the Pwixis, the same cross-section is used for outside the active part of the coal floor the cathode bar as inside the active part. However, this puts you in a position to relate to the heat losses unfavorable due to the bars. A lot of heat is dissipated from inside the cell.

Erfindungsgemäß wird nun zur Herabsetzung der Wärmeverluste der Querschnitt der eisernen Kathodenbarren außerhalb des aktiven Teils des Kohlebodens verringert. Hierdurch wird der Wärmefluß aus der Schmelze durch die Barren nach außen reduziert. Allerdings erhöht sich die Erzeugung von Joulescher Wärme im querschnittsverringerten Teil der Kathodenbarren, da dort die Stromdichte gegenüber derjenigen im aktiven Teil des Kohlebodens erhöht ist.According to the invention, the cross section of the iron cathode bar is now used to reduce the heat losses outside the active part of the coal floor. This turns off the heat flow the melt is reduced to the outside through the ingot. However, the generation of Joules increases Heat in the part of the cathode bar with reduced cross-section, since there the current density compared to that is increased in the active part of the carbon soil.

Die Erhöhung der Erzeugung von Joulescher Wärme setzt der Verjüngung des Kathodenbarrenquerschnitts eine Grenze, da von einem bestimmten Punkt mehr Joulesche Wärme entsteht als durch Verringerung der Wärmeverluste infolge Wärmeleitung der Katho"-denbarren eingespart werden kann. Diese Grenze läßt sich am besten durch praktische Versuche mit der in Betracht kommenden Aluminiumelektrolysezelle ermitteln. The increase in the generation of Joule heat continues the tapering of the cathode bar cross-section a limit, since from a certain point more Joule heat is generated than by reduction the heat losses due to thermal conduction of the cathode bar can be saved. This limit can best be determined by practical experiments with the in Determine the relevant aluminum electrolysis cell.

Bei den wirtschaftlichen Überlegungen ist jedoch auch die Materialeinsparung bei den Kathodenbarren zu berücksichtigen.In economic considerations, however, the material savings in the cathode bars are also important to consider.

Eine Weiterentwicklung der Erfindung bezieht sich auf die optimale Verjüngung der Kathodenbarren außerhalb des aktiven Teils des Kohlebodens ohne Berücksichtigung der Materialeinsparung. (Diese spielt im Vergleich zur Energieeinsparung eine untergeordnete Rolle.)A further development of the invention relates to the optimal tapering of the cathode bars outside the active part of the coal floor without taking into account the saving of material. (This plays a subordinate role compared to energy saving.)

Diese optimale Verjüngung (Verhältnis des Querschnitts außerhalb des aktiven Teils des Kohlebodens zum Querschnitt innerhalb des aktiven Teils) wird durch die folgende Gleichung beschrieben:This optimal taper (ratio of the cross section outside the active part of the coal soil to the cross section within the active part) is described by the following equation:

1 / /2 ■ » -"0,86 · L2 1 / / 2 ■ »-" 0.86 · L 2

Verhältnis des Kathodenbarrenquerschnittes außerhalb des aktiven Teils des Kohlebodens zum Kathodenbarrenquerschnitt innerhalb des aktiven Teils des Kohlebodens (%).
Stromstärke im Kathoden barren (A).
Spezifischer elektrischer Widersland der Kathodenbarren bei einer Temperatur, die 1/2 (T, + T2) entspricht (Um).
Ratio of the cathode bar cross section outside the active part of the carbon base to the cathode bar cross section inside the active part of the carbon base (%).
Amperage in the cathode bar (A).
Specific electrical contradiction of the cathode bars at a temperature corresponding to 1/2 (T, + T 2 ) (Um).

Länge der Kathudenbarren außerhalb des aktiven Teils des Kühlebodens (m).
Anteil der Jouleschen Stromwärme der Kathodenbarren, der nicht nach außen abfließt. Spezifische thermische Leitfähigkeit der Kathodenbarren bei einer Temperatur, die 1 2 (T1 + T,) entspricht (~*~
Length of the cathude bars outside the active part of the cooling floor (m).
Share of Joule heat from the cathode bar that does not flow out to the outside. Specific thermal conductivity of the cathode bar at a temperature corresponding to 1 2 (T 1 + T,) (~ * ~

\ mn L J \ mn L J

Tx = Temperatur der Kathodenbnrren an der Austrittsstelle der Barren aus dem aktiven Teil des Kohlebodens ( C). T x = temperature of the cathode tubes at the exit point of the bars from the active part of the carbon base (C).

7", = Temperatur der Kathodenbarren an ihren äußeien Enden ( C).7 ", = temperature of the cathode bars at their outer ends (C).

A,2, = Querschnitt der Kathodenbarren innerhalb des aktiven Teils des Kohlebodens (rrrj.A, 2 , = cross section of the cathode bar within the active part of the carbon bottom (rrrj.

Der errechnete äußere Querschnitt darf um 10% nach oben oder nach unten abweichen.The calculated outer cross-section may deviate upwards or downwards by 10%.

Beispielexample

100-kA-Elektrolysezelle mit 19 eisernen Kathodenbarren (= 38 Kathodenbarrenenden. die nach außen führen).100 kA electrolysis cell with 19 iron cathode bars (= 38 cathode bar ends that lead to the outside).

/ = Stromstärke je Kathoden-/ = Current intensity per cathode

barrenende 2630Abar end 2630A

ο = Spezifischer elektrischer ο = more specific electrical

Widerstand 0.4K)11LImResistance 0.4K) 11 LIm

L = Länge 0.6 m L = length 0.6 m

u — (üblicherweise) 0.2 u - (usually) 0.2

Spezifische thermische
Leitfähigkeit
Specific thermal
conductivity

4545

kcal
mh C
kcal
mh C

A,, Temperatur der Kathodenbarren an deren Austrittsstelle aus dem aktiven Teil A ,, temperature of the cathode bars at their exit point from the active part

des Kohlebodens 700 Cof the coal floor 700 C

Temperaiur der Kathodenbarren am äußeren Ende .. 200 C
Querschnitt der Kathodenbarren innerhalb des
aktiven Teils des Kohlebodens Π,Ο- lCT-'nr
Temperature of the cathode bars at the outer end .. 200 C
Cross section of the cathode bar within the
active part of the coal soil Π, Ο- lCT-'nr

Man erhält: V - 50% (zulässig wären hier Werte zwischen 45 und 55%).The result is: V - 50% (values between 45 and 55% would be permissible here).

Eine Elektrolysezelle der angegebenen Größe verliert durch die 19 Kathodenbarren mit nicht verjüngtem Querschnitt in 24 Stunden eine Wärmemenge von 4(X)OOO bis 500000 kcal. Durch eine Verjüngung in dem vorgeschlagenen Maße lassen sich 250 000 bis 300 000 kcal in 24 Stunden einsparen, was einer Verringerung des spezifischen elektrischen Energieverbrauches" bis zu 0,5 kWh/kg Al entspricht.An electrolytic cell of the specified size loses through the 19 cathode bars with a non-tapered cross-section, an amount of heat of 4 (X) OOO to 500,000 kcal. By tapering to the proposed extent, 250,000 to Save 300,000 kcal in 24 hours, which means a reduction in the specific electrical energy consumption " corresponds to up to 0.5 kWh / kg Al.

Fs kommt hinzu, daß durch die Verringerung der Wärmeabfuhr aus der Kathode der thermische Gradient im Zellenboden verkleinert wird, was sich günstig auf die Haltbarkeit der Kohlenstoff-Wannenauskleidung auswirkt. Es ergeben sich ferner Materia!- und Gewichtseinsparungen, die pro Zelle eine Tonne und mehr betrauen können.In addition, by reducing the heat dissipation from the cathode, the thermal gradient is reduced in size in the cell floor, which has a positive effect on the durability of the carbon tub lining affects. There are also material and weight savings that amount to a ton per cell can trust more.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (2)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Aluminium-Elektrolysezelle mit eisernen Kathodenbarren in der Kohlenstoffauskleidung des Bodens, gekennzeichnet durch einen geringeren Querschnitt der Kathodenbarren (17) außerhalb des aktiven Teils (27) des Kohlebodens.1. Aluminum electrolytic cell with iron cathode bars in the carbon lining of the Soil, characterized by a lesser Cross section of the cathode bar (17) outside the active part (27) of the carbon base. 2. Aluminium-Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Querschnitt nach der Gleichung2. Aluminum electrolytic cell according to claim 1, characterized in that the outer cross section according to the equation
DE19712120888 1970-05-01 1971-04-28 Aluminum electrolytic cell Expired DE2120888C3 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CH658270A CH527909A (en) 1970-05-01 1970-05-01 Aluminum electrolytic cell
CH658270 1970-05-01

Publications (3)

Publication Number Publication Date
DE2120888A1 DE2120888A1 (en) 1971-11-25
DE2120888B2 DE2120888B2 (en) 1975-09-25
DE2120888C3 true DE2120888C3 (en) 1976-04-29

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