DE2120900A1 - Verfahren zum Auswechseln der Anoden bei der Aluminiumelektrolyse im Fluoridschmelzfluß - Google Patents

Description

Schweizerische Aluminium AG, Chippis

Verfahren zum Auswechseln der Anoden bei der Alurniniumelektrolyse im Pluoridschmelzfluss

Priorität: 1. Mai 19To-; Schweiz; Nr. 658I/T0 ' Für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von • Aluminiumoxid (A LyO-, > Tonerde) wird dieses in einer Pluoridschmelze gelöst. Die Elektrolyse erfolgt in einem Temperaturbereich von etwa 9^-0 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 Alu« miniumoxids Sauerstoff, der sich mit dem Kohlenstoff der Anoden zu CO und CO₂ verbindet.

Das Prinzip einer Aluminium-Elektrolysezelle geht aus der Figur 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 Ij aus hitzebeständige rn Material versehen ist. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium 14 liegt auf dem Boden 15 der Zelle. Die Ober-

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fläche l6 des flüssigen Aluminiums stellt die Kathode dar,, In die Kohlenstoffäuskleidung 11 sind eiserne Kathodenbarren 17 eingelassen, die den Strom aus dem Beden der Zelle nach aussen führen. In die Fluoridschmelze 10 tauchen von oben Anoden l8 aus amorphem Kohlenstoff ein, die den Gleichstrom dem Elektrolyten zuführen. Sie sind über Stromleiterstangen I9 und durch Schlosser 20 mit dem Anodenbalken 21 fest verbunden. Der Elektrolyt 10 ist mit einer Kruste 22 aus erstarrter Schmelze und einer därüberbefindliefen Tonerdeschicht 23 bedeckt. Der Abstand d der Anodenunterseite 24 zur Alurniniumoberflache ΐβ, 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 de.s Angriffs durch den bei der Elektrolyse in Freiheit gesetzten Sauerstoff verbrauchen sich die Anoden an ihrer Unterseite täglich um ca. 1,5 bis 2 cm je nach Zellentyp.

Ist eine Anode bis auf einen nicht mehr funktionsfähigen Rest verbraucht, muss sie herausgenommen und in solcher Weise durch eine neue ersetzt v/erden, dass diese ungefähr die Interpolardistanz erhält,'wie sie die verbrauchte -Anode hatte.

Dies wurde früher oft so erreicht, dass man vor dem Herausnehmen der verbrauchten Anode deren Unterseite gegenüber einem Fixpunkt- verrnass und die entsprechende Distanz auf

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die neue Anode übertrug. Nach diesem Vorgehen war es also notwendig, jede Anode vor dem Wechseln einzeln auszuinessen.

Bedingt durch die Mechanisierung des gesaraten Zellenbetriebes wendet man dieses' aufwendige- Verfahren heilte meist nicht mehl¹ an, sondern setzt die Anoden beim Wechsel auf ein Niveau, das nach einem festen Programm vorherbestimmt ist. Z.B. bei täglichem Wechsel wird die neue Anode gerade um den täglichen Abbrand höher eingesetzt als die am Vortag eingesetzte Anode.

Beide Verfahren haben Machteile. Sie nehmen zu wenig Rücksicht auf den zeitlichen Verlauf der Stromaufnähme der neuen Anode. Wird diese zu hoch eingesetzt, führt sie weniger Strom als die Nachbarancden, da sie eine höhere Interpolardistanz aufweist und dadurch in ihrem Stromkreis > einen höheren Widerstand vorfindet. Wird'sie zu niedrig eingesetzt, muss sie durch einen höheren Strom schneller abbrennen als die Nachbaranoden, bis sie diese eingeholt hat.

. Im Idealfall führen alle Anoden die gleiche Stromstärke, ι Bei den geschilderten Anodenv/echselverfahren ist dies nicht der"Fall. Die neu eingesetzte Anode braucht z.B. bis zu 10 Tage, um ihre Normalstromstärke zu erreichen.

Die Störung der anodischen Stromverteilung ist gross und wechselt ausserdern noch täglich den Ort in der Zelle, wenn

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jeden Tag eine andere Anode ausgewechselt wird. Hierdurch verschlechtert sich die Stromausbeute (das Verhältnis der tatsächlich gewonnenen Aluminiutnmenge zu der Menge, die nach dem Faradayschen Gesetz theoretisch erzeugt wird). Weiterhin erhöht sich die Zellenspannung durch ein falsches Anodenwechselprogramm,·so dass sich der spezifische elektrische Energieverbrauch (kWh/lcgÄl) erheblich verschlechtert.. Ein weiterer grosser Nachteil der beschi'-iebenen Verfahren des Anodenwechselns ist ein erhöhter Anodenverbrauch um ^?'erte bis zu 50g C/lcg Al.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren.., durch das sich die geschilderten Nachteile vermeiden lassen.

Erfindungsgemäss wird bei einem Anodenwechsel die neue Anode in einer solchen Höhe eingesetzt, dass sie ihre Normalstromstärke innerhalb von etv/a einem Tage erreicht, das heisst, dass die Anodenstrom-Zeitfunktion nach etv/a einem Tageihren Höchstwert erreicht (Die Normalstromstärke ist definiert durch die Zellenstromstärke dividiert durch die Anzahl Anoden pro Zelle). Dies v/ird erreicht, indem, man jede neue Anode um einen bestimmten Wert χ höher einsetzt als die verbrauchte Anode, den Anodenstrom an einer ausreichenden Anzahl Anoden gleichen.Ajters misst, die Stromaufnahme als Funktion der Einsatzdauer der Anoden aufträgt und überprüft, ob die Anoden, wie oben gefor- .

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dert, tatsächlich nach etwa einem Tage ihre Normalstromstärke erreichen. Ist dies nicht der Pail, muss χ entsprechend vergrössert oder verkleinert v/erden.

. Fig. 2 zeigt eine Idealkurve der Anodenstromaufnahme als Funktion der Einsatzdauer für eine als Beispiel genommene Zelle mit 2k Anoden und einem Auswechseln der einzelnen Anoden nach beispielsweise 2h Tagen» Man erkennt den Verlauf der Stromaufnahrnekurve y. Etwa einen Tag nach dem Einsatz erreicht die Strcmaufnahmekurve der neu eingesetzten Anode ihren Höchstwert. Dann verläuft sie annähernd flach. Die in Fig. 2 gezeigte ,Idealkurve ergibt sich nur, wenn χ optimal gewählt wurde.

Mit anderen Worten muss der Wert χ nach der tatsächlich aufgetretenen Stromaufnahme optitnälisiert werden. Man muss von Zeit zu Zeit überprüfen, ob man sich nicht von der Idealkurve entfernt hat, z.B. infolge Aendcrungen der Anodenqualität; in solchen Fällen kann eine Aenderung des Wertes χ notwendig sein«

In der Praxis erreicht man die in Figur 2 gezeigte ideale Stromaufnahmezeitkurve nicht ganz; es kommt leicht vor, dass der flache Kurventeil mit steigender Einsatzdauer abfällt. Diese Erscheinung hat ihre Ursache in der Tatsache, dass der Querschnitt jeder einzelnen Anode nicht

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konstant bleibt, sondern im Verlauf des Einsatzes durch Abbrand an der Luft abnimmt.' Das ändert nichts an der grundsätzlichen Forderung, dass die Stromstärke einer neu eingesetzten Anode nach etwa einem Tage den in Figur 2 • angedeuteten Höchstwert ζ erreichen soll.

Durch die fast ideale Stromverteilung in den Anoden, die nach dem neuen Verfahren erreicht wird, v/erden lokale W" Metallaufwölbungen vermieden, die bei nicht idealer Stromverteilung in Form von Metallstufen unter einzelnen Anoden festgestellt werden können und durch magnetische Effekte hervorgerufen sind. Ausserdem gehen die magnetischen Strömungsantriebe im flüssigen Aluminium zurück. Die ZeIlenspannung sinkt, und die Stromausbeute steigt. Hierdurch wird eine höhere Produktion der Zelle bei einem verminderten spezifischen JEnergieverbrauch (lcWh/kgAl) ermöglicht. Der Anodenverbrauch sinkt, da die Anoden gleichmässiger belastet sind.

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Claims (1)

1. Pa ten tans pruch

   Verfahren zum Auswechseln der Anoden bei der Aluminiumolcktrolyse im Fluoridschinelzfluss, dadurch gekennzeichnet, dass die heue Anode in einer solchen Höhe eingesetzt wird, dass sie ihre KormaIstromstärke innerhalb etwa eines Tages erreicht*

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