DE2143602A1 - Zelle fur die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid im Schmelzfluß - Google Patents

Description

Schweizerische Aluminium AG, Chippis, Schweiz

"'Zelle für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid in Schmelzfluss

Priorität: 1. Sept. 197o; Schweiz; Mr. I3I00/70

Für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid (AIpO₇₃ 'Tonerde) wird dieses in einer Fluoridschmelze gelöst. Die Elektrolyse erfolgt in einem Temperaturbereich von etvra 9'Io bis 975°C Das kathodisch abgeschiedene Aluminium sammelt sich unter der Fluoridschmelze auf den 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 C0_? verbindet.

Das Prinzip einer Aluminium-Elektrolysezelle geht aus der Fig. 1 hervor, die einen schematischen und nicht maßstabgerechten Schnitt in Längsrichtung zeigt. Die Fluoridschr.:olze Io (der Elektrolyt) befindet sich in einer mit Kohlenstoff 11 ausgekleideten Stahlwanne 12, die mit einer

209811/1238

BAD ORIQtNAL

~²~ 2U3602

thermischen Isolation 13 aus hitzebeständig^™, wärmedämmendem Auskleidungsmaterial versehen ist. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium 1*1 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 Pluoridschmelze Io tauchen von oben Anoden 18 aus amorphem Kohlenstoff ein, die den Gleich-

W strom dem Elektrolyten zuführen. Sie sind über Stromleiterstangen 19 und durch Schlösser 2o mit dem.Anodenbalken 21 fest verbunden. Der Elektrolyt Io ist mit einer Kruste 22 aus erstarrter Schmelze und einer darüberbefindlichen Tonerdeschicht 23 bedeckt. Der Abstand d der Anodenunterseite 2k 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

fc des 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.

Fig. 2 deutet schematisch und nicht maßstabgerecht den Querschnitt einer Elektrolysezelle an nach dem Patent (Patentanmeldung P 21 2o 888.8'. vom 28.l|.197.1)·

209811/1238

2U3602

Die Kathodenbarren 17 haben zwei Aufgaben. Sie sammeln den Strom aus dem aktiven Teil des Kohlebodens unterhalb der Anoden 18 und leiten ihn aus der Zelle herauf-·., dienen also außerhalb des aktiven Teils des Kohlebodens als reine Stromleiter. Sie sind dort mit 28 bezeichnet, V/o sie den Strom sammeln und mit 29 bezeichnet sind, erhöht sich die Stromstärke im Kathodenbarren beidseitig nach außen. Von jeder Zelle führen Kathodenschienen 3o den Strom vom äußeren Ende der Kathodenbarren 17 zum Anodenbalken 21 der Folgezelle.

Z^ herabsetzung der WärmeVerluste ist hier der Querschnitt der eisernen Kathodenbarren außerhalb des aktiven Teils 27 des Kohlebodens verringert. Hierdurch wird der Wärmefluß aus der Schmelze durch die Barren η'ich außen reduziert.

Der Elektrolyt besitzt eine wesentlich schlechtere elektrische Leitfähigkeit als das flüssige Aluminium, das sich auf dem Boden der Zelle befindet. Das Verhältnis der beiden Leitfähigkeiten beträgt etwa 10 ^ bis 10 ;1. Wenn die Stromabnahme durch den Kohleboden nicht genau der Stromeinspeisung durch die Anoden in den Elektrolyten örtlich entspricht, müssen horizontale Stromdichtekomponenten in der Schmelze auftreten, die durch die örtliche Differenz zwischen Einspeisung und Abnahme

209811/1238

BAD ORiGiNAL

des Stromes bedingt sind. Der große Unterschied der elektrischen Leitfähigkeiten der beiden geschichteten Flüssigkeiten bedingt nach dem Tangensgesetz der elektrischen Strömungslehre, daß die Brechung der Stromlinien an der Grenzfläche zwischen Elektrolyten und flüssigem Aluminium stattfindet. Die Folge ist, daß die Stromlinien im Elektrolyten in erst ei' Näherung senkrecht verlaufen. Im Metall hingegen können starke horizontale Stromdichtekomponenten auftreten, die örtlich größer als die vertikalen sein können. Die unterschiedlichen Stromdichtekomponenten im Elektrolyten und im flüssigen Aluminium haben im Zusammenwirken mit der magnetischen Induktion zwischen den beiden Medien Unterschiede im Druck zur Folge, die nur durch eine Metallaufwölbung kompensiert werden können. Diese kann viele Zentimeter Höhe betragen, da das aufgewölbte Metall im Elektrolyten "schwimmt" und damit nur ein spezifisches Gewicht besitzt, das dem Dichteunterschied zwischen Elektrolyten und Metall entspricht.

Weiterhin können die horizontalen Stromdichtekomponenten im Zusammenwirken mit der magnetischen Induktion eine Kraftfeldverteilung im flüssigen Metall hervorrufen, die nicht rotationsfrei ist. Die Folge hiervon ist eine Metallströmung verbunden mit einer starken Metallaufwölbung,

209811/1238

~⁵~ 2U3602

die ihrerseits durch induzierte Stromdichtekomponenten wegen dieser Bewegung eines Stromleiters im Magnetfeld hervorgerufen wird. Metallaufwölbung und -bewegung verschlechtern die Stromausbeute (Verhältnis der tatsächlich gewonnenen Aluminiummenge zur theoretisch nach Faraday abgeschiedenen Menge). Wenn die Stromausbeute fällt, steigt der elektrische Energieaufwand (kWh/kg Al).

Wenn daher im Metall und im Fluß nur senkrechte Stromdichtekomponenten vorhanden sind, ist eine Metallaufwölbung ohne Metallbewegung unmöglich. Trotzdem kann ein Rotationsantrieb im Metall vorhanden sein, wie die folgende Gleichung der Volumenkräfte k zeigt:

β ₊ g j

ßy ^y Sz ^z 6x ^<x 6y ^y Sz

Hierin bedeuten j , j und j_z die Stromdichtekomponenten im Metall in den drei Achsrichtungen und B , B und B

X y Zm

die entsprechenden Komponenten der magnetischen Induktion.

Menn man dafür sorgt, daß die Stromabnahme durch den Kohleboden an der Unterseite des flüssigen Metalles der Stromeinspeisung an der Oberseite des Metalles entspricht, sind folgende Komponenten Null:

209811/1238

2U3602

J_xund j , und damit auch die

drei partiellen Ableitungen von j .

Lediglich das letzte Glied des Rotationsantriebes nuß zum Verschwinden gebracht werden, indem —— klein oder Null wird, da j stets vorhanden ist (normaler Elektrolysestrom).

Normalerweise treten horizontale Stromdichtekomponenten k in beiden Achsrichtungen auf. Die Komponente quer zur Zellenlängsa.chse wird dadurch erzeugt, daß die kathodische Fläche, oft wegen eines zu großen Abstandes zwischen der Anodenaußenseite und der seitlichen Kohlenstoff-Wannenauskleidung, größer ist als die anodische Fläche. Bei falscher Dimensionierung der thermischen Isolation an den Zellenwannen-Seitenflächen (Ofenbqrden) ist ein direkter Stromfluß von den Anoden in die Ofenborde möglich, was ebenfalls horizontale Stromdichtekomponenten erzeugt. Weiterhin können die eisernen Stromleiter im Kohleboden außerhalb des aktiven Teils des Kohlebodens noch Strom aufnehmen, wenn sie dort nicht genügend gegenüber der seitlichen Kohlenstoffauskleidüng der Zellenwanne elektrisch isoliert sind. Bei zu schwacher Dimensionierung der eisernen Kathodenbarren im Kohleboden tritt außerdem eine große Verdrängung des Elektrolysestromes im Kohleboden nach außen auf, die ebenfalls kräftige horizontale Stromdichtekomponenten erzeugt.

209811/123 8

Für die Komponenten parallel zur Zellenl/ingsachse sind die gleichen Gründe anzuführen. Es kommt noch hinzu, daß durch falsche Dimensionierung der Querschnitt der Kathodenschienen, die den Strom von der einen Zelle zur Folgezelle der Serie leiten, kräftige horizontale Strom dichtekomponenten im flüssigen Aluminium entstehen können, die z.T. örtlich größer als die vertikalen sind. Die Anmelderin hat sich zur Aufgabe· gestellt, die horizontalen Stromdichtekomponenten in einer Aluminiumelektrolysezelle für eine Stromstärke von 7o kA und mehr weitgehend zu unterdrücken. Aufgrund langjähriger Untersuchungen hat sie eine Zelle entwickelt, die eine Reihe von Erfindungsmerkmalen aufweist, die im folgenden beschrieben und anschließend zusammengefaßt sind und in ihrem Zusammenwirken den Erfolg gewährleisten.

Es wurde gefunden, daß sich die horizontalen Stromdichtekomponenten quer zur Zellenlängsachse auf ein erträgliches Haß reduzieren lassen, wenn der horizontale Abstand zwischen der äußeren Unterkante der Anoden und der inneren Seitenfläche der Stahlwanne z.B, 55 bis 60 cm nicht überschreitet. Zieht man für thermische Isolation und Kohlenstoffauskleidung 2o cm ab, verbleibt ein horizontaler Abstand von höchstens ^o cm zwischen der äußeren Unterkante der Anoden und dem Ofenbord, d. h. der Innenseite der seitlichen Kohlenstoffauskleidung.

- 8 ~ 209811/1238

Der kleinste horizontale Abstand zwischen der äußeren Unterkante der Anoden und den Ofenbord liegt bei 25 bis 3o cm. Sorgt man dafür, daß der thermische Widerstand der Isolation 13 zwischen der seitlichen Kohlen-Stoffauskleidung 11 und der Seitenwandung der Stahlwanne 12 zwischen 0,5 x ICK und 1 χ 10·^ "νζΚχ liegt,

bildet sich durch Wärmeabfuhr eine feste, seitliche Kryolithkruste, welche die kathodische, stromsammelnde Aluminiumfläche verkleinert und den seitlichen Stromfluß in die Ofenborde wirkungsvoll einschränkt.

Es ist an sich bekannt, außerhalb des aktiven Teils des Kohlebodens die eisernen Kathodenbarren innerhalb der Zellenwanne .allseitig von elektrischem Isoliermaterial zu umgeben - vm dort jeden Stromeintritt zu verhindern. Die Anmelderln hs.b erkannt, daß diese.»-Maßnahme ergriffen werden muß, wenn es sich darum handelt, die horizontalen Stromdichtekomponenten zu unterdrücken.

fc Die Stronvsrdr-ängung nach außen läßt sich überhaupt nicht gänzlich vermeiden, da der Zellenboden (Kohle und Kathcdsnbarren) eine wesentlich schlechtere elektrische Leitfähigkeit hat als das darüber befindliche flüssige ii'u-^lriiün. Ks hat sich als notwendig erwiesen, in den akl·; "w:i Teil 27 des Kohlebodens den größten Kathoden barrenquerschnif.t 29 au verlegen, der für den Kohleboder> aus mechanischen Gründen zulässig ist. Für die

209811/1238

2U3602

■ Stromleitung im Boden nach außen soll das Verhältnis Eisen zu Kohle mindestens 17 : loo und höchstens 2o : loo betragen. Wird weniger Eisenquerschnitt 29 untergebracht, treten unzulässig hohe horizontale Stromdichtekomponenten im flüssigen Aluminium auf. Bringt man hingegen nehr als 2o % Eisenquerschnitt 29 im Boden unter, tritt eine mechanische Schwächung der Kohleauskleidung auf, eine Schwächung, die durch den größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Eisens gegenüber demjenigen der Kohle bedingt ist.

Die Erfindung bezieht sich nun auf eine Zelle für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid im Schmelzfluss, Zelle, in welcher die horizontalen Strondichtekomponenten weitgehend unterdrückt sind.

Die erfindungsgemäße Zelle zeichnet sich dadurch aus, daß der horizontale Abstand zwischen der äuP>eren Unterkante der Anoden 18 und der Innenseite der seitlichen Kohlenstoff auskleidung 11 *lo cm nicht überschreitet, daß der thermische Widerstand der Isolation 13 zwischen der seitlichen Kohlenstoffauskleidung 11 und der Seitenwandung der Stahlwanne 12 0,5 x ICK bis 1 χ 10^J ρ££ι beträgt, daß die Kathodenbarren 17 innerhalb der Zellenwanne, aber außerhalb des aktiven Teils 27 des Kohlebodens in an sich bekannter Weise allseitig von elektrischem Isoliermaterial umgeben sind und daß der Eisen-

- 10

209811/1238

querschnitt im Zellenboden im Verhältnis zum Kohlequerschnitt mindestens 17 : loo und höchstens 2o ·:· loo beträgt.

Die Fig. 3 stellt im wesentlichen einen Schnitt in Längsrichtung durch eine Aluminium-Elektrolysezelle dar und entspricht ungefähr Fig. 1. Fig. ^l deutet einen Querschnitt an wie Fig. 2. Fig.3 und *J unterscheiden sich von Fig. 1 bzw. 2 nur dadurch, daß sie zeigen, v/ie die Kathodenbarren 17 innerhalb der Zellenwanne j aber außerhalb des aktiven Teils 27 des Kohlebodens von elektrischem Isoliermaterial umgeben sind.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird Fig. 5 beigefügt, welche die Schienenführung außerhalb der Elektrolysezellen A, B, C an einem Beispiel veranschaulicht. Jede Elektrolysezelle v/eist auf jeder Längsseite drei Gruppen D, E₃ F eiserner Kathodenba.rren auf. Jede Kathodenbarren-Gruppe weist drei Kathodenbarren G, H, J und eine separate Schiene K auf. In diesem. Beispiel erfolgt die Verteilung des elektrischen Stromes auf den Anodenbalken 21 im Verhältnis 2/3:1/2 von links nach rechts. L zeigt die Richtung des elektrischen Stror.es in der Ofenserie (Elektrolysezellen-Serie) an.

Eine vollständige Ofenserie umfaßt eine Elektrolysezellen-Zahl von einigen wenigen bis zu 100 und mehr. Die Zahl

209811/1238

der eisernen Kathodenbarren je Zelle hängt von den Abmessungen der Zelle, von der Stromstärke und von verschiedenen anderen Faktoren ab. Eine 100000 Ampere-Zelle kann z.B. zvrischen 10 und 20 Kathodenbarren umfassen; d.h.j auf beiden Längsseiten stehen 10 bis 20 Kathodenbarren-Enden vor. Oft sind die eisernen Kathodenbarren in der Mitte des Kohlebodens gezweiteilt; zwei Hälften sind so angeordnet, daß sie eine gemeinsame Achse haben aber sich einander nicht berühren.

Was die Zahl der Kathodenschienen betrifft, kann sie gehen von einer Kathodenschiene für jeden eisernen Kathodenbarren bis zu einer einzigen Kathodenschiene für alle eisernen Kathodenbarren zusammen.

?--: r Λιν· "enlv'" ken brn aus ^:ner oder aui rehrer~n ancdilochen Stromschienen bestehen. In den Figuren °. und ·^!ί besteht er aus zwei, anodischen Stromschienen.

I^v; ZollenlMngsrichtung sind keine durchgehenden eiserr~n Stromleiter vorhanden. Trotzden; kau/, es zu starken hrri.:;or,talen Stromdichtek-TTponerti-n.= 1·: f.üsi" ;em Alur^;r.:"/:r. in Zellenlan^sri ^ht*m^ V.oiw-.r.. "^r'.nn nicl.t durj^ L^eicnote Dimensionierung der Kathode:■ schienen, die cl«n Strom von der einen Zelle zu den Anoden der Polge-"¹I'-"¹T Serie leiten, dafi.tr gesorgt viird, '!aß leder

209811/1238

BAD ORIQiNAL

Kathodenbarren des Zellenbodens möglichst den gleichen Strom zieht. Dies läßt sich durch eine Schaltung erreichen, die in Pig. 6 veranschaulicht ist.

Fig. β zeigt ein VJiderstandsersatzschaltbild einer Aluminiumelektrolyseselle, gerechnet vom flüssigen Aluminium bis zur Mitte M des Anodenbalkens der Folgezelle.

R₁, ist der anteilige Bodenwiderstand für einen eisernen Kat;hodenbarren, gerechnet vom flüssigen Aluminium, bis zum äußeren Ende des Kathodenbarrens.

Diese weitere Ausbildung der Erfindung ist Gegenstand der gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung Nr. ... "^!.

Die erste Kathodenschiene sammelt den Strom von η^ äußeren E-ä-'.^odenbarr-enenden. Sie hat bis zum Anfang el«? Anodenbaük--.-ns der Polgezelle den Widerstand R₁. Analog Ksar.^el-i üie aweite Kathodenschiene, reit eige™ :^x-=r; Vvj.Jsrtc-a-id R-, den Strom von n„ äußeren Barrenenden, aie ä'-itts Kathodenschiene, mit eigenem V.⁷ider^r= stand Pv,,'ae>\. otrom von n₇ äußeren Barrenenden* usw_c;«

209811/1238

BAD OBKaJNAL

- 13 -' 2U3602

R_T ist der Widerstand des Anodenbalkens der Folgezelle errechnet bis zur Mitte M des Anodenbalkens und mit halbem Anodenbalkenquerschnitt. I ist der halbe Zellenstror..

Es treten keine horizontalen Strorcdichtekomponenten im flüssigen Aluminium in Zellenlangsrichtung auf, wenn der Spannungsabfall in jeder Kathodenschiene von der Stelle der Einspeisung des letzten eisernen Kathodenbarrens (Punkte A, B, C usvr.) bis zur Mitte M des Anodenbalkens der Folgezelle gleich ist und wenn in Schiene 1 ein Strom n^Ig fließt. Hierbei fließt in Schiene 1 ein Strom n^I_ß, in Schiene 2 ein Strom n_?lg, in Schiene 3 ein Strom n,I_ß, usw.

Die Berechnung muß so erfolgen, als ob der Strom I vom Anodenbalken der Folgezelle nicht kontinuierlich, sondern punktförmig genau in Zellenmitte (Punkt M) abgenommen wird. Diese Spannungsgleichheit itfird dadurch erreicht, daß die Widerstände R^, R₂ > ^R3 ^usw· ^und % nach bekannten Regeln der Elektrotechnik in ein Verhältnis zueinander gebracht werden, welches die Einhaltung der oben angeführten Bedingung der Spannungsgleichheit gewährt.

- Patentanspruch

209811/1238

Claims (1)

1. If

   Patentanspruch;

   1, Zelle für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid im Schmelzfluß, dadurch gekennzeichnet , daß der Querschnitt der einzelnen Kathodenschienen (3o) so bemessen ist, daß der Spannungsabfall in jeder Kathodenschiene (3o) gerechnet von der Einspeisestelle des letzten an sie angeschlossenen Kathodenbarrens (17) (Punkte Aj B₅ C usw.) bis zur Mitte (M) des Anodenbalkens (21) der Folgezelle gleich ist, unter Berücksichtigung des Umstandes. daß in ,jeder Kathodenschiene (3o) ein Strom fließt, der sich aus der Anzahl der an sie angeschlossenen Kathodenbarren multipliziert mit dem in allen Kathodenbarren gleichen Strom I„ errüttelt, und daß rechnerisch bei der Folgezelle anstelle einer kontinuierlichen Stromabnahme vom Anodenbalken (21) eine punktförmige Abnahme des gesamten Zellenstromes in Anodenbaikenmitte (M) vorgenommen wird.

   209811/1238

   . AS

   Le e rs e

   ite