DE2143603A1

DE2143603A1 - Zelle fur die Gewinnung von Alu mimum durch Elektrolyse von Aluminium oxid im Schmelzfluß

Info

Publication number: DE2143603A1
Application number: DE19712143603
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Ing Chippis Schmidt Hatting (Schweiz)
Original assignee: Schweizerische Aluminium AG
Current assignee: Alcan Holdings Switzerland AG
Priority date: 1970-09-01
Filing date: 1971-08-31
Publication date: 1972-03-09
Also published as: NO128773B; BE771941A; CH544812A; AU461825B2; IS2023A7; AU3290471A; JPS5242728B1; FR2105173B1; AT317566B; NL7111514A; IS881B6; DE2143603B2; ZA715862B; CA943906A; FR2105173A1; US3728243A; DE2143603C3; GB1352268A

Description

Schweizerische Aluminium AG, Chippis, Schweiz

''Zelle für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid im Schmelzfluss

Priorität: 1. Sept. 197o; Schweiz; Nr. 13I0I/70

Für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid (Al₂O,, "Tonerde) wird dieses in einer Fluoridschmelze gelöst. Die Elektrolyse erfolgt in einem Temperaturbereich von etwa 9²Io 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 elektrolytisehe Zersetzung des Aluminiumoxids Sauerstoff, der sich mit dem Kohlenstoff der Anoden izu 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 Fluoridschmelze Io (der Elektrolyt) befindet sich in einer mit Kohlenstoff 11 ausgekleideten Stahlwanne 12, die mit einer

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thermischen Isolation 13 aus hitzebeständigejm, wärmedämmendem Auskleidungsmaterial 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 j die den Strom aus dem Boden der Zelle nach außen führen. In die Fluoridschmelze Io tauchen von oben Anoden 18 aus amorphem Kohlenstoff ein, die den Gleichstrom 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 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 28.4.1971).

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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 heraus,· dienen also außerhalb des aktiven Teils des Kohlebodens als reine Stromleiter. Sie sind dort mit 28 bezeichnet. Wo sie oen 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 Polgezelle.

Zur Herabsetzung der V7ärmeverluste 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 nach 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 Stromdicht ekomponent en in der Schmelze auftreten, die durch die örtliche Differenz zwischen Einspeisung und Abnahme

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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 undflüssigem Aluminium stattfindet. Die Folge ist, daß die Stromlinien im Elektrolyten in erster 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 j.r; Druck zur Folge, die nur durch eine Metallaufwölbunr, kompensiert werden können. Diese kann viele Zentimeter Höhe betragen, da das aufgewölbte Metall im Elektrolyten "schwimmt'¹ 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,

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die ihrerseits durch induzierte Stromdichtekoiriponenten wegen dieser Bewegung eines Stromleiters in 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 Strom dichtekomponenten vorhanden sind, ist eine Metallaufwölbung ohne Metallbewegung unmöglich. Trotzdem kann ein Rotationsantrieb im Metall vorhanden sein, wie die folgende Gleichung der Volumenkräfte k zeigt: ·

⁶J ζ ⁶K ^z ^6Bz . ^6Bz · ^6Bz .

]<; r -- B + B + B - J — J 3

ix ^x 6y ^y Sz ^z 6x ^X 6y ^y Sz

Hierin bedeuten j , j und j die Stromdichtekomponenten in Metall in den drei Achsrichtungen und B , B und B₂ die entsprechenden Komponenten der magnetischen Induktion.

Wenn 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:

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J_xund j , und damit auch die

drei partiellen Ableitungen von j .

Lediglich das letzte Glied des Rotationsantriebes muß zum Verschwinden gebracht werden, indem —- klein oder

⁶Z

Null wird, da j_ stets vorhanden ist (normaler Elektrolysestrom).

Normalerweise treten horizontale Strorcdichtekomponenten in beiden Achsrichtungen auf. Die Komponente quer zur Zellenlängsachse 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 (Ofenbojrden) 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 Kohlenstoffauskleidung der Zellenwanne elektrisch isoliert sind. Bei zu schwacher Diir.ensionierunr. der eisernen Kathodenbarren im Kohleboden tritt außerdem eine große Verdrängung des Elektrolysestromes im Kohleboden nach außen auf, die ebenfalls kräftige horizontale Stromdichtekomponenten erzeugt.

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Für die Komponenten parallel zur Zellenlängsachse 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 Maß 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.

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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 10 ^ und 1 χ 10·³ w^q 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, um dort jeden Stromeintritt zu verhindern. Die Anmelder in hat erkannt, daß die se.'.-Maßnahme ergriffen werden muß, wenn es sich darum handelt, die horizontalen fc Stromdichtekomponenten zu unterdrücken.

Die Stromverdrängung nach außen läßt sich überhaupt nicht gänzlich vermeiden, da der Zellenboden (Kohle und Kathodenbarren) eine wesentlich schlechtere elektrische Leitfähigkeit hat als das darüber befindliche flüssige Aluminium. Es hat sich als notwendig erwiesen, in- den aktiven Teil 27 des Kohlebodens den größten Kathodenbarrenquerschnitt 29 zu verlegen, der für den Kohleboden aus mechanischen Gründen zulässig ist. Für die

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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 Stromdicht ekonponent en 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 Stromdichtekomponenten weitgehend unterdrückt sind.

Die erfindungsgemäße Zelle zeichnet sich dadurch aus, daß der horizontale Abstand zwischen der äußeren Unterkante der Anoden 18 und der Innenseite der seitlichen Kohlenstoff auskleidung 11 *to cm nicht überschreitet, daß der thermische Widerstand der Isolation 13 zwischen der seitlichen Kohlenstoffauskleidung 11 und der Seitenwandung der Stahlwanne 12 0,5 χ 10^; bis 1 χ 10^; τ

h°C

kcal

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-

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

Die Fig. 3 stellt im wesentlichen einen Schnitt in Längsrichtung durch eine Alurainium-Elektrolysezelle dar und entspricht ungefähr Fig. 1. Fig. 4 deutet einen Querschnitt an wie Fig. 2. Fig.3 und H unter-" scheiden sich von Fig. i bzw. 2 nur dadurch, daß sie zeigen, wie die Kathodenbarren 17 innerhalb der Zellenwanne, aber außerhalb des aktiven Teils 2 7 cias 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 weist auf jeder Längsseite λ drei Gruppen D, E, B¹ eiserner Kathodenbarren auf. Jede Kathodenbarren-Gruppe v/eist 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 Stromes in der Ofenserie (Elektrolysezellen-Serie) an.

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

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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. zwischen 10 und 20 Kathodenbarren umfassen; d.h., 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.

V/as 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.

Der Anodenbalken kann aus einer oder aus mehreren anodisehen Stromschienen bestehen. In den Figuren 2 und *1 besteht er aus zwei anodischen Stromschienen.

In Zellenlängsrichtung sind keine durchgehenden eisernen Stromleiter vorhanden. Trotzdem kann es zu starken horizontalen Stromdichtekoir.ponenten in flüssigem Aluminium in Zellenlängsrichtung kommen, wenn nicht durch geeignete Dimensionierung der Kathodenschienen, die den Strom von der einen Zelle zu den Anoden der Folge-. zelle der Serie leiten, dafür gesorgt wird, daß jeder

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

Fig. 6 zeigt ein Widerstandsersatzschaltbild einer Aluminiumelektrolysezelle,.gerechnet vom flüssigen Aluminium bis zur Mitte M des Anodenbalkens der Folgezelle.

R_ß ist der anteilige Bodenwiderstand für einen eisernen Kathodenbarren, gerechnet vom flüssigen Aluminium bis zum äußeren Ende des Kathodenbarrens.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung soll jeder Kathodenbarren den gleichen Strom I_p führen.

Die erste Kathodenschiene sammelt den Strom von n,, äußeren Kathodenbarrenenden. Sie hat bis zum Anfang : des Anodenbalkens der Folgezelle den V.^riderstand R.. Analog sammelt die zweite Kathodenschiene, mit eige-

nem Widerstand Rp, den Strom von n_? äußeren narrenenden, die dritte Kathodenschiene, mit eigenem VJiderstand R.,, den Strom von n_v äußeren Barrenenden, usw.;

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Rm ist der Widerstand des Anodenbalkens der B'olgezelle

errechnet bis zur Mitte M des Anodenbalkens und ir.it halbem Anodenbalkenquerschnitt. I ist der halbe Zellenstrom.

Es treten keine horizontalen Stromdichtekonponenten ΪΓι) flüssigen Aluminium in Zellenlängsrichtung auf, wenn der Spannungsabfall in jeder Kathodenschiene von der Stelle der Einspeisung des letzten eisernen Kathodenbarrens (Punkte A, B, C usw.) bis zur Mitte M des Anodenbalkens der Folgezelle gleich ist und wenn in Schiene 1 ein Strom η .,Ig fließt. Hierbei fließt in Schiene 1 ein Strom n^L·, in Schiene 2 ein Strom n_olr,> in Schiene 3 ein Strom n,I'_B, usw.

Die Berechnung nuß so erfolgen, als ob der Strom I von Anodenbalken der Folgezelle nicht kontinuierlich, sondern punktförmig genau in Zellennitte (Punkt M) abgenommen wird. Diese Spannungsgleichheit itfird dadurch erreicht, daß die Widerstände R₁, R₂, R3 usw. und R_T nach bekannten Regeln der Elektrotechnik in ein Verhältnis zueinander gebracht werden, welches die Einhaltung der oben angeführten Bedingung der Spannungsgleichheit gewährt.

-Ik- - Patentanspruch -

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Claims

Patentansprüche

1. Zelle für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid im Schmelzfluß, dadurch gekennzeichnet , daß der horizontale Abstand zwischen der äußeren Unterkante der Anoden (18) und der Innenseite der seitlichen Kohlenstoffauskleidung (11) ^O cm nicht überschreitet, daß der thermische Widerstand der Isolation (13) zwischen der seitlichen Kohlenstoffauskleidung (11) und der Seitenwandung der Stahlwanne (12) 0,5 x 10 ^J bis 1 χ 1(κ ρ—=r beträgt, daß die Kathodenbarren (17) innerhalb der Zellenwanne j aber außerhalb des aktiven Teils (27,) des Kohlebodens in an sich bekannter Weise allseitig von elektrischern Isoliermaterial ur-.geben sind, und daß der Eisenquerschnitt im Verhältnis zum Kohlenquerschnitt mindestens 17 : 100 und höchstens 20 : 100 beträgt.

2« Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Querschnitt der einzelnen Kathodenschienen (30) so bemessen ist, daß der Spannungsabfall in jeder Kathodenschiene (30) gerechnet von der Einspeisestelle des letzten an sie angeschlossenen Kathodenbarrens (17) (Punkte A₃B₁C usw.) bis zur Mitte (M) des Anodenbalkens (21) der Polgezelle

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gleich istj unter Berücksichtigung des Unstandes, daß in jeder Kathodenschiene (30) ein Strom fließt, der sich aus der Anzahl der an sie angeschlossenen Kathodenbarren multipliziert mit dem in allen Kathodenbarren gleichen Strom I_R ernittelt, und daß rechnerisch bei der Polgezelle anstelle einer kontinuierlichen Stromabnahme vom Anodenbalken (21) eine punktförmige Abnahme des gesamten Zellenstromes in Anodenbalkenraitte (M) vorgenommen wird.

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