DE2143603C3 - Zelle für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid im Schmelzfluß - Google Patents

Description

J.

Die Folge hiervon ist eine Metallströmung verbunden mit einer starken Metallaufwölbung, 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 Strcmausbeute fällt, steigt der elektrische Energieaufwand (kWh/kg A 1).

Wenn daher im Metal! und im Fluß nur senkrechte Stromd'ichtekompciienien vorhanden sind, ist eine Metallaufwölbung ohne 'Mallbewegung unmöglich. Trotzdem kanu ein Rv .aonsantrieb im Metall vorhanden sein, wie me JYj-ende Gleichung der Volumenkräfte k zeigt:

k =

dx

dy

dB_z .
dx ^Jl

dBz

dy

dB_z

Hierin bedeuten /„ j„ und j_z die Stromdichtekomponenten im Metall in den drei Achsrichtungen und B_x, ß_y und B_z die entsprechenden Komponenten der magnetischen Induktion.

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

J_x und j_y, und damit auch die drei partiellen Ableitungen von /₂.

Lediglich das letzte Glied des Rotationsantriebes muß zum Verschwinden gebracht werden, indem ^Äf- klein oder Null wird, da /, stets vorhanden ist

(normaler Elektrolysestrom).

Normalerweise treten horizontale Stromdichtekompomnien in beiden Achsiichtungen auf. Die Kcmponent= quer zur Zellenlängsachse wird dadurch erzeug:, daß die kathodische Fläche, oft wegen eines ζ·? großen Abstandes zwhc'ien der Anodenaußenseite und der seitlichen Kohlenstoff-Wannenauskleidung, größer ist als die anodische Fläche. Bei falscher Dimensionienmg der thermischen Isolation an den Zeüenwannen Seitenflächen (Ofenborden) ist ein direkter StromHuß vcn den Anoden in die Ofenborde n/öglich, was ebenfalls horizontale Stromdichtekomponenten erzeugt. Weiterhin können die jise/nen Stromleiter im Kohleboden außerhalb des aktiven Teiis des K.uhic'uuder« noch Strom aufnehmen, wenn sie dort nicht genügend gegenüber der seitlichen Kohlenstoffauskleidung der Zellenwanne elektrisch isoliert sind Bei zu schwacher Dimensionierung der ehernen Kdthodenbarren im Kohleboden tritt außerdem eine große Verdrängung des Elektrolysestromes im Kohleboden nach außen auf, die ebenfalls kräftige horizontale Stromdichtekomponenten erzeugt. Für die Komponenten parallel zur Zellenlängsachse dind die gleichen Gründe anzuführen. Es kommt noch hiazu, daß durch falsche Dimensionierung dei Querschnitt der Kathodenschienen, die den Strom von der einen Zelle zur Folgezelle der Serie leiten, krä'*ige horizontale Stromdichtekomponenten im flüssigen Aluminium entstehen können, die zum Teil örtlich größer als die vertikalen sind. Die An melderin hat sich zur Aufgabe gestellt, die horizontalen Stromdichtekomponenten in einer AIuminiumelektrolysezelle für eine Stromstärke von 7ö kA und mehr weitgehend zu unterdrücken. Auf Grund 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.

in 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 Kohlenstoffaiiskleidung 20 cm ab, verbleibt ein horizontaler Abstand von höchstens 40 cm zwischen der äußeren ^Tjnterkante der Anoden und dem Ofenbord, d. h.

der Innenseite der sei;I^;!ien Kohlenstoffauskleidung.

Der kleinste horizontale Abstand zwischen der

äußeren Unterkante der Anoden und dem Ofenboid liegt bei 25 bis 30 cm. Sorgt man dafür, daß der

thermische Widerstand der Isolation 13 zwischen der

•.5 seitlichen Kohlenstoffauskleidung 11 und der Seitenwandung der Stahlwanne 12, bezogen aaf 1 cm² Seitenwandfläche, zwischen 0,5 ■ lO»h°C/kcal liegt, bildet sich durch Wärmeabfuhr eine feste, seitliche Kryoiithkruste, welche üie 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 inne halb der Zellenwanne allseitig ν·*η elektrischem Isoliefmaterial zu umgeben, um dort jeden Stromeintritt zu verhindern. Die Anmeiderin hat erkannt, daß diese Maßnahme ergriffen werden muß, wenn es sich darum handelt, die horizontalen Stromdicntekomponenten zu unterdrücken.

Die Stromverdrängang 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 mechanischer Gründen zulässig ist. Für die Stromleitung im Boden nach außen soll das Verhältnis Eisen zu Kohle mindestens 17:100 und höchstens 20:100 be: ragen. Wird weniger Eisenquerschnitt 29 untergebracht, treten nn/niäwio hohe horizontale Stromdichtekomponenten im flüssigen Aluminium auf.

Bringt man hingegen mehr als 20⁰/o 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 Zeile 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 Kohlenstoffauskleidung 11 40 cm nicht Fig. 2 und 4 besteht er aus zwei anodischen Stromüberschreitet, daß der thermische Widerstand der schienen.

Isolation 13 zwischen der seitlichen Kohlenstoffaus- In Zellenlänosrichtung sind keine durchgehenden

kleidung 11 und der Seitenwandung der Stahlwanne eisernen Stromleiter vorhanden. Trotzdem kann es zu

12, bezogen auf 1 cm² Seitenwandfläche, 0,5 · 10³ 5 starken horizontalen Stromdichtekomponenten in

bis ί · 10³ h° C/kcal beträgt, daß die Kathodenbarren flüssigem Aluminium in Zellenlängsrichtung kommen,

17 innerhalb der Zellenwanne, aber außerhalb des wenn nicht durch geeignete Dimensionierung der

aktiven Teils 27 des Kohiebodens in an sich bekann- Kathodenschienen, die den Strom von der einen

ter Weise allseitig von elektrischem Isoliermaterial Zelle zu den Anoden der Folgezelle der Serie leiten,

umgeben sind und daß der Eisenquerschnitt im ZeI- io dafür gesorgt wird, daß jeder Kathodenbarren des

lenboden im Verhältnis zum Kohlequerschnitt min- Zellenbodens möglichst den gleichen Strom zieht,

destens 17 :100 und höchstens 20 :100 beträgt. Dies läßt sich durch eine Schaltung erreichen, die in

Die Fig. 3 stellt im wesentlichen einen Schnitt in Fig. 6 veranschaulicht ist.

Längsrichtung aurch eine Aluminium-Elektrolyse- F i g. 6 zeigt ein Widerstandsersatzschaltbild einer

zelle dar und entspricht ungefähr Fig. 1. Fig. 4 15 Aluminiumelektrolysezelle, gerechnet vom flüssigen

deutet einen Querschnitt an wie F i g. 2. F i g. 3 und 4 Aluminium bis zur Mitte M des Anouenbalkens der

unterscheiden sich von Fig. 1 bzv.. 2 nur dadurch, Folgezelle.

daß sie zeigen, wie die Kathodenbairen 17 innerhalb R_B ist der anteilige Bodenwiderstand für einen

der Zellenwanne, aber außerhalb des aktiven Teils eisernen Kathodenbarren, gerechnet vom flüssigen

27 des Kohlebodens von elektrischem Isoliermaterial 20 Aluminium bis zum äußeren Ende des Kathod^nbar-

13 umgeben sind. rens.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung soll Fig. 5 beigefügt, weiche die Schienenführung außer- jeder Kathodenbarren den gleichen Strum I_g führen, halb der ElektrolysezellenΆ, B, C an einem Beispiel Die erste Kathodenschiene sammelt den Strom von veranschaulicht. Jede Elektrolysezelle weist auf jeder 25 n_x äußeren Kathodenbarrenenden. Sie hat bis zum Längsseite drei Gruppen D, E, F eiserner Kathoden- Anfang des Anodenbalkens άζτ Folgezelle den Widerbarren auf. Jede Kathodenbarren-Gruppe weist drei stand R₁. Analog sammelt die zweite Kathoden-Kathodenbarren G, H, J und eine separate Schiene K schiene, mit eigenem Widerstand A₂, den Strom von auf. In diesem Beispiel erfolgt die Verteilung des n₂ äußeien Barrenenden, die dritte Kathodenschiene, elektrischen Stromes auf den Anodenbalken 21 im 30 mit eigenem Widerstand A₅, den Strom von n_a äuße-Verhältnis Vs: Vi von links nach rechts. L zeigt die ren Barrenenden, usw.; R₇ ist der Widerstand des Richtung des elektrischen Stromes in der Ofenserie Anodenbalkens der Folgere, errechnet bis zur (Elektrolysezellen-Serie) an. Mitte M des Anodenbalkens und mit halbem Anoden-

Eine vollständige Ofenserie umfaßt eine Elektro- balkenquerschniü. / ist der halbe Zellenstrom.
lysezellen-Zahl von einigen wenigen bis zu 100 und 35 Es treten keine horizontalen Stromdichtekompomehr. Die Zahl der eisernen Kathodenbarren je nenten im flüssigen Aluminium in Zellenlängsrich-Zelle hängt von den Abmessungen der Zelle, von tung auf., wenn der Spannungsabfall in jeder Kathoder Stromstärke und von verschiedenen anderen Fak- denschicne von der Stelle der Einspeisung des letzten toren ab. Eine 100 000-Ampere-Zelle kann z.B. eisernen kathodenbarrens (Punkte A, B, C usw.) bis zwischen 10 und 20 Kathodenbarren umfassen; d. h., 40 zur Mitte M des Anodenbalkens der Folgezelle gleich auf beiden Längsseiten stehen 10 bis 20 Kathoden- ist und wenn in Schiene 1 ein Strom njg fließt. Hierbarren-Enden vor. Oft sind die eisernen Kathoden- bei fließt in Schiene 1 ein Strom n,/_B, in Schiene 2 ein barren in der Mitte des Kohlebodens gezweiteilt; Strom nJ_B, in Schiene 3 ein Strom nJl_B usw.
zwei Hälften sind so angeordnet, daß sie eine gemein- Die Berechnung muß so erfolgen, als ob der same Achse haben, aber sich einander nicht be- 45 Strom / vom Anodenbalken der Folgezelle nicht konriihren. tinuierlich, sondern punktförmig genau ip Zellentnitte

Was die Zahl der Kathodenschienen betrifft, kann (Punkt M) abgenommen wird. Diese Spannungsgleich-

sie gehen von einer Kathodenschiene für jeden eiser- heit wird dadurch erreicht, daß die Widerstände A₁,

nen Kathodenbarren bis zu einer einzigen Kathoden- R₂, R₃ und R_T nach bekannten Regeln der Elektro-

Echiene für alle eisernen Kathodenbarren zusammen. 50 technik in ein Verhältnis zueinander gebracht wer-

Der Anodenbalken kann aus einer oder aus men- den, welches die Einhaltung der oben angeführten

reren anodischen Stromschienen bestehen. In den Bedingung der Spannungsgleichheit gewährt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

chen von oben Anoden 18 aus amorphem Kohlen-Patentansprüche: stoff ein, die den Gleichstrom den« Elektrolyten zuführen. Sis sind über Stromleiterstangen 19 und

1. Zelle für die Gewinnung von Aluminium durch Schlösser 20 mit dem Anodenbalken 21 fest durch Elektrolyse von Aluminiumoxid im 5 verbunden. Der Elektrolyt 10 ist mit einer Kruste Schmelzfluß, dadurch gekennzeichnet, 22 aus erstarrter Schmelze und einer darüber befinddab der horizontale Abstand zwischen der äuße- liehen Tonerdeschicht 23 bedeckt. Der Abstand d ren Unterkante der Anoden (18) und der Innen- der Anodenunterseite 24 zur Aluiainiumoberfläche seite der seitlichen Kohlenstoffauskleidung (11) 16, auch interpolardistanz genannt, läßt sich durch 40 cm nicht überschreitet, daß der thermische io Heben oder Senken des Anodenbalkens 21 mit Hilfe Widerstand der Isolation (13) zwischen, der seit- der Hubwerke 25 verändern, die auf Säulen 26 monlichen Kohlenstoffauskleidung (11) und der Sei- tiert sind. Infolge des Angriffs durch den bei der tenwandung der Stahlwanne (12), bezogei: auf Elektrolyse in Freiheit gesetzten Sauerstoff verbrau-1 cm² Seitenwandfläche, 0,5 -10³ bis 1 · 10³ h° C/ chen sich die Anoden an ihrer Unterseite täglich um kcal beträgt, daß die Kathodenbarren (17) inner- 15 etwa 1,5 bis 2 crn je nach Zellentyp.

halb der Zellenwanne, aber außerhalb des akti- F i g. 2 deutet schematisch und nicht maBstab-

ven Teils (27) des Kohlebodens in an sich be- gerecht den Querschnitt einer Elektrolysezelle ιλ kannter Weise allseitig von elektrischem Isolier- (DT-OS 2 120 888).

material umgeben sind, und daß der Eisenquer- Die Kathodenbarren 17 haben zwei Aufgaben. Sie

schnitt im Verhältnis zum Kohlenquerschnitt _2O sammeln den Strom aus dem aktiven Teil des Kohlemindestens 17:100 und höchstens 20:100 be- bodens unterhalb der Anoden 18 und leiten ihn aus trägt. der Zelle heraus, dienen also außerhalb des aktiven

2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Teils des Kohlebodens als reine Stromleiter. Sie sind zeichnet, daß der Querschnitt der einzelnen Ka- dort mit 28 bezeichnet. Wo sie den Strom sammeln thoclenschienen (30) so bemessen ist, daß der 35 und mit 2? bezeichnet sind, erhöht sich die Strom-Spannungsabfall in jeder Kathodenschiene (30) ttärke im Kathodenbarren beidseitig nach außen, gerechnet von der Einspeisestelle des letzten Von jeder Zelle führen Kathodenschienen 30 den an sie angeschlossenen Kathodenbarrens (17) Strom vom äußeren Ende der Kathodenbarren 17 (Punkte L4, B, C usw.) bis zur Mitte (M) des zum Anodenbalken 21 der Folgezelle.
Anodenbalkens (21) der Folgezelle gleich ist, ₃₀ Zur Herabsetzung der Wärmeverluste ist hier der unter Berücksichtigung des Umstandes, daß in Querschnitt der eisernen Kathodenbarren außerhalb jeder Kathodenschic.e '3O) ein Strom fließt, der des aktiven Teils 27 des Kohlebodens verringert, sich aus der Anzahl der an sie angeschlossenen Hierdurch wird der Wärmefluß aus der Schmelze Kathodenbarren multipliziert mit dem in allen durch die Barren nach außen reduz'ert.
Kathodenbarren gleichen Strom l_B ermittelt, und 35 Der Elektrolyt besitzt eine wesentlich schlechtere daß rechnerisch bei der Folgezelle an Stelle einer elektrische Leitfähigkeit als das flüssige Aluminium, kontinuierlichen Stromabnahme vom Anoden- das sich auf dem Boden der Zelle befindet. Das Verbalken (21) eine punktförmige Aonahme des ge- hältnis der beiden Leitfähigkeiten beträgt etwa 10-^ samten Zellenstromes in Anodenbalkenmitte (M) ^]₅ io~*: 1. Wenn die Stromabnahme durch den vorgenommen wird. 40 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

Für die Gewinnung von Aluminium durch Elek- zwischen Einspeisung und Abnahme des Stromes betrolyse von Aluminiumoxid (Al₂Os, Tonerde) wird 45 dingt sind. Der große Unterschied der elektrischen dieses in einer Fluoridschmelze gelöst. Die Elektro- Leitfähigkeiten der beiden geschichteten Flüssigkeilyse erfolgt in einem Temperaturbereich von etv/a ten bedingt nach dem langensgesetz der elektrischen bis 975° C. Das kathodisch abgeschiedene AIu- Strömungslehre, daß die Brechung der Stromlinien minium sammelt sich unter der Fluoridschmelze auf an der Grenzfläche zwischen Elektrolyten und flüssidem Boden der Zelle. In die Schmelze tauchen von 50 gern Aluminium stattfindet. Die Folge ist, daß die oben Anoden aus amorphem Kohlenstoff ein. An den Stromlinien im Elektrolyten in erster Näherung senk-Anuücii entsteht durch die cicktrciytischs Zersetzung rech., vcrlsyfsr:. Im Meta!! hingegen kör·"·*" starke des Aluminiumoxids Sauerstoff, der sich mit dem horizontale Stromdichtekomponenten auftreten, die Kohlenstoff der Anoden zu CO und CO₂ verbindet. örtlich größer als die vertikalen sein können. Die

Das Prinzip einer Aluminium-Elektrolysezelle geht 55 unterschiedlichen Stromdichtekomponenten im Elekaus dei Fig. 1 hervor, die einen schematischen und trolyten und im flüssigen Aluminium haben im Zunicht maßstabgerechten Schnitt in Längsrichtung sammenwirken mit der magnetischen Induktion zwizeigt. Die Fluoridschmeize 10 (der Elektrolyt) befin- sehen den beiden Medien Unterschiede im Druck det sich in einer mit Kohlenstoff 11 ausgekleideten zur Folge, die nur durch eine Metallaufwölbung Stahlwanne 12, die mit einer thermischen Isolation 60 kompensiert werden können. Diese kann viele Zentiaus hitzebeständigem, wärmedämmendem Aus- meter Höhe betragen, da das aufgewölbte Metall im kleidungsmateria! versehen ist. Das kathodisch ab- Elektrolyten »schwimmt« und damit nur ein spezigeschiedene Aluminium 14 liegt auf dem Boden 15 Ssches Gewicht besitzt, das dem Dichteunterschied der Zelle. Die Oberfläche 16 des flüssigen Alumi- zwischen Elektrolyten und Metall entspricht,
niums stellt die Kathode dar. In die Kohlenstoff- 65 Weiterhin können die horizontalen Stromdichteauskleidung 11 sind eiserne Kathodenbarren 17 ein- komponenten im Zusammenwirken mit der magnegelassen, die den Strom aus dem Boden der Zelle tischen Induktion eine Kraftfeldverteihing im fliisnach außen führen. In die Fluoridschmelze 10 tau- sigen Metall hervorrufen, die nicht rotationsfrei ist.