DE2153293A1 - Verfahren für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid im Fluoridschmelzfluß - Google Patents

Description

DIPL-CHEM. DR. ELISABETH JUNG 8 MÖNCHEN 23.

CLEMENSSTRASSE 30

DIPL-CHEM. DR. VOLKER VOSSIUS telefon 34506?

DIPL-PHYS. DR. JÜRGEN SCHIRDEWAHN StS^Ai⁰"""^{1 INVEMT/M0NCHEN}

PATENTANWÄLTE

u.Z.: G 559 C 2 I OO 29 3

(J/sei) ²⁶· Oktober 1971

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SCHWEIZERISCHE ALUMINIUM AG, CHIPPIS

Verfahren für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid im Fluoridschmelzfluss .

Priorität: 1. Dezember 1970 , Schweiz, Nr. 17763/70

Für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid (Al O₁ 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 CÖ_ verbindet.

Das Prinzip einer Aluminium-Elektrolysezelle geht aus der schematischen und nicht masstäblichen Figur 1 hervor, die einen Schnitt in Längsrichtung zeigt. Die Fluoridschmelze 1-0 (der Elektrolyt) befindet sich in einer mit Kohlenstoff 11 ausgekleideten Stahl wanne. 12, die mit jeiner thermischen Isolation 13 aus hitzebeständigem, wärmedämmendem Auskleidungsmatcrial versehen ist» Das kathodisch abgeschiedene Aluminium 14 ,

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BADORtGlNAt

liegt auf dem Boden 15 der-Zelle. Die Oberfläche 16 des flüssigen Aluminiums stellt die Kathode dar. In die Kohlenstoff aus kleidung 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· Stromleiter stange η 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 Aluminiumoxidschicht 23 bedeckt. Der Abstand d der Anodemmterseite 24 zur. Aluminiumoberfläche 16, auch Interpolardistanz genannt, lässt sich durch Heben öder 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.

Die anodische Stromdichte einer Zelle kann nicht beliebig gewählt werden.

Zwischen Anoden und Kathode darf eine Interpolardistanz von 4 cm nicht unterschritten werden, da es sonst zu Kurzschlüssen zwischen Metall und Anoden infolge von elektromagnetischen Kr aft Wirkungen kommen kann. Ausserdem ist die Stromausbeute (Verhältnis der Menge des gewonnenen Aluminiums zu der theoretischen Menge, die nach, dem Faraday¹ sehen Gesetz produziert wird) bei zu kleiner Interpolardistanz niedrig.

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Anderseits v/ird bei einer zu grossen Interpolardistanz innerhalb der ZeI-lenwanne unnötig viel Wärme erzeugt, die als Wärmeverlust abgeführt werden muss, wodurch der spezifische elektrische Energieverbrauch (kWh/kgAl) unnötig erhöht v/ird.

Es muss diejenige Stromdichte gewählt werden, die im Elektrolyten und im Zellenboden, d.h. also innerhalb der Zellenwanne; nur so viel Wärme erzeugt, wie nach Abzug der Nutzenergie (die für das Zersetzen des Aluminiumoxids und das Anwärmen der Einsatzstoffe auf eine Arbeitstemperatur von 940 bis 975 C bei einer zweckmässigen Aluminiumoxiddecke 23 auf der festen Elektrolytkruste benötigt wird) noch abgeführt werden kann. Die Aluminiumoxiddecke 23 hat mehrere Aufgaben. Neben der Aufgabe, Aluminiumoxid für das Einführen in den Schmelzflusselektrolyten vorzubereiten, muss sie einerseits die Anoden vor Luftabbrand schützen, anderseits eine gute Wärmeisolation darstellen.

Die unterste Dicke der Aluminiumoxiddecke 23 auf der verkrusteten Badoberfläche 22 kann mit ungefähr 7 cm angenommen werden. Das ist das betriebstechnische Minimum.

Grundsätzlich kann man mit einer höheren Stromdichte als der optimalen arbeiten. Die zuviel erzeugte Wärme muss dann über eine künstliche Erhöhung der Wärmeverluste der Zelle abgeführt werden, zum Beispiel durch Verringerung der Aluminiumoxiddecke 23 auf der verkrusteten Badoberfläehe 22 auf 8 bis Tcm, wodurch der· spezifische elektrische Enei*-

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gieverbrauch beträchtlich erhöht wird. Der Vorteil liegt darin, dass die Zelle kleiner dimensioniert werden kann, was zu einer Herabsetzung der Kapitalkosten führt.

Wählt man anderseits eine zu kleine anodische Stromdichte, erniedrigt sich bei konstanter Interpolardistanz der Spannungsabfall im Elektrolyten, wodurch der spezifische elektrische Energieverbrauch abnimmt und infolgedessen eine grössere Zelle benützt werden muss, die schwerer und k daher teurer ist. Mit steigendem Gewicht der Zelle wird auch die ganze

Hallenunterkonstruktion aufwendiger. Auch die Reparaturkosten erhöhen sich mit steigendem Zellengewicht. Die Anmelderin hat sich die Aufgabe gestellt, Wege zur Wahl der richtigen anodischen Stromdichte zu suchen.

Erfindungsgemäss wird in einer Aluminiumelektrolysezelle mit vorgebrannten Anoden nach Festlegung einer bestimmten Stromstärke von 50 IcA oder darüber für die Elekti'olyseanlage diejenige anodische Stromdichte gewählt, bei der bei einer Elektrolyttemperatur zwischen 940 und 875 C,

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bei einer Interpolardistanz von 5 bis 6 cm/ bei einer Aluminiumoxiddecke von etwa 14 bis 16 cm Dicke auf der verkrusteten Badoberfläche gerade so viel Wärme in der Zelle erzeugt wird, wie diese Zelle nach Abzug der Nut ζ wärm cm engen für die Zersetzung des Aluminiumoxids und für das Anwärmen der Einsatzstoffe als Verluste abführen kann.

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Die Figur 2 zeigt den Zusammenhang zwischen anodischer Stromdichte j

in A/cm und der Zellenstromstärke I in kA für die genannten Bedingungen. Man erkennt, dass die anodische Stromdichte mit steigender Zellenstromstärke abfällt. In der gleichen Figur 2 ist der spezifische elektrische Energieverbrauch E in kWh/kgAl eingezeichnet, der zu der betreffenden Stromdichte und zu der zugehörigen Zellenstromstärke gehört. '

Aus Figur 2 lässt sich diejenige anodische Stromdichte herauslesen, die bei festgesetzter Zellenstromstärke erfindungsgemäss gewählt werden soll. In einer Zelle zum Beispiel, die mit 100 kA betrieben wird, liegt

die zu wählende Stromdichte bei 0, 67 A/cm .

Bei Einhaltung der erfindungsgemässen Bedingungen arbeitet die Zelle im optimalen Stromdichtebereich. Auf der verkrusteten Badoberfläche liegt so viel Aluminiumoxid in etwa 14 bis 16 cm Schichtdicke, dass der Elektrolyt beim nächsten Krusteneinschlagen mit einer genügenden Menge dieses vorgewärmten Stoffes versorgt werden kann. Da die Oberfläche der Aluminiumöxiddecke praktisch eben verläuft, liegt z. B. auf denjenigen Anoden, die ungefähr die Hälfte ihrer Einsatzzeit hinter sich haben, eine Aluminiumoxidschicht von etwa 7 bis 8 cm Dicke, die sie vor Luft*- abbrand schützt. Die neueren Anoden, deren oberer Teil aus der Aluminiumoxiddecke noch herausragt, werden nur bis höchstens etwa 500 C ..·

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warm, sind dem Luftabbrand kaum ausgesetzt und brauchen keine Aluminiumoxiddecke zum Schutz gegen den Luftsauerstoff.

Die Interpolardistanz ist nicht zu klein, so dass keine störenden magnetischen Effekte auftreten können; sie ist auch nicht so hoch, dass unnötige Wärme im Elektrolyten erzeugt wird, die über künstlich erhöhte Wärmeverluste aus der Zelle abgeführt werden muss. Die Elektrolyttemperaiur wiederum liegt im optimalen Bereich (940 bis 975 C), so dass auch eine gute Stromausbeute in erfindungsgemäss betriebenen Zellen und damit ein niedriger spezifischer elektrischer Energieverbrauch erreicht werden können. . *

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Claims (1)

1. Patentanspruch ■ ·

   Verfahren zur Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Alumiumoxid im Fluoridschmelzfluss mit vorgebrannten Anoden, dadurch gekennzeichnet, dass nach Festlegung einer bestimmten Stromstärke von 50 kA oder darüber für die Elektrolyseanlage diejenige anodische Stromdichte gewählt wird, bei der bei einer Elektrolyttemperatur zwischen.

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   940 und 975 C, bei einer Interpolardistanz von 5 bis 6 cm/ bei einer AIu miniumoxiddecke von etwa 14 bis 16 cm Dicke auf der verkrusteten Badoberfläche gerade so viel Wärme in der Zelle erzeugt wird, wie diese Zelle nach Abzug der Nützwärmemengeii für die Zersetzung des Aluminiumoxids und für das Anwärmen der Einsatzstoffe als' Verluste abführen kann.-

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