DE2213226A1

DE2213226A1 - Magnetfeld-Steuerung in Zellen zur Erzeugung von Leichtmetall durch Elektrolyse

Info

Publication number: DE2213226A1
Application number: DE19722213226
Authority: DE
Inventors: Robert Frederick Monroeville; Waller Wayne Junior Lower Burrell; Pa. Robl (V.StA.). P
Original assignee: Aluminum Company of America
Current assignee: Howmet Aerospace Inc
Priority date: 1971-03-18
Filing date: 1972-03-18
Publication date: 1972-10-05
Also published as: DE2213226B2; IT952304B; BR7201543D0; JPS5523911B1; PL77566B1; SE379215B; CH550859A; HU163473B; DD95691A5; FR2130179A1; GB1368891A; LU29922A1; NL7203709A; US3719577A; NO129963B; FR2130179B1; CA966805A; NL151139B

Description

Anmelder: Aluminum Company of America, Pittsburgh, Pa/USA

Magnetfeld-Steuerung in Zellen zur Erzeugung von Leicht-

Metall durch Elektrolyse

Die Erfindung bezieht sich auf Elektrolyse-Zellen zur Erzeugung von geschmolzenem Leichtmetall und insbesondere von Aluminium aus einer Aluainiumverbindung.

Bei der Erzeugung von Aluminium in einer Elektrolyse-Zelle wird geschmolzenes Aluminium durc^ He Elektrolyse eines Schmelzbades gebildet, wobei sich ;· ue Schicht geschmolzenen Aluminiums von relativ gleichmäßiger Dicke ergibt, das auf den Boden der Zelle gebildet wird. Es ist bekannt, daß die gegenseitige Beeinflussung von Magnetfeldern und Stromdichten in der Zelle auf die geschmolzene Aluminiumschicht wirkende, elektromotorische Kräfte erzeugt, wodurch sich eine starke Bewegung der Aluniiniumschicht in der Zelle ergibt. Diese Bewegung führt zu einer starken, weitgehenden Abnutzung bzw. einem Verschleiß dor Auskleidung. Diese Abnutzung bzw«, der Verschleiß, insbesondere von Rissen oder Sprüngen,

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wo dann Löcher in dem Gefäß gebildet werden, führt dann schließlich dazu, daß die Zelle oder die Zellen zum Reparieren und/oder zum Ersetzen der Auskleidung außer Betrieb gesetzt werden müssen. Das Außer-Betrieb-Setzen einer Zelle und die Ileperatur oder der Eüsatz einer Zellen-Auskleidung bzw« Einlage ist sehr teuer, da mit der Zelle während derZeit, während der sie außer Betrieb gesetzt ist, kein Metall erzeugt werden kann, und da zum Reparieren oder Ersetzen einer Einlage bzw. Auskleidung beträchtliche Zeit, Mühe und beträchtlich Materialien erforderlich sind.

Zusätzlich müssen auf Grund der Bewegung der geschmolzenen AIuminiumschicht die Zellen-Anoden von der Zellen-Einlage übermäßig weit getrennt werden, da die sich bewegende Schicht zu einer ungleichmäßigen vertikalen Verschiebung in der Zelle unter den Anoden führen kann.

Die die Bewegung der Aluminium-Schicht verursachenden, magneti~ sehen Felder entstehen sowohl innerhalb als auch außerhalb der Zelle; der größere Teil des außerhalb erzeugten magnetischen Flusses geht aus von den Saminelsteigleitungen für die Zellen-Anoden und von Teilen der Anodßn-Sainmelschienen, die die Zelle mit der nächsten angrenzenden Zelle elektrisch verbinden. Die Quelle für den intern erzeugten magnetischen Fluß stellt der Zellen-Strom selbst dar, d.h. der Strom, der von der Anode zu der Kathode durch das Schmelzbad und die Aluminium-Schicht und von den in der Zellen-Auskleidung verlaufenden Kathoden-Sammelstäben fließt.

Im allgemeinen können die Kräfte, die das Metall bewegen durch Verringern der Magnetfeld-Stärken in der Zelle, durch Verringern der S tronidi chten in der Zelle und den zugeordneten Leiter-Sararaelschienen und/oder durch Umformen bzw. Verlagern des Verlaufs dieser Veränderlichen in Beziehung zu der Zelle und der geschmolzenen Aluminium-Schicht eingeschränkt bzw. abgeschwächt werden. Beispielsweise hat bei einem bekannten Verfahren das Abschwächen des nachteiligen Einflusses der Magnetfelder in den Zellen zu verschiedenen Umordnungen bzw. Verlagerungen der Kathoden- und Anoden-Leitungen und -Sammelsch ienen bezüglich der

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Zelle geführt» Es hat sich hierbei aber ergeben,, daß, obwohl eine spezielle magnetische Feldkomponente in der Zelle ge schwächt wurde, andere magnetische Feldkoraponenten nachteilig beeinflußt worden sind, d.h. die Stärke anderer Komponenten ist größer geworden oder hat in einer Weise abgenommen, daß sich die Geschwindigkeit des zirkulierenden Aluminiums tatsächlich vergrößert. Auf Grund der elektromotorisöhen Kräfte, -dxsudas- geschmolzene Metall bewegen, führt dies dazu, daß das Metall sich in komplizierten Zirkulationsraustern derart bewegt, daß bei der Schwächung oder Beseitigung nur einer magnetischen Feldkomponente die Schwierigkeiten, der Metallbewegung Herr zu werden, größer und nicht kleiner werden.

Die meisten in der Aluminium herstellenden Industrie verwendeten Zellen besitzen einen äußeren, magnetisch leitenden Stahlmantel, welcher normalerweise dazu dient, das Innere der Zellen von dem außerhalb der Zelle erzeugten magnetischen Fluß abzuschirmen. Der magnetisch leitende Stahlmantel umgibt die Zelle aber von allen Seiten, so daß mit der Zunahme des Zellen-Stroms, der in Jüngster Zeit stattgefunden hat, sich auch eine Zunahme in der Stärke der von dem Hauptstrom in den Zellen-Leitungen ■ und Sammelschienen erzeugten" magnetischen Feldern ergibt, wodurch der Mantel magnetisch gesättigt worden ist. Aus diesem Grund wirkt dann der Mantel nicht länger als wirksame Abschirmung. Die Gesamtstärke des Zeil-Mantels kann aber, um eine wirksamere Abschirmung zu schaffen, nicht vergrößert werden, da die sich hieraus ergebende Zunahme in der magnetischen Leitfähigkeit nicht den Grad der magnetischen Sättigung beeinflußt.

Gemäß der Erfindung ist daher eine Zelle zur Erzeugung von Leichtmetall, beispielsweise Aluminium durch Elektrolyse, mit einer in der Zelle zu bildenden Leichtmetall-Schicht und mit äußeren elektrischen Leitern, die eine Quelle für einen Magnetfluß darstellen, durch den magnetische Feldkomponeriten in derZclle erzeugbar sind, geschaffen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß langgestreckte, magnetisch voneinander getrennte,

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den magnetischen Fluß leitende Teile zwischen dem geschmolzenen: Metall in der Zelle und den äußeren Leitern angebracht und so angeordnet sind, daß zumindest eine der magnetischen Feldkomponenten in der Zelle vermindert öder beseitigt ist, ohne die anderen magnetischen Feldkomponenten in der Zelle wesentlich zu beeinflussen.

Gemäß der Erfindung ist ein Aufbau geschaffen, mittels dem der Einfluß von Magnetfeldern in einer Elektrolyse-Zelle derart gesteuert und verringert werden kann, daß die Bewegung einer Schicht geschmolzenen Aluminiummetalls in der Zelle angehalten oder zumindest erheblich verringert ist. Dies ist erreicht durch Beseitigung oder zumindestens eine beträchtliche Verringerung der auf die Aluminium-Schicht wirkenden, elektromotorischen Kraft, die durch eine einzige, durch die Zelle und die geschmolzene Aluminium-Schicht verlaufende, magnetische FeIdkoraponente hervorgerufen wird, ohne daß hierdurch die Kräfte auf die geschmolzene Schicht beeinflußt werden, die durch magnetische Feldkomponenten erzeugt sind, die in anderen Richtungen als der der einzelnen Komponente verlaufen. Gemäß der Erfindung ist die vertikale Feldkomponente beseitigt oder ihre Stärke zumindest in einer Zelle beträchtlich verringert, ohne daß die Kräfte auf die geschmolzene Aluminium-Schicht beeinflußt werden, die durch Magnetfeld-Komponenten erzeugt sind, die in Längs- und Quer-Richtung der Zelle verlaufen. Wie im einzelnen noch später erläutert wird, können die beiden zuletzt erwähnten Kräfte so gegeneinander versetzt sein, daß die Bewegung des geschmolzenen Aluminiums aufhört.

Wie oben kurz erwähnt, stellen die den magnetischen Fluß leitenden Teile eine einfache und wirtschaftlichb Einrichtung zur Abschirmung und Steuerung des Magnetfeldes in einer Elektrolyse-Zelle dar. Hierbei sind keine kostspieligen Verlagerungen oder Neuanordnungen von Kathoden- und Anoden-Leitungen erforderlich; auch braucht die Gesamtdicke des Zellen-Mantels nicht vergrößert zu werden. Gemäß der Erfindung kann irgendein magnetisch leitendes Metall zur Abschirmung verwendet werden, bei-

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spielsweise lange Stucke von Abfalleisen und -stahl oder alte bereits verwendete Kathoden-Sammelstäbe.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen: Fig.l eine Draufsicht auf eine Elektrolyse-Zelle (sowie eine Teilansicht der angrenzenden Zellen) mit Einrichtungen zur Steuerung der Stärke der Magnetfeld-Komponenten in der Zelle gemäß der Erfindung und

Fig.2 eine Seitenansicht der in Fig.l dargestellten Zelle, teilweise im Schnitt, von der stromaufwärts liegßnden Seite her betrachtet.

In Fig.l isi eine Draufsicht auf eine Zelle oder ein Gefäß 12 dargestellt, das insbesondere zur Herstellung von geschmolzenem Aluminium aus einer Salzschmelze geeignet is t; die Zelle ist elektrisch mit den benachbarten Zellen 10 bzw. lh (die nur teilweise dargestellt sind) an deren "stromaufwärts" und "stromabwärts" liegenden Seite verbunden. Die Begriffe "stromaufwärts" und "stromabwärts" beziehen sich auf die Stronifluß-Bichtung von einer Zelle zur nächsten; die zur Herstellung von Aluminium verwendeten Zellen sind im allgemeinen über Leiter, die die Kathode der einen Zelle mit den Anoden der nächsten benachbarten Zelle verbinden, elektrisch in Reihe geschd; tet. Insbesondere ist die stromaufwärts liegende Seite die Seite, an der die Anoden an die Kathoden der benachbarten Zelle angeschlossen sind, während die stromabwärts liegende Seite die Seite ist, an der die Kathodenschienen mit den Anoden der benachbarten Zelle verbunden sind.

Die in der Zeichnung dargestellte Zelle 12 besitzt einen äußeren Stahlmantel 16, der vorzugsweise magnetisch leitend ist, eine innere elektrisdi leitende Einlage 18 aus Kohlenstoff und eine dazwischen liegende isolierende Auskleidung 20 aus einem geeigneten Material, beispielsiireise Chamotte- oder zerkleinertes, zusammengedrücktes Isoliermaterial. Wie in ^Fig.2 dargestellt kann die Zelle auf in Abstand zueinander angeordneten

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I-förmigen Trägern 22 getragen werden; die Zelle ist oben mit einer Abdeckplatte 2k aus Metall (Fig.2) abgedeckt, die die oberen Bänder des Stahlgehäuses und der Kohlenstoff-Isoliereinlagen abdeckt. In Fig.l ist die Abdeckplatte nicht dargestellt, so daß die oberen Kanten des Gehäuses und der Einlagen bzw. Auskleidungen frei daliegen.

Wie in Fig.2 und in der Zelle 14 in Fig.l dargestellt, werden Anoden-Konstruktionen 25 in der Zelle und in einem (nicht dargestellten) Elektrolyt durch elektrisch leitende Stäbe 26 gehalten, die an darüber angeordneten Anoden-Schienen 27 befestigt sind; in Fig.l ist von diesen Schienen nur eine dargestellt, die zwischen seitlich angeordneten Anoden-Schienen und 29 verläuft. In Fig.l sind die Anoden und Anoden-Schienen der Zelle 12 nicht dargestellt, um die Figur und damit die Erläuterung des die Erfindung unmittelbar betreffenden Aufbaus zu vereinfachen^ Bei kommerziellen Ausführungen wurden die Zellen 10, 12 und lh sowie andere Zellen oder Gefäße, die in der Zellen-Schaltung, d.h. in einer "Gefäß-Zeile" miteinander verbunden sind, dieselben oder ähnliche Anoden-(und Kathoden-) Systeme aufweisen.

Der Gleichstrom wird an die Zellen über die Anoden 25 und die ihnen zugeordneten Schienen zugeführt; der Stromfluß-Pfad durch die Zelle wird durch ein Kathoden-System aus der ge schmolzenen Aluminium-Schicht, der leitenden Einlage 18 und horizontal angeordneten Sammelschienen 30 aus Eisen oder Stahl vervollständigt, die in die Einlage eingebettet und quer zu der Zelle verlaufen, wie in Fig.l durch gestrichelte Linien angezeigt ist. Die Sammelschienen verlaufen nach außen durch die Einlage und durch den Mantel 16 auf den stromaufwärts und stromabwärts liegenden Seiten der Zelle, wie am besten aus Fig.l zu ersehen ist. Die Schienen sind mit Ring-Sammelschienen-Leitern 31 und 32 verbunden, die im Abstand von dem Mantel angeordnet sind und sich zu den linken bzw. rechten Seiten der Zelle erstrecken und mit Hauptkathoden-Schienen 33 bzw. 3^;i verbunden sind. Wie bereits oben vorgeschlagen wird im allgemeinen in der Praxis bei kommerziellen Anlagen eine

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große Anzahl von Zellen oder Gefäßen in Zeilen (in einzelnen oder durchgehenden Reihen) angeordnet; in diesem Fall sind die Zellen über die Hauptkathoden-Schienen 33 und Jtk einer Zelle, die den Strom leiten an die Anoden-Schienen 28 und 29 der nächstfolgenden Zelle in der Zeile elektrisch in Reihe geschaltet.

In Abhängigkeit von der Dichte der Ströme und der sich ergebenden Stärke der Magnetfelder in der Zelle und in dem geschmolzenen Aluminium können die elektromotorischen, auf das Aluminium einwirkenden Kräfte in den hier beschriebenen und in den Figuren 1.und 2 dargestellten Zellen ziemlich stark sein. In der Schmelze dient eine Bewegung vorteilhafterweise dazu, sie umzurühren und Aluminium-Zusätze in der Zelle über die Schmelze während des Betriebs der Zelle zu verteilen. Bei den hohen Betriebsströmen, die gegenwärtig in den be schrJebenen Zellen verwendet sind, hat sich eine zu starke Bewegung des Bades und insbesondere der geschmolzenen Metall-Schicht ergeben, was aus den oben angegebenen Gründen zu einem unwirksamen bzw. unwirtschaftlichen Gefäßbetrieb führt.

Beim Betrieb der in Fig.l dargestellten. Zellen-Ajiordnung wird über die Kathoden-Schienen 30 und die Schienen 31 bis 3% ein Magnetfluß erzeugt, da sie Strom aus der Zelle leiten. Dieser Magnetfluß besteht sowohl auf der Zellen-Innenseite (auf Grund der Teile der Kathoden-Schienen 30, die innerhalb des Mantels 16 angeordnet sind) als auch außerhalb der Zelle auf Grund der außerhalb angeordneten Schienen 31 bis 34t und auf Grund der Teile der außerhalb des Mantels angeordneten Kathoden-Schienen 30, Bei Stromstärken, die eine ausreichende magnetische Feldstärke erzeugen, um den Mantel zu sättigen, reicht der Mantel nicht aus, um das Zellen-Innere von dem außerhalb der Zelle erzeugten Magnetfluß abzuschirmen, d.h. von dem Fluß, der in den Schienen 31 bis 3h und in den Teilen der außerhalb der Zelle angeordneten Kathoden-Schienen 30 erzeugt ist.

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Der über die Kathoden-Schienen 30 und die Leiter 31 Ms 34 erzeugte Magnetfluß besitzt eine Komponente, die rechtwinklig zu dem Stromfluß und vertikal durch die geschmolzene Metallschicht in der Zelle, beispielsweise in der Zelle 12 verläuft. Diese vertikale Feldkoraponente ist besonders an den linken und rechten Zellen-Seiten infolge der Konzentration der Stromleiter, die seitlich davon im Abstand angeordnet sind, und infolge des Ampere¹sehen Gesetzes in der Zelle sehr stark, d.h. in der Zelle mit beispielsweise einem Strom führenden Leiter; die Stärke des Magnetfelds ist in der Mitte der Zelle, wo~das Feld seine Richtung umkehrt, sehr schwach (d.h. Null).

In der in Fig.l dargestellten Draufsicht auf die Zelle 12 ist das vertikale Feld auf der stromaufwärts liegenden linken Seite der Zelle in die Papierebene gerichtet, wie durch ein eingekreistes X dargestellt ist, und kommt auf der stromaufwärts liegenden rechten Seite der Zelle aus der Papierebene, wie durch einen eingekreisten Punkt angegeben ist. Entsprechend ist die vertikale Feldkomponente auf der rechten, stromab wärts liegenden Seite der Zelle umgekehrt, d.h. sie ist in die Papierebene gerichtet. Auf der stromabwärts liegenden, linken Seite der Zeichnung kommt die vertikale Komponente aus der Papierebene heraus. Auf diese Weise ist die Zelle auf Grund des an ihr anliegenden Magnetfeldes und der daraus resultierenden Kraft, die das Feld auf das Metall ausübt, in vier Quadranten unterteilt.

Die vertikale Feldkomponente in der geschmolzenen Metall schicht ruft an dem Metall eine Kraft in einer Richtung senkrecht zu der Komponente und in Richtung des horizontalen Stromflusses in dem geschmolzenen Metall hervor, d.h. die Stromrichtung in dem Metall verläuft gewöhnlich außerhalb der Zellenmitte. Diese Kraft, die in der in Fig.i dargestellten Zelle 12 durch Pfeile angegeben ist, verläuft entlang der Seiten und Enden der Zelle; wegen der jeweils umgekehrten Richtungen der vertikalen Fcldkomponente in den vier Quadran-

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ten der Zelle bewegen die auf das geschmolzene Metall einwirkenden Kräfte auf den stromaufwärts und stromabwärts liegenden Seiten der Zelle das Metall auf deren Mitte zu und an den linken und rechten Seiten der Zelle von deren Mitte weg, wie durch Pfeile angegeben ist.

Da, wie leicht zu verstehen ist, das geschmolzene Metall sich in den vorbeschriebenen Richtungen bewegt, neigt das Metall dazu, in vier Hauptschmelzen in der Zelle zu zirkulieren, obwohl infolge der quer und längs verlaufenden magnetischen FeIdkoniponenten in Verbindung mit der Vertikal-Komponente die Zirkulatioiismuster ziemlich verwickelt und kompliziert sind. Nichtsdestoweniger sind, wenn die vertikale Feldkomponente in der Zelle im wesentlichen beseitigt oder wenn ihre Stärke zumindest beträchtlich, vermindert werden kann, die durch die vertikale Peldkomponente erzeugten Zirkulationskräfte im wesentlichen beseitigt, daß die Wirkungen der Längs- und Quer-Felder einander aufheben, wie später noch erläutert wird. Auf diese Weise würde die Bewegung des geschmolzenen Metalls angehalten oder -,auf einen unbedeutenden Wert herabgesetzt, wodurch die Abnützung der Einlage" 18 wesentlich vermindert und eine genauere Einstellung der Anoden 25 im Verhältnis zu dem geschmolze— nm Metall möglich wäre; hierdruch wird dann der elektrische Wirkungsgrad beim Betrieb der Zelle erheblich verbessert.

Gemäß der Erfindung wird die Stärke der vertikalen Feldkomponente in einer Zelle durch die Anordnung von im wesentlichen vertikal verlaufenden, langen, magnetisch leitenden Platten und/oder Stäben an den Seiten und Enden der Zelle beträchtlich vermindert, wie in den Figuren ί und 2 dargestellt. Insbesondere auf der stromaufwärts liegenden Seite der Zelle 12, wie am besten aus der in Fig.l wiedergegebenen Draufsicht zu ersehen ist, sind vier Reihen oder Lagen von Platten 36 bis angeordnet, wobei jede Lage mehrere Platten aufweist, die entlang der Zellenseitenwand magnetisch getrenntangeordne t sind. Die Platten-Lage, die der Außenseite des Zellenmantels 16 am

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nächsten liegt, kann an diesem durch ein entsprechendes Mittel, beispielsweise durch ein isolierendes Klebemittel oder mittels Ilaftschweißungen befestigt werden, die in der Zahl begrenzt sind, um einen fortlaufenden magnetischen Pfad entlang der Zellenseiten aus Gründen zu vermeiden, die im folgenden erklärt werden. Zusätzlich würde ein Oxyd auf den Platten diese magnetisch von dem Mantel trennen.

Die in den Reihen 37 und 39 dargestellten Platten sind verhältnismäßig sehmal, während die Platten in den Reihen 36 und 38 als weniger s"chmale Platten wiedergegeben sind. Diese Art der Plattenausführung und Anordnung erleicliert die Ausdehnung der Platten bei einer Anbringung in der Nähe des Zellenbodens zwischen den Samme!schienen 30, wie am besten aus Fig.2 zu ersehen ist. Die schmäleren Platten 37 sind dann verhältnismäßig lange Platten, die etwa über die volle Höhe der Zelle 12 verlaufen, während verhältnismäßig kurze Platten von der Oberseite der Zelle an der Deckplatte 2k sich nach unten bis unmittelbar über die Sammelschienen erstrecken, wie in Fig.2 dargestellt,

Um eine wirksame Abschirmung der Zelle von dem vertikalen, durch die Sammelschienen 30 erzeugten, magnetischen Feld sicher zustellen, sind die Lücken zwischen den schmäleren Platten 27 durch die breiteren Platten 36 überdeckt, die die schmalen Platten abdecken; die breiteren Platten verlaufen vertikal zwischen den Sammelschienen 30 und der Deckplatte 2h derZelle 12, wie durch gestrichelte Linien in Fig.2 dargestellt ist. Die breiteren Platten können an den schmäleren Platten durch eine geeignete, magnetisch nicht leitende (nicht dargestellte) Klebeverbindung befestigt sein, die weiterhin bewirkt, daß die breiteren Platten jeweils von den schmalen und voneinander magnetisch getrennt sind. Zusätzlich würde ein Oxyd auf den breiteren Platten die breiteren Platten magnetisch von den schmalen Platten ebenso wie von dem Mantel 16 und voneinander isolieren.

Die Anordnung der breiteren und schmäleren Platten 36 und 37

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kann natürlich umgekehrt werden; in diesem.Fall wurden dann die breiteren Platten sehr nahe an der Zellen-Seitenwand und dem Stahlinantel 16 angeordnet sein. In ähnlicher Weise kann auch eine einzige Lage von Platten mit einer größeren Dicke anstelle der zweifachen Lage aus den Platten 36 und 37 verwendet werden; in diesem Fall könnten dann die unteren Enden jeder Platte geschlitzt oder anders bemessen sein, um sie an eine Sammelschiene oder— Schienen 30 anzupassen.

Die Platten der Lagen 38 und 39, die nur in Fig.l sichtbar sind, sind in-der Einlage 18 der Zelle 12 innerhalb des Stahlmantels l6 eingebettet, Ähnlich wie die Platten-Lagen 36 und 37 weisen die Platten 38 und 39 weniger schmale Platten (38), die so angeordnet sind, uaß sie die Zwischenräume zwischen den schmäleren Platten (39) verdecken; hierdurch ist eine wesentliche Verminderung der vertikalen Feldstärke in der Zelle erreicht, ohne in irgend einer Weise die anderen, in der Zelle bestellenden, magnetischen Feldkomponenten zu beeinflussen. Ein Teil der schmaleren Platten verläuft von der Oberseite der Zelle nach unten bis zu den und zwischen den Leiterschienen 30 hindurch, während sich die weniger schmalen Platten vorzugsweise zwischen der Zellenoberseite und den Sammelschienen erstrecken.

In Fig„l verlaufen die Kathoden-Ringsammelschienen 31 und -32 seitlich zu den Ilauptkathoden-Sammelschienen 33 bzw. 3^. Der Stromfluß, in diesen SammeIschienen addiert sich zu der Stärke der vertikalen Feldkompoiiente an den Zellen-Enden an deren stromaufwärts liegenden Seite. Um die Zelle von dem durch diese Sanmielschienen erzeugten Feld abzuschirmen, sind langge streckte magnetisch-voneinander getrennte,' leitende Stäbe 41 und ²i2 zwischen den Enden der Zellen und den Sammelschienen 33 bzw. 34 angeordnet; die Längsausdehnung der Stäbe (ähnlich wie die der Platten 36 bis 39 ) verläuft in der (vertikalen) Richtung des abzuschirmenden Feldes.

In der Ausführungsform der Figuren 1 und 2 sind die Abschirm-

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stäbe 41 und 42 zweckmäßig zwischen der Zelle und den Samraelschienen 35»34 dadurch gehalten, daß sich der untere Teil der Stäbe in die Zellen-Einlage 18 erstreckt, obwohl die Stäbe auch außerhalb des Zelleninantels angebracht sein können; es können auch (nicht dargestellte) Platten anstelle oder in Verbindung mit den Stäben verwendet werden.

Die vertikalen Stäbe 41 und 42 erstrecken sich ebenfalls über die Abdeckplatte 24 und mindestens bis auf eine Höhe, die gleich der der Steigleitungen (wo sie verwendet sind) und der Anoden-Sammelschienen für die abzuschirmende Zelle ist. In Fig.l sind die Steigleitungen und die Anoden-Sammelschienen für die Zelle 12 nicht dargestellt, damit die Zeichnung klär bleibt; die Zelle 12 besitzt jedoch Anoden-Sammelschienen, die den S auunel schienen 28 und 29 für die stromabwärts liegende Zelle 14 ähnlich sind. Es beruht auf dem durch den Stromfluß in diesen Stromschienen erzeugten MAgnetfeld, daß die vertikal en Stäbe 41 und 42 insbesondere die Zelle abschirmen.

Die in die Einlage 18 der Zelle 12 eingebetteten Abschirmteile, d.h. die Platten 38 und 39 unddie Stäbe 41 und 42 können zweckliiäßigerweise in dem Einlagematerial untergebracht sein, wenn die Einlage beim Aufbau neuer Zellen oder bei der Ileperatur und Wiederbelegung alter Zellen aufbereitet wird.

Wegen der Anordnung und Anbringung der Samraelschienen an der stromabwärts' liegenden Seite der Zelle ist die dadurch erzeugte, vertikale Feldkomponente nicht so stark wie an der stromaufwärts liegenden Seite der Zelle, Aus diesem Grund sind an der stromabwärts liegenden Seite magnetisch voneinander getrennte leitende Platten 44 und 45 nur außerhalb angebracht. Die Anzahl der Platten auf der stromabwärts liegenden Seite ist daher wesentlich kleiner als die auf der stromaufwärts liegenden Seite der Zelle. Hierbei hat sich herausgestellt, daß das Magnetfeld, das durch den Stromfluß an dem Ende und den Steigleitungs-Samuielschieiien auf der stromabwärts liegenden Seite der Zelle erzeugt worden ist, sich günstig auf die Bewegung des ge-

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schmolzenen Metalls auswirkt. Es sind dann keine Abschirmstangen an den Enden der Zelle auf der stromabwärts liegenden Seite verwendet.

Ähnlich wie die Platten 36 und 37 auf der stromaufwärts liegenden ^eite der Zelle weisen die Platten auf der stromabwärts;liegenden Seite weniger schmale Platten kk auf, die die schmäleren Platten 45 und die Abstände zwischen den schmäleren Platten überdecken, wodurch die Abschirmung des Zelleninneren gegenüber der vertikalen Feldkomponente verbessert ist, die durch den StroKifluß-iu den Sammelschienen 30, 31 und 32 auf der stromabwärts liegenden Seite erzeugt ist. Die weniger schmalen Platten erstrecken sich von der Zellen^Abdeckplatte 24 bis zu einer. Anbringung unmittelbar über den Samme1schienen 30, während die schmäleren, zwischen den Sammelschienen angebrachten Platten sich von der Abdeckplatte bis in die Nähe des Zellenbodens erstrecken.

Die langgestreckten Platten 36 bis 39, 40 und 45 sowie die Stäbe 41 und 42, leiten, wie beschrieben, die vertikale Feldkomponente entlang ihrer Längsausdehnung ab, und schirmen dadurch das Zelleninnere von der vertile alen Komponente ab, ohne die in Längs- und Querrichtung verlaufenden Felder wesentlich zu beeinflussen. Auf diese Weise sind die elektromotorischen Kräfte, die durch die vertikale Komponente in dem geschmolzenen Aluminium hervorgerufen sind iia wesentlichen beseitigt, ohne die Kräfte wesentlich zu beeinflussen, die durch die in Längsund Querrichtung verlaufenden Felder erzeugt sind. Die Größe der Kräfte, die an dem Aluminium durch die zwei letzt erwähnten Felder erzeugt sind, neigt dazu, in Längs-.Und Querrich tung zur Mitte der Zelle hin derart zuzunehmen, daß das Alu minium sich von den Enden und Seiten der Zelle nach Innen in Längs- und Querrichtung zu derer» Mitte hin bewegt, Aus diesem Grund sind durch die Kräfte, die durch die vertikale Feldkomponente erzeugt sind, die mithilfe der vertikalen Platten und Stäbe entfernt is t, die Muster der Metallbewegung·, die durch diese nach innen gerichteten Kräfte erzeugt werden würden, im

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wesentlichen einander derart entgegengesetzt, daß ihre netzartige Wirkung keine Bewegung des Metalls verursacht. Aus diesem ^rund sollten die in Längs- und Querrichtung verlaufenden Feldkomponenten nicht durch die Verminderung oder Beseitigung der vertikal verlaufenden magnetischen Feldicomponente indem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Zellenaufbau gestört werden.

Als zweckmäßige und wirtschaftliche Abschirmungsteile werden bei der Erfindung Saiumelstäbe aus Eisen verwendet, die aus der Einlage alter Zellen entfernt worden sind, und die andererseits nur als Abfallmaterial abgesetzt würden. Die Abschirmstäbe 41 und 42 an den Zellen-Enden können alte Leiterstäbe sein; derartige Stäbe können auch entlang der Zellenseitenwände verwandet werden. Flache Platten sind aber gegenüber Stäben vorteilhaft, da sie leichter ineinander überdeckenden Lagen angeordnet werden können, wie in Figil dargestellt. Die Platten brauchen aber nicht beispielsweise aus neuwertigen Stahl zu bestehen.. Es können auch Abfallmetall-Platten verwendet werden; die maßgebende Forderung ist nur die, daß sie den magnetischen Fluß in Richtung ihrer Längsabmessung leiten.

Obendrein brauchen die Abschirmplatteii auch nicht in der Nähe der Mitte der stromaufwärts und stromabwärts liegenden Seiten der Zelle angeordnet sein, da wie oben ausgeführt, das verikal verlaufende Fell in der Mitte der Zelle Null ist.

Es ist somit ein neuer und brauchbarer Aufbau beschrieben und offenbart, um das Innere einer Elektrolyse-Zelle von nachteiligen Wirkungen einer einzelnen'magnetischen, in einer vorbestimmten Richtung verlaufenden Feldkomponente abzuschirmen, ohne die magnetischen, in anderen Richtungen verlaufendai Feldkomponenten in der Zelle zu beeinflussen. Beispielsweise wird durch die wirksame Beseitigung der vertikalen Feldkomponente die Bewegung von geschmolzenem Metall in der Zelle nur beträchtlich vermindert, aber nicht vollständig angehalten, da die horizontal und transversal verlaufenden Feldkomponenten das Metall in Mustern bewegen, die dazu neigen, sich gegenseitig auszulöschen. Durch

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die wirksame Beseitigung der Metallbewegung ist die Lebensdauer der Zelleneinlage wesentlich erhöht worden, wodurch gleichzeitig die Kosten für die ßeperatur und Wiederbelegung der Zellen beträchtlich vermindert sind.

Obwohl die Erfindung besonders vorteilhaft bei der Herstellung von Aluminium ist, ist sie genauso gut bei der Herstellung von anderen Leichtmetallen, beispielsweise Magnesium, durch Elektrolyse verwendbar»

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Claims

Patentansprüche

i; Zelle zur Erzeugung von Leichtmetall, beispielsweise Aluminium durch Elektrolyse, mit einer in der Zelle zu bildenden Leichtmetall-Schicht und mit äußeren elektrischen Leitern, die eine Quelle für einen Magnetfluß darstellen, durch den inagiie ~ tische Feldkomponenten in der Zelle erzeugbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß langgestreckte, magnetisch voneinander getrennte, den magnetischen Fluß leitende Teile (36, 37, 38, 39, ^i, 42, 44, 45) zwischen dein geschmolzenen Metall in der Zelle (12) und den äußeren Leitern (31, 32, 33, 34) angebracht und so angeordnet sind, daß zumindest eine der magnetischen Feldkomponenten in der Zelle vermindert oder beseitigt ist, ohne die anderen magnetischen Feldkomponenten in der Zelle wesentlich zu beeinflussen.
2. Zelle nach Anspruch 1, g e k e η η ζ e i ohne t durch eine AnzaüL langgestreckter, den magnetischen Fluß leitender Teile, die in Richtung der einen magnetischen Feldkomponente verlaufen, und die in anderen Richtungen als der Richtung der einen magnetischen Feldkomponente magnetisch ungleichförmig ausgeliildet sind,
3. Zelle nach Anspruch 2, die an eine elektrische Schaltung mittels der elektrischen Leiter angeschlossen ist, die seitlich der Zelle ±u Abstand zueinander angeordnet sind und zumindest entlang einer Seite außerhalb der Zelle verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl leitender Teile zumindest auf einer Seite der Zelle angebracht ist.
4. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , die einen Außenmantel aus magnetisch leitendem Material aufweist und elek trisch mittels Leiter juiit einer ähnlich aufgebauten, benachbarten Zelle verbunden ist, dadurch gekennzeich-11 e t, daß die den magnetischen Fluß leitenden Teile einen

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, plattenähnlichen Aufbau aufweisen oder Stäbe sind, die au den Zellen-Mantel angrenzend angebracht sind.
5. Zelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Platten an der Außenseite der Zelle liegen.
6. Zelle nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch g e — kennzeichnet, daß die den magnetischen Fluß leitenden Teile einander überdeckende Lagen von Platten (36, 37, 38, 39) aufweisen-, die im Abstand zueinander entlang mindestens eines Teils mindestens einer Zellenseitenwand angeordnet sind und die magnetisch voneinander getrennt sind.
7. Zelle nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Zelle auf der Innenseite des Zellenmantels eine Einlage (18) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die den magnetischen Pluß leitenden Teile einen plattenähnlichen Aufbau (38, 39) aufweisen und sich in die Einlage erstrecken.
8. Zelle nach einem der Ansprüche 4 bis 7 mit einer Einlage, dadurch gekennzeichnet, daß die den magnetischen Pluß leitenden Teile an den Zellen-Enden Stäbe (41, 42) aufweisen, die sich in,die Einlage erstrecken.
9. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Zelle Aluminium durch Elektrolyse einer in einer Salzschmelze gelösten Aluniiniuinverbinduig herstellbar ist und eine Schicht .; aus geschmolzenem Aluminium gebildet wird, wobei die Zelle einen Außenraaiitel ais magnetischem Material besitzt und elektrisch mit einer ähnlich aufgebauten, angrenzenden Zelle durch dazwischen verlaufende Leiter verbunden ist, die Kathoden-rLelter aufweisen, die seitlich im Abstand zu der Zelle angeordnet sind und entlang mindestens einer Seite außerhalb der Zelle verlaufen, und vobei mindestens ein Teil der Leiter, wenn sie den Zellen-Strom leiten, eine Quelle für einen magnetischen Fluß darstellen, durch den der Zellen-Mantel gesättigt und dadurch eine

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magnetische, im wesentlichen senkrecht durch die Aluminium-Schicht verlaufende Feldkomponente erzeugt ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl langgestreckter, den magnetischen Fluß leitender Elemente im wesentlichen vertikal verlaufen und an zumindest einer Seite der Zelle zwischen der Aluminium-Schicht und den Kathoden-rLeitern angebracht sind.
10. Zelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden-Leiter seitlich von der Zelle im Abstand angeordnete und entlang den Enden der Zelle verlaufende Leiter aufweisen, und daß eine zweite AnzaüL langgestreckter, im wesentlichen vertikal vrrlaufender, den magnetischen Fluß leitender Elemente an den Enden der Zelle und zwischen Schicht aus geschmolzenem Aluminium angeordnet sind, und daß die Leiter sich entlang der Zellen-Enden erst recken, wobei die zweite AnzaM den Magnetfluß leitender Teile magnetisch in anderen Richtungen als die Richtung der magnetischen Feldkomponente verteilt sind.
11. Zelle nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch g e kennzeichnet, daß die den Magnetfluß leitenden Teile einander überdeckende Lagen von Platten aufweisen, die in Längsrichtung im Abstund voneinander entlang mindestens eines Teils an mindestens einer Seite der Zelle angeordnet sind.
12. Zelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagen magnetisch voneinander durch eine Isolierung getrennt sind.
13. Zelle nach einem der Ansprüche 9 his 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle auf der Innenseite des Zellen-Mantels eine Einlage aufweist, und daß die den Magnetfluß leitenden Teile einen plattenähnlichen oder stabförmigen Aufbau besitzen und sich in die Einlage erstrecken.

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