DE2244040B2 - Elektrodenanordnung für eine elektrolytische Zelle - Google Patents
Elektrodenanordnung für eine elektrolytische ZelleInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine elektrodenanordnung für
eine elektrolytischfc Zelk.· zur Herstellung von Aluminium aus Aluminiumchlorid, wo. si in der Zelle eine
korrodierende Atmosphäre hoher Temperatur vorliegt, bestehend aus einer von oben in die Zelle ragenden
Elektrode und einem Leiter niedrigen elektrischen Widerstandes für die Stromzuführung.
In der DE-OS 19 48 181 ist eine widerstandsfähige Elektrode beschrieben, die aus Metall besteht und mit
einer dünnen Schicht, vorzugsweise aus Zirkonkarbid, überzogen ist
Diese dünne Schicht soll den Elektrodenkern bei Arbeitstemperaturen von etwa 70° C vor dem Elektrolyten und den an der Elektrode entbundenen Verbindungen schützen.
In der FR-PS 14 34 727 ist eine Elektrodenanordnung
für elektrolytische Zellen beschrieben, bei welcher eine den Strom zuführende Kupferstange in einer Bleipulverhülse eingebettet ist, die ihrerseits in einem
Graphittiegel eingeschoben ist Diese Anordnung ist für Arbeitstemperaturen Unter 1000C vorgesehen; ein
Arbeiten dieser Anordnung in einer korrodierenden Atmosphäre ist indessen nicht vorgesehen und auch
nicht möglich.
Aus der CH-PS 4 60 926 ist eine Elektrodenanordnung bekannt bei welcher mehrere Metallrohre
ineinandergeschoben sind und das innere Metallrohr an einem Ende eine Ausnehmung zur Aufnahme eines
Graphitblockes aufweist, der gegen eine Elektroden· platte anliegt, welche ihrerseits in der Wand einer
Kammer vorgesehen ist. Bei dieser bekannten Anordnung strömt inertes Gas durch den Raum zwischen den
beiden äußeren Metallrohren und hat einen abdichtenden Effekt, wobei diese Anordnung bei Magnetohydrodynamik-Generatoren eingesetzt werden soll.
für die Verwendung in elektrolytischen Zellen zur Herstellung von Aluminium beschrieben, die am
Zellenboden angeordnet ist und von unten in das flüssige Aluminium ragt Diese Anordnung umfaßt eine
Kuppe aus Titanborid, welche mit einem Eisenstab in elektrischem Kontakt steht, der seinerseits von einer
Siiizjumkarbidhülse so geschützt ist, daß flüssiges Aluminium nicht mit dem Eisenstab in Berührung
kommen kann. Diese bekannte Elektrodenanordnung
to ist indessen nicht für die Verwendung in einer
korrodierenden Atmosphäre geeignet, weil sie gegen
den Angriff von beispielsweise Chlorgas keinen Schutz
bietet
"> besteht darin, eine Elektrodenanordnung für eine
elektrolytische Zelle der im Oberbegriff umrissenen Art so auszubilden, daß der metallische Leiter wirksam
gegen einen Angriff der in der Zelle herrschenden korrodierenden Atmosphäre, insbesondere Chlorgas
geschützt ist, wobei die Elektrodenanordnung technisch nicht aufwendig sein soll und eine hohe Lebensdauer
aufweist
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß der elektrische Kontakt zwischen dem metallischen
Leiter und der Elektrode mit Hilfe einer in einer Bohrung in der Elektrode angeordneten Hülse aus
Graphit mit einaji pyrolytischen Graphitbelag hergestellt ist
Zweckmäßig ist in dem metallischen Leiter ein sich in
vorgesehen, der über einen Raum am inneren Ende des
sein, daß in dem Leiter ein Kanal für ein Kühlmittel vorgesehen ist
Vorteilhaft ist die Hülse in dem in die Elektrode hineinragenden Bereich außen konisch.
Da der Schmelzpunkt des Aluminiums ungefähr
6600C beträgt werden die zum Erzeugen von
Aluminium aus Chlorid verwendeten elektrolytischen Zellen üblicherweise bei einer Temperatur von ungefähr
700° C betrieben. Kein metallischer Leiter ist beständig gegen den korrodierenden Angriff des Chlorgases bei
einer Temperatur von mehr als ungefähr 550° C, so daß
die Lebensdauer je nach verwendetem Metall und
Bestandteile des Bades oder Chlorgas die Elektrode durchdringt oder bis zu dem metallischen Leiter
vordringt, der durch eine Wand der Zelle geführt ist
Im Betrieb der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung wird indessen ein Kontakt des korrodierenden und
ss vordringenden Materials mit dem leitenden Mantel der
Zelle vermieden bzw. gänzlich ausgeschlossen durch wahlweises Gefrieren dieses vordringenden korrodierenden Materials an vom Zellenmantel entfernten
Stellen unter Unterstützung eines selektiven Tempera
turgefälles, das durch eine unabhängige Kühlung des
metallischen Leiters aufrechterhalten wird.
Die Elektrodenanordnung ist weiterhin undurchlässig für die korrodierenden vordringenden Flüssigkeiten und
Gase, die bei der elektrolytischen Reduktion von
*>">
Aluminium aus Aluminiumchlorid entstehen, so daß die Lebensdauer der Zelle wesentlich verlängert wird. Auch
wird eine Beschädigung der Elektrodenanordnung leicht erkennbar angezeigt. Weiterhin ist mit der
erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung eine wirtschaftliche Erzeugung von Aluminium aus Aluminiumchlorid möglich.
Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert In
der Zeichnung zeigt
F i g. 1 eine Schnittansicht durch eine Elektrodenanordnung,
F i g. 2 einpji waagerechten Schnitt gemäß der Linie
2-2 in F ig. 1.
In F i g. 1 ist eine Elektrodenanordnung 10 gezeigt, die
in die Wand einer nicht dargestellten elektrolytischen Zelle für die Erzeugung von metallischen Aluminium
eingesetzt ist Die nur teilweise gezeigte Zellenwand umfaßt eine verhältnismäßig dicke, feuerfeste und
wärmeisolierende Schicht 12 und einen äußeren Metallmantel 13, der elektrisch leitend und geerdet ist
Eine solche elektrolytische Zelle ist für die Elektrolyse von Aluminiumchlorid vorgesehen, das in einer
Halogenschmelze aufgelöst ist, die aus einem oder mehreren Alkalimetallhalogenide" besteht und für die
Erzeugung von metallischem Aluminum? verwendet wird. Die Bestandteile der Schmelze und das bei der
Elektrolyse entstehende Chlorgas sind für Metall stark korrodierend und dringen in diese ein.
Die Elektrodenanordnung 10 weist eine Elektrode 14 auf, die sich in der Zelle befindet und der korrodierenden Umgebung ausgesetzt ist Es ist ein einen geringen
Widerstand aufweisender stromführender Leiter 16 ais Metallstange vorgesehen, welche sich durch die
Zellenwand und in eine Bohrung 18 in der Elektrode 14 erstreckt Ein Ende des Leiters 16 ist außerhalb der Zelle
angeordnet und an eine Stromquelle angeschlossen. Der metallische Leiter 16 ist von einer Hülse 20 aus einem im
wesentlichen undurchlässigen und elektrisch leitenden Material wie dichter Graphit umgeben. Diese Hülse ist
so bemessen, daß sie sich in die Bohrung 18 erstrecken und durch die Zellenwand treten kann. Auf der Hülse ist
ein Belag aus pyrolytischem Graphit vorgesehen. PyrolytiscVr Graphit ist eine im Dampf niedergeschlagene Form des Kohlenstoffs, der erzeugt wird, wenn ein
kohlenstoffhaltiges Gas thermisch zersetzt wird. Kohlenstoffatome aus dem Gas setzen sich auf der
Außenseite der Graphithülse in Schichten ab, die parallel zur Absetzfläche orientiert sind.
Die Hülse kanu auch gänzlich pyrolytisch sein, so daß
sie für die in einer elektrolytischen Zelle befindlichen Flüssigkeiten und Gase undurchlässig ist Für einen
guten elektrischen Kontakt sind der Innendurchmesser der Hülse 20 und der Außendurchmesser des Leiters 16 so
so bemessen, daß zwischen Hülse und Leiter ein verhältnismäßig fester Sitz besteht Ein solcher fester
Sitz bewirkt einen guten elektrischen Kontakt zwischen dem Leiter und der Hülse.
Ebenso wird durch Preßsitz zwischen der Elektrode 14 und der Hülse 20 ein guter elektrischer Kontakt
hergestellt Damit die Hülse 20 ohne Schwierigkeiten in die Elektrode leicht eingesetzt und herausgezogen
werden kann, ist sie in dem in die Elektrode hineinragenden Bereich außen konisch.
Die Hülse 20 bedeckt die gesamte Länge desjenigen Teiles des Leiters 16, der sich in der Elektrode 14
befindet. Die Hülse 20 ist an einem Ende geschlossen und am anderen Ende offen, wie dies in Fig. 1 gezeigt
ist. Außerdem ist nach Fig. 1 zwischen dem Ende dc ^
Leiters 16 und dem geschlossenen Ende der Hülse 20 ein
Raum 21 vorgesehen.
isolierende Hülse 23 denjenigen Teil der Hülse 20, dar
sich durch die Zellenwand hmdurchersireckt Zwischen
den beiden Hülsen ist ein ringförmiger Raum 24 angeordnet, der der besseren Übersichtlichkeit wegen
übersteigert groß dargestellt ist Ein fester Sitz zwischen den beiden Hülsen ist ausgeschlossen, da das Material
der isolierenden Hülsen (Siliziumoxynitrid oder Quarz) nicht so genau bearbeitet werden kann. Außerdem weist
die Hülse 20 einen etwas größeren Ausdehnungskoeffizienten auf als die Hülse 23. Die beiden Hülsen weisen
also einen lockeren Sitz auf und können daher mühelos zusammengesetzt und auseinandergenommen werden.
Die Hülse 23 bewirkt daher nicht nur eine elektrische Isolierung der leitenden Hülse 20 und des Leitergliedes
16 von dem geerdeten Metallmantel 13 der Zellenwand 12, sondern bildet auch zusammen mit den genannten
Bauteilen einen Pfad für die Strömung des vordringenden korrodierenden Materials aus der elektrolytischen
Zelle.
Die korrodierenden gasförmigen und flüssigen Bestandteile versuchen die Elekw^de 14 wegen ihrer
Porosität zu durchdringen und durch die Fläche an der Zellenwand mit dem im Innern befindlichen Leiter in
Berührung zu gelangen. Ohne Schutz des Leiters 16 nach F i g. 1 würden diese korrodierenden Bestandteile
an der Zwischenfläche zwischen der Wand 12 und der Elektrode 14 entlang und durch die Poren der Elektrode
14 selbst wandern und mit dem Leiter 16 in Berührung gelangen.
Dieser metallische Leiter 16 ist jedoch durch die undurchlässige Hülse 20 vollständig gegen Korrosion
geschützt Damit wird die Lebensdauer des Leiters wesentlich erhöht; sie kann mehrere Jahre betragen.
Eine Wartung, die der geschützte Leiter erfordern könnte, kann während einer Außerbetriebsetzung der
Zelle durchgeführt werden. Die konische Ausführung der Hülse 20 ermöglicht den Ausbau der gesamten
Elektrodenanordnung und einen Ersatz, bevor die Zelle außer Betrieb gesetzt wird.
Wahlweise kann eine Abschirmung aus einem inerten Gas vorgesehen sein, das mit dem Leiter 16 der
Elektrode 14 und der Hülse 20 chemisch nicht reagiert Dieses Gas wird unter einem Druck gehalten, der einen
Kontakt des Leiters mit den vordringenden korrodierenden Bestandteilen verhindert Beispielsweise wird
Stickstoffgas aus einer unter Druck stehenden Quelle 26 durch einen Kanal 28 geleitet der sich durch die
gesamte Länge des Leiters 16 in den Raum 21 erstreckt Um die Aufrechterhaltung der gasförmigen Abschirmung an der Außenseite des Leiters 16 zu unterstützen,
sind mehrere kleine Längsnuten 30 vorgesehen, die sich vom unteren Ende des Leiters 16 wenigstens bis in die
Nähe der Zellenwand erstrecken. Das in den Nuten befindliche Gas durchdringt die Fläche zwischen der
Innenseite der Hülse 20 und der Außenseite des Leiters 16, weil diese Flächen noch genügend rauh sind und
Platz für eine dünne Gasabschirmung bilden. Wie in Fig.2 gezeigt ist, sind die Längsnuten 30 so klein
bemessen, datt "ine wesentliche Beeinträchtigung des
erwünschten guten elektrischen Kontaktes zwischen der Hülse 20 und dem Leiter 16 vermieden ist.
Die gasförmige Abschirmung mit den erforderlichen Druck reicht aus, um alle sich nähernden korrodierenden Flüssigkeiten oder Gase fernzuhalten. Dabei wird
zwangsläufig eir Drurkgefälle erzeugt, das eine Strömung des inerten Gases in einer Richtung vom
Leiter weg nach außen durch die Poren der Hülse 20 in geringstem Ausmaß oder fast keine Strömung bewirkt.
so daß der Verlust des inerten Gases aus der Anlage vernachlässigbar klein ist.
Die Anordnung mit der gasförmigen Abschirmung wirkt ferner als Anzeige- oder Warneinrichtung für
nachteilige Betriebsbedingungen in der Zelle oder für einen Ausfall der Elektrodenanordnung. Da die normale
Strömung des inerten Gases sehr gering ist, kann mit Hilfe eines Druckmessers 31 und/oder eines Strömungsmessers 31/4, die in den Strömungskreislauf eingeschaltet
sind, wie dies in F i g. 1 gezeigt ist, eine Verstärkung der Gasströmung oder ein' Druckabfall beständig
ermittelt werden.
Zum Einsetzen der Elektrodenanordnung in die Zellenwand und zum Herstellen einer Abdichtung
zwischen den Hülsen 20 und 23 und der Zellenwand 12 sowie zwischen der Hülse 20 und dem Leiter 16 ist eine
konzentrische Stopfbuchse 32 vorgesehen, die zugleich die Hülse 20 und den Leiter 16 vom leitenden Mantel 13
Leiter 16 gelegene Teil der Buchse 40 isoliert den Leiter 16 sowie den Kragen 36 vom Leiter 16.
Diese konzentrische Abdichtung dichtet die Zellenwand 12 gegen Flüssigkeiten und Gase an der Hülse 23
ί ab und verhindert ein Entweichen des inerten Gases.
Der sich durch die Zellenwand 13 urstreckende Leiter
16 ist mit einem Kanal 44 (Fig. 1) versehen, durch den Kühlflüssigkeit geleitet wird. Da der Leiter 16 sehr gut
wärmeleitend ist, würde die Hitze in der Elektrolysezel-
K) Ie rasch auch zu denjenigen Teilen abgeführt werden,
die sich in der Nähe der Abdichtungsanordnung 32 befinden. Die Kühlflüssigkeit durch die Kanäle 44 hält
im wesentlichen gleichmäßige Temperatur an diesem Teil des Leiters, so daß nur eine geringe Expansion und
ι; Kontraktion erfolgt und im Bezirk der Abdichtungen sogar wirksam vermieden wird.
Die korrodierenden Flüssigkeiten und Gase in der elektrolytischen Zelle können durch die Zwischenfläche
Di» Stopfbuchse 32
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einem Flansch, der sich um das Ende der Hülse 20 erstreckt und am Metallmantel 13 mittels am Umfang
angeordneter Zapfen festgelegt ist. Der Kragen ist vom Mantel 13 und von den Bolzen durch Isolierbuchsen 37,
eine Ringscheibe 38 zwischen dem Kragen und dem Mantel und durch Ringscheiben 38a zwischen dem
Kragen und den Bolzenköpfen isoliert. Zwischen dem Kragen 36 und der Hülse 20 ist ein isolierendes
Packungsmaterial 39 in Form eines Asbeststranges angeordnet.
In der Nähe des Endes des Kragens 36 ist vom Mantel 13 entfernt um den Leiter 16 eine Isolierbuchse 40
angeordnet, die über der Packung 39 von einer Platte 41 gehalten wird, welche am Kragen 36 mittels Schrauben
befestigt ist.
Der zwischen der Innenkante der Platte 41 und dem und dabei in den Kanal 24 /wischen der Hülse 23 und
der Hülse 20 gelangen. Die Kühlung des Leiters 16 und die Herabsetzung der Temperatur im Bezirk der
isolierenden Hülse 23 unterstützt ein örtlich begrenztes Gefrieren dieses Materials in dem Raum 24, bevor der
2Ί Zellenmantel 13 und die Abdichtungen 32 erreicht
werden. Das verfestigte Material dient dann als Barriere, so daß zwischen der Hülse 20 und dem Leiter
16 gf.jfsnüber dem Mantel 13 eine gute elektrische
Isolation besteht.
in Die Elektrodenanordnung kann auch z. B. für die
Graphitwiderstandserhitzung einer Ofenkammer bei der Erzeugung von Aluminiuiichlorid aus Chlorgas,
aluminiumoxidhaltigem Material und Kohlenstoff verwendet werden.
Claims (4)
1. Elektrodenanordnung für eine elektrolytische Zelle zur Herstellung von Aluminium aus Aluminiumchlorid, wobei in der Zelle eine korrodierende
Atmosphäre hoher Temperatur vorliegt, bestehend aus einer von oben in die Zelle ragenden Elektrode
und einem Leiter niedrigen elektrischen Widerstandes für die Stromzuführung, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Kontakt zwischen
dem metallischen Leiter (16) und der Elektrode (14) mit Hilfe einer in einer Bohrung (18) in der Elektrode
(14) angeordneten Hülse (20) aus Graphit mit einem pyrolytischen Graphitbelag hergestellt ist
2. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem metallischen
Leiter (16) ein sich in Längsrichtung erstreckender Kanal (28) für ein inertes Gas vorgesehen ist, der
über einen Raum (21) am inneren Ende des Leiters (16) mittels Längsnuten (30) mit dessen Außenumfang in Verbindung steht.
3. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Leiter (16) ein
Kanal (44) für ein Kühlmittel vorgesehen ist
4. Elektrodenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Hülse (20) in dem in die Elektrode (14) hineinragenden Bereich außen konisch ist
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