DE2459930C2 - Elektrolysezelle - Google Patents

Description

rungsform in Fig. 2 verwendeten ähneln, so angeordnet, daß die meisten kürzeren Seiten parallel zu den längeren Seiten des Kathodenhohlraums sind. Bei den vier Anoden sind die kürzeren Seiten parallel zu den kürzeren Seiten des Hohlraums, so daß ein Beschickungs- und Entnahmekanal 22 auf jeder Seite der Zelle frei bleibt.

Be! der hier vorgeschlagenen Anordnung der Anoden wird im Vergleich mit der herkömmlichen Ausgestaltung der Anoden die effektive Querschnitisfläche der Anoden erhöht und die Fläche oder der Kanal für die s Beschickung bzw. Entnahme verringert; dabei wird bei den herkömmlichen Anoden die erstarrte, feste Kruste zwischen den Anoden immer im wesentlichen längs der Gesamtlänge der Wanne aufgebrochen.

Aufgrund der effektiven Erhöhung der Anoden-Oberfläche, die durch die hier vorgeschlagene Anordnung der Anoden erreicht wird, läßt sich die Anoden-Stromdichte verringern. Damit wird also durch die vorliegende Erfindung eine Zelle mit niedrigerer Anoden-Stromeichte geschaffen, die alternativ unter folgenden Bedingungen betriebs/: werden kann: entweder bei einer geringeren Zahl von Kilowattstunden pro Gewichtseinheit Metall, die bei der üblichen Stromstärke erzeugt wird, oder bei erhöhter Stromstärke und deshalb gesteigerter Metallproduktion ohne Erhöhung der Zahl von Kilowattstunden pro Gewichtseinheit erzeugtes Metall.

Wie oben erwähnt wurde, ergeben sich bei den Aluminium-Reduktionszellen gemäß der vorliegenden Erfindung die gewünschten flachen »Metallböden«. Durch diesen Effekt wird, wie bekannt, dazu beigetragen, daß die Abtragung oder der Verschleiß der Seitenwände der Kathode verringert wird und diese Abtragung gleichmäßiger erfolgt. Ein flacher Metallboden erleichtert auch die Steuerung und Optimierung der Abstände zwischen Anode und Kathode. Die Steuerung wird erleichtert, weil die Turbulenz des Schmelzbades verringert wird, und die Optimierung wird erleichtert, weil es im wesentlichen nur einen einzigen Metallpegel gibt. Üblicherweise zeigen Metallböden im gewissen Ausmaß Krümmungen an der Oberfläche der Schmelze, so daß bei einer bestimmten Zelle einzelne Justierungen der Lagen der unterschiedlichen Anodenblöcke oder Anodenanordnungen erforderlich werden.

Die Gründe für die oben erwähnte flache Ausgestaltung sind komplex und noch nicht vollständig geklärt. Es wird jedoch angenommen, daß der magnetische Fluß am Kathoden-Umfang einer Aluminium-Reduktionszelle die Resultierende von zwei einander entgegenwirkenden Magnetfeldern ist; das eine Magnetfeld wird durch die Ringleitung erzeugt, die den Strom von der Kathode aufnimmt, und hat eine starke vertikale Komponente, während das andere Magnetfeld durch den durch die Anoden fließender Strom erzeugt wird und eine starke horizontale Komponente hat. Im einzelnen wird angenommen, daß die Anordnung und Stärke des durch die Anoden erzeugten magnetischen Flusses von dem Abstand zwischen jeder Anode und insbesondere von der Existenz eines mittleren Kanals abhängt, wie er in Fig. 1 dargestellt ist. Anoden - Aufbauten von den in den Fig. 3 und 4 gezeigten Typen neigen von Natur au> zu flacheren Metallböden, wobei die hier beschriebene Verbesserung insbesondere für Fig. 2 relevant ist.

Wird der Kanal zwischen den Anoden verbreitert, so gewinnt die vertikale Komponente des magnetischen Flusses einen größeren Einfluß, der sich durch »Aufhäufen« bzw. »Aufschütten« oder »Buckelbildung« des Metallbodens bemerkbar macht. Sind umgekehrt die Anoden näher beieinander angeordnet, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, so wird der Umfang verstärkt und wirkt wahrscheinlich der vertikalen Komponente in der Nähe des Kathoden-Umfangs entgegen, was zu einer Abflachung des Metallbodens führt.

Weiterhin verringert das häufige Aufbrechen einer kleineren Fläche der erstarrten, festen Kruste die Temperalurschwankungen und bringt den zusätzlichen Vorteil mit sich, daß die Zelle bei niedrigeren mittleren Temperaturen betrieben werden kann, wodurch der Stromwirkungsgrad verbessert wird.

Da das Aluminiumoxid und die weiteren Zusätze einer relativ kleinen Fläche der Zelle zugeführt werden, treten keine Probleme bezüglich der Verteilung oder der Absonderung bzw. Entmischung wegen der starken elektromagnetischen Rührwirkungen bei Hall-Zellen auf, da diese Effekte bei Zellen nach der vorliegenden Erfindung zwar verringert, jedoch noch ausreichend für die gleichmäßige Verteilung der Badzusätze sind.

Die vorgeschlagene Anordnung mit vorgebrannten Kohlenstoff-Anoden kann in gleicher W eise bei Wannen oder Zellen eingesetzt werden, die Söderberg-EIektroden verwenden, wenn sie so umgestellt werden, daß sie mit vorgebrannten Anoden betrieben werden können.

In dem folgenden Beispiel sollen nochmals die oben erwähnten Vorteile aufgrund von Vergleichen zwischen den verschiedenen Betriebsparametern für eine herkömmliche Zelle und eine Zelle gemäß der Erfindung erläutert werden.

Beispiel

Eine Zelle von dem allgemeinen Typ. wie er in Flg. 2 dargestellt Ist, wies 12 Anoden mit Querschnittsabmessungen von 135 cm χ 121 cm auf; diese Zelle wurde kontinuierlich über einen längeren Zeitraum in einer Wannenreihe von herkömmlichen Zellen eingesetzt, die 18 Anoden mit Querschnittsabmessxingen von 116 cm χ 80 cm aufwiesen, die gemäß der Darstellung In Flg. 1 angeordnet waren. Die effektive Erhöhung der Anodenfläche der modifizierten Zelle im Vergleich mit der herkömmlichen Zelle betrug 17%. Die Größe des zwischen den Anoden liegenden Raumes wurde um ungefähr 65% verringert Diese Anordnung erhöhte die effektive Anodenfläche von näherungsweise 79,4% der Querschnlttsfläche des Kathodenhohlraums auf ungefähr 93% der Fläche des Kathodenhohlraums.

Typische repräsentative Werte für die verschiedenen Betriebsparameter werden In der folgenden Tabelle für die herkömmliche bzw. die modifizierte Zelle miteinander verglichen:

	Herkömmliche Wannen	Modifizierte Wannen	Prozentänderung der modifizierten Wanne
Betriebsstrom kA	151,1	151,8
Stromwirkungsgrad	86,9	88,8	+2,1%
mittlere Voltzahl/Wanne	4,45	4,27
Netto-kg Aluminium/Wanne Tag	1057	1085	+2,6%
Gleichstrom-kwh/ Netto-kg Aluminium	15,27	14,34	-6,5%
Netto-KohlenstofT-Verhältnis	0,45	0,43	-4,7%
Bad-Temperatur 0C	971	973
mittleres Badverhältnis	1,39	1,39

Aus diesen Werten ergibt sich, daß Im Vergleich mit einer ähnlichen Reihe von Zellen, bei denen Anoden mit herkömmlicher Größe und Anordnung verwendet wurden, mit der Zelle gemäß der vorliegenden Erfindung eine

(a) 1796lge Verringerung der Stromdichte

(b) 2,O96ige Erhöhung des Stromwirkungsgrades.

(c) eine Steigerung des pro Wanne und Tag erzeugten Aluminiums von 15 kg oder 1,495,

(d) eine 6,l%lge Verringerung der Glelchstromkwh/kg Al, und

(e) eine 4,4%ige Verringerung des Netto-Kohlenstoffverhäitnisses

erreicht wurden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Elektrolysezelle für die Herstellung von Aluminium mit einem Kathodenhohlraum und mehreren Anoden, die nach unten in den Hohlraum vorstehen, wobei die Anoden so angeordnet sind, daß sich um den gesam-

   ten Umfang des Kathodenhohlraums sowie zwischen den Anoden ein freier Raum ergibt, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Querschnittsfläche der Anoden (12) 85% und mehr der gesamten Querschnittsfläche des Kathodenhohlraumes (10) beträgt, wobei zur Beschickung mit Aluminiumoxid und anderen Zusätzen des Elektrolysebades an einer oder mehreren ausgewählten Stellen zwischen den Anoden oder zwischen den Anoden und den benachbarten Wänden des Kathodenhohlraumes Flächen (18 oder 22) freigelassen sind.

   Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Elektrolysezelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Aus der US-PS 34 15 724 ist bereits eine gattungsgemäße Elektrolysezelle bekannt. Bei der bekannten Elektrolysezelle weisen die Anoden voneinander und zu der inneren Oberfläche des Kathodenhohlraumes einen gleichmäßigen Abstand auf. Eine derartige Anordnung Ist In Flg. 1 der Anmeldung als Beispiel für diesen Stand der Technik angegeben. Die bekannte Anordnung der Anoden in der Elektrolysezelle bedingt hohe Wärmeverluste und einen niedrigen Wirkungsgrad der Elektrolysezelle.

   Der vorliegenden Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektrolysezelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiter zu bilden, daß sie niedrigere Wärmeverluste und einen hohen Wirkungsgrad hat.

   Diese Aufgabe wird bei einer Elektrolysezelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

   Die gegenüber der bekannten Anodenanordnung modifizierte Anordnung sowie die Steuerung der Querschnlttsfläche der Anoden im Vergleich zur Kathodenfläche führt zu wesentlichen Einsparungen beim elektrischen Energieverbrauch.

   Sowohl bei der Elektrolysezelle nach dem Stand der Technik als auch bei der Elektrolysezelle gemäß der vorliegenden Anmeldung werden das als Rohmaterial für die Herstellung von Aluminium dienende Alumlnlumoxyd und andere Zusätze des Elektrolysebades üblicherweise In »Kanälen« oder offenen Räumen zwischen zwei Reihen von Anoden oder zwischen einer Reihe von Anoden und der Seitenwand einer Zelle bzw. eines f Kathodenhohlraumes zugeführt. Das als Endprodukt entstehende Aluminium wird ebenfalls aus diesen Kanälen

   entnommen, beispielsweise abgestochen, abgesaugt und vergossen. Die Kanäle sind Üblicherwelse durch eine

   35 erstarrte feste Kruste aus den Bestandteilen des Bades bedeckt, so daß diese Kruste aufgebrochen werden muß,

   bevor dem Schmelzbad, das sich unter dieser Kruste befindet, das Aluminiumoxyd und die anderen Zusätze zugeführt werden können.

   Ein erheblicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der beanspruchten Anordnung der vorgebrannten Anoden, durch die der von dem offenen Kanal eingenommene Raum sehr stark verkleinert wird. Indem er mit Anoden gefüllt wird, wobei jedoch noch ein ausreichender offener Raum beibehalten wird, um das Aluminiumoxyd und die Zusätze zuzuführen und das als Endprodukt entstehende Aluminium zu entnehmen.

   Weitere Vorteile bestehen im Senken der Wärmeverluste durch Verkleinerung des Kanalraumes sowie In dem Absenken der unerwünschten Verflüchtigung der Bestandteile des Bades.

   Ausführungsbeispiele nach dem Stand der Technik sowie bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden 45 Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

   Fig. 1 eine herkömmliche Elektrolysezelle, bei der zwischen den beiden Reihen von Anoden ein freier Raum

   vorgesehen ist, um die Zelle zu beschicken und um das Endprodukt Aluminium zu entnehmen;

   Flg. 2 eine mögliche Umgruppierung der Anoden einer solchen Zelle gemäß dem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung;

   Fig. 3 eine weitere herkömmliche Anordnung mit Seltenkanälen für die Beschickung der Zelle und die Entnahme des Aluminiums; und

   Fig. 4 eine weitere mögliche Umgruppierung der Anoden gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei der bekannten, in Fig. 1 dargestellten Ausgestaltung einer Elektrolysezelle ist In einer Kathode 10 ein Hohlraum mit 18 Anoden 12 vorgesehen, die einen rechteckigen Querschnitt haben; dabei sind die kürzeren Seiten der Anoden 12 parallel zu der längeren Seite des Hohlraums 10 angeordnet. Der zwischen den Anoden liegende Raum 14, also der sich zwischen den beiden Reihen von Anoden befindende Raum, wird dazu verwendet, der Zelle die Rohmaterialien zuzuführen und das als Endprodukt entstehende Aluminium zu entnehmen.

   Bei der In Fig. 2 gezeigten Ausführungsform der Erfindung sind 12 Anoden 16 in zwei Reihen angeordnet. Die Anoden haben wieder einen rechteckigen Querschnitt. Außer den Endanoden sind die Anoden so angeord-6" net, daß ihre kürzeren Seiten parallel zu den längeren Selten des Kathodenhohlraums sind.

   Die kürzeren Selten der Endanoden sind parallel zu den kürzeren Seiten des Kathodenhohlraums, so daß an jedem Ende zwischen den Anoden ein Raum 18 freibleibt, um die Zelle zu beschicken und das Aluminiumprodukt zu entnehmen.

   Die In Flg. 3 dargestellte Ausführungsform ähnelt der in Flg. 1 dargestellten, wobei der Unterschied darin besteht, daß die Anoden 12 in zwei Reihen sehr nahe beieinander angeordnet sind, so daß ein Seitenkanal 20 zwischen jeder längeren Seite der Zelle und der benachbarten Anodenreihe entsteht, um die Rohmaterialien zuzuführen und das Aluminium zu entnehmen.
   Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausfuhrungsform der Erfindung sind die Anoden, die den nach der Ausfüh-