DE2603475C3 - Kathode für Elektrolyseöfen - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Kathode zur Verbesserung der vertikalen Stromdichte, der Stromausbeute, des Wirkungsgrades und der Ofenhaltbarkeit von Elektrolyseöfen.

Bei Elektrolyseöfen für Aluminium unterliegt nicht nur der Elektrolyt sondern auch das geschmolzene Metall als stromdurchf lossener Leiter den elektromotorischen Kräften, die im Zusammenwirken mit sogenannten »inneren« und »äußeren« Magnetfeldern entstehen. Die Folge ist eine Aufwölbung des Flüssigkeitsspiegels des geschmolzenen Metalls und eine mehr oder minder heftige Badzirkulation.

Kann man davon ausgehen, daß bei einem herkömmlichen Ofen aufgrund des sehr hochohmigen interpolaren Elektrolyseabstandes die Stromdichteverteilung im Elektrolyten nahezu homogen und die Stromrichtung im wesentlichen vertikal ist, so sucht sich der Stromfluß vom Eintritt in das sehr gut elektrisch leitende geschmolzene Metall den Weg des geringsten Widerstandes zu den kathodischen Sammelschienen. Das Resultat ist eine Ablenkung der Stromrichtung zum Ofenrand hin mit einer horizontalen Stromdichte, deren Intensität örtlich sogar in der Größenordnung der vertikalen Stromdichte sein kann. Gerade aber in der horizontalen Stromdichte ist der entscheidende elektromotorische Antrieb zur Badzirkulation zu sehen, der durch geeignete Maßnahmen weitgehend gemindert werden kann.

Mit der Entwicklung immer größerer Elektrolysezellen, die von der verfahrenstechnischen Seite her wirtschaftlicher sind, steigert sich aber gerade die Badzirkulation unverhältnismäßig stark, was zu den erheblichen Nachteilen führt, wie durch Erosion und Lochfraß verkürzte Ofenhaltbarkeit, durch Aufwölbung des Flüssigmetallspiegels gestörter Elektrolyseprozeß und durch Wellenbildung und Zirkulationsvermischung verstärkte Reoxidation. Dies führt zu einer verschlechterten Stromausbeute, was in Hinblick auf die erschwerte Energiesituation von zunehmender Bedeutung ist.

Die meisten Bemühungen, die Wirtschaftlichkeit eines Ofens zu erhöhen, zielen darauf ab, die Spannungsabfälle in den einzelnen Ofenteilen (wie auch in der Kathode) möglichst klein zu halten. Unberücksichtigt bleiben dabei die Effekte der sich einstellenden inhomogenen Stromverteilung im Bad, weshalb

ίο in diesen Fällen oft die Ofenspannung wiederum erhöht werden muß, um einen stabilen Ofenbetrieb zu gewährleisten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die durch horizontale Stromkomponenten und vertikale Magnetfelder erzeugten elektromotorischen Kräfte im nüssigen Metall zu reduzieren wenn nicht gar aufzuheben. Dadurch wird eine übermäßige Badzirkulation und Verwirbelung mit den oben geschilderten Nachteilen weitgehend vermieden. Zur Lösung dieser Aufgabe wird die im Hauptanspruch gekennzeichnete Kathodenausbildung vorgeschlagen. Dadurch gelingt es den sehr hochohmigen Elektrolyseabstand zu reduzieren, bei einem wirtschaftlichen und stabilen Ofenbetrieb mit hoher Stromausbeute, verbessertem Wirkungsgrad und verlängerter Ofenhaltbarkeit.

Abb. 1 zeigt den Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Elektrolyseofen. Die links herausgezogenen Bezugsziffern erklären die wesentlichen Teile des Ofens:

ίο 1 Elektrolyt, 2 Anode, 3 geschmolzenes Aluminium, 4 Kathode, 5 Kathodeneisen, 6 Boden- und Wandisolierung, 7 Kathodensammelschiene.

Die rechts herangezogenen Bezugsziffern kennzeichnen wesentliche Maße bzw. Anordnungen:

8 Höhe des Mindestaluminiumstandes, 9 Höhe der Kohlenbodenüberdeckung in Ofenmitte bzw. Höhe der Kohlenbodenüberdeckung senkrecht unter dem inneren Anodenrand - kurz Mindestkohlenbodenhöhe genannt, 10 Höhe der Kohlenbodenüberdekkung senkrecht unter dem äußeren Anodenrand kurz Randkohlenbodenhöhe genannt und 11 Anordnung der Kathodensammelschienenführung.

Wie eine Berechnung der Stromverteilung in Ofenquerrichtung (gemeint ist in Richtung der Kathodeneisen) zeigt, müßte die Randkohlenbodenhöhe im Vergleich zur Mindestkohlenhöhe im allgemeinen mehr als um 50% größer sein, wenn eine senkrechte Stromverteilung mit homogener Stromdichte im Bad resultieren soll. Insbesondere bei geringen Kathodeneisenquerschnitten müßte die Randüberhöhung noch weitaus größer sein, um die horizontalen Stromdichtekomponenten vollständig aufzuheben.

Jedoch kommen zwei Dinge den beabsichtigten Effekt unterstützend hinzu: Beim Rütteln der Bodenkohle wird diese an der dünnen Stelle stärker verdichtet, wodurch der spezifische Leitwert in Ofenmitte verbessert wird und außerdem ist der Auflagedruck des darUberliegenden geschmolzenen Aluminiums bei der patentgemäßen Kathode in Ofenmitte größer, wodurch sich wiederum geringere Übergangswiderstände in diesem Bereich ergeben.

So ist in der Abb. 1 eine Überhöhung der Kohlenbodenüberdeckung am Rand 10 gegenüber derjenigen in Ofenmitte 9 von 75% dargestellt mit einem Verlauf einer ansteigenden Kurve, ohne daß der Patentanspruch sich auf diese Überhöhungsform erschließt. Wird z.B. der Verlauf der Überhöhung durch eine Gerade angenähert, so ist dies ebenfalls

Teil des Patentanspruches. Das Katbodeneisen kann durchgehend oder aber auch unterteilt sein.

In Ofenlängsrichtung — quer zu den Kathodeneisen - kann sowohl durch geeignete Maßnahmen der Kathoden- und Anodenschienen als auch durch Staffelung der Kohlenbodenüberdeckung (Patentanspruch 4) eine senkrechte Stromverteilung im Bad erzwungen werden.

In Abb. 2 wird schematisch gezeigt, wie man im Fall eines querstehenden Ofens den beidseitigen Spannung; «abfall auf den Kathodensammelschienen durch eine symmetrische Überhöhung der Kohlenbodenüberdeckung ausgleichen kann.

Auf der Anodenseite hingegen stellt sich durch den Abbrand der Kohle ein Selbstregulierungseffekt ein, der sogar bei stark unterschiedlichen Anodenkohlenhöhen für eine homogene Stromdichteverteilung im Elektrolyten sorgt.

Gerade bei kleineren bis mittleren Elektrolyseöfen könnte auf diese Weise beim längsstehenden Ofen sogar die kostengünstigere einseitige Stromeinspeisung wieder interessant werden, da die sonst sehr starken horizontalen Ströme im geschmolzenen Aluminium bei diesem Ofentyp durch eine patentgemäße Überhöhung der Kathode aufgehoben werden.

Ein weiterer sehr wesentlicher Vorteil dieser Kathode ist, daß eine homogene Kathodenkohle zum Einsatz kommt und sich daher keine Wärmedehnungsschwierigkeiten ergeben. - Durch die geraden Kathodeneisen können die Temperaturdehnungen sicher beherrscht werden. Bei der Herstellung ist in erster Linie an einen Aufbau aus vorgebrannten Teilblöcken gedacht.

Es empfiehlt sich, die Kathodenschienen zum Folgeofen in Badhöhe anzuordnen, damit möglichst nur senkrechte Magnetfeldkomponenten im Bad resultieren. So kann der senkrechte Stromdurchgang im Bad im Zusammenwirken mit den senkrechten Magnetfeldkomponenten dieser Stromleiter keine elektromotorischen Kräfte auf die flüssigen Leiter Elektrolyt und Aluminium ausüben.

Außer dem beschriebenen Vorteil durch die ge-

ringere Badzirkulation hat diese Kathodenbauform obendrein mechanisch eine wesentlich bessere Standfestigkeit gegenüber dem Bodentreiben. Findet bei einer herkömmlichen Kathode ein »progressives Sterben« des Ofens statt, indem bei einem einmal eingesetzten Bodentreiben dieser zunehmend mehr aufbricht und immer leichter Metall und Reste von Schmelze in die entstehenden Risse tiefer eindringen, was wiederum das Bodentreiben forciert, so findet bei dieser Kathodenbauform im Zusammenwirken mit einem stabilen Ofengehäuse ein zunehmendes »Verschließen der Oberfläche« statt, sofern ein infinitesimales Bodentreiben einmal begonnen hat, so daß sich eventuelle Risse wieder schließen.

Hydrodynamisch hat diese Kathodenbauform ei-

nen großen Vorteil: Aufgrund der unterschiedlichen Flüssigkeitstiefe, die dämpfend auf Zirkulationen und Wellenbildung wirkt, wird der Kohlenabtrag durch Erosion verringert. Die Ofenhaltbarkeit wird durch eine derartige Kathode wesentlich verlängert. Bei

jo Einhaltung der Mindestkohlenhöhe und dem Mindestaluminiumstand 8 wird sich im allgemeinen die gleiche Ofenhöhe ergeben wie bei öfen mit herkömmlichen Kathoden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Kathode für Elektrolyseöfen zur Gewinnung von Leichtmetall, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenbodenhöhe fiber den kathodischen Stromableitern zum Ofenrand hin — noch innerhalb des von der Anode überdeckten Teiles — gegenüber der Kohlebodenhöhe über den kathodischen Stromableitern in Ofenmitte ansteigt, so daß eine mulden- oder rinnenförmige Kohlenbodenoberfläche entsteht.

2. Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Ofenquerrichtung (in Richtung der kathodischen Stromableiter) der Kohlenboden beidseitig ansteigt.

3. Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der überhöhte Kohlenboden unter dem äußeren Anodenrand in kontinuierlicher Kurvenform in die Ofenrand-Kohlenauskleidung übergeht (Abb. 1).

4. Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenbodenhöhe über den quer liegenden kathodischen Stromableitern in Ofenlängsrichtung zum Ofenende hin beid- oder einseitig ansteigt (Abb. 2).