DE2633055B1 - Elektrolysezelle zur herstellung von aluminium - Google Patents

Elektrolysezelle zur herstellung von aluminium

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Description

Für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid (AI2Ö3) wird dieses in einer Fluoridschmelze gelöst die zum größten Teil aus Kryolith (Na3AlF6) besteht. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium sammelt sich unter der Fluoridschmelze auf dem Kohleboden der Zelle, wobei dieOberfläche des flüssigen Aluminiums die Kathode bildet. Γη die Schmelze tauchen von oben Anoden ein, die bei konventionellen Verfahren aus amorphem Kohlenstoff bestehen. An den Kohlenanoden entsteht durch die elektrolytische Zersetzung des Aluminiumoxids Sauerstoff, der sich mit dem Kohlenstoff der Anoden zu CO und CO2 verbindet. Die Elektrolyse findet in einem Temperatürbereich von etwa 940 bis 975° C statt
Das bekannte Prinzip einer konventionellen Aluminium-Elektrolysezelle mit vorgebrannten Kohleanoden geht aus der Fig. 1 hervor, die einen Vertikalschnitt in Längsrichtung durch einen Teil einer Elektrolysezelle zeigt Die Stahlwanne 12, die mit einer thermischen Isolation 13 aus hitzebeständigem, wärmedämmendem Material und mit Kohlenstoff 11 ausgekleidet ist, enthält die Fluoridschmelze 10, den Elektrolyten. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium 14 liegt auf dem Kohleboden 15 der Zelle. Die Oberfläche 16 des flüssigen Aluminiums .stellt die Kathode dar. In die Kohlenstoffauskleidung 11 sind quer zur Längsrichtung der Zelle eiserne Kathodenbarren 17 eingelassen, die den elektrischen Gleichstrom aus der Kohlenstoffauskleidung 11 der Zelle seitlich nach außen führen. In die Fluoridschmelze 10 tauchen von oben Anoden 18 aus amorphem Kohlenstoff ein, die dem Elektrolyten einen Gleichstrom zuführen. Die Anoden sind über Stromleiterstangen 19 und durch Schlösser 20 mit dem Anodenbalken 21 fest verbunden. Der Strom fließt von den Kathodenbarren 17 der einen Zelle über nicht gezeichnete Stromschienen zum Anodenbalken 21 der folgenden Zelle. Vom Anodenbalken 21 fließt er über die Stromleiterstangen 19, die Anoden 18, den Elektrolyten 10, das flüssige Aluminium 14 und die Kohlenstoff auskleidung 11 zu den Kathodenbarren 17. Der Elektrolyt 10 ist mit einer Kruste 22 aus erstarrter Schmelze und einer darüber befindlichen Aluminiumoxidschicht 23 bedeckt. Zwischen dem Elektrolyten 10 und der erstarrten Kruste 22 entstehen im Betrieb Hohlräume 25. An den Seitenwänden der Kohlenstoffauskleidung 11 bildet sich ebenfalls eine Kruste aus erstarrtem Elektrolyt nämlich das Bord 24. Das Bord 24 ist mitbestimmend für die horizontale Ausdehnung des Bades aus dem flüssigen Aluminium 14 und dem Elektrolyten 10.
Der Abstand d der Anodenunterseite 26 zur Aluminiumoberfläche 16, auch Interpolardistanz genannt läßt sich durch Heben 'oder Senken des Anodenbalkens 21 mit Hilfe der Hubwerke 27 verändern, die auf Säulen 28 montiert sind. Bei der Betätigung des Hubwerkes 27 werden gleichzeitig sämtliche Anoden angehoben, bzw. gesenkt. Die Anoden können außerdem — jede für sich — in bekannter Weise in ihrer Höhenlage mit Hilfe der an dem Anodenbalken 21 angeordneten Schlösser 20 eingestellt werden.
Infolge des Angriffs durch den bei der Elektrolyse in Freiheit gesetzten Sauerstoff verbrauchen sich die Anoden an ihrer Unterseite täglich um etwa 1,5 bis 2 cm, je nach Zellentyp. Gleichzeitig steigt auch der Oberflächenspiegel des in der Zelle befindlichen flüssigen Aluminiums um 1,5—2 cm pro Tag.
Nach dem Verbrauch einer Anode wird diese gegen eine neue Anode ausgewechselt. In der Praxis wird eine Zelle derart betrieben, daß sich bei den Anoden bereits nach einigen Tagen unterschiedliche Verbrauchsefscheinungen zeigen, so daß diese über einen Zeitraum von mehreren Wochen getrennt voneinander auszu-
ORIGINAL INSPECTED
wechseln sind. Hieraus ergibt sich, daß in ein- und derselben Zelle Anoden verschiedenen Einsatzalters betrieben werden, was auch aus der F i g. 1 hervorgeht.
Im Laufe der Elektrolyse verarmt der Elektrolyt an Aluminiumoxid. Bei einer unteren Konzentration von 1 bis 2% Aluminiumoxid im Elektrolyten kommt es zum Anodeneffekt, der sich in einer plötzlichen Spannungserhöhung von normal 4 bis 4,5 V auf 30 V und darüber auswirkt Spätestens dann muß die Kruste eingeschlagen werden und die AkCb-Konzentration durch' Zugabe ι ο von neuem Aluminiumoxid angehoben werden.
Die Zelle wird im normalen Betrieb üblicherweise periodisch bedient, auch wenn kein Anodeneffekt auftritt Außerdem muß bei jedem Anodeneffekt, wie oben aufgeführt, die Badkruste eingeschlagen werden und die AkCte-Konzentration durch Zugabe von neuem AI2O3 angehoben werden, was einer Zellenbedienung entspricht Der Anodeneffekt ist daher im Betrieb stets mit einer Zellenbedienung verbunden, die man im Gegensatz zur normalen Zellenbedienung als »Anodeneffektbedienung« bezeichnen kann.
Das elektrolytisch erzeugte Aluminium 14, das sich auf dem Kohleboden 15 der Zelle sammelt, wird im allgemeinen einmal täglich durch Entnahmevorrichtungen aus der Zelle herausgenommen.
Die Kohlenstoffauskleidung 11 erfährt im Verlauf der Zeit eine bedeutsame Volumenzunahme. Dies wird durch das Eindringen von Komponenten in die Kohlenstoffauskleidung verursacht, die aus dem Elektrolyten stammen. Unter Komponenten werden entweder Salze verstanden, aus denen die Fluoridschmelze zusammengesetzt ist oder chemische Verbindungen, die durch nicht näher bekannte Reaktionen aus der Fluoridschmelze entstanden sind.
Infolge der Volumenvergrößerung der Kohlenstoffauskleidung drückt diese auf die thermische Isolation 13 und auf die Stahlwanne 12. Der Stahlmantel erleidet hierdurch nicht-reversible Verformungen, die ihn bis in den plastischen Bereich des Stahles beanspruchen und zum Reißen bringen können. Auch die Kohleauskleidung verformt sich; meistens wölbt sich der Boden der Kohleauskleidung nach oben, wodurch in ihm Risse entstehen. Das flüssige Aluminium 14 dringt dann durch diese Risse und greift die eisernen Kathodenbarren 17 an. Die Zerstörung der Auskleidung der Zelle kann so weit fortschreiten, daß das flüssige Aluminium aus der Zelle ausfließt Die Zelle muß dann im allgemeinen außer Betrieb genommen werden; die gesamte Auskleidung wird ersetzt, bevor die Zelle wieder in Betrieb gehen kann. Solche Reparaturen sind normalerweise alle 2 bis 6 Jahre notwendig: sie sind teuer, und außerdem erleidet man durch den Stillstand der Zelle einen Produktionsverlust.
Es ist versucht worden, durch Versteifung des Stahlmantels der Zelle dessen Verformungen und Risse zu vermeiden. Diese konnten jedoch nicht verhindert, sondern lediglich vermindert werden. Außerdem stellen Versteifungen einen wesentlichen wirtschaftlichen Nachteil dar, die Zelle wird verteuert und das Gesamtgewicht der Zellenwanne erheblich erhöht.
Während des Stillstandes der Zelle müssen oft kostspielige Reparaturen am Stahlmantel vorgenommen werden, um Verformungen und Risse zu beseitigen.
Viele Anstrengungen hatten das Ziel, die Tränkung der Kohlenstoffauskleidung mit Elektrolytkomponenten und die daraus resultierende Volumenvergrößerung zu beseitigen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß sich diese Volumenvergrößerung nicht vermeiden läßt und als unabdingbare Voraussetzung hingenommen werden muß.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium zu schaffen, deren Stahlmantel eine Ausdehnung des Kohlebodens so weit erlaubt, daß keine bleibenden Deformationen und/oder Rißbildungen auftreten, ohne daß wesentliche Mehrkosten in Kauf genommen werden müssen. Außerdem sollen Aufwölbungen des und Rißbildung im Boden der Kohleauskleidung vermindert werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Stahlmantel der Wanne eine Ausbuchtung aufweist, die einen mit einem ersten, leicht verformbaren Material und einem zweiten, erst bei größeren Kräften verformbaren Material vollständig gefüllten Stauraum zu Aufnahme des sich während des Betriebes in horizontaler Richtung ausdehnenden Bodens der Kohlenstoffauskleidung bildet, wobei das zweite Material solche mechanischen Eigenschaften aufweist, daß die Kräfte ohne dauernde Verformung und/oder Rißbildung auf den ausgebuchteten Stahlmantel übertragen werden, und daß die auf den Boden der Kohlenstoffauskleidung wirkenden Gegenkräfte dessen Auswölbung und Durchsetzung mit Rissen vermindern.
Bevorzugt ist die den Stauraum bildende Ausbuchtung des Stahlmantels rund um die Elektrolysezelle ausgebildet und vom nichtausgebuchteten Stahlmantel lösbar.
Zur Befestigung der lösbaren Auswölbung werden übliche Befestigungsmittel verwendet, wie z. B. Schrauben oder Nieten.
Der vom ausgebuchteten Stahlmantel gebildete Stauraum, der zur Aufnahme des sich ausdehnenden Kohlebodens bestimmt ist, darf sich nicht mit Luft füllen, weil dort vorhandener Sauerstoff die Kohlenstoffauskleidung oxidieren und verbrennen würde. Deshalb muß der Stauraum derart gefüllt werden, daß sich keine Luft ansammeln kann.
Ein erstes Füllmaterial muß so leicht zusammendrückbar sein, daß es der Volumenausdehnung der Kohlenstoffauskleidung in horizontaler Richtung nur eine vernachlässigbare kleine Gegenkraft entgegensetzt.
Ein zweites, durch die Volumenausdehnung des Bodens der Kohleauskleidung zerstörbares Material erzeugt eine Gegenkraft, die unterhalb des Kohlebodens, aber oberhalb der Kernzone des Bodens der Kohlenstoffauskleidung angreift. Unter Kernzone wird nach den bekannten Regeln der Festigkeitslehre diejenige Zone verstanden, in der der Kraftangriff erfolgen muß, um an keiner Stelle Zugkräfte auftreten zu lassen. Durch die einwirkende Gegenkraft des zweiten Materials oberhalb der Kernzone wird der Kohleboden so stark zusammengedrückt, daß sowohl Aufwölbungen wie Rißbildungen vermindert werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Es stellen im einzelnen schematisch dar:
Fig.2 vertikaler Teilquerschnitt durch eine Elektrolysezelle,
F i g. 3 abnehmbare Ausbuchtung des Stahlmantels,
Fig.4—8 spezielle Ausführungen des zweiten Materials.
In Fig.2 ist 10 die Fluoridschmelze, 11 die Kohlenstoffauskleidung, 12 die Stahlwanne, 14 die thermische Isolation, 14 das flüssige Aluminium, 15 der
Kohleboden, 16 die Oberfläche des flüssigen Aluminiums, 17 ein eiserner Kathodenbarren, 18 eine Anode, 19 eine Stromleiterstange, 22 die Kruste aus erstarrter Schmelze, 23 die Aluminiumoxidschicht, 24 das Bord und 25 die Hohlräume über dem Schmelzfluß.
Der Stahlmantel 12 weist in seinem unteren Teil eine Ausbuchtung auf, die den Stauraüm 29 darstellt, der jedoch nicht, wie dargestellt, mit dem Wannenboden bündig sein muß. Aus fertigungstechnischen Gründen wird jedoch die dargestellte Art bevorzugt.
Der Stauraum 29, der mindestens so hoch sein muß, daß er über den Kohleboden 15 hinausreicht, ist gefüllt mit einem leicht zusammendrückbaren Material 30, z. B. mit Steinwolle, und einem zweiten Material 31, das erst bei größeren Kräften zerstört wird. Die dabei erzeugte Gegenkraft, die auf den Teil der Kohleauskleidung 11 wirkt, der sich unterhalb des Kohlebodens 15 befindet, darf nicht so groß sein, daß der den Stauraum 29 umschließende Teil des Stahlmantels 12 bleibend verformt wird. Die Gegenkraft bei der Zerstörung des Materials 31 muß gerade so groß sein, daß sie die Ausdehnung der Kohlenstoffauskleidung in horizontaler Richtung gestattet, ohne daß sich der Kohleboden 15 wie bisher nach oben aufwölbt oder Risse bekommt.
Die in Fig.3 gezeigte Ausführung hat den großen Vorteil, daß Reparaturen im Stauraum 29 sehr leicht ausgeführt werden können. Die Verbindung des abnehmbaren Teils 32 mit dem restlichen Stahlmantel 12 wird beispielsweise durch Schraub- oder Nietverbindungen 33 vorgenommen.
Eine besondere Ausführung des Materials 31, das die Gegenkraft bewirken soll, zeigt F i g. 4. Diese Vorrichtung besteht aus zwei parallelen Platten 34 und 35. Zwischen diesen befinden sich Stahlstangen 36. Die Platte 35 wird gegen den Stahlmantel 32 des Stauraumes, die Platte 34 gegen die Kohlenstoff auskleidung 11 gelegt. Die Stahlstangen 36 sind so dimensioniert, daß sie bei einer bestimmten Kraft in Richtung 39 ausknicken. Die Bedingungen für diese Kraft sind im übrigen die gleichen, wie bei F i g. 2 beschrieben.
Die Fig.5 zeigt eine weitere Möglichkeit zur Anordnung des Materials 31. Dieses wird aufgebaut aus keramischen Steinen 37, welche von Kanälen 38 quer zur Kraftrichtung 39 durchzogen sind. Die Kanalquerschnitte nehmen, in Kraftrichtung 39 gerechnet, gegen die Mitte der keramischen Steine 37 zu. Damit werden die Steine 37 in der Mitte am meisten geschwächt und werden als erste zerdrückt. Die im Querschnitt rechteckig gezeichneten Kanäle 38 können in jeder beliebigen Form ausgebildet sein, müssen jedoch so dimensioniert werden, daß die Steine 37 bei, bzw. nach
ίο ihrer Zertrümmerung gerade diejenige Gegenkraft erzeugen, wie sie bei Fi g. 2 beschrieben ist Die Steine 37 haben vorzugsweise alle gleiches äußeres Format.
In Fig.6 ist das Material 31 aus unterschiedlich großen Steinen 40, 41 und 42 zusammengesetzt, von denen jeder mit Kanälen 43 durchzogen ist. Hierdurch wird bei der Zertrümmerung eine kleinere Gegenkraft und eine weichere Kraft-Weg-Kennlinie erreicht. Zuerst wird der Stein mit den kleinsten Dimensionen zertrümmert. Steigt die Kraft durch die sich ausdehnende Kohlenstoff auskleidung weiter, wird der nächstgrößte Stein zertrümmert, usw.
In F i g. 7 ist als weitere Variante des Materials 31 ein keramischer Formstein mit veränderlichem Querschnitt ausgebildet. Der Querschnitt nimmt von den Enden mit dem größten Querschnitt 44 bis auf den kleinsten Querschnitt 45 ab, d. h., es entsteht eine Einschnürung. Zunächst wird der Teil des Formsteines mit dem kleinsten Querschnitt 45 zertrümmert. Steigt die einwirkende Kraft weiter, so schreitet auch die Zertrümmerung in Richtung steigender Querschnitte fort.
Der in Fig.8 dargestellte Vorschlag für. die Anordnung des Materials 31 und des Kathodenbarrens 17 kann auf alle Beispiele der Fig.4 bis 7 angewendet werden. Der keramische Formstein (Fig.7) mit veränderlichem Querschnitt hat eine Aussparung 46, in die sich der eiserne Kathodenbarren 17 einpaßt. Der Übersicht halber ist die Kohleauskleidung 11 unterhalb des Kohlebodens 15, in die der eiserne Kathodenbarren 14 eingebettet ist, fortgelassen. Diese Ausführung mit reitendem Formstein hat den Vorteil, daß die Lage des Formsteins festgehalten wird.
Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:
1. Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahlmantel (12) der Wanne eine Ausbuchtung aufweist, die einen mit einem ersten, leicht verformbaren Material (30) und einem zweiten, erst bei größeren Kräften verformbaren Material (31) vollständig gefüllten Stauraum (29) zur Aufnahme des sich während des Betriebes in horizontaler Richtung ausdehnenden Bodens (11) der Kohlenstoffäuskleidung bildet, wobei das zweite Material solche mechanischen Eigenschaften aufweist, daß die Kräfte ohne dauernde Verformung und/oder Rißbildung auf den ausgebuchteten Stahlmantel übertragen werden, und daß die auf den! Boden der Kohlenstoffäuskleidüng wirkenden Gegenkräfte dessen Auswölben und durchsetzen mit Rissen vermindern. .
2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbuchtung des Stahlmantels mit Stauraum (29) um die ganze Wanne läuft.
3. Elektrolysezelle; nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbuchtung (32) lösbar am Stahlmantel befestigt ist. .
4. Elektrolysezelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbuchtung (32) an dem Stahlmantel angeschraubt oder angenietet ist.
5. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis A, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Material (30) aus Steinwolle besteht
6. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Material (31) so angeordnet ist, daß die von ihm bewirkte Gegenkraft unterhalb des Kohlebodens (15), aber oberhalb der Kernzone des Bodens der Kohlenstoff auskleidung (11) angreift.
7. Elektrolysezelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Material (31) zwei parallele Stahlplatten (34, 35) mit dazwischen angeordneten, ausknickbaren Stahlstangen (36) umfaßt. ."".-"--
8. Elektrolysezelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Material (31) von quer zur angreifenden Kraft (39) verlaufenden Kanälen (38) durchsetzt ist, deren Querschnitt zur Mitte hin zunimmt1*"
9. Elektrolysezelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Material aus von Kanälen (43) durchsetzten, keramischen Formsteinen (40,41,42) unterschiedlicher Größe besteht.
10. Elektrolysezelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Material von eingeschnürten keramischen Formsteinen (44, 45) gebildet ist.
11. Elektrolysezelle nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenbarren (17) in Aussparungen (46) der keramischen Formsteine eingesetzt sind.
Ϊ
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