DE2731908B1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Aluminium - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Aluminium mittels Schmelzflußelektrolyse sowie auf eine entsprechende Elektrolysezelle.

Für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid wird dieses üblicherweise in einer Fluoridschmelze gelöst die zum größten Teil aus Kryolit (Na₃AlF₆) besteht Das kathodisch abgeschiedene Aluminium sammelt sich unter der Fluoridschmelze auf dem Kohleboden der Zelle, wobei die Oberfläche des flüssigen Aluminiums die Kathode bildet In 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 Temperaturbereich von etwa 940 bis 975°C statt

Das bekannte Prinzip einer konventionellen Aluminium-Elektrolysezelle mit vorgebrannten Kohleanoden geht aus der dem Stand der Technik entnommenen F i g. 1 hervor, die einen Vertikalschnitt in Längsrichtung durch einen Teil einer Elektrolysezelle zeigt Die Stahlwanne 12, die mit einer thermischen Isolation 13

ίο aus hitzebeständigem, wärmedämmendem Material und mit Kohlenstoff U 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 U sind quer zur Längsrichtung der Zelle eiserne Kathodenbarren 17 eingelassen, die den elektrischen Gleichstrom aus der Kohlenstoffauskleidung U 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 Anodenstangen 19 und durch Schlösser 20 mit dem

Anodenbalken 21 fest verbunden.

Der Strom fließt von den Kathodenbarren 17 der einen Zelle über nicht eingezeichnete Stromschienen zum Anodenbalken 21 der folgenden Zelle. Vom Anodenbalken 21 fließt er über die Anodenstangen 19, die Anoden 18, den Elektrolyten 10, das flüssige Aluminium 14 und die Kohlenstoffauskleidung 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 U bildet sich ebenfalls eine Kruste aus erstarrtem Elektrolyt nämlich das Bord 24.

Das Bord 24 ist mitbestimmend für die horizontale Ausdehnung des Bades, welches aus dem flüssigen Aluminium 14 und dem Elektrolyten 10 besteht

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, die auf Säulen 28 montiert sind, verändern. Bei der Betätigung des Hubwerkes 27 werden gleichzeitig sämtliche Anoden angehoben bzw. gesenkt Die Anoden können

so außerdem einzeln in ihrer Höhenlage mit Hilfe der am Anodenbalken 21 angeordneten Schlösser 20 eingestellt werden.

Infolge der Reaktion mit dem bei der Elektrolyse freigesetzten Sauerstoff verbrauchen sich die Anoden an ihrer Unterseite täglich um ca. 1,5 bis 2 cm, je nach Zellentyp. Gleichzeitig steigt auch der Oberflächenspiegel des in der Zelle befindlichen flüssigen Aluminiums um ca. 1,5 bis 2 cm pro Tag. Im Laufe der Elektrolyse verarmt der Elektrolyt an Aluminiumoxid Bei einer

t>() unteren Konzentration von 1 bis 2 Gewichtsprozent Aluminiumoxid im Elektrolyten kommt es zum Anodeneffekt der sich in einer plötzlichen Spannungserhöhung von normal 4 bis 4,5 Volt auf 30 Volt und darüber auswirkt Spätestens dann muß die Kruste eingeschla-

h > gen und die Aluminiumoxidkonzentration durch Zugabe 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 Kruste aus erstarrter Schmelze eingeschlagen und die Aluminiumoxidkonzentration durch Zugabe von neuem Aluminiumoxid 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 eine Entnahmevorrichtung aus der Zelle entfernt

Zur Zellenbedienung ist über lange Jahre die Kruste aus erstarrter Schmelze zwischen den Anoden und dem Seitenbord der Elektrolysezelle eingeschlagen und anschließend neues Aluminiumoxid zugegeben worden. Diese heute noch weitgehend angewandte Praxis stößt auf zunehmende Kritik wegen Verschmutzung der Luft in der Elektrolysehalle und der äußeren Atmosphäre. Die Forderung nach Kapselung der Elektrolyseöfen und die Behandlung der Abgase ist in den letzten Jahren zunehmend zur zwingenden Notwendigkeit geworden. Eine maximale Zurückhaltung der Elektrolysegase durch die Kapselung kann jedoch nicht gewährleistet werden, wenn eine Längsseitenbedienung zwischen den Anoden und dem Seitenbord der Ofen erfolgt.

In neuerer Zeit sind deshalb die Aluminiumhersteller immer mehr zur Mittelbedienung in der Ofenlängsachse übergegangen. Nach dem Einschlagen der Kruste erfolgt die Tonerdezugabe entweder lokal und kontinuierlich nach dem »Point-Feeder«-System oder nicht kontinuierlich über die ganze Ofenlängsachse verteilt.

Jahrelange Erfahrungen mit mittelbedienten Elektrolysezellen haben gezeigt, daß diese Systeme die folgenden Nachteile aufweisen:

—Schlechte Auflösung der zugegebenen Tonerde, —Bildung eines starken Bodenschlammes,
—Harte Krusten auf dem Kohleboden in der

Kathodenlängsachse,

—Schwierigkeit oder Unmöglichkeit der Ausbildung von Seitenborden.

Bei der Mittelbedienung von Elektrolysezellen bildet sich am Ort der Tonerdezugabe vorerst ein nicht isolierender Schlamm, der allmählich in eine elektrisch isolierende Kruste übergehen kann. Dies bewirkt einen unregelmäßigen Ofenbetrieb und ein verkürztes Lebensalter der Elektrolysezellen, insbesondere wegen dem Abtrag der seitlichen Wände der Kohlekathode. Dieser Abtrag ist eine Folge der durch magnetische Effekte hervorgerufenen Metallbewegung, welche ihrerseits durch lokale, starke Stromdichteunterschiede bewirkt wird.

Die Erfinder haben sich deshalb die Aufgabe gestellt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstelung von Aluminium mittels Schmelzflußelektrolyse zu schaffen, welche die oben erwähnten Mängel beseitigen und eine optimale Auflösung von zugegebener Tonerde sowie eine optimale Stromdichteverteilung im Metall, unter Berücksichtigung von wirtschaftlichen und umweltschützerischen Gesichtspunkten, gewährleisten.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Zellenbedienung, umfassend das Einschlagen der Kruste aus erstarrter Schmelze und die Zugabe von Aluminiumoxid, in mindestens einem quer zur Zellenlängsachse liegenden Bedienungsraum zwischen zwei Anoden erfolgt

Dazu wird erfindungsgemäß eine Elektrolysezelle eingesetzt, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß mindestens ein quer zur Zellenlängsachse zwischen zwei Anoden in aktiven Zonen der Metallströmung mit günstiger kathodischer Stromverteilung liegender, verbreiterter Zwischenraum für die Zellenbedienung ausgebildet ist.

Der Erfindung zugrunde liegende Versuche haben

gezeigt, daß es vorteilhaft ist, sich die Metallbewegung

ίο in der Elektrolysezelle zunutze zu machen, um eine optimale Auflösung der zugegebenen Tonerde zu erhalten. Anhand der untersuchten und gemessenen elektromagnetischen Felder von Elektrolyseöfen mit aus dem Stand der Technik bekannter Mittelbedienung ist festgestellt worden, daß bei einem größeren Teil der

öfen die Metallbewegung umso mehr zunimmt, je weiter man sich von der Ofenlängsachse entfernt.

Auf der anderen Seite hat auch die Art der Tonerdezugabe an sich einen nicht vernachlässigbaren Einfluß auf die Metallbewegung. Eine sehr starke Tonerdezugabe, an einer beliebigen Stelle, kann die Metallbewegung in der Elektrolysezelle verändern oder

neutralisieren, indem an diesen Stellen die Viskosität der

Metallschmelze stark erhöht wird und den entsprechen-

den Teil der Kathode praktisch elektrisch isoliert.

Als weitere Folge einer teilweise elektrisch isolierten Kathode können örtliche Wirbel entstehen, die eine unerwünschte, schnelle Erosion der Kathodenblöcke und/oder der Kohleborde zur Folge haben. Trotz Kenntnis der Metallbewegung und deren Berücksichtigung sowie einigen bemerkenswerten Verbesserungen ist es bisher nicht gelungen, an den Seitenborden von mittelbedienten öfen einen Einzug zu schaffen, der eine annehmbare Lebensdauer der Kathode gewährleisten kann.

Unsere Untersuchungen haben ergeben, daß die Bildung eines solchen Einzuges beispielsweise von einem oder mehreren der folgenden Faktoren abhängig ist:

— Ort der Zellenbedienung,

— Lokale Abkühlung der Wanne,

— Metallzirkulation,

— Badzusätze.

i^r> Die Metallzirkulation bzw. Metallbewegung ist stark abhängig von der Viskosität des Schlammes, so daß sie durch den Ort der Zellenbedienung ebenso stark beeinflußt wird, wie durch magnetische Effekte.

Bei der Mittelbedienung des Ofens tritt eine neutrale

^r>o Zone auf, die mit der Bedienungsachse zusammenfällt, während die Hauptströmung entlang den Seitenborden der Wanne verläuft. Diese Strömungsverhältnisse sind sehr ungünstig in bezug auf die Beseitigung von Tonerdeablagerungen längs der Bedienungsachse. Sie .

3") bevorzugen hingegen den Abtrag der Seitenborde und die Ablagerung von Tonerde in den Ecken der Wanne.

Die lokale Abkühlung der Wanne erfolgt normalerweise an den Orten der Zellenbedienung. Eine künstliche Abkühlung der Seitenborde wäre für den

'·>'' elektrischen Energieverbrauch nachteilig.

Der Zusatz von fluorierten Salzen des Typs LiF oder MgF₂ läuft der Bildung eines Einzuges entgegen, weil er das Intervall zwischen Badtemperatur und Erstarrungstemperatur vergrößert.

- > Durch zweckmäßige Modifikationen an bestehenden öfen kann die Tonerde nach dem Einschlagen der Kruste erfindungsgemäß an mindestens einer Querachse einem verbreiterten Zwischenraum zwischen zwei

Anoden, der auch Bedienungsraum genannt wird, zugeführt werden. Bei einer konventionellen, bestehenden Elektrolysezelle schafft das Weglassen von zwei in bezug auf die Längsachse einander gegenüberliegenden Anoden die Möglichkeit, durch Verschieben der übrigen Anoden mehr als einen sich über die ganze Breite der Zelle erstreckende Bedienungsraum anzubringen, welcher die Tonerdezufuhr in Ofenquerrichtung erlaubt. Diese Modifikation der Anodenanordnung kann durchgeführt werden, ohne daß der Ofen abgestellt werden muß.

In jedem geschaffenen, quer zur Ofenlängsachse verlaufenden Bedienungsraum ist es möglich, die Kruste zu brechen und Tonerde zuzuführen.

Dank der vielfältigen Möglichkeiten zur Anordnung 1 ^r> dieser Bedienungsräume kann die Tonerde optimal in die aktiven Zonen der Metallströmung geführt werden, was eine schnelle Auflösung sicherstellt. Auch die Bildung eines natürlichen Einzuges an den Seitenborden wird durch die Querbedienung begünstigt. Dieser Einzug bildet sich unter dem Einfluß der Metallzirkulation ähnlich wie bei öfen mit konventioneller Seitenbedienung aus.

Besonders vorteilhaft ist eine Anodenanordnung mit drei sich über die ganze Ofenbreite erstreckenden ?■> Bedienungsräumen, welche durch eine mehr oder weniger asymmetrische Lage eine Tonerdezugabe erlauben, die eine optimale Metallzirkulation bewirkt.

Diese bevorzugte Ausführungsform hat, beispielsweise gegenüber einem mittelbedienten Ofen, folgende so Vorteile:

— Sechs Tonerdezufuhrzonen

— Erhöhung der Kühlflächen

— Modifikationsmöglichkeiten für
Metallbewegungen

— Tonerdezufuhr näherden Seitenborden
(Metallbewegung)

— Bildung von natürlichen Einzügen

— Verminderung des Abstandes der beiden
Anodenreihen in Längsrichtung der
Elektrolysezelle.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß keine speziellen Anoden, Anodenträger oder Anodenbalken, hergestellt werden müssen. Aus einer bestehen- ·» > den Elektrolysezelle, z. B. einem mit einem Nennstrom von 14OkA betriebenen und mit kalzienierten Anoden ausgerüsteten Ofen, kann mindestens eine beliebige Anode, vorzugsweise jedoch mindestens zwei gegenüberliegende, entfernt werden. Je nach Bedarf können ">o alsdann die übrigen Anoden entlang des Anodenbalkens zur Bildung von querbedienten Zwischenräumen bzw. Bedienungsräumen verschoben werden. Die Anzahl der Bedienungsräume entspricht bevorzugt der zwei- bis dreifachen Anzahl von entfernten Anoden. > >

Über bzw. in diesen querbedienten Zwischenräumen können an sich bekannte, automatisch arbeitende Einschlag- und/oder Tonerdezufuhrvorrichtungen angeordnet werden.

Das Einschlagen der Kruste kann aber auch mit von ■·'· der Zelle unabhängigen, mobilen Schlagvorrichtungen oder -fahrzeugen erfolgen und/oder die Tonerdeversorgung kann mit ebenfalls mobilen, von der Zelle unabhängigen Chargiervorrichtungen oder -fahrzeugen durchgeführt werden. Dies hat den Vorteil, daß beträchtliche Investitionskosten gespart werden können, wenn solche Fahrzeuge bzw. Vorrichtungen in den Werken vorhanden sind.

Bei während der Aluminiumelektrolyse regelmäßig auftretenden Anodeneffekten können die immer noch verwendeten Holzstangen bequem in die querbedienten Zwischenräume eingetaucht werden, was gegenüber mittelbedienten öfen eine große Arbeitserleichterung bedeutet.

Alle bekannten Systeme zur Kapselung der Zelle, die aus arbeitshygienischen und umweltfreundlichen Gründen erforderlich oder wünschenswert sind, eignen sich grundsätzlich für querbediente öfen.

Die Erfindung wird anhand der schematisch dargestellten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 2 Horizontalschnitt durch einen modifizierten, querbedienten 140-kA-Ofen,

Fig.3 Vertikalschnitt in der Zellenlängsrichtung durch die Linie IH-IH von F i g. 2.

Beim in F i g. 2 dargestellten, modifizierten Ofen mit 140 kA Nennstrom und kalzinierten Anoden ist die Stahlwanne 12 mit einem hitzebeständigen, wärmedämmenden Isolationsmaterial 13 und mit Kohlenstoff U ausgekleidet. Die Elektrolysezelle enthält zwölf Anodenpaare 18, die nach Entfernung eines Anodenpaares aus dem ursprünglichen Ofen entlang des Anodenbalkens verschoben und umgruppiert worden sind. Dabei sind quer zur Längsseite der Elektrolysezelle verlaufende Zwischenräume, d. h. die Bedienungsräume, ausgebildet worden. Über bzw. in jedem Zwischenraum wird eine Einschlagvorrichtung 29 angeordnet, welche durch eine nicht eingezeichnete Tonerdezufuhrvorrichtung ergänzt werden kann.

Fig.3 weist gegenüber der als Stand der Technik angegebenen F i g. 1 folgende Veränderungen auf:

— Verbreiterter Zwischenraum zwischen der zweiten und dritten Anode zur Bildung des Bedienungsraumes,

— Am Anodenbalken befestigte Einschlag und Tonerdezufuhrvorrichtung im bzw. über dem verbreiterten Zwischenraum.

Die Antriebsvorrichtung 30 zum Einschlagen der Kruste mit dem sich über die ganze Anodenlänge erstreckende Meißel 29 kann manuell betätigt oder automatisch gesteuert werden. Nach dem Einschlagen der Kruste öffnen sich die Seitenklappen 31 des sich ebenfalls über die ganze Länge der Anoden erstreckenden Tonerdebehälters 32, worauf sich ein Teil der im Behälter gelagerten Tonerde 33 über die eingeschlagene Stelle ergießt.

Obwohl die Tonerde dem Bad nur an den querbedienten Einschlagstellen zugeführt werden kann, ist die Kruste 22 der ganzen Zelle mit einer Tonerdeschicht 23 abgedeckt, was einen optimalen Wärmehaushalt des Ofens gewährleistet.

Der untere Teil der Seitenborde 24, welche ihrerseits nahtlos in die Kruste 22 übergehen, bildet den bei querbedienten öfen gut ausgebildeten Einzug 34.

Um Fig.3 übersichtlich zu gestalten, ist die Kapselung der Elektrolysezelle, welche in konstruktiver Hinsicht gegenüber dem Stand der Technik nichts Neues bringen muß, weggelassen worden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von Aluminium mittels Schmelzflußelektrolyse in einer Elektrolysezelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellenbedienung, welche das Einschlagen der Kruste aus erstarrter Schmelze und das Zugeben von Aluminiumoxid umfaßt, in mindestens einem quer zur Zellenlängsachse liegenden Bedienungsraum zwischen zwei Anoden erfolgt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schaffung der Bedienungsräume eine entsprechende Anzahl Anoden aus einer bestehenden Zelle entfernt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Anoden, die geringer als die Anzahl der zu schaffenden Zwischenräume ist, entfernt und die übrigen Anoden zur Bildung der Bedienungsräume längs des Anodenbalkens verschoben werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellenbedienung mit mobilen, von der Elektrolysezelle unabhängigen Einschlag- und/oder Tonerdezugabevorrichtungen erfolgt

5. Elektrolysezelle zum Herstellen von Aluminium nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß mindestens ein quer zur Zellenlängsachse zwischen zwei Anoden (18) in aktiven Zonen der Metallströmung mit günstiger kathodischer Stromverteilung liegender, verbreiterter Zwischenraum für die Zellenbedienung vorgesehen ist

6. Elektrolysezelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine gerade Anzahl Bedienungsräume mindestens einen zwischen zwei Anodenpaaren (18) über die ganze Zellenbreite verlaufenden Zwischenraum bilden.

7. Elektrolysezelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß drei über die ganze Zellenbreite verlaufende Zwischenräume vorgesehen sind.

8. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet daß über dem oder jedem Zwischenraum eine Einschlag- und/oder Tonerdezufuhrvorrichtung (29) mit automatischer Arbeitsmöglichkeit angeordnet ist

9. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet daß die Zelle gekapselt und mit einem Gasabzug versehen ist