DE2809146A1 - Magnetische feldlinienabsorption bei elektrolysezellen - Google Patents

Description

PATFN TANVVALT

DiPL INQ. QERHARD F. HiEBSCM

D-7700 SINQEN/HOHENTWie.

ERZBcRQER STR. 6a

SCHWEIZERISCHE ALUMINIUM AG, Chippis

Magnetische Feldlinienabsorption bei Elektrolysezellen

7.2.1978

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Magnetische Feldlinienabsorption bei Elektrolysezellen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Absorption von vertikalen magnetischen Feldlinien bei Elektrolysezellen, insbesondere bei Zellen zur Herstellung von Aluminium.

Für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid wird dieses in einer Fluoridschmelze gelöst, die im wesentlichen aus Kryolith (Na^AlF,) besteht. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium sammelt sich unter der Fluoridschmelze auf dem Kohlenstoffboden der Zelle, wobei die Oberfläche des flüssigen Aluminiums die Kathode bildet. Der Oberflächenspiegel des in der Zelle befindlichen Aluminiums steigt um ca. 1,5-2 cm pro Tag und wird im allgemeinen einmal täglich mit einer Saugvorrichtung aus der Zelle herausgenommen.

In die Schmelze tauchen bei konventionellen Verfahren von oben Anoden aus amorphem Kohlenstoff ein, die der Fluoridschmelze den Gleichstrom zuführen. An den Anoden entsteht durch die elektrolytische Zersetzung des Aluminiumoxids Sauerstoff, der sich mit dem Kohlenstoff der Anoden zu CO und CO verbindet. Nach dem Verbrauch einer Kohleanode wird diese gegen eine neue Anode ausgewechselt.

Die Schmelzflusselektrolyse von Aluminium findet in einem Temperaturbereich von etwa 940 bis 975°C statt.

Die verwendeten Stromstärken für die in Serie geschalteten Elektrolysezellen, welche auch kurz Oefen genannt werden, liegen dabei meist in einer Grössenordnung von 100-200 kA (Kiloampere). Bei solchen Stromstärken bildet die Oberfläche des sich am Boden der Oefen befindenden flüssigen Aluminiums keine waagerechte Oberfläche. Auf das geschmolzene Metall einwirkende, durch die gegenseitige Beeinflussung von

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Magnetfeldern entstandene elektromotorische Kräfte bewirken, zusammen mit horizontalen Stromkomponenten, starke Niveauschwankungen und Bewegungen, welche eine Grössenordnung von mehreren Zentimetern annehmen können.

Sowohl Niveauschwankungen als auch Bewegungen wirken sich in bezug auf die Wirtschaftlichkeit der Aluminiumherstellung, wegen verschiedener Faktoren, nachteilig aus:

Der Abstand zwischen den Anoden und der die Kathode bildenden Aluminiumoberfläche muss übermässig gross gehalten werden, was einen erhöhten Spannungsabfall und daher einen grösseren Energieverbrauch bedeutet.

Die Wannenauskleidung weist einen stärkeren Verbrauch bzv/. Verschleiss auf. Es können auch Risse oder Löcher entstehen, die einen vorzeitigen Ersatz bzw. eine Reparatur erforderlich machen. Der Schaden ist dabei gross, weil zu den Arbeits- und Materialkosten ein Produktionsausfall hinzukommt.

Es ist deshalb schon seit langer Zeit versucht worden, Bewegungen und NiveauSchwankungen des flüssigen Elektrolysemetalls auf ein Minimum herabzusetzen oder sie nach Möglichkeit sogar vollständig zu eliminieren.

Erste Anstrengungen haben sich darauf konzentriert, zwischen den Anoden und der Kathode eine möglichst gleichmässige Stromverteilung zu erreichen. Auf dem Weg von den Kohleanoden zum Kohleboden des Ofens durchfliesst der Gleichstrom vorerst die den Elektrolyten bildende Fluoridschmelze und anschliessend das flüssige Metall. Der elektrische Widerstand des Elektrolyten ist ungleich viel höher als derjenige der Kohle und insbesondere des Metalls. Es ist deshalb verhältnismässig leicht, die Stromrichtung durch den Elektrolyten senkrecht zu halten. Im flüssigen Metall hingegen bilden sich neben der erwünschten und für die Elektrolyse

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notwendigen vertikalen Stromkomponente auch unerwünschte horizontale Komponenten des Stromes aus.

Zusätzlich werden von den Stromleitern, die, wie eingangs erwähnt, sehr grosse Ströme führen, Magnetfelder gebildet. Die vertikalen Feldlinien dieser Magnetfelder bewirken im geschmolzenen Aluminium die Bildung von in horizontaler Richtung verlaufenden elektromotorischen Kräften.

Die Elektrolysezellen werden üblicherweise in einer Stahlwanne aufgebaut. Der magnetisch leitende Werkstoff vermag das Ofeninnere teilweise von den ausserhalb des Ofens erzeugten Magnetfeldern abzuschirmen.

In der DE-PS 1 083 554 wird versucht, die senkrechten Komponenten der vertikalen Felder des gleichmässig und in senkrechter Richtung über die Gesamtoberfläche der Elektrolysezellen verteilt fliessenden Stromes zu unterdrücken und/oder konstant zu halten, indem die als Kathode dienende Metalloberfläche den Anoden angepasst und ein möglichst grosser Anteil der horizontalen Sammelschienen derart angeordnet wird, dass sie eine möglichst grosse Fläche einnehmen.

Aus der DE-PS 1 143 03 2 ist bekannt, die Wirkung der von den Aussenleitern herrührenden magnetischen Felder dadurch weitgehend aufzuheben, dass zwischen die Aussenleiter und das Bad zusätzliches Eisen eingebaut wird. Obwohl die im Ofen erzeugte Wärme beeinflusst werden kann, sind keine Indizien vorhanden, dass eine Metallbewegung verhindert werden kann.

Schliesslich werden nach der DE-AS 2 213 226 die magnetischen Felder an den Seiten und Enden der Zelle durch die Anordnung zusätzlicher magnetischer Leiter im Bereich der Elektrolysezelle beeinflusst. Diese sich vertikal erstreckenden magnetischen Leiter sind untereinander und vom elektrischen System der Elektrolysezelle getrennt und in oder an der Zellenwand zwischen der flüssigen Leichtmetallschicht

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und den äusseren Stromleitern angeordnet. Das heisst, sie enden im magnetisch nicht leitenden Kohlenstoff.

Alle vorstehend genannten Vorrichtungen weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie einen verhältnismässig umfangreichen und kostspieligen Aufwand erfordern, ausserdem können sie nicht ohne Neu- oder Umbau des Ofens angebracht v/erden.

Der Erfinder hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung zur Absorption von vertikalen magnetischen Feldlinien bei Elektrolysezellen zu schaffen, die konstruktiv einfach ausgestaltet ist und bei bestehenden Oefen ohne Betriebsunterbruch angebracht werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Vorrichtung aus der Ofenwanne aus Stahl und einer magnetisch angekoppelten Abdeckung des Oberteils des Ofens, bestehend aus einem Metall von hoher magnetischer Leitfähigkeit, mit gleichmässiger Wirkung über den ganzen Grundriss, besteht.

Die magnetische Ankoppelung der Abdeckung an die Ofenwanne ist von grundlegender Bedeutung, weil damit einerseits die für den Ofen in jedem Fall notwendige Stahlwanne für einen Teil der magnetischen Abschirmung verwendet werden kann und andererseits die ganze Abschirmung das gleiche Potential hat.

Für die Abschirmung wird ein ferromagnetisches Metall, insbesondere Eisen oder Stahl, eingesetzt. Obwohl auch Kobalt und Nickel sowie deren Legierungen verwendet werden könnten, fallen diese in der Praxis aus Kostengründen ausser Betracht.

Aus Gründen des Umweltschutzes und der Arbeitsplatzhygiene ist heute eine Ofenkapselung je langer desto mehr erforderlich. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann eine zwischen dem Anodenträger und dem Kopf der Anoden angeordnete, aus einer Mittenabdeckung und einer Seitenabdeckung bestehende Gashaube bekannter Art verwendet werden, wenn sie magnetisch

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an die Ofenwanne angekoppelt und gegen die Anodenstangen elektrisch isoliert wird. Die Mittenabdeckung kann direkt an die Ofenwanne und/oder an die Seitenabdeckung angekoppelt sein.

Bei mittelbedienten oder mit dem sog. "Point-feeding"-System versehenen Oefen kann die zwischen den Anodenreihen liegende Mittenabdeckung vollständig oder teilweise durch einen Tonerdebehälter bzw. -silo oder dgl. ersetzt werden. Dabei versteht sich von selbst, dass auch dieser Silo magnetisch an die Ofenwanne und/oder die Seitenabdeckung angekoppelt sein muss.

Bei nicht gekapselten Oefen kann zwischen dem Anodenträger und den Anodenköpfen ein grobmaschiges Gitter aus einem magnetisch gut leitenden Material angeordnet werden, welches magnetisch an die Ofenwanne gekoppelt ist und jede Berührung mit Anodenpotential aufweisenden Teilen des Ofens vermeidet. Aus praktischen Gründen, d.h. insbesondere wegen dem Auswechseln der Anoden, weist das Gitter einen Raster auf, der mindestens den Dimensionen der eingesetzten Anoden entspricht. Auch muss dieses Gitter massiv aufgebaut sein, damit es bei Schlagen durch einzusetzende bzw. herauszunehmende Anoden nicht beschädigt wird.

Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, mindestens ein sich über die gesamte Länge der Ofenwanne, oberhalb des Bereichs zwischen den Anodenreihen liegendes Joch anzubringen, das in bezug auf die Höhe horizontal zwischen dem Anodenträger und den Anodenköpfen verläuft. Wird nur ein Joch vorgesehen, so liegt dieses vorteilhaft in der Mittelebene zwischen den Anodenreihen. Zwei Joche können, durch diese Mittelebene getrennt, unmittelbar nebeneinander liegen.

Die geometrische Form des JochquerSchnitts, wie übrigens auch der Gitterstäbe, kann beliebig ausgebildet sein, beispielsweise in Form von runden, rechteckigen oder anderen

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Voll- und Hohlprofilen, Platten oder Blechen. Vorzugsweise werden jedoch Rohre eingesetzt, die einen Aussendurchmesser von 5-15 cm, insbesondere von 7-10 cm, haben können. Die Wandstärke liegt in der Grössenordnung von einem bis mehreren Zentimetern, sie wird von den Anforderungen an die mechanische Festigkeit begrenzt.

Die Joche können Querfortsätze aufweisen, die den gleichen oder einen verschiedenen Querschnitt haben können. Die vorzugsweise rechtwinklig vom Joch weglaufenden Querfortsätze sind so ausgebildet, dass sie einerseits die magnetische Abschirmung verbessern helfen, aber andererseits die Zellenbedienung nicht behindern. Obwohl diese Querfortsätze üblicherweise in der Horizontalebene des Joches liegen, können sie bis zu etwa 45 nach oben und unten abweichen.

Die in Längsrichtung verlaufenden Joche können durch solche ersetzt werden, die sich über die gesamte Breite der Elektrolysezelle erstrecken. Diese in der Regel einzeln angeordneten Joche liegen in der Mittelebene zwischen zwei benachbarten Anoden. Sie können je nach Bedarf auf allen Mittelebenen zwischen den Anoden, auf jeder zweiten, auf jeder dritten usw., liegen. Die Zahl der Joche kann soweit vermindert werden, als die Abschirmung noch über den ganzen Bereich der Elektrolysezelle wirkt. Alle übrigen Angaben in bezug auf die Joche in Längsrichtung, wie z.B. Höhe, Querfortsätze und Form des Querschnitts, gelten auch für das über die Breite des Ofens verlaufende Joch.

Alle beschriebenen magnetischen Abdeckungen für den nicht gekapselten Ofen können bei voller Leistung der Elektrolysezellen montiert werden. Die magnetische Ankoppelung an die Ofenwanne, welche gleichzeitig die mechanische Befestigung sein kann, erfolgt lösbar mittels Schrauben, Klemmen usw. oder unlösbar mittels Nieten, Schweissen usw.

Die erfindungsgemässen Gitter oder Joche können gleichzeitig

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das Traggerüst für Tonerdesilos bzw. Einschlagvorrichtungen sein, falls es sich um mittel-, quer- CCH-Pat.anm. Nr. 7956/77) oder punktförmig bediente Oefen handelt. Es versteht sich von selbst, dass diese auf dem Traggerüst angeordneten Einrichtungen gegenüber anodisch geschalteten Teilen des Ofens isoliert sein müssen.

Ueberraschend kann mit der erfindungsgemässen einfachen magnetischen Abdeckung, wie z.B. mit einem einfachen oder doppelten, in Längsrichtung im Bereich oberhalb der Mitte der Anodenreihen verlaufenden Joch ein hoher Wirkungsgrad erzielt werden, indem mindestens 50 mV Spannung pro Ofen eingespart werden können, was zu einer entsprechenden Verbilligung des Rohaluminiumpreises führt.

Zusammengefasst hat die erfindungsgemässe Anordnung bei einfachem, den Betrieb des Ofens nicht unterbrechendem Aufwand folgende Vorteile:

Geringerer Energieverbrauch durch ruhigeren Ofengang (Verminderung des Auftretens von Schwingungen);

- höhere Stromausbeute dank tieferen Temperaturen und ruhigerem Ofengang;

- geringerer Flussmittelverbrauch;

- geringerer Anodenverbrauch.

Die Erfindung wird anhand der folgenden, schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Elektrolysezelle mit als magnetische Abschirmung eingesetzter Gashaube, im vertikalen Querschnitt;

Fig. 2 und 3 eine Elektrolysezelle mit als magnetische Abschirmung eingesetzer, in Längsrichtung ver-909832/0456

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laufender Platte, in vertikalem Längs- und Querschnitt;

Fig. 4 und 5 eine Elektrolysezelle wie in Fig. 2 und 3,

mit in Richtung der Breitseite verlaufenden Rohren als magnetische Abschirmung.

Die Figuren 1 bis 5 zeigen einen Teil einer Elektrolysezelle. Die Stahlwanne 12, die mit einer thermischen Isolation 13 aus hitzebeständigem, wärmedämmendem Material und mit Kohlenstoff 11 ausgekleidet ist, enthält die Fluoridschmelze 10 des 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 den Gleichstrom dem Elektrolyten zuführen. Sie sind über Stromleiterstangen 19 und durch Schlösser 20 mit dem Anodenbalken

21 fest verbunden. Der Strom fliesst von den Kathodenbarren 17 der einen Zelle zum Anodenbalken bzw, zum Anodenträger 21 der folgenden Zelle über konventionnelle, nicht gezeichnete Stromschienen, Vom Anodenbalken 21 fliesst er über die Stromleiterstangen 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 . An den Seitenwänden der Kohlenstoffauskleidung 11 bildet sich ebenfalls eine Kruste aus erstarrtem Elektrolyt, nämlich das Bord · . Das Bord ist mitbestimmend für die horizontale Ausdehnung des Bades aus dem flüssigen Aluminium 14 und dem Elektrolyten 10.

Der Abstand d^ der Anodenunterseite 24 zur Aluminiumoberfläche

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16, auch Interpolardistanz genannt, lässt sich durch Heben oder Senken des Anodenbalkens 21 mit Hilfe der Hubwerke 25 verändern, die auf Säulen 26 montiert sind. Bei der Betätigung des Hubwerkes 25 werden gleichzeitig sämtliche Anoden angehoben bzv/. gesenkt. Die Anoden können ausserdem in bekannter Weise - jede für sich - in ihrer Höhenlage mit Hilfe der an dem Anodenbalken 21 angeordneten Schlösser 20 eingestellt werden.

Die ausserhalb der Elektrolysezellen liegenden Stromschienen 30 führen den elektrischen Strom zum Anodenbalken der folgenden Zelle.

Die in Fig. 1 dargestellte Gashaube besteht aus der Seitenabdeckung 31, welche bei 32 magnetisch an die Ofenwanne 12 angekoppelt und bei 33 gegen den Anodenträger 19 elektrisch isoliert ist, und der Mittenabdeckung 34, die ebenfalls bei 33 gegen den Anodenträger 19 elektrisch isoliert ist. Die Mittenabdeckung 34 ist mit der Ofenwanne 12 und/oder Seitenabdeckung 31 magnetisch gekoppelt.

Wie bereits erwähnt, kann die Mittenabdeckung 34 teilweise oder vollständig durch einen Tonerdesilo, aber auch durch eine Aufhängevorrichtung oder einen Gasabsaugkanal ersetzt werden.

In den Figuren 2 und 3 ist die magnetische Abschirmung als beidseitig abgebogene Platte 35 ausgebildet, welche bei 32 mit der Ofenwanne verbunden ist. Diese Platte ist etwa auf halber Höhe zwischen dem Kopf der Anoden 18 und dem Anodenträger 21 angeordnet.

In den Figuren 4 und 5 bilden über die gesamte Breite der Elektrolysezelle verlaufende, beidseitig abgebogene Rohre die magnetische Abschirmung. Die Rohre sind an beiden Enden der Anodenreihen und nach jeder zweiten Anode bei 32 mit der Ofenwanne 12 verbunden. Die Rohre sind wiederum auf halber

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Höhe zwischen dem Kopf der Anoden 18 und dem Anodenbalken 21 ausgebildet.

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Claims (10)

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1. Vorrichtung zur Absorption von vertikalen magnetischen Feldlinien bei Slektrolysezellen, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus der Ofenwanne aus Stahl und einer magnetisch angekoppelten Abdeckung des Oberteils des Ofens, bestehend aus einem Metall von hoher magnetischer Leitfähigkeit, mit gleichmässiger Wirkung über den ganzen Grundriss, besteht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine zwischen dem Anodenträger (21) und dem Kopf der Anoden (18) verlaufende, gegen die Anoden elektrisch isolierte Gashaube (31,34) magnetisch mit der Ofenwanne (12) gekoppelt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittenabdeckung (34) zwischen den Anodenreihen durch einen magnetisch an die Ofenwanne gekoppelten, gegen die Anoden elektrisch isolierten Tonerdebehälter, eine Haltevorrichtung oder einen Gasabsaugkanal ersetzt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung aus einem in einer Horizontalebene zwischen dem Anodenträger (21) und dem Kopf der Anoden (18) liegenden grobmaschigen Gitter, dessen Raster beim Einsatz von vorgebrannten Anoden mindestens den Anodendimensionen entspricht, besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung aus mindestens einem in einer Horizontalebene zwischen dem Anodenträger (21) und dem Kopf der Anoden (18) liegenden sich oberhalb des Bereichs zwischen den Anodenreihen über die gesamte Länge der Ofenwanne erstreckenden Joch besteht.

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INSPECTED

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung aus sich oberhalb des Bereichs zwischen den Anoden über die gesamte Breite der Ofenwanne erstreckenden, in einer Horizontalebene zwischen dem Anodenträger (21) und dem Kopf der Anoden (18) liegenden Jochen besteht.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitter bzw. Joche aus Vollprofilen, Hohlprofilen, Platten oder Blechen bestehen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlprofile Rohre mit einem Aussendurchmesser von 5-15 cm, vorzugsweise 7-10 cm, sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-8, dadurch gekennzeichnet, dass die Joche Querfortsätze, vorzugsweise von gleicher geometrischer Form wie der Jochquerschnitt, aufweisen.

10. Vorrichtung'nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung aus Eisen oder Stahl besteht.

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