DE2833381A1 - Electrolysis cell for winning aluminium - where carbon cathode hearth is connected to bus=bars via spaced graphite pegs increasing the efficiency of aluminium prodn. - Google Patents
Electrolysis cell for winning aluminium - where carbon cathode hearth is connected to bus=bars via spaced graphite pegs increasing the efficiency of aluminium prodn.Info
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Abstract
Description
Elektrolysezelle zum Gewinnen von AluminiumElectrolysis cell for the production of aluminum
Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle zum Gewinnen von Aluminium mit in eine Schmelze eintauchenden Anoden, diesen in Abstand gegenüberliegenden aus Kohlenstoffblöcken gebildeten Ofenboden, welcher mit einer als Kathode dienenden Schicht aus abgeschiedenem Aluminium bedeckt ist und -anodischen und kathodischen Stromleitern.The invention relates to an electrolytic cell for the production of aluminum with anodes immersed in a melt, opposite one another at a distance Furnace bottom formed from carbon blocks, which is equipped with a cathode Layer of deposited aluminum is covered and -anodic and cathodic Conductors.
Die zur Herstellung von Aluminium nach dem Hall-Heroult-Verfahren verwendeten Elektrolysezellen bestehen im allgemeinen aus einer rechteckigen mit einer Isolierschicht und Kohlenstoffblöcken ausgekleideten, eine Schmelze aus im wesentlichen Kryolith und Tonerde enthaltenden Stahlwanne, in welcher in Abstand zum Ofenboden in vertikaler Richtung verschiebbare Anoden aus Kohlenstoff angeordnet sind. Die den Boden der Zelle bildenden Kohlenstoffblöcke sind mit einer als Kathode dienenden Schicht aus geschmolzenem Aluminium bedeckt und im allgemeinen mit Nuten versehen, in welche Stromleiter, z.B. in Form eiserner Kathodenbarren, eingelegt und etwa durch Füllen der verbleibenden Fugen mit Gußeisen oder einer anderen den elektrischen Strom leitenden Masse mit den Kohlenstoffblöcken verbunden sind. Beim Betrieb der Elektrolysezelle durchfließt der Elektrolysestrom ausgehend von den Anoden die Kryolithschmelze praktisch in vertikaler Richtung, tritt dann in die schmelzflüssige, eine wesentlich größere Leitfähigkeit aufweisende Aluminiumschicht ein und wird in dieser bevorzugt in Richtung auf die Ofenseiten abgelenkt. Die horizontale Stromkomponente bewirkt in Verbindung mit der vertikalen Komponente des Magnetfeldes eine Zirkulation der Aluminiumschmelze, wodurch ein größerer, den Wirkungsgrad des Prozesses beeinträchtigender Abstand zwischen Anode und Kathode eingehalten werden muß. Da durch die Auslenkung des Stromflusses die Kohlenstoffblöcke am Zellenrand relativ mehr Strom als in der Zellenmitte aufnehmen, nimmt auch die Bodentemperatur in Richtung Zellenrand zu und insbesondere bei Öfen mit einer Tonerdechargierung in der Ofenmittelachse können sich die Wände der Zelle gegen Korrosion schützende Krusten aus erstarrtem Elektrolyten kaum bilden. Bei fehlenden stabilen Schutzschichten ist die Standzeit der Randauskleidung im allgemeinen nicht befriedigend.The one used to manufacture aluminum using the Hall-Heroult process Electrolysis cells used generally consist of a rectangular with an insulating layer and carbon blocks lined, a melt of im essential steel vat containing cryolite and alumina, in which at a distance Anodes made of carbon, which can be displaced in the vertical direction, are arranged in relation to the furnace floor are. The carbon blocks that make up the bottom of the cell are with one as the cathode serving layer of molten aluminum covered and generally grooved provided in which current conductors, e.g. in the form of iron cathode bars, are inserted and for example by filling the remaining joints with cast iron or another den electrical current conductive ground are connected to the carbon blocks. At the The electrolysis current flows through the operation of the electrolytic cell starting from the Anodes the cryolite melt practically in the vertical direction, occurs then into the molten aluminum layer, which has a significantly greater conductivity a and is deflected in this preferably in the direction of the oven sides. The horizontal Current component caused in conjunction with the vertical component of the magnetic field a circulation of the molten aluminum, thereby increasing the efficiency of the The distance between the anode and cathode, which affects the process, must be maintained got to. Because the deflection of the current flow causes the carbon blocks at the cell edge The temperature of the floor also increases relatively more electricity than in the middle of the cell in the direction of the cell edge and especially in the case of ovens with an alumina charring In the central axis of the furnace, the walls of the cell can be protected against corrosion Hardly any crusts form from solidified electrolytes. In the absence of stable protective layers the service life of the edge lining is generally unsatisfactory.
Es hat nicht an Versuchen und Vorschlägen gefehlt, nachteilige horizontale Stromkomponenten in der schmelzflüssigen Aluminium-Kathode durch eine gradielle Änderung des Widerstandes der Kohlenstoffblöcke oder des Übergangswiderstandes zwischen Kohlenstoffblöcken und Stromleitern zu vermeiden oder wenigstens zu verkleinern. Durch die DE-PS 20 61 263 ist es bekannt, die Stromdichte des Elektrolysestroms dadurch zu vergleichmäßigen, daß der Widerstand der für die Bodenzustellung verwendeten Kohlenstoffblöcke in Richtung auf den Zellenrand zunimmt. Nach der DE-PS 23 18 599 sind in Weiterbildung dieses Vorschlags die randseitigen Kohlenstoffblöcke des Ofenbodens mit einer Schicht aus einem elektrisch nichtleitenden Material bedeckt.There has been no lack of attempts and suggestions, detrimental horizontal ones Current components in the molten aluminum cathode through a gradual Change the resistance of the carbon blocks or the contact resistance between Avoid carbon blocks and conductors, or at least reduce them in size. From DE-PS 20 61 263 it is known the current density of the electrolysis current to equalize by the fact that the resistance used for the floor infeed Carbon blocks increases in the direction of the cell edge. According to DE-PS 23 18 599 are the edge-side carbon blocks of the furnace bottom in a further development of this proposal covered with a layer of an electrically non-conductive material.
Diese Lösungen sind insoweit nachteilig, als die Verwendung verschiedener sich im spezifischen elektrischen Widerstand unterscheidenden Typen oder Sorten von Kohlenstoffblöcken die Lagerhaltung erschwert und die Verbindung oder Beschichtung von Kohlenstoffkörpern mit einem elektrisch isolierenden keramischen Material aufwendig und nicht in allen Fällen technisch befriedigend zu lösen ist.These solutions are disadvantageous in that they use different ones itself in the specific electrical Resistance distinguishing types or varieties of carbon blocks make the storage difficult and the connection or coating of carbon bodies with an electrically insulating ceramic Material is expensive and cannot be solved in a technically satisfactory manner in all cases.
Nach der DE-OS 26 24 171 wird eine Zunahme des Bodenwiderstands in Richtung auf den Zellenrand schließlich dadurch erreicht, daß die kathodischen Stromleiter nicht über ihre gesamte Länge mit den den Ofenboden bildenden Kohlenstoffsteinen verbunden sind. Die Fugen -zwischen den Kohlenstoffblöcken und den in nutenförmige Ausnehmungen der Blöcke eingelegten kathodischen Leitern sind dabei nur zu einem Teil mit einer den elektrischen Strom leitenden Masse gefüllt, wodurch prinzipiell jede gewünschte Stromdichte'-verteilung über die Bodenfläche eingestellt werden kann.According to DE-OS 26 24 171, an increase in soil resistance is in The direction towards the cell edge is finally achieved in that the cathodic current conductors not over their entire length with the carbon stones forming the furnace floor are connected. The joints -between the carbon blocks and the grooved ones The cathodic conductors inserted in the blocks are only part of one Part filled with a mass that conducts electrical current, which in principle any desired current density distribution over the floor area can be set can.
Da derartige Fugenfüllungen jedoch nur bis zu einem bestimmten Grade reproduzierbar hergestellt werden können, weicht der Ist-Widerstand mehr oder weniger beträchtlich von dem Soll-Widerstand ab und eine vorgegebene Verteilung der Stromdichte ist nicht immer mit ausreichender Genauigkeit zu verwirklichen.Since such joint fillings, however, only up to a certain degree can be produced reproducibly, the actual resistance deviates more or less considerably from the target resistance and a given distribution of the current density cannot always be achieved with sufficient accuracy.
Die kathodischen Stromleiter bestehen aus stählernen Barren, die in Nuten der Kohlenstoffblöcke eingelegt und mit diesen wie oben beschrieben verbunden sind. Beim Erhitzen der Zelle werden die Kohlenstoffblöcke auf Zug beansprucht, da der thermische Ausdehnungskoeffizient des Barrens etwa dreimal größer ist als der Ausdehnungskoeffizient der Blöcke. Diese Zugspannungen sind eine häufige Ursache für die Bildung von Rissen in den Kohlenstoffblöcken, durch welche die Schmelze den Ofenboden durchdringen kann.The cathodic conductors consist of steel bars that are in Grooves in the carbon blocks are inserted and connected to them as described above are. When the cell is heated, the carbon blocks are put under tension, because the thermal expansion coefficient of the bar is about three times greater than the expansion coefficient of the blocks. These tensile stresses are a common cause for the formation of cracks in the carbon blocks through which the melt can penetrate the oven floor.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in Aluminium-Elektrolysezellen die horizontale Stromkomponente im flüssigen Aluminium wenigstens zu begrenzen und dabei die Nachteile der beschriebenen Lösungsvorschläge zu vermeiden. Nach einer weiteren Aufgabe soll die mechanische Belastung der den Ofenboden bildenden Kohlenstoffsteine verringert werden.The invention is based on the object in aluminum electrolysis cells to at least limit the horizontal flow component in the liquid aluminum and thereby avoiding the disadvantages of the proposed solutions described. After a Another task is the mechanical load on the carbon bricks forming the furnace floor be reduced.
Die Aufgabe wird mit einer Elektrolysezelle der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die unterhalb des Ofenbodens verlaufenden kathodischen Stromleiter in Ausnehmungen der Kohlenstoffblöcke eingreifende Zapfen aufweisen und die auf die Längeneinheit bezogene Anzahl der Zapfen von der Mitte des Ofenbodens in Richtung der seitlichen Ofenbegrenzungen abnimmt.The task is with an electrolytic cell of the aforementioned Art solved in that the cathodic current conductors running below the furnace floor have pegs engaging in recesses in the carbon blocks and on the number of pegs related to the unit of length from the center of the furnace floor in the direction the lateral oven limits decreases.
Die kathodischen Stromleiter sind nach der Erfindung nicht in nutenförmige Ausnehmungen der Kohlenstoffblöcke eingeliegt, sie erstrecken sich vielmehr unterhalb des Ofenbodens parallel zu den einzelnen Blockreihen. Die mechanische und elektrische Verbindung dieser Elemente erfolgt durch Zapfen oder Aufsätze, die Teil der kathodischen Stromleiter sind und in entsprechend ausgebildete Ausnehmungen der Kohlenstoffblöcke eingreifen. Zapfen mit einem kreisförmigen Querschnitt sowie kegelstumpfförmig ausgebildete, nichtkreisförmige Zapfen, die besonders einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen, werden bevorzugt. Im allgemeinen wird durch einfache Steckverbindungen eine ausreichende mechanische Verankerung und ein kleiner Spannungsabfall in der Verbindung erreicht. Gegebenenfalls ist in Längsrichtung des zweckmäßig in Barrenform ausgeführten kathode schen Stromleiters ein größeres Spiel zur Aufnahme der thermischen Dehnung vorgesehen, wobei der Spalt mit einer komprimierbaren kohlenstoffhaltigen Masse gefüllt sein kann. Nach einer weiteren, für größere mechanische Beanspruchungen geeigneten Ausführung sind Zapfen und Ausnehmungen mit Gewinden versehen und miteinander verschraubt. Bei dieser Ausführung besteht der Zapfen zweckmäßig aus zwei Teilen, die durch eine Überwurfmutter miteinander verbunden sind und von denen ein Teil mit dem kathodischen Stromleiter etwa durch Schweißen oder Schrauben fest verbunden ist. Der in die Ausnehmungen der Kohlenstoffblöcke eingreifende Teil des Zapfens besteht dabei bevorzugt aus Graphit, der eine hohe elektrische Leitfähigkeit und einen kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Durch die Verwendung eines Graphitteils können insbesondere die beim Erhitzen des Ofens oder durch sonstige örtliche Temperaturdifferenzen bedingten mechanischen Spannungen in dem Verbindungsteil wirksam verringert werden.According to the invention, the cathodic current conductors are not in the form of grooves Recesses of the carbon blocks embedded, they rather extend below of the furnace floor parallel to the individual rows of blocks. The mechanical and electrical These elements are connected by tenons or attachments that are part of the cathodic Current conductors are and in appropriately designed recesses in the carbon blocks intervention. Cones with a circular cross-section and frustoconical, non-circular pins, which have a particularly trapezoidal cross-section, are preferred. In general, simple plug connections make a sufficient mechanical anchoring and a small voltage drop in the connection is achieved. If necessary, the cathode, which is expediently designed in the form of bars, is in the longitudinal direction between the current conductor, a larger clearance is provided to absorb the thermal expansion, the gap with a compressible carbonaceous mass can be filled. After another, for greater mechanical loads Suitable execution are pegs and recesses provided with threads and together screwed. In this version, the pin consists expediently of two parts, which are connected to one another by a union nut and a part of which firmly connected to the cathodic conductor, for example by welding or screws is. The part of the pin that engages in the recesses of the carbon blocks consists preferably of graphite, which has a high electrical conductivity and has a small coefficient of thermal expansion. By using a graphite part can, in particular, when the furnace is heated or by other means Local temperature differences caused mechanical stresses in the connecting part can be effectively reduced.
Erfindungsgemäß werden horizontale nach außen gerichtete Stromkomponenten in einfacher Weise dadurch vermindert, daß im wesentlichen die die Mitte des Ofenbodens bildenden Kohlenstoffblöcke mit dem kathodischen Stromleiter elektrisch leitend verbunden sind und die Zahl der Kontakte je Längeneinheit in Richtung auf den Ofenrand abnimmt. Die Verbindungen lassen sich reproduzierbar herstellen und die für gegebene Betriebsbedingungen günstigste Anzahl von Verbindungen kann rechnerisch im voraus bestimmt werden. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle besteht darin, daß die im Ofenboden während des Ofenbetriebs etwa beim Anfahren der Zelle, bei größeren Lastschwankungen und dergleichen sich bildenden mechanischen Spannungen wesentlich kleiner sind als in den bekannten Zellen und damit die Bildung von Rissen und dadurch bedingte Aufwölbungen des Ofenbodens vermieden oder erheblich eingeschränkt werden.According to the invention, there are horizontal outwardly directed current components reduced in a simple manner in that essentially the center of the furnace floor forming carbon blocks with the cathodic current conductor electrically conductive are connected and the number of contacts per unit length in the direction of the furnace edge decreases. The connections can be produced reproducibly and for the given Operating conditions most favorable number of connections can be calculated in advance to be determined. There is a further advantage of the electrolytic cell according to the invention in that the in the furnace floor during furnace operation, for example when starting up the cell, in the event of major load fluctuations and the like, mechanical stresses are formed are much smaller than in the known cells and so that Formation of cracks and the resulting bulges of the furnace floor avoided or can be significantly restricted.
Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen Fig. 1 - einen Längsschnitt durch einen Teil einer Aluminium-Elektrolysezelle nach der Erfindung, Fig. 2 - einen kathodischen Stromleiter mit kegelstumpfförmigen Zapfen In Figur 1 ist 1 eine Stahlwanne mit einer wärmeisolierenden Schicht 2,auf der Kohlenstoffblöcke 3 und ebenfalls aus Kohlenstoff bestehende Randblöcke 4 aufliegen. Das beim Betrieb der Zelle abgeschiedene Aluminium bildet eine die Kathode für den Elektrolysevorgang darstellende Schicht 5, über welcher im Abstand die Kohlenstoffanoden 6 hängen. Der Abstand zwischen der Anodenunterseite und der Oberfläche der Aluminiumschicht läßt sich durch Heben und Senken des Anodenträgers 7 oder einzelner Stromleiterstangen 8 mit Hilfe einer zeichnerisch nicht dargestellten Hubeinrichtung ändern. Die Anoden tauchen in den im wesentlichen aus geschmolzenem Kryolith bestehenden Elektrolyten 9 ein, der an der Oberfläche und am Zellenrand eine Kruste 10 aus erstarrter Schmelze bildet, die mit einer Schicht 11 aus Tonerde bedeckt ist.The invention is illustrated below by way of example with reference to drawings explained. 1 shows a longitudinal section through part of an aluminum electrolysis cell according to the invention, Fig. 2 - a cathodic current conductor with frustoconical Spigot In Figure 1, 1 is a steel tub with a heat-insulating layer 2 on the carbon blocks 3 and also made of carbon edge blocks 4 rest. The aluminum deposited during operation of the cell forms the cathode for the Layer 5 representing the electrolysis process, over which the carbon anodes are spaced 6 hanging. The distance between the bottom of the anode and the surface of the aluminum layer can be achieved by raising and lowering the anode support 7 or individual conductor rods 8 change with the aid of a lifting device, not shown in the drawing. The anodes immerse in the electrolyte consisting essentially of molten cryolite 9, which has a crust 10 of solidified melt on the surface and on the cell edge forms, which is covered with a layer 11 of alumina.
Über den Anodenträger 7 und die Stromleiterspangen 8 wird den Anoden 6 Gleichstrom zugeführt, der über den Elektrolyten 9, die flüssige Aluminiumkathode 5 und die Kohlenstoffblöcke 3 zu den kathodischen Stromleitern 12 fließt und von dort zu dem Anodenträger einer zeichnerisch nicht dargestellten folgenden Zelle. Die barrenförmigen kathodischen Stromleiter, die sich über die gesamte Breite der Elektrolysezelle erstrecken, sind durch Zapfen 13 mit den Kohlenstoffblöcken 3 verbunden. Die auf die Längeneinheit bezogene Anzahl der Zapfen 13, die beispielsweise auf die Strombarren 12 aufgeschweißt sind,. nimmt in Richtung auf den Zellenrand derart ab (Fig. 2), daß in der flüssigen Aluminium-Kathode horizontale Stromkomponenten praktisch ausgeschlossen werden. Die zur Aufnahme der Zapfen in den Kohlenstoffblöcken 3 vorgesehenen Ausnehmungen weisen in Längsrichtung des barrenförmigen kathodischen Stromleiters zweckmäßig ein Übermaß auf, durch welches die größere Dehnung des stählernen Barrens beim Erhitzen der Zelle kompensiert werden kann und Zugspannungen innerhalb der Kohlenstoffblöcke vermieden werden. Dabei ist zweckmäßig der bei Raumtemperatur offene Spalt zwischen Zapfen und Wandung der Ausnehmung mit einer kompressiblen Masse, beispielsweise aus expandierten Graphitpartikeln, gefüllt.About the anode support 7 and the current conductor clips 8 is the anodes 6 direct current supplied via the Electrolyte 9, the liquid one Aluminum cathode 5 and the carbon blocks 3 to the cathodic current conductors 12 flows and from there to the anode support a not shown in the drawing following cell. The bar-shaped cathodic current conductor that extends over the Extending the entire width of the electrolytic cell are through pegs 13 with the carbon blocks 3 connected. The number of pins 13 based on the unit of length, for example are welded onto the current bars 12 ,. takes in the direction of the cell edge in such a way (Fig. 2) that horizontal current components in the liquid aluminum cathode can be practically ruled out. The ones used to hold the tenons in the carbon blocks 3 provided recesses point in the longitudinal direction of the bar-shaped cathodic Conductor expediently an excess, by which the greater elongation of the steel Barrens when heating the cell can be compensated and tensile stresses within the carbon blocks are avoided. The one at room temperature is expedient open gap between the pin and the wall of the recess with a compressible Mass, for example made of expanded graphite particles, filled.
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