DE2850469A1

DE2850469A1 - Elektrolyse-reduktionszelle

Info

Publication number: DE2850469A1
Application number: DE19782850469
Authority: DE
Inventors: Quebec Arvida; Thomas James Hudson; Jean-Paul Robert Huni; Donald William Macmillan; Vinko Potocnik
Original assignee: Alcan Research and Development Ltd
Current assignee: Alcan Research and Development Ltd
Priority date: 1977-11-23
Filing date: 1978-11-21
Publication date: 1979-05-31
Also published as: IT1101131B; CH641209A5; FR2410061B1; JPS5482313A; NL7811502A; FR2410061A1; AU4181978A; AU521443B2; ES475300A1; CA1111376A; NO783935L; IT7830110A0; US4194959A; SE7812062L

Description

■■ HOFFMANN · JSITL.E Ä PARTNIüR 2850469

PATENTANWÄLTE

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) - Dl PL.-I N G. W. E ITLE · D R. RER. NAT. K. H O FFMAN N · D I PL.-I NG. W. LEH N

DIFl.-ING. K. FDCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSe^(STERNHAUS) . D-8000 MÖNCHEN 81 · TELEFO N (009) 911087 . TELEX 05-29619 (PATHE)

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Alcan Research and Development Limited, Montreal / Kanada

Elektrolyse-Reduktionszelle

Die vorliegende Erfindung betrifft Elektrolyse-Reduktionszellen, bei welchen der Boden der Zelle die Kathodenanordnung darstellt. In derartigen Zellen, die bei der elektrolytischen Herstellung von Aluminium verwendet werden, bildet sich eine Schicht geschmolzenen Metalls am Boden der Zelle, unterhalb des zur Reduktion verwendeten Schmelzfluß-Elektrolysebads, in das die Anode oder die Anoden ausgehend von über dem Bad angeordneten Halterungen eintauchen. Um einen maximalen Wirkungsgrad beim Einsatz der elektrischen Leistung zu erzielen, ist es wichtig, daß die Entfernung zwischen der Unterseite der Anode und der Kathodenfläche, die durch die Oberseite der geschmolzenen Metallschicht gebildet wird, so weit wie möglich einem vorgewählten Wert entspricht. Es ist daher offensichtlich, daß jede Störung der Oberseite der Metallschicht sich ungünstig auf den Wirkungsgrad des Zellenbetriebs auswirken kann.

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Elektrolytische Reduktionszellen arbeiten mit niedrigen Spannungen und sehr hohen Strömen. Die Zellen sind in, Reihe geschaltet und in einer Reihe angeordnet. Der Strom wird von einer Zelle zur nächsten durch großdimensionierte Anschlußleitungen übertragen, die die Kathode einer Zelle mit der Anode der in der Reihe nächstliegenden Zelle verbinden. Der durch die Zelle und in den Anschlußleitungen fließende Strom erzeugt ein erhebliches Magnetfeld in der Zelle und um sie herum. Dieses Magnetfeld kann eine erhebliche Störung der Metallschicht in der elektrolytischen Zelle als Folge der elektromagnetischen Kräfte verursachen, die durch die gegenseitige Einwirkung zwischen dem in der Metallschicht fließenden Strom und dem Magnetfeld verursacht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte, jedoch einfache Konstruktion der Kathode der Elektrolyse-Reduktionszelle zu schaffen, die ein Verhalten der Metallschicht ermöglicht, das sich besser für die Erzielung eines maximalen Wirkungsgrads und einer optimalen Steuerung eignet. Das Verhalten der Metallschicht wird verbessert, indem die horizontale Stromkomponente, die in der Metallschicht quer zur Zelle fließt, verringert und gesteuert wird. Da die Elektromagnetkraft unter anderem proportional zur Stromdichte ist, stellt die Erfindung ein sehr wirksames Mittel zur Steuerung des Verhaltens der Metallschicht und der Stabilität der Zelle dar.

Beim Aufbau der Kathode einer üblichen Elektrolyse-Reduktionszelle werden die Kathoden-Kohleblöcke, die den Boden der Zelle bilden, in Längsrichtung über die Zelle gelegt. Die Unterseite der Kathoden-Kohleblöcke ist in Längsrichtung mit Nuten versehen, die Metallsammeischienen aufnehmen, die gewöhnlich aiis Stahl bestehen und sich seitlich über die Blöcke

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hinaus durch die Seiten der Zelle zum Anschluß mit den Hauptanschlußleitungen erstrecken. Diese Sammelschienen werden anschließend mittels Gußeisenstäben gehalten oder mittels einerPech-Kohlen-Zusammensetzung in ihrer Lage gehalten, wobei die Zusammensetzung anschließend beim Aufheizen der Zelle verkokt, wodurch eine gute elektrische Verbindung zwischen dem Kathoden-Kohlenblock und der metallischen Sammelschiene hergestellt wird. Obgleich viele andere Mittel zur Verbindung der bodenseitigen Kathodenblöcke mit den metallischen Sammelschienen vorgeschlagen worden sind, werden die vorausgehend erwähnten Verfahren üblicherweise wegen ihrer Einfachheit verwendet.

Da die Kathoden-Kohleblöcke verhältnismäßig gute Wärmeleiter sind, ist es erforderlich, daß die Sammelschienen aus einem Metall bestehen, dessen Schmelzpunkt höher als die Betriebstemperatur der Zelle liegt, und aus diesem Grunde bestehen sie üblicherweise aus Stahl.

Es hat sich gezeigt, daß die tatsächliche Strombahn zwischen dem Elektrolysebad und den Kathoden-Sammelschienen eine merkliche Stromkomponente durch die geschmolzene Metallschicht in horizontaler Richtung quer zur Zelle aufweist, da die Bahn des geringsten Widerstands vom Elektrolysebad zu den Anschlußleitungen durch die Metallschicht zur Zellenseite und anschließend nach unten durch die bodenseitigen Kohleblöcke zur Sammelschiene führt. Dies führt zu einer verhältnismäßig großen Stromdichte an der Stahl-Kohlenstoff-Grenzschicht in den nahe an den Zellenseiten befindlichen Bereichen.

Eine Anordnung, bei welcher'der Strom in die Sammelschienen durch einen verhältnismäßig schmalen Bereich nahe ihren Enden eintritt, trifft auf den Einwand, daß der Spannungsabfall

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zwischen den Saitimelschienen und dem Kohlenstoff wegen der hohen Stromdichte unzulässig hoch ist. Die vorliegende Erfindung ist darauf abgestellt, indem sie die in Querrichtung fließenden horizontalen Ströme in der Metallschicht verringern will, auch den Spannungsabfall an der Stahl-Kohlenstoff-Grenzschicht zu verringern, indem die Stromdichteschwankungen an der Grenzschicht verkleinert werden. Eine gleichmäßigere Stromdichte führt auch zu einer Verringerung des Spannungsabfalls am Kathoden-Kohleblock mit entsprechender Wirtschaftlichkeit im Verbrauch elektrischer Energie.

Die Elektromagnetkräfte, die zu einer Störung der Metallschicht führen, entstehen durch die gegenseitige Einwirkung zwischen dem Strom in der Metallschicht und dem Magnetfeld. Diese Kräfte erzeugen eine Verformung der Metall-Bad-Grenzschicht, sowohl in Querrichtung als auch in Längsrichtung, während gleichzeitig Kreisbewegungen in der Metallschicht und im Bad erzeugt werden. Ungeachtet dieser Störungen muß zwischen der Anode und der Kathode ein ausreichend großer Abstand beibehalten werden, um einen direkten Kontakt zwischen der Metallschicht und der Anode zu vermeiden. Dies führt dazu, daß die Entfernung zwischen Anode und Kathode auf einem größeren Wert gehalten wird, als erforderlich wäre, falls die Metallschicht in höherem Ausmaß in einer ruhigen und ebenen Lage gehalten werden könnte. Der angestrebte verbesserte Zustand kann im Prinzip durch eine von zwei verschiedenen Möglichkeiten erreicht werden. Die übliche Möglichkeit besteht darin, die Verteilung der Magnetfelder zu verbessern, beispielsweise durch geeignete Anordnung der äußeren Leiter und/ oder einer Magnetabschirmung. Die alternative Möglichkeit, die erfindungsgemäß verwendet wird, besteht in einer Verbesserung der Stromverteilung in der Zelle. Im wesentlichen wird erfindungsgemäß die Verbesserung der Stromverteilung dadurch erzielt, daß der Stromfluß von der Metall-Elektrolysebad-

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Grenzschicht zu den Anschlußleitungen in erster Linie in vertikaler Richtung durch die Metallschicht erfolgt, wodurch sich "eine Verringerung der horizontalen Ströme in der Metallschicht in Querrichtung ergibt. Durch Verringerung der horizontalen,quergerichteten Ströme werden die Kräfte verringert, die sich durch das Zusammenwirken der Vertikalkomponente des Magnetfelds und dem quergerichteten Strom in der Metallschicht ergeben. Ferner führt die gleichmäßigere vertikale Stromverteilung zu einem Kräftefeld in der Metallschicht, die eine Verformung und Zirkulation weniger begünstigt.

Um das gewünschte Ergebnis bezüglich der Verringerung der Verformung der Metall-Bad-Grenzschicht und des Umfangs der Metallzirkulation zu erreichen, wird erfindungsgemäß der Strom von den Sammelschienen an einem von ihren Enden entfernten Bereich weggeführt.

Erfindungsgemäß wird eine Elektrolyse-Reduktionszelle für die Herstellung von Aluminium geschaffen, die einen die Kathode der Zelle bildenden Boden aufweist, sowie in der Unterseite des Bodens angeordnete Stromsammelschienen zur Abführung des Kathodenstroms,und die dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Anzahl von Verbindungsschienen für jede Sammelschiene vorgesehen sind, und jede Verbindungsschiene in einem Zwischenbereich zwischen den Enden einer Sammelschiene oder eines Sammelschienenabschnitts angeschlossen ist, wobei jede Sammelschiene einstückig ausgebildet ist oder aus einzelnen Abschnitten besteht.

Gemäß der bevorzugten Ausführungsform ist die Sammelschiene eines Kathodenblocks in eine Anzahl einzelner Abschnitte unterteilt, wovon jeder mit einer zugeordneten einzelnen Verbindungsschiene in einem von seinen Enden entfernten Bereich verbunden

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ist. In einigen Fällen ist die Sammelschiene selbst nicht in einzelne Abschnitte unterteilt, sondern ist mit zwei oder mehreren Verbindungsschienen an Bereichen verbunden, die vorzugsweise gegenüber ihrer Mitte symmetrisch liegen (aber entfernt von ihren Enden sind).

Indem die Anordnung derart getroffen ist, daß der Strom von der Sammelschiene oder von den Sammelschienenabschnitten an von ihren Enden entfernten Bereichen abgeführt wird, wird die Größe der verbleibenden Querströme in der Metallschicht erheblich verringert, wobei jegliche verbleibenden Ströme derart angeordnet wurden, daß sie örtlich einander entgegengesetzt gerichtet sind.' Die erhaltene gegenseitige Einwirkung dieser Ströme und der Vertikalkomponenten des magnetischen Felds wird entsprechend verringert und örtlich konzentriert, wodurch das Verhalten der Metallschicht bezüglich Verformung und Zirkulation verbessert wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrolyse-Reduktionszelle ist die Sammelschiene in vier einzelne Abschnitte unterteilt, von denen der Strom an der Mitte oder in der Nähe der Mitte eines jeden Abschnitts abgeführt wird. Die Widerstände der Sainmelschienen sind derart bemessen, daß vorgewählte Ströme aus jedem Sammelschienenabschnitt entnommen werden. Dies kann erreicht werden, indem entweder die Sammelschienen entsprechend bemessen werden und/oder indem äußere Widerstände eingesetzt werden.

Zur Beschreibung der Erfindung wird auf die anliegende Zeichnung bezug genommen, die einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle darstellt. Der Boden der Zelle besteht aus Kathoden-Kohleblöcken 1, die in Längsrichtung über die Zelle verteilt sind und die in üblicherweise Längsnuten aufweisen, um die SammeIschienenabschnitte

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2 aufzunehmen. Die Sammelschienenabschnitte 2 sind mit den Anschlußleitungen 3 jeweils durch Verbindungsschienen 4 und 5 verbunden. Die Verbindungsschienen 4 haben einen'kleineren Querschnitt als die Verbindungsschienen 5, damit die Stromdichte an den Sammelschienenabschnitten 2 annähernd gleich groß wird. Wie ersichtlich, sind die Verbindungsschienen 4 und 5 durch den Isolierkörper 6 zu den Mitten der jeweiligen Sammelschienenabschnitte 2 geführt. Daher strömen die Kathodenströme in jendem Sammelschienenabschnitt 2 an den Mittelpunkten gegenüberliegenden Seiten in entgegengesetzten Richtungen. Bei dieser Zellenanordnung hat der von der Anode 7 durch das Bad 8 und die Metallschicht 9 fließende Strom bei seinem Durchtritt durch die Metallschicht im Vergleich zu üblichen Zellen verhältnismäßig kleine Komponenten quer zur Zelle.

Dies hat eine Verringerung der Zirkulationsströmung in der Metallschicht zur Folge. Es ist jedoch erwünscht, daß eine gewisse gesteuerte Zirkulation erhalten wird und zu diesem Zweck ist es erwünscht, die erfindungsgemäße Zelle derart auszubilden, daß an den Sammelschienen in der Nähe der Enden der Zelle mehr oder weniger als der durchschnittliche Strom entnommen wird. Dies führt zu einer örtlichen Zirkulation in einem jeden der vier Quadranten der Zelle.Dies läßt sich am zweckmäßigsten erreichen, indem die Verbindungsschienen 4 der letzten zwei oder drei Reihen der Sammelschienen einen etwas kleineren oder größeren Widerstand haben.

Es ist offensichtlich, daß das erfindungsgemäße Prinzip in ähnlichen, gegebenenfalls einfacheren und möglicherweise weniger wirksamen Anordnungen verwirklicht werden kann. Beispielsweise wird gemäß einer alternativen Ausführungsform eine einzige Sammelschiene in Verbindung mit zwei Verbindungsschienen verwendet, die mit der Sammelschiene beider-

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seits deren Mittelpunkts verbunden sind und vorzugsweise in der Mitte zwischen dem Sammelschienenmittelpunkt und den Sammelschienenenden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden zwei Sammelschienenabschnitte verwendet und die zugehörige Verbindungsschiene ist mit jedem Abschnitt in einem Bereich verbunden, der etwas gegenüber dem Mittelpunkt des Sammelschienenabschnitts versetzt ist, und zwar vorzugsweise gegen die Mittellinie der Zelle zu.

Ein Vorteil aller in Betracht gezogener Anordnungen, zumindest aller jener Anordnungen, bei denen die Sammelschiene in der Tat in einzelne Abschnitte unterteilt ist, liegt darin, daß die Verformung und/oder Störung der Metallschicht verringert wird, so daß ein geringerer Abstand zwischen Anode und Kathode verwendet werden kann, was zu einem niedrigeren Spannungsabfall im Elektrolyten zwischen Anode und Kathode und einer erhöhten Wirtschaftlichkeit im Verbrauch der im Prozess verwendeten elektrischen Energie führt.

Ausführungsbeispiel·

Zwei entsprechend der Anordnung nach der Figur aufgebaute Kathoden wurden in einen 128 KA-Soderberg-Ofen mit vertikalen Bolzen angeordnet und unter normalen Betriebsbedingungen während einiger Monate betrieben. Während dieser Zeit wurde die Kathodenstromverteilung sowie andere Parameter gemessen und mit den durch ein mathematisches Modell vorausgesagten Ergebnissen verglichen. Abgesehen von den in der Figur dargestellten Konstruktionsmerkmalen wurde die Kathode derart ausgebildet, um ein Wärmegleichgewicht entsprechend einer üblichen Kathode aufzuweisen. Die gemessene Stromverteilung entsprach sehr gut der vorausgesagten Verteilung und zeigte eine Verringerung der Stromdichte in horizontaler Querrichtung um einen Faktor

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von 3 bis 5,abhängig vom Er'starrungsprofil, der Metalltiefe und dergleichen.

Das Stabilitätskriterium der Zellen ist die Zeit mit "Schüttelbewegung", d.h. die Anzahl der Stunden je Tag,während v/elcher SpannungsSchwankungen von mehr als 150 mV auftreten. Während der Zeit, in welcher die Messungen vorgenommen wurden, war die durchschnittliche Zeit mit "Schüttelbewegungen" der Versuchszellen um einen Faktor 8 geringer als die der Vergleichszellen. Der anfängliche Instabilitätspunkt lag näherungsweise T Volt niedriger als bei benachbarten Vergleichszellen.

Obgleich die Ergebnissse zeigen, daß die Zellenspannung unter Aufrechterhaltung eines stabilen Betriebs erheblich hätte verringert werden können, könnte dies in den bei diesem Versuch verwendeten Prüfzellen nicht ausgenützt werden, und zwar wegen der Anforderungen bezüglich des thermischen Gleichgewichts der Zelle, Diese Anforderungen schrieben vor, daß die Zelle mit der gleichen Spannung betrieben werden mußte, wie die Vergleichszellen. Jedoch wäre es bei einer neuen Kathodenanordnung möglich, die erhöhte Stabilität der Metallschicht auszunützen und somit einen geringeren Energieverbrauch zu erzielen, d.h. eine kleinere Zel3.enspannung zu verwenden.

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Claims

KOFFMAMN - JEITIJE & IMRrNKR 28 50 469 PAT K N TAN WALT K DR. JNG. E. HOFFMANN (1930-1976) . D I PL-I f C-. V/. E ITlE · D R. RER. N AT. K. H O FFMAN N · D I I'L.-I N G. W. LEH N DIPL.-ING. K. FOCHSLE · DR. RER. MAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 (STERNHAUS) . D-8000 MD N CH EN 81 ■ TELEFON (089) 911087 . TELEX 05-29619 (PATH E) 31 403 '. Alcan Res each and Development Limited, Montreal / Kanada Elektrolyse-Reduktionszelle Patentansprüche

1. Elektrolyse-Reduktionszelle für die Herstellung von Aluminium, mit einem die Zel.lenkathode bildenden Boden und mit in der Unterseite des Bodens angeordneten S amme 1-schienen zur Abführung des Kathodenstroms, gekennzeichnet durch eine Anzahl von Verbindungschienen (4) für jede Sammelschiene (2), wobei jede Verbindungsschiene jeweils an einem zwischen den Enden einer Sammelschiene oder eines Sammelschienenabschnitts gelegenen Zwischenbereich angeschlossen ist und jede Sammelschiene einstückig oder aus einzelnen Abschnitten aufgebaut ist.

2. Elektrolyse-Reduktionszelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände

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der verschiedenen Verbindungsschienen (4) unterschiedlich sind, um eine gewünschte Stromverteilung in der Zelle zu erhalten.

3. Elektrolyse-Reduktionszelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Sammelschiene (2) vier Abschnitte aufweist, und daß die Verbindungen mit den Verbindungsschienen (4) an der Mitte oder in der Nähe derselben eines jeden Abschnitts ausgeführt sind.

4. Elektrolyse-Reduktionszelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Sammelschiene aus einer einzelnen Schiene besteht und zwei Verbindungsschienen (4) mit ihr an jeweils der Mitte der Sammelschiene gegenüberliegenden Seiten verbunden sind.

5. Elektrolyse-Reduktionszelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Sammelschiene (2) zwei Abschnitte aufweist und eine zugehörige Verbindungsschiene (4) mit jedem Abschnitt an einer Stelle angeschlossen ist, die von der Mitte des Abschnitts gegen die Mittellinie der Zelle hin versetzt ist.

6. Elektrolyse-Reduktionszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsschienen (4) und/oder Sammelschienen (2) an oder in der Nähe der Zellenenden Widerstände aufweisen, die höher oder niedriger als der Durchschnittswiderstand im übrigen Schienenbereich sind.

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