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Elektrolysezelle zur Aluminiumherstelllmg durch Schmelz-
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flusselektrolyse von Aluminiumsalzen
Elektrolysezelle
zur Aluminiumherstellung durch Schmelzflusselektrolyse von Aluminiumsalzen Die Erfindung
bezieht sich auf eine Elektrolysezelle zur Aluminiumherstellung durch Schmelzflusselektrolyse
von Aluminiumsalzen.
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Die Kathode der herkömmlichen grosstechnischen Elektrolyse-Zelle für
die Aluminiumherstellung durch Schmelzflusselektrolyse von Aluminiumsalzen besteht
bekanntlich aus Kohlenstoffblöcken von gleicher elektrischer Leitfähigkeit, in die
Stahlbarren zur Ableitung des elektrischen Stroms eingegossen sind. Dar von der
Anode kommende Elektrolysestrom geht vertikal durch den Elektrolyten und tritt anschliessend
in die die Kohlenstoffkathodenblöcke bedeckende schmelzflüssige Aluminiumschicht
ein, die im Vergleich zu der. Kohlenstoffblöcken eine 23oomal bessere elektrische
Beitfähigkeit hat. Während dabei im Elektrolyten die Stromdichteverteilung nahezu
homogen und die Stromrichtung im Wesentlichen vertikal ist, sucht sich der Stromfluss
nach dem Eintritt in die sehr gut elektrisch leitende Metallschmelze den eg des
geringsten Widerstandes zu den kathodischen Sammelschienen. Daraus ergibt sich eine
Ablenkung der Stromrichtung zum Rand der Zelle hin mit einer horizontalen Stromdichte,
deren Wert örtlich sogar in der Grössenordnung der vertikalen Stromdichte sein kann
Diese von 2 all ZU Fall im Betrag variierenden horizontalen Strom dichtekomponenten
erzeugen im Zusammenwirken mit den durch die Stromzuleitungen und durch den Einfluss
von Nebenreihen entstehenden äusseren Magnetfeldern elektromotorische Kräfte in
der Metallschmelze, welche sich in mehrfacher Weise schädlich auf die Durchführung
der Elektrolyse auswirken: (1) sie verursachen einmal eine mehr oder weniger intensive
horizontale Zirkulation in der Metallschmelze, welche ihrerseits durch Erosion und
Lochfrass die Ofenhaltbarkeit verschlechtert. Die Geometrie und Intensität dieser
@irkulation verändert
sich während der betrieblichen Lebensdauer
einer einzelnen Elektrolysezelle recht beträchtlich (vgl. K. GRJOTHEIM et al., Aluminium
Electrolysis, The Chemistry of the Hall-Heroult Process, Düsseldorf 1977, 5. 338/339).
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(2) Sie verursachen Schvingungen in der Metallschmelze, welche sich
in ähnlicher Art auf die Standzeit des Elektrolyseofens auswirken.
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(3) Sie führen zu der bekannten Aufwölbung des Flüssigkeitsspiegels
in der Elektrolysezelle und erschweren dadurch eine präzise Einstellung der Anodenabstände
bzw. machen eine nachträgliche Regulierung derselben erforderlich.
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(4) Sie bewirken schliesslich eine mehr oder weniger n tensive Wellenbildung
und Zirkulationsvermischung und fördern dadurch die unerwünschte Reoxidation des
Ofenmetalls.
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Alle diese Erscheinungen verschlechtern die Stromausbeute des Elektrolyseprozesses,
was im Hinblick auf die erschwerte Energiesituation von zunehmender Bedeutung ist,
und sie verkürzen die Standzeit der einzelnen Ofenanlage und erhöhen die Kosten
für unumgängliche Unterhaltsarbeiten. Es ist deshalb seit längeren Zeit versucht
worden, diese unerwünschten horizontalen Stromdichtekomponenten betragsmäsig zu
vermindern oder völli, zu eliminieren, was von oesonderer Bedeutung beim Betrieb
und Unterhalt bestehender Ofenhallen ist, bei denen auf die äusseren Magnetfelder
nicht mehr eingewirkt werden kann, da diese durch die Geometrie der Stromzuführungen
und die Lage der verschiedenen Ofenreinen in unveränderbaren Weise vorgegeben sind.
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Dies ist einmal dadurch bewirkt worden, dass die den Anoden zugewandte
Oberfläche der Kathodenbarren entlang den Ofenlängsseiten in dem von den Aussenkanten
der Anoden und den Aussenkanten der Kathodenblöcke begrenzten Bereich mit einer
Schicht aus einem elektrisch nichtleitenden Material bedeckt wird. Liese Kathodenisolierung
zwingt den Elektrolysestrom, senkrecht durch die kathodiesen
Kohlenstoffblöcke
zu gehen und vermindert daher an den betreffenden Stellen die Auslenkung des Stromes
und damit den Betrag der horizontalen Stromdichtekomponenten (DE-AS 23 18 599).
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Eine ähnliche Wirkung ist dadurch erzielt worden, dass die Kathodenbarren
mit alternierenden Stüchen aus leitendem und nicht leitendem Material überdeckt
worden sind, @obei die Länge der Stücke und damit der Anteil des isolierenden Naterials
gegen die Ränder der Ofenlängsseiten zu vergrössert und dadurch wiederum die horizontalen
Stromdichtekomponenten in diesen Bereichen verkleinert werden (DE-OS 26 24 171).
Da diese Methoden jeweils alle vorhandenen Kathodenbarren und damit die gesamte
Längenausdehnung einer gegebenen Elektrolysezelle einbeziehen, weisen sie indessen
den Nach teil auf, zu verhältnismässig grossen Verlusten der Kathodenspannung und
damit zu einem insgesamt schlechteren spezifischen Energie verbrauch zu führen,
was angesichts der angespannten Energiesituation von erheblicher Bedeutung ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand unter diesen Umständen
darin, die schädlichen elektromagnetischen Effekte in einer Elektrolysezelle (Zirkulation,
Aufwölbung, Schwingungen des Ofenmetalls) dadurch zu vermindern, dass die horiontalen
Strom dichtekomponenten im Ofenmetall und dadurch die in diesem wirkenden elektromagnetischen
Kräfte reduziert werden, unter gleichzeitiger Verminderung der kathodischen Spannungsverluste
und damit der Energieverluste im Vergleich zu den i dargestellten Stand der Technik
auftretenden Verlusten.
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Diese Aufgabe wird durch eine Elektrolysezelle gelöst, welche dadurch
gekennzeichnet ist, dass (a) lediglich ein Bruchteil aller in der Zelle vorhandenen
Kathodenbarren (b) selektiv in denjenigen Bereichen der Kohlenstoffkathode isoliert
ist, (c) iiber denen in vertikaler Richtung die vertikale Komponente der magnetischen
Feldstärke in der Metallschmelze (17) im Vergleich zu derjenigen in der Umgebung
dieser Bereiche hoch ist.
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Vorzugsweise wird dies durch Isolieren der Kathodenbarren in denwenigen
Quadranten des Grundrisses der Elektrolysezelle erreicht, welche einer örtlichen
Häufung von Stromleitungen benachbart sind, welche vertikale Magnetfeldkomponenten
gleicher Richtung hervorrufen. Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung umfassen diese zu isolierenden Bereiche der Kathodenbarren zwei axialsymmetrisch
zu der Hauptstromrichtung in der betreffenden Reihe von Elektrolysezellen angeordnete
Quadranten des Grundrisses der Elektrolysezelle. Dabei können diese beiden Quadranten
äe nach den Verhältnissen des Einzelfalles entweder in der vorderen oder in der
hinteren Hälfte des Grundrisses der einzelnen Elektrolysezelle, gesehen in dieser
Hauptstromrichtung, liegen.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung grenzen
die derart isolierten Bereiche der Kathodenbarren unmittelbar an die Ecken des Grundrisses
der einzelnen Elektrolysezelle.
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Dieser Lösung liegt die Ueberlegung zugrunde, dass es für eine Verminderung
der Spannungsverluste unter gleichzeitiger AuSrechterhaltung der Einwirkung auf
die horizontalen Stromdichtekomponenten am günstigsten erscheint, diese letzteren
und damit die ponderomotorischen Kräfte im Ofenmetall in jenen Bereichen gezielt
zu vermindern, in denen die vertikale Komponente der magnetischen Feldstärke i im
Vergleich zu anderen Bereichen verhältnismässig gross ist. Da die ponderomotorischen
Kräfte K durch das Vektorprodukt K = A. X x H gegeben sind, wobei A einen Proportionalitätsfaktor
darstellt, in den unter anderem auch die magnetische Permeabilität u eingeht, muss
an diesen Stellen die gleiche Verminderung der horizontalen Stromdichtekomponente
dj eine grössere Reduktion der ponderomotorischen Kraft dK erzeugen, als an Stellen,
an denen der herrschende Wert der magnetischen Feldstärke H und damit der Kraft
K kleiner ist. Die geometrische Anordnung dieser Bereiche mit den höchsten vertikalen
Komponenten von H hängt im wesentlichen von der Geometrie der Stromzu- und -ableitungen
sowie der Lage der Nebenreihen innerhalb einer gegebenen Ofenhalle ab. Wo sich Stromleitungen
gleicher Richtung lokal häufen, herrschen in der Regel in den benachbarten Bereichen
der Netallschmelze höhere magnetische Feldstärken als in anderen Bereichen und es
erscheint daher
generell als günstiger, in der Nachbarschaft derartiger
lokaler Häufungen von Btromleitungen zu isolieren. Im Einzelfall können diese Bereiche
hoher magnetischer Feldstärken H auf Grund der im Rahmen einer bestehenden Ofenhalle
vorgegebenen und unveränderlichen Geometrie der Stromleitungen leicht berechnet
werden und dadurch die zu isolierenden Bereiche des Grundrisses der Elektrolysezellen
festgelegt werden.
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Gegenüber dem im Stand der Technik verwendeten Vorgehen einer Isolierung
aller Kathodenbarren einer Elektrolysezelle gestattet die vorliegende Erfindung,
den kathodischen Spannungsabfall 3e nach den Umständen des Einzelfalles um 50 bis
loo mV zu erniedrigen und den gesamten Energieverbrauch des Elektrolyse= vorganges
um rund 1 bis 2 ß zu senken, was einer Einsparung von rund o.2 kWh elektrischer
Energie pro Kilogramm erzeugtes Rohaluminium entspricht. Hinsichtlich der Ausschaltung
der schädlichen elektromagnetischen Effekte ist die erfindungsgemässe Anordnung
der im dargestellten Stand der Technik offenbarten vollkommen gleichwertig, führt
also namentlich zu einer gleichwertigen Verminderung der mechanischen Schäden an
den Ofenwänden und zu einer entsprechenden Verlängerung der Standzeit der einzelnen
Oefen. Gegenüber denjenigen Vorrichtungen, @elche dieselben Wirkungen durch Beeinflussung
der äusseren Magnetfelder anstreben, weist die erfindungsgemässe Methode den Vorteil
auf, keine wesentliche Veränderung einer vorgegebenen Konstruktion der Kathodenbarrenanordnung
und der Stromzuführungen zu erfordern, Zum besseren Verständnis ist die Erfindung
in verschiedenen Ausführungsformen in den Figuren 1 bis 6 beispielhaft dargestellt.
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Dabei stellen dar Fig. 1 und 2 scatische Draufsichten auf eine Linie
längsgestellter Elektrolysezellen mit im einzelnen variierenden Bereichen der Eathodenbarrenanordnung;
Fig. 3 und 4 schematische Draufsichten auf eine Linie quergestellter Elektrolysezellen;
Fig. 5 einen Querschnitt durch eine einzelne Elektrolysezelle, und
Fig.
6 einen Schnitt durch eine solche Zelle gemäss Linie VI-VI in Figur 5.
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In der Ausführungsform der Erfindung nach Figur 1 sind die einzelnen
Elektrolysezellen (1) mit ihren Stirnseiten aneinandergereiht und bilden eine Linie
sog. längsgestellter Oefen. Der Strom wird durch den anodischen Strombalken (2)
zugeleitet und verlässt die Elektrolysezelle durch die aus Metall gefertigten Kathodenbarren
(3), welche in die den gesamten Boden der Zelle bildenden Blöcke der Kohlenstoffkathods
eingebettet sind. Die Kathodenbarren (3) aus jeweils einem Drittel der gesamten
Kathodenfläche werden in kathodischen Stromsammelschienen (4), (5) bzw. (6) zusammengefasst,
welche jeweils beidseits der Längsseiten der Elektrolysezellen (1) angeordnet sind.
Diese Stromsammelschienen führen zum anodischen Strombalken (2) der nächsten Elektrolysezelle,
wobei die Schienen (4) und (5).mit der vorderen, die Schiene (6) mit der hinteren
Hälfte dieses Strombalkens(jeweils gesehen in der Hauptstromrichtung der betreffenden
Reihe von Elektrolysezellen) verbunden sind.
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Entsprechend der lokalen Häutung von Stromleitungen gleicher Richtung
an der Peripherie der hinteren Hälfte des Grundrisses der Elektrolysezelle treten
in dieser Anordnung die grössten vertikalen Komponenten der magnetisch-en Feldstärke
H im Ofenmetall in den beiden hinteren Quadranten des Grundrisses dieser Elektrolysezelle
auf, jeweils gesehen in der in den Figuren mit J und einem Pfeil bezeichneten Hauptstromrichtung
in der betreffenden Reihe von Elektrolysezellen. Bei einer anderen Anordnung der
Stromleitungen und der verschiedenen Reihen von Elektrolysezellen in einer Ofenhalle
können diese Bereiche grösster magnetischer Feldstärken selbstverständlich auch
in anderen Quadranten des Grundrisses der einzelnen Elektrolysezelle liegen.
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In diesen Bereichen grösster vertikaler Komponenten der magnetischen
Feldstärke im Ofenmetall sind die mechanischen Schäden der Ofenwände am häufigsten
und am schwerwiegendsten. Deshalb werden die Kathodenbarren (3) in diesen Bereichen
gezielt von den
sie umgebenden Kohlenstoffblöcken der Kathode isoliert
und dadurch in den in Figur 1 mit einem Punktraster angedeuteten Bereichen (9) eine
lokale Verminderung der horizontalen Stromdichtekomponenten und damit der elektromotorischen
Kräfte im Ofenmetall erzielt. Die auf Grund dieser Ueberlegungen zu isolierenden
Bereiche der Kathodenbarren liegen dementsprechend in zwei axialsymmetrisch angeordneten
Quadranten des Grundrisses der Elektrolysezelle, wobei nach einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung die äusseren Grenzen dieser Bereiche mit den seitlichen Begrenzungen
der Elektrolysezelle zusammenfallen.
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Je nach den Verhältnissen des Einzelfalles können die zu isolierenden
Bereiche einen verschiedenartig geformten Grundriss aufweisen. In der besonderen
Ausführungsform der Erfindung nach Figur 1 können sie zwei jeweils an den Ecken
des Grundrisses der Elektrolysezelle liegende Rechtecke umfassen, deren längere
Seite nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beispielsweise
die Hälfte der längeren Seite der Zelle, und deren kürzere Seite ein Sechstel der
kürzeren Seite derselben betragen kann. Nach der weiteren Ausführungsform der Erfindung
in Figur 2 weisen die isolierten Bereiche einen Grundriss in der Form zweier axialsymmetrisch
angeordneter Fünfecke auf, wobei nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung jeweils zwei Seiten dieser Fünfecke mit den seitlichen Begrenzungen
der Elektrolysezelle zusammenfallen. Die längste Seite dieser Fünfecke kann nach
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung beispielsweise einen Drittel der längeren
Seite des Grundrisses der Elektrolysezelle betragen. Schliesslich können die zu
isolierenden Bereiche auch einen Grundriss in der Form zweier axialsymmetrisch angeordneter,
rechtwinkliger Dreiecke aufweisen, deren Katheten nach einer weiteren besonderen
Ausführungsform der Erfindung parallel zu den seitlichen Begrenzungen der Elektrolysezelle
verlaufen bzw. mit diesen zusammenfallen. Je nach den magnetischen Feldverhältnissen,
die im Einzelfall in einer Elektrolysezelle herrschen, können selbstverständlich
auch
andere geometrische Anordnungen für den Grundriss der zu isolierenden Bereiche der
Kathodenbarren verwendet werden. Diese können namentlich auch in axialsymmetrischer
Anordnung in den beiden vorne liegenden Quadranten der Elektrolysezelle (jeweils
gesehen in der in den Figuren mit J und einem Pfeil bezeichneten Eauptstromrichtung
der betreffenden Reihe von Elektrolysezellen) angeordnet werden, falls in deren
Nachbarschaft eine lokale Häufung von Stromleitungen gleicher Richtung auftritt.
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In der Ausführungsform der Erfindung nach den Figuren 3 und 4 sind
die einzelnen Elektrolysezellen (1) mit ihrer Längsseite aneinandergereiht und bilden
dadurch eine Linie sog. quergestellter Oefen. Auch in dieser Anordnung wird der
Elektrolysestrom durch anodische Strombalken (2) zugeleitet und verlässt die Elektrolysezelle
über ein System von Kathodenbarren (3).
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Diese werden in den beiden Sammelschienen (7) und (8) zusammengefasst,und
der Strom von diesen dem anodischen Strombalken (2) der nächsten Zelle zugeleitet.
Auch in dieser Anordnung befinden sich die Bereiche mit den grössten vertikalen
Komponenten der magnetischen Feldstärke in unmittelbarer Nachbarschaft derjenigen
Bereiche, in denen Stromleitungen mit gleicher Richtung lokal gehäuse auftreten.
In den besonderen Ausführungsformen der Erfindung nach den Figuren 3 und 4 sind
dies die beiden axialsymmetrisch angeordneten Quadranten des Grundrisses der Elektrolysezelle
in der vorderen Hälfte (gesehen in der in den Figuren mit J und einem Pfeil bezeichneten
Hauptstromrichtung der betreffenden Reihe von Elektrolysezellen) dieser Zelle.
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Bei anderer Anordnung der Stromzuführungen können diese Bereiche selbstverständlich
auch in den hinteren Quadranten des Grundrisses einer Elektrolysezelle (wiederum
gesehen in der entsprechenden Hauptstromrichtung) liegen. An diesen Stellen grösster
magnetischer Feldstärke (9), welche in den Figuren 3 und 4 mit einem Punktraster
bezeichnet sind, werden die Kathodenbarren gezielt isoliert und dadurch die elektromotorischen
Kräfte durch eine Verminderung der horizontalen Stromdichtekomponente gezielt reduziert.
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Wiederum kann der Grundriss der zu isolierenden Bereiche (9) des Grundrisses
der Elektrolysezelle im einzelnen verschiedenartige geometrische Formen annehmen.
In der Ausführungsform nach Figur 3 besteht er aus einem einzigen Rechteck, welches
beide vorderen Quadranten der Elektrolysezelle umfasst, unmittelbar an die seitliche
Begrenzung derselben angrenzt und eine Breite entsprechend einem Sechstel der kürzeren
Seite derselben aufweist. Die besondere Ausfuhrungsform der Erfindung nach Figur
4 verwendet zwei axialsymmetrisch angeordnete Fünfecke, welche in den vorderen Eckpartien
der Zelle angeordnet sind und eine längste Ausdehnung von einem Drittel der Längsseite
der Zelle sowie eine Breite von einem Sechstel der Breitseite der Zelle aufweisen.
Weitere- Variationsmöglichkeiten bietet eine axialsymmetrische Anordnung zweier
rechtwinkliger Dreiecke, deren Katheten mit den zeitlichen Begrenzungen der Zelle
in deren Eckpartien zusammenfallen, doch können im Einzelfall auch andere geometrische
Anordnungen der isolierten Bereiche zweckmässige Ausführungsformen der Erfindung
ergeben.
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Die Anordnung dieser isolierten Bereiche der Kathodenbarren ist im
einzelnen aus den Figuren 5 und 6 ersichtlich, welche zwei Schnitte durch eine einzelne
Elektrolysezelle darstellen. Die Elektrolyse läuft dabei in einer Stahlwanne (11)
ab, und der Anodenstrom wird über den anodischen Strombalken (13) und die Stahlspaten
(14) den Kohlenstoffanoden (12) zugeführt und tritt von diesen in den Elektrolyten
über. Unterhalb der abdeckenden und kontinuierlich oder chargenweise eingebrachten
Aluminiumoxidschicht (15) befindet sich der geschmolzene Elektrolyt (16) und darunter
die schmelzflüssige Aluminiumschicht (17), welche von einer zur Kruste erstarrten
Schmelze (18) umgeben ist, deren Schichtdicke und geometrische Form sich aus dem
thermischen Gleichgewicht der Elektrolysezelle ergibt. Der Elektrolysestrom verlässt
das flüssige Aluminium durch die Kohlenstoffkathode (21) und die darin eingebetteten
metallischen Kathodenbarren (22) und gelangt anschliessend über die Stromsammelschienen
(23) in die nächste Elektrolysezelle. Boden (24) und Wände (25) der Zelle sind aus
einem thermisch und elektrisch isolierenden Werkstoff gefertigt.
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Die Kathodenbarren (22) sind in der geschilderten Weise in den Bereichen
(26), über denen die grössten vertikalen Komponenten der magnetischen Feldstärke
in der Metallschmelze herrschen, mit einem geeigneten Werkstoff isoliert. Diese
Isolierung kann beispielsweise zumindest teilweise aus Asbestschnüren oder -kordeln
geeigneter Qualität bestehen, welche, wie in Figur 5 angedeutet, um die Kathodenbarren
(22) gewickelt werden. Daran anschliessend werden diese in entsprechende Ausnehmungen
der Kohlenstoffblöcke der Kathoden (21) eingelegt, und die Fugen zwischen den verschiedenen
Werkstoffen mit einem geeigneten Bindemittel ausgegossen.
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Angesichts der Tatsache, dass die grössten horizontalen Stromdichtekomponenten
sich innerhalb der zu isolierenden Bereiche (26) an den Rändern der Elektrolysezelle
befinden, kann die Schichtdicke der Isolation nach einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung gegen die Ränder der Elektrolysezelle hin kontinuierlich vergrössert
werden. Am einfachsten kann dies beispielsweise dadurch geschehen, dass die verwendeten
Schnüre bzw. Kordeln in Richtung zu den Zellenrändern mit zunehmender Windungszahl
pro Längeneinheit des Kathodenbarrens (22) um denselben gewickelt werden. Selbstverständlich
kann diese kontinuierliche Erhöhung der Schichtdicke der Isolation auch durch andere
geeignete Massnahmen erzielt werden. Besteht die Isolation in einer Beschichtung
des Kathodenbarrens (22) mit einem geeigneten Material, so kann beispielsweise die
Anzahl der aufgetragenen Schichten dieses Materials gegen die Ränder der Elektrolysezelle
kontinuierlich erhöht werden.
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In der in den Figuren 5 und 6 dargestellten Ausführungsform der Erfindung
wurde jeweils etwa ein Sechstel der gesamten Breitseite der Elektrolysezelle entsprechend
etwa einem Drittel der Länge der einzelnen Kathodenbarren isoliert. Dies entspricht
rund einem Sechstel, bzw. nach der in den Figuren 2 und 4 dargestellten Ausführungsform
der Erfindung rund einem
Zwölftel der gesamten Fläche des Grundrisses
der Elektrolysezelle. Mit einer derartigen Anordnung konnten gegenüber der im Stand
der Technik verwendeten Methode rund 1 bis 2 % der gesamten Energiekosten, entsprechend
etwa o.2 kWh elektrischer Energie pro Kilogramm erzeugtes Rohaluminium eingespart
werden, ohne dass durch diese Massnahme die Einwirkung auf die schädlichen elektromagnetischen
Effekte, die Erhöhung der Standzeit der Zellen und die Senkung der Unterhaltskosten
derselben in irgendeiner Weise beeinträchtigt wurde.