DE2948104A1 - Elektrolysewanne - Google Patents
ElektrolysewanneInfo
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- C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
- C25C3/08—Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes
Description
SCHWEIZERISCHE ALUMINIUM AG, 3965 Chippis
17. Oktober 1979 FPRS-WP/Ri -1373-
1 30018/0580
29481
Die Erfindung betrifft eine Elektrolysewanne, insbesondere für die Herstellung von Alumnium durch Schmelzflusselektrolyse,
mit einer im wesentlichen aus Kohlenstoff od. dgl. bestehenden Seitenwandauskleidung und einer Anordnung von Kathodenblöcken,
wobei gegebenenfalls zwischen Wandauskleidung und Kathodenblökken eine Einstampfmasse eingelagert ist, sowie die Wanne umfangenden
Verstärkungselementen.
Die Herstellung von Aluminium nach dem HALL-HEROULT-Verfahren mittels Elektrolyse von Aluminiumoxid wird im grosstechnischen
Massstab in verschiedenartigen Elektrolysezellen durchgeführt, welche sich vornehmlich durch die Konstruktion ihrer Elektroden
unterscheiden. Gemeinsam ist den meisten Zellenkonstruktionen eine metallische Wanne, deren Seitenwände mit Kohlerandblöcken
von im einzelnen variierender Form ausgekleidet sind und in welcher Kathodenblöcke für den Elektrolysevorgang ruhen.
Da die Elektrolyse in einem Temperaturbereich von ca. 1000 C
durchgeführt wird, dehnt sich die Kathode zum Teil erheblich aus. Die Kohlerandblöcke folgen dieser thermischen Ausdehnung,
was zu Fugen zwischen Wanne und Kohlerandblöcken und zu Rissen im Material der Kohlerandblöcke führt. Durch diese Risse tritt
Aluminium u.a. in die Fuge, was zu vermehrten Reparaturen, vorzeitiger Unbrauchbarkeit und damit einer Herabsetzung der Standzeiten
der Kohlestoffkathoden bzw. der Elektrolysewannen führt.
Zudem hat es sich gezeigt, dass die zwischen Kohlerandblöcken und Kathodenblöcken in der Regel angeordnete Einstampfmasse
beim Anfahren der Elektrolysezelle schrumpft und eine zusätzliche Rissbildung bewirkt.
Um diese Nachteile zu verhindern, ist versucht worden, der Ausdehnung
der Wanne durch einfache mechanische Verstärkungen entgegen zu wirken. So sind beispielsweise an den Seitenwänden der
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. Profile festWanne verschiedenartige metallische Leisten bzw. gelegt worden. Die praktische Erfahrung hat indessen gezeigt,
dass derartige Verstärkungen der Wannenwände in der Regel die Bildung der geschilderten Spannungsrisse nicht wesentlich einzuschränken
vermögen.
Zum einen wiesen entweder die Verstärkungsleisten nach kurzer Zeit teilweise die gleiche Temperatur auf wie die Wanne und
dehnten sich dementsprechend mit oder aber sie bildeten eine starre Umklammerung der Wanne, wobei sich diese an den nichtverstärkten
Wandteilen besonders ausweiteten.
Der Erfinder hat sich zum Ziel gesetzt, eine Elektrolysewanne so zu verformen bzw. mit Versteifungen zu belegen, dass diese
Nachteile nicht auftreten und insbesondere eine Elastizität der Wannenausdehnung ohne Schaden für die Einlagen erhalten bleibt.
Zur Lösung dieser Aufgabe führt eine Elektrolysewanne der obengenannten
Art, bei der die an die Seitenwände der Wanne angelegten Verstärkungen als den thermischen Ausdehnungsdruck der
Wanne elastisch begrenzenden Versteifungselemente ausgebildet und mittels Befestigungsvorrichtungen bewegbar angeordnet sind.
Vorzugsweise haben die Versteifungselemente - im folgenden als
Thermofedern bezeichnet - die Form von Hohlprofilen, bei denen
sich gezeigt hat, dass die der Wanne anliegenden Seitenkante sich mit der Wanne erwärmt, die der Wanne entfernt liegende
Kante dagegen eine um 100 - 200 C tiefere Temperatur aufweist.
Zur weiteren Verbesserung der Wirkungsweise zeigen die Hohlprofile
längsseitige Oeffnungen, welche die Wärmeleitung zwischen der Innen- und Aussenseite der Thermofeder hemmen und durch
Luftzirkulation zusätzlich die Temperaturdifferenz unterstützen.
Diese Temperaturdifferenz im Hohlprofil führt zu einer unterschiedlichen
Längendilatation im thermischen Gleichgewichtszustand der Elektrolysewanne, wobei diese unterschiedliche
thermische Ausdehnung ihrerseits eine Durchbiegung des ganzen
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enwand an
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Profils in Richtung der inneren, an der heissen Wannenwan liegenden Seite bewirkt.
Die Durchbiegung lässt sich noch dadurch erhöhen, dass die beiden Hälften des Hohlprofils in der Art eines Birnetailstreifens
aus zwei verschiedenen Werkstoffen mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hergestellt werden derart,
dass die nach innen gerichtete Seite des Profils den höheren, die nach aussen gerichtete Seite den niedrigeren Ausdehnungskoeffizienten
aufweist. Da das Hohlprofil indessen formschlüssig an der Seitenwand der Wanne verankert ist, überträgt sich
die Biegung des Profils auf die Seitenwand der Wanne und übt auf diese eine in das Innere der Elektrolysewanne gerichtete
Kraft aus, welche den von dem dilatierenden Zelleninhalt auf die Wannenwände ausgeübten Kräften elastisch entgegen wirkt.
Bei geeigneter Einstellung des thermischen Gleichgewichts in der Elektrolysewanne und entsprechender Dimensionierung und
Auswahl des Werkstoffes für das Hohlprofil, weisen diese entgegengesetzten
Kräfte gleiche Beträge auf, kompensieren sich daher gegenseitig und eine ungleiche Deformation der Seitenwände
der Wanne mit ihren unerwünschten Nebenwirkungen wird vermindert oder bleibt völlig aus.
Zur Erreichung der Nachgiebigkeit ist die Thermofeder mittels
Befestigungselementen an der Seitenwand festgelegt, die eine
Ausdehnung der Wannenwand trotz angebrachter Thermofeder zulassen. Hierzu können z.B. die Thermofedern mittels in Langlöchern
verschiebbaren Schrauben oder Gleitschienen an den Seitenwänden festgelegt sein.
Als weiteres Beispiel wird die Befestigung mittels an benachbarten
Längskanten der Thermofeder angeformten flügelartigen Absätzen genannt, welche in an den Seitenwänden der Wanne festgelegte
Gleitschienen nut- und federartig eingreifen.
Diese Arten der Verankerung der Hohlprofile gewährleisten nicht nur die Uebertragung der aus der Durchbiegung derselben im heissen
Zustand resultierenden Kräfte auf die Wannenwand, sondern
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auch eine einfache Montage und Demontage der gesamten Vorrich
Vorzugsweise sind die Thermofedern aus Spannungsgründen oberhalb
von zu den Kathodenblöcken führenden Kathodenbarren angeordnet.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt in einer Verhinderung der Auswölbung der Wannenwand.
Die Durchbiegung der Wannenwände ist bei Kathoden ohne Thermofeder
in der Mitte am grössten. Die thermischen Dilatationskräfte der Kathodenblöcke in den Eckbereichen drücken die Wanne
nach aussen, was dazu führen kann, dass die Wannenauskleidung
gegen die Mitte der Seitenwand überhaupt keinen Druck mehr gegen die Seitenwände ausübt.
nach aussen, was dazu führen kann, dass die Wannenauskleidung
gegen die Mitte der Seitenwand überhaupt keinen Druck mehr gegen die Seitenwände ausübt.
Die Thermofeder wirkt der Durchbiegung der Seitenwände in zweierlei
Wirkung entgegen:
a) durch die dimensionierbare Verstärkung der Wände
b) durch die nach innen wirkende Durchbiegung der Thermofeder wegen der Seiten-Temperaturdifferenz an der
Thermofeder selbst
Thermofeder selbst
und verhindert somit die Entstehung von Rissbildungen in der
Kathodenauskleidung.
Kathodenauskleidung.
Zur Verbesserung und Steuerung der Ausdehnung sind vorzugsweise im Boden der Wanne zusätzlich eine oder mehrere Ausdehnungsschienen angeordnet, vorteilhafterweise in Form einer falzartigen
Aufwölbung, welche die Entwicklung einer zu hohen Zugspannung zwischen Wannenwand und -boden unterlaufen.
Diese Ausdehnungsschienen können beliebig am bzw. in dem Boden angeordnet sein, je nach Wannenform bzw. fertigungstechnischen
Bedürfnissen.
Ebenso sind vorzugsweise die Eckenbereiche nach aussen gewölbt und verstärkt ausgebildet, um auch hier bei der gleichmässigen
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Wandausdehnung keine zu hohen Zugspannungen auftreten zu lassen. Die Praxis hat gezeigt, dass eine Auswölbung in den Eckenbereichen
mit einem Verhältnis von Auswölbung zu Länge der Seitenwände der Wanne im Bereich von 1 : 3 bis 1 : 10 am günstigsten
erscheint.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in
Fig.l: einen schematisierten Querschnitt durch eine Elektrolysezelle;
Fig.2: eine Draufsicht auf eine Elektrolysezelle, geschnitten
nach Linie II-II in Fig. 1;
Fig.3: ein vergrössertes Detail aus einem Querschnitt durch
eine Elektrolysezelle;
Fig.4: eine perspektivische Seitenansicht einer Thermofedex;
Eine Elektrolysezelle A besteht gemäss Fig. 1 aus einer metallischen,
zumeist aus kohlenstoffarmem Stahl gefertigten und einen rechteckigen Grundriss aufweisenden Wanne 1, welche am
Boden mit Isoliermaterial 3 und an den Seitenwänden mit Kohlerandblöcken 2 ausgekleidet ist.
Durch die Seitenwände der Stahlwanne 1 sind Kathodenbarren 4 geführt, welche auf dem Isoliermaterial 3 lagern. Auf den
Kathodenbarren 4 liegen Kathodenblöcke 5 auf. Gegebenenfalls ist ein möglicher Zwischenraum zwischen den Kathodenblöcken 5
und den Kohlerandblöcken 2 mit einer Einstampfmasse 14 aufgefüllt.
Anoden 6 tauchen in den aus schmelzflüssigen Aluminiumsalzen
und Flussmittel bestehenden Elektrolyten 7 ein, der gegen die Seitenwände der Wanne und nach oben von einer erstarrten Kruste
8 abgegrenzt ist. Auf der Kruste 8 liegt Tonerde 9 auf.
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·3· 29Λ810Α
Zwischen dem Elektrolyten 7 und den Kathodenblöcken 5 sammelt sich ausgeschiedenes schmelzflüssiges Elektrolysemetall »,10 .
Der Boden der Wanne 1 weist eine oder mehrere Ausdehnungsschiene/n
11 mit einer falzartigen Form auf, welche sich in der Regel über die gesamte Länge und/oder Breite des Wannenbodens
erstrecken können.
Der Grundriss der im Boden der Wanne 1 verlaufenden Ausdehnungsschiene
11 kann verschiedenartige Formen aufweisen, von denen das in Fig.2 dargestellte Doppel-Y lediglich ein Beispiel
zeigt. Die Auswahl zwischen verschiedenen Formen ist im Einzelfall anhand der zu erwartenden thermischen Dilatation des
Zelleninhaltes oder auf Grund von fertigungstechnischen Kriterien zu treffen.
Die Ecken 18 der Wanne 1 sind gemäss Fig.2 nach aussen gewölbt
und vorzugsweise verstärkt ausgebildet. Sie weisen einen Grundriss in der Form eines Kreis- oder Kurvensegments auf, wobei
es sich in betrieblichen Versuchsreihen gezeigt hat, dass das zweckmässige Verhältnis zwischen der Länge aller vier Auswölbungen
und der Länge der Seitenwände der Wanne in einem Bereich von 1 : 3 bis 1 : 10 liegt. Dilatiert der heisse Inhalt der
Elektrolysezelle und übt daher entsprechende aus dem Zelleninnern nach aussen gerichtete Kräfte auf die Seitenwände der Wanne
1 aus, so ermöglichen die Auswölbungen eine elastische Verformung der Eckenpartien, ohne dass zu hohe Zugspannungen auftreten.
Die Seitenwände der Stahlwanne 1 sind von Thermofedern 12 eingerahmt,
welche an der Wanne 1 angebracht, bzw. mittels Befestigungselementen 13 (Fig.3) mit ihr verbunden sind. Vorzugsweise
erfolgt die Anbringung der Thermofedern 12 an der Stahlwanne 1 oberhalb der Barrenfenster 15 der Kathodenbarren 4.
Eine Thermofeder 12 besteht gemäss Fig. 4 vorzugsweise aus einem
Hohlkastenprofil mit Oeffnungen 16 in Ober- und Unterseite, welche u.a. auch eine Luftzirkulation ermöglichen.
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Die Befestigung der Thermofedern 12 an der Stahlwanne 1 erfolgt
z.B. mittels Gleitschienen oder Schrauben. In letzterem Fall weist die der Stahlwanne 1 zugekehrte Seite der Thermofeder
Schlitze 17 auf, welche ein Verschieben der Befestigungselemente 13 ermöglichen.
Bei der Befestigungsart mittels Gleitschienen 13a (in Fig. 3 angedeutet) sind an zwei benachbarten Längskanten der Thermofeder
12 flügelartige Absätze angeformt, die nut- und federartig in Gleitschienen 13a eingreifen.
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Claims (12)
1. Elektrolysewanne, insbesondere für die Herstellung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse, mit einer im wesentlichen
aus Kohlenstoff oder dgl. bestehenden Seitenwandauskleidung und einer Anordnung von Kathodenblöcken,
wobei gegebenenfalls zwischen Wandauskleidung und Kathodenblöcke eine Einstampfmasse eingelagert ist, sowie die
Wanne umfangenden Verstärkungselementen, dadurch gekennzeichnet,
dass die an die Seitenwände der Wanne (1) angelegten Verstärkungen
als den thermischen Ausdehnungsdruck der Wanne elastisch begrenzende Versteifungselemente (12) ausgebildet
und mittels Befestigungsvorrichtungen (13) bewegbar angeordnet sind.
2. Elektrolysewanne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungselemente (12) als Hohlprofile zu sogenannten
Thermofedern ausgebildet sind.
3. Elektrolysewanne nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die als Hohlprofile ausgebildeten Thermofedern (12) längsseitige Oeffnungen (16) aufweisen.
4. Elektrolysewanne nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermofedern (12) mittels
in Langlöchern (17) verschiebbaren Schrauben oder Gleitschienen an den Seitenwänden der Wanne (1) bewegbar
festgelegt sind.
5. Elektrolysewanne nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermofedern (12) mittels
an benachbarten Längskanten angeformten flügelartigen Absätzen, welche in an den Seitenwänden der Wanne (1) festgelegte
Gleitschienen nut- und federartig eingreifen, bewegbar befestigt sind.
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6. Elektrolysewanne nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermofedern (12)
oberhalb von zu den Kathodenblöcken führenden Kathodenbarren (4) angeordnet sind.
7. Elektrolysewanne nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis
6, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermofedern (12) aus zwei verschiedenen Werkstoffen mit unterschiedlichen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten bestehen, wobei die der Wannenwand anliegenden Seite den grösseren, die gegenüberliegende
Seite den kleineren Ausdehnungskoeffizienten aufweist.
8. Elektrolysewanne nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis
7, dadurch gekennzeichnet, dass im Boden der Wanne (1) zumindest eine Ausdehnungsschiene (11) angeordnet ist.
9. Elektrolysewanne nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
dass die Ausdehnungsschiene (11) eine falzartige Aufwölbung aufweist.
10. Elektrolysewanne nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ecken (18) der Wanne
(1) nach aussen aufgewölbt sind.
11. Elektrolysewanne nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ecken (18) der Wanne (1) im Bereich der Aufwölbung
verstärkt ausgebildet sind.
12. Elektrolysezelle nach wenigstens einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Grundriss
die Länge aller vier Auswölbungen der Ecken (18) zu der Länge der Seitenwände der Wanne (1) wie 1 : 3 bis 1 : 10
verhält.
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