DE2948104C2 - Elektrolysewanne - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysewanne, insbesondere für die Herstellung von Aluminium durch Schmelzflußelektrolyse, mit einer im wesentlichen aus Kohlenstoff od. dgl. bestehenden Seitenwandauskleidung und einer Anordnung von Kathodenblöcken, wobei gegebenenfalls zwischen Wandauskleidung und Kathodenblöcken eine Einstampfmasse eingelagert ist, sowie die Wanne umfangenden Verstärkungselementen.

Die Herstellung von Aluminium nach dem HALL-HI EROULT-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^cC 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 Rißbil-

•10 dung 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 Wanne verschiedenartige metallische Leisten bzw. Profile festgelegt 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 üegende Kante dagegen eine um 100—200⁰C tiefere Temperatur aufweist.

Zur weiteren Verbesserung der Wirkungsweise zeigen die Hohlprofile längsseitige öffnungen, 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 Profils in Richtung der inneren, an der heißen Wannenwand anliegenden Seite bewirkt.

Die Durchbiegung läßt sich noch dadurch erhöhen, daß die beiden HäJflen des Hohlprofils in der Art eines Bimetallstreifens 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 Übertragung der aus der Durchbiegung derselben im heißen Zustand resultierenden Kräfte auf die Wannenwand, sondern auch eine einfache Montage und Demontage der gesamten Vorrichtung.

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

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 ίο Thermofeder wegen der Seiten-Temperaturdifferenz an der Thermofeder selbst

und verhindert somit die Entstehung von Rißbildungen in der 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 Wabenform bzw. fertigungstechnischen Bedürfnissen.

Ebenso sind vorzugsweise die Eckenbereiche nach außen gewölbt und verstärkt ausgebildet, um auch hier bei der gleichmäßigen 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

jo Seiten wände 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 j5 der Zeichnung; diese zeigt in

Fig. 1 einen schematisierten Querschnitt durch eine Elektrolysezelle;

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Elektrolysezelle, geschnitten nach Linie N-Il in Fig. 1;
F i g. 3 ein vergrößertes Detail aus einem Querschnitt durch eine Elektrolysezelle;

Fig. 4 eine perspektivische Seitenansicht einer Thermofeder.

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 Wanne 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.

Zwischen dem Elektrolyten 7 und den Kathodenblökken 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 ■ 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 Kreisoder 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 '. : 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 Wanne 1 sind von Thermofedern 12 eingerahmt, welche an der Wanne 1 angebracht, bzw. mittels Befestigungsvorrichtungen 13 (Fig.3) mit ihr verbunden sind.' Vorzugsweise erfolgt die Ähbringung der Thermofedern 12 an der Stahlwanne 1 oberhalb der Barrenfenstcr 15 der Kathodenbarren 4.

Eine Thermofeder 12 besteht gemäß F i g. 4 vorzugsweise aus einem Hohlkastenprofil mit öffnungen 16 in Ober- und Unterseite, welche u. a. auch eine Luftzirkulation ermöglichen.

Die Befestigung der Thermofedern 12 an der Wanne 1 erfolgt z. B. mittels Gleitschienen oder Schrauben. In letzterem Fall weist die der Wanne 1 zugekehrte Seite der Thermofeder Langlöcher 17 auf, welche ein

is Verschieben der Befestigungselemente 13 ermöglichen. Bei der Befestigungsart mittels Gleitschienen 13a (in F i g. 3 angedeutet) sind an zwei benachbarten Längskanten der Thermofeder 12 flügelartige Absätze angeformt, die nut- und federartig in Gleitschienen 13a eingreifen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Elektrolysewanne, insbesondere tür 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 Kathodenblökke eine Einstampfmasse eingelagert ist, sowie die Wanne umfangenden Verstärkungselemente, d a durch gekennzeichnet, daß die an die Seitenwände der Wanne (1) angelegten Verstärkungen als den thermischen Ausdehnungsdruck der Wanne elastisch begrenzende Versteifungselemente ausgebildet und mittels Befestigungsvorrichtungen (13) bewegbar angeordnet sind.

2. Elektrolysewanne nach Anspruch 1, dadurch •gekennzeichnet, daß die Versteifungselemente als Hohiprofile zu sogenannten Thermofedern (12) ausgebildet sind.

3. Elektrolysewanne nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die als Hohlprofile ausgebildeten Thermofedern (12) längsseitige öffnungen (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.

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. Elektrolysewanne 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.