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Elektrolysezelle zur Aluminiumgewinnung aus
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Tonerde od. dgl.
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Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle zur Aluminiumgewinnung
aus Tonerde od. dgl. mit einer Wanne zur Aufnahme eines Elektrolyten und einem diese
Wanne überspannenden Gerüst.
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Für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse aus Aluminiumoxid
(Al203) wird letzteres üblicherweise in einer Fluoridschmelze gelöst, die zum größten
Teil aus Kryolith (Na3 Al F6) besteht. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium sammelt
sich unter jener Fluoridschmelze auf dem aus Kohlenstoff bestehenden Boden der Zelle;
die Oberfläche des flüssigen Aluminiums bildet dann die Kathode. In die Fluoridschmelze
tauchen von oben her die Anoden ein, an denen durch die elektrolytische Zersetzung
des Aluminiumoxides Sauerstoff entsteht. Letzterer verbindet sich bei der konventionellen
Elektrolyse mit dem Anodenkohlenstoff zu CO und C02.
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Zur wirtschaftlichen Verbesserung im Hinblick auf den Wärmehaushalt
derartiger Elektrolysezellen einerseits sowie bezüglich der aus dem Elektrolysebad
aufsteigenden Verunreinigungen aller Art sind Versuche mit komplizierten Zellenabdeckungen
durchgeführt worden; letztere haben sich im allgemeinen als sehr teuer im Aufbau
und im Unterhalt erwiesen - letzteres vor allem deshalb, weil im rauhen Hüttenbetrieb
durch die zwischen den Elektrolysezellen fahrenden Tonerdewagen od. dgl. Verformungen
derartiger Abdeckungen unvermeidlich bleiben.
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Als weiterer Nachteil von Zellenabdeckungen hat sich herausgestellt,
daß sowohl das Nachfüllen der Tonerde aus Tonerdewagen als auch das Brechen der
über dem Bad entstehenden Kruste nur nach dem Abheben der Abdeckung möglich ist,
was die Handhabung der Elektrolysezelle sehr erschwert.
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Angesichts dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt,
eine Elektrolysezelle der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welche zum einen in
unkomplizierter Weise abgedeckt ist sowie zum anderen trotz dieser Abdekkung problemlos
mit Tonerde zu versorgen ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe führt, daß die Wanne über dem Elektrolyten
eine aus Blechplatten zusammengesetzte Abdekkung aufweist und diese Blechplatten
aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen. Außerdem liegt es im Rahmen
der Erfindung,daßlinAbstand zum Elektrolyten von dem Gerüstbeispielsweise von der
Wandung eines in der Zellenlängsachse vorgesehenen Absaugkanals, zu den Längsseiten
der Wanne Förderrinnen abragen, welche mit dem/den Auslauf/Ausläufen wenigstens
eines Behälters für die Tonerde verbunden sind und die Wanne zumindest teilweise
übergreift, wobei in der Rinne ein bewegbares Förderorgan vorgesehen ist,
welches
sich vom zugeordneten Behälterauslauf etwa bis zu einem zur Wanne hin gerichteten
Rinnenaustrag erstreckt.
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Der erfindungsgemäße Vorschlag, die Wanne durch Blechplatten aus Aluminium
abzudecken, erlaubt den Einsatz eines sehr billigen Werkstoffes, welcher ohne Nachteile
für das Elektrolyseprodukt nach einer Verformung durch Stoß od. dgl. in das Elektrolysebad
geworfen und dort AuSschmelzen wieder dem Produktionsprozeß zugeführt wird. Diese
Abdeckung besteht im wesentlichen aus sogenannten schwimmenden Horizontaldeckeln,
welche auf Tragprofilen ruhen, und aus an die Horizontaldeckel anschließenden vertikal
oder schräg angeordneten Seitendeckeln.
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Da insbesondere letztere den auftretenden Stoßbelastungen ausgesetzt
sind, genügt es im Rahmen der Erfindung auch, diese Seitendeckel aus Aluminium zu
formen, die dann nach starker Beschädigung eingeschmolzen werden.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird jeweils die äußere
Kante der Horizontaldeckel unter Bildung eines nach oben weisenden Schenkels abgekantet
und in diese Abwinkelung eine -- dazu gegenläufige -- Abwinkelung der Seitendeckel
eingehängt. Als günstig hat es sich dabei erwiesen, den Seitendeckel an der horizontal
verlaufenden Blechplatte nach außen geneigt aufzuhängen, wobei er sich mit seiner
unteren Kante gegen ein auf der Wanne festliegendes Isolierprofil abstützt.
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Im Rahmen der Erfindung liegt es auch, an der Stirnseite der Wanne
Blechplatten aus Aluminium vorzusehen, welche in parallel zu den Tragprofilen verlaufende
+ durch
Profilrinnen als Abdeckungsteile eingeschoben sind; auch
hier ist es möglich, ohne weiteres beschädigte Abdeckungsteile zu ersetzen und das
Aluminium wieder zu verwenden.
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Von besonderer Bedeutung ist, daß die beschriebene Förderrinne ohne
weiteres in wenigstens eines der Tragprofile für die Horizontaldeckel integriert
wird, was bei günstigen Kosten zu einer automatischen Beschickung der Elektrolysezelle
führt. Hierzu wird das Tragprofil aus einer U-förmigen Rinne mit beidseits davon
abragenden und mit dem Rinnenboden etwa fluchtenden Auflageschenkeln für die Horizontaldeckel
gefertigt.
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Erfindungsgemäß ist im Tragprofil der Rinnenaustrag vorgesehen und
neben diesem in der Schüttbahn der auszutragenden Tonerde ein vertikal bewegbarer
Meißel zum Durchstoßen der Badkruste; dieser Meißel stellt in der Badkruste u.a.
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ein Loch her, in welches die Tonerde aus der Rinne eingespeist wird.
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Um die stetige Tonerdezuführung zu gewährleisten und gegebenenfalls
eine Steuerung dieser Förderung zu ermöglichen, ist in der Förderrinne das Förderorgan
vorgesehen, welches bevorzugtermaßen eine in der Rinnenachse bewegbare Förderstange
aufweist, welche nahe dem Behälter an einen Pulsförderer angeschlossen und von diesem
hin und her bewegt ist. An der Förderstange sitzen tellerartige Ansätze, die beim
Schub in Richtung des Rinnenaustrages Tonerde mitnehmen. Da diese Ansätze so an
der Förderstange aufgehängt sind, daß sie bei deren Rückhub geringfügig nachgeben,
wird eine problemlose Zuförderung der Tonerde gewährleistet.
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Der Abstand der tellerartigen Ansätze voneinander entspricht etwa
dem Hubmaß für die Förderstange, welchenach einem weiteren Merkmal der Erfindung
-- durch die Bodenlänge des unterhalb der Mündung des Tonerde silos entstehenden
Tonerdeschüttkegeis bestimmt wird.
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Die beschriebene Förderstange bildet ein einfaches Element für die
Förderung der Tonerde zwischen Siloaustrag und Rinnenaustrag. Der Fördervorgang
kann bei Verwendung anisich bekannter Regelelemente gesteuert werden. Auch ist es
möglich, durch die Anordnung der Mündung eines Flußmittelbehälters an der Rinne,
dieses Flußmittel gesteuert zuzuführen, vorteilhafterweise unter Zwischenschaltung
eines gesteuerten Austragventils.
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Im Rahmen der Erfindung liegen selbstverständlich auch andere Förderorgane,
welche in der beschriebenen Rinne Verwendung finden können, beispielsweise eine
Förderstange, die an ihrem freien Ende durch Kulissenkurven beim Vorwärtsschub angehoben
und beim Zurückgleiten in die Ausgangsstellung wieder abgesenkt wird; am Ende des
Vorschubes sind die -- beliebig ausgebildeten -- Tonerdemitnehmer vom Tonerdestrom
abgehoben und werden im Verlaufe des Zurückgehens der Förderstange wieder in die
Tonerde abgesenkt. Als günstig hat es sich dabei erwiesen, die Führungskulisse/n
so anzubringen, daß das Anheben der Förderstange erst kurz vor dem Ende des Vorschubs
durchgeführt wird.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausfuhrungsbeispiele sowie anhand
der Zeichnung; diese zeigt in: Fig. 1: den Längsschnitt durch einen Teil einer Elektrolysezelle
mit einer Abdeckung; Fig. 2: den Querschnitt durch Fig. 1 etwa nach deren Linie
II - II; Fig. 3: die Draufsicht auf einen Teil der Elektrolysezelle als Schnittfigur
nach Linie III - III der Fig. 2; Fig. 4: eine geschnittene Schrägsicht auf ein vergrößeres
Detail der Fig. 3; Fig. 5: eine vergrößerte Schrägsicht auf einen Teil der Abdeckung.
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Bei einer Aluminiumschmelzfluß-Elektrolysezelle 1 erstrecken sich
über einer Stahlwanne 2 mit wärmeisolierender Innenschicht 3 und einer Kohlenstoffauskleidung
4 in Längsrichtung balkenartige Anodenträger 5, welche an Spindeln 6 auf Sockelklötzen
7 lagern und durch -- mit der/den Spindel/n 6 kämmende -- Schneckenräder 8 in Pfeilrichtung
y höhenverschieblich sind.
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Mit den Anodenträgern bzw.-balken 5 sind durch Schlösser 9 etwa vertikal
verlaufende Anodenstangen 10 verbunden, welche über ein QuerJoch 11 an sogenannten
Spaten 12 jeweils zwei parallele Anodenkörper 13 aus amorphem Kohlenstoff tragen.
Letztere können mit ihren Anodenstangen 10 in den Schlössern 9 in Pfeilrichtung
y verschoben und damit der Abstand h zwischen Anodenunterseite 14 und der Oberfläche
15 der Kohlenstoffauskleidung 4 verändert werden.
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Wie insbesondere Fig. 2 verdeutlicht, wird die Elektrolysezelle 1
in ihrer gesamten Breite von eisernen Kathodenbarren 16 durchsetzt, deren abkragende
Enden 17 mit seitlich die Wanne 2 flankierenden Stromschienen 18 verbunden sind
und zwar durch flexible Bänder 17a.
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Im Inneren der Wanne 2 bzw. des von der Kohlenstoffauskleidung 4 gebildeten
Innenraums 20 befindet sich eine zum grbßten Teil aus Kryolith (Na3AlF6) bestehende
Fluoridschmelze als Elektrolyt E für die Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid
(Al203) durch Elektrolyse.
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Das kathodisch abgeschiedene Aluminium A sammelt sich auf der Kohlenstoffauskleidung
4, die Oberfläche 21 der Aluminiumschicht A stellt die Kathode für den Elektrolysevorgang
dar, Uber welcher die Anodenkörper 13 in einem Abstand d hängen.
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über die Anodenbalken 5 sowie die Anodenstangen 10 wird den Anodenkörpern
13 Gleichstrom zugeführt, der über dea Elektrolyten E1das flüssige Aluminium A und
die Kohlenstoffauskleidung 4 zu den jeweils zugeordneten Kathodeneinem barren 16
gelangt; von/Kathodenbarren 16 der dargestellten Elektrolysezelle 1 fließt der Strom
zum Anodenbalken 5 einer in der Zeichnung übersichtlichkeitshalber nicht dargestellten
nachfolgenden Zelle.
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Der Elektrolyt E wird von einer Kruste K aus erstarrter Fluoridschmelze
überdeckt; ebenfalls bilden sich an den Seiten 22 der Kohlenstoffauskleidung 4 sogenannte
Bordkrusten K1.
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Der Abstand d der Anodenunterseite 14 zur Aluminiumoberfläche 22 --
auch Interpolardistanz genannt -- läßt sich durch Anheben oder Abssnken des Anodenbalkens
5 in Pfeilrichtung y mit Hilfe der Hubeinrichtung 6/8 ändern; dies erfolgt entweder
gleichzeitig mit sämtlichen Anodenkdrpern 13 oder unter Betätigung der Schlsser
9 für jede Anodenstange 10 gesondert.
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Infolge des Angriffes durch den bei der Elektrolyse freiwerdenden
Sauerstoff verbrauchen sich die Anodenkörper 13 an ihrer Unterseite 14 täglich je
nach Zellentyp um etwa 15 bis 20 mm; gleichzeitig steigt der Oberflächenspiegel
21 des in der Zelle 1 befindlichen flüssigen Aluminiums A im gleichen Zeitraum um
15 bis 20 mm an. Nach dem Verbrauch eines Anodenkörpers 13 wird dieser gegen einen
neuen ausgewechselt.
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In der Praxis wird eine Zelle 1 derart betrieben, daß sich bei den
Anodenkörpern 13 unterschiedliche Verbrauchserscheinungen zeigen und so zu unterschiedlichen
Zeiten ausgewechselt werden können. Fig. 1 läßt in der Zelle 1 Anodenkörper 13 verschiedenen
Einsatzalters erkennen.
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Im Laufe des Elektrolysevorganges verarmt der Elektrolyt E an Aluminiumoxid.
Bei einer unteren Konzentration von 1 % bis 2 % Aluminiumoxid im Elektrolyten E
kommt es zum sogenannten Anodeneffekt, der sich als Erhöhung der Normalspannung
von 4 bis 4,5 V auf dann etwa 30 V und mehr auswirkt. Spätestens zu diesem Zeitpunkt
muß die überdeckende Kruste K eingeschlagen und die Al203-Konzentration durch Zugabe
von neuem Aluminiumoxid angehoben werden.
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Zum Einschlagen der Kruste K dient ein Krustenbrecher 24 aus einem
Meißel 25 an einer vertikalen Kolbenstange 26, die in einem Brechzylinder 27 in
Pfeilrichtung y innerhalb einer Hubhöhe i bewegbar ist. Der Brechzylinder 27 ist
bei 28 an einem Zylindergalgen 29 festgelegt.
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Oberhalb des Anodenbalkens 5 jeder Zellenlängshälfte 1a bzw.
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lb (beidseits der Mittellinie M in Fig. 2) verläuft ein U-Träger 30,
der außerhalb der Zellenstirnwände beispielsweise am Sockelklotz 6 festgelegt ist.
Den einander parallelen U-Trägern 30 beider Zellenlängshälften 1at 1b sitzen Silos
31
auf, welche gemäß Fig. 2 durch Zwischenwände 32 jeweils in einen
mittleren Tonerdesilo 33 sowie äußere FluBmittelschächte 34 unterteilt sind. Der
Tonerdeeilo 33 endet nach unten hin dank eines sich nach oben verjüngenden Einsatzes
35 in zwei sich abwärts verjUngenden Einlaufechlitzen 36.
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Das untere Ende des Flußmittelschachtes 34 ist durch eine ventilartige
Vorrichtung 37 gegen die Wanne 2 hin verschließbar.
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Unterhalb des Füllachlitzss 36 ist eine Rinne 40 vorgesehen, die in
Abstand q von der Mittellinie M nach unten hin einen rohrartigen Austrag 41 aufweist0
Dieser ist -- ebenfalls nach unten hin -- durch eine Scheibe 42 verschlossen. Aus
dem Silo 33 in Pfeilrichtung x durch die Rinne 40 abgeförderte Tonerde S1 rieselt
aus einem seitlichen Durchbruch 43 des Austragsrohres 41 so abwärts, daß sie ein
bei 44 angedeutetes Loch in Tonerdeschicht S und Kruste K gelangt, welches vom Meißel
25 hergestellt worden ist.
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Zum dosierten Abzug der Tonerde S1 aus dem Silo 33 dient eine Fdrderstange
46 mit -- nur teilweise wiedergegebenen-Schubtellern 47; die Förderstange 46 endet
unterhalb des haubenartigen Siloeinsatzes 35 in einem Pulsförderer 48, von dessen
Kolben sie wechselweise in und gegen Richtung x bewegt wird. Der Abstand n des in
Förderrichtung x ersten Schubtellers 47 von der Stirn 49 des Pulsförderers 48 ist
auch das Maß der Hublänge für die Tonerdefdrderung und so bemessen, daß die Mündungen
von Floßmittelsohacht 34 und Tonerdefüllschlitz 36 zwischen dem ersten Schubteller
47a und Jener Stirn 49 liegen (Fig. 2) und der erste Schubteller 47 etwa am Ende
des-entstehenden Tonerdekegels steht.
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Das freie Ende 51 der Förderstange 46 läuft so auf Kulissenbogen 52
der Seitenwände 53 der Rinne 40, daß es bei maximaler Wirklänge p der dann nach
oben geneigten Fdrderstange 46 (in Fig. 2 bei 46 gestrichelt und in Fig. 4~bei 51
angedeutet) nahe der oberen Seitenwandkante 54 liegt. Bei zurückgezogener
Förderstange
(ausgezogene Kontur 46 in Fig. 2) verläuft diese etwa horizontal.
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Die aus dem FUllschacht 36 ungehindert austretende Tonerde bildet
jenen Schüttkegel und wird durch die Schubteller 47 Jeweils um eine Hublänge n in
Richtung x zum Austragsrohr 41 geschoben. Durch eine nachgebende Aufhängung der
Schubteller 47 und deren Anheben überfahren diese Schubteller 47 beim Rückwärtshub
die in der Rinne 40 vorhandene Tonerdeschicht, um am Ende des Rückgärtshubes wieder
in die Schicht einzugreifen. Gesteuert wird der Tonerde außerdem durch das Ventil
37 Flußmittel zugeführt.
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Die Rinne 40 ist in Tragprofile 60 integriert, welche horizontal von
-- zu den Anodenbalken 5 parallelen und einen nach unten hin offenen Absaugkanal
61 bildenden -- Profilen 62 in einer Länge t abragen. Als Tragprofil 60 dienen zum
einen mit ihrem Steg 53 nach oben weisende einfache T-Profile sowie anderseits zwei
in Abstand u parallele Winkeleisen, deren einander zugekehrte Schenkel 53 durch
ein Flacheisen 45 als Boden der Rinne 40 verbunden sind. Die Jeweils anderen Schenkel
63 der Tragprofile 60 sind Auflagen für horizontale Abdeckplatten 70 aus Reinaluminium,
deren äußere Kanten 71 nach oben abgewinkelt sind. In die so entstehenden Winkel
72 sind ebenfalls mit einer Abwinkelung 73 Seitendeckel 74 aus Reinaluminium eingehängt,
die sich nach unten hin gegen ein Isolierprofil 75 des Wannenrandes abstützen0 Fig.
5 zeigt, daß auch an der Stirnseite der Zelle ein Aluminiumblech 76 als Abdeckung
vorgesehen sowie oben und unten in Profilrinnen 77 bzw. 78 eingeschoben ist.
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