DE3041680C2

DE3041680C2 - Kathodenanordnung für einen Schmelzflußelektrolyseofen

Info

Publication number: DE3041680C2
Application number: DE19803041680
Authority: DE
Inventors: Tibor Dipl.-Ing. Thayngen Kugler; Adnan Dr. Herrliberg Odok
Original assignee: Schweizerische Aluminium AG
Current assignee: Alcan Holdings Switzerland AG
Priority date: 1979-12-05
Filing date: 1980-11-05
Publication date: 1985-02-07
Also published as: GB2065174A; FR2471425A1; JPS5693888A; DE3041680A1; FR2471425B1; AU6465080A; AU538292B2; GB2065174B; CH643600A5

Description

Die Erfindung betrifft eine Kathodenanordnung für einen Schmelzflußelektrolyseofen zum Herstellen von Aluminium, in dem das in dessen Ofenwanne angeordnete flüssige Aluminium von den Anoden eine Interpolardistanz von 10 bis 25 mm hat.

Für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid wird dieses in einer zum größten Teil aus Kryolith bestehenden Fluoridschmelze gelöst. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium sammelt sich unter der Fluoridschmelze auf dem Kohleboden der Zelle, wobei die Oberfläche des flüssigen Aluminiums die Kathode bildet. In die Schmelze tauchen von oben an Anodenbalken befestigte, bei konventionellen Verfahren aus amorphem Kohlenstoff gefertigte Anoden ein. An diesen Kohleanoden entsteht durch die elektrolytische Zersetzung des Aluminiumoxids Sauerstoff, der sich mit dem Kohlenstoff der Anoden zu CO2 und CO verbindet. Die Elektrolyse findet im allgemeinen in einem Temperaturbereich von etwa 940—97O°C statt. Im Laufe der Elektrolyse verarmt der Elektrolyt an Aluminiumoxid. Bei einer unteren Konzentralion von ca. 1 bis 2Gew.-% Aluminiumoxid im Elektrolyten kommt es plötzlich zum Anodeneffekt, der sich in einer plötzlichen Spannungserhöhung von beispielsweise 4 bis 4,5 V auf 30 V und darüber auswirkt Spätestens dann muß die aus erstarrtem Elektrolytmaterial gebildete Kruste eingeschlagen, und die Aluminiumoxidkonzentration durch Zugabe von neuem Aluminiumoxid (Tonerde) angehoben werden. Im normalen Betrieb wird der Elektrolyseofen übli cherweise periodisch bedient auch wenn kein Anoden effekt auftritt indem die Kruste eingeschlagen und Tonerde zugegeben wird.

Bekanntlich führt bei großen Stromstärken, z. B. oberhalb 5OkA, das Zusammenwirken von vertikalen

is Komponenten des Magnetfeldes mit horizontalen Komponenten des Stromes zu unerwünschten Deformationen der Oberfläche des Metallbades und zu unerwünscht starken Metallströmungen. Bei kleinen Interpolardistanzen können diese unerwünschten Deforma- (ionen so groß werden, daS das Aluminium die Anoden berührt und zu Kurzschlüssen führt Die durch die Aufwölbung erzeugte Turbulenz der Oberfläche bedingt eine vermehrte chemische Auflösung des Aluminiums im Schmelzfluß und eine Aluminiumnebelbildung, was bekanntlich eine verminderte Stromausbeute zur Folge hat. Es ist deshalb unmöglich, mit unterhalb einer kritischen Grenze liegenden Interpolardistanzen zu arbeiten. Auf der anderen Seite ist der Verlust an elektrischer Energie um so höher, je größer die Interpolardistanz bei gleicher Stromdichte ausgebildet ist Im Prinzip würde sich eine Verkleinerung der Stromdichte zwar vorteilhaft auswirken, andererseits jedoch in untragbarem Maße erhöhte Kapitalkosten für die Öfen und die Ofenhalle erforderlich machen.

Als Interpolardistanz wird ganz allgemein der Abstand von Anoden und Kathoden bezeichnet Die aus der DE-OS 21 43 603 bekannte Bestimmung dieser Interpolardistanz durch Heben und Senken der eingebauten Anoden ergibt sich aus dem Kohleabbrand — dieser schafft bei einem konventionellen Elektrolyseverfahren eine Interpolardistanz von 60 bis 70 mm.

Neben verschiedenen Maßnahmen und Konstruktionen zur Verringerung der vertikalen Komponenten des Magnetfeldes und der horizontalen Stromkomponenten sind auch Anordnungen mit vom Aluminium benetzbaren Kathodenkonstruktionen bekannt die nur eine dünne, also in Vertikalrichtung zur Kathodenkonstruktion nur wenig bewegliche Aluminiumschicht aufweisen, und dadurch die klassischen Oberflächendeformationen — sowohl die stationären Aufwölbungen als auch die Wellen — zum größten Teil beseitigen. Diese benetzbaren Materialien sind jedoch sehr teuer und müssen den Beweis ihrer Langlebigkeit noch erbringen. Der größte Nachteil dieser Anordnungen besteht darin, daß die Zir kulation des Elektrolyten zwischen Anode und Kathode erschwert ist, wodurch die Kryolithschmelze bei der Abscheidung von Aluminium an Tonerde verarmt und die Zelle anfällig für den beschriebenen Anodeneffekt wird.

Nach der US-PS 40 71 420 - auf welche sich die DE-OS 26 56 579 bezieht - wird die Zirkulation der Kryolithschmelze verbessert, indem die als unten geschlossene Rohre ausgebildeten Kathodenelemente im Bereich der Anoden aus dem flüssigen Aluminium her-

b5 ausragen, das sich auf der gesamten übrigen Zellenbodenflächc gesammelt hat. Die Rohre sind vollständig mit Aluminium gefüllt, die Interpolardistanz kann klein gehalten werden.

Die bei der Elektrolyse gebildeten neuen Metallmengen fließen dabei in einen tiefergelegenen Aluminiumsumpf.

Zwischen dem Aluminium in den ervähnten, unten verschlossenen Rohren und dem Kathodenboden muß eine elektrische Verbindung bestehen, wozu entweder das Rohr aus elektrisch leitendem Material gefertigt ist oder das Aluminium in direktem Kontakt mit dem leitenden Ofenboden steht Abgesehen von der schwierigen und kostspieligen Herstellung der benetzbaren Rohre, ist diese Anordnung nur wirksam, wenn die den Anoden zugewandten Aluminiumoberflächen klein sind; d. h. das Verhältnis des benetzbaren Materials zur kathodisch arbeitenden Oberfläche ist groß und es ergeben sich keine Kosteneinsparungen gegenüber anderen bekannten Kathoden aus benetzbaren Materialien.

Der Erfindung hat sich deshalb die Aufgabe gestellt, sine Kathodenanordnung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, mit der eine Immobilisieri'ng der kathodisch wirksamen Oberfläche des Metalles bei einem wesentlich günstigeren Verhältnis der Kapitalkosten der Kathodenkonstruklion zur kathodisch wirksamen Aluminiumoberfläche gewährleistet werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß unterhalb einer frei beweglichen Schicht aus flüssigem Aluminium mit einer Dicke von mindestens 2 mm auf dem Zellenboden 10 bis 100 mm — bevorzugt 10 bis 50 mm — hoch Schüttgut angeordnet ist, das aus einem körnigen, bei der Arbeitstemperatur des Schmelzflußelektrolyseofens festen und inerten Material besteht, wobei die Korngröße kleiner ist als die halbe Höhe des Schüttgutes, aber nicht kleiner als 0,1 mm. Zudem sollen/soll die Höhe des Schüttgutes 10 bis 50 mm und/ oder die Dicke der frei beweglichen Schicht aus flüssigem Aluminium nicht mehr als 3 mm betragen. Es ist wesentlich, daß diese Schüttung nie aus dem geschmolzenen Metall in den schmelzflüssigen Elektrolyten ragt. Zum Schöpfen des flüssigen Metalls aus dem Elektrolyseofen ist im allgemeinen mindestens ein nicht von Schüttgut bedecktes Schöpfloch vorgesehen. Das Schüttgut kann mit einem Ofenmanipulator oder einem anderen Bedienungsfahrzeug zugegeben werden; auch kann am Ofen eine an sich bekannte Vorrichtung zum Nachfüllen angebracht sein.

Das geschmolzene Metall dringt in die Hohlräume bzw. Poren der Schüttung ein und füllt diese. Die Metallbewegung wird damit, abgesehen von der obersten, freien Schicht, mechanisch gebremst. Eine den Ofengang beeinträchtigende Metallwelle kann nicht gebildet werden, sondern wird mit einem billigen, unterhalb der Metalloberfläche angeordneten Material verhindert oder gebremst.

Erfindungsgemäß besteht das Schüttgui aus metallisch leitendem, von Aluminium gut benetzbarem Material, vorzugsweise aus TiB* TiC, TiN, ZrB2, ZrC und/ oder ZrN.

Auch liegt es im Rahmen der Erfindung, daß das Schüttgut aus aluminiumbeständigem, elektrisch schlecht leitenden Materialien mit größerem spezifischem Gewicht als Aluminium besteht, vorzugsweise aus siliziumnitridgebundenem Siliziumcarbid oder SiIiziumoxynitrid.

Die im flüssigen Metall befindliche Schüttung kann sich homogen über den gesamten Ofenboden ausbreiten. Es können erfindungsgemäß jedoch auch zaun- oder wehrartige Zwischenwände vorgesehen sein, die bis dicht an die den Anoder» zugewandte Oberfläche des körnigen Materials emporragen. Dadurch wird die Schüttung in Teilbereiche gsteilt, ihre Beweglichkeit in horizontaler Richtung wird durch die geschlossen oder mit Unterbrechungen ausgebildeten Wände getrennt.

Die das Schüttgut trennenden Wände können aus mit Aluminium gut benetzbarem ooer -weniger gut beneftba-em Material (z. B. siliziumnitridgebundenes Siliziumcarbid oder Kohle) hergestellt sein, sie können elektrisch leitfähig oder nicht leitfähig sein. Wichtig ist jedoch, daß diese Wände bei Arbeitstemperatur eine gute

ίο Widerstandsfähigkeit gegen Auflösung und Erosion im flüssigen Aluminium aufweisen.

Zur Verminderung der horizontalen Komponenten des Stromes können Teile des mit dem flüssigen Metall in Kontakt stehenden Ofenbodens, die außerhalb der vertikalen Projektionen der Anoden liegen, mit einem elektrisch schlecht leitenden, mit Aluminium kompatiblen Material belegt werden. Dies bewirkt, daß der Strom nur in den direkt vertikal unterhalb der Anoden liegenden Bereichen aus dem Aluminium abgeführt wird.

Dank vorliegender Erfindung wird also eine verhältnismäßig billige, körnige Schüttung eingesetzt, die von Anoden nicht einmal bei deren Wechsel beschädigt wird. Hingegen müssen nach der erwähnten DE-OS 26 56 579 aus dem Anodenmaterial in aufwendigen Herstellungsverfahren Formkörper geschaffen werden, die an sich spröde und somit sehr verletzlich sind. Wird ein derartiger Formkörper beschädigt, so fällt er für die gesamte, mehrjährige Ofenlebensdauer aus. Defekte Formkörper können zudem nicht ausgewechselt werden. Eine Schüttung dagegen kann gar nicht zu einer Beschädigung führen, notfalls wäre zudem ein Auswechseln ohne weiteres möglich.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen teilweisen Längsschnitt durch eine Zelle mit Stromzufuhr von unten;
F i g. 2 einen Querschnitt durch eine Zelle mit seitlieher Stromzufuhr.

In dem Kohleboden 10 einer Elektrolysezelle, in dem gemäß F i g. 1 Kathodenbarren 12 eingebettet sind, liegt eine die Kathode bildende Schicht von elektrolytisch abgeschiedenem flüssigem Aluminium 14 sowie eine Aufschüttung 16 aus körnigem festem Material, welches von der Aluminiumoberfläche einen Abstand a von 2 bis 3 mm hat. Dieser Abstand a ist von wesentlicher Bedeutung, weil das Schüttgut 16 auf keinen Fall in einen Elektrolyten 18 hineinragen darf.

Das Schüttgut ist durch bis fast an seine Oberfläche ragende, für das flüssige Metall durchlässige Trennwände 20 in Teilbereiche aufgeteilt.

Die Immobilisierung der kathodisch wirksamen Oberfläche des Aluminiums durch das Schüttgut ermöglicht es, die Interpolardistanz d zwischen dem flüssigen Aluminium 14 und der Anode 22 auf 10 bis 25 mm zu erniedrigen.

Die in Fig. 2 dargestellte Elektrolysezelle zeigt ein Beispiel für die seitliche Stromzufuhr, deren Wanne 24 aus Kohlenstoff, aber vorteilhaft auch aus Beton gebildet sein kann. Diese Wanne wird seitlich von kathodischen Stromzuführungselementen 26 — z. B. aus Aluminium oder Kupfer — mit elektrisch leitenden Kathoden 26 aus einem gegen das flüssige Aluminium 14 beständi-

b5 gen Material, z. B. aus T1B2, durchgriffen. Durch die seitliche Stromzufuhr 26,28 kann der Spannungsabfall vermindert und die Lebensdauer der Wanne erhöht werden, insbesondere wenn diese aus Beton besteht. Weiter

erlaubt die seitliche Stromzufuhr 26, 28 höhere Stromdichten, was in der freien obersten Schicht des flüssigen Aluminiums 14 höhere Strömungsgeschwindigkeiten bewirkt.

Dank des abgeschrägten Bodens 30 der Zelle fließt das abgeschiedene Metall zu einem Schöpfloch, das nicht mit der Schüttung gefüllt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Kathodenanordnung für einen Schmelzflußelektrolyseofen zum Herstellen von Aluminium, in dem das in dessen Ofenwanne angeordnete flüssige Aluminium von den Anoden eine Interpolardistanz von 10 bis 25mm hai, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb einer frei beweglichen Schicht aus flüssigem Aluminium mit einer Dicke von mindestens 2 mm auf dem Zellenboden (10) 10 bis 100 nun hoch Schüttgut (16) angeordnet ist, das aus einem körnigen, bei der Arbeitstemperatur des Schmelzflußelektrolyseofens festen und inerten Material besteht, wobei die Korngröße kleiner ist als die halbe Höhe des Schüttgutes, aber nicht kleiner als 0,1 mm.

2. Kathodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Schüttgutes (16) 10 bis 50 mm beträgt.

3. Kathodenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der frei beweglichen Schicht (14) aus flüssigem Aluminium nicht mehr als 3 mm beträgt

4. Kathodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schüttgut (16) aus metallisch leitendem, von Aluminium gut benetzbarem Material besteht, vorzugsweise aus TiB₂, TiC, TiN, ZrB₂, ZrC und/oder ZrN.

5. Kathodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schüttgut (16) aus aluminiumbeständigen, elektrisch schlecht leitenden Materialien mit größerem spezifischem Gewicht als Aluminium besteht, vorzugsweise aus siliziumnitridgebundenem Siliziumcarbid oder Siliziumoxynitrid.

6. Kathodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zaun- oder wehrartige Zwischenwände (20), die bis dicht an die den Anoden zugewandte Oberfläche des Schüttgutes emporragen und für das flüssige Metall durchlässig sind, derart angeordnet sind, daß sie das Schüttgut (16) in Teilbereiche aufteilen.