DE3135083C1 - Elektrolysewanne zur Herstellung von Aluminium mittels Schmelzflusselektrolyse und Verfahren zum Einsetzen der Eisenbarren - Google Patents

Description

• Beim Erstellen der Verbindung zwischen Kohlenstoffblock und Eisenbarren ist heute die Technik des Eingießens weit verbreitet Die in die Nut des Kohlenstoffblockes eingelegten Eisenbarren werden durch Umgießen mit Gußeisen mit dem Kohlenstoff verbunden. Eisenbarren und Kohlenstoffblock werden gemeinsam vorgewärmt und nach dem Eingießen auf die Umgebungstemperatur abgekühlt. Da die Wärmedehnung bzw. -kontraktion von Eisen ungefähr viermal größer ist als diejenige von Kohlenstoff, entsteht bei der Abkühlung zwischen Kohlenstoff und Gußeisen ein Spalt. Ist der mit einem Eisenbarren versehene Kohlenstoffblock in eine Elektrolysezelle eingebaut, so schließt sich dieser Spalt erst während des Temperaturanstiegs bei der Inbetriebnahme der Elektrolysezelle, womit der elektrische und mechanische Kontakt zwischen Eisen und Kohlenstoff verbessert wird.
• Wird der durch die Kontraktion gebildete Spalt vor dem Erreichen der Arbeitstemperatur gschlossen, so kann der sich schneller ausdehnende Eisenbarren derart stark auf die Kohle der Kathodenelemente einwirken, daß in der Kathode Risse entstehen können.
• Das Gußeisen weist den Nachteil auf, daß es eine verhältnismäßig niedrige elektrische Leitfähigkeit hat Weiter ist bei üblichen eingegossenen Eisenbarren der Anpreßdruck im in Arbeitsposition obersten Bereich des Barrens oft ungenügend, so daß er nicht ausreicht, den erwünschten niedrigen elektrischen Übergangswiderstand vom Kohlenstoff zum Eisen herzustellen. In diesem Fall fließt der elektrische Strom nicht auf dem kürzesten Weg durch den Kohlenstoffboden der Elektrolysewanne, sondern macht einen Umweg, indem er nicht in die Deckfläche, sondern in die Seitenflächen des Eisenbarrens eintritt Die beiden erwähnten Faktoren können einen Spannungsabfall, z. B. bis zu 0,1 Volt, bewirken, was sich in der Energiebilanz der Elektrolysezelle negativ niederschlägt Schon vor einiger Zeit ist deshalb, wie im J. Electrochemical Technology, Vol. 5, No. 3-4 (1967), Seiten 152-154, beschrieben, versucht worden, einen Eisenbarren direkt mit dem Kohlenstoffblock in Verbindung zu bringen. Im Kohlenstoffblock wird ein dem Eisenbarren entsprechendes Loch ausgespart und dieser ohne Stampf-, Guß-oder Klebemasse hineingesteckt Da aber in der verhältnismäßiglangenZwischenzeitkeine Schmelzflußelektrolysezellen zur Herstellung von Aluminium, die nach diesem Prinzip gebaut sind, bekanntgeworden sind, hat sich das Verfahren offensichtlich nicht bewährt.
• Nach dieser Publikation müßte der Eisenbarren bei Arbeitstemperatur satt an den Kohlenstoff anschließen.
• In der Praxis läßt sich dies kaum durchführen. Während des Elektrolyseprozesses ist bei kleinsten Ungenauigkeiten entweder der elektrische Übergangswiderstand vom Graphit zum Eisen zu groß oder es entstehen im Graphitblock Risse, welche die Lebensdauer der Elektrolysewanne in untragbarem Maße erniedrigen.
• Der Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die erwähnten Nachteile des Eingießens von Eisenbarren in Kohlenstoffblöcke zu vermeiden, ohne die Lebensdauer der Elektrolysewanne zu beeinträchtigen, hingegen den Übergangswiderstand vom Kohlenstoff zum Eisenbarren zu verkleinern.
• Die Aufgabe wird in bezug auf die Elektrolysewanne erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß - in jedem Kohlenstoffblockin dessen Längsrichtung über mindestens 20% der Länge, ausgehend von beiden Stirnseiten, in Arbeitsposition nach unten offene Nuten ausgespart sind, die in bezug auf den Querschnitt bei 500-8500C exakt dem Querschnitt der auf dieselbe Temperatur erwärmten Eisenbarren entsprechen, - die in die Nuten eingesetzten, sich über mindestens 20% der Länge des Kohlenstoffblocks, ausgehend von den Stirnseiten, erstreckenden Eisenbarren während des Elektrolyseprozesses entlang der ganzen unteren Seitenfläche bzw. Mantellinie aus dem Kohlenstoffblock herausragen, und - ein Teil des Gewichts der Kohlenstoffblöcke ungefähr gleichmäßig auf allen Eisenbarrren abgestützt ist.
• Versuche haben gezeigt, daß sich die Nut, bei üblichen Dimensionen von Kohlenstoffblock und Eisenbarren, an deren unteren Öffnung um ungefähr 1 mm spreizen läßt, bevor die Rißbildung im Kohlenstoff einsetzt oder gar ein Kohlenstofflappen abbricht Eine gewisse Elastizität der Kohlenstoffblöcke ist beim Verankern der Eisenbarren ohne Eingießen von wesentlicher Bedeutung.
• Dies soll anhand der bevorzugten-Temperatur von etwa 700"C gezeigt -werden: Bei dieser Temperatur haben die Nut und der darin eingesetzte Eisenbarren exakt den gleichen Querschnitt d. h. der Eisenbarren liegt entlang seines ganzen Umfangs satt auf dem Kohlenstoff, jedoch ohne darauf einen Druck auszuüben. Bei höheren Temperaturen, über 700" C, beispielsweise bei der Aluminiumelektrolyse-Temperatur von 940-970"C, druckt der Eisenbarren auf den Kohlenstoff. Dank der Elastizität der sich spreizenden Kohlenstofflappen entstehen jedoch keine Risse, wie dies bei der Ausbildung eines Loches statt einer Nut der Fall wäre.
• Ein Teil des Gewichts der Kohlenstoffauskleidung ist ungefähr gleichmäßig auf die aus den Kohlenstoffblökken herausragenden Eisenbarren verteilt Dadurch drücken diese Eisenbarren in Arbeitsposition auf den entsprechend geformten oberen Bereich der Nut, auch wenn der Querschnitt des Eisenbarrens kleiner als derjenige der Nut ist Dieser Flächendruck hat zur Folge, daß ein möglichst kleiner Übergangswiderstand vom Kohlenstoff zum Eisen in jenem Bereich entsteht, der dem die Kathode der Elektrolysezelle bildenden flüssigen Aluminium am meisten benachbart ist Der Spannungsabfall wird also in bezug auf zwei Faktoren minimalisiert:-- Übergangswiderstand Kohlenstoff-Eisen - Spannungsabfall in der Kohlenstoffauskleidung der Elektrolysewanne.
• Die Eisenbarren können sich auf an sich bekannte Weise über die gesamte Länge der Kohlenstoffblöcke erstrecken oder in der Mitte, mit kleinerem oder größerem Abstand, durchtrennt sein. Es ist bekannt, daß bei der Schmelzflußelektrolyse von Aluminium der größte Teil des elektrischen Stromes im äußeren Bereich der Eisenbarren der Elektrolysewanne abfließt Es genügt deshalb, wenn die Eisenbarren von beiden Stirnseiten der Kohlenstoffblöcke her bis mindestens je 20% in bezug auf die Länge der Kohlenstoffblöcke zur Wannenmitte hin ausgebildet sind Im Zentrum der Kohlenstoffblöcke können die Eisenbarren folglich bis zu 60% der Länge der Blöcke getrennt sein. Die Nuten können sich über die gesamte Länge des Kohlenstoffblockes oder über einen den Eisenbarren entsprechenden Teil davon erstrecken, wobei die Stirnwände von Eisenbarren und Nut durch einen vorzugsweise 0,5 - 1 cm breiten Hohlraum getrennt sind.
• Die vorzugsweise etwa 0,5-1,5cm aus der Bodenfläche der Kohlenstoffblöcke herausragenden Eisenbarren und die entsprechend ausgesparte Nut können jede zweckmäßige geometrische Form haben. Bevorzugt haben jedoch Eisenbarren und entsprechende Nut, mindestens in ihrem in bezug auf die Arbeitsposition oberen Bereich, abgerundete Querschnitte. Dies bringt den wesentlichen Vorteil, daß beim Spreizen der den Eisenbarren seitlich umgebenden Lappen des Kohlenstoffblocks die Kerbwirkung herabgesetzt wird, d h bei im oberen Bereich abgerundeten Nuten setzt die Rißbildung erst bei größerem Druck durch den Eisenbarren ein, als dies bei eckig ausgebildeten Nuten der Fall wäre.
• Insbesondere Eisenbarren mit kreisrundem Querschnitt und entsprechend geformte Nuten sind vorteilhaft, weil - runde Barren die kleinste Oberfläche bei konstantem Querschnitt haben, was gleiche elektrische Leitfähigkeit bei geringeren Wärmeverlusten bedeutet, - die Festigkeit des Blockes wesentlich erhöht wird, da keine Kerbwirkung vorhanden ist, - wegen des höheren maximalen Anpreßdrucks der elektrische Kontaktwiderstand vom Kohlenstoff zum Eisen verringert werden kann, - aus der Stahlwanne einfache runde Barrenfenster ausgespart werden können, die mit vorfäbrizierten Materialien leicht zu verdichten sind, und - die Fertigung der Barren besonders einfach ist.
• Das wesentliche Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Einsetzen der Eisenbarren in einer Elektrolysewanne mit entsprechend ausgesparten in Arbeitsposition nach unten offenen Nuten besteht darin, daß die Eisenbarren durch Barrenfenster in der Stahlwanne bei Umgebungstemperatur in den Innenraum der Elektrolysewanne geschoben werden.
• Zweckmäßig haben diese Barrenfenster die gleiche geometrische Form wie der Querschnitt der Eisenbarren. Vorzugsweise sind diese Barrenfenster nur wenig, insbesondere 0,5-2 cm, größer als die linearenDimensionen der Eisenbarrenquerschnitte, d. h. die Eisenbarren werden mit nur wenig Spiel durch die Barrenfenster in das Wanneninnere geführt. In diesem Fall sind die Fugen einfach abdichtbar.
• Sind die Eisenbarren mindestens im unteren Bereich rechteckig oder sich nach oben verjüngend ausgebildet, so können sie, entsprechend den ausgeformten Nuten, auf die Isolationsschicht gelegt werden. Anschließend wird der Kohlenstoffblock auf sie abgesenkt.
• Bevorzugt werden jedoch bei allen Barrenquerschnitten, bei im Querschnitt runden Eisenbarren ist dies aus geometrischen Gründen meist notwendig, die Kohlenstoffblöcke bis wenig, beispielsweise etwa 0,5 - 2,5-cm, über die Isolationsschicht abgesenkt, dann die Eisenbarren in die Nuten geschoben, und schließlich die Kohlenstoffblöcke vollständig abgesenkt. Diese liegen nun auf den Eisenbarren, die aus den Nuten herausragen.
• Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt einen schematischen Vertikalschnitt durch einen Kohlenstoffblock mit zwei Eisenbarren in Arbeitsposition, jedoch vor dem vollständigen Absenken.
• Der im Querschnitt rechteckige Kohlenstoffblock 210 enthält die parallel in Längsrichtung verlaufenden runden Eisenbarren 12 in entsprechend ausgeformten, nach unten teilweise offenen Nuten 14. Je zwei Lappen 16 des Kohlenstoffblocks t0 umfassen die Eisenbarren 12 U-förmig. Wenn die Eisenbarren 12 bei Arbeitstemperatur einen Druck auf den Kohlenstoffblock 10 ausüben, wird dieser aufgefangen, indem die Lappen 116 entsprechend auseinandergespreizt werden. Die Kanten 18 dieser Lappen d6 sind bevorzugt abgerundet oder abgeschnitten.
• Nach dem vollständigen Absenken liegt der in die Elektrolysewanne eingesetzte Kohlenstoffblock 10 entlang der Mantellinien 20 der Eisenbarren 12 auf der nicht gezeichneten Isolationsschicht. Dadurch werden die Eisenbarren 12 in ihrem oberen Bereich flächenförmig auf den entsprechenden Bereich der Nuten 14 gedrückt, der Übergangswiderstand vom Kohlenstoff zum Eisen ist dadurch minimal. Der elektrische Gleichstrom kann auf direktem Weg von der-Deckfläche des Kohlenstoffblocks 10 und mit geringem Übergangswiderstand ien Richtung der Pfei!e zum Eisenbarren 12 fließen.
• Die wesentlichen Vorteile der Erfindung können wie folgt zusammengefaßt werden: - Die Eisenbarren müssen nicht mehr eingegossen, eingeklebt oder eingestampft werden, sondern können einfach durch Barrenfenster in eine entsprechende, nach unten offene Nut des.Kohlenstoffblocks eingeschoben werden. Das bedeutet Ersparnisse in bezug auf Energie, Material Zeitaufwand, Equipment und Werkstatt.
• - Der Kohlenstoffblock ist nicht mehr den Gefahren des Eingießens ausgesetzt, die beim Transport, Vorwärmen Eingießen und Manipulieren auftreten.
• - Der Spannungsabfall des Elektrolyseprozesses im kathodischen Teil kann bis zu 0,1 Volt vermindert werden.
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Claims (1)

1. Patentansprüche: 1. Elektrolysewanne zur Herstellung von Aluminium mittels Schmelzflußelektrolyse, bestehend aus einer äußeren Stahlwanne, einer wärmedämmenden Isolationsschicht und einer elektrisch leitenden, gegen das schmelzflüssige Material beständigen Innenauskleidung aus in Querrichtung verlaufenden Kohlenstoffblöcken mit eingesetzten, beidseitig aus deren Stinrseiten herausragenden massiven Eisenbarren, dadurch gekennzeichnet, daß - in jedem Kohlenstoffblock (10) in dessen Längsrichtung über mindestens 20% der Länge, ausgehend von beiden Stirnseiten, in Arbeitsposition nach unten offene Nuten (14) ausgespart sind, die in bezug auf den Querschnitt bei 500-850"C exakt dem Querschnitt der auf dieselbe Temperatur erwärmten Eisenbarren (12) entsprechen, - die in die Nuten (14) eingesetzten sich über mindestens 20% der Länge des Kohlenstoffblocks, ausgehend von den Stirnseiten, erstrekkenden Eisenbarren (12) während des Elektrolyseprozesses entlang der ganzen unteren Seitenfläche bzw. Mantellinie (20) aus dem Kohlenstoffblock (10) herausragen und - ein Teil des Gewichts der Kohlenstoffblöcke (10) ungefähr gleichmäßig auf allen Eisenbarren (12) abgestützt ist 2. Elektrolysewanne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Nuten (14) in den auf etwa 700"C erwärmten Kohlenstoffblökken (10) exakt dem Querschnitt der auf dieselbe Temperatur erwärmten Eisenbarren (12) entspricht.

   3. Elektrolysewanne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eisenbarren (12) während des Elektrolyseprozesses 0,5-1,5 cm aus der Bodenfläche der Kohlenstoffblöcke (10) herausragen.

   4. Elektrolysewanne nach mindestens einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (14) in den Kohlenstoffblöcken (10) und die entsprechenden Eisenbarren (12) mindestens in ihrem - in bezug auf die Arbeitsposition - oberen Bereich abgerundete Querschnitte haben.

   5. Elektrolysewanne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt von Nuten (14) und Eisenbarren (12) kreisrund ist.

   6. Elektrolysewanne nach mindestens einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Barrenfenster in der Stahlwanne die gleiche geometrische Form wie der Querschnitt der Eisenbarren (12) haben.

   7. Elektrolysewanne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Barrenfenster nur wenig, vorzugsweise 0,5-2 cm größer sind als die linearen Dimensionen der Eisenbarrenquerschnitte.

   8. Verfahren zum Einsetzen der Eisenbarren in einer Elektrolysewanne nach mindestens einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Eisenbarren (12) durch Barrenfenster in der Stahlwanne bei Umgebungstemperatur in den Innenraum der Elektrolysewanne geschoben werden.

   9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei im unteren Teil rechteckigen oder sich nach oben verjüngenden Eisenbarren (12) die Kohlenstoffblöcke (10) auf die entsprechend den Nuten (14) angeordneten Eisenbarren (12) abgesenkt werden.

   10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffblöcke (10) vorerst bis wenig, vorzugsweise etwa 0,5-2,5 cm, über die Isolationsschicht abgesenkt, dann die Eisenbarren (12) in die Nuten (14) geschoben, und schließlich die Kohlenstoffblöcke (10) vollständig abgesenkt werden.

   Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Elektrolysewanne zur Herstellung von Aluminium mittels Schmelzflußelektrolyse, bestehend aus einer äußeren Stahlwanne, einer wärmedämmenden Isolationsschicht und einer elektrisch leitenden, gegen das schmelzflüssige Material beständigen Innenauskleidung aus in Querrichtung verlaufenden Kohlenstoffblöcken mit eingesetzten, beidseitig aus deren Stirnseiten herausragenden massiven Eisenbarren, sowie auf ein Verfahren zum Einsetzen der Eisenbarren.

   Für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid wird dieses in einer Fluoridschmelze gelöst, die zum größten Teil aus Kryolith besteht. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium sammelt sich unter der Fluoridschmelze auf dem Kohlenstoffboden der Zelle, wobei die Oberfläche des flüssigen Aluminiums die Kathode bildet. In u;e Schmelze tauchen von oben Anoden ein, die bei konventionellen Verfahren aus amorphem Kohlenstoff bestehen. Durch die elektrolytische Zersetzung des Aluminiumoxids entsteht Sauerstoff, der sich mit dem Kohlenstoff der Anoden zu CO2 und CO verbindet. Die Elektrolyse findet in einem Temperaturbereich von etwa 940 - 970" C statt.

   Die Innenauskleidung von Elektrolysewannen besteht aus Kohlenstoffblöcken, in welchen mindestens ein durchgehender oder in der Mitte getrennte Eisenbarren angeordnet ist Um zu einem möglichst geringen Spannungsabfall der Zelle beizutragen, muß der elektrische Übergangswiderstand zwischen Eisenbarren und Kohlenstoffblock möglichst klein sein.

   Dem Fachmann sind verschiedene Arten zur Verbindung von Kohlenstoffblock und Eisenbarren bekannt, beispielsweise - Einstampfen mit einer Stampfmasse - Eingießen mit Gußeisen - Einkleben.

   Die Kohlenstoffblöcke und die Eisenbarren finden sich in herkömmlichen Elektrolysewannen in verschiedensten Dimensionen in bezug auf Länge, Breite und Höhe sowie Nutformen.