DE3223222A1 - Elektrolysezelle zum gewinnen von aluminium - Google Patents

Description

• Elektrolysezelle zum Gewinnen von Aluminium
• Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle zum Gewinnen von Aluminium mit in einen schmelzflüssigen Elektrolyten eintauchenden Anoden, einer den Anoden im Abstand gegenüberliegenden aus einer Schicht schmelzflüssigen Aluminiums gebildeten Kathode, einem im wesentlichen aus Graphit bestehenden Zellenboden, in den kathodische Stromzuführungen eingelassen sind und einer den Zellenboden und Schmelzbad umschließenden Wanne.
• Zur Gewinnung von Aluminium nach dem Verfahren von Hall-Herault durch Elektrolyse von Aluminiumoxid, ist das Oxid in einer im wesentlichen aus Kryolith bestehenden Schmelzegelöst. Das abgeschiedene Aluminium sammelt sich unter der Kryolithschmelze auf dem Zellenboden und bildet die kathodische Oberfläche der Zelle. Die in die Kryolithschmelze eintauchenden Anoden aus Kohlenstoff werden bei dem Elektrolyseprozeß stetig durch Oxidation zu Kohlendioxid und Kohlenmonoxid verbraucht, und der Verbrauch wird durch Verschieben der Anode in Richtung der Kathode und schließlich durch die Einführung neuer Anoden ausgeglichen. Der ebenfalls aus Kohlenstoff bestehende Zellenboden, auf dem sich die Aluminiumschicht sammelt, nimmt an den elektrochemischen Reaktionen nicht teil und ist im Prinzip unbegrenzt haltbar. Tatsächlich unterliegt der Kohlenstoff des Bodens im Kontakt mit der Aluminiumschmelze einer allmählichen Umwandlung, deren Folgen - die Deformation des kathoden Zellenteils durch die Bildung von Aluminiumcarbid und von Graphiteinlagerungsverbindungen, die Zunahme der Ofenspannung und der Verunreinigungen der Aluminiumschmelze - schließlic die Abschaltung der Zelle und die Erneuerung des Ofenbodens erzwingen. Es bedarf keiner weiteren Erläuterung, daß Ausfälle von Elektrolysezellen die Produktion und die Kosten einer Aluminiumelektrolyse wesentlich beeinflussen und es hat daher nicht an Versuchen gefehlt, die Lebensdauer der Zellen zu verbessern.
• Die Beständigkeit des Zellenbodens ist u.a. auch eine Funktion der stofflichen Zusammensetzung der Blöcke, aus denen der Boden aufgebaut ist. Vergleichsweise günstig verhalten sich im wesentlichen aus Graphit bestehende Blöcke, deren Verwendung für diesen Zweck beispielsweise durch die US-A 3 369 986 beschrieben ist.
• Graphitblöcke werden von Alkalien weniger stark angegriffen, unterliegen entsprechend geringeren Volumenänderungen beim Betrieb der Elektrolysezelle, und sie weisen zudem einen verhältnismäßig kleinen Spannungsabfall auf, der bei der Elektrolyse nur langsam ansteigt.
• Dieser günstige Effekt wird mit allen Blocktypen erzielt, die im wesentlichen aus Graphit bestehen, insbesondere auch mit Blöcken aus kohlenstoffgebundenem Graphit (Semigraphit), der im folgenden ebenfalls als Graphit bezeichnet wird.
• Die den Zellenboden bildenden Kohlenstoff- oder Graphitblöcke sind im allgemeinen mit Nuten versehen, in welche Stromleiter, z.B. eiserne Kathodenbarren, eingelegt und durch eine in die verbleibenden Fugen gegossene oder gestampfte Füllmasse mit den Blöcken verbunden sind.
• Als Fix'massen verwendet man temperaturbeständige den elektrschen Strom leitende Kitt- und Stampfmassen oder vor allem Gußeisen. Die Befestigung des Stromleiters ist nicht nur arbeitsaufwendig, sondern im Falle des Eingießens können durch die schockartigen Temperaturänderungen in den Blöcken mechanische Spannungen erzeugt werden, die das Gefüge der Blöcke schädigen.
• Auch beim Erwärmen des Bodens auf die Betriebstemperatur der Elektrolysezelle entstehen wegen der großen Unterschiede in der thermischen Dehnung von Block und Stromzuführung erhebliche mechanische Spannungen innerhalb des Zellenbodens, die ebenfalls Risse auslösen können. Die sich auf dem Zellenboden sammelnde Aluminiumschmelze kommt durch derartige Risse schnell in Kontakt mit der eisernen Stromzuführung, die in der Schmelze gelöst wird. Der schnelle Anstieg des Eisengehalts in der Aluminiumschmelze ist ein Indikator für diesen Prozeß, der schließlich die Abschaltung der Zelle erzwingt.
• Beim Betrieb der Elektrolysezelle durchfließt der Elektrolysestrom ausgehend von den Kohlenstoffanoden die Kryolithschmelze praktisch in vertikaler Richtung, tritt dann in die schmelzflüssige,eine wesentlich größere elektrische Leitfähigkeit aufweisende Aluminiumschicht und wird in dieser bevorzugt in Richtung der Ofenseiten abgelenkt. Die horizontale Stromkomponente bewirkt in Verbindung mit der vertikalen Komponente des Magnetfelds unerwünschte Deformationen der Oberfläche des Metallbads und eine Zirkulationsbewegung der Aluminiumschmelze, durch die bei kleinem Interpolarabstand zwischen Kathode und Anode Aluminium reoxidiert werden kann. Eine Minderung der Stromausbeute kann daher im allgemeinen nur durch Vergrößerung des Elektrodenabstands verhindert werden, wobei naturgemäß die Zellenspannung steigt. Es ist vorgeschlagen worden, diesen für die Energiebilanz nachteiligen Effekt durch gradielle Änderung des Widerstands im Zellenboden zu vermeiden oder wenigstens zu verkleinern. Durch die DE-A 20 61 263 ist es bekannt, die Stromdichte des Elektrolysestroms dadurch zu vergleichmäßigen, daß man den Boden aus Blöcken mit verschiedenem elektrischen Widerstand zustellt. Der Widerstandsgradient wird beispielsweise dadurch eingestellt, daß in der Mitte des Bodens Graphitblöcke mit einem kleinen spezifischen elektrischen Widerstand und am Rand des Bodens Kohlenstoffblöcke mit einem vergleichsweise hchen elektrischen Widerstand angeordnet sind. Dieser Vorschlag ist insoweit nachteilig als die Verwendung verschiedener sich im elektrischen Widerstand unterscheidender Blöcke die Verwendung sich cpuer über den gesamten Ofenboden erstreckender Blöcke ausgeschlossen ist. Die Verwendung kleinerer Blöcke erhöht die Zahl der Fugen und entsprechend die Wahrscheinlichkeit für einen Durchbruch bis auf die eisernen Stromzuführungen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Lebensdauer des Zellenbodens einer Elektrolysezelle zur Erzeugung von Aluminium zu verbessern, den Spannungsabfall in dem Zellenboden zu verringern und örtliche Schwankungen der Stromdichte möglichst zu vermeiden.
• Die Aufgabe wird mit einer Elektrolysezelle der eingangs genannten Art gelöst, deren Boden aus sich über die Breite der Zelle erstreckende Graphitblöcke gebildet ist und in stirnseitige Ausnehmungen der Blöcke durch die seItliche Zellenbegrenzung geführte Graphitstäbe als Stromzuführung eingelassen sind.
• Die als Stromzuführung vorgesehenen Graphitstäbe weisen einen beliebigen Querschnitt auf, bevorzugt wird jedcc ein kreisförmiger Querschnitt. Die Stäbe sind mit einem Ende in die stirnseitigen Ausnehmungen der Graphitblöcke eingelassen, wobei die Ausnehmungen in den Graphitblöcken und der in die Ausnehmung eingreifende Teil der Stromzuführung zweckmäßig konisch ausgebildet sind.
• Bevorzugt wird nach der Erfindung eine Schraubverbindung, bei welcher die Ausnehmung und der in die Ausnehmung eingreifende Teil der Stromzuführung mit je einem Gewinde versehen und die Teile miteinander verschraubt sind. Nach einer anderen Ausführungsform ist ein besonderer Schraubnippel als Verbindungselement vorgesehen, das in Gewindeschachteln in der Stirnseite des Graphitblocks und des Stromzuführungsstabs eingreift und mit diesen verschraubt ist.
• Vorteilhaft ist auch die zusätzliche Verbindung der Stromzuführungsstäbe aus Graphit und der Graphitblöcke mit einer kohlenstoffhaltigen Kontaktmasse, die beim Erhitzen der Verbindungsstelle verkokt, eine feste Brücke zwischen den Teilen bildet und den Ubergangswiderstand senkt. Eine für diesen Zweck geeignete, Epoxidharz und Teer als Binder und Graphit- und N!etallpulver enthaltende Masse ist in der DE-A 29 42 469 beschrieben.
• Die Stromzuführungsstäbe sind durch als Fenster bezeichnete Durchbrechungen in der aus Kohlenstoffsteinen bestehenden Zellenwand, in der zwischen Zellenwand und Wanne angeordneten Schicht aus thermischen Isoiierstoffen und in der die Zelle begrenzenden Wanne geführt und der aus der Wanne ragende Teil des Graphitstabs ist zweckinäßig mit einer Metallschicht versehen, die eine Oxidation des heißen Graphitstabs verhindert und den elektrischen Kontaktwiderstand zwischen dem Stab und den Stromschienen oder -barren senkt. Geeignete Metalle sind beispielsweise Kupfer oder Aluminium die, in bekannter Weise etwa durch Flamm- oder Plasmaspritzen auf die Oberfläche des Graphitstabs aufgebracht werden. Vorteilhaft ist auch eine besondere Kühlung der Graphitstäbe, beispielsweise durch einen an der Zellenwanne angeflanschten, das Graphitteil umschließenden Kühlmantel. Durch die Kühlung wird die Temperatur des Graphits unter einen für die Oxidation kritischen Betrag gesenkt und zugleich kann über die Menge des Kühlmittels der Wärmestrom in einem gewissen Umfang geregelt werden. Die Stromzuführungsstäbe sind mit barrenförmigen Stromleitern direkt oder über flexible Metallbänder verschraubt.
• Die erfindungsgemäße Elektrolysezelle zur Gewinnung von Alminium weist gegenüber den bekannten Zellen eine Anzahl von Vorteilen auf. Die Lebensdauer des Zelienbodens wird durch die Verwendung eines korrosionsbeständigeren Werkstoffs und die Verwendung von StromzufrEhrungen aus dem gleichen Werkstoff verbessert, die bessere Dimensionsstabilität ermöglicht kleinere Interpolardistanzen und damit einen niedrigen Energieverbrauch und Verunreinigungen der Aluminiumschmelze durch Eisen sind praktisch nicht möglich. Die Verwendung von Graphitblöcken für den Boden von Elektrolysezellen ist zwar bekannt, da diese Blöcke aber Stromzuführungen in Form von Barren oder Nippeln aus Eisen enthalten, werden beim Eingießen der Elemente zur Stromzuführung und vor allem auch bei der Inbetriebnahme der Zelle aufgrund der stofflichen Unterschiede in den Blöcken mechanische Spannungen induziert, die letztlich Ursache für die nicht immer befriedigende Lebensdauer des Zellenbozeins sind. Gleiches gilt für die Elektrolysezellen, deren Boden aus Kohlenstoffblöcken gebildet ist, in deren Stirnflächen Stromzuführungen aus Stahl eingreifen (Moore, ?E., Vadla, J.J., Fall eeting Metallurgical Society IE, Oktober 1963). Zellenböden dieser Art weisen die oben beschriebenen Mängel auf und der vergleichsweise hohe elektrische Widerstand führt zuaem oberhalb der Stromzuführung zu einer starken Erosion der der Kohlenstoffblöcke. Diese Erosion wird durch die erfindungsgemäße Zustellung des Zellenbodens mit GraphitblJcken ollständig vermieden, es wird vielmehr ber die gesamte Bodenfläche eine fast konstante Stromdichte erreicht.
• Die Erfindung wird i.T, folgenden anhand einer schematischen Schnittzeichnung beispielhaft erläutert. Der Boden der Elektrolysezelle wird von der Stahlwanne 1 begrenzt, an der die Wärmeisolationsschicht 2 anliegt.
• Der eigentliche Ofenboden besteht aus Graphitblöcken 3, auf den sich die als Kathodenoberfläche dienende Schicht 4 aus schmelzflüssigen Aluminium sammelt. In die Schicht 5 aus dem geschmolzenen Elektrolyten tauchen Nohlenstoffanoden S. Die Zellenwand 7 bildet die seitliche Begrenzung des Schmelzbads und des Zellenbodens. Die an der Zellenwand 7 anliegenden Stirnflächen 8 der Graphitblöcke 3 sind mit Gewindeschachteln 9 versehen, in die mit einem Gegengewinde versehene Graphitstäbe 10 als Stromzuf-ührung geschraubt sind. Die Stäbe 10 sind durch Durchbrechungen der Zellenwand der Wärmeisolationsschicht und der Stahlwanne geführt und mit ihren Enden 11 mit Stromschienen oder ähnlichem verschraubt. Die Verschraubung, die Metallbeschichtung der Graphitstäbe und mögliche an den Stauben anliegende Kühlvorrichtungen sind zeichnerIsch nicht dargestellt.

Claims (5)

1. PatentansPruche 1. Elektrolysezelle zum Gewinnen von Aluminium mit in einen schmelzflüssigen Elektrolyten eintauchenden Anoden, einer den Anoden im Abstand gegen1iberliegenden aus einer Schicht schmelzflüssigen Aluminiums gebildeten Kathode, einem im wesentlichen aus Graphit bestehenden Zellenboden, in den kathodische Stromzuführungen eingelassen sind und einer den Zellenboden und das Schmelzbad umschließenden Wanne, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Zellenboden aus sich über die Breite der Zelle erstreckende Graphitblöcken gebildet ist und in stirnseitige Ausnehmungen der Blöcke durch die seitliche Zellenbegrenzung geführte Graphitstäbe als Stromzuführung eingelassen sind.
2. 2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Graphitstäbe wenigstens zu einem Teil mit einem Metall beschichtet sind.
3. 3. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 und 2, dadurch g e K e n n z e i c h n e t , daß die Graphitstäbe tuit den Graphitblöcken verschraubt sind.
4. 4. iektrolysezelle nach Anspruch 1 bis 3, dadurch g e '. e n n z e i c h n e t , daß in die Schraucgewinde eine temperaturbeständige Kontaktmasse eingebracht ist.
5. 5. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die aus der Elektrolysezelle ragenden Teile der Graphitstäbe von einer Kühlvorrichtung umschlossen sind.