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Elektrode für die Schmelzflusselektrolyse und deren
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Verwendung Die Erfindung betrifft Elektroden für die Schmelzflusselektrolyse,
die einen Aktivteil und einen in den Ofenraum hineinragenden Kühlabschnitt umfasst,
sowie deren Verwendung. Diese kann insbesondere zur elektrolytischen Erzeugung von
Metallen, wie Aluminium, Magnesium, Natrium, Lithium oder von Verbindungen eingesetzt
werden.
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Bei der clektrolytischen Erzeuguny von Aluminium, Magnesium, Alkalimetallen
sowie Verbindungen etc. in technischem Massstab finden noch immer überwiegend Kohlenstoffelektroden
aus Hartbrandkohle oder Graphit Verwendung. Wenngleich die Elektroden hauptsächlich
der Stromführung dienen, sind sie doch auch häufig an den Elektrodenreaktionen selbst
beteiligt. Der tatsächliche Elektrodenverbrauch liegt demnach erheblich über der
theoretischen Verschleissrate, was sich auf die Oxidationsanfälligkeit der Kohlenstoffelektroden
unter Elektrolyseb£-dincjungen zurückführen lässt.
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Ähnliche Probleme ergeben sich für Elektroden zur Erzeugung von I'IagnCsium,
Natrium, Lithium und Cer-Mischmetallen. ebenreaktionen oxidativer Art an dem in
der Salzschmelze
getauchten Elektrodenteil sowie Abbrand durch Luftsauerstoff
an dem aus derjSchmelze herausragenden Teil, verschleissen die Elektrode ungleichmässig
und vorzeitig.
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Hinzukommt die zerstörerische Wirkung der sich aus Elektrolytbestandteilen
bzwl deren Folgeprodukten bildenden Graphiteinlagerungsverbinduigen. Zwar sind bereits
Versuche unternommen worden, Xohlstoff-Elektroden durch Imprägnierung, nachfolgende
thermochemische Behandlung und Überführung in ohlenstoff-Siliziumkarbid-verbundwerkstoffe
zu einem geeigneten Elektrodenwerkstoff umzuwandeln. Diese Versuche haben jedoch
in der Praxis 1der Schmelzflusselektrolyse noch zu keiner wesentlichen Verbesserung
geführt.
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Es sind aber auch bereits Entwicklungen formstabiler Elektroden aus
einer Reihe keramischer Werkstoffe, z.B. gemäss GB-PS 1 152 124 (stabilisiertes
Zirkonoxid), der US-PS 4 057 480 (im wesentlichen Zinnoxid), der DE-OS 27 57 898
(im wesentlichen Siliziumkarbid-Ventilmetallborid-Kohlenstoff),der südafrikanischen
Patentanmeldung 77/1931 (Yttriumoxid mit OberflächenschichEen aus,Elektrokatalysatoren)
oder gemäss DE-OS 24 46 314 (keramisches Grundmaterial mit Uberzug aus Spinellverbindungen),
beschrieben worden Schliesslich ist auf den Vorschlag des Einsatzes nicht-oxidierbarer
Verbundwerkstoffe hoher chemischer Reinheit gemäss der europäischen Patentanmeldung
80103126.1 der Anmelderin, eingereicht am 4. Juni 1980, hinzuweisen.
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Nachteilig am Einsatz von Elektroden, die aus keramischen Werkstoffen
gebildet sind, ist - auch nach Zusatz leitfähikeitssteigernder Komponenten - deren
häufig nur mässige bis mittlere elektrische Leitfähigkeit. Dies ist aber bei Schmelzflusselektrolysen
kaum akzeptabel, da die Elektrodenabmessungen erheblich und dadurch die Strompf
ade beträchtlich sind.
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Es sind schliesslich auch Elektroden, die einen Aktivteil sowie einen
hiervon verschiedenen gekühlten Abschnitt aufweisen bekannt geworden. Solche Elektroden,
die aus einem metallischen, flüssigkeitsgekühlten oberen Abschnitt und einem daran
befestigten unteren Abschnitt aus einem verzehrbaren Material, vorzugsweise Graphit
bestehen, werden als Kombinationselektroden bezeichnet. Eine Kombinationselektrode
dieses Typus ist z.B. aus der europäischen Offenlegungsschrift 50680 der Anmelderin
bekannt.
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Die Elektroden sind beim Einsatz bei der Schmelzflusselektrolyse hohen
Beanspruchungen ausgesetzt. Neben mechanischen Beanspruchungen durch das Eintauchen
in die Schmelzen, durch das Auftreffen von Spritzern von Schmelzen und Schlacken
auf Elektrodenteile, die nicht getaucht sind, Störungen durch korrosivc Einflüsse,
z.B. in der "3-Phasenzone", etc. stehen Prohleme der Wärmebeanspruchung im Vordergrund.
Die Elektroden werden in ihren Aktivteilen häufig mit hohen Arbeitstem-LDeraturen
betrieben, so dass auch der an das Aktivteil angefügt weitere Abschnitt erhebliche
Wärmemengen aufzunehmen hat.
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Dieser Abschnitt besteht aber häufig aus relativ niedrigschmelzendem
Material, z.B. Kupfer, so dass eine Kühlung und gegebenenfalls Wärmedämmung bzw.
Isolierung notwendig sind.
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Die stuhlung des oberen Abschnittes von Kombinationselektroden für
die Schmelzflusselektrolyse erfolgt häufig über Kühlmittelführungskammern mit Vorlauf-
und Rücklaufkanal,beispielsweise des Typs, wie er in der vorerwähnten europäischen
Offenlegungsschrift beschrieben ist. Die Einführung des üblichst-en Kühlmediums,
nämlich Wasser, in den Kreislauf der Elektrode, der sich zumindest teilweise im
Bereich des Inneren des Elektrolyseofens befinden kann, kann bei mechanischer Beschädigung
des Metallschaftes und damit der Kühlkanäle, aber auch bei Unterbrechungen der Kühlmittelzufuhr
etc. zu Schwierigkeiten in der Praxis führen.
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In der US-PS 4,287,045 ist schliesslich eine gekühlte Elektrode für
den Einsatz in Bädern aus geschmolzenem Metall beschrieben worden. Diese seitlich
eingeführte Elektrode besteht aus einem die Schmelze berührenden Metallabschnitt,
dem der Strom direkt zugeführt ist. Darin ist ein Wärmerohr eingeschoben.
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Diese Elektrode ist beim praktischen Einsatz mit einer Reihe von Nachteilen
behaftet. Sie ergeben sich aus der direkten Einführung des Wärm rohres in den teilweise
aufschmelzenden Metallabschnitt übe erhebliche Wegstrecken, mangelnder Abführbarkeit
der Wärme je nach Auftreffrichtung sowie dem leichten "Austrocknen" des Wärmerohres,
wenn die auf dem Netallabschnitt auftreffende Wärme zu hoch wird. Wegen ihrer Anfälligkeit
ist die Elektrode in der Ofenwand fest eingebaut.
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Es besteht daher ein fortwährendes Bedürfnis nach Elektroden, deren
Konstruktion ein breites Anwendungsspektrum im Rahmen der Schmelzflusselektrolyse
zulassen, und die auch bei aufzunehmenden hohen Wärmen sowie Schwankungen der Wärmeintensitäten
und -mengen auf die einzelnen Beaufschlagungsflächen eine sichere, energetisch günstige
Stromzuführung zum Aktivteil gestatten.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrundc, Elektroden für die
Schmelzflusselektrolyse zu schaffen, die einen sicheren Betrieb auch bei wechselnden
Einsatzbedingungen gestatten und bei dem ein effizienter Schutz des an das Aktivteil
sich anschliessenden Kühlabschnittes in flexibler Weise gewährleistet ist.
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Diese Aufgabe wird durch die Schaffung einer Elektrore der eingangs
genannten Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Kühlabschnitt mindestens
ein WärmorcL mit einer polytropen Strecke im Ofenraum umfasst, in der durch ein
zusätzlies Kühlungssystem W-r rührt wird.
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Das Kühlungssystem des Kühlabschnittes umfasst somit ein hierin verlaufendes
Wärmerohr sowie zusätzlich ein weiteres Kühlungssystem, das weitere Wärmerohre ,
oder eine Gaskühlung oder eine Flüssigkeitskühlung,oder eine Sombination hiervon
umfassen kann.
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Die vorliegende Erfindung basiert u.a. auf der Erkenntnis, dass ein
effektiver Schutz des sich an das Ativteil anschliessenden Abschnittes erzielbar
ist, wenn man zwei an sich bekannte Kühlungssysteme in geeigneter Weise kombiniert,
wodurch in überraschender Weise eine hohe Flexibilität, Arbeitssicherheit und energetisch
günstige Stromzuführung erreichbar ist.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann der Kühlabschnitt der
Elektrode ein System vcn Wärmerohren in zwei Zonen, häufig jedoch drei oder vier
Zonen umfassen. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Kondenstionszone der untenliegenden
Wärme rohre mit der Verdampferzone der sich hieran anschliessenden Wärmerohre im
Wärmeaustausch steht. Durch eine derartige Anordnung, die auf unterschiedliche Weise
erreicht werden kann, wird der gezielte Abtransport der Wärme von einem Wärmerohr
zu dem folgenden sichergestellt, da die durch den Kondensationsprozess frei werdende
Wärme zur Verdampfung des Kühlmediums des folgenden Wärme rohres herangezogen wird.
Eine derartige Anordnung kann auf verschiedenerlei Weisen erfolgen. Beispielsweise
können die sich berührenden Kondensationszone und Verdampferzone der beiden Wärmerohre
flächig ausgezogen sein, um eine möglichst grosse Wärmeaustauschfläche zu erhalten.
Dies ist auch bei im wesentlichen achsparallel angeordneten Wärmerohren möglich,
wenn diese in ihrem jeweiligen VerCampfer- bzw. Kondensationsbereich flächig umgebogen
sind. Nach einer anderen .Rusführung, die im Rahmen der Erfindung ebenfalls bevorzugt
sein
kann, stehen die Wärmerohre in den verschiedenen Zonen direkt
aufeinander, wobei das obere Wärmerohr den tieferstehenden Teil des darunterliegenden
Wärmerohres .hutförmig" umgibt.
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Die im Rahmen der Erfindung gewählte Bezeichnung "Wärmerohr" ist an
sich bekannt. Wärmerohre erreichen eine Wärmeübertragung durch eine Phasenänderuna
des Kühlmittels, wobei dessen Zirkulation durch Oberrlächenspannungskräfte der Flüssigkeit
selbst begünstigt oder erreicht (z.B. in einem Kapillarsystem oder Wick) werden.
Durch die Bezeichnung "Wärmerohr" sollen aber auch auf dem Gravitationsprinzip,
d.h. ohne Wickeinsatz, aufbauende Wärmerohre wmfasst sein (d.h. sog."Gravitationswärmerohre").
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Die Anordnung von Wärmerohren in zwei, zweckmässia häufig aber noch
mehr Zonen, ermöglicht auch den Einsatz unterschiedlicher Kühlungsmedien in den
Wärmerohren aieser Zonen.
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Im Regelfall werden in der untersten, d.h.dem Aktivteil nächsten Zone
Kühlmittel, wie Natrium, Cäsium, Lithium, aber auch Quecksilber, verwendet. Dies
Kühlmittel können auch in den Wärmerohren der nachfolgenden Zonen Einsatz finden,
aber auch durch andere, an sich bekannte Kühlmittel für Mitteltemperaturzwecke ersetzt
sein.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Kühlabschnitt ein
System von achsparallel und radial orientierten Wärmerohren, die wiederum in mehreren
Zonen entlang der Elektrodenachse orientiert sein könne. Durch die achsparallele
und radiale Anordnung der Wärmerohre wird eine hsärmeabfuhr sowohl in Richtung der
Elektrodenachse als auch aus den Radialbereichen cer Elektrode erreicht. Dieiärmebeaufschlagung
einer Kombinationselektrode kann aus unterschiedlichen Richtungen erfolgen: zum
einen axial aus der Richtung des Aktivteils. Andererseits
nimmt
die Elektrode aber auch in den Seitenbereichen durch die Ofenatmosphäre, Seitenabbrand,
etc. Wärme auf, wobei jedoch die Temperaturen im axialen und radialen Bereich des
zu kühlenden Abschnittes über dessen Verlauf erheblich variieren können. Die radial
orientierten Wärmerohre garantieren auch einen sicheren Betrieb der achsparallel
angeordneten Wärmerohre, da deren Kühlmittelumlauf bei hohen Beanspruchungen durch
seitlich auftreffende Wärme unter vorzeitiger, erneuter Verdampfung der zurückfliessenden
Flüssigkeit anaernfalls gestört sein würde. Es ist daher im Rahmen der Erfindung
besonders bevorzugt, dass der Kühlabschnitt der Elektrode mindestens ein achsparallel
orientiertes Wärmerohr in Kombination mit einem zusätzlichen Kühlungssystem aufweist,
das radial auftreffende Wärme abführt. Dieses zusätzliche Kühlungssystem kann, wie
vorerwähnt, entweder eine Flüssigkeitskühlung, eine Gaskühlung oder auch radial
orientierte Wärmerohre oder eine Kombination hiervon umfassen.
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Dieses zusätzliche Kühlyungssystem kann aber auch e-ine Wärmedämmung
darstellen.
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Ein besonders sicheres und flexibles System wird insbesondere durch
zwei bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erreicht: Wenn der
Kühlabschnitt der Elektrode ein System von achsparallel und radial orientierten
Wärmerohren umfasst, ist durch diese Orientierung der störungsfreie Betrieb der
unterschiedlichen Wärmerohre gegenseitig gewährleistet.
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Durch die Verwendung von metallischen Fluiden etc. kann auch die Einbringung
von unerwünschten Kühlmittelflüssigkeiten, z.B. Wasser, im Elektroofenbereich, in
die der gekühlte Schaft der Elektrode miteingeführt ist, vermieden werden. Aber
auch durch die andere bevorzugte Alternative der Erfindung, d.h.
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eine Kombination von achsparallel orientierten Wärmerohren mit einem
zusatzlicllen Flüssigkeits- oder Gaskühlungssystem, die im Radialbereich geführt
sein können, werden besondere Vorteile erzielt. So kann die Elektrode beispielsseise
im
Normalbetrieb ihre Xühlung lediglich durch die Wärmerohre erfahren, zu der z.B.
im Falle besonderer Beanspruchung, eine herkömmliche Flüssigkeits- oder Gaskühlung
mit Vorlauf-und Rücklaufkanal, in denen das Kühlmedium umgepumpt wird, zugeschaltet
wird. Mit "Flüssigkeitskühlung" oder "Gaskühlung" im Rahmen der Erfindung sollen
hier solche herkömmliche Systeme verstanden werden, bei denen der Umlauf des Kühlmediums
durch eine Pumpe erreicht wird, während der entsprechende Umlauf in dem geschlossenen
System des Wärmerohres durch Oberflächenkräfte cder die Gravitation induziert ist.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindunq können das bzw. die Wärmerohre
eine gezielte Gasbeaufschlagung enthalten, um Wärme dosiert abzuführen.
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Die erfindungsgemässe Elektrode kann nach einer zweckmässigen Ausführungsform
derart gestaltet sein, dass in dem Kühlabschnitt Närmerohre, deren Verdampferteil
im axialen Grenzbereich nahe dem Aktivteil, und Wärmerohre, deren Verdampferteil
im Seitenbereich des Kühlabschnittes angeordnet sind, vorhanden sind.
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Die Wärmerohre radialer Orientierung, die zur Wärmeabfuhr aus den
Radialbereichen des Kühlabschnittes dienen, können gerade oder auch gebogen sein.
Die letztere Ausführung hat sich besonders zur zweckmässigen Abführung der Wärme
aus dem Endteil der Elektrode bewährt, da dann dort nicht mehr zwischen achsparallel
und radial orientierten Wärmerohren "unterschieden" werden muss.
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Um eine optimale Wärmeabgabe bzw. -aufnahme zu erreichen, können die
Wärmerohre im Kondensatorbereich bzw. im Verdampferbercich flächig ausgebildet sein
oder in an sich bekannter Weise in mehrere Arme auslaufen. Dadurch wird eine flächige
Wä'rmeabnahme in besonders zweckmässiger Weise ermöglichst.
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Die Wärmerohre oder die Kombination der Wärme rohre mit einem zusätzlichen
Flüssigkeits- oder Gaskühlungssystem können bereits für sichden Kühlabschnitt der
Elektrode darstellen. In diesem Fall sind die Wärmerohre miteinander durch Abstandshalter
verbunden und gegebenenfalls in Randbereichen flächig zusammengefasst. Durch die
flächige Fassung der Wärmerohre und gegebenenfalls der separaten Vorlauf- und Rücklaufkanäle
der zusätzlichen Flüssigkeitskühlung (Gaskühlung) kann eine bessere Anfügung des
.?Sitivteils im unteren Abschnitt und im Regelfall eine bessere Wärmeabführung am
oberen Endteil der Elektrode erfolgen. Durch eine flächige Verbindung der Wärmerohre
in Teilbereichen, beispielsweise durch Edelstahlblech oder zwischengeschobene Schichten
etc., kann auch eine bessere Auflage bzw. Halterung on aussenliegenden Wrmedämmschichten
erfolgen.
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Unabhängig davon, ob die Kombination von achsparallelen und radial
orientierten Wärmerohren bzw. eine Kombination VOT Zwangsumlaufkühlungen durch Pumpung
mit Wärmerohren oder ein Systern von Waremrohr mti aussenliegender färmedämmung~Anwendung
finden, kann diese Kombination jeweils entweder den Kühlabschnitt selbst darstellen
oder in einem Schaft zusmemengefasst oder eingebettet sein. In zellen Fällen ist
es bevorzugt, dass der Kühlabschnitt bzw. die Wärmerohre die Stromzuführung zum
Aktivteil darstellt(en).
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Die Kühlsysteme des Kühlabschnittes können nach einer bevorzugten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von dem hitivteil durch eine hochtemperaturbeständige
Platte getrennt sein.
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Diese kann beispielsweise aus hochschmelzenden Carbiden bzw.
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Nitriden bestehen, beispielsweise siliziumimprägnierten Graphit, Zirkonoxid,
etc.. Hierdurch kann eine gewIsse "Pufferung" gegen mechanische und thermische Angriffe
zusätzlich erfolgen. Je nach Anwendungszweck der Elektrode kann es günstig sein,
dass die hochtemperaturbeständige Platte gelocht ist. Dies ist insbesonde*-dann
wichtig, wenn durch das oder die Aktivteile der Elektrode
Gas geleitet
wird. Die Gasdurchleitung kann aus unterschiedlichem Grunde notwendig sein. Einerseits
kann durch die Gasdurchleitung das Verhalten des Aktivteils "beobachtet" werden,
da sich ein Bruch oder andere Veränderungen durch Druckabfall bemerkbar macht. Andererseits
kann die Gaseinfuhr aber zum Zwecke der Erhöhung der Effektivität des Elektrodenbetriebes,
zur Verringerung des Seitenabbrandes etc. vorgenommen werden. Zu diesem Zweck können
inerte Gase, z.B. Argon, aber auch reaktive Gase, z.B. Kohlenwasserstoffanteile
oder Plasmaströmungen zur Lichtbogenstabilisierung eingeführt werden.
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Die hochtemperaturbeständige Platte kann im übrigen mehrfach, beispielsweise
zur Abgrenzung einzelner Kühlzonen des Kühlabschnittes voneinander vorgesehen sein,
so dass die in der jeweiligen Zone angeordneten Wärmerohre hieran angebracht sein
oder nach Art einer Lochscheibe durchdringen können.
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Bei der erfindungsgemässen Elektrode kann der die Kühl systeme tragende
Kühlabschnitt im Regelfall mit dem Aktivteil durch einen Nippel verbunden werden.
Dieser Nippel kann aus Grahit, aber auch leitfähigem Metall bestehen. Beim Einsatz
von hochtemperaturbeständigen Plattenkffinen diese jedoch auch Anschlussstücke zur
Anfügung des Aktivteils enthalten, die beispielsweise nach Art eines Nippels ausgeführt
sind. Es sind aber auch andere Verbindungsweisen von Aktivteil und Kühlabschnitt
möglich.
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Bei Einsatz der erfindungsgemässen Elektrode für Schmelzflusselektrolysen
kann es bevorzugt sein, dass die Wärmerohre oder die Kühlkon:bir,atior, des Kühlabschnittes
zusätzlich durch eine aussenliegende, hochtemepraturbeständige Wärmedälmauny geschützt
sind. Diese Wärmedämmung kann den gesamten Bereich des Küh1abschnittes umfassen
oder auch, je nach Anwendungszweck, nur Teilbereiche hiervon. Beispielsweise kann
es ausreichend sein, die sogenannte "Drei-PIlasen-Zone" mit einer geeigneten
Wärmedämmung
bzw. Isolierung zu umgeben. Häufia ist es aber sinnvoll, zumindest den Bereich der
Elektrode zu schützen, der sich an das Aktivteil anschliesst und während des Betriebes
im Inneren der Elektrolysezelle befindlich ist.
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Die Wärmedämmung", die auch einen seitlichen "Hitzeschild" darstellt,
kann aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
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Im Zusammenhang mit der erfindungsgemässen Elektrode sind aber "Wärmedämmungen"
aus beschichtetem Graphit und/oder aus Verbundmaterialien, die Kohlenstoff- und
keramische Anteile aufweisen, besonders bevorzugt. Es können jedoch auch keramische
Werkstoffe Anwendung finden, die aber im allgemeinen wegen Schlackanhaftung und
manchmal unbefriedigenden Eigenschaften gegenüber mechanischer Beanspruchung nicht
für alle Anwendungszwecke günstig sind.
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Im Rahmen der Erfindung ist es bevorzugt, dass die Wärmedämmung durch
lösbar aufgesetzte Formteile vorgenommen ist.
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Dies kann zweckmässig so erfolgen, dass zwischen Kühlabschnlc und
Wärmedämmung ein Luftspalt belassen ist. Es ist aber auch möglich, die Formteile
auf dem Kühlabschnitt direkt anliegend aufzusetzen, bzw. sie über Führungen, z.B.
Schwalbenschwanzfüi-.rungen oder auf andere Weise (z.B. über innenliegende Spannringe)
zu befestigen.
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Nach einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
können die Kühlsysteme aber auch direkt in das Wärmedämmaterial eingebettet sein.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Elektrode
betrifft einen an den Kühlabschnitt angefügten Aktivteil aus Graphit. Aber auch
keramische, elektrisch leitfähige NMa terialien können als Aktivteil herangezogen
werden, wie z.B.
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Zirkonoxid, Siliziumkarbid, Tantalkarbid, Zinnoxide, etc..
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Es ist schliesslich auch möglich, und für manche Anwendungszwecke
im Rahmen der Erfindung bevorzugt, den Kühlabschnitt und den Aktivteil der Elektrode
zueinander verschiebbar auszugestalten. In diesem Fall stellt der Kühlabschnitt
ein Mantelsystem dar, durch das der Aktivteil geschoben wird. Die Stromzuführung
zur Elektrode erfolgt hier bevorzugt zum Kühlabschnitt und von diesem über Kontaktstellen
zum Aktivteil. Die Kontaktstellen können z.B. aus Graphit ausgebildet sein.
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Das Mantelsystem enthält im Rahmen der Erfindung z.B. eine Kombination
aus axial orientierten Wärmerohren mit einer aussenliegenden Wärmedämr;7ung, Es
ist aber auch möglich1 zusätzliche radial orientierte Wärmerohre bzw. Kühlungssysteme
im Umpumpbetrieb im Mantelsystem vorzusehen.
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Weitere und bevorzugte Konstruktionen der erfindungsgemässen Elektrode
ergeben sich aus den Figuren, auf die daher hier ausdrücklich Bezug genommen ist.
Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemässe Elektrode, in
deren Kühlabschnitt ein System von axial und radial orientierten Wärmerohren in
Kombination mit einer Wasserkühlung inkorporiert ist; Fig. 2 Längsschnitte durch
eine erfinnsssemsse und 3 Elektrode mit einem System axial und radial orientierter
Wärmerohe,
Fig. 4 einen Längsschnitt durch den Kühlabschnitr einer
Kombinationselektrode, Fig. 5 einen Längsschnitt durch den oberen Endbereich des
Kühlabschnittes einer erfindungsgemässen Elektrode, Fig. 6 einen Querschnitt durch
den in Fig. 5 gezeigten Kühlabschnittsbereich, Fig. 7 einen Längsschnitt durch den
oberen Bereich des Kühlabschnittes einer erfindungsgemässen Elektrode, Fig. 8 einen
Querschnitt durch den in Fig. 7 gezeigten Kühlabschnitt, Fig. 9 einen Querschnitt
durch den Kühlabschnitt mit einem System von Wärmerohren, die in unterschiedlichen
Höhen ansetzen und zur besseren Wärmeaufnahme in mehrere Arme aufgespalten sind,
Fig. 10 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemässe Elektrode in Durchschubversion,
bei der Kühlabschnitt und Aktivteil gegeneinander verschiebbar sind.
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In Fig. 1 ist schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemässen
Elektrode gezeigt, bei der ein axial orientiertes Wärmerohr 5 mit radial orientierten
Wärmerohren 6 mit einer Flüssigkeitskühlung mit Vorlaufkanal 10 und Rücklaufkanal
4 kombiniert sind. Die Elektrode befindet sich in einer Halterung 1, über die auch
die Stromzuführung 12 erfolgt. Die Elektrode ist durch eine hochtemperaturbestandige
Wärmedämmung 2 geschut2.t, die an der Aussenfleche des Kühlabsohnittes3 anliegt.
Die Wärme rohre 5 und 6 werden durch eine hochtemperaturbeständige Platte Q von
der im oberen Teil des Kühlabschnittes befindlichen Flüssig-Reitskühlung abgegrenzt.
Die Verbindung des Kühlabschnittes 3
mit dem Mstivteil 7 ist über
den Nippel 11 erreicht, der z.B.
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aus Graphit, hochleitfähigem Metall oder Metallegierung bestehen kann.
Die Elektrode ist in den Ofendeckel 8 derart eingeführt, dass ein Teil des Kühlabschnittes
3 noch im Innenbereich des Ofens befindlich ist. Durch die Halterung 1 kann die
Elektrode auf den Ofenbetrieb eingestellt werden.
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Die in Fig. 2 gezeigte Elektrode weist mehrere Xxtivteile 7 auf, die
jeweils über Nippel 11 mit dem Kühlabschnitt 3 der Elektrode verbunden sind. Bei
dieser Elektrode ist die Einfahrung von Gas durch einen zentralen Kanal in den Bereich
der Aktivteile 7 möglich, wobei neben dem angegebenen Stickstoff naturgemäss auch
andere Gase, wie Luft, Argon, reaktive Gase, etc., eingeführt werden können. Die
axial und radial orientierten Warmerohre 5, 6 sind wiederum durch in verschiedenen
Höhe des Kühlabschnittes angebrachte Platten 9 im Abstand gehalten.
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Die Wärmedämmung 2, z.B. aus beschichtetem Graphit bzw. keramischen
Werkstoffen oder Graphit, der mit keramischen Anteilen durchsetzt ist, ist ineinzelne,
lösbar aufsetzbare Formteile 2 aufgegliedert,wodurch sich eine besonders reparaturfreundliche
Elektrode ergibt. Die durch die Anordnung der Wänmerohre in den oberen Bereich des
Kühlabschnittes 3 transportierte Warme wird dort über eine Wasserkühlung abgeführt.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, andere Kühlfluide ausser Wasser
einzusetzen.
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In Fig. 3 ist wiederum ein Teilbereich des Kühlabschnittes 3 einer
erfindungsgemässen Kombinationselektrode gezeigt, in dem axial orientierte Wärmerohre
5 und radial orientierte Wärmerohre 6 enthalten sind. Aus der Fig. geht hervor,
dass die Wärmerohre in unterschiedlichen Höhen der Elektrode zur gesteuerten Wärmeabfuhr
im Kühlabschnitt angreifen.
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In Fig. 4 sind radial im Kühlabschnitt 3 geführte Wärmerohre gezeigt,
wobei die Kondensationszone der jeweils untenliegenden Wärmerohre mit der Verdampferzone
der sich hieran anschliessenden Wärmerohre im Wärmeaustausch steht. Zur Begünstigung
des Wärmeaustausches sind die obenliegenden Wärmerohre hutförmig über das jeweils
untere Wärmerohr gestülpt. Die derart nach oben transportierte Wärme kann durch
nicht näher gezeigte Kühlkanäle 10 abgeführt werden. In dieser Fig. ist die erfindungsgemässe
Kombination aus Wärmerohr und Wärmedämmung 2 alleSa gezeigt, wobei diese Warmedämmung
wiederum in Form von aufsetzbaren Formteilen ausgeführt ist.
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In den Fiy. 5 und 6 ist eine Ausführungsform der erfincungscemassen
Elektrode im oberen Teil des Kühlabschnittes 3 gezeigt, bei der die Wärmerohre in
einem Art Ringkranz münden. Von ciesem wird die Wärme durch Flüssigkeitskühlung
abgeführt, wobei die Flüssigkeitskühlkanäle sowohl den inneren Bereich als auch
den äußeren Bereich der Wärmerohrkondensatorbereiche erfassen.
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Die Zwischenräume zwischen den Wärmerohren 5, 6 sind zum besseren
\'=rm.etransfer mit gut wärmeleitfähigem Material umgeben.
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Eine andere Ausführung des Wälmetrensfers von den Wärmerohren zu einer
Flüssigkeitskühlung, die ausserhalb des Ofendeckeis in der Elektrode angeordnet
ist, ist in den Fig. 7 und 8 gezeigt.
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Die Wärrerohre sind in ihrem oberen Bereich schlaufenartic" zur Erzielung
einer grösseren Warmeaustauschfläche umgebogen.
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In Fig. 9 ist gezeigt, dass die Wärmerohre 6 innerhalb des Kühlabschnittes
3 in mehrere Arme auslaufen.
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In Fig. 10 ist eine Durchschubversion der erfindungsgemässen Elektrode
gezeigt, bei der Aktivteil 7 und Kühlabschnitt 3 unabhängig voneinander im Ofenbetrieb
einstellbar sind. Daher sind sowohl eine Halterung 1 für den Kühlabschnitt 3 als
auch weitere Halterungen für den Aktivteil 7, der aus mehreren Kohlenstoffabschnitten
bestehen kann, vorgesehen. Die Verbindung der einzelnen Kohlenstoffteile aneinander
kann z.B. durch Nippel erfolgen. Der Kühlabschnitt 3 enthält hierin axial orientierte
Wärmerohre 5 in Kombination mit einer Wärmedämmung 2, die beispielsweise aufgeschraubte
Graphitringe mit einem keramischen Coating darstellen können. Die Stromzuführung
bei dieser Durchschubelektrode erfolgt ebenfalls über die Halterung 1 zum Kühlabschnitt
3, ist dort aber nicht speziell dargestcllt. Der Ubergang des Stroms vom Kühl abschnitt
3 zum Aktivtcil 7 kann durch ein oder mehrere Kontaktierungsstellen 14 erfolgen,
die im unteren Bereich des Aktivteils 7 schematisiert dargestellt sind. Der Innenbereich
des Kühlabschnittes 3 der Durchschubelektrode, soweit keine Kontaktierungsstellen
vorliegen, kann durch eine elektrisch isolierende Auflage 13 in vorteilhafter Weise
bedeckt sein.
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Die in den Fig. dargestellten Elektroden und Elektrodenteile stellen
bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dar, so dass entsprechende Konstruktionen
und solche, die sich hieraus in nahliegc-ndcr Vcise ergeben, ausdrücklich mit im
Rahmen dieser Erfindung erfaßt sein sollen.
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Die erfindungsgemässen Elektroden sind zur Durchführung von Schmezflusselektrolysen
besonders geeignet, beispielsweise zur Gewinnung von Metallen, wie Natrium, Kalium,
Aluminium, etc. oder von Metallverbindungen.
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Die erfindungsgemässen Elektroden sind aber auch als Bodenelektroden
für Gleichstromöfen zur Stahlerzeugung (z.B. Plasmaöfen, bodenblasende Konverter)
einsetzbar. Sie eignen sich auch für andere metallurgische Anwendungen, bei denen
die Elektrode in die Schmelze eingetaucht wird. Solche Anwendungszwecke - z.B. aber
auch Pfannenerärmung - etc., gelten als im Rahmen dieser Erfindung miterfasst.
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Durch die Erfindung werden mannigfache Vorteile erzielt.
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Diese ergeben sich aus einem besonders flexiblen Elektrodenbetrieb,
der eine sichere und gezielte Abführung der sowohl axial als auch radial auftreffenden,
unterschiedlichen Wärmemengen in der Praxis gestattet. Die Verwendung von achsparallel
und radial angeordneten Wärmerohren und von Kühlmedien, wie z.B. Natrium, Lithium,
macht die Einführung von Wasser in die Elektrolysezelle selbst überflüssig. Die
an das ausserhalb der Zellen befindliche Ende transferierte Wärme kann dort mittels
eines wassergekühlten Endstückes problemlos in sicherer Weise abgeführt werden.
Aber auch die Zuschaltungsmöglichkeit eines Flüssigkeitskühlsystems mit Umpumpung,
das im Falle besonderer Beanspruchung zusätzlich zum Wärmerohrbetrieb zugeschaltet
wird, erhöht die Sicherheitsreserven. Schliesslich kann auch bei laufendem Betrieb
einer zusätzlichen Flüsslgkcitsumpumpung ein störungsfreier Betrieb von Wärmerohren
erreicht werden, ohne dass durch radial angreifende Wärme deren Funktionsfahig'toit
gestört oder verhindert wird.
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