DE3537575C2 - - Google Patents
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- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
- C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
- C25C3/08—Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes
- C25C3/12—Anodes
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25C7/00—Constructional parts, or assemblies thereof, of cells; Servicing or operating of cells
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Description
Die Erfindung betrifft eine inerte Verbundelektrode,
insbesondere Anode für die Schmelzflußelektrolyse,
z. B. für die Gewinnung von Aluminium, Magnesium,
Natrium, Lithium, u. a. bestehend aus einem Aktivteil
in Form einer Mehrzahl von stabförmigen Aktivelemen
ten, insbesondere aus Oxidkeramik, die mit ihren
Längsachsen parallel nebeneinander und in zueinander
fluchtenden Gruppen angeordnet sind, einem Elektro
denhalter, der eine stromleitende Platte umfaßt, mit
deren einen Hauptfläche die Elektrodenelemente mit
ihren Stirnflächen kraftschlüssig in Kontakt stehen,
und einer Verbindungsanordnung, die die Aktivelemente
gruppenweise untereinander verbindet und mit der
Platte in Kontakt hält.
In der Schmelzflußelektrolyse, z. B. bei der Alumi
niumerzeugung, ist eine intensive Entwicklung im
Gange, für die Elektrolyse anstelle der sich verzeh
renden Anoden aus Kohlenstoff sogenannte inerte Ano
den, die insbesondere aus Oxidkeraik bestehen, ein
zusetzen.
Für diese Entwicklung bilden eine Reihe von Vorteilen
den Anreiz:
- - Bei Herstellung und bei Betrieb der inerten Ano den ergibt sich eine erhebliche Energieeinspa rung.
- - Zugleich wird Rohstoff eingespart. Bei der Her stellung muß nicht auf fossilen Rohstoff Erdöl, aus dem dann Petrol, Koks und Pech gewonnen wird, zurückgegriffen werden. Beim Betrieb der inerten Anoden ergibt sich kein oder nur ein sehr gerin ger Verbrauch an Anodenmaterial. Damit fallen des weiteren Investitionen und Betriebskosten für die Anodenfabrikation weg.
- - Da der sich bei verzehrenden Anoden turnusmäßig notwendige Anodenwechsel entbehrlich wird, können die Zellen geschlossener gefahren werden. Dadurch verbessern sich die Arbeitsbedigungen.
- - Die Abluft aus den Zellen enthält weder Schwefel dioxid noch polyaromatische Kohlenwasserstoffe. Aus dem geschlossenen Abluftsystem können die Fluoride leichter zurückgewonnen werden.
- - Schließlich können inerte Anoden mit höheren Stromdichten als Kohlenstoffanoden gefahren werden. Dadurch erhöht sich die Produktionskapa zität auf weniger Fläche und/oder in weniger Zeit.
Konstruktiv müssen die inerten Elektroden einerseits
den Vorgaben der bereits vorhandenen, noch mit Koh
lenstoffanoden ausgerüsteten Zellen Rechnung tragen.
Dies gilt insbesondere in bezug auf die Stromzulei
tung und die Anordnung und/oder die Dimensionierung
der Aktivteile der Anoden. Andererseits müssen aber
natürlich auch die Erfordernisse, die aus dem Werk
stoff, aus dem die Aktivteile der inerten Anoden
bestehen, Berücksichtigung finden. Dies gilt insbe
sondere in bezug auf die physikalischen Parameter und
die Herstellungstechnologie.
Eine inerte Verbundelektrode der eingangs definierten
Art ist aus der DE-PS 30 03 922 bekannt. Diese be
steht im wesentlichen aus einem Aktivteil, einem
Elektrodenhalter und einer Anordnung zum Verbinden
der zwei erstgenannten Baugruppen.
Der Aktivteil ist durch eine Mehrzahl von stabförmi
gen Aktivelementen gebildet. Diese sind mit ihren
Längsachsen parallel nebeneinander und in zueinander
fluchtenden Gruppen angeordnet. Der zu den Längsach
sen der Aktivelemente senkrechte Gesamtquerschnitt
entspricht in etwa dem entsprechenden Querschnitt
einer herkömmlichen Kohlenstoffanode für eine
Schmelzflußelektrolysezelle. Die einzelnen Aktivele
mente bestehen aus einem oxidkeramischen Werkstoff.
Zur Halterung der Aktivelemente und zur Stromzufüh
rung zu diesen ist ein rohrförmiger Träger vorgese
hen. In diesen ist konzentrisch ein weiteres Rohr
angeordnet, dessen unteres Ende mit einer Bodenplatte
versehen ist. Diese Bodenplatte weist eine zentrische
Bohrung auf, durch die ein stabförmiger Stromzuleiter
hindurchgeführt ist, dessen unteres, unterhalb der
Bodenplatte endendes Ende mit einer stromleitenden
Anpreßplatte versehen ist. Mit dieser Anpreßplatte
werden die oberen Stirnflächen der Aktivelemente auf
kraftschlüssige Weise in mechanischen und elektri
schen Kontakt gebracht. Hierzu weisen die gruppenwei
se untereinander fluchtenden Aktivelemente in ihrem
oberen Abschnitt je eine Bohrung auf, die in bezug
auf eine Gruppe ebenfalls zueinander fluchten. Durch
die zueinander fluchtenden Bohrungen einer Gruppe ist
jeweils ein Aufhängestab hindurchgeführt, dessen
Enden auf einer Auflageplatte aufliegen. Diese Aufla
geplatte und die genannte Bodenplatte sind über
Schraubbolzen zu verspannen, wodurch die oberen
Stirnflächen der Aktivelemente in Kontakt mit der
stromführenden Anpreßplatte gebracht werden. Gegebe
nenfalls kann zwischen den Stirnflächen der Aktivele
mente und der Anpreßplatte eine elektrisch gut lei
tende Zwischenschicht eingebracht sein.
Diese bekannte Elektrodenkonstruktion weist mehrere
gravierende Nachteile auf.
Zum einen ist ihr Aufbau insgesamt relativ kompli
ziert, insbesondere in bezug auf die Aufhängestäbe,
die durch die Bohrungen im Kopfabschnitt der Aktiv
elemente hindurchgeführt sind und entsprechend gela
gert und gespannt werden müssen.
Des weiteren erfordert die Herstellung der Bohrungen
in den Kopfabschnitten der Aktivelemente einen größe
ren Herstellungsaufwand. Sie sind nur im Grünzustand
der oxidkeramischen Aktivelemente zu erzeugen. Des
weiteren sind Bohrungen, insbesondere in bezug auf
die Fluchtung der in Gruppen angeordneten Aktivele
mente, mit größeren Toleranzen behaftet, da derartige
Toleranzen schon bei der Herstellung der Aktivelemen
te im Grünzustand eingehen und des weiteren beim
Sintern der Aktivelemente weitere Maßabweichungen
unvermeidlich sind. Dies hat zur Folge, daß die boh
rungen einer Gruppe von Aktivelementen nicht genau
fluchten, so daß einige der Aktivelemente, die an
einem Aufhängestab untereinander gereiht sind, nicht
oder nicht genügend mit ihren Stirnflächen in Kontakt
mit der stromführenden Platte des Elektrodenhalters
gelangen. Dies gilt dann umso mehr im Betrieb, wo
sich die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten
der Werkstoff der Aktivelemente einerseits und der
stromzuführenden Platte andererseits verstärkt nega
tig in bezug auf die Kontaktierung zwischen den
Stirnfächen der Aktivelemente und der Platte auswir
ken. Dadurch ergibt sich ein erhöhter Spannungsabfall
mit der Folge, daß der elektrische Wirkungsgrad
sinkt.
Dieser Nachteil wird noch dadurch verschärft, daß die
Bohrungen die Querschnittsfläche parallel zur Längs
achse der Aktivelemente verkleinern, und zwar gerade
im kalten Bereich der Aktivelemente. Dadurch werden
gerade dort die Strombahnen eingeschnürt.
Die genannte Schwächung des Querschnittes der Aktiv
elemente der bekannten Anode vermindert auch die
mechanische Festigkeit der Aktivelemente, und zwar in
einem Bereich, in dem einerseits der jeweilige Auf
hängestab aufgrund dessen Vorspannung eine erhöhte
Druckspannung auf den Werkstoff der Aktivelemente
ausübt und andererseits auch die höchsten Zugspannun
gen aufgrund des Gewichtes der Aktivelemente auftre
ten. Aufgrund dessen wirken die größten mechanischen
Spannungen gerade im Bereich des geschwächten Quer
schnitts der Aktivelemente, so daß eine erhöhte Ge
fahr des Bruches der Elektrodenelemente an der ge
nannten Stelle gegeben ist.
Schließlich ist bei der bekannten Anodenkonstruktion
kein bzw. wenig Augenmerk gerichtet auf die notwendi
ge Elektrolytbewegung im Bereich der in die Schmelze
eintauchenden unteren Abschnitte der Elektrodenele
mente sowie auf die Gasabfuhr im Bereich der Elektro
denelemente.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine inerte Verbund
elektrode der vorausgesetzten Art zu schaffen, bei
der die oxidkeramischen Aktivelemente unter Berück
sichtigung der Werkstoff- und Herstellungstechnologie
für Oxidkeramik gestaltet sind, die einen einfachen
Aufbau besitzt und leicht montierbar ist sowie einen
guten elektrochemischen Wirkungsgrad aufweist.
Diese Aufgabe wird bei einer inerten Verbundelektrode
mit den eingangs genannten Merkmalen dadurch gelöst,
daß die Aktivelemente jeweils plattenseitig einen
Kopfabschnitt aufweisen, der in seinem senkrecht zur
Fluchtlinie einer Gruppe liegenden Querschnitt und in
Richtung der plattenseitigen Stirnfläche im wesentli
chen keilförmig verbreitert ist, und mit jeder der
zwei gegenüberliegenden Keilflächen des Kopfab
schnitts des jeweiligen Aktivelements ein Spannele
ment mit einer Keilfläche in Anlage gebracht ist,
deren Keilwinkel dem der jeweiligen Keilfläche des
Kopfabschnittes im wesentlichen entspricht.
Der Aktivteil der erfindungsgemäßen Anode ist also
aufgelöst in eine Mehrzahl von stabförmigen Aktivele
menten, wie dies an sich bekannt ist. Die Aktivele
mente sind herstellungstechnologisch günstig gestal
tet, weil der keilförmige Kopfabschnitt der Gestal
tung in der Keramik-Technologie entgegenkommt, wo
hingegen die im Kopfabschnitt der Aktivelemente der
bekannten Anode vorgesehenen Bohrungen schon her
stellungstechnisch eine Reihe von Problemen verursa
chen, wie oben dargelegt wurde.
Im montierten Zustand sind die Aktivelemente im Be
reich der Keilverspannung ausschließlich auf Druck
beansprucht, was durch den oxidkeramischen Werkstoff
aufgrund dessen hoher Druckfestigkeit ohne weiteres
aufgenommen werden kann, zumal der Querschnitt im
druckbeaufschlagten Bereich der Aktivelemente auf
grund der Keilform der Kopfabschnitte vergrößert ist.
Als Folge der Querschnittsvergrößerung im Einspannbe
reich der Aktivelemente können auch die Zugspannungen
aufgrund des Gewichtes der Aktivelemente gut aufge
nommen werden. Insgesamt ergibt sich also eine mecha
nisch sehr stabile Anodenkonstruktion.
Die Keil- bzw. Schwalbenschwanzverspannung der Aktiv
elemente mittels der beschriebenen Spannelemente
ergibt zugleich einen selbstjustierenden Effekt mit
der Folge, daß sämtliche der Aktivelemente mit ihren
Stirnflächen in innigen Kontakt mit der stromführen
den Platte gelangen, und zwar unter Überbrückung bzw.
aufgrund Ausgleichs eventuell bestehender Fertigungs
toleranzen. Aufgrund der selbstjustierenden Keilver
spannung zwischen den Aktivelementen einerseits und
den Spannelementen bzw. der Platte andererseits
werden des weiteren eventuelle Bewegungen der Bau
gruppen zueinander aufgrund der unterschiedlichen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe
ausgeglichen, so daß auch im Betrieb der Anode ein
inniger Kontakt der Stirnflächen der Aktivelemente
mit den Spannelementen und der stromzuführenden Plat
te erhalten bleibt. Auf diese Weise ist eine dauer
hafte und sowohl elektrisch als auch mechanisch opti
male Verbindung zwischen der metallischen Stromzufüh
rung und den keramischen Aktivelementen gewährlei
stet.
Dadurch wird der Spannungsabfall zwischen der strom
zuleitenden Platte und den Stirnflächen der Aktivele
mente minimiert.
Darüber hinaus ist bei der erfindungsgemäßen Anode
die Stromübertragungsfläche zwischen der stromführen
den Platte und den Aktivelementen dadurch vergrößert,
daß die Spannelemente ebenfalls in elektrischer Ver
bindung sowohl zur Platte als auch zu den Keilflächen
der Elektrodenelemente stehen, so daß letztere die
Gesamt-Kontaktfläche der Aktivelemente in bezug auf
das stromzuführende Bauteil entsprechend vergrößern.
Aufgrund der vergrößerten Gesamt-Kontaktfläche wird
auch dementsprechend der Spannungsabfall verkleinert.
Aufgrund der schon angesprochenen Querschnittsvergrö
ßerung im Kopfabschnitt der Aktivelemente, d. h. gera
de im kalten Bereich derselben, ist die Stromführung
an dieser kritischen Stelle entscheidend verbessert.
Die Flächennutzung der erfindungsgemäßen Anode ist
also sehr gut, da die Stromlinien einen gewissen
seitlichen Umgriff haben und die wirksame Anodeflä
che in etwa gleich der projizierten Anodenfläche ist.
Nachdem die Anodenelemente aus einem Werkstoff mit
Heißleiter-Eigenschaften bestehen, sind die im kal
ten, d. h. nicht gutleitenden Bereich der Anodenele
mente getroffenen Maßnahmen zur Erhöhung der Leitfä
higkeit, nämlich die Querschnittsvergrößerung im
Kopfabschnitt der Anodenelemente, die spezielle Aus
bildung des Werkstoffes der Anodenelemente zur Erhö
hung der Leitfähigkeit und die vergrößerte Stromüber
tragungsfläche entscheidend zur Erhöhung des elektri
schen Wirkungsgrads. Insgesamt weist also die erfin
dungsgemäße Anodenanordnung einen sehr guten elek
tro-chemischen Wirkungsgrad auf.
Zwischen den gruppenweise angeordneten Aktivelementen
sind mindestens dort, wo die Spannelemente vorgesehen
sind, Kanäle zwischen den Aktivelementen ausgebildet.
Einerseits kann im Bereich der in die Schmelze bzw.
in den Elektrolyt eintauchenden unteren Abschnitt der
Aktivelemente in diesen Kanälen die Schmelze und der
Elektrolyt zirkulieren, wodurch einer sonst möglichen
Verarmung des Elektrolyts effektiv entgegengewirkt
wird. Andererseits stellen diese Kanäle für die Gas
abfuhr genug Raum zur Verfügung, so daß das ent
wickelte Gas schnell abgeführt wird. Beides trägt zu
einer Erhöhung des elektrochemischen Wirkungsgrads
des mit den erfindungsgemäßen Elektroden durchgeführ
ten Prozesses bei.
Zweckmäßige Ausbildungen der erfindungsgemäßen Ver
bundelektrode ergeben sich aus den übrigen Ansprü
chen.
So können beispielsweise die Aktivelemente einer
Gruppe in deren Fluchtlinie untereinander in Anlage
stehen. Es sind also nur Kanäle zwischen den Aktiv
elementen dort gebildet, wo Spannelemente zwischen
den Aktivelementen liegen. Dadurch ergibt sich einer
seits ein sehr kompakter Aufbau des Aktivteils der
erfindungsgemäßen Anode, andererseits ist aber auch
ausreichend einer entsprechenden Bewegung der Schmel
ze und des Elektrolyts sowie der Gasabfuhr Rechnung
getragen.
Zwar ist durch die keilförmige Verbreiterung der
Kopfabschnitte der Aktivelemente bereits der Span
nungsabfall im kalten Bereich weitgehend reduziert.
Trotzdem kann es sich noch empfehlen, die elektrische
Leitfähigkeit des Werkstoffes der Aktivelemente im
Bereich des Kopfabschnittes hoher auszulegen als im
übrigen Bereich, nachdem diese Werkstoffe Heißleiter
eigenschaften besitzen. Dies ist z. B. dadurch mög
lich, daß der Werkstoff der Aktivelemente im Bereich
des Kopfabschnittes ein Cermet ist, das vorzugsweise
Silber enthaltendes Zinnoxid ist. Damit ist die
Stromleitfähigkeit im kritischen Kopfabschnitt der
Aktivelemente bei der erfindungsgemäßen Elektrode
noch weiter verbessert.
Um den Übergangswiderstand zwischen der stromzulei
tenden Platte und den Aktivelementen noch weiter zu
verkleinern, kann es von Vorteil sein, daß zwischen
der betreffenden Hauptfläche der Platte und den ent
sprechenden Stirnflächen der Aktivelemente eine Kon
taktschicht eingebracht ist. Diese kann durch ein
Netz aus gut leitendem Metall, insbesondere Kupfer,
gebildet sein.
Es kann für jede fluchtende Gruppe von Aktivelementen
beidseitig je ein durchgehendes Spannelement oder
aber separate Spannelemente vorgesehen sein. Es ist
aber auch möglich, daß das Spannelement zur Befesti
gung von zwei gegenüberliegenden Aktivelementen
zweier benachbarter Gruppen ausgebildet ist und hier
zu zwei gegenüberliegende Keilflächen mit im wesent
lichen spiegelbildlicher Anordnung aufweist. Dadurch
erniedrigt sich der Aufwand in der Fertigung und in
der Montage weiter.
Das angesprochene Spannelement kann zweckmäßigerweise
im Querschnitt senkrecht zur Fluchtlinie der Gruppen
der Aktivelemente trapezförmig ausgebildet sein.
Des weiteren sind jedem Aktivelement je zwei separate
Spannelemente zugeordnet und die Länge eines Spann
elements entspricht im wesntlichen der Länge eines
Aktivelements.
Es ist aber auch möglich, daß für jeweils eine Gruppe
von Aktivelementen je zwei durchgehende Spannelemente
vorgesehen sind und die Länge eines Spannelementes
der Länge einer Gruppe von Aktivelementen im wesent
lichen entspricht.
Für eine schnelle Montage und Demontage empfiehlt es
sich, daß die Spannelemente mittels Schrauben an der
Platte befestigt sind.
Zur Vermeidung von Korrosion aufgrund der in der
Zelle vorhandenen aggressiven Gase und der hohen
Temperaturen ist es natürlich zweckmäßig, nicht nur
die dem Zelleninneren zugekehrten Bereiche der strom
führenden Platte, sondern auch die Spannelemente
einschließlich ihrer Befestigungselemente durch Ab
deckelemente aus korrosionsbeständigem Werkstoff zu
schützen. Es bieten sich Keramik-Grafit-Verbundmate
rialien an, z. B. Tongrafit.
Schließlich ist es von erheblichem Vorteil, die
stromzuführende Platte zu kühlen. Dadurch ist es
möglich, den Elektrodenhalter so dicht wie möglich an
die Schmelze heranzuführen und trotzdem die Kontakt
temperatur zwischen Platte und Aktivelemente unter
250°C zu halten. Dies ist insbesondere dann erforder
lich, wenn die Anode mit höherer Strombelastung ge
fahren wird, da bekanntlich die Temperatur der Elek
troden quadratisch mit der Strombelastung steigt.
Bevorzugt sollte die Kühlung so ausgelegt sein, daß
ca. 30 bis 35% der
Gesamtwärme über die Anodenoberfläche abgeführt
werden. Der Vorteil des möglichst nahen Heranführens
des Elektrodenhalters ist natürlich darin zu sehen,
daß die Aktivelemente dadurch kurz ausgebildet werden
können, wodurch einerseits teurer Werkstoff einge
spart werden kann und andererseits der Spannungsab
fall in den Aktivelementen weiter erniedrigt wird.
Zweckmäßigerweise wird die Kühlung der Platte durch
eine Wasserkühlung verwirklicht, wofür die Platte als
Hohlkörper ausgebildet ist, innerhalb dem Kanäle für
das Kühlwasser angeordnet sind. In diesem Fall ist es
schließlich zweckmäßig, daß der jeweilige Stromzulei
ter zur Platte durch das Innere des Hohlkörpers hin
durchgeführt und mit der Innenseite der Hauptfläche,
mit der die Aktivelemente in Kontakt stehen, elek
trisch verbunden ist.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der erfindungsgemä
ßen Verbundelektrode ergeben sich anhand der Be
schreibung der Zeichnung und der Erläuterung eines
speziellen Ausführungsbeispiels.
In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Aus
führungsbeispiels der erfindungsgemäßen Verbundelek
trode,
Fig. 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht der
erfindungsgemäßen Verbundelektrode, und
Fig. 3 die Ansicht A und den Schnitt B-B entsprechend
der Fig. 2.
Die erfindungsgemäße inerte Elektrode, insbesondere
Anode für die Schmelzflußelektrolyse, besteht im
wesentlichen aus drei Baugruppen, nämlich einem ins
gesamt mit 10 bezeichneten Aktivteil, einem insgesamt
mit 30 bezeichneten Elektrodenhalter und einer insge
samt mit 40 bezeichneten Anordnung zum Verbinden der
zwei erstgenannten Baugruppen.
Der Aktivteil besteht aus einer Mehrzahl von stabför
migen Aktivelementen, die allgemein mit 20 bezeichnet
sind. Diese sind mit ihren in der Montagestellung in
der Zelle vertikal ausgerichteten Längsachsen pa
rallel nebeneinander und in zueinander längs der
Fluchtlinie 25 (Fig. 3) fluchtenden Gruppen 11, 12,
13 usw. angeordnet. Sie sind in ihrem zu ihrer Längs
achse senkrechten Querschnitt im wesentlichen quadra
tisch bzw. rechteckförmig. Sie bestehen aus einem
noch näher zu bezeichnenden, elektrisch leitenden und
elektrochemisch aktiven oxidkeramischen Werkstoff.
Die Aktivelemente 20 weisen jeweils einen Kopfab
schnitt 21 auf, der in seinem senkrecht zur Fluchtli
nie einer Gruppe liegenden Querschnitt und in Rich
tung der entsprechenden Stirnfläche 22 durch Keilflä
chen 23 verbreitert ist.
Der im wesentlichen plattenförmig ausgebildete Elek
trodenhalter 30 besitzt eine - in der Montagestellung
in der Elektrolysezelle gesehen - nach unten gerich
tete Hauptfläche 31, an der die Aktivelemente 20 mit
ihren Stirnflächen 22 mechanisch und elektrisch in
Kontakt gehalten sind. Dies erfolgt mit Hilfe von die
Verbindungsanordnung
40 darstellenden Spannelementen 41. Diese Spannele
mente sind in ihrem parallel zur Längsachse der
Aktivelemente 20 und senkrecht zur Fluchtlinie einer
Gruppe verlaufenden Querschnitt so trapezförmig aus
gebildet, daß die zwei gegenüberliegenden Keilflächen
42 mit den gleichwinklig liegenden Keilflächen 23
zweier in zwei benachbarten Gruppen, z. B. 12, 13,
gegenüberliegenden Aktivelementen 20 mit entsprechen
der Vorspannung in Anlage stehen. Hierzu sind die
Spannelemente 41 mittels Schrauben mit dem platten
förmigen Elektrodenhalter 30 verschraubt.
Durch die Spannelemente 41 sind zwei benachbarte
Gruppen 11, 12, 13 usw. von Aktivelementen so beab
standet, daß Kanäle 50 ausgebildet sind, die in be
schriebener Weise eine Zirkulation des Elektrolyts
bzw. der Schmelze zwischen den unteren, in die
Schmelze bzw. in den Elektrolyt eintauchenden Ab
schnitten 26 der Aktivelemente 20 ermöglicht wird und
die andererseits eine rasche Abfuhr des bei dem Elek
trolyseprozeß entwickelten Gases zwischen den Gruppen
angeordneten Aktivelementen 20 nach oben hin gewähr
leisten.
Der plattenförmige Elektrodenhalter 30 ist als Hohl
körper ausgebildet, bestehend aus einer unteren hori
zontalen Platte 32, einer oberen, zur ersten parallel
angeordneten Platte 33 und dazu senkrechten Seiten
wänden 34. Der Hohlraum dient zur Zirkulation von
Kühlwasser im Innenraum 35 des Elektrodenhalters 30.
Hierzu ist ein Kühlwasser-Zulaufrohr 36 vorgesehen,
das randseitig in den Innenraum 35 mündet. Entlang
spiralförmig
verlaufenden Leitwänden 37 zirkuliert das Kühlwasser
durch den Innenraum 35 des plattenförmigen Elektro
denhalters 30 bis zu dessen Zentrumsbereich und von
dort wieder in den peripheren Bereich, von wo das
entsprechend erwärmte Kühlwasser durch ein Kühlwas
serableitrohr 38 abgezogen wird.
Der plattenförmige Elektrodenhalter 30 ist des weite
ren mit mehreren Stromzuführungs-Bolzen 60 ausge
rüstet, über die der elektrische Strom dem platten
förmigen Elektrodenhalter 30 zugeleitet und von dort
auf die Elektrodenelemente 20 übertragen wird. Zur
Verbindung der Stromzuführungsbolzen 60 mit der unte
ren Platte 33 des Elektrodenhalters 30 sind an der
Innenfläche der unteren Platte 33 jeweils Muffen 61
verschweißt, die ein Innengewinde besitzen, mit dem
der untere und mit einem Außengewinde versehene Ab
schnitt des entsprechenden Stromzuführungsbolzens 60
verschraubt ist. Um den Stromzuführungsbolzen 60 im
Bereich des Innenraums der Zelle vor Korrosion zu
schützen, ist dieser mit Schutzhülsen 62 aus korro
sionsbeständigem Material umgeben.
Um den elektrischen Kontakt zwischen den Stirnflächen
22 der Aktivelemente 20 und der Fläche 31 des plat
tenförmigen Elektrodenhalters noch weiter zu verbes
sern, ist zwischen diesen Flächen ein Netz 39, z. B.
aus Kupfer, eingebracht.
Der plattenförmige Elektrodenhalter 30 und die Spann
elemente 41 sowie deren Spannschrauben 43 bestehen
zweckmäßigerweise aus Stahl. Sie können auch aus
Nickel oder aus Stahl- bzw. Nickellegierungen beste
hen.
Zum Schutz dieser Bauteile gegen Korrosion sind Ab
deckelemente vorgesehen. Die an der Unterseite der
Spannelemente angeordneten Abdeckelemente 44 sind
z. B. mittels einer Schwalbenschwanzführung an den
Spannelementen 41 gesichert. Die seitlichen Abdeck
elemente 45 können mit den stirnseitigen Enden der
Spannelemente 41 durch Schrauben 46 verschraubt sein.
Die Aktivelemente 20 bestehen zweckmäßigerweise aus
dotierter Oxid-Keramik, z. B. Zinnoxid, Nickelferrit
oder Yttriumoxid.
Beispielsweise kann die Zusammensetzung wie folgt
sein:
94,1 Atom-% Zinnoxid
3,8 Atom-% Kupfer
2,1 Atom-% Antimon
3,8 Atom-% Kupfer
2,1 Atom-% Antimon
Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel der erfin
dungsgemäßen Anode hat sich folgende Dimensionierung
der stabförmigen Aktivelemente als zweckentsprechend
erwiesen:
Querschnitt der oberen Stirnfläche:3 × 3 cm
Querschnitt der unteren Stirnfläche:2 × 2 cm
Länge:25 cm
Keilwinkel:20°
Abstand zwischen zwei benachbarten
Gruppen von Elektrodenelementen:1,5 cm
Gruppen von Elektrodenelementen:1,5 cm
Die Seitenlänge des oberen Querschnitts kann zweckmä
ßigerweise zwischen ca. 2 und 6 cm liegen. Die
Länge der Aktivelemente kann zwischen ca. 15 cm und
ca. 40 cm liegen. Der erwähnte Abstand zwischen zwei
Gruppen von Aktivelementen kann zwischen ca. 1 cm und
ca. 2 cm liegen. Der Keilwinkel des Kopfabschnittes
der jeweiligen Aktivelemente kann zwischen ca. 5° und
ca. 25° betragen.
Das beschriebene Ausführungsbeispiel der erfindungs
gemäßen Anode wurde in einer Elektrolysetestzelle mit
folgenden Betriebsdaten betrieben:
Badzusammensetzung
Kryolith84 Gew.-%
AlF3 5 Gew.-%
Al20310 Gew.-%
CaF2 1 Gew.-%
Temperatur:980-1000°C
Klemmspannung:4-5 Volt
Stromstärke:30 A
Stromdichte an der Anode:2 A/cm2
Stromdichte an der Kathode:0,14 A/cm2
Elektrodenabstand:3 cm
Tauchtiefe der Anoden:2 cm
Claims (17)
1. Inerte Verbundelektrode, insbesondere Anode für
die Schmelzflußelektrolyse, bestehend aus
- - einem Aktivteil in Form einer Mehrzahl von stabförmigen Aktivelementen, insbesondere aus Oxidkeramik, die mit ihren Längsachsen pa rallel nebeneinander und in zueinander fluchtenden Gruppen angeordnet sind,
- - einem Elektrodenhalter, der eine stromleiten de Platte umfaßt, mit deren einer Hauptfläche die Aktivelemente mit ihren Stirnflächen kraftschlüssig in Kontakt stehen, und
- - einer Verbindungsanordnung, die die Aktivele mente gruppenweise untereinander verbindet und mit der Platte in Kontakt hält,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Aktivelemente (20) jeweils plattenseitig einen Kopfabschnitt (21) aufweisen, der in seinem senkrecht zur Fluchtlinie (25) einer Gruppe (z. B. 11, 12 usw.) liegenden Quer schnitt und in Richtung der plattenseitigen Stirnfläche (22) im wesentlichen keilförmig (23) verbreitert ist, und
- - mit jeder der zwei gegenüberliegenden Keil flächen (23) des Kopfabschnitts (21) des jeweiligen Aktivelements (20) ein Spannele ment (41) mit einer Keilfläche (42) in Anlage gebracht ist, deren Keilwinkel dem der jewei ligen Keilfläche des Kopfabschnittes im we sentlichen entspricht.
2. Verbundelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Aktivelemente (20) einer Gruppe
(z. B. 11) in deren Fluchtlinie (25) untereinander
in Anlage stehen.
3. Verbundelektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die elektrische Leitfähigkeit
des Werkstoffs der Aktivelemente (20) im Bereich
des Kopfabschnitts (21) höher ist als im übrigen
Bereich.
4. Verbundelektrode nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Werkstoff der Aktivelemente
(20) im Bereich des Kopfabschnitts (21) ein
Cermet ist, das vorzugsweise Silber enthält.
5. Verbundelektrode nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen
der betreffenden Hauptfläche (31) der Platte (30)
und den entsprechenden Stirnflächen (22) der
Aktivelemente (20) eine Kontaktschicht(39) ein
gebracht ist.
6. Verbundelektrode nach Anspruch 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Kontaktschicht durch ein Netz
(39) aus gut leitendem Metall, insbesondere
Kupfer, gebildet ist.
7. Verbundelektrode nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Spann
element (41) zur Befestigung von zwei gegenüber
liegenden Aktivelementen (20) zweier benachbarter
Gruppen (z. B. 11, 12) ausgebildet ist und hierzu
zwei gegenüberliegende Keilflächen (42) mit im
wesentlichen spiegelbildlicher Anordnung auf
weist.
8. Verbundelektrode nach Anspruch 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Spannelement (41) im Quer
schnitt senkrecht zur Fluchtlinie der Gruppen der
Aktivelemente trapezförmig ist.
9. Verbundelektrode nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedem
Aktivelement (20) je zwei separate Spannelemente
(41) zugeordnet sind und die Länge eines Spann
elements (41) der Länge eines Aktivelements (20)
im wesentlichen entspricht.
10. Verbundelektrode nach einem der vorhergehenden
Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
für jeweils eine Gruppe (z. B. 11) von Aktivele
menten (20) je zwei durchgehende Spannelemente
(41) vorgesehen sind und die Länge eines Spann
elementes (41) der Länge einer Gruppe (z. B. 11)
von Aktivelementen (20) im wesentlichen ent
spricht.
11. Verbundelektrode nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spann
elemente (41) mittels Schrauben (43) an der
Platte (30) befestigt sind.
12. Verbundelektrode nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spann
elemente (41), bevorzugt einschließlich
ihrer Befestigungsmittel (43), gegen das Innere
der Zelle durch Abdeckelemente (44, 45) aus kor
rosionsbeständigem Werkstoff geschützt sind.
13. Verbundelektrode nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte
(30) gekühlt ist.
14. Verbundelektrode nach Anspruch 13, dadurch ge
kennzeichnet, daß eine Wasserkühlung vorgesehen
ist.
15. Verbundelektrode nach Anspruch 14, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Platte (30) als Hohlkörper
ausgebildet ist, innerhalb dem Kanäle für das
Kühlwasser angeordnet sind.
16. Verbundelektrode nach einem der vorhergehenden
Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens ein Stromzuleiter (60) zur Platte
vorgesehen ist, der durch das Innere des Hohlkör
pers hindurchgeführt und mit der Innenseite der
Hauptfläche (31), mit der die Elektrodenelemente
(20) in Kontakt stehen, elektrisch verbunden ist.
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