DE3636629A1 - Schmelzflusselektrolysezelle mit nichtmetallischem zellentrog und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft im engeren Sinne den Zellentrog als außen liegende Ummantelung des Kohlefutters und der unter diesem liegenden thermischen Isolierung einer kathodischen Schmelzflußelektrolysezelle, insbesondere einer solchen zur Aluminiumdarstellung, und betrifft im weiteren Sinne die Gesamtkonstruktion einer Elektrolysezelle einschließlich deren Herstellung ohne Verwendung eines metallischen Zellentroges.

Zur Darstellung von Aluminium aus seinen Salzen kommen in der Praxis nach dem Stande der Technik ausnahmslos Elektrolysezellen mit einer Stahlwanne als Zarge oder Zellentrog zur Anwendung. Dieser Teil der Elektrolysezelle trägt innen eine thermische Isolierung aus keramischem Material und darüber eine Kohleauskleidung oder ein Kohlefutter als kathodische und dem Schmelzfluß und den Elektrolyseprodukten gegenüber zugleich chemisch möglichste inerte Kontaktfläche. Das Kohlefutter untergliedert sich dabei in ein Bodenteil mit metallischen Stromzuführungsleitern und in die aus vorgebackener Kohlemasse und/oder aus monolithisch gestampfter Kohlestampfmasse gefertigte Seitenwandauskleidung.

Die übliche Lebensdauer eines solchen Kohlefutters beträgt 1 bis 6 Jahre und muß dann erneuert werden. Bei der Gelegenheit muß außerdem die sehr teure Stahlwannne, die sich durch die hohen thermischen und mechanischen Betriebsbelastungen deformiert hat, kostenintensiv ausgebessert werden, sofern sie nicht gegen eine neue überhaupt zu ersetzen ist.

Da sich die Deformationen trotz der Reparatur- und Richtmaßnahmen nicht voll beseitigen lassen, besitzt eine wiederverwendete Stahlwanne reduzierte Formgenauigkeiten und Toleranzen und ist ferner gegen mechanische Belastungen geschwächt. Hieraus ergibt sich bei der Neuauskleidung die Schwierigkeit, die Isolier- und Futtermaterialien paßgenau mit der Wanne zu verbinden. Die Qualität einer Schmelzflußelektrolysezelle mit wiederverwendeter Stahlwanne wird daher im allgemeinen von Anfang an immer geringer sein als bei einer Zelle mit neuer Stahlwanne und bedingt, daß sich frühzeitig Störungen im Betriebsablauf einstellen können und generell mit verkürzten Standzeiten zu rechnen ist.

Ein mit einer Stahlwanne als Zellentrog verbundener weiterer Nachteil ist das sehr begrenzte Arbeiten innerhalb der Wanne bei deren Komplettierung zur betriebsfertigen Elektrolysezelle, was sämtliche Schritte des Einbaus der thermischen Isolierung, der Stromzuführungsleitungen und des Kohlefutters behindert und die korrekte, fugenlose und niveaugleiche Zusammenfügung der Kohleblöcke zum Zellenboden und zu den Zellenwänden, so daß zur Ausgleichung von Fugen und Unregelmäßgkeiten mit einer üblicherweise kohlehaltigen Stampfmasse nachgearbeitet werden muß. Die Verwendung derartiger Füllmassen ist jedoch unerwünscht, da sie beim Brennen zur Ausbildung von Rissen neigen, durch die im Laufe des Elektrolysebetriebs Schmelzmasse eindringt und unter allmählichem Vordringen in das Kohlefutter dieses zerstört. Um eine bestmögliche Haltbarkeit des Kohlefutters zu erreichen, sollte die gesamte Kohleauskleidung vollständig monolithisch, also zu einem Stück, gefertigt sein. Aus den oben genannten Gründen ist dies beim inneren Ausbau der bekannten Zellentröge aber nicht generell möglich. Die monolithische Zusammenfügung von Kohleblöcken ist hier nach den bekannten Techniken auf den Boden des Kohlefutters beschränkt.

Ein bei Stahlwannen als Zellentrog auftretender weiterer Nachteil liegt in der starken Beschneidung der Ausdehnungsmöglichkeit für die Auskleidung, deren Kohleblocks unter den chemischen und thermischen Elektrolysebedingungen eine merkliche Expansion erfahren. Gerade diese Ausdehnungsbegrenzung ist vermutlich eine wesentliche Quelle für die in dem Kohlefutter auftretenden und dessen Lebensdauer herabsetzenden Risse und Sprünge.

Schließlich erschwert oder verunmöglicht die nach dem Stande der Technik herrschende Notwendigkeit, die Gesamtauskleidung einer Schmelzflußelektrolysezelle einschließlich des Zusammenbaus der thermischen Isolierung und des Kohlefutters und ferner des Einbaus der Stromleiter usw. innenseits eines vorgegebenen Raumes, nämlich der Stahlwanne als Zellentrog, ausführen zu müssen, die Mechanisierung der Zusammenbauarbeiten, so daß der größere Teil der Tätigkeiten unter erhöhten Erstellungs- bzw. Reparatur- und Wiederherstellungskosten von Hand zu leisten ist.

Gegenüber den zum Stand der Technik geschilderten Nachteilen ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Stahlwanne oder ein aus anderem Material in starrwandiger Bauweise errichtetes Gefäß als vorgegebenen bzw. vorgefertigten leeren Zellentrog, der nachträglich im Innenausbau zu einer kompletten kathodischen Schmelzflußelektrolysezelle mit Kohlefutter auszurüsten ist, zu vermeiden.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß als Zellentrog eine Betonschale vorgesehen ist, die - entgegen der generellen Arbeitsweise nach dem Stande der Technik - nachträglich auf die zellentrogfrei fertiggestellte Innenausrüstung einer Elektrolysezelle als plastisch aufgetragene und um die Innenausrüstung erstarrte Außenhülle aufgebracht ist.

Als Beton für die als Zellentrog fungierende Betonschale kann jede gegenüber den üblichen Außenwandtemperaturen von Schmelzflußelektrolysezellen beständige bekannte Betonmischung verwendet werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungform der Erfindung ist die Betonschale aus einem hitzefesten Auskleidungszement, beispielsweise einem Aluminiumoxidzement mit hitzebeständigem Füllstoff, gefertigt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform besteht die Betonschale ganz oder teilweise aus verstärktem Beton, wobei als Verstärkermaterial wie üblicherweise Stahleinlagen oder Fasern, z.B. Stahl- oder Carbonfasern, Verwendung finden können.

Darüberhinaus läßt sich die Betonschale in Verbundbauweise aus wenigstens zwei Betonschichten unterschiedlicher Zusammensetzung und Eigenschaften fertigen und ferner deren Bodenteil und deren Seitenwandteil aus unterschiedlichen Betonmischungen, so daß Boden­ und Seitenwand unterschiedliche mechanische und Elastizitätseigenschaften erhalten.

Die Konstruktion einer Schmelzflußelektrolysezelle, insbesondere einer solchen zur Darstellung von Aluminium, mit einer äußeren Betonschale als Zellentrog gemäß der Erfindung erfolgt in der Weise, daß zunächst die komplette Innenausrüstung des kathodischen Teils der Elektrolysezelle fertiggestellt und diese anschließend mit der Betonschale als Zellentrog umkleidet wird.

Die Errichtung der Innenausrüstung erfolgt dabei auf einer Modellform mit den äußeren Abmessungen der gewünschten Innengestalt der Elektrolysezelle, indem sämtliche Schichten bzw. Teile der Innenausrüstung in der Reihenfolge vom Inneren zum Äußeren schrittweise zusammen- bzw. übereinandergebaut werden. Die Errichtung beginnt daher mit der Anlage des Kohlefutters durch Zusammenfügen der Kohleblöcke für den Boden, die Seitenwände und gegebenenfalls für einen Übergang zwischen dem Boden- und dem Seitenwandteil des Kohlefutters, setzt sich mit der Einordnung der Stromschienenleiter fort und wird durch die Anlage der Sperrschicht und der Schicht oder Schichten der thermischen Isolierung vollendet.

Diese Konstruktion wird dann mit der plastischen Betonmasse überzogen, was bevorzugterweise durch Aufspritzen geschieht, worauf nach Aushärtung des Betonmantels zur Betonschale als Zellentrog gemäß der Erfindung die fertige kathodische Elektrolysezelle von der Modellform abgenommen wird.

Da eine derartige Elektrolysezelle im Betrieb von bzw. in einem Tragegestell getragen wird, ordnet man dieses vorteilhafterweise noch während des Aushärtens der Betonschale um diese herum an, um hierdurch eine besonders genaue Anpassung und Verbindung zwischen dem Gestell und der Außenkonstruktion der Elektrolysezelle zu erhalten.

Die Konstruktionslösung gemäß der Erfindung, nach der das Kohlefutter nicht wie nach dem Stande der Technik zuletzt, sondern zu Beginn und damit ohne Rücksichtnahme auf einen Unterbau mit Verwerfungen oder anderen geometrischen Unregelmäßikeiten auf einer penibel genau herrichtbaren Fläche ausgelegt wird, ermöglicht daher, die Kathodenkohle durch akkuraten Zusammenbau von Kohleblöcken in der Oberfläche besonders einheitlich und in der Tiefe fugenlos herzurichten. Man gelangt also zu monolithischen Kohleauskleidungen mit Kohleblöcken ohne auf die wegen der nachfolgenden Brennarbeit nachteiligen Kohlestampfmassen angewiesen zu sein. Werden die einzelnen Kohleblöcke bei ihrem Aneinanderbau miteinander verklebt, wird das Kohlefutter derart kompakt monolithisch, daß dem Eindringen von Elektrolytschmelze und flüssigem Metall in das Futter engste Grenzen gesetzt sind, so daß ein Auseinanderweichen und Deformationen des Kohleblockbodens aus diesem Anlaß unterbunden bleiben.

Gegenüber den bekannten Techniken zeichnet sich das Konstruktionsprinzip gemäß der Erfindung durch leichte Zugänglichkeit zum Arbeitsfeld und die räumlich ungehinderte Verwendung von Hilfs­ und Arbeitsgerätschaften aus mit dem Ergebnis weitgehender Mechanisierbarkeit der Herstellungsarbeiten und demzufolge hoher Kostengünstigkeit. Im übrigen bleiben etliche nach dem Stande der Technik erforderliche Hilfsmaßnahmen, wie die Nachbehandlung von Fugen mit Ausgleichsmassen und deren notwendiges Einbrennen vermieden. Im weiteren weist eine gemäß der Erfindung hergestellte Elektrolysezelle wegen der gleichmäßig dichtest gesetzten Kohleblöcke und der mit der Gesamtauskleidung besonders fest zusammenhaltenden, aufgegossenen Betonschale als Zellentrog eine ganz hervorragende mechanische Stabilität auf.

Ferner gegenüber den bekannten Techniken unter Verwendung von Stahlwannen als Zellentrog gewährt die Erfindung eine hohe Unabhängigkeit in der konstruktiven Formgebung für die kathodische Elektrolysezelle, der sich ohne technische Schwierigkeit jede beliebige Länge, Breite, Höhe, Wandausformung usw. zufolge der in jede Form modulierbaren Betonschale als Zellentrog geben läßt.

Bei entsprechendem Betonwerkstoff erhalten die Seitenwände der Betonschale, d.h. des Zellentroges, ein gewisses Maß an Nachgiebigkeit oder Elastizität, wodurch sich die Auskleidung der Elektrolysezelle im Schmelzbetrieb besser als bei einer Stahlwanne ausdehnen kann. Die oben bei Stahlwannen als Zellentrog beschriebene Gefahr der Ausbildung von Rissen und Sprüngen im Kohlefutter durch eine Expansionsbehinderung ist bei Betonschalen gemäß der Erfindung als Zellentrog damit verringert.

Mit Vorteil läßt die Erfindung auch eine gegenüber dem Bekannten größere freie Wahl in der Bemessung der Form, Größe und Anzahl der Stromzuführungsleitungen und deren Einordnung in das Kohlefutter zu.

Einen besonders hervorzuhebenden Vorteil bietet die Erfindung für den Fall, daß die Kohlekathode, das Kohlefutter der Elektrolysezelle, verbraucht ist und erneuert werden muß. Während bei Stahlwannen das Kohlefutter mitsamt den Stromleitungen und der thermischen Isolierung usw. ausgebaut werden und die Stahlwanne zu deren möglichsten Wiederverwendung repariert und gerichtet werden muß, läßt sich eine Elektrolysezelle gemäß der Erfindung ohne weiteres im ganzen entfernen und ersetzen.

Damit sind erhebliche Zeit- und Kostenvorteile verbunden. Die Neuherstellung einer Betonschale gemäß der Erfindung ist wesentlich preisgünstiger und schneller als die Reparatur einer Stahlwanne. Die Fertigstellung der gesamten Elektrolysezelle geht wesentlich rascher vonstatten und ist billiger. Ausgleichsarbeiten an der Innenauskleidung anläßlich einer irregulären Zellentrogform, wie bei deformierten bzw. verzogenen Stahlwannen erforderlich, entfallen. Und während bei solchen Wannen überdies eine Wiederanpassung der zuvor verwendeten Aufstelleinrichtung an den wiederverwendeten Zellentrog nicht zu umgehen ist, bleiben derartige Umstände bei einer zu praktisch jeder Außengestalt bildbaren Betonschale als Zellentrog gemäß der Erfindung vermieden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von zwei rein schematischen Figuren an einem Beispielsfall näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine kathodische Elektrolysezelle mit einer Betonschale als Zellentrog gemäß der Erfindung im betriebsfertig aufgestellten Zustand in einem Vertikalschnitt und

Fig. 2 die Zelle nach der Fig. 1 in derselben Schnittansicht, jedoch im Zustand ihrer auf einer Modellform beendeten Fertigstellung.

In Fig. 1 ist eine kathodische Schmelzflußelektrolysezelle zur Aluminiumgewinnung gezeigt, also der untere Teil einer Schmelzflußelektrolyseeinheit mit der Kathode am Boden. Diese Zelle umfaßt ein Kohlefutter, gebildet aus Kohleblöcken 1 für dessen Boden, Kohleblöcken 2 für dessen Seitenwände und Kohlezwischenblöcken 3 für den Übergang zwischen dem Boden und den Seitenwänden des Kohlefutters, ferner Stromzuführungsschienen 4, Schichten bzw. Lagen 5, 6 zur thermischen Isolierung, eine Sperrschicht 7 und eine Betonschale 8 als Zellentrog. Diese Zelle wird von einem Tragegestell 9 getragen, das auf einem Boden 10 ruht.

Zur Herstellung und zum Konstruktionsaufbau einer Elektrolysezelle mit einer Betonschale als Zellentrog gemäß der Erfindung werden unter Beibehaltung des Beispiels gemäß Fig. 1 nun unter Zuhilfenahme von Fig. 2 die Grundzüge eines bevorzugten Verfahrens angegeben.

Die Herstellung beginnt mit der Errichtung des Kohlefutters auf einer Modellform als Abbild der Innenfläche bzw. des Kathodenraumes der gewünschten Zelle. Für das Kohlefutter werden zunächst sauber vorgeformte Kohleblöcke 1 auf der Form 11 aufgelegt und Seite an Seite miteinander verklebt, worauf in derselben Blockgüte und Technik dann die Kohlezwischenblöcke 3 unter sich und mit den Blöcken 1 und die Seitenwandblöcke 2 unter sich und mit den Blöcken 3 miteinander verbunden werden. Auf diese Weise erhält man ein in sich einheitliches, dichtes und festes Kohlefutter mit glatter Oberfläche und monolithisch-homogenen Eigenschaften.

Sodann werden die Stromzuführungsschienen oder -leiter 4 auf, an bzw. in den hierfür vorgesehenen Kohlebodenblöcken 1 angeordnet und mit diesen Blöcken verbunden. Alternativ kann man auch so vorgehen, zunächst die Verbindung zwischen den Stromleitern 4 und den dafür bestimmten Kohleblöcken 1 vorzunehmen und dann erst den aus den Blöcken 1 zu bildenden Boden des Kohlefutters auf der Modellform 11 zusammenzusetzen.

Nach Fertigstellung des Kohlefutters wird die im Übergangsbereich des Bodens zu den Seitenwänden der Zelle vorgesehene thermische Isolierschicht 5 aufgebaut, worauf die Sperrschicht 7 mit guter Anlage an den Kohleblöcken 1 aufgebracht und der Zelleninnenaufbau mit dem Bau der thermischen Isolierauskleidung 6 für den Boden der Schmelzflußelektrolysezelle beendet wird.

Die erhaltene Gesamtkonstruktion wird schließlich mit einem Frischbetonmantel umgeben, der zur Betonschale 8 als Zellentrog gemäß der Erfindung aushärtet. Das Auftragen des Betons erfolgt dabei vorzugsweise durch ein Aufspritzen, sofern nicht, etwa für eine Betonschale 8 in Betonverbundbauweise oder in mehrschichtigem Aufbau, eine andere als vorteilhafter bekannte Technik zu wählen oder einzuhalten ist.

Ein noch nicht erwähnter hoher Vorteil des Konstruktionsprinzips gemäß der Erfindung ergibt sich aus der Einfachheit der sicheren und dichten Herausführung der Stromschienenleiter 4 aus dem Zellentrog. Während eine Stahlwanne als Zellentrog vorbereitete Durchlässe für die Durchführung der Stromzuleitungen aufweisen muß, und beim Einmontieren dieser Leitungen innerhalb des umschlossenen Raumes der Stahlwanne erhebliche Umstände zu bewältigen sind, geschieht die Einordnung der Stromleiter 4 durch den Zellentrog 8 bei seiner Frischbetonierung praktisch nebenbei und von selbst.

Nach der Verfestigung der Betonschale 8 wird die fertige Elektrolysezelle von der Form 11 genommen und später oder gegebenenfalls sogleich mit dem Haltegestell 9 versehen, wobei sich bei noch unvollständiger Aushärtung und noch ausreichender Plastizität der Betonschale 8 das Haltegestell 9 besonders paßgenau mit der Elektrolysezelle verbinden läßt. Die Anordnung des Haltegestells 9 an der Betonschale 8 vermag ebenso auch bei der auf der Modellform 11 aufliegenden Elektrolysezelle vorgenommen werden. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich unmittelbar aus den Ansprüchen.

Soweit für gewisse Schmelzflußelektrolysezellen und -prozesse nach dem Stand der Technik gemauerte Zellentröge verwendet werden, und soweit in früheren Jahrzehnten als Ersatz für Zelltröge aus Stahl solche aus armiertem Beton versucht worden sind, haben diese Gebilde als vorgefertigte Gehäuse dieselben Nachteile hinsichtlich des Innenausbaus wie oben zu den Stahlwannen geschildert. Außerdem unterscheidet sich eine Elektrolysezelle, die aus einer vorgefertigten Betonwanne hergestellt worden ist, bezüglich ihrer Verbindung mit der Innenauskleidung in der selben Weise von Elektrolysezellen gemäß der Erfindung wie die konventionellen Elektrolysezellen mit Stahltrog. Und schließlich müßte eine Elektrolyse mit einer vorgefertigten Betonwanne aus statischen und konstruktiven Gründen bei der isolierten Errichtung der Betonwanne eine ungleich stärke Außenwand oder Zellentrogwand aufweisen als eine Schmelzflußelektrolysezelle gemäß der Erfindung mit aufgegossener Betonaußenwand.

Claims (10)

1. Kathodische Schmelzflußelektrolysezelle, insbesondere zur Aluminiumdarstellung, aus einem nichtmetallischen Zellentrog mit Innenauskleidung, wobei die Innenauskleidung ein Kohlefutter als deren äußere Lage und eine Wärmedämmschicht (6) als deren innerste, an den Zellentrog angrenzende, Lage aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Zellentrog als auf die fertig ausgebildete Innenauskleidung plastisch aufgebrachte Betonschale (8) ausgebildet ist.

2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betonschale (8) unter Verwendung eines Betons auf Grundlage eines hitzefesten Auskleidungszements hergestellt ist.

3. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Betonschale (8) ganz oder teilweise aus stahlbewehrtem Beton besteht.

4. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Betonschale (8) ganz oder teilweise aus faserverstärktem Beton besteht.

5. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Betonschale (8) aus einem Betonverbundwerkstoff von wenigstens zwei Betonschichten unterschiedlicher Eigenschaften besteht.

6. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits der Boden und andererseits die Seitenwände der Betonschale (8) aus unterschiedlichen Betonmischungen bestehen und unterschiedliche Eigenschaften aufweisen.

7. Verfahren zur Herstellung einer kathodischen Schmelzflußelektrolysezelle, insbesondere einer solchen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, als nichtmetallischer Zellentrog mit Innenauskleidung unter Verwendung bekannter Werkstoffe und Einbauteile für die Innenauskleidung, die als äußere Lage ein Kohlefutter und als innerste, an den Zellentrog angrenzende, Lage eine Wärmedämmschicht (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die Innenauskleidung, beginnend mit dem Aufbau des Kohlefutters und abschließend mit der Anlage der Wärmedämmschicht (6), fertiggestellt und danach die Innenauskleidung mit einem plastischen Betonwerkstoff ummantelt wird, der zur Betonschale (8) als Zellentrog aushärtet.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Errichtung der Innenauskleidung auf einer Modellform (11) als Abbild der Innenfläche des Kathodenraums der gewünschten Elektrolysezelle zunächst aneinander angepaßte Kohleblöcke (1, 2, 3) zu dem in einen Boden, Seitenwände und gegebenenfalls einen Übergangsteil vom Boden zu den Seitenwänden gegliederten Kohlefutter zusammengesetzt werden, darüber Stromzuführungsschienen oder -leiter 4 auf, an bzw. in den dafür vorbereiteten Kohleblöcken (1) angeordnet werden, gegebenenfalls eine Wärmedämmschicht (5) über dem Übergangs- oder/und Wandteil des Kohlefutters angelegt wird, gegebenenfalls eine Sperrschicht (7) oben aufgebracht wird und mit dem Überbau der Wärmedämmschicht (6) die Innenauskleidung fertiggestellt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die aneinandergrenzenden Kohleblöcke (1, 2, 3) miteinander verklebt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzflußelektrolysezelle mit einem Haltegerüst (9) verbunden wird, solange die Betonmasse der Betonschale (8) noch nicht ausgehärtet ist.