DE489869C - Vorrichtung zur elektrolytischen Raffinierung des Aluminiums - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM
20. JANUAR 1930

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 40 c GRUPPE

Gegenstand der Erfindung ist eine Elektrolysiervorrichtung, insbesondere zum Raffinieren von Aluminium, mit einer seitlichen Auskleidung, deren unterer Teil aus Kohlenstoff besteht und durch eine zweite Schicht aus erstarrtem Elektrolyten fortgesetzt wird. Gemäß der Erfindung wird diese Auskleidung durch eine dritte Schicht vervollständigt, die aus Kohlenstoff hergestellt ist und

ίο oberhalb des erstarrten Elektrolyten und in Berührung mit diesem angeordnet ist, so daß die Kohlenstoffschicht das Bad von raffiniertem Aluminium einschließt und seitlich begrenzt.

Der diese dritte Schicht bildende Kohlenstoffring kann gleichzeitig zur Stromzuführung zur Kathode dienen.

Es sind Vorrichtungen zur Herstellung oder Raffinierung von Magnesium bekannt, bei denen ein Ring das kathodisch abgeschiedene Metall umschließt. Dieser Ring besteht aber aus Metall und würde bei der Herstel- - lung von Aluminium angegriffen werden und letzteres verunreinigen, während dies beim Magnesium nicht der Fall ist. Bei dem gemäß der Erfindung benutzten Kohlenstoffring ist ein solcher Angriff ausgeschlossen. Außerdem können die bekannten Ringe nicht zur Stromzuführung dienen.

In Verbindung mit der an sich bekannten seitlichen Auskleidung aus erstarrtem Elektrolyten hat der Kohlenstoffring den Vorteil, daß er eine Berührung des ausgeschiedenen Metalls mit dem in Erstarrung begriffenen Elektrolyten und eine Mischung dieser beiden Stoffe hindert, die zu einer Verunreinigung des Metalls führen würde.

Die Vorrichtung arbeitet nach dem bekannten Verfahren zur elektrolytischen .Gewinnung der Leichtmetalle, bei denen das zu raffinierende oder abzuscheidende Metall die Anode bildet und den Boden der Vorrichtung in Form einer geschmolzenen Metallegierung oder Metallschicht einnimmt, die dichter, als der Elektrolyt ist, während das durch die Elektrolyse in Freiheit gesetzte Leichtmetall eine flüssige Schicht bildet, die auf dem Elektrolyten schwimmt und dort afc Kathode wirkt.

Das Kathodenmetall wird absatzweise abgezogen, während die Anode in geeigneter Weise wieder hergestellt wird, sei es durch Einführung von unreinem Leichtmetall oder durch Ersatz der Masse im ganzen oder zum Teil.

Dieses bekannte Verfahren wird in einer Vorrichtung ausgeführt, wie sie schematisch in Fig. ι der Zeichnungen in senkrechtem Schnitt dargestellt ist.

A ist ein Elektrolysierbottich, B ist eine

innere Auskleidung aus feuerfestem Stoff, C ist die als Kathode wirkende Schicht von Leichtmetall, D ist die dichtere Legierung, die das Leichtmetall enthält und als Anode wirkt. E ist der Elektrolyt, der vermöge seiner zu diesem Zweck hergestellten mittleren Dichte zwischen den beiden Elektroden eingeschaltet ist.

Selbstverständlich ist die Vorrichtung ίο durch, die üblichen Nebeineinrichtungen, wie Stromzuführungep, Abstichlöcher u. dgl.; ver-. vollständig^

Die Anodenlegierung D wird im allgemeinen auf einer leitenden Sohle angeordnet oder ist besser in einer Schale P aus Kohlenstoff enthalten, deren Ränder man bisher niedriger gehalten hat als die Oberfläche der Anodenlegierung.

Die seitliche innere Verkleidung B muß den Metallbottich A elektrisch isolieren und jede elektrische Verbindung zwischen den Elektroden C und Ό ausschließen. Außerdem muß sie genügend widerstandsfähig gegen die lösende oder verflüchtigende Wirkung des geschmolzenen Elektrolyten sein. Diese Bedingungen sind sehr schwer zu vereinigen, besonders wenn es sich um die Raffinierung von | Aluminium handelt.

Seit langer Zeit hat man besonders für die fluorhaltigen Bäder, aus denen man das Aluminium gewinnt, keinen isolierenden Stoff finden können, der genügend widerstandsfähig gegen die geschmolzenen Fluoride ist. Man hat daher eine innere- Auskleidung des Elektrolysierbottichs dadurch hergestellt, daß man auf den Metallwänden eine Schicht des Elektrolyten zur Erstarrung brachte, indem man eine Außenkühlung zunächst durch Luft, später durch Berieselung und schließlich durch Wasserumlauf nach dem Prinzip des Kühlmantels anwendete.

Fig. 2 stellt schematisch bei B die isolierende Kruste dar, die durch vorherige Erstarrung des Elektrolyten auf der in geeigneter Weise abgekühlten Metallband A gebildet wird.

Die Leichtmetallschicht C stützt sich seitlich gegen diese Auskleidung, die natürlich über den Spiegel des Metalls hinausreichen muß.

Die so hergestellte Auskleidung ist sehr unbeständig, da sie nacheinander zum Dickerwerden und zum Dünnerwerden geneigt ist, j e nach den Änderungen der Bedingungen der Elektrolyse. Die Innenfläche dieser Kruste ist notwendigerweise pastenartig und unzusammenhängend, so daß sie bei Berührung mit dem Metall mehr oder weniger nachgibt oder gleitet. Es findet daher ein Austritt von flüssigem oder pastenartigem Bad statt, ferner bilden sich breiartige Massen, Auswüchse und Verstreuungen von hart gewordenem Badmaterial u. dgl., die in die Zone des gereinigten Metalls eindringen und zusammen Störungen und Schwierigkeiten hervorrufen, die den normalen Gang der Arbeit beeinflussen und sogar verhindern.

Das Verfahren, die Pole dadurch zu isolieren, daß man den Elektrolyten an der Berührungsstelle mit der flüssigen schwimmenden Kathode zum Erstarren bringt, verursacht daher große Schwierigkeiten in seiner Anwendung.

Da außerdem bei dieser Anordnung die erstarrte Auskleidung eine große Oberfläche darbietet, ist es nicht möglich, die Temperatur des Bades erheblich über seinen Schmelzpunkt zu steigern, ohne die Isolierung so weit zu vermindern, daß sie aufgehoben wird, und ohne den ganzen Bau der Vorrichtung zu stören.

Die Erfindung beseitigt die erwähnten Nachteile.

Die Fig. 3 der Zeichnung zeigt im senkrechten Schnitt eine Elektrolysiervorrichtung gemäß der Erfindung.

Die Wand F, die die Anode enthält, besteht vorzugsweise aus verdichtetem. Kohlenstoff oder aus Graphit. Die Wand H, die den Elektrolyten enthält, besteht aus geeignetem Isolierstoff oder aus erstarrtem Elektrolyten. Die Wand G₁ die die Kathode umschließt, besteht aus verdichtetem Kohlenstoff oder aus Graphit. B₁ B bezeichnet Isolierschichten zwischen dem Bottich A und den Wandungen G und F.

Infolge dieser Anordnung ißt das raffinierte, als flüssige Schicht auf dem Elektrolyten angesammelte Metall nicht in einer elektrisch neutralen Wand mit pastenartiger und veränderlicher Oberfläche aus erstarrtem Elektrolyten eingeschlossen, sondern es ruht auf festen und zusammenhängenden Wänden, die gleichzeitig stromleitend und elektrisch wirksam sind.

Die isolierende Wand H, deren Höhe vermindert ist und die tiefer gelegt ist als die Wand B in Fig. 2, unterliegt nicht dem Druck und den deformierenden Einflüssen des kathodischen Metallbades. Da sie oben und unten durch zwei andere Wände geschützt ist, die, abgesehen von der Abnutzung, widerstandsfähig und fest sind, so erlangt sie eine genügende Stabilität.

In Fig. 4 der Zeichnungen ist beispielsweise eine Vorrichtung zur Raffinierung von Aluminium mit ihren wesentlichen Anordnungen und Einzelteilen im senkrechten Schnitt dargestellt.

Die' Vorrichtung enthält einerseits gewisse übliche Teile, die schon vorher erwähnt worden sind, nämlich den Metallbottich A, eine feuerfeste und isolierende Auskleidung B, die

Anodenlegierung Ό, die das zu raffinierende Aluminium enthält und in der Schale F aus Kohlenstoff enthalten ist, und den Elektrolyten E, der eine flüssige Schicht von mitt-S lerer Dichte zwischen den Elektroden C und D bildet.

Andererseits ist im Gegensatz zu bekannten Anordnungen die Schicht C aus reinem Aluminium, die die wirksame Kathode bildet, ίο nicht von einem isolierenden Stoff mit pastenartiger und nachgiebiger Oberfläche umgeben, sondern sie ist seitlich in einem Rahmen G eingeschlossen, der aus Kohlenstoff besteht und eine feste Wand von unveränderlicher Form bildet, die von dem Bottich A unabhängig ist und außerdem das Merkmal aufweist, daß-sie leitend ist. Zwischen diesem Kohlenstoffrahmen C und dem oberen Rand der Schale F, die ebenfalle aus Kohlenstoff besteht, ist ein Ringraum h ausgespart, in dem ein hohler Metallrahmen H angeordnet ist, durch den Wasser strömt, das durch Rohransätze, z. B. e, zu- und abgeführt wird.

Der geschmolzene Elektrolyt, mit dem die Vorrichtung beschickt worden ist, dringt in den Raum h ein und umgibt den Rahmen H. Er wird dort infolge der Abkühlung durch das im Rahmen H umlaufende Wasser zum Erstarren gebracht und bildet einen isolierenden Ring oder Gürtel, der in dem dargestellten Beispiel hufeisenartigen Querschnitt hat und die beiden Kohlenstoffbeläge G und F trennt.

Der so gebildete und zwischen dem starren und feststehenden Teil angeordnete isolierende Ring kann außer Berührung mit der flüssigen Kathode gehalten werden, wodurch die Störungen wegfallen, die an der Kathode entstehen, wenn sie gemäß der Anordnung nach Fig. 2 vollständig von erstarrtem Elektrolyten umgeben ist.

Bei dieser Anordnung ist die Höhe der Zone des erstarrten Elektrolyten auf ein Mindestmaß zurückgeführt. Hierdurch werden die Folgen der bei dieser Art von Wandungen notwendig eintretenden Änderungen der Dicke sehr geringfügig und können sogar vernachlässigt werden.

Diese Verminderung der Oberfläche des erstarrten Bades, die den geschmolzenen Elektrolyten berührt, ermöglicht eine Ersparnis an der zum Flüssighalten des Elektrolyten erforderlichen Energie. Die Verminderung der erstarrten Zone gibt außerdem die Möglichkeit, die Temperatur des Elektrolyten erforderlichenfalls leicht und schnell zu erhöhen, ohne daß dadurch irgendeine Veränderung der Kathodenwand eintritt, was von großer Wichtigkeit ist.

Eine andere, die Erfindung kennzeichnende Anordnung liegt darin, daß der Kohlenstoffringbelag G, der mit dem Aluminium der Kathode in Berührung steht, zur Stromzuführung zu letzterem dient. Hierdurch wird der Vorteil erzielt, daß der Zugang oberhalb der Vorrichtung und der Schicht von raffiniertem Aluminium freigelegt wird.

Dieser Belag G₁ den man zweckmäßig mit einer ausgesparten Metallplatte I bedeckt, die auf einer isolierenden Zwischenlage J ruht, kann den Strom durch diese Platte erhalten, beispielsweise mit Hilfe von Stiften i oder durch einen Metallring g oder in beliebiger anderer Weise.

Die Vorrichtung nach Fig. 4 kann mit irgendeinem Deckel oder Verschluß versehen sein, durch den man das Innere der Vorrichtung beliebig gegen die Außemluft schützen kann.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung, die besonders durch die Anordnung des Kathodensystems gekennzeichnet ist, ist in Fig. 5 dargestellt.

Bei dieser Anordnung ist der Kohlenstoffbelag G nach der Mitte der Vorrichtung hin zu einer abgeflachten Haube oder umgekehrten Schale G' ausgebildet, die in der Mitte eine große Öffnung hat.

Das raffinierte Aluminium sammelt sich unter dieser Haube oder Kappe an und ist dort wirksam geschützt. Man hat so dieselbe wirksame Kathodenfläche wie in dem vorhergehenden Fall, aber die mit der Luft in Berührung stehende Oberfläche ist wesentlich vermindert. Man erhält so eine Art von Brunnen J, in dem sich das reine Metall in größerer Stärke ansammelt und aus dem es leichter ausgeschöpft werden kann.

Man kann natürlich je nach Bedarf andere die Haube G' durchsetzende öffnungen anbringen. Man könnte auch den Brunnen / beliebig exzentrisch nach einer Seite der Vorrichtung hin anordnen, damit er bei Bottichen von großen Abmessungen leichter zugänglich ist.

Der Innenrand des Brunens /, der in Berührung mit der Luft steht, ist vorzugsweise aus einem RingiT aus feuerfeistem Stoff hergestellt, beispielsweise aus der unter der Warenbezeichnung »Alunidum« bekannten sehr dichten Tonerde oder aus verdichtetem Korund.

Die Haube G' besteht vorzugsweise aus Graphit. Sie kann aus mehreren in verschiedener Weise miteinander verbundenen Teilen its hergestellt werden. Das gleiche gilt für den Rahmen G (Fig. 4). Der Ring K (Fig. 5) kann sich weiter gegen den Teil G hin erstrekken oder mehr oder weniger mit der Isolierschicht m zusammenfallen usw.

Die Deckplatte / ist natürlich der Form der Haube G' angepaßt, der sie den Strom in der

bei Fig. 4 beschriebenen. Weise zuführen kann.

Zwischen der Haube G' und der Deckplatte J usw. kann eine Lage von. wärmeisolierendem Stoff m angebracht werden.

Die so ausgeführte Vorrichtung ist besonders zur Aufnahme eines beweglichen Dekkels L geeignet, so daß die Arbeit unter Schutz gegen Luft und Fremdkörper ausgeführt werden kann. Die anderen Teile der Vorrichtung nach Fig. 5 sind denen der Vorrichtung nach Fig. 4 ähnlich.

Natürlich können alle anderen üblichen Nebenteile und Hilf svorrichtungetL angebracht oder benutzt werden, ohne daß sie dargestellt oder beschrieben zu werden brauchen.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung, deren wesentliche Anordnungen und Grundlagen beschrieben worden sind, wird mit irgendwelchen üblichen Mitteln in Gang gesetzt.

Nachdem man sie mit Anodenlegierung, Elektrolyt und reinem Aluminium, sämtlich in gut geschmolzenem Zustand, beschickt hat, kann man sie mit einem Strom in Gang setzen, der je nach den Abmessungen verschieden ist, aber in der Gegend von 8 000 bis 10 000 Ampere auf den Quadratmeter der einheitlichen Elektrode liegt.

Man kann die Vorrichtung auch mit kalten Ausgangsstoffen durch innere elektrische Heizung in Gang setzen, die mittels einer Hilfselektrode aus Kohlenstoff erfolgt, die man . durch die öffnung/ bis zur Berührung mit der Sohle einführt.

Als Anodenlegierung, die das zu raffinierende Aluminium enthält, kann man die Legierung von Aluminium und Kupfer verwenden, deren Kupfer den Zweck hat, ihr eine höhere Dichte als die des Elektrolyten zu geben. Der Kupfergehalt kann erheblich schwanken; man kann beispielsweise die Legierungen benutzen, die zwischen 80 Prozent Aluminium auf 20 Prozent Kupfer und 25 Prozent Aluminium auf 75 Prozent Kupfer liegen. Diese mittleren Werte stellen keine Grenzwerte dar. Andere Elemente, die weniger elektropositiv als Aluminium sind, können der Anodenlegierung zugefügt werden, um ihre Dichte oder Schmelzbarkeit zu erhöhen.

Wenn die Anodenlegierung nicht mehr genug. Aluminium enthält, so wird ihr solches von neuem mit Hilfe eines Tauchrohrs aus Graphit zugeführt, oder sie wird durch ein unteres Abstichloch 0 abgezogen und durch eine Menge neuer Legierung ersetzt, die man in geschmolzenem Zustand mittels eines ähnlichen Graphitrohrs zuführt, das ebenfalls durch die Schicht raffinierten Metalls hindurchgeht.

Der Elektrolyt enthält als wesentlichen Bestandteil Kryolith. Er hat einen geringen Gehalt an Tonerde und enthält einen gewissen Zusatz von Aluminiumfluorid und besonders von Bariumfluorid, bis das Bad E eine höhere Dichte hat als das raffinierte Aluminium C.

Diese verschiedenen Zusammensetzungen zur Erzielung der geeigneten relativen Dichte der Anodenlegierung und des Bades sind veränderlich und ihrer Art nach bekannt und liegen daher nicht im Rahmen der Erfindung. Das gleiche gilt für die Zusammensetzung und die Maßnahmen zur Ergänzung der Anodenlegierung.

Die beschriebene Vorrichtung, die besonders zur Raffinierung von Aluminium bestimmt ist, kann auch zur Gewinnung oder Raffmierung anderer Leichtmetalle benutzt werden.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Elektrisiervorrichtung, insbesondere zum Raffinieren von xMuminium, mit einer seitlichen Auskleidung, deren unterer Teil aus Kohlenstoff besteht und durch eine zweite Schicht aus erstarrtem Elektrolyten fortgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die vollständige Auskleidung aus drei übereinanderliegenden Schichten besteht, deren oberste aus Kohlenstoff hergestellt ist und oberhalb des erstarrten Elektrolyten und in Berührung mit diesem angeordnet ist, so daß die Kohlenstoffschicht das Bad von raffiniertem Aluminium einschließt und seitlich begrenzt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die dritte Schicht bildende Kohlenstoffring gleichzeitig zur Stromzuführung zur Kathode dient.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Teil der Auskleidung nach innen zu einer Haube mit mittlerer öffnung umgebogen , ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Öffnung der Haube mit einem Ring aus verdichtetem Aluminiumoxyd ausgekleidet ist.

Äierzu 1 Blatt Zeichnungen