DE638470C - Selbstbackende Grosselektrode - Google Patents

Description

Die Herstellung von Aluminium erfolgt in der Weise, daß man eine Lösung von Al₂O₃ in geschmolzenem Kryolith bei einer Temperatur von etwa 1000 ° elektrolysiert. Der Schmelz-S ofen wird mit einem leitenden Boden, der als Kathode dient, und mit Oberelektroden versehen, die senkrecht in das Bad hineinhängen und als Anoden dienen. Der Ofen ist oben offen, die Oberfläche des Elektrolyten erstarrt und bildet eine Kruste, auf welche man den Rohstoff schüttet. Die Kruste wird jedesmal zerbrochen, wenn man dem Bad neuen Rohstoff zuführen muß; dies findet im allgemeinen alle 4 oder 5 Stunden statt. Die Tonerde, die als Rohstoff dient, wird auf die Kruste geschüttet, sobald sich diese gebildet hat, und dient während der folgenden Betriebszeit als Wärmeisolation des Schmelzofens, bis die Kruste wieder zerbrochen werden muß.

Man überwacht den Betrieb des Schmelzofens durch Beobachtung des Anodeneffektes, der jedesmal dann auftritt, wenn die Tonerde im Elektrolyten verbraucht ist und der Ofen neu beschickt werden muß. Der Anodeneffekt ist von einer plötzlichen Steigerung des elektrischen Ofenwiderstandes begleitet, so daß die erforderliche Spannung eines Ofens oft auf das 5- bis iofache der gewöhnlichen Arbeitsspannung sich erhöht. Der Anodeneffekt wird durch Durchbrechen und Durcharbeiten des Ofens beseitigt. Das Durcharbeiten besteht darin, daß man mit Hilfe von Eisenstangen oder Rechen die Kruste mit dem Bad mischt. Es soll an dieser Stelle nicht näher darauf eingegangen werden, welche Ursache der Anodeneffekt hat. Es genügt, darauf hinzuweisen, daß die plötzliche Steigerung des Energieverbrauches des Ofens keine Erhöhung der Ausbeute mit sich bringt, sondern daß die erhöhte Energiemenge direkt in Wärme umgesetzt wird. Wenn man deshalb nicht möglichst schnell den Anodeneffekt beseitigt, so wird die Ofentemperatur beträchtlich gesteigert.

Die gewöhnlichen Aluminiumöfen haben eine große Anzahl Oberelektroden, die als Anoden dienen. Ihre Zahrschwankt gewöhnlich, zwischen 8 und 48 in jedem Ofen. Die Elektroden sind in zwei Reihen angeordnet, mit einem geeigneten Zwischenraum zwischen den Reihen. Die Öfen werden durch. Zerschlagen der Kruste zwischen zwei Reihen von Elektroden durchgearbeitet. An dieser Stelle ist die Kruste dünn, während sie an der Außenseite der Elektrodenreihe viel dicker und fester ist;

Das Durcharbeiten des Ofens besteht in einer Reihe von Maßnahmen (Zerbrechen der Kruste, Beseitigung des Anodeneffektes, Umrührung des Bades, Beschickung mit Tonerde u. dgl.). Der Ausdruck Durcharbeiten des Ofens soll

hier eine einzelne oder alle diese Maßnahmen bezeichnen.

Die Erfindung hat sich· zum Ziel gesetzt, die sogenannten Söderbergschen selbstbackenden Elektroden für ihre Verwendung in Aluminiumöfen anzupassen. Dieses Elektrodensystem ist unter anderem in den deutschen Patentschriften Nr. 549 819 und 505 169 beschrieben.

Nach langwierigen Versuchen hat man einen Aluminiumofen für die Verwendung dieser Elektroden gebaut, der gewöhnlich nur eine große Oberelektrode hat. Diese Elektrode ersetzt die 8 bis 48 Elektroden, die in den bisher üblichen öfen benutzt werden.

Die Verwendung einer einzigen großen Söderberg-Elektrode in jedem Ofen führt eine Reihe wichtiger Vorteile mit sich, besonders eine Herabsetzung der Elektrodenkosten und des ao Elektrodenverbrauchs. Auch die Ausbeute des Ofens wird verbessert. Die dadurch entstehenden wirtschaftlichen Vorteile sind bedeutend.

Ein Nachteil der großen Elektrode ist, daß 'der Ofen weniger zugänglich wird. Man muß sich damit begnügen, den Ofen von der Außenseite der Elektrode durchzuarbeiten. Dort ist jedoch die Kruste, die das Bad bedeckt, dick und fest. Wenn man deshalb keine besonderen Vorsichtsmaßregeln trifft, so erfordert das Durchbrechen der Kruste und das Durcharbeiten des Ofens mehr Arbeit.

Hierzu kommt, daß der Anodeneffekt von

einer größeren . Spannungssteigerung begleitet ist, wenn jeder Ofen nur eine Elektrode hat.

Der Grund hierfür liegt darin, daß die vielen -Elektroden der gewöhnlichen Öfen nicht genau zu demselben Zeitpunkt den Anodeneffekt zeigen, so daß die eintretende Spannungssteigerung .und dadurch der Energieverlust kleiner wird, als wenn nur eine Elektrode benutzt wird. Dieses Verhalten macht es sehr wünschenswert, die Zeit abzukürzen, die er-■forderlich ist, um die Kruste eines Söderberg-Ofens zu zerbrechen und den Anodeneffekt zu beseitigen.

Es wurde nun eine sehr einfache und wirksame' Weise gefunden, um clie Kruste leicht zerbrechlich zu machen und das Durcharbeiten des Ofens zu erleichtern, nämlich durch Anordnung von Arbeitsöffnungen in der Elektrode, durch welche der Ofen durchgearbeitet werden kann. Die Öffnungen sind an der Außenseite der Elektrode angebracht und füllen sich mit geschmolzenem Elektrolyt. An der Badoberifläche ist auch in der Öffnung eine Kruste vorhanden; dieselbe ist aber in den öffnungen viel dünner und weicher als um die Elektrode herum, vorausgesetzt,, daß die Öffnungen .passende. Größe und Form "haben. Es wurde auch gefunden, daß die Kruste unter günstigen Bedingungen viel dünner wird als in irgendeinem anderen der bisher verwendeten Aluminiumöfen, so daß das Durcharbeiten des Ofens sowohl leichter als schneller ausgeführt werden kann als in jedem anderen Fall. Dies ist für den Betrieb des Ofens von der größten Bedeutung, nicht nur wegen des erwähnten Energieverlustes während des Anodeneffektes, sondern auch weil die Amperebelastung des Ofens von diesen Bedingungen abhängt. Man kann den Arbeitsöffnungen eine sehr verschiedene Form und Größe geben. Die Menge Rohstoff (Tonerde), die auf einmal durch eine solche öffnung zugeführt werden kann, ist aber von der Größe dieser öffnung abhängig, und es wird deshalb notwendig, die Rohstoffzüfuhr nach der Anordnung und Größe der Öffnung einzurichten.

Man kann den Ofen in regelmäßigen Zeitabschnitten von z. B. 2 bis 4 Stunden durcharbeiten und neu beschicken, wodurch man den Anodeneffekt vermeidet oder beschränkt; man kann aber auch- das Eintreten des Anodeneffektes abwarten, wie das jetzt üblich ist.

Wie bereits erwähnt worden ist, hat man bei der bekannten Verwendung von vielen vorgebackenen Elektroden in einem Ofen einen freien Raum zwischen den einzelnen Elektroden, in dem man leicht arbeiten kann. Nach einem anderen Vorschlage werden vorgebackene Einzelelektroden verwendet, die mittels eines gemeinsamen Elektrodenhalters aufgehängt sind. Zwischen den einzelnen Elektroden ist nur ein kleiner Abstand vorgesehen. Dieser kann jedoch mit Elektrodenmasse gefüllt werden. Der Abstand ist sehr klein und nicht groß genug, um die öffnung zur Einführung der Rohstoffe oder zum Durcharbeiten des Ofens zu verwenden. Zu dem Zweck muß die öffnung mindestens 100 mm breit sein, aber zweckmäßig etwa 200 bis 300 mm.

Im übrigen sind die bisher in diesem Zusammenhang, verwendeten Elektroden gewöhnliche diskontinuierliche vorgebrannte kleine Stückelektroden.

Folgendes Beispiel zeigt den Nutzen der Arbeitsöffnungen bei der Elektrode nach der Erfindung.'

Ein bestimmter Ofen erfordert gewöhnlich Minuten Arbeit mit zwei Mann, um den Anodeneffekt zu beseitigen. Er erforderte ferner 10 Minuten Arbeit von einem. Mann, um die Kruste zu zerbrechen, und das Bad zu mischen. Für jeden Anodeneffekt war somit annähernd 14 Minuten Arbeit von einem Mann erforderlich. Diese Arbeit würde auf ι Minute Arbeit von einem Mann herabgesetzt, wenn man durch eine Öffnung in der Elektrode den Ofen durcharbeitete. Es geht hieraus hervor, daß das Durcharbeiten des Ofens auf ein Mindestmaß vermindert worden ist.

Die Öffnungen können mittels einer Metallform gebildet werden, die in die Elektrode eingeführt ist. Diese Form wird am besten herausgezogen, bevor sie die Badoberfläche erreicht, falls die Form nicht aus einem Metall, wie Aluminium, besteht, das für den Betrieb des Ofens nicht schädlich ist. Man kann in diesem Falle das Metall schmelzen und in den Ofen hinabtropfen lassen. Die Öffnungen können

ίο auch aus Holz oder einem ähnlichen Werkstoff gebildet werden, das in die Elektrode eingeführt wird, oder sie können durch Einführung von Blöcken geeigneter Form gebildet werden, die aus dem Elektrolyt selbst gegossen sind. Die

Öffnungen werden dann beim Schmelzen der eingesetzten Formstücke gebildet. Diese Formen können auch so ausgeführt werden, daß sie gleichzeitig Vorratsbehälter für den Rohstoff (Kryolith und Aluminiumoxyd) bilden. Diese Vorratsbehälter müssen dann kurz über der Badoberfläche münden und müssen durch irgendeine geeignete bekannte Vorrichtung geöffnet werden können. Die Rohstoffe werden dann an der Stelle herunterfallen, wo sie sehr leicht dem Bad zugeführt werden können. In dieser Weise kann man leicht eine selbsttätige Beschickung von Aluminiumöfen vorsehen. Es kann bei dieser Anordnung vorteilhaft sein, den mittleren Teil der Form, der sich also im mittleren Teil der Elektrode befindet, als Gaskanal auszubilden und die Teile, die sich an dem Mantel befinden, als Vorratsbehälter auszuführen. Diese Anordnung ist in wärmetechnischer Hinsicht für die Elektrode sehr vorteilhaft, indem der kleinste Querschnitt der Elektrodensektoren wärmeisolierend wird, während man in der Mitte der Elektrode einen. guten Zug erreicht. Dadurch werden die Back-, Verhältnisse sehr gleichmäßig, und in einem waagerechten Schnitt durch die Elektrode wird das Backen überall gleich weit vorgeschritten sein. Alle Kontakte derselben Reihe werden deshalb diese Stromstärke aufnehmen.

Die Arbeitsöffnungen können bei Elektroden von jeder beliebigen Form rund oder länglich sein.

Auf der Zeichnung sind zwei Ausführungsformen der Elektrode nach der Erfindung dar- gestellt.

Abb. ι zeigt eine Ansicht einer Ausführungsform der Elektrode nach der Erfindung teilweise im Schnitt.
• Abb. 2 zeigt einen Querschnitt der Elektrode nach der Erfindung durch die Ausführungsform nach Abb. 1.

Abb. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Elektrode nach der Erfindung teilweise im Schnitt.

Abb. 4 zeigt einen Querschnitt durch die Elektrode nach der Erfindung.

Abb. 5 veranschaulicht eine andere Ausführungsform der Elektrode nach der Erfindung teilweise im Schnitt.

Abb. 6 zeigt eine Einzelheit der Ausführungsform nach Abb. 5 in Ansicht.

Abb. 7 zeigt einen Querschnitt durch die Elektrode nach Abb. 5.

Abb. ι zeigt eine Elektrode, versehen mit einer durchgehenden Arbeitsöffnung, welche die Elektrode in zwei Hälften teilt. Die Elektrode ist in einem Ofen 1 von der Art derjenigen gezeigt, die zur Darstellung von Aluminium verwendet werden. 2 bezeichnet den geschmolzenen Elektrolyt und 3 die Kruste erstarrten Elektrolytes und Tonerde. 4 ist der untere Teil der Elektrode nach Abschmelzen des Aluminiummantels. 5 bezeichnet die Arbeitsöffnungen, die mittels einer eisernen Form 6 aus zwei Eisenplatten in einem Abstand ·8ο von z. B. 15 bis 25 cm bestehend geformt werden. Die Eisenplatten sind durch Bolzen 7 verbunden.

Die Elektrode ist mit einem zweiteiligen Aluminiummantel 8 versehen. Der Mantel trägt Rippen 9, die dazu dienen, den Mantel mit der Elektrode bzw. mit der Aufhängungsvorrichtung zu verbinden. Die beiden Mantelhälften werden um die eiserne Form gelegt und mittels Bolzen 10 und Keile 11 zusammengehalten. Die Bolzen bestehen zweckmäßig aus Eisen, müssen aber in dem Falle vom unteren Ende des Mantels entfernt werden, bevor der entsprechende Teil des Mantels schmilzt und in den Ofen hinerntaucht.

Die eiserne Form endet etwa 5 bis 15 cm über der Badoberfläche. Sie muß, falls sie aus Eisen besteht, z. B. alle drei Tage an der Elektrode aufwärts gezogen werden, so daß das untere Ende nicht in die Schmelze eintaucht.

Der Strom wird der Elektrode mittels Kontakte 12 und 13, die mit den Kabelschuhen 14 und 15 verbunden sind, zugeführt. Die Kontakte 12 sind runde Steckkontakte. Sie werden zweckmäßig mit den Kabelschuhen direkt verbunden. Die Kontakte 13 sind flache Kontakte, die an den äußeren Rippen in die Elektrode eingeführt werden und mit diesen mittels Schrauben oder in anderer Weise verbunden werden. Bei dieser Anordnung können tio die Kabelschuhe an dem oberen Teil des Aluminiummantels befestigt werden, wie bei 15 gezeigt ist; die Anordnung hat den Vorteil, daß es nicht nötig ist, die Kabelschuhe jedesmal zu versetzen, wenn ein Satz Kontakte herausgezogen wird.

16 zeigt einen Aufhängungsrahmen, der mittels Eisenketten 17 und Bolzen 18 mit den äußeren Aluminiumrippen verbunden ist.

Abb. 3 zeigt eine Elektrode, die mit Hilfe einer Form 6^a, 6^b in zwei Hälften geteilt ist. Die Teile β^α der Form dienen hierbei als Vor-

ratsbehälter für die Rohstoffe, während der mittlere Teil 6⁶ ein Abzugsschornstein (Gaskanal) ist. 19 bezeichnet die Mündung des Vorratsbehälters, wo eine Tür oder eine andere .5 verstellbare Vorrichtung zum Leeren der Rohstoffe angebracht ist.

Abb. 4 zeigt einen waagerechten Schnitt der in Abb. 3 gezeigten Elektrode.

- Abb. 5 zeigt Arbeitsöffnungen, die von außen in die Elektrode hineingehen, aber nach oben verschlossen sind. Die öffnungen 5 werden mit Hilfe von flachen Eisenkontakten 12 geformt, die radial zwischen zwei Aluminiumrippen in die Elektrode eingeführt sind und mit Hilfe von Bolzen 10 und Keilen 11 an diesen Rippen festgeklemmt werden. Die Kontakte sind ha Abb. 6 von der Seite gezeigt. Sie werden zweckmäßig schräg gestellt und erst dann herausgezogen, wenn sie der Badoberfläche sehr nahekommen. Die Kontakte können verwendet werden,.um der Elektrode den ganzen Strom zuzuführen, oder ■ sie können mit Kontakten gewöhnlicher Art zusammen benutzt werden. Die Kabelschuhe können an den Enden "25 der .Kontakte oder auch den Rippen, wie in Abb. r. gezeigt ist, angebracht werden. Das Elekfrodenloch wird vollständig bloßgelegt, sobald die Kontakte herausgezogen sind, weshalb 'etwas Luftzehrung in der Arbeitsöffnung entstehen wird, so daß sich diese erweitern wird. Die Breite der öffnung kann durch Einstellung des Abstandes zwischen dem untersten Eisen-Jtontakt und der Badoberfläche sowie durch Einstellen der Breite des Eisenkontaktes geregelt werden.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Selbstbackende Großelektrode zur Herstellung von Aluminium und anderen Metallen oder Legierungen durch elektrolytische Reduktion in einem geschmolzenen Elektrolyten, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit an den Seitenflächen der Elektrode angebrachten, zum Durcharbeiten des Elektrolyten geeigneten Öffnungen (5) versehen ist.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen (5) in der ungebackenen Elektrodenmasse seitlich durch Streben (7) und Platten (6) abgestützt und geschützt sind.

3. Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen (5) quer durch die ganze Elektrode hindurchgehen, wobei die Elektrodenhälften miteinander verbunden sind.

4. Elektrode nach Anspruch i, 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine oder mehrere mit senkrechten, zur Abführung der Gase bestimmten Kanälen versehene Formen (6^a, 6⁶), die von oben in die Elektrode hineinhängen.

5. Elektrode nach Anspruch 1 bis 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsöffnungen (6^a) gleichzeitig als Behälter für die Zuführung der Beschickungsstoffe ausgebildet sind. '

6. Elektrode nach Anspruch 1 bis 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (5) bzw. die Stützformen für die Öffnungen gleichzeitig als Kontakte für die Stromzufuhr ausgebildet sind (Abb. 7).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen