DE804370C - Stromzufuehrung fuer Zellen der Schmelzflusselektrolyse - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 23. APRIL 1951

p22928 VIa/40c D

Froges & Camargue, Paris

Für Zellen der Schmelzflußelektrolyse, insbesondere zum Raffinieren von Aluminium mit drei übereinanderliegenden Schichten, von denen die beiden Außenschichten metallisch sind, ist schon eine Stromzuführung vorgeschlagen worden, die aus Metallschienen besteht, welche in eine erstarrte Metallmasse eintauchen, die von der gleichen Art wie das Kathodenmetall und in einem Topf enthalten ist, der außen an der Wanne an einer ihrer Seiten angebracht ist und durch einen Kanal verlängert wird, der die Seitenwand der Zelle durchdringt und mit flüssigem Metall gefüllt ist, welches die Stromzuführung für das Kathodenmetall herstellt.

Der Widerstand dieser metallischen Stromzuführung ist kleiner als der der anderen bekannten Stromzuführungen, wie z. B. Kohle- oder Graphitelektroden, die in das flüssige Metall eintauchen. Dieser Vorteil ist besonders wichtig bei Elektrolysezellen, die zum Raffinieren von Aluminium bestimmt sind. Die Stromzuführung aus flüssigem Metall besitzt jedoch einige Nachteile, die bisher ihre allgemeine Anwendung verhindert haben..

Infolge der bedeutenden Wärmeleitfähigkeit des Metalls treten in der Stromzuführung aus flüssigem Metall beträchtliche Wärmeverluste auf, welche die durch die Verringerung des Spannungsabfalls an der Kontaktstelle erzielte Ersparnis aufwiegen oder sogar übertreffen können. Zur Verringerung dieser Verluste muß man also den Querschnitt der Metallader dieser Stromzuführung so klein wie möglich machen. Aus diesem Grunde hat man stets bedeutende Pincheffekte und deren Auswirkungen zu erwarten, welche in Zusammenziehungen und Wirbelbildung in der flüssigen Metallader bestehen.

Diese Pincheffekte bewirken ferner Strömungsbewegungen des flüssigen Metalls zwischen der flüs- sigen Elektrode der Zelle und dem flüssigen Metall in dem Verbindungskanal. Infolge dieser Bewegungen geraten Verunreinigungen und Oxydschichten in diesen Kanal, wodurch er allmählich verstopft wird. Außerdem verursachen diese Strömungen zu-

ao sätzliche Wärmeverluste, da warmes Metall in den Verbindungskanal gelangt, wo es sich abkühlt, und von dort wieder in die Zelle zurückkehrt. Außerdem wird bei jeder Reinigung des Verbindungskanals das thermische Gleichgewicht der Zelle gestört, so

«5 daß es nicht möglich ist, in dieser eine gleichbleibende Temperatur aufrechtzuerhalten.

Man kann diese Nachteile beträchtlich vermindern oder ganz vermeiden, wenn man die Abmessungen der flüssigen Verbindung so wählt, daß die Wärmeverluste durch Wärmekonvektion, Strahlung und Wärmeleitung so klein wie möglich werden. Der zu verwendende kleinste Querschnitt ist andererseits durch die Pincheffekte gegeben; dieser Querschnitt S kann nicht unterschritten werden, denn dann können die durch den Strom von der Stärke 1 Amp. verursachten und durch die Formel

= — — · ίο"⁸ kg/cm²

(in der der Querschnitt i" in cm² ausgedrückt ist) gegebenen elektromagnetischen Kräfte F nicht mehr genügend durch den hydrostatischen Druck P ausgeglichen werden, der von dem Metall mit der Dichte d (in g/cm^s) herrührt und gegeben ist durch

P=c-d-10-³ kg/cm²

(c = Höhe der von dem Pincheffekt hervorgerufenen Zusammenziehung), und die Zusammenziehungen in Zentimetern der flüssigen Ader, die sich unter der Einwirkung dieser Kräfte bilden, bleiben nicht in den praktisch zulässigen Grenzen.

Die Erfindung betrifft eine Stromzuführung für Zellen der Schmelzflußelektrolyse, bei welchen der Elektrolysenstrom durch einen durch die Seitenwand der Zelle herausgeführten Kanal, in den sich das schmelzflüssige Metall der Elektrode erstreckt, der Zelle zugeleitet wird. Diese Stromzuführung ist dadurch gekennzeichnet, daß dieser Kanal in der Längsrichtung in zwei Teile, b¹, b², unterteilt ist, von denen der erste, sich unmittelbar an das flüssige Metall in der Elektrolysierzelle anschließende Teil,, b¹, einen kleinen Querschnitt mit geringer Tiefe und möglichst kleiner Länge aufweist, während der sich an das erstarrte Metall c anschließende zweite Teil, b², dieses Kanals einen größeren Querschnitt mit größerer Tiefe als der erste Teil besitzt.

Die Querschnitte der beiden Teile des Kanals lassen sich aus den oben angegebenen Gleichungen berechnen:

2 I^s

3 S

ΐο~⁸ = c · d · ίο'

so daß

■•d

10~⁵ cm

2 τ²
S > —
¹⁼3 0,8 d

10-⁵ = 0,833 · 10~⁵

S²
~d

cm²

ΐο~⁵= 1,33 · ίο —j-cm
a

Im ersten Teil des Kanals soll gemäß der Erfindung c den Wert 0,8 cm erreichen können, also der Querschnitt dieses Teils

sein.

Im zweiten Teil des Kanals soll c höchstens 0,5 cm betragen, also der Querschnitt

Auf diese Weise erlauben die gemäß der Erfindung gegebenen Werte bzw. Höchstwerte für c, die passenden Querschnitte S₁ und S₂ für jeden besonderen Fall mit vorgegebener Stromstärke 1 Amp. und Dichte d in g/cm³ des flüssigen Metalls zu berechnen.

Die Zeichnung stellt als Beispiel Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung dar.

Abb. ι und 2 sind Ansichten in waagerechtem bzw. lotrechtem Schnitt einer ersten Ausführungsform;

Abb. 3 und 4 sind entsprechende Ansichten einer Abwandlung.

Auf diesen verschiedenen Abbildungen bezeichnet α die Elektrolysierzelle und b den Kanal, der eine Seitenwand a¹ der Zelle durchdringt und mit flüssigem Metall gefüllt ist, welches von der gleichen Art ist wie das flüssige Metall im Innern der Zelle, mit welchem die Verbindung hergestellt werden soll. Dieser Kanal endigt an einem Topf oder Behälter c, der erstarrtes Metall enthält, in welches die metallischen Stromzuführungsschienen d eintauchen. Der Kanal b besitzt zwei Abschnitte mit verschiedenem Querschnitt, wodurch in der flüssigen Ader unter dem Einfluß der elektromagnetischen Kräfte in diesen beiden Abschnitten verschiedene Zusammenziehungen entstehen: Der erste Abschnitt b¹, der sich unmittelbar an das flüssige Metall α² in der Zelle α anschließt, besitzt einen kleineren Querschnitt als der zweite Abschnitt b², in dem das flüssige Metall dieses Kanals das erstarrte Metall in dem Topf c berührt. Dieser Querschnitt des ersten Abschnitts b¹ des Kanals b muß so berechnet werden, daß die in diesem Abschnitt i*¹ des Kanals durch die von den vertikalen Zusammenziehungen,

die von den elektromagnetischen Kräften herrühren, bewirkte Spiegelsenkung des Metalls gegenüber der Spiegelhöhe des Metalls in der eigentlichen Zelle verhältnismäßig groß ist, und zwar kann sie bis 0,8 cm betragen. Der Querschnitt des zweiten Abschnitts b² des Kanals ist größer als der des ersten Abschnitts und ist so bemessen, daß die in diesem zweiten Abschnitt durch die von den elektromagnetischen Kräften herrührenden lotrechten Zusammenziehungen bewirkte Spiegelsenkung des Metalls gegenüber der Spiegelhöhe des Metalls in der Elektrolysierzelle kleiner als 0,5 cm ist. Die Zusammenziehung des Metalls ist in dem ersten Abschnitt b¹ des Kanals größer als in dem zweiten Abschnitt b². In diesem nähert sich die Spiegelhöhe des Metalls der Spiegelhöhe des Metalls in der Zelle und bleibt stets höher als die Spiegelhöhe des Metalls in dem ersten Abschnitt b¹. Der Querschnitt dieses ersten Abschnitts b¹ kann z. B. ein abgeplattetes Rechteck sein, da die Höhe des Metalls durch wirtschaftliche oder technische Erwägungen begrenzt sein kann, weshalb man zur Erhaltung eines genügenden Querschnitts mit Rücksicht auf die Pincheffekte in diesem Fall für den ersten Abschnitt des Kanals eine Breite wählt, die größer als die Höhe des Metalls in diesem Abschnitt des Kanals ist, wie auf der Zeichnung dargestellt. Für diesen ersten Abschnitt b^l des Kanals ist eine möglichst kleine Länge zu wählen, wobei die geringste _:

Länge im allgemeinen durch die Dicke der Wand a¹ der Zelle gegeben ist.

Wie bereits oben ausgeführt, soll der Querschnitt j des zweiten Abschnitts b- des Kanals so gewählt werden, daß die elektromagnetischen Kräfte in diesem Abschnitt kleiner sind als in dem ersten Abschnitt b¹. Hierzu gibt man diesem zweiten Abschnitt des Kanals eine größere Höhe und eine ge- j ringere Breite als dem ersten Abschnitt, wobei je- I doch die Abmessungen so gewählt werden, daß der j Querschnitt dieses zweiten Abschnitts b- größer als der des ersten Abschnitts b¹ ist.

Um die beiden Abschnitte des Kanals noch besser voneinander zu trennen, kann man den zweiten Abschnitt b² mit dem ersten Abschnitt b¹ einen gewissen Winkel bilden lassen, wie auf Abb. 3 dargestellt. Man kann auch Gitter aus Graphit oder anderen geeigneten Werkstoffen vorsehen, um die j elektromagnetische Trennung noch wirksamer zu j gestalten und den Einfluß der in dem Abschnitt b¹ auftretenden Bewegungen des Metalls auf das Metall in dem zweiten Abschnitt b² auszuschalten.

Die Abkühlungsbedingungen des Metalls müssen j so bestimmt sein, daß dessen Erstarrung in dem ' zweiten Abschnitt b- des Kanals in der Nähe des I Topfes c erfolgt, und es ist vorteilhaft, daß die Berührung zwischen erstarrtem und flüssigem Metall ! an dieser Stelle gemäß einer lotrechten Ebene stattfindet. Man kann, wie auf Abb. 3 und 4 dargestellt, Löcher e für den Umlauf von Luft zur Abkühlung des Metalls in diesem Gebiet vorsehen. Man kann ferner einen Abflußkanal / vorsehen, der normalerweise durch geeignet angeordnete Steine f¹ (Abb. 3 und 4) verschlossen ist.

Es ist zweckmäßig, wenn der erste Abschnitt b¹ des Kanals von einem Wärmeschutzdeckel a³ bedeckt ist, so daß er leicht geöffnet und gereinigt werden kann. Zwischen dem Metall und diesem Deckel muß ein freier Raum α⁴ vorgesehen werden. Der zweite Abschnitt b² des Kanals kann mit einem Wärmeschutz versehen werden, um möglichst kleine Wärmeverluste zu erhalten.

Die Verbindung zwischen den Stromzuführungsschienen d und dem erstarrten Metall in dem Topf c kann auf die übliche Weise hergestellt werden, z. B. durch Verschraubung, Schweißung usw., oder indem man die Stromzuführungsschienen in das flüssige Metall eintaucht, welches man einfach um diese Schienen herum erstarren läßt.

Die erfindungsgemäße Anordnung bietet folgende Vorteile: Die durch den Pincheffekt hervorgerufenen Strömungsbewegungen des Metalls zwischen der Zelle und dem Kanal treten nicht mehr in dem ganzen Verbindungskanal auf, sondern nur zwischen der Zelle und dem ersten Abschnitt b¹ des Kanals, der infolge der elektromagnetischen Kräfte die tiefste Spiegelhöhe darstellt. Alle diese Bewegungen werden in der Übergangszone zwischen den Abschnitten b¹ und b² des Kanals angehalten. Infolge der Verkürzung des ersten Abschnitts b¹ werden die Strömungsbewegungen und infolgedessen die Wärmeverluste soweit wie möglich verringert, und die Wärme bleibt in der Zelle lokalisiert. Durch die Entfernung der sich in dem Abschnitt b^l anhäufenden Verunreinigungen und Oxydschichten wird das thermische Gleichgewicht der Zelle sowenig wie möglich gestört. Infolge der Vergrößerung des Querschnitts des Metalls in dem zweiten Abschnitt b² des Kanals gegenüber dem ersten Abschnitt b^l werden die Wirbelbewegungen des Metalls in dem Abschnitt b² sehr abgeschwächt, und die Strömungsbewegungen zwischen der Zelle und dem Kanal können nicht in diesen Abschnitt b² eindringen, so daß das Metall in diesem beruhigten Abschnitt erstarrt. Da der Abschnitt b¹ infolge der Einschnürungskräfte den niedrigsten Spiegelstand besitzt, lagern sich die Verunreinigungen und Oxyde vorzugsweise an dieser Stelle ab. Man kann es sogar erreichen, daß die Verunreinigungen und Oxyde von dem Abschnitt b² zu dem Abschnitt b¹ geführt werden und daß die Zone zwi- no sehen dem flüssigen Metall und dem erstarrten Metall praktisch frei von eindringenden Verunreinigungen bleibt. Der Abschnitt b^l bildet somit eine Art elektromagnetische Schranke zwischen jlem flüssigen Metall der Zelle und dem als Stromzuführung dienenden Abschnitt b² des Kanals.

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   i. Stromzuführung für Zellen der Schmelzflußelektrolyse, bei welchen der Elektrolysenstrom durch einen durch die Seitenwand der Zelle herausgeführten Kanal, in den sich das schmelzflüssige Metall der Elektrode erstreckt, der Zelle zugeleitet wird, dadurch gekennzeich-

   net, daß dieser Kanal in der Längsrichtung in zwei Teile (b^x, b-) unterteilt ist, von denen der erste, sich unmittelbar an das flüssige Metall in der Elektrolysierzelle anschließende Teil (ö¹) einen kleinen Querschnitt mit geringer Tiefe und möglichst kleiner Länge aufweist, \vährend der sich an das erstarrte Metall (c) anschließende zweite Teil (fc²) dieses Kanals einen größeren Querschnitt mit größerer Tiefe als der erste Teil besitzt.
2. 2. Stromzuführung gemäß Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des ersten, sich unmittelbar an die Elektrolysierzelle anschließenden Teils des Kanals

   mindestens 0,833 · ^I0~⁵ ~r cm² und der Querschnitt des zweiten Teils mindestens 1,33 · 10~⁵ -, cm²

   beträgt, wenn 1 die Stromstärke in Ampere in der Stromzuführung und d die Dichte des flüssigen Metalls bei der Arbeitstemperatur der Stromzuführung in g/cm³ bezeichnet.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   © 4001 4.