DE805088C - Elektrolysezelle zum elektrolytischen Raffinieren von Aluminium - Google Patents

Description

Die Wannen zur schmelzflüssigen Elektrolyse, welche zum elektrolytischen Raffinieren von Aluminium benutzt werden, besitzen meistens eine leitende Sohle. Auf dieser befindet sich eine metallische Schicht einer als Anode dienenden Legierung, über welcher sich das Elektrolysebad befindet, welches selbst von einer weiteren Metallschicht bedeckt ist, welche die Rolle der Kathode spielt. Der Strom wird in diese Schicht von Kathodenmetall mit Hilfe von aus einem kohlenstoffhaltigen Werkstoff bestehenden Elektroden eingeführt.

Der Elektrolysevorgang läuft letzten Endes auf einen selektiven Transport des einen der Metalle der Anodenlegierung in das Kathodenmetall hinaus, wobei die Polarisationsspannung nur einen äußerst geringen Bruchteil der Gesamtspannung an den Klemmen des Ofens ausmacht. Man kann sagen, daß, wenn sich der normale Betriebszustand in dem Ofen eingestellt hat, die durch das Produkt der Stromstärke und der Spannung des Ofens gemessene aufgenommene elektrische Leistung fast genau gleich den sekundlichen Wärmeverlusten des Ofens ist. Es ist daher von größter Wichtigkeit, diese Wärmeverluste so klein wie möglich zu machen, um den Verbrauch an elektrischer Energie je Tonne hergestellten Erzeugnisses zu verringern. Diese Wärmeverluste können zerlegt werden in i. Verluste durch die Seiten und den Boden des Ofens, 2. Verluste durch die Oberseite des Ofens.

Man kann die ersten Verluste beliebig dadurch vermindern, daß man Wärmeschutzmittel in geeigneter Dicke an den betreffenden Wänden anordnet. Dies gilt jedoch nicht für die Verluste durch die Oberseite. Der größtmögliche Wärmeschutz der Oberseite eines Ofens kann nämlich nur durch die Anordnung eines Gewölbes aus einem Stück erhalten werden, d. h. ohne irgendwelche freie Stoßstelle, durch welche die Wärme austreten könnte.

xo Das Vorhandensein von aufgehängten Elektroden macht dieses System infolge der unvermeidlichen Stoßstellen zwischen diesen Elektroden und dem Wärmeschutzdeckel des Ofens unwirksam. Außerdem wird Wärme durch Wärmeleitung durch diese Elektroden selbst abgeführt. Schließlich stellen diese Elektroden eine Erschwerung dar, da sie einerseits an der Luft langsam oxydieren und ihr Verbrauch den Gestehungspreis des hergestellten Erzeugnisses belastet und da sie anderseits Kon-

ao trollmaßnahmen und Handhabungen erfordern und Unfälle sowie Betriebsstörungen durch Schmelzen der Aufhängestäbe bei ungleicher Stromverteilung auf die Elektroden hervorrufen können.

Um diese Nachteile zu vermeiden, wurde bereits vorgeschlagen, den Strom der Kathodenschicht mit Hilfe von Metallschienen zuzuführen, welche in eine erstarrte Masse eines Metalls von der gleichen Art wie das Kathodenmetall eintauchen, welche in einem außen seitlich an der Wanne angebrachten Topf enthalten ist, welcher durch einen die Seitenwand der Wanne durchdringenden und mit flüssigem Metall gefüllten Kanal verlängert wird, der die elektrische Verbindung mit dem Kathodenmetall herstellt.

Man kann dann den Haupttiegel der Zelle mit einem dichten Gewölbe überdecken, welches man thermisch so wirksam machen kann, wie man wünscht.

Leider ist es auf diese Weise nicht möglich, alle Wärmeverluste zu vermeiden, denn man muß sich damit abfinden, den Kanal und die Stromzuführungsschienen der Kathode auf natürliche oder künstliche Weise zu kühlen, damit die Gefahr einer öffnung des Stromkreises durch Schmelzen dieser Schienen oder infolge einer Veränderung des Flüssigkeitsspiegels in dem Haupttiegel ausgeschlossen ist.

Die Wärmeübertragung zwischen dem Haupttiegel und dem Hilfstopf, an welchem die Strom-Zuführungsschienen enden, wird durch die folgenden physikalischen Erscheinungen beherrscht: i. Wärmeübertragung durch Leitung durch die flüssige Metallschicht, 2. Wärmeübertragung durch Mitführung durch das flüssige Metall in dem Kanal. Diese Mitführung wird beträchtlich durch Bewegungen elektromagnetischen Ursprungs vergrößert, welche in der stromdurchflossenen Metallmasse entstehen.

In beiden Fällen besteht das Mittel zur Verringerung dieser Verluste in einer Verringerung des Querschnittes des flüssigen metallischen Leiters.

Hierdurch steigert man aber beträchtlich die auf

das flüssige Metall des Kanals wirkenden elektromagnetischen Kräfte und erhält bald die Unterbrechung des Stromkreises durch den sog. Einschnürungseffekt, was mit dem normalen Betrieb der Elektrolysezelle unvereinbar ist.

Die Erfahrung hat es gezeigt, daß es kaum möglich ist, mit Stromstärken über 20 Amp/cm² in den Stromzuführungen aus flüssigem Aluminium zu arbeiten, und diese Stromdichte führt noch zu sehr hohen Wärmeverlusten.

Eine weitere Schwierigkeit tritt auf, wenn man mehrere Leiter aus flüssigem Metall parallel schalten will, wozu man gezwungen ist, wenn man durch eine Elektrolysezelle eine hohe Stromstärke schicken will. Die Stromverteilung auf die parallelen Leiter ist nämlich durch ihren elektrischen Widerstand bedingt, der ursprünglich sehr klein ist. Es genügt nun, daß Verunreinigungen, z. B. infolge der Mitführungsbewegungen, in einen der Kanäle gelangen, damit der elektrische Widerstand des gestörten Kanals sich erheblich ändert, so daß er sich elektrisch auf die anderen Kanäle entlastet, bei welchen sich der Einschnürungseffekt einstellt. Es kommt auch vor, daß der Einschnürungseffekt bei dem verunreinigten Kanal selbst auftritt, wenn die ihn durchfließende Stromstärke nicht proportional mit der Verringerung des Durchtrittsquerschnitts für den Strom abnimmt. _go

Die Stromverteilung auf mehrere parallel geschaltete flüssige Leiter ist also ein weiterer heikler Punkt des obigen Systems und erfordert wenigstens ebensolche Sorgfalt wie die Elektroden der öfen der früheren Bauweise.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine besondere Anordnung der Kathode, welche gestattet, alle obigen Schwierigkeiten zu beheben.

Die Elektrolysezelle zum Raffinieren von Aluminium nach dem Dreischichtenverfahren besitzt zwei auf verschiedenen Höhen angeordnete und voneinander elektrisch isolierte leitende Sohlen, von denen jede mit einer der äußeren Metallschichten in Verbindung steht, wobei die eine der Sohlen zur Stromzuführung und die andere zur Stromabfuhr für die Elektrolysezelle dient.

Die Zeichnung stellt als Beispiel in einem lotrechten Schnitt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle dar.

Die Zelle ist mit zwei leitenden Sohlen α und b «o versehen, wobei die Sohle b höher liegt als die erste und von dieser elektrisch durch eine dichte Steinmauer c aus geeigneten Werkstoffen getrennt ist.

Die untere Sohle α bildet den positiven Pol und ist von der Anodenlegierung d bedeckt. Über dieser Anodenlegierung d ist die Elektrolytschicht e angeordnet, welche ihrerseits von der Kathodenschicht aus raffiniertem Metall / bedeckt ist, welche auf die obere Sohle b überströmt und diese vollständig überflutet. Diese Sohle b bildet den negativen Pol.

Bei einer derartig ausgebildeten Elektrolysezelle werden keine Elektroden mehr verbraucht. Es besteht keine Oxydationsgefahr für die beiden Sohlen, welche durch eine Schicht flüssigen Metalls wirksam gegen die Luft geschützt sind.

Das System weist ferner den großen Vorteil auf, daß es einen beliebig weit getriebenen Wärmeschutz aller Teile der Elektrolysezelle ohne jede Gefahr einer Unterbrechung des Stromkreises gestattet, da das Gewölbe g den Ofen vollständig abschließt. Die auswechselbaren Elektroden fallen fort.

Da die Schwierigkeiten der Stromverteilung verschwinden, ist die Stabilität des Betriebes tadellos, und die für den Betrieb der Elektrolysezelle erforderliche Arbeit wird erheblich verringert.

In der kathodischen Sohle tritt ein Spannungsabfall auf, der wesentlich von ihren Abmessungen und ihrer Bauart abhängt. Dieser Spannungsabfall wirkt sich in einer Erzeugung von Wärme aus, welche ebenso nutzbar gemacht wird wie die in dem Bad entwickelte, da sie ja im Innern der hermetisch abgeschlossenen Elektrolysezelle auftritt.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Elektrolysezelle zum Raffinieren von Aluminium nach dem Dreischichtenverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrolysezelle zwei auf verschiedenen Höhen angeordnete und voneinander elektrisch isolierte leitende Sohlen (α, b) aufweist, von denen die untere mit der Anode (d) und die obere mit der Kathode (/) in Verbindung steht.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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