DE898817C - Ofen fuer direkte Schmelzflusselektrolyse von Aluminium - Google Patents

Description

Bei Öfen für Schmelznußelektrolyse, insbesonders für die Herstellung von Aluminium und anderen Leichtmetallen, besteht der den negativen Pol bildende Ofenboden in den meisten Fällen aus zusammengefügten Kohlesteinen, in denen die für die Zufuhr des elektrischen Stromes dienenden metallischen Bestandteile auf verschiedene Weise befestigt sind.

Für den Bau derartiger Ofenböden sind verschiedene Verbesserungen vorgeschlagen worden, die zur Herabsetzung des Ohmschen Widerstands dienen sollen; aber trotz aller Sorgfalt ist es kaum gelungen, den Spannungsabfall bei solchen Ofenböden auf weniger als 0,5 Volt herabzusetzen.

Die Erfindung soll neue Anordnungen für den Bau solcher Elektrolyseöfen angeben, bei denen im Ofenboden oder in der Kathode nur ein sehr geringer Spannungsabfall auftritt. Es muß übrigens hervorgehoben werden, daß die den Ofenboden bildende Kohleauskleidung bei Anwendung dieser neuen Anordnungen nicht mehr als Stromleiter dient.

Vor Beschreibung dieser neuen Anordnungen erscheint es angebracht, auf die Bedeutung hinzuweisen, die ihnen in dreifacher Weise, und zwar hinsichtlich Stromverbrauch, Baukosten und Erleichterung der Metallgewinnung zukommt.

Bei allen öfen für Schmelzflußelektrolyse, die gewöhnlich bei Temperaturen zwischen 850 und 1000° arbeiten, entsteht ein Wärmeverlust, der durch den beim Stromfluß durch Bad und Stromzuführungsbestandteile (Anoden oder Ofenboden) auftretenden Jouleschen Effekt ausgeglichen wird.

Der Ohmsche Widerstand der den Strom zuführenden Teile hat einen für den betreffenden Ofen geltenden Wert, der während des Betriebs nicht

mehr geändert werden kann. Dagegen ist der Ohmsche Widerstand des Bades insbesondere von dem Abstand abhängig, der sich zwischen der Oberfläche des den negativen Pol bildenden geschmolzenen Metalls und der unteren Begrenzungsfläche der Anoden einstellt.

Je kleiner dieser Abstand ist, desto größer, ist die zur Erzielung eines genauen Ausgleichs der Wärmeverluste anzuwendende Stromdichte und ίο desto größer auch die Leistungsfähigkeit des Ofens, also der Wirkungsgrad, und zwar bis zur Erreichung eines Mindestabstandes zwischen den Polen, bei dessen Überschreitung der Wirkungsgrad des Stromes oder der Faradaysche Wirkungsgrad nachläßt.

Nun ist es aber selbstverständlich, daß bei einem gegen Wärmeverlust gut isolierten Ofen die im Ofenboden entwickelte Joulesche Energie auch zur Erwärmung des Schmelzbades beiträgt. Gelingt es also, den Spannungsabfall im Ofenboden herabzusetzen, also den Wert der dort durch den Jouleschen Effekt entwickelten Energie zu vermindern, so muß in gleichem Maße die im Bad entstehende Joulesche Energie vergrößert werden, und es muß dementsprechend die anodische Stromdichte gesteigert werden. Diese annähernd 20% betragende Steigerung der Stromdichte bewirkt eine Verminderung des Energieverbrauchs um annähernd io°/o, berechnet auf den bereits sehr geringen, vom Erfinder bei älteren Öfen erzielten Energieverbrauch. Infolge des Fortfalls von in den (Kohleboden eingebauten Stromzuleitungen aus Gußstahl und Ersatz dieser Leitungen durch andere viel leichtere Elektroden erzielt man eine Stahlersparnis von fo bis 75% und zugleich auch eine Ersparnis an Kupfer, die je nach der gewählten Anordnung 25 bis 35 'Vo, erreichen kann.

Wie aus nachfolgender Beschreibung zu ersehen ist, besteht ein weiterer Vorteil der Erfindung darin, daß die Entnahme des geschmolzenen Metalls ohne Ausschöpfen in sehr einfacher Weise zum gewünschten Zeitpunkt und auf die gewünschte Art ununterbrochen oder mit Unterbrechungen erfolgen kann.

Die ständige oder fast ständige Entnahme, die z. B. dreimal täglich statt nur einmal alle 4 oder 5 Tage erfolgen kann, bietet den großen Vorteil, daß die Oberfläche des geschmolzenen Metalls stets die gleiche Höhe beibehält oder bei fast ununterbrodiener Entnahme nur sehr kleinen Schwankungen von weniger als 1 cm unterworfen ist, so daß die erhärtete Schicht von Tonerde und Bad stets in der gleichen Höhe verbleibt und es daher nicht notwendig ist, diese Schicht aufzubrechen und an einer anderen tiefer gelegenen Stelle wieder herzustellen, wie dies bei stoßweiser Entnahme in Abständen von mehreren Tagen geschehen muß. Ferner sind die mit Kohlesteinen ausgekleideten Ofenwandungen nicht mehr abwechselnd von der Schmelze bedeckt und freigelegt, wodurch ihre Lebensdauer verlängert wird.

Der Gegenstand der Erfindung, die durch die Fig. ι bis 10 der Zeichnung dargestellt ist, betrifft beispielsweise einen Elektrolyseofen für die Herstellung von Aluminium, der dadurch gekennzeichnet ist, daß der von den Anoden ¹H kommende Strom nicht durch den Kohleboden 6, sondern durch mit flüssigem oder erstarrtem Aluminium gefüllte Kanäle his zu den Elektroden 14 geführt wird.

Dieser Grundgedanke, der in ähnlicher Weise bei Stahlöfen, z. B. beim Chaplet-Ofen (französische Patentschrift 370005) Anwendung gefunden hat, erfordert für die richtige Durchführung und zur Erzielung eines einwandfreien technischen Ergebnisses die Anwendung neuer Anordnungen, die den Gegenstand des vorliegenden Patents bilden.

Es müssen nämlich mehrere Bedingungen erfüllt werden::

i. Der Hauptzweck der Erfindung, nach welcher Elektrolyseöfen mit sehr geringem Kathodenspannungsabfall gebaut werden sollen, kann nicht ohne gewisse technisch schwerwiegende Nachteile erzielt werden, wenn man sich mit Kanälen mit gleichbleibendem Querschnitt begnügen würde, denn entweder haben diese Kanäle einen kleinen Querschnitt, .was einen hohen elektrischen Spannungsabfall zur Folge hat bei geringem Verlust durch Wärmestrahlung, oder die Kanäle haben einen weiten Querschnitt, dann ist der Spannungsabfall gering, was auch angestrebt wird; aber in diesem Falle ist der Verlust durch Wärmestrahlung groß, was vermieden werden soll.

In der Fig. ,9 sind die Verluste als Ordinaten und bei Kanalquerschnitt als Abszissen eingetragen. Die Gerade I stellt den dem Kanalquerschnitt proportionalen Verlust durch Wärmestrahlung vor, die gleichseitige Hyperbel II dagegen den dem Querschnitt umgekehrt proportionalen Verlust durch den Jouleschen Effekt. Die sich aus I + II ergebende Kurve stellt die Summe beider Verluste dar und beweist, daß diese Kurve ein Minimum aufweist, wenn die beiden Verluste gleich große Werte haben. Es läßt sich dann das, was wir als günstigsten Querschnitt bezeichnen wollen, durch eine geeignete Dimensionierung der Kanalquerschnitte erzielen.

2. Der obige Erfindungsgedanke führt aber an sich allein nicht zu geeigneten technischen Effekten, und¹ es ergibt sich als zweite Aufgabe die Regelung des Temper.aturgefälles in den Leitungskanälen. Die Temperatur im mittleren offenen Hohlraum muß derart hoch, gehalten werden, daß dort das Aluminium im flüssigen Zustand entnommen werden kann.

An den Enden dieser Kanäle, die sich bis zu den Polen 14 für den Stromaustritt fortsetzen, muß dagegen das Aluminium, und zwar in genügend großem Abstand von diesen Elektroden, bereits erstarrt sein, damit diese aus Stahl geformten Kathoden vom flüssigen Aluminium nicht angegriffen werden.

Dies geschieht durch Einschalten von Einbauten in diesen Kanälen ohne Übergang (sogenannte Wärmeschleusen), deren Querschnitt nach Bedarf durch bewegliche, feuerfeste Platten geregelt werden kann. So wird das gewünschte Temperaturgefälle

im Kanal hergestellt. Dagegen ist in. einem Kanal von gleichbleibendem Querschnitt, auch wenn dieser zu minimalen Wärme- und Stromverlusten führt, nur ein linearer Temperaturabfall zwischen der Badtemperatur von 950° und der jeweiligen Außentemperatur erzielbar, bis zu welcher sich auch die Elektroden 14 etwa abgekühlt haben.

Vereinigt man die beiden vorstehend genannten Grundgedanken, so kommt man zu folgendem Ergebnis, das erforderlich macht: a) Kanalabschnitta von großem Querschnitt, die sich über den größten Teil des Kanals erstrecken mit geringem Spannungsabfall; b) Kanalabschnitte mit verengtem Querschnitt, die nur einen sehr kleinen Teil des Kanals ausmachen, so daß sie den elektrischen Gesamtwiderstand nicht beeinflussen können, jedoch genügend groß sind, um infolge ihrer isolierenden Wirkung den Verlust durch Wärmestrahlungen zu verhindern und den Verlust durch Jouleschen Effekt auszugleichen. Die Einbauten sind dann an geeigneten Stellen vorgesehen, um das gewünschte Temperaturgefälle herbeizuführen.

3. In der mittleren Kammer 21, von der die zu den Elektroden 14 führenden Kanäle ausgehen und wo das Aluminium eine genügend hohe Temperatur aufweisen muß, um im flüssigen Zustand entnommen werden zu können, kann gemäß einem dritten Grundgedanken der Erfindung eine zusätzliche Hilfsheizung angeordnet werden, damit das Metall in dieser mittleren Kammer auf der gleich hohen Temperatur gehalten werden kann, wie im Ofen selbst.

Es ergibt sich daraus, daß ein Wärtneverlust zwischen dem eigentlichen Ofen und dieserKammer nicht mehr eintreten kann und daß folglich die von der zusätzlichen Hilfsheizung gelieferte Wärme jener gleich ist, die das Metall auf dem Wege zwischen der mittleren Kammer 21 und der Elektrode 14' verliert. Man ersetzt also den. Wärmestrahlungsverlust, der ohne Hilfsheizung einen zusätzlichen Stromverbrauch im Ofen erfordern würde, durch einen Wärmezuschuß von kleinerem Ausmaße.

Geschieht diese zusätzliche Erwärmung in der mittleren Kammer 21, so kann der Verbindungskanal 10 ohne Nachteil in seiner ganzen Länge einen großen Querschnitt aufweisen, denn es gelingt dadurch, den Spannungsabfall in diesem Kanal zu vermindern, ohne Gefahr einer Steigerung der Wärmeverluste. Die sogenannte Wärmeschleuse 11 (in den Fig. 2 und 3, punktiert dargestellt) hat somit nur dann einen Zweck, wenn keine zusätzliche Wärmezufuhr stattfindet.

4. Der vierte Grundgedanke besteht in der Verwendung von Elektroden 14 aus vorzugsweise gehärtetem Stahl oder besser aus Stahl mit o,i°/oMn, der sich durch eine verhältnismäßig geringe Wärmeleitfähigkeit (5 bis 16 mal kleiner als diejenige des Graphits unter den gewählten Verhält-ηissen) und eine sehr günstige elektrische Leitfähigkeit auszeichnet, die etwa 35mal größer ist als diejenige des Graphits, so daß bei Wahl einer entsprechenden Stahlsorte zur Erniedrigung der Wärme- und Stromverluste beigetragen werden kann.

5. Schließlich muß vermieden werden, daß beim eigentlichen. Entleeren des Ofens der geschmolzene Kryolith in den Verbindungskanal <i© eintritt, wodurch dieser seine elektrische Leitfähigkeit ganz oder teilweise einbüßen würde. Darum muß der Scheitel des Gewölbes 9 im Kanal 10 so tief liegen, daß er wenigstens 2 cm tiefer ist als die Ofensohle 4. Den gleichen Grundgedanken, findet man, wie weiter unten beschrieben wird, auch bei Elektrolyseöfen mit zwei Metallschichten.

Unter Voraussetzung dieser zur Anwendung vorgesehenen Grundgedanken sollen nun'mehr die zur Anwendung gelangenden Anordnungen beschrieben werden.

Fig. 3 und 4 stellen Hälften von Längsschnitten durch einen Elektrolyseofen für Aluminium mit länglichen waagerechten Elektroden vor, wie diese insbesondere in der französischen Patentschrift 782 136 beschrieben sind. Fig. 3 ist ein Schnitt längs der Linie III-III der Fig. 1, und Fig. 4 ist 8g ein Schnitt längs der Linie IV-IV der gleichen Fig. i. Umgekehrt sind die Fig. 1 und 2 jeweils Querschnitte längs der Linien I-I und H-II der Fig. 3. Fig. $ ist ein Querschnitt durch die Ofensdhle. Die Fig. 5, 6< und 7 veranschaulichen Einzelanordnungen der Elektroden. Fig. 10 ist ein im Dreischichtenverfahren mit zwei Metallschichten arbeitender Raffmierofen.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen die verschiedenartigen üblichen Auskleidungen eines Elektrolyseofens.

6 ist die innere Badauskleidung mit Kohlesteinen,

7 ist eine Auskleidung mit feuerfesten Steinen,

8 und 24 sind Bekleidungen mit wärmeisolierenden Steinen.

In Fig. 8 sind Nuten 20 von vorzugsweise rechteckigem Querschnitt dargestellt, die aber auch halbkreis- oder trapezförmigen Querschnitt aufweisen können. Diese Nuten sind in die Ofensohle eingeschnitten, und beim Bau des Ofens wird geschmolzenes Aluminium hineingegossen, und zwar so viel, daß die erstarrte Oberfläche dieses Metalls 5 (Fig. 3, 4 und 8) annähernd 1 cm tiefer liegt als die Ofensohle 4 und annähernd. 1 cm höher liegt als der Scheitel 9 des. Gewölbes des Verbindungskanals.

Beim Bau werden alle mit Aluminium ausgefüllten Nuten durch das geschmolzene Metall parallel geschaltet, das bis zur Höhe 5 in den Hohlraum 25 und in den Verbindungskanal 10 gegossen wird. Ist schließlich der Kanal 10 durch das erstarrte Metall verschlossen, gießt man Aluminium auch in den Raum 21, in die Zwischenkanäle 22 und 13 und schließlich in den Raum 23 an der Elektrode bis zu der in 26 dargestellten Höhe. In dieser Anordnung kann der Ofen in der üblichen Weise in Betrieb genommen werden, indem die Anoden mit den Kohlensteinen des Ofenbodens in Berührung gebracht werden.

Bei normalem Betrieb muß das flüssige Metall in dem Bad auf ziemlich hohem Niveau 3 gehalten werden, und zwar entsprechend dem Metallstand in der Kammer 21, also etwas tiefer als die Ober-

fläche des geschmolzenen Kryoliths 28 (Fig. 3), und zwar im Verhältnis zu den spezifischen Gewichten dieser beiden Schmelzen derart, daß der Strom, der im Metall nicht lotrecht wie in den üblichen Öfen, sondern waagerecht fließt (Richtung des Pfeils), nur einen geringen Widerstand zu überwinden hat.

Links und rechts der Kammer 21 gehen zwei schmale und sehr hohe Zwischenkanäle 22 ab, die mit den Räumen 23 in Verbindung stehen, wo sich die Elektroden Ί14 befinden. Diese Verbindung wird durch die sogenannten Wärmeschleusen 13 hergestellt. In diesen Zwischenkanälen erstarrt das Metall allmählich. An deren Eintrittsöffnung können feuerfeste Platten 29 angeordnet werden, durch deren Verstellen das Wärmegefälle des gesamten Ofens verändert werden kann, ohne merkliche Änderung des elektrischen Widerstands. Auf diese Weise kann das gewünschte Temperaturgefälle hergestellt werden.

Beispielsweise mögen folgende Temperaturen längs des volm elektrischen Strom zurückgelegten Weges angeführt werden, sofern der Kanalquerschnitt nach den in den Abschnitten 1 und 2 niedergelegten Vorschriften bemessen ist.

Bei Abwesenheit einer zusätzlichen Hilfsheizung in der mittleren Kammer und bei, einer Temperatur des 'geschmolzenen Metalls· im Ofen von 950° (J₁) beträgt die Temperatur in den mittleren Kammern t₂ — 850°, die für die Entnahme des flüssigen Metalls noch genügend hoch· ist. Die Temperatur am unteren Ende der Elektroden ist dann t_s = 470° und aim oberen· Ende der Elektroden t_l = 40°.

Bei einer gut funktionierenden zusätzlichen Beheizung betragen diese Temperaturen t_t = 950⁰, i₂ = 950'⁰, i₃ = 520⁰ und t_t = 40⁰. Wie erwartet, wird durch· eine zusätzliche Beheizung die Temperatur am unteren Ende der Elektroden etwas erhöht.

Die vorzugsweise aus Manganstahl (o>,i°/o Mn) bestehenden Elektroden 14 (Fig. 5 und 6) sind im unteren Teil mit bereits beim Guß vorgesehenen Nuten 12 versehen, durch welche der Kontakt zwischen· dem erstarrten Aluminium und den Elektroden verbessert werden soll. Am oberen Teil, dessen Längsflächen verkupfert sind, sind zur weiteren Verbindung an der Kathode Kupferschienen 19 befestigt, deren Länge allmählich abnimmt. Ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen, könnte man natürlich statt einer einzigen mittleren (Kammer auf .der einen Seite des Ofens, von dem zwei Zwi'sohenkanäle abgehen, auch zwei mittlere Kammern auf den gegenüberliegenden Seiten vorsehen, von denen dann jeder die Ausgangsstelle eines einzigen (ZWischenkanals bilden würde. Die Wahl derartiger Anordnungen oder die Wahl einer sonstigen verbesserten Anordnung ist insbesondere von der Art und Weise abhängig, in welcher die Anschlüsse zwischen den öfen einer und derselben Reihe hergestellt werden.

Die Anordnungen nach der Erfindung sind sowohl bei geschlossenen als auch bei offenen Öfen anwendbar.

In' gleicher Weise läßt sich vorliegende Erfindung, ohne daß eine nähere Beschreibung erforder-Hch ist, auch bei elektrolytisdhen Raffinieröfen, im Dreischichtenverfahren mit zwei Metallschicht^ anwenden,, wobei die aus unreinem Metall bestehende untere anodische Schicht 310 (Fig. 10) mit der Anode in der vorgeschriebenen Weise und die obere, aus raffiniertem Metall bestehende kathodisdhe Schicht 32 mit dem negativen Pol durch ein gleichartig ausgeführtes Kanalsystem leitend verbunden ist, wobei zwischen beiden Schichten eine aus geschmolzenem Salz 311 bestehende Zwischenschicht vorhanden ist. Der Unterschied besteht darin, daß der Verbindungskanal 10' sich dann im oberen Teil des Bades in der Höhe der oberen Schicht befindet, und zwar derart, daß eine Sohle 9' sich etwas höher befindet als die Grenzfläche 3', welche die obere kathodische Schicht 32 vom Elektrolyt 31, der sich zwischen beiden Metallschichten befindet, trennt.

Fig. 10 zeigt schematisch einen derartigen Ofen, wo die Elektroden 14 den positiven und die Elektroden 14' den negativen Pol bilden, wobei der Strom in der Richtung der Pfeile fließt.

Bei Verwendung derartiger Anordnungen ist es gar nicht mehr notwendig, Graphitkathoden zu verwenden, um den Strom der obenschwimmenden Kathodenschicht zuzuführen (siehe insbesondere die französische Patentschrift 759 588), so daß der Ofen für die elektrolytische Raffination .des Aluminiums gemäß der Erfindung auch ohne weiteres ganz geschlossen ausgeführt werden kann, weil die mit - der unteren anodischen Schicht verbundene mittlere Kammer zum Beschicken mit unreinem, zur Raffination bestimmtem Metall dient und weil die mittlere Kammer mit der obenschwimmenden · kathodischen Schicht zur Entnahme des· raffinierten Metalls dient. Die Anordnung nach vorliegender Erfindung bringt bei ihrer Ausführung eine wesentliche Energieersparnis mit sich.

Claims (8)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Ofen für direkte Schmelzflußelektrolyse von Aluminium unter Verwendung einer Anordnung zur ununterbrochenen Entnahme des geschmolzenen Metalls: mit einer mittleren Kammer, die durch mit dem Metall gefüllte Kanäle mit zur Aufnahme von Elektroden dienenden Räumen in Verbindung¹ steht, dadurch gekennzeichnet, daß der günstige mittlere Querschnitt dieser Kanäle derjenige ist, bei dem Wärme- und Stromverlust einander gleich sind.

2. Ofen nach Anspruch·ίι, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kanälen Einbauten mit nach Bedarf verstellbarem Querschnitt vorgesehen sind, wobei das· Verstellen durch feuerfeste Platten geschieht. .

3. Ofen nach Anspruch· 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Kanäle größtenteils einen weiten Querschnitt aufweisen, der einen geringen Spannungsabfall gewährleistet, und einen engen Querschnitt auf einer derart kurzen Entfernung, daß zwar der elektrische

Widerstand nicht beeinflußt, aber der Verlust durch Wärmestrahlung derart vermindert wird, daß dieser dem Verlust durch den Jouleschen Effekt gleich wird.

4. Ofen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der mittleren Kammer eine zusätzliche Hilfsheizung angeordnet ist und daß von dem Hohlraum zu den Elektroden führende Kanäle ausgehen, wodurch in dieser Kammer und im Ofen die gleiche Temperatur gesichert wird.

5. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Elektroden aus Manganstahl mit 0,1% Mn angewendet werden.

6. Ofen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gewölbescheitel des von der mittleren Kammer zu den Elektroden führenden Kanals tiefer liegt als die Oberfläche des Sohlebadens.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6 zur Raffination von Aluminium nach dem Dreischichtenverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß die untere, aus unreinem Metall bestehende anodische Schicht mit dem positiven Pol durch Kanäle mit sich allmählich vergrößerndem Querschnitt, die sich durch Einbauten (sogenannte Wärmeschleusen) verengen und die obere aus reinem Metall bestehende kathodische Schicht 'mit dem negativen Pol durch ähnliche Kanäle verbunden sind, die im oberen Teil des Ofens angeordnet sind und deren Sohle sich etwas über der die kathodische Schicht vom Elektrolyt trennenden Grenzfläche befindet.

8. Ofen nach den Ansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ofensohle mit Nuten versehen ist, die teilweise mit geschmolzenem und teilweise mit erstarrtem Metall gefüllt sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

© 5606 11.53