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Anordnung der senkrechten Kontaktbolzen der selbstbackenden Anode
bei Öfen für die elektrolytische ,Gewinnung von Aluminium Bei der Herstellung von
Aluminium durch Elektrolyse von Tonerde, die in einem Fluoridschmelzfluß gelöst
ist, benutzt man zum Teil vorgebrannte, zum Teil selbstbackende Anoden. Seit einigen
Jahren sind Aluminiumelektrolyseöfen mit selbstbackenden Anoden in Betrieb, bei
denen der eiserne Mantel, in den die rohe Kohlenmasse eingebracht und in dem sie
geformt und gebacken wird, permanent ist, d. h. nicht nach Maßgabe des Anodenverbrauchs
unten abgeschmolzen oder auseinandergenommen werden muß, und die Stromzuführung
durch senkrechte, herausziehbare Kontaktbolzen erfolgt. Die Anode rutscht im permanenten
Mantel allmählich nach unten, ohne daß der Mantel der Bewegung folgt.
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In neuerer Zeit baut man die Aluminiumelektrolyseöfen immer größer.
Die meisten haben eine Leistung in der Größenordnung von 30 ooo bis 6o ooo A. Es
sind bereits schon Ofen mit einer Leistung von ioo ooo A in Betrieb. Bei vielen
dieser Ofen erfolgt die Stromzuführung durch senkrechte Kontaktbolzen.
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Bei kleineren Aluminiumelektrolyseöfen mit selbstbackender Anode sind
die senkrechten Kontaktbolzen an zwei über dem Ofen parallel angeordneten Stromschienen
befestigt. Ofen größerer Stromstärke benötigen wenigstens vier Bolzenreihen. Die
Stromschienen werden in der Praxis nicht so stark gewählt, daß sie die Anoden tragen
können. Die Stromschienen müssen durch besondere Stromleiterträger gestützt werden,
die üblicherweise aus Eisen hergestellt sind. Ein Stromleiterträger besteht z. B.
aus zwei Doppel-T-Trägern, wobei im Falle von vier parallelen Stromschienen
diese
auf beiden Seiten der Träger angeordnet werden. Diese Anordnung läßt ohne weiteres
vier Bolzenreihen zu. Die Bolzen sind dann abwechslungsweise an der einen und an
der anderen Stromschiene befestigt. Wohl die meigten heute in Betrieb befindlichen
Ofen mit selbstbackender Anode und senkrechten Kontaktbolzen sind so ausgerüstet.
Diese Befestigungsart der senkrechten Kontaktbolzen an beiden Seiten von zwei parallelen
Stromleitcrträgern eines Aluminiumelektrolyseofens mit selbstbackender Anode weistverschiedene,
zum Teil schwerwiegende Nachteile auf: I. Die inneren beiden Bolzenreihen sind von
außen nur schwer zugänglich. Die Arbeiten beim Auswechseln oder Höhersetzen der
Bolzen sind umständlich. Oft ist es notwendig, daß ein Arbeiter auf die Anode klettert,
wo er der großen Hitze und dem beim Versetzen der Kontaktbolzen entstehenden Rauch
ausgesetzt ist.
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z. Die Mittel, z. B. Klemmbügel, die zum Befestigen der Bolzen an
die inneren Stromleiter dienen, können entweder überhaupt nicht von außen bedient
werden oder sind kompliziert.
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3. Die Kontaktflächen an den Stromschienen müssen von Zeit zu Zeit
gereinigt werden; diejenigen für die inneren Bolzenreihen sind aber schwer zugänglich.
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4.. Beim Höherstellen müssen die Bolzen aus der Anode herausgezogen
werden, damit der entstehende Hohlraum mit Anodenmasse gefüllt werden kann. Meistens
werden sie dann durch kalte Bolzen ersetzt, wodurch eine verminderte Rauchentwicklung
erreicht wird. Bei den Bolzen der Innenreihe ist es nun notwendig, sie so hoch zu
heben, daß sie über die Stromleiterträger weggefahren werden können. Dies erfordert
eine entsprechende größere Höhe des Krans und gegebenenfalls des Gebäudes.
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5. Die Stromleiter müssen mit den Eisenträgern fest verbunden werden,
was infolge des Unterschiedes der Ausdehnungskoeffizienten des Stromleiterwerkstoffes
(meistAluminium) und desEisens zu Unzuträglichkeiten führt.
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6. Die Stromleiter bestehen im allgemeinen aus einem Aluminiumprofil
von gleichbleibendem Querschnitt auf seiner ganzen Länge: Da nun bei Stromzuführung
von beiden Enden her gegen die Mitte des Ofens zu die Stromstärke abnimmt, ergibt
sich eine Überdimensionierung im mittleren Teil der Stromleiter, d. h. es muß mehr
Aluminium verwendet werden, als eigentlich notwendig ist. Bei Stromzuführung von
nur einer Seite ist die Überdimensionierung noch ausgeprägter.
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Solche Ofen mit schwer zugänglichen inneren Bolzenreihen sind z. B,
im »Journal of the Electrochemical Society« (Baltimore und New York), Bd.94, 1948,
S.38 und 2z8, schematisch abgebildet.
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Durch die Erfindung lassen sich die erwähnten Nachteile beheben. Sie
betrifft eine Anordnung der senkrechten Kontaktbolzen, nach welcher diese von außen,
d. h. vom Ofenrand her mit der über dem Ofen befindlichen waagerechten Stromzuführungseinrichtung
verbunden werden, wobei beiderseits der Stromzuführungseinrichtung mindestens zwei
Bolzenreihen gebildet werden, deren Abstand von der Mittellinie der Stromzuführungseinrichtung
verschieden ist.
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Wenn die Abmessungen des Ofens es für j zweckmäßig erachten lassen,
werden die Bolzen der inneren Reihen. an dem Körper selbst der waagerechten Stromzuführungseinrichtung
befestigt, während die Bolzen der beiden äußeren Reihen an nach außen gerichteten
seitlichen Vorsprüngen der Stromzuführungseinrichtung befestigt werden.
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Man kann aber auch sämtliche Bolzen an den Enden von verschieden langen
seitlichen Vorsprüngen der Stromzuführungseinrichtung befestigen. Die Länge und
die Anzahl der Vorsprünge können frei gewählt werden, so daß jede beliebige Bolzenanordnung
möglich ist. Der Ausdruck »verschieden lange Vorsprünge« bedeutet selbstverständlichnicht,
daß jeder einzelne Vorsprung eine andere Länge haben muß als die übrigen. Wenn die
Bolzen nur an Enden von Vorsprüngen befestigt werden, wird zweckmäßigerweise die
Hälfte aller Vorsprünge sehr klein gewählt, so daß die daran befestigten Bolzen
nahe an die waagerechte Stromzuführungseinrichtung zu liegen kommen und die beiden
inneren Bolzenreihen bilden, während die andere Hälfte der Vorsprünge so, groß gewählt
wird, daß die- daran befestigten Bolzen die zwei äußeren Reihen bilden. Die Erfindung
läßt selbstverständlich auch mehr als zwei Bolzenreihen beiderseits der waagerechten
Stromzuführungseinrichtung zu.
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In allen Ausführungsformen der Erfindung sind die Befestigungsmittel
von außen, d. h. vom Ofenrand her leicht zugänglich.
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Am zweckmäßigsten werden die seitlichen Vorsprünge durch rechtwinkeligesUmbiegen
der Enden von Stromleitern gebildet, wobei für jeden, Bolzen mindestens ein Stromleiter
vorhanden ist. Dies hat unter anderem den Vorteil, daß der Querschnitt der Stromleiter
fast auf deren ganzen Länge überall richtig dimensioniert werden kann.
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Um etwa auftretende Spannungsunterschiede auszugleichen, ist es zweckmäßig,
eineodermehrere Schienen bei -Stromzuführung von beiden Seiten her durchgehen zu
lassen. Dies ist auch aus dem Grunde zweckmäßig, weil die in der Anode tiefer sitzenden
Kontaktbolzen mehr Strom aufnehmen als die höher sitzenden. Allerdings kann es dann
vorkommen, daß die rechtwinklig umgebogenen Enden der Stromleiter überbelastet werden.
Will man diese mögliche zeitweise Überbelastung nicht in Kauf nehmen, so kann man
den Querschnitt der umgebogenen Enden z. B. durch Anschrauben einer Schiene vorzugsweise
aus demselben Leiterwerkstoff vergrößern. Dadurch tritt eine Überdimensionierung
ein, die aber nicht so sehr ins Gewicht fällt wie die weiter oben erwähnte.
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Es ist selbstverständlich möglich, die waagerechte Stromzuführungseinrichtung
ausschließlich oder fast ausschließlich aus Stromleitern zu bilden. Eine solche
Ausführung würde jedoch zur Erreichung einer genügenden mechanischen Festigkeit
eine
Überdimensionierung der Stromleiterquerschnitte bedingen, da die senkrechten Kontaktbolzen,
die praktisch immer aus Eisen bestehen, ziemlich schwer sind und zudem noch das
große Gewicht der Anode tragen müssen. Es ist daher zweckmäßig, die waagerechte
Stromzuf'ührungseinrichtung durch Eisen zu verstärken.
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Sehr vorteilhaft ist eine Anordnung, bei welcher die waagerechte Stromzuführungseinrichtung
im wesentlichen aus Stromleitern besteht, die in einem Hohlgitterträger aus Eisen
zusammengefügt sind. Dieser Eisenträger wird dann auch selbst mit seitlichen Vorsprüngen
versehen, die den Vorsprüngen der Stromleiter entsprechen. Der Eisenträger übernimmt
dann das Hauptgewicht der Bolzen und dadurch der Anode.
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Die im Hohlgitterträger angeordneten Stromleiter sind zweckmäßigerweise
nur an ihren umgebogenen Endteilen mit dem Eisen starr verbunden, so daß sie sich
unter dem Einfluß der Wärmeschwankungen in Längsrichtung frei ausdehnen oder zusammenziehen
können.
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Die Zeichnung veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel. Sie zeigt in
schaubildlicher Darstellung die obere Ausrüstung (und zwar der Einfachheit halber
nur den rechten Teil dieser Ausrüstung und des dazu gehörigen Ofenoberteils) eines
Aluminiumelektrolvseofens mit der erfindungsgemäßen Anordnung der senkrechten Kontaktbolzen
der selbstbackenden Anode.
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Mit i ist die Ofenwanne bezeichnet, deren innere Ausfütterung bei
2 sichtbar ist. 3 ist der untere, bereits gebackene Teil der kontinuierlichen Anode,
die Oberfläche derselben. Diese Oberfläche wird von der breiigen, noch nicht gebackenen
Kohlenmasse gebildet. DerEinfachheit halber ist de:rElektrolyt mit der daraufliegenden
Tonerde nicht dargestellt, die den Raum zwischen dem unteren Tei13 der Anode und
der Ofenausfütterung 2 ausfüllt, ebenso nicht die eiserne Haube zum Auffangen der
Ofengase. 5 ist der permanente Mantel, in dem die kontinuierliche Anode geformt
und gebacken wird und der im vorliegenden Falle mit Hilfe von Stangen 6 am eisernen
Joch 7 aufgehängt ist.
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Die über dem Ofen befindliche waagerechte Stromzuführungseinrichtung
für die Anode ist durch den eisernen Gitterträger 8 und durch die Aluminiumstromschienen
9 gebildet. Sie ist an vier Spindeln io aufgehängt, die durch Hubwerke ii betätigt
werden können. Die Stromleiter 9 weisen rechtwinklig abgebogene Enden 12 auf, welche
bei 13 zur Bildung einer breiten Kontaktfläche ein zweites Tal rechtwinklig umgebogen
sind. Der eiserne Gitterträger (Stromleiterträger) 8 ist mit seitlichen Vorsprüngen
14 versehen, die an ihren Enden mit den umgebogenen Enden 13 der Stromleiter verbunden
sind und dadurch einen wesentlichen Teil der Last der senkrechten Kontaktbolzen
und der Anode übernehmen. Mit 15a und 15b sind die eisernen Kontaktbolzen bezeichnet.
Diese sind unter Zwischenlegung von Zwischenstücken 16 mit Flachstangen 17 aus Aluminium
durch Schweißen oder Verschrauben verbunden, und zwar so, daß die Verbindung mit
den Enden 13 der Stromleiter mittels dieser Flachstangen erfolgt. Für letztere Verbindung
benutzt man Klammern 18, von denen der Übersichtlichkeit halber nur eine abgebildet
ist. Im vorliegenden Beispiel sind die senkrechten Kontaktbolzen 15a bzw. i S4 abwechslungsweise
mittels der Aluminiumflachstangen 17 an die Vorsprünge 12 der Stromleiter und unmittelbar
am Körper der waagerechten Stromzuführungseinrichtung befestigt, so daß der Ofen
zwei äußere Kontaktbolzenreihen 15a und zwei innere Kontaktbolzenreihen 15b aufweist.
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Sämtliche Befestigungsenden der Bolzen an die waagerechte Stromzuführungseinrichtung
sind vorn Rand des Ofens her leicht zugänglich. Sämtliche Kontaktbolzen werden von
außen, d. h. vom Ofenrand her mit der über dem Ofen befindlichen waagerechten Stromzuführungseinrichtung
verbunden. Die Stromschienen sind in zwei übereinander angeordneten Strombündeln
zusammengefaßt. An ihren aus dem Hohlgitterträger 8 herausragenden Enden sind sie
mit den Stromleitern i9 verbunden, wobei die Klemmeinrichtungen der Übersichtlichkeit
halber nicht dargestellt sind. Aus demselben Grunde sind nur die Enden der Stromleiter
i9 abgebildet. Die Stromschienen 9 berühren nicht einander, sondern es besteht ein
Zwischenraum, der im wesentlichen durch die Dicke der Stromleiter i9 bestimmt ist.
Diese Anordnung hat insbesondere den Vorteil, daß die Luft eine bessere Kühlwirkung
auf die: Stromschienen ausüben kann. Es ist vorteilhaft, in regelmäßigen Abständen
kleine Distanzierungsplättchen aus Aluminium zwischen den Schienen anzuordnen, insbesondere
zur Erreichung eines Ausgleiches bei ungleichmäßiger elektrischer Belastung der
Stromschienen. Im vorliegenden Beispiel sind keine Stromausgleichsschienen eingezeichnet.
Will man solche verwenden, so legt man z. B. je eine Ausgleichsschiene in den oberen
und in den unteren Stromleiterbündel ein, und zwar so, daß sie von einem Ende der
waagerechten Stromzuführungseinrichtung bis zum anderen durchläuft.
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Die schematisch und nur zur Hälfte abgebildete Ofenausrüstung ist
für die Stromzuführung von beiden Seiten her bestimmt.
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Die erfindungsgemäße Anordnung der senkrechten Kontaktbolzen bietet
gegenüber den eingangs erwähnten Anordnungen bedeutende Vorteile, von denen die
leichte Zugänglichkeit bereits erwähnt wurde. Die Befestigungsmittel, von denen
eine Ausführungsart, 18, im abgebildeten Beispiel schematisch angedeutet ist, können
einheitlich, d. h. sowohl für die Kontaktbolzen der inneren als auch für diejenigen
der äußeren Reihen verwendbar sein. Dasselbe gilt für die Kontaktflächen. Beim Verstellen
oder Auswechseln der Bolzen sind überall dieselben Handgriffe anzuwenden, gleichgültig
ob der Bolzen einer inneren oder äußeren Reihe- gehört. Beim Wegfahren der hochgezogenen
Bolzen müssen diese nur noch so hoch gehoben werden, daß ihr unteres Ende etwas
höher liegt als der Rand des Anodenmantels. Die Stromleiterquerschnitte
brauchen
praktisch nicht überdimensioniert zu sein.
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Selbstverständlich sind im Rahmen der beanspruchten Erfindung noch
ändere Ausführungsarten möglich als die in der Zeichnung abgebildete.