EP0050680A1 - Elektrode für Schmelzflusselektrolyse - Google Patents

Elektrode für Schmelzflusselektrolyse Download PDF

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EP0050680A1
EP0050680A1 EP80106579A EP80106579A EP0050680A1 EP 0050680 A1 EP0050680 A1 EP 0050680A1 EP 80106579 A EP80106579 A EP 80106579A EP 80106579 A EP80106579 A EP 80106579A EP 0050680 A1 EP0050680 A1 EP 0050680A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode according
electrode
outer part
inner part
upper section
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP80106579A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Konrad Dipl.-Chem. Koziol
Malcolm F. Dr. Dipl.-Chem. Pilbrow
geb. Möller Christine M. Dr. Dipl.-Chem. Zöllner
Dieter H Dr. Dipl. Chem. Zöllner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
C Conradty Nuernberg GmbH and Co KG
Original Assignee
C Conradty Nuernberg GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by C Conradty Nuernberg GmbH and Co KG filed Critical C Conradty Nuernberg GmbH and Co KG
Priority to EP80106579A priority Critical patent/EP0050680A1/de
Priority to JP56130376A priority patent/JPS5776192A/ja
Priority to ES507054A priority patent/ES507054A0/es
Priority to NO813602A priority patent/NO813602L/no
Priority to HU813130A priority patent/HU183640B/hu
Priority to DD81234359A priority patent/DD201837A5/de
Publication of EP0050680A1 publication Critical patent/EP0050680A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/08—Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes
    • C25C3/12—Anodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C7/00—Constructional parts, or assemblies thereof, of cells; Servicing or operating of cells
    • C25C7/02—Electrodes; Connections thereof
    • C25C7/025—Electrodes; Connections thereof used in cells for the electrolysis of melts

Definitions

  • the invention relates to an electrode for melt flow electrolysis, in particular for the electrolytic production of metals, such as aluminum, magnesium, sodium, lithium or of compounds.
  • the electrodes for melt flow electrolysis e.g. of aluminum
  • the electrodes for aluminum production can be dimensioned up to 2250 x 950 x 750 mm, while typical graphite electrodes for magnesium production are 1700 x 200 x 100 or ⁇ 400 x 2200 mm, depending on the process type.
  • the production of such solid blocks from the ceramic materials mentioned is expensive and results in considerable difficulties with regard to resistance to temperature changes and electrical internal resistance. In recent times, however, the efforts of the power-consuming industries have focused particularly on reducing the specific energy consumption, which is why ceramic solid electrodes have also so far not been used in practice.
  • the invention has for its object to provide a new type of electrode for melt flow electrolysis, in which the disadvantages of the prior art described above are reduced.
  • an electrode that works safely with extremely low current / voltage losses is to be created, in which nevertheless the spectrum of the active materials known up to now and also to be used in the future can be used in the same way.
  • the electrode should be particularly easy to maintain and repair.
  • This type of electrode should preferably be used as an anode.
  • an electrode of the type mentioned at the outset which is characterized by an upper section made of metal or metal alloy, which optionally includes a cooling device, the upper section comprising an inner and an outer part which are detachable from one another, has, as well at least a lower section of active material.
  • a coolant such as Liquids, such as water, or gases, such as air, are used.
  • Such electrodes made of a cooled metal shaft with a consumable part made of graphite have already been proposed for use in the production of electrical steel in electrical furnaces in which an arc is emitted from the electrode tip. Due to the existence of the arc and its possibility of migration, the resulting extreme temperatures in the vicinity of the arc, but also due to the atmosphere in the electric steel furnace and the type of electrode operation, there are such serious deviations from the melt flow electrolysis that an application of such electrode types for the Performing melt flow electrolysis was not considered. With regard to such a prior art, reference is made only by way of example to GB-PS 1 223 162, DE-AS 24 30 817 or European laid-open specification 79302809.3. These documents describe the electrodes there with regard to the specific requirements of the arc electrode and the efforts made to meet the specific requirements of the electrical steel production process.
  • an inner part and an outer part of the upper section are designed to be detachable from one another in such a way that the inner part contains a gas or liquid guide chamber with a flow and return channel, and the outer part optionally only in encased a section.
  • the outer part generally represents the connection electrode and can consist of the same metal or metal alloy, but also of a different material than the inner part. Cooling bores or the like can be made in the outer part. Furthermore, it is also possible to drill holes in the outer part, e.g. to be provided for the guidance and storage of underlying insulating protective layers.
  • insulating is to be understood as meaning an material which is inert and shielding from the electrolysis media and which, if appropriate, can also be electrically insulating.
  • the inner part is sheathed only in a partial area by the outer part, so that the metal shaft can be formed as a whole from an upper area of larger diameter and a lower area of smaller diameter.
  • the inner part can be protected by a high-temperature-resistant insulating layer, which, for example, advantageously adjoins the outer part downwards and extends as far as the vicinity of the screw nipple or the like or beyond to a generally small partial coverage of the active part extends.
  • the high-temperature-resistant insulating layer can consist of ceramic material, but also of graphite coated with ceramic material.
  • the insulating layer can consist of a solid molded part, for example a coated graphite individual tube, or a series of sub-segments which, for example, can hold themselves in a counter bearing according to the tongue and groove system and are movable in the direction of the electrode axis.
  • a solid molded part for example a coated graphite individual tube, or a series of sub-segments which, for example, can hold themselves in a counter bearing according to the tongue and groove system and are movable in the direction of the electrode axis.
  • the electrode according to the invention there are no restrictions with regard to the counter bearing on which the insulating coating or the molded part is carried.
  • This can be a counterpart, also made of insulating material that can be subjected to high temperatures, the screw nipple itself, possibly even part of the active part itself, or a combination thereof.
  • the insulating molded part will not rest on the active part alone, provided that this is a consumable material, but will be at least partially carried by a non-"consumable", heat-resistant material.
  • the electrode in which the inner part is encased in an upper part area, in particular in the area of the side power supply, it is generally not necessary to additionally coat the outer part with a ceramic, insulating coating. However, this will depend on the respective dimensioning of the height of the outer part in relation to the inner part and can be determined accordingly depending on the use and purpose of the electrode.
  • the inner part of the electrode is inserted into the nipple connection with which the upper section made of metal and the lower section are connected.
  • the possibly required liquid or gas cooling device of the inner part which runs axially in this, is advantageously inserted into the screw nipple itself, since this can be exposed to particular heat stress, depending on the material used.
  • the inner and outer parts can be connected in several ways.
  • the connecting line lies here usually parallel to the electrode axis.
  • the detachable connection can be made by means of a thread or by correspondingly fitting the parts. It is particularly preferred if the inner part is designed as a fitting piece in the shape of a cone or cone, the outer and inner part optionally additionally having a thread in a partial area.
  • connection jaws e.g. be attached via pockets or holders with which the power supply for the electrode is connected.
  • pockets are attached to the outer part, in which graphite plates or segments are introduced for power supply.
  • Amorphous carbon, graphite, ceramic conductors, for example those mentioned at the beginning, or a combination of inorganic fibers with an electrochemically active material can be listed as active materials, which are connected to the upper section by one or more screw nipples or, if appropriate, threads.
  • active materials which are connected to the upper section by one or more screw nipples or, if appropriate, threads.
  • European patent application 80103126.1 where particularly preferred composites composed of inorganic fibers with an electrochemically active material are listed.
  • the description of the active materials in this regard, as well as their arrangement, is to be regarded as fully introduced into the present application by express reference to this European patent application. It is explained in detail there that the active material consists of a number of Bars, plates, tubes or the like can be formed, which are interconnected or separated.
  • the lower section may consist of active material in several units, which are held by one or more nipple connections, it being possible for the units to be arranged next to one another and / or among one another. So especially with regard to consumable active ingredients, e.g. Graphite, intermediate pieces of such material are considered, to which a unit that then completely consumes can in turn be screwed. As a result, the last active unit can be completely used up without the nipple connection to which the metallic upper section is connected being exposed to a hazard. In cases where the top section with nipple is not exposed to excessively high temperatures, the provision of a cooling device may be unnecessary.
  • consumable active ingredients e.g. Graphite
  • the electrode according to the invention has a number of advantages: the extremely low current and voltage losses on the way to be emphasized active part of the electrode. As a result, considerable energy savings can be achieved compared to conventional solid blocks, whether made of carbon, graphite or ceramic material. Furthermore, the side burn-off is minimized, since it is no longer the entire electrode but only its "active" part that is exposed to the aggressive electrolysis medium and the reaction gases and vapors that develop in the process. Finally, the electrode can be used in a variety of ways, since its structure allows the use of the spectrum of active materials which are fundamentally suitable in the field of melt flow electrolysis.
  • the design of the electrode according to the invention is also advantageous from a different point of view: through the gq f. water routing in the inner part remains intact even if the outer part is mechanically damaged. In the event of damage to the outer area of the upper section, it is therefore not necessary to stop the coolant supply I, to empty the electrode, etc. Because of the simple detachability of the outer section, it can be easily replaced in the event of damage as a component, while the conventional designs require a complete repair of the metal shaft or its replacement. Due to the lateral power supply, e.g.
  • the high-temperature-resistant, insulating protective layer can be connected in a particularly compact and practical form, it then not being necessary, for example, to additionally isolate the outer part, if this is limited to the area of the power supply.
  • FIG. 1 shows the basic structure of the electrode from the upper section 5 and lower section 6, which are connected by a screw nipple 1.
  • the lower section 6 made of consumable or durable material is divided into a series of individual rods 20 which are bound by the nipple 1.
  • the supply of the coolant e.g. Water, air or inert gas takes place via the feed channel 2, the coolant being carried out again via the return channel 3. It can be clearly seen from the figures that the cooling system is guided in the inner part 16 onto which the outer part 17 is placed.
  • connection options of inner part 16 and outer part 17 can be seen as a fitting piece, optionally also with a partial thread.
  • Pins 9 or the like can be guided over bores 8, which, via the spring 10, the insulating coating 4, e.g. hold on a counter bearing.
  • the insulating part can additionally be fastened by brackets 14. Cooling holes 15 are shown in the outer part, while connecting jaws 18, for example. made of graphite. These can be held in brackets or pockets 19 which are attached to the outer edge of the metal shaft. This last embodiment is particularly preferred for lateral power supply.
  • Gas purging channels which are not shown in the figures, can be provided between the insulating layer 4 and the upper section 5 or its inner part.
  • the gas purging can cause damage to the insulating ceramic, for example via a corresponding one Pressure drop, can be easily determined.
  • a certain cooling effect is possible.
  • the upper section 5 and / or the nipple connection 1 or its outer surfaces can be coated with a high-temperature-resistant coating.
  • the high-temperature-resistant coating can be designed to be electrically conductive or also insulating.
  • the coating can also consist of a high-temperature-resistant, conductive material, in which case this material has the effect of a "heat shield” or “inert shield” to protect the underlying metal.
  • a dense formation of the coating can also advantageously prevent the attack of the electrolysis media.

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Abstract

Elektroden für die Schmelzflusselektrolyse mit einem oberen Abschnitt (5) aus Metallegierung, der gegebenenfalls eine Kühleinrichtung (2,3) einschliesst, wobei der obere Abschnitt (5) einen inneren (16) und einen äusseren Teil (17), die voneinander lösbar ausgebildet sind, sowie zumindest einen unteren Abschnitt (6) aus Aktivmaterial aufweist. Die Elektroden sind insbesondere für die elektrolytische Erzeugung von Metallen, wie Aluminium und Magnesium oder Verbindungen, geeignet. Sie erlauben energiesparenden, sicheren Betrieb und sind wartungs- und reparaturfreundlich.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Elektrode für die Schmelzflusselektrolyse, insbesondere zur elektrolytischen Erzeugung von Metallen, wie Aluminium, Magnesium, Natrium, Lithium oder von Verbindungen.
  • Bei der elektrolytischen Erzeugung von Aluminium, Magnesium, Alkalimetallen sowie Verbindungen etc. in technischem Maßstab finden noch immer überwiegend Kohlenstoffelektroden aus Hartbrandkohle oder Graphit Verwendung. Wenngleich die Elektroden hauptsächlich der Stromführung dienen, sind sie doch auch häufig an den Elektrodenreaktionen selbst beteiligt. Der tatsächliche Elektrodenverbrauch liegt demnach erheblich über der theoretischen Verschleissrate, was sich auf die Oxidationsanfälligkeit der Kohlenstoffelektroden unter Elektrolysebedingungen zurückführen lässt. Die theoretische Verschleissrate liegt bei der Aluminiumschmelzflusselektrolyse bei 334 kg Kohlenstoff/t Aluminium, während tatsächlich ein Kohlenstoffverschleiss von ca. 450 kg Kohlenstoff/t Aluminium auftritt.
  • Ähnliche Probleme ergeben sich für Elektroden zur Erzeugung von Magnesium, Natrium, Lithium und Cer-Mischmetallen. Nebenreaktionen oxidativer Art an dem in die Salzschmelze getauchten Elektrodenteil sowie Abbrand durch Luftsauerstoff an dem aus der Schmelze herausragenden Teil, verschleissen die Elektroden ungleichmässig und vorzeitig. Hinzukommt die zerstörerische Wirkung der sich aus Elektrolytbestandteilen bzw. deren Folgeprodukten bildenden Graphiteinlagerungsverbindungen. Zwar sind bereits Versuche unternommen worden, Kohlenstoff-Elektroden durch Imprägnierung, nachfolgende thermochemische Behandlung und Überführung in Kohlenstoff-Siliziumkarbid-Verbundwerkstoffe zu einem geeigneten Elektrodenwerkstoff umzuwandeln. Diese Versuche haben jedoch in der Praxis der Schmelzflusselektrolyse noch zu keiner wesentlichen Verbesserung geführt.
  • Die vorstehend geschilderten Nachteile der Kohlenstoff-elektroden wie auch die steigenden Kosten für Graphit und Hartbrandkohle haben Entwicklungen nach formstabilen Elektroden initiiert. Hierdurch hofft man, nicht nur den petrochemischen Rohstoff Petrolkoks, dessen Verbrauch für Schmelzflusselektrolysenallein in der BRD ca. 500 000 t/Jahr beträgt, zu ersetzen, sondern auch auf Einsparungen des Energieverbrauches.
  • Zu diesem Zweck sind bereits eine Reihe keramischer Werkstoffe, z.B. gemäß GB-PS 1 152 124 (stabilisiertes Zirkonoxid), der US-PS 4 057 480 (im wesentlichen Zinnoxid), der DE-OS 27 57 898 (im wesentlichen Siliziumkarbid-Ventilmetallborid-Kohlenstoff), der südamerikanischen Patentanmeldung 77/1931 (Yttriumoxid mit Oberflächenschichten aus Elektrokatalysatoren) oder gemäß DE-OS 24 46 314 (keramisches Grundmaterial mit Überzug aus Spinellverbindungen),beschrieben worden. Schliesslich ist auf den Vorschlag des Einsatzes nicht-oxidierbarer Verbundwerkstoffe hoher chemischer Reinheit gemäss der europäischen Patentanmeldung 80103126.1 der Anselderin, eingereicht am 4.Juni 1930, hinzuweisen. Nachteilig am Einsatz von Elektroden, die aus keramischen . Werkstoffen gebildet sind, ist - auch nach Zusatz leitfähigkeitssteigemderKomponenten - deren häufig nur mässige bis mittlere elektrische Leitfähigkeit. Dies ist nur bei solchen Prozessen akzeptabel, wo die Elektrodenabmessungen gering und dadurch der Stromweg kurz ist.
  • Dies trifft'aber primär nur für Elektrolysen in wässrigen Medien zu, während die Elektroden für Schmelzflusselektrolysen, z.B. von Aluminium, erhebliche Abmessungen besitzen. So können die Elektroden für die Aluminiumerzeugung bis zu 2250 x 950 x 750 mm dimensioniert sein, während typische Graphitelektroden zur Magnesiumerzeugung je nach Verfahrenstyp 1700 x 200 x 100 bzw. ∅ 400 x 2200 mm betragen. Die Herstellung derartiger Massivblöcke aus den genannten keramischen Werkstoffen ist teuer und ergibt erhebliche Schwierigkeiten im Hinblick auf Temperaturwechselbeständigkeit und elektrischen Innenwiderstand. Die Bestrebungen der stromverbrauchenden Industrien sind in neuerer Zeit aber besonders auf eine Senkung des spezifischen Energieverbrauches gerichtet, weshalb keramische Massivelektroden ebenfalls bisher keinen Eingang in die Praxis gefunden haben..
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen Elektrodentyp für die Schmelzflusselektrolyse zu schaffen, bei dem die vorstehend geschilderten Nachteile des Standes der Technik vermindert sind. Hierbei soll insbesondere eine mit äusserstniedrigen Strom/Spannungsverlusten sicher arbeitende Elektrode geschaffen werden, bei der gleichwohl das Spektrum der bislang bekannten und auch künftig zum Einsatz gelangenden Aktivwerkstoffe in gleicher Weise verwendet werden kann. Die Elektrode soll dabei insbesondere wartungs- und reparaturfreundlich sein. Dieser Elektrodentyp soll bevorzugt als Anode eingesetzt werden.
  • Diese Aufgabe wird durch die Bereitstellung einer Elektrode des eingangs genannten Typs gelöst, die gekennzeichnet ist durch einen oberen Abschnitt aus Metall bzw. Metallegierung, der gegebenenfalls eine Kühleinrichtung einschliesst, wobei der obere Abschnitt einen inneren und einen äusseren Teil, die voneinander lösbär ausgebildet sind, aufweist, sowie zumindest einen unteren Abschnitt aus Aktivmaterial. Als Kühlmittel können z,B. Flüssigkeiten, wie Wasser, oder Gase, z.B. Luft, dienen.
  • Solche Elektroden aus einem gekühlten Metallschaft mit einem Verbrauchsteil aus Graphit sind bereits für die Verwendung bei der Elektrostahlerzeugung in Elektroöfen zum Vorschlag gekommen, bei denen von der Elektrodenspitze ein Lichtbogen ausgeht. Durch die Existenz des Lichtbogens und dessen Wanderungsmöglichkeit, die hierdurch sich ergebenden extremen Temperaturen in der Nähe des Lichtbogens, aber auch durch die Atmosphäre im Elektrostahlofen-und die Art des Elektrodenvorganges sind gegenüber der Schmelzflusselektrolyse so gravierende Abweichungen gegeben, dass eine Einsatzmöglichkeit solcher Elektrodentypen für die Durchführung von Schmelzflusselektrolyse nicht in Betracht gezogen wurde. Im Hinblick auf einen solchen Stand der Technik wird lediglich beispielhaft auf die GB-PS 1 223 162, die DE-AS 24 30 817 oder die europäische Offenlegungsschrift 79302809.3 verwiesen. In diesen Dokumenten sind die dortigen Elektroden im Hinblick auf die speziellen Anforderungen der Lichtbogenelektrode und die Anstrengungen beschrieben, die unternommen sind, um den spezifischen Erfordernissen des Elektrostahlerzeugungsprozesses Rechnung zu tragen.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Elektrode sind ein innerer Teil und ein äusserer Teil des oberen Abschnittes voneinander derart lösbar ausgebildet, dass der innere Teil eine Gas- bzw. Flüssigkeitsführungskammer mit Vorlauf-und Rücklaufkanal enthält, und der äussere Teil den inneren Teil gegebenenfalls nur in einem Teilabschnitt ummantelt.
  • Der äussere Teil stellt im allgemeinen die Anschlusselektrode dar und kann aus dem gleichen Metall bzw. Metallegierung, aber auch einem hiervon verschiedenen Material bestehen, als der innere Teil. In dem äusseren Teil können Kühlbohrungen oder dergleichen eingebracht sein. Des weiteren ist es auch möglich, im äusseren Teil Halterungsbohrungen, z.B. zur Führung und Lagerung von darunterliegenden isolierenden Schutzschichten vorzusehen. Unter der Bezeichnung "isolierend soll im Rahmen der Anmeldung ein gegenüber den Elektrolysemedien inertes und abschirmendes Material verstanden werden, das gegebenenfalls auch elektrisch isolierend sein kann.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Elektrode ist - wie bereits erwähnt - der innere Teil lediglich in einem Teilbereich von dem äusseren Teil ummantelt, so dass der Metallschaft insgesamt aus einem obenliegenden Bereich grösseren und einem untenliegenden Bereich geringeren Durchmessers gebildet sein kann. Bei einer derartigen Elektrode kann der innere Teil durch eine hochtemperaturbeständige Isolierschicht geschützt sein, die sich z.B. mit Vorteil an den äusseren Teil nach unten anschliesst und sich bis in die Nähe des Schraubnippels oder dergleichen oder darüber hinaus bis zu einer, im Regelfall kleinen Teilüberdeckung des Aktivteiles erstreckt. Die hochtemperaturbeständige Isolierschicht kann aus keramischem Material, aber auch aus mit keramischem Material gecoatetem Graphit bestehen. Mit besonderem Vorteil kann die Isolierschicht aus einem massiven Formteil, Z.B. einem gecoateten Graphiteinzelrohr oder einer Serie von Teilsegmenten, die sich z.B. nach dem Feder-Nut-System in einem Gegenlager selbständig halten können und in Richtung der Elektrodenachse beweglich sind, bestehen. Für die meisten Anwendungszwecke der erfindungsgemässen Elektrode bzw. Anode ist es besonders vorteilhaft, wenn zumindest der Bereich des Formteils, der mit dem Elektrolyten und den entstehenden Produkten in Berührung kommen kann, gas- und flüssigkeitsdicht den Metallschaft und gegebenenfalls andere metallische Teile, insbesondere den Nippel, abschirmt.
  • Bei der erfindungsgemässen Elektrode bestehen keine Einschränkungen im Hinblick auf das Gegenlager, auf dem die isolierende Beschichtung bzw. das Formteil getragen ist. Es kann dies ein ebenfalls aus hochtemperaturbeanspruchbarem, isolierenden Metall bestehendes Gegenstück, der Schraubnippel selbst, gegebenenfalls sogar ein Teil des Aktivteiles selbst oder eine Kombination hiervon darstellen. Im allgemeinen wird jedoch das isolierende Formteil nicht allein auf dem Aktivteil, sofern dies ein sich verbrauchendes Material ist, aufsitzen, sondern zumindest teilweise durch ein nicht- "verbrauchbares", hitzebeständiges Material getragen sein.
  • Bei der bevorzugten Elektrodenausführung, bei der der innere Teil in einem oberen Teilbereich, insbesondere im Bereich der seitlichen Stromzuführung ummantelt ist, ist es im allgemeinen nicht erforderlich, den äusseren Teil zusätzlich mit einer keramischen, isolierenden Beschichtung zu überziehen. Dies wird allerdings von der jeweiligen Bemessung der Höhe des äusseren Teils in Relation zu dem inneren Teil abhängig sein und kann je nach Einsatz und Zweck der Elektrode entsprechend bestimmt werden.
  • Der innere Teil der Elektrode: ist bis in die Nippelverbindung geführt, mit der der obere Abschnitt aus Metall und der untere Abschnitt verbunden sind. Die gegebenenfalls benötigte Flüssigkeits- bzw. Gaskühlvorrichtung des inneren Teils, die in diesem axial verläuft, wird mit Vorteil bis in den Schraubnippel selbst eingeführt, da dieser je nach eingesetztem Material, besonderer Hitzebeanspruchung ausgesetzt sein kann.
  • Die Verbindung von innerem und äusserem Teil kann auf mehrfache Weise erfolgen. Dabei liegt die Verbindungslinie im Regelfall parallel zur Elektrodenachse.
  • Beispielsweise kann die lösbare Verbindung durch ein Gewinde oder durch entsprechende Einpassung der Teile erfolgt sein. Besonders bevorzugt ist es, wenn der innere Teil als Einpassstück in Kegel- oder Konusform ausgebildet ist, wobei der äussere und innere Teil gegebenenfalls in einem Teilbereich zusätzlich ein Gewinde aufweisen können.
  • An den äusseren Teil können Anschlussbacken, z.B. über Taschen oder Halterungen befestigt sein, mit denen die Stromzuführung für die Elektrode in Verbindung steht. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind an dem äusseren Teil Taschen befestigt, in denen Graphitplatten oder -segmente zur Stromzuführung eingebracht sind.
  • Als aktive Materialien, die durch einen oder mehrere Schraubnippel oder gegebenenfalls Gewinde mit dem oberen Abschnitt verbunden sind, können beispielhaft amorpher Kohlenstoff, Graphit, keramische Leiter, z.B. die eingangs erwähnten, oder ein Verbund von anorganischen Fasern mit einem elektrochemisch aktiven Material aufgeführt werden. In diesem Zusammenhang wird insbesondere auf die europäische Patentanmeldung 80103126.1 der Anmelderin Bezug genommen, wo besonders bevorzugte Verbundstoffe aus anorganischen Fasern mit einem elektrochemisch aktiven Material angeführt sind. Die diesbezügliche Beschreibung der Aktivmaterialien wie auch deren Anordnung soll durch die ausdrückliche Bezugnahme auf diese europäische Patentanmeldung als in die vorliegende Anmeldung vollständig eingeführt gelten. Es ist dort im Detail erläutert, dass das Aktivmaterial aus einer Anzahl von Stäben, Platten, Rohren oder dergleichen gebildet sein kann, die untereinander verbunden oder getrennt sind. Allerdings sollen die dort angeführten Anordnungen von Stäben, Platten oder Rohren im Hinblick auf die einsetzbaren keramischen oder anderen Aktivmaterialien in der vorliegenden Erfindung keinen Beschränkungen unterworfen sein. Anders ausgedrückt, sollen die in der angegebenen europäischen Anmeldung beschriebenen Aktivstoffe bzw. -komposite im Rahmen der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen sein. Die a.a.O beschriebenen konstruktiven Anordnungen der Aktivteile können in der Elektrode gemäss der vorliegenden Erfindung mit dem oberen, metallischen Abschnitt - sei es durch Nippel, Gewinde oder dergleichen - verbunden sein.
  • Es ist auch möglich, dass der untere Abschnitt aus Aktivmaterial in mehreren Einheiten besteht, die durch eine oder mehrere Nippelverbindungen gehalten sind, wobei die Anordnung der Einheiten nebeneinander und/oder untereinander erfolgt sein kann. So werden insbesondere im Hinblick auf verbrauchbare Aktivstoffe, z.B. Graphit, Zwischenstücke aus solchem Material in Betracht gezogen, an die eine dann vollständig sich verzehrende Einheit wiederum verschraubt sein kann. Hierdurch kann die letzte Aktiveinheit vollständig verbraucht werden, ohne dass die Nippelverbindung, mit der der metallische obere Abschnitt verbunden ist, einer Gefährdung unterworfen ist. In Fällen, in denen der obere Abschnitt mit Nippel nicht übermässig hohen Temperaturen ausgesetztist, kann die Vorsehung einer Kühleinrichtung entbehrlich=-sein.
  • Die erfindungsgemässe Elektrode weist eine Reihe von Vorzügen auf: Hervorzuheben sind die extrem niedrigen Strom- bzw. Spannungsverluste auf dem Wege zum aktiven Teil der Elektrode. Hierdurch können gegenüber herkömmlichen Massivblöcken, sei es aus Kohlenstoff, Graphit oder keramischem Material, erhebliche Energieeinsparungen erzielt werden. Des weiteren wird der Seitenabbrand minimiert, da nicht mehr die gesamte Elektrode sondern nur deren "aktiver" Teil dem aggressiven Elektrolysemedium und den sich hierbei entwickelnden Reaktionsgasen und -dämpfen ausgesetzt ist. Schliesslich ist die Elektrode vielseitig einsetzbar, da ihr Aufbau den Einsatz des Spektrums der auf dem Gebiet der Schmelzflusselektrolyse grundsätzlich geeigneten aktiven Materialien gestattet.
  • Die erfindungsgemässe Ausbildung der Elektrode ist aber auch aus anderer Blickrichtung vorteilhaft: Durch die gqf. in inneren Teil geführte Wasserführung bleibt diese auch bei mechanischer Beschädigung des äusseren Teiles intakt. Es ist deshalb bei einer Beschädigung des Aussenbereiches des oberen Abschnittes nicht erforderlich, die Kühlmittelzufuhr I zu stoppen, die Elektrode zu entleeren etc.. Durch die einfache Ablösbarkeit des äusseren Abschnittes kann dieser im Falle einer Beschädigung als Bauteil leicht ausgewechselt werden, während die herkömmlichen Konstruktionen eine vollständige Reparatur des Metallschaftes bzw. dessen Austausch erfordern. Durch die seitliche Stromzuführung, z.B. über Graphitkoptaktbacken bzw. -segmente, die z.B. in Haltetaschen angefügt sind, ist es bei Störungen im Bereich der innenliegenden Flüssigkeitszufuhr nicht erforderlich, die Elektrode als Ganzes aus der Kontaktschiene auszuführen, da lediglich der Innenteil ausgelöst werden kann. Durch die Ausbildung des oberen Bereiches in einen Abschnitt grösseren und einen Abschnitt kleineren Durchmessers, lässt sich die hochtemperaturbeständige, isolierende Schutzschicht in besonders kompakter und zweckmässiger Form anschliessen, wobei es dann z.B. nicht erforderlich sein muss, den äusseren Teil, wenn dieser auf den Bereich der Stromzuführung beschränkt ist, zusätzlich isolierend zu schützen.
  • Die Erfindung wird weiter in den nachstehenden Figuren veranschaulicht, in denen für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet sind. Wenngleich die Figuren bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemässen Elektrode die. insbesondere eine Anode ist, darstellen, ist die Erfindung nicht auf die Figuren beschränkt. Es zeigen:
    • Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemässe Elektrode;
    • Fig. 2 einen Längsschnitt durch den oberen Teil einer Elektrode mit alternativem oberen Abschnitt, wobei die Elektrode im Bereich der Isolierung geschnitten ist;
    • Fig. 3 einen Längsschnitt durch den oberen Teil einer Elektrode mit alternativem oberen Abschnitt, wobei die Elektrode im Bereich der Isolierung geschnitten ist, und
    • Fig. 4 einen Querschnitt durch den oberen Abschnitt der Elektrode.
  • Aus Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau der Elektrode aus dem oberen Abschnitt 5 und unteren Abschnitt 6, die durch einen Schraubnippel 1 verbunden sind, ersichtlich. Der untere Abschnitt 6 aus verbrauchbarem oder beständigem Material ist in eine Reihe von Einzelstäben 20 aufgeteilt, die über den Nippel 1 gebunden sind. Die Zuführung des Kühlmittels, z.B. Wasser, Luft oder Inertgas, erfolgt über den Vorlaufkanal 2, wobei das Kühlmittel über den Rücklaufkanal 3 wieder ausgeführt wird. Aus den Figuren ist gut ersichtlich, dass das Kühlsystem im inneren Teil 16 geführt ist, auf das der äussere Teil 17 aufgesetzt ist.
  • Insbesondere aus den Fig. 2 und 3 sind einige der bevorzugten Verbindungsmöglichkeiten von innerem Teil 16 und äusserem Teil 17 als Einpassstück, gegebenenfalls zusätzlich mit Teilgewinde, ersichtlich. Über Bohrungen 8 können Stifte 9 oder dergleichen geführt sein, die über die Feder 10 die isolierende Beschichtung 4, z.B. auf einem Gegenlager halten. Das Isolierteil kann zusätzlich durch Halterungen 14 befestigt sein. Im äusseren Teil sind Kühlbohrungen 15 gezeigt, während aussen Anschlussbacken 18, z..B. aus Graphit, gezeigt sind. Diese können in Halterungen oder Taschen 19, die am Aussenrand des Metallschaftes befestigt sind, gehalten werden. Diese letzte Ausführungsform ist bei seitlicher Stromzuführung besonders bevorzugt.
  • Zwischen Isolierschicht 4 und dem oberen Abschnitt 5 bzw. dessen innerem Teil können Gasspülungskanäle vorgesehen sein, die in den Figuren nicht näher gezeigt sind. Durch die Gasspülung können auftretende Beschädigungen der isolierenden Keramik, z.B. über einen entsprechenden Druckabfall, leicht festgestellt werden. Darüber hinaus ist hierdurch eine gewisse Kühlwirkung möglich. Ausserdem liegt es im Rahmen der Erfindung - was ebenfalls nicht in den Figuren gezeigt ist - dass der obere Abschnitt 5 und/oder die Nippelverbindung 1 bzw. deren Aussenflächen mit hochtemperaturbeständiger Beschichtung gecoatet sein können. Die hochtemperaturbeständige Beschichtung kann je nach Dimensionierung der zumindest teilweise darüberliegenden hochtemperaturbeständigen, isolierenden Beschichtung 4 elektrisch leitfähig oder auch isolierend ausgelegt sein. Bei einer isolierenden Auslegung ergibt sich hierdurch eine zweite Schutzlinie, die bei Bruch der aussenliegenden isolierenden Beschichtung 4 in Aktion treten kann. Muss mit letzterem,je nach Betriebsbedingungen, nicht gerechnet werden, kann das Coating auch aus einem hochtemperaturbeständigen, leitenden Material bestehen, wobei dann diesem Material die Wirkung eines "Hitzeschildes" oder"Inertschildes" zum Schutz des darunterliegenden Metalls zukommt. Durch eine dichte Ausbildung der Beschichtung kann vorteilhaft auch der Angriff der Elektrolysemedien verhindert werden.

Claims (12)

1. Elektrode für die Schmelzflusselektrolyse, insbesondere zur elektrolytischen Erzeugung von Metallen, wie Al, Mg, Na, Li oder Verbindungen, gekenn- zeichnet durch
(1) einen oberen Abschnitt (5) aus Metall bzw. Metalllegierung, der gegebenenfalls eine Kühleinrichtung (2,3) einschliesst,
(b) wobei der obere Abschnitt (5) einen inneren (16) und einen äusseren Teil (17), die voneinander lösbar ausgebildet sind, aufweist, sowie
(c) zumindest einen unteren Abschnitt (6) aus Aktivmaterial.
2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass der innere Teil (16) die Kühlmittelführungskammer mit Vorlauf- und Rücklaufkanal (2,3) darstellt.
3. Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- zeichnet, dass der äussere Teil (17) die Anschlusselektrode darstellt.
4. Elektrode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , dass der äussere Teil (17) Kühlbohrungen (15) und/oder Halterungsbohrungen (8) aufweist.
5. Elektrode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , dass der innere Teil (16) nur in seinem oberen Bereich von dem äusseren Teil (17) ummantelt ist.
6. Elektrode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , dass der innere Teil (16) in seinem unteren Bereich durch eine Isolierschicht (4) geschützt ist, die zumindest in dem Bereich, der mit dem Elektrolyten und den entstehenden Produkten in Berührung kommen kann, gas- und flüssigkeitsdicht aufgesetzt sein kann.
7. Elektrode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Teil (16) bis in einen Schraubnippel (1) reicht, mit dem der obere Abschnitt (5) aus Metall und der untere Abschnitt (6) verbunden sind.
8. Elektrode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , dass die lösbare Verbindung des inneren Teils (16) und des äusseren Teils (17) durch ein Gewinde oder durch entsprechende Einpassung bewirkt ist.
9. Elektrode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , dass die lösbare Verbindung des inneren Teils (16) und des äusseren Teils (17) durch Einpassung in Kegel- oder Konusform gebildet ist, wobei gegebenenfalls der äussere und der innere Teil (17, 16) in einem Teilbereich zusätzlich ein Gewinde aufweisen können.
10. Elektrode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , dass an dem äusseren Teil (17) Anschlussbacken (18), die vorzugsweise aus Graphit bestehen, über Taschen bzw. Halterungen (19) befestigt sind.
11. Elektrode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , dass der untere Abschnitt (6) aus mehreren Einheiten (20) besteht, die durch eine oder mehrere Nippelverbindungen (1) gehalten sind, wobei die Anordnung der Einheiten (20) nebeneinander und/oder untereinander vorgenommen ist.
12. Elektrode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , dass das Aktivmaterial Kohlenstoff in amorpher Form, in Form von Graphit oder ein keramischer Werkstoff oder ein Verbund aus anorganischen, leitenden Fasern und einem elektrochemisch aktiven Material ist.
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Cited By (1)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0092704A1 (de) * 1982-04-26 1983-11-02 C. CONRADTY NÜRNBERG GmbH & Co. KG Verwendung von temperatur- und korrosionsbeständigen gasdichten Materialien als Schutzüberzug für den Metallteil von Kombinationselektroden für die Schmelzflusselektrolyse zur Gewinnung von Metallen, sowie hieraus gebildete Schutzringe

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AT339061B (de) * 1973-10-16 1977-09-26 Alusuisse Verfahren und anode zur schmelzflusselektrolyse von aluminiumoxid mit unverbrauchbaren anoden

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