EP0136969A1 - Zelle zur elektrolytischen Reinigung von Aluminium - Google Patents

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EP0136969A1
EP0136969A1 EP84810343A EP84810343A EP0136969A1 EP 0136969 A1 EP0136969 A1 EP 0136969A1 EP 84810343 A EP84810343 A EP 84810343A EP 84810343 A EP84810343 A EP 84810343A EP 0136969 A1 EP0136969 A1 EP 0136969A1
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EP
European Patent Office
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aluminum
diaphragm plate
electrolyte
graphite
cell according
Prior art date
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Application number
EP84810343A
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English (en)
French (fr)
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EP0136969B1 (de
Inventor
Sylvestre Viré
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Alcan Holdings Switzerland AG
Original Assignee
Alusuisse Holdings AG
Schweizerische Aluminium AG
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Publication date
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Publication of EP0136969A1 publication Critical patent/EP0136969A1/de
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Publication of EP0136969B1 publication Critical patent/EP0136969B1/de
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    • 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
    • C25C3/24—Refining

Definitions

  • the invention relates to a thermally insulated cell for the electrolytic cleaning of aluminum, comprising a trough with a steel tub embedded in a wall, which is lined with electrolyte-resistant, high-temperature-resistant material and closed with a lid, an electrolyte based on alkali chlorides, forehearths the addition of the aluminum to be cleaned and the separation of the Seiger crystals, a feed line for electrolyte material, which is also designed as a gas outlet and a collection and drainage system for the pure aluminum.
  • the aluminum is oxidized to trivalent aluminum ions at the anode, these ions migrate through the electrolyte layer to the cathode, where they are reduced again to metallic aluminum.
  • the forehearth of the cell which has a lower temperature than the 700 to 800 ° C. which is customary for the refining of aluminum, removes the crystallized impurities, in particular intermetallic products of Al, Cu, Fe and Si, which are known as Seiger crystals.
  • the electrolyte layer which is 10 to 15 cm thick in conventional three-layer electrolysis cells, cannot be reduced arbitrarily without the risk of mechanical contamination of the refined aluminum layer due to contact with the anodically connected aluminum alloy.
  • diaphragms which are in the form of vessels or which can be displaced in the vertical direction have been used, which help to reduce the high energy consumption.
  • the inventor has the task of creating a cell for the electrolytic purification of aluminum, having a high metallurgical efficiency in addition to low energy consumption and which can be realized with low investment costs.
  • the diaphragm plate To ensure that the voltage drop across the diaphragm plate is as low as possible, its material must be readily wettable by the electrolyte, and the aluminum ions nuts with the lowest possible voltage drop from the interior to the surface of the diaphragm. On the other hand, the diaphragm plate must be absolutely impermeable to the metallic aluminum, ie it must not be wettable.
  • the electrode units used in an industrial setting have a cross-sectional area of 2 x 2 m. If these are used in a vertical or almost vertical position, the open-pore structures can no longer be made so fine that the static pressure does not push the uncleaned aluminum through the diaphragm plate.
  • the electrode plates are therefore divided with partition walls made of graphite, preferably with a square or rectangular grid, the side length of which is between 5 and 30 cm. Each of these sub-elements formed by the partition walls has a separate diaphragm plate and a feed of aluminum to be cleaned.
  • sub-elements of an electrode unit can also be designed as separate units, the wall to wall joined together and held together by a graphite frame.
  • Such elec made up of building blocks Trode units have the advantage that individual sub-elements can be replaced.
  • each sub-element has its own porous diaphragm plate and a feed line for the aluminum to be cleaned.
  • Window-shaped recesses can be made in the partition walls or in the joined walls.
  • the molten aluminum does not only circulate in a sub-element, neighboring chambers are included in the metal flow.
  • the dimensions of the recesses must be kept so small that the static pressure on the porous diaphragm plate remains below the critical value discussed above.
  • care must be taken to ensure that the thickness of the diaphragm plate, its material, the density of the electrolyte, the clear width of the open-pore channels, the dimensions of the sub-elements and the window-shaped recesses in the partition walls are coordinated so that cleaning molten aluminum cannot penetrate into the pores of the diaphragm plate.
  • Aluminum oxide, magnesium oxide, oxynitrides of silicon or oxynitrides of aluminum and silicon are preferably used as materials for the open-pore diaphragm plate.
  • the porosity is preferably between 60 and 90%.
  • the ceramic filters for cleaning liquid metal of CH-PS 622 230 can also be used as porous diaphragm plates if they are dimensioned appropriately for the graphite frame. In practice, for the electrolytic cleaning of aluminum 3 - 15 mm thick diaphragm plates.
  • the electrode units are used in thermally insulated cells with a steel tub embedded in a wall, which in turn is lined with magnesite stones or refractory material containing nitride.
  • the electrode units form one or more rows inside the cell. All electrode units are arranged parallel to the terminal anode and the terminal cathode.
  • the interpolar distance between the inside of the anodic diaphragm plate and the outside of the cathodic graphite frame is preferably 10-25 mm.
  • the space surrounding the electrode units is filled with electrolyte material which is molten at the working temperature.
  • the level of the electrolyte in the cell is practically not subject to fluctuations and lies above the uppermost part of the electrode units.
  • the electrolyte preferably consists of a mixture of lithium chloride, potassium chloride and sodium chloride, and it is particularly suitable is beneficial if a small amount of alkali fluoride is added. All of these electrolyte compositions are known and can be found in the specialist literature.
  • the aluminum to be cleaned is introduced into the cell for electrolytic cleaning via forehearths. These foreheads also serve to separate out the Seiger crystals. They consist of intermetallic compounds of aluminum, iron, silicon, titanium, etc. Usually, the Seiger crystals do not contain copper, as is the case with three-layer electrolysis. Because the aluminum to be cleaned is separated from the high-purity aluminum by the diaphragm plate, the density of the anodic metal does not have to be checked or increased. This means that the density of the electrolyte is irrelevant, which makes it easier to select an electrically highly conductive material.
  • the electrical direct current is conducted to the terminal anode via at least one anodic electrode rod, and is conducted bipolarly via the electrode units and the electrolytes through the cell to the terminal cathode, where the electrical direct current is in turn discharged through at least one cathodic electrode rod.
  • the electrolysis with a bipolar cell like in the three-layer process, where the aluminum is dissolved from the contaminated metal, passes through the electrolyte (as a result, the electrolyte material located in the open-pore channels of the diaphragm plate and the electrolytes between the electrode units) and is deposited on the cathode becomes. In the present case it is cathodic surface the back wall of the graphite frame.
  • bipolar cells the electricity and investment costs can be significantly reduced compared to three-layer cells.
  • the separated high-purity aluminum flows from the cathodic graphite frame into a scoop channel, which is arranged in the electrically insulating part of the cell bottom and from where the high-purity aluminum can be drawn off with a suction pipe.
  • the bipolar cell shown in Fig. 1 shows five vertical electrode units 10 with a graphite frame 12, the full-area recess in the direction of the terminal Graphite cathode 14 with a porous diaphragm latte p is closed 16th
  • the vessel-shaped cavity of the electrode units 10 is filled with the aluminum 18 to be cleaned, which is present in molten form at an operating temperature of 700 to 800 ° C.
  • drainage channels 20 are cut out for the pure aluminum.
  • the electrolyte 22 is arranged between the electrode units and above the ultrapure aluminum.
  • the partitions dividing the interior of the electrode unit are omitted.
  • the electrode unit 10 shown in FIG. 3 and intended for vertical use consists of four sub-elements 28 which are held together with a graphite rim 30.
  • Each sub-element 28 has a graphite frame 12 with a full-surface opening which is closed by the porous diaphragm plate 16.
  • This diaphragm plate is expediently already used with electrolyte material in the open-pore structure.
  • Each sub-element 28 has its own forehearth 32, which communicates with the interior of the sub-element via an opening 34.
  • the foreheads provided for separating the Seiger crystals and for introducing aluminum to be cleaned are also offset horizontally to make operation easier.
  • the clear height H of a sub-element may only be so great that the static pressure for the passage of aluminum through the open-pore structure is not reached. In the present case, H measures approximately 30 cm.
  • the electrode units 10 of FIG. 3 are used in two rows in the cell according to FIG. 4.
  • a steel trough 36 is inserted into the wall 24 and is closed by means of a corrosion-resistant, double-walled cover 38 made of steel using a seal 40.
  • the steel trough is lined with magnesite stones 42, which are resistant to both the molten electrolyte and the molten aluminum.
  • a steel base plate 44 supports the entire cell and offers additional insulation thanks to the air chambers 46.
  • the cover 38 of the steel trough 36 is passed through in an insulating manner by a pipe 58, which on the one hand allows the level 50 of the electrolyte 22 to be kept above the electrode units 10 by material replenishment and on the other hand any gases which develop can be removed.
  • a special device 48 is connected during cell operation in order to extract any gases that may arise.
  • a siphon 70 allows the cleaned aluminum to be sucked off the trough 20 once or several times a day.
  • the level 52 of the pure aluminum must always be below the electrode units 10.
  • the electrode unit 10 shown in FIG. 5 essentially corresponds to FIG. 3, but is intended for the horizontal arrangement of a cell.
  • the forehearth 32 and its opening 34 are arranged accordingly.
  • the vertical section through the electrode unit 10 runs through a partition wall 54 made of graphite, which has window-shaped recesses 56 on its underside. This enables the circulation of the aluminum to be cleaned between neighboring sub-elements.
  • the height H of approximately 25 cm is selected such that the static pressure of the aluminum to be cleaned is not sufficient to press the aluminum into the pores of the diaphragm 16.
  • the bottommost graphite cathode 14 is equipped with three cathodic electrode rods 62, the uppermost terminal graphite anode 60 with three anodic electrode rods 72.
  • the cell is equipped with an outer steel pan 64, with individual refractory stones acting as spacers 66.
  • the space formed by the steel tubs is covered with a light insulation material 68, e.g. Rock wool, filled.

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Abstract

Die thermisch isolierte Zelle umfasst einen Trog mit einer in eine Ummauerung (24) eingebetteten Stahlwanne (36), die mit elektrolytbeständigem, hochtemperaturfestem Material (42) ausgekleidet und mit einem Deckel (38) verschlossen ist, einem Elektrolyten (22) auf der Basis von Alkalichloriden, Vorherden (32) für die Zugabe des zu reinigenden Aluminiums (18) und die Ausscheidung der Seigerkristalle, einer Zuleitung (58) für Elektrolytmaterial, welche auch als Gasabzug konzipiert ist, und einem Sammel- und Abflusssystem (20) für das Reinstaluminium. Im Zelleninnenraum sind in Serie geschaltete, in den Elektrolyten (22) getauchte bipolare Elektrodeneinheiten (10) parallel zu endständigen Elektroden (14, 60) angeordnet. Die Elektrodeneinheiten (10) bestehen aus einem mit einer offenporigen Diaphragmaplatte (16) dichtend verschlossenen Graphitrahmen (12). Die diaphragmaplatte (16) ist vom Elektrolyten (22) benetzbar, vom Aluminium dagegen nicht. Die Interpolardistanz zwischen der Innenseite der Diaphragmaplatte (16) und dem kathodischen Graphitrahmen (12) liegt bevorzugt zwischen 10 und 25 mm.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine thermisch isolierte Zelle zur elektrolytischen Reinigung von Aluminium, umfassend einen Trog mit einer in eine Ummauerung eingebetteten Stahlwanne, die mit elektrolytbeständigem, hochtemperaturfestem Material ausgekleidet und mit einem Deckel verschlossen ist, einem Elektrolyten auf der Basis von Alkalichloriden, Vorherden für die Zugaben des zu reinigenden Aluminiums und die Ausscheidung der Seigerkristalle, einer Zuleitung für Elektrolytmaterial, welche auch als Gasabzug konzipiert ist und einem Sammel- und Abflusssystem für das Reinstaluminium.
  • Die elektrolytische Reinigung von Aluminium beruht darauf, dass sich die, bezogen auf Aluminium, relativ
    • - unedlen Komponenten (z.B. Natrium, Kalium, Lithium, Magnesium, Calcium) der eingesetzten Legierung zwar im Aluminium anodisch auflösen, aber an der Kathode nicht abgeschieden werden können, und
    • - die edlen Komponenten (beispielsweise Kupfer, Silizium, Eisen, Titan) sich nicht anodisch auflösen und somit unter Bildung von Seigerkristallen im Anodenmetall zurückbleiben.
  • Die seit Anfang dieses Jahrhunderts bekannten Dreischichtenraffinationszellen von Aluminium enthalten drei schmelzflüssige Schichten:
    • - Die unterste schwere Schicht, die üblicherweise aus einer Al-Cu-Si-Fe-Legierung besteht und deren Oberfläche zugleich die Anode ist.
    • - Die Elektrolytschicht, bestehend aus den Fluoriden und/oder Chloriden von Alkali-und Erdalkalimetallen.
    • - Das raffinierte Aluminium, die dritte, oberste Schicht, wobei deren untere Fläche die Kathode bildet.
  • Beim Anlegen des Elektrolysegleichstroms wird das Aluminium an der Anode zu dreiwertigen Aluminium-Ionen oxidiert, diese Ionen wandern durch die Elektrolytschicht zur Kathode, wo sie wieder zu metallischem Aluminium reduziert werden.
  • Durch den Vorherd der Zelle, der eine niedrigere Temperatur als die zur Raffination von Aluminium üblichen 700 bis 800°C hat, werden die auskristallisierten Verunreinigungen, insbesondere intermetallische Produkte von Al, Cu, Fe und Si, welche als Seigerkristalle bekannt sind, entfernt.
  • Der Energieverbrauch konventionneller Dreischichtenraffinationszellen von Aluminium ist verhältnismässig hoch. Typische Werte für die Zellenspannung liegen bei ca. 5,5 V bei einer Stromausbeute von ca. 75 - 97 %. Dies ergibt einen Energieverbrauch von etwa 16 - 18 kWh/kg raffiniertes Aluminium.
  • Vom physikalischen Standpunkt aus betrachtet, bieten sich zwei Entwicklungsrichtungen zur Erniedrigung des Energieverbrauchs an:
    • - es werden Elektrolyten mit höherer elektrischer Leitfähigkeit eingesetzt, und/oder
    • - die Interpolardistanz, d.h. die Dicke der Elektrolytschicht, wird erniedrigt.
  • Die in konventionnellen Dreischichtenelektrolysezellen 10 bis 15 cm dicke Elektrolytschicht kann jedoch nicht beliebig verkleinert werden, ohne dass die Gefahr einer mechanischen Verunreinigung der raffinierten Aluminiumschicht durch den Kontakt mit der anodisch geschalteten Aluminiumlegierung entsteht.
  • In jüngster Zeit sind gefässförmige oder in vertikaler Richtung verschiebbare Diaphragmen eingesetzt worden, welche den hohen Energieverbrauch senken helfen.
  • Der Erfinder hat sich die Aufgabe gestellt, eine Zelle zur elektrolytischen Reinigung von Aluminium zu schaffen, wel- che neben einem geringen Energieverbrauch einen hohen metallurgischen Wirkungsgrad aufweist und welche mit geringen Investitionskosten realisiert werden kann.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch im Zelleninnenraum elektrisch in Serie geschaltete, in den Elektro- ) lyten getauchte bipolare Elektrodeneinheiten mit
    • - einem gefässförmigen ausgebildeten, in Richtung der endständigen Graphitkathode vollflächig offenen Graphitrahmen, der eine in Richtung der endständigen Graphitanode plane Oberfläche aufweist,
    • - einer die Oeffnung im Graphitrahmen dichtend verschliessenden Diaphragmaplatte, die vom schmelzflüssigen Elektrolyten benetzbar, vom Aluminium dagegen nicht benetzbar ist, und deren offenporige Struktur mit Elektrolytmaterial gefüllt ist, und
    • - einem separaten Vorherd zur Einspeisung von zu reinigendem Aluminium und zum Ausscheiden von Seigerkristallen,

    wobei die Elektrodeneinheiten in regelmässigen Abständen, der Interpolardistanz zwischen der Innenseite der Diaphragmaplatte und dem kathodischen Graphitrahmen, sowohl parallel untereinander als auch zur endständigen Graphitanode mit der anodischen Stromzufuhr und zur endständigen Graphitkathode mit der kathodischen Stromzufuhr angeordnet, sowie die Höhe des zwischen Graphitrahmen und Diaphragmaplatte gebildeten Volumens für das zu reinigende Aluminium derart dimensioniert ist, dass bei gefülltem Volumen der statische Druck niedriger ist als der kritische Wert zum Durchfliessen der porösen Diaphragmaplatte.
  • Damit über die Diaphragmaplatte ein möglichst geringer Spannungsabfall gewährleistet ist, muss deren Material vom Elektrolyten gut benetzbar sein, und die Aluminiumionen nüssen mit möglichst geringem Spannungsabfall vom Innenraum an die Oberfläche des Diaphragmas wandern können. Andererseits muss die Diaphragmaplatte für das metallische Aluminium absolut undurchlässig, d.h. nicht benetzbar sein.
  • Wird das zu reinigende Aluminium in den Hohlraum der Elektrodeneinheit, zwischen der Graphitumwandung und der Diaphragmaplatte eingefüllt, so entsteht ein mit der Füllhöhe zunehmender statischer Druck. Bei einem kritischen Wert wird dieser so gross, dass das schmelzflüssige Aluminium durch die offenporigen Kanäle der Diaphragmaplatte hindurchgedrückt wird, obwohl das Material der Diaphragmaplatte nicht benetzt ist.
  • Die in industriellem Rahmen eingesetzten Elektrodeneinheiten haben beispielsweise eine Querschnittsfläche von 2 x 2 m. Falls diese in vertikaler oder nahezu vertikaler Lage eingesetzt werden, können die offenporigen Strukturen nicht mehr so fein gemacht werden, dass der statische Druck das ungereinigte Aluminium nicht durch die Diaphragmaplatte hindurchdrückt. Die Elektrodenplatten werden deshalb mit Trennwänden aus Graphit unterteilt, vorzugsweise mit einem quadratischen oder rechteckigem Raster, dessen Seitenlänge zwischen 5 und 30 cm liegt. Jedes dieser von den Trennwänden gebildeten Subelemente hat eine separate Diaphragmaplatte und eine Einspeisung von zu reinigendem Aluminium.
  • Die Subelemente einer Elektrodeneinheit können jedoch auch als separate Einheiten ausgebildet sein, die Wand an Wand zusammengefügt und von einer Graphiteinfassung zusammengehalten werden. Solche aus Bausteinen zusammengesetzte Elektrodeneinheiten haben den Vorteil, dass einzelne Subelemente ausgewechselt werden können. Selbstverständlich hat auch hier jedes Subelement eine eigene poröse Diaphragmaplatte und eine Zuleitung für das zu reinigende Aluminium.
  • In den Zwischenwänden bzw. in den zusammengefügten Wänden können fensterförmige Aussparungen angebracht werden. So zirkuliert das geschmolzene Aluminium nicht nur in einem Subelement, benachbarte Kammern werden in die Metallströmung einbezogen. Die Dimensionen der Aussparungen sind jedoch derart niedrig zu halten, dass der statische Druck auf die poröse Diaphragmaplatte unter dem oben diskutierten kritischen Wert bleibt. So ist bei der Konzeption der Zelle darauf zu achten, dass die Dicke der Diaphragmaplatte, deren Material die Dichte des Elektrolyten, die lichte Weite der offenporigen Kanäle, die Dimensionen der Subelemente und die fensterförmigen Aussparungen in den Zwischenwänden derart aufeinander abgestimmt sind, dass das zu reinigende schmelzflüssige Aluminium nicht in die Poren der Diaphragmaplatte eindringen kann.
  • Als Materialien für die offenporige Diaphragmaplatte werden vorzugsweise Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Oxynitride von Silizium oder Oxynitride von Aluminium und Silizium eingesetzt. Die Porosität liegt vorzugsweise zwischen 60 und 90 %. Generell sind die Keramikfilter zum Reinigen von flüssigem Metall der CH-PS 622 230 auch als poröse Diaphragmaplatten verwendbar, wenn sie den Graphitrahmen entsprechend dimensioniert werden. In der Praxis werden für die elektrolytische Reinigung von Aluminium 3 - 15 mm dicke Diaphragmaplatten eingesetzt.
  • Die Elektrodeneinheiten werden in thermisch isolierte Zellen mit einer in eine Ummauerung eingebetteten Stahlwanne, die ihrerseits mit Magnesitsteinen oder nitridhaltigem, refraktärem Material ausgelegt ist, eingesetzt. Die Elektrodeneinheiten bilden im Zelleninnern eine oder mehrere Reihen. Alle Elektrodeneinheiten sind parallel zu der endständigen Anode und der endständigen Kathode angeordnet. Die Interpolardistanz zwischen der Innenseite der anodischen Diaphragmaplatte und der Aussenseite des kathodischen Graphitrahmens beträgt vorzugsweise 10 - 25 mm.
  • Je nach Anordnung der Elektrodeneinheiten wird zwischen zwei bipolaren Zellentypen zur elektrolytischen Reinigung von Aluminium unterschieden:
    • - eine Horizontalanordnung, bei welcher die Elektrodeneinheiten vertikal oder nahezu vertikal eingesetzt sind
    • - eine Vertikalanordnung mit horizontal oder leicht geneigt eingesetzten Elektrodeneinheiten.
  • Der die Elektrodeneinheiten umgebende Zwischenraum ist mit bei Arbeitstemperatur schmelzflüssigem Elektrolytmaterial aufgefüllt. Der Spiegel des Elektrolyten in der Zelle ist praktisch keinen Schwankungen unterworfen und liegt über dem obersten Teil der Elektrodeneinheiten. Bevorzugt besteht der Elektrolyt aus einer Mischung von Lithiumchlorid, Kaliumchlorid und Natriumchlorid, wobei es sich besonders günstig auswirkt, wenn noch eine kleinere Menge von Alkalifluorid zugegeben wird. Alle diese Elektrolytzusammensetzungen sind bekannt und können der Fachliteratur entnommen werden.
  • Das zu reinigende Aluminium wird über Vorherde in die Zelle zur elektrolytischen Reinigung eingeführt. Weiter dienen diese Vorherde dazu, die Seigerkristalle auszuscheiden. Sie bestehen aus intermetallischen Verbindungen von Aluminium, Eisen, Silizium, Titan usw. In der Regel enthalten die Seigerkristalle kein Kupfer, wie dies bei der Dreischichtenelektrolyse der Fall ist. Weil das zu reinigende Aluminium durch die Diaphragmaplatte vom hochreinen Aluminium getrennt ist, muss die Dichte des anodischen Metalls nicht kontrolliert bzw. erhöht werden. Damit spielt auch die Dichte des Elektrolyten keine Rolle, was die Auswahl eines elektrisch sehr gut leitenden Materials erleichtert.
  • Der elektrische Gleichstrom wird über mindestens eine anodische Elektrodenstange zu der endständigen Anode geführt, bipolar über die Elektrodeneinheiten und den Elektrolyten durch die Zelle zur endständigen Kathode geleitet, wo der elektrische Gleichstrom wiederum durch mindestens eine kathodische Elektrodenstange abgeführt wird. Prinzipiell verläuft die Elektrolyse mit einer bipolaren Zelle wie beim Dreischichtenverfahren, wo das Aluminium aus dem verunreinigten Metall aufgelöst wird, durch den Elektrolyten (hierdurch das in den offenporigen Kanälen der Diaphragemaplatte befindliche Elektrolytmaterial und den zwischen den Elektrodeneinheiten befindlichen Elektrolyten) wandert und an der Kathode abgeschieden wird. Im vorliegenden Fall ist die kathodische Oberfläche die Rückwand des Graphitrahmens. Mit bipolaren Zellen können also die Strom- und Investitionskosten, verglichen mit Dreischichtenzellen, beträchtlich gesenkt werden.
  • Vom kathodischen Graphitrahmen fliesst das abgeschiedene Reinstaluminium in einen Schöpfkanal, der im elektrisch isolierenden Teil des Zellenbodens angeordnet ist und von wo das hochreine Aluminium mit einem Saugrohr abgezogen werden kann.
  • Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Die schematischen Schnitte zeigen:
    • Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch das kathodische Ende einer bipolaren Zelle zur elektrolytischen Reinigung von Aluminium
    • Fig. 2 ein Detail des unteren Bereichs von Fig. 1
    • Fig. 3 eine vertikal einsetzbare Elektrodeneinheit in perspektivischer Darstellung
    • Fig. 4 einen Vertikalschnitt durch eine bipolare Zelle mit zwei Reihen von vertikal angeordneten Elektrodeneinheiten
    • Fig. 5 einen Vertikalschnitt durch eine horizontal einsetzbare Elektrodeneinheit
    • Fig. 6 eine bipolare Zelle mit horizontal eingesetzten Elektrodeneinheiten.
  • Die in Fig. 1 dargestellte bipolare Zelle zeigt fünf vertikale Elektrodeneinheiten 10 mit einem Graphitrahmen 12, dessen vollflächige Aussparung in Richtung der endständigen Graphitkathode 14 mit einer porösen Diaphragmaplatte 16 verschlossen ist. Der gefässförmige Hohlraum der Elektrodeneinheiten 10 ist mit dem zu reinigenden Aluminium 18, bei einer Arbeitstemperatur von 700 bis 800°C in schmelzflüssiger Form vorliegend, gefüllt. Im Boden der Zellenauskleidung aus refraktärem Mauerwerk sind Abflussrinnen 20 für das Reinstaluminium ausgespart. Zwischen den Elektrodeneinheiten und über dem Reinstaluminium ist der Elektrolyt 22 angeordnet.
  • Wird elektrischer Gleichstrom zu der nicht dargestellten endständigen Anode der Zelle geleitet, so fliesst dieser durch die Elektrodeneinheiten zu der endständigen Kathode, von wo der Stromkreis über ebenfalls nicht dargestellte kathodische Elektrodenstangen geschlossen wird. In der Arbeitsphase wirkt die der porösen Diaphragmaplatte zugewandte Seite des zu reinigenden Aluminiums als Anode, die Rückwand der in Richtung der endständigen Kathode angeordneten nächsten Elektrodeneinheit als Kathode. Alle in der Zelle angeordneten Elektrodeneinheiten arbeiten also bipolar. Die Interpolardistanz d entspricht dem kürzesten Abstand des zu reinigenden Aluminiums von der Rückwand des nächsten Graphitrahmens, mit anderen Worten der Dicke der porösen Diaphragmaplatte plus der Dicke der Elektrolytschicht.
  • In Fig. 2 wird das frisch abgeschiedene Aluminium 26 dargestellt, welches entlang der kathodischen Rückwand des Graphitrahmens 12 nach unten perlt und sich in der Abflussrin-I ne 20 sammelt. Ebenfalls gut ersichtlich ist die sich über den Elektrolyten 22 und das poröse Diaphragma 16 in horizontaler Richtung erstreckende Interpolardistanz d.
  • Einfachheitshalber sind die den Innenraum der Elektrodeneinheit unterteilenden Trennwände weggelassen.
  • Die in Fig. 3 dargestellte, für den vertikalen Einsatz vorgesehene Elektrodeneinheit 10 besteht aus vier Subelementen 28, die mit einer Graphiteinfassung 30 zusammengehalten sind. Jedes Subelement 28 hat einen Graphitrahmen 12 mit einer vollflächigen Oeffnung, die von der porösen Diaphragmaplatte 16 verschlossen wird. Diese Diaphragmaplatte wird zweckmässig bereits mit Elektrolytmaterial in der offenporigen Struktur eingesetzt.
  • Jedes Subelement 28 hat seinen eigenen Vorherd 32, der über eine Oeffnung 34 mit dem Innenraum des Subelementes kommuniziert. Die zum Ausscheiden der Seigerkristalle und zum Einführen von zu reinigendem Aluminium vorgesehenen Vorherde sind zur Erleichterung der Bedienung auch in horizontaler Richtung versetzt. Die lichte Höhe H eines Subelementes darf nur so gross sein, dass der statische Druck für den Durchtritt des Aluminiums durch die offenporige Struktur nicht erreicht wird. Im vorliegenden Fall misst H etwa 30 cm.
  • Die Elektrodeneinheiten 10 von Fig. 3 werden zweireihig in Zelle gemäss Fig. 4 eingesetzt. In die Ummauerung 24 ist eine Stahlwanne 36 eingesetzt, die mittels eines korrosionsfesten, doppelwandigen Deckels 38 aus Stahl unter Verwendung einer Dichtung 40, verschlossen ist. Auf der Innenseite ist die Stahlwanne mit Magnesitsteinen 42 ausgekleidet, die sowohl gegen den schmelzflüssigen Elektrolyten als auch gegen das geschmolzene Aluminium beständig sind.
  • Eine Bodenplatte 44 aus Stahl stützt die ganze Zelle und bietet dank den Luftkammern 46 eine zusätzliche Isolation.
  • Der Deckel 38 der Stahlwanne 36 wird von einem Rohr 58 isolierend durchgriffen, welches einerseits erlaubt, das Niveau 50 des Elektrolyten 22 durch Materialnachschub stets oberhalb der Elektrodeneinheiten 10 zu halten und andererseits sich allenfalls entwickelnde Gase abführen lässt. Eine spezielle Einrichtung 48 wird während des Zellenbetriebs angeschlossen, um die ggf. entstehenden Gase abzusaugen.
  • Ein Siphon 70 erlaubt, das gereinigte Aluminium ein- oder mehrmals pro Tag von der Abflussrinne 20 abzusaugen. Das Niveau 52 des Reinstaluminiums dagegen muss stets unterhalb der Elektrodeneinheiten 10 liegen.
  • Die in Fig. 5 dargestellte Elektrodeneinheit 10 entspricht im wesentlichen Fig. 3, sie ist jedoch für die horizontale Anordnung einer Zelle vorgesehen. Der Vorherd 32 und dessen Oeffnung 34 sind entsprechend angeordnet. Der Vertikalschnitt durch die Elektrodeneinheit 10 verläuft durch eine Trennwand 54 aus Graphit, welche auf ihrer Unterseite fensterförmige Aussparungen 56 hat. Diese ermöglicht die Zirkulation des zu reinigenden Aluminiums zwischen benachbarten Subelementen. Die Höhe H von etwa 25 cm ist so gewählt, dass der statische Druck des zu reinigenden Aluminiums nicht ausreicht, um das Aluminium in die Poren des Diaphragmas 16 zu drücken.
  • Die Elektrodeneinheiten von Fig. 5 werden in eine Zelle des Typs von Fig. 6, mit der Diaphragmaplatte 16 nach unten, in horizontaler Lage eingesetzt. Die zuunterst eingesetzte endständige Graphitkathode 14 ist mit drei kathodischen Elektrodenstangen 62 bestückt, die zuoberst liegende endständige Graphitanode 60 mit drei anodischen Elektrodenstangen 72.
  • Neben der inneren Stahlwanne 36 ist die Zelle mit einer I äusseren Stahlwanne 64 ausgerüstet, wobei einzelne refraktäre Steine als Distanzhalter 66 wirken. Der von den Stahlwannen gebildete Zwischenraum ist mit einem leichten Isolationsmaterial 68, wie z.B. Steinwolle, gefüllt.

Claims (10)

1. Thermisch isolierte Zelle zur elektrolytischen Reinigung von Aluminium, umfassend einen Trog mit einer in eine Ummauerung eingebetteten Stahlwanne, die mit elektrolytbeständigem, hochtemperaturfestem Material ausgekleidet und mit einem Deckel verschlossen ist, einem Elektrolyten auf der Basis von Alkalichloriden, Vorherden für die Zugabe des zu reinigenden Aluminiums und die Ausscheidung der Seigerkristalle, einer Zuleitung für Elektrolytmaterial, welche auch als Gasabzug konzipiert ist, und einem Sammel- und Abflussystem für das Reinstaluminium,
gekennzeichnet durch
im Zelleninnenraum elektrisch in Serie geschaltete, in den Elektrolyten (22) getauchte bipolare Elektrodeneinheiten (10) mit
- einem gefässförmig ausgebildeten, in Richtung der endständigen Graphitkathode (14) vollflächig offenen Graphitrahmen (12), der eine in Richtung der endständigen Graphitanode (60) plane Oberfläche aufweist,
- einer die Oeffnung im Graphitrahmen (12) dichtend verschliessenden Diaphragmaplatte (16), die vom schmelzflüssigen Elektrolyten (22) benetzbar, vom Aluminium dagegen nicht benetzbar ist, und deren offenporige Struktur mit Elektrolytmaterial gefüllt ist, und
- einem separaten Vorherd (32) zur Einspeisung von zu reinigendem Aluminium (18), und Ausscheiden von Seigerkristallen,

wobei die Elektrodeneinheiten (10) in regelmässigen Abständen (d), der Interpolardistanz zwischen der Innenseite der Diaphragmaplatte (16) und dem kathodischen Graphitrahmen (12), sowohl parallel untereinander als auch zur endständigen Graphitanode (60) mit der anodischen Stromzufuhr (72) und zur endständigen Graphitkathode (14) mit der kathodischen Stromzufuhr (62) angeordnet sowie die Höhe (H) des zwischen Graphitrahmen (12) und Diaphragmaplatte (16) gebildeten Volumens für das zu reinigende Aluminium (18) derart dimensioniert ist, dass bei gefülltem Volumen der statische Druck niedriger ist als der kritische Wert zum Durchfliessen der porösen Diaphragmaplatte (16).
2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodeneinheiten durch Trennwände (54) aus Graphit in mindestens drei Subelemente (28) unterteilt sind, wobei jedes Subelement eine separate Diaphragmaplatte (16) und einen separaten Vorherd (32) hat.
3. Zelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Subelemente (28) als separate Einheiten ausgebildet und von einer Graphiteinfassung (30) zusammengehalten sind.
4. Zelle nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die der mechanischen Stabilisierung der Diaphragplatte (16) dienenden Trennwände (54) bzw. zusammengefügten Wände der Subelemente (28) fensterförmige Aussparungen (56) haben.
5. Zelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Diaphragmaplatte (16) eine Porosität von 60 - 90 % hat.
6. Zelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass die offenporige Diaphragmaplatte (16) aus Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Oxynitriden von Silizium oder Oxynitriden von Aluminium und Silizium besteht.
7. Zelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Interpolardistanz (d) zwischen der Innenseite der anodischen Diaphragmaplatte (16) und dem kathodischen Graphitrahmen (12) 10 - 25 mm beträgt.
8. Zelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodeneinheiten (10) vertikal bzw. nahezu vertikal nebeneinander oder horizontal bis leicht geneigt übereinander, mit der Diaphragmaplatte (16) nach unten, angeordnet sind.
9. Zelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt (22) aus einer Mischung von Lithiumchlorid, Kaliumchlorid und Natriumchlorid besteht.
10. Zelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt (22) einen Zusatz eines Alkalifluorids enthält.
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