EP0220557A1 - Inert composite electrode, particularly an anode for molten salt electrolysis - Google Patents
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- EP0220557A1 EP0220557A1 EP86113930A EP86113930A EP0220557A1 EP 0220557 A1 EP0220557 A1 EP 0220557A1 EP 86113930 A EP86113930 A EP 86113930A EP 86113930 A EP86113930 A EP 86113930A EP 0220557 A1 EP0220557 A1 EP 0220557A1
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- 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 inert composite electrode, in particular anode for melt flow electrolysis, for example for the extraction of aluminum, magnesium, sodium, lithium, among other things consisting of an active part in the form of a plurality of rod-shaped active elements, in particular made of oxide ceramics, with their longitudinal axes parallel to each other and are arranged in mutually aligned groups, an electrode holder which comprises a current-conducting plate, with one main surface of which the electrode elements are in frictional contact with their end faces, and a connecting arrangement which connects the active elements in groups to one another and keeps them in contact with the plate.
- melt flow electrolysis e.g. In aluminum production, intensive development is underway to use so-called inert anodes, which consist in particular of oxide ceramics, for the electrolysis instead of the consumable carbon anodes.
- the inert electrodes must, on the one hand, take into account the requirements of the existing cells that are still equipped with carbon anodes. This applies in particular with regard to the power supply line and the arrangement and / or the dimensioning of the active parts of the anodes. On the other hand, of course, the requirements made of the material from which the active parts of the inert anodes are made must also be taken into account. This applies in particular with regard to the physical parameters and the manufacturing technology.
- An inert composite electrode of the type defined in the introduction is known from DE-PS 30 03 922. This essentially consists of an active part, an electrode holder and an arrangement for connecting the two first-mentioned assemblies.
- the active part is formed by a plurality of rod-shaped active elements. These are arranged with their longitudinal axes parallel to one another and in groups aligned with one another. The total cross section perpendicular to the longitudinal axes of the active elements corresponds approximately to the corresponding cross section of a conventional carbon anode for a melt flow electrolysis cell.
- the individual active elements consist of an oxide ceramic material.
- a tubular support is provided to hold the active elements and to supply current to them.
- a further tube is arranged concentrically in the latter, the lower end of which is provided with a base plate.
- This base plate has a central bore through which a rod-shaped current feeder is passed, the lower end of which, below the base plate, is provided with a current-conducting pressure plate. With this pressure plate, the upper end faces of the active elements are brought into mechanical and electrical contact in a non-positive manner.
- the active elements aligned in groups with one another each have a bore in their upper section, which are also aligned with one another with respect to a group.
- a suspension rod the ends of which rest on a support plate, is passed through the mutually aligned bores of a group.
- This support plate and the base plate mentioned are to be clamped using screw bolts, as a result of which the upper end faces of the active elements are brought into contact with the current-carrying pressure plate. If appropriate, an electrically highly conductive intermediate layer can be introduced between the end faces of the active elements and the pressure plate.
- This known electrode construction has several serious disadvantages.
- the production of the bores in the head sections of the active elements requires a greater production outlay. They can only be generated when the oxide ceramic active elements are green.
- bores, in particular with regard to the alignment of the active elements arranged in groups are subject to greater tolerances, since such tolerances already occur in the green state during the production of the active elements and further dimensional deviations are unavoidable when the active elements are sintered.
- the bores of a group of active elements are not exactly aligned, so that some of the active elements which are arranged one below the other on a suspension rod do not come into contact with their end faces, or do not come into sufficient contact with the current-carrying plate of the electrode holder.
- the aforementioned weakening of the cross section of the active elements of the known anode also reduces the mechanical strength of the active elements, specifically in an area in which on the one hand the respective suspension rod exerts an increased compressive stress on the material of the active elements due to its prestressing and on the other hand also the highest tensile stresses due to the Weight of the active elements occur. Because of this, the greatest mechanical stresses act precisely in the area of the weakened cross section of the active elements, so that there is an increased risk of the electrode elements breaking at the point mentioned.
- the active elements each have a plate side Have head section, which is substantially wedge-shaped in its cross section perpendicular to the line of flight of a group and in the direction of the plate-side end face, and with each of the two opposite wedge faces of the head section of the respective active element, a tensioning element is brought into contact with a wedge face, the wedge angle of which corresponds essentially to the respective wedge surface of the head section, so that there is a dovetail connection.
- the active part of the anode according to the invention is thus broken down into a plurality of rod-shaped active elements, as is known per se.
- the active elements have a favorable design in terms of production technology, because the wedge-shaped head section complies with the design in ceramic technology, whereas the holes provided in the head section of the active elements of the known anode already cause a number of problems in terms of production technology, as has been explained above.
- the active elements in the area of the wedge bracing are only subjected to pressure, which can be easily accommodated by the oxide-ceramic material due to its high compressive strength, especially since the cross section in the pressurized area of the active elements is enlarged due to the wedge shape of the head sections.
- the tensile stresses due to the weight of the active elements can also be absorbed. Overall, this results in a mechanically very stable anode construction.
- the wedge or dovetail bracing of the active elements by means of the clamping elements described also results in a self-adjusting effect, with the result that all of the active elements come with their end faces in intimate contact with the current-carrying plate, with bridging or due to compensation for any existing manufacturing tolerances. Due to the self-adjusting wedge tension between the active elements on the one hand and the tensioning elements or the plate on the other hand, any movements of the assemblies towards one another are compensated for due to the different thermal expansion coefficients of the materials, so that the end faces of the active elements also have intimate contact with the tensioning elements during operation of the anode and the current-carrying plate is preserved. In this way, a permanent and both electrically and mechanically optimal connection between the metallic power supply and the ceramic active elements is guaranteed.
- the current transfer area between the current-carrying plate and the active elements is increased in the anode according to the invention in that the tensioning elements are also in electrical connection both to the plate and to the wedge surfaces of the electrode elements, so that the latter Increase the total contact area of the active elements in relation to the component to be energized accordingly. Due to the increased total contact area, the voltage drop is also reduced accordingly.
- the current flow at this critical point is significantly improved.
- the area utilization of the anode according to the invention is therefore very good, since the streamlines have a certain lateral wrap and the effective anode area is approximately equal to the projected anode area.
- the anode elements consist of a material with thermistor properties
- they are in the cold, i.e. non-conductive area of the anode elements measures taken to increase the conductivity, namely the cross-sectional enlargement in the head section of the anode elements, the special design of the material of the anode elements to increase the conductivity and the enlarged current transmission area crucial for increasing the electrical efficiency.
- the anode arrangement according to the invention therefore has a very good electrochemical efficiency.
- Channels between the active elements are formed between the active elements arranged in groups, at least where the tensioning elements are provided.
- Active elements circulate the melt and the electrolyte in these channels, which effectively counteracts an otherwise possible depletion of the electrolyte.
- these channels provide enough space for the gas discharge so that the developed gas is quickly removed. Both contribute to an increase in the electrochemical efficiency of the process carried out with the electrodes according to the invention.
- the active elements of a group can be in line with each other in their escape line.
- only channels are formed between the active elements where there are clamping elements between the active elements.
- the wedge-shaped widening of the head sections of the active elements has already largely reduced the voltage drop in the cold region. Nevertheless, it may still be advisable to design the electrical conductivity of the material of the active elements higher in the area of the head section than in the rest of the area after these materials have thermistors possess properties. This is possible, for example, in that the material of the active elements in the area of the head section is a cermet, which is preferably tin oxide containing silver. The current conductivity in the critical head section of the active elements in the electrode according to the invention is thus further improved.
- a contact layer in order to reduce the contact resistance between the current-carrying plate and the active elements even further, it can be advantageous for a contact layer to be introduced between the relevant main surface of the plate and the corresponding end faces of the active elements.
- This can be formed by a network of highly conductive metal, in particular copper.
- a continuous clamping element or separate clamping elements can be provided on both sides for each aligned group of active elements.
- the tensioning element is designed for fastening two opposite active elements of two adjacent groups and for this purpose has two opposite wedge surfaces with an essentially mirror-image arrangement. This further reduces the effort in manufacturing and assembly
- the mentioned clamping element can expediently be trapezoidal in cross section perpendicular to the line of alignment of the groups of active elements.
- clamping elements are assigned to each active element and the length of a clamping element essentially corresponds to the length of an active element.
- the plate is expediently cooled by water cooling, for which the plate is designed as a hollow body, within which channels for the cooling water are arranged.
- the respective current feeder to the plate is guided through the interior of the hollow body and is electrically connected to the inside of the main surface with which the active elements are in contact.
- the inert electrode according to the invention in particular anode for the melt flow electrolysis, essentially consists of three assemblies, namely an active part, generally designated 10, an electrode holder, generally designated 30, and an arrangement, generally designated 40, for connecting the two first-mentioned assemblies.
- the active part consists of a plurality of rod-shaped active elements, which are generally designated 20. These are arranged with their longitudinal axes vertically aligned in the cell in the assembly position parallel to one another and in groups 11, 12, 13 etc. aligned with one another along the alignment line 25 (FIG. 3). They are essentially square or rectangular in their cross section perpendicular to their longitudinal axis. They consist of an electrically conductive and electrochemically active oxide ceramic material that can be described in more detail.
- the active elements 20 each have a head section 21, which is widened by wedge surfaces 23 in its cross section lying perpendicular to the alignment line of a group and in the direction of the corresponding end face 22.
- the essentially plate-shaped electrode holder 30 has a main surface 31, as seen in the electrolysis cell in the assembly position, on which the active elements 20 are mechanically and electrically kept in contact with their end surfaces 22. This is done with the aid of the connecting arrangement 40 representing tensioning elements 41. These tensioning elements are so trapezoidal in their cross section parallel to the longitudinal axis of the active elements 20 and perpendicular to the alignment line of a group that the two opposite wedge surfaces 42 with the wedge surfaces 23 lying at the same angle are two in two neighboring groups, e.g. 12, 13, opposite active elements 20 with appropriate bias are in contact.
- the clamping elements 41 are screwed to the plate-shaped electrode holder 30 by means of screws.
- two adjacent groups 11, 12, 13, etc. of active elements are spaced apart such that channels 50 are formed which, in the manner described, circulate the electrolyte or the melt between the lower ones, into the melt or into the electrolyte immersed sections 26 of the active elements 20 is made possible and, on the other hand, ensure rapid removal of the gas developed in the electrolysis process between the groups of active elements 20 arranged upwards.
- the plate-shaped electrode holder 30 is designed as a hollow body, consisting of a lower horizontal plate 32, an upper plate 33 arranged parallel to the first and side walls 34 perpendicular thereto.
- the cavity serves for the circulation of cooling water in the interior 35 of the electrode holder 30.
- This is a cooling water Inlet pipe 36 is provided which opens into the interior 35 on the edge.
- the cooling water circulates along spiral-shaped guide walls 37 through the interior 35 of the plate-shaped electrode holder 30 up to its central area and from there again into the peripheral area, from where the correspondingly heated cooling water is drawn off through a cooling water drain pipe 38.
- the plate-shaped electrode holder 30 is further equipped with a plurality of current supply bolts 60, via which the electrical current is fed to the plate-shaped electrode holder 30 and is transmitted from there to the electrode elements 20.
- a plurality of current supply bolts 60 via which the electrical current is fed to the plate-shaped electrode holder 30 and is transmitted from there to the electrode elements 20.
- sleeves 61 are welded to the inner surface of the lower plate 33, which have an internal thread with which the lower and externally threaded section of the corresponding power supply bolt 60 is screwed.
- protective sleeves 62 made of corrosion-resistant material.
- a network 39 e.g. made of copper.
- the plate-shaped electrode holder 30 and the clamping elements 41 and their clamping screws 43 are expediently made of steel. They can also consist of nickel or of steel or nickel alloys. Cover elements are provided to protect these components against corrosion.
- the cover elements 44 arranged on the underside of the tensioning elements are secured to the tensioning elements 41, for example by means of a dovetail guide.
- the side cover elements 45 can be screwed to the front ends of the clamping elements 41 by screws 46.
- the active elements 20 expediently consist of doped oxide ceramic, e.g. Tin oxide, nickel ferrite or yttrium oxide.
- the composition can be as follows: 94.1 atomic percent tin oxide 3.8 atomic% copper 2.1 atomic% antimony
- the following dimensioning of the rod-shaped active elements has proven to be appropriate: Cross section of the upper face: 3 x 3 cm Cross section of the lower face: 2 x 2 cm Length: 25 cm Wedge angle: 20 ° Distance between two adjacent groups of electrode elements: 1.5 cm
- the side length of the upper cross section can expediently be between approximately 2 and 6 cm.
- the length of the active elements can be between approx. 15 cm and approx. 40 cm.
- the aforementioned distance between two groups of active elements can be between approximately 1 cm and approximately 2 cm.
- the wedge angle of the head section of the respective active elements can be between approximately 5 ° and approximately 25 °.
- the described exemplary embodiment of the anode according to the invention was operated in an electrolysis test cell with the following operating data: Bath composition: cryolite 84% by weight A1F3 5% by weight A1203 10% by weight CaF2 1% by weight Temperature: 980-1000 C. Clamp voltage: 4-5 volts Current: 30 A. Current density at the anode: 2 A / cm2 Current density at the cathode: 0.14 A / cm2 Electrode distance: 3 cm Immersion depth of the anodes: 2cm
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine inerte Verbundelektrode, insbesondere Anode für die Schmelzflußelektrolyse, z.B. für die Gewinnung von Aluminium, Magnesium, Natrium, Lithium, u.a. bestehend aus einem Aktivteil in Form einer Mehrzahl von stabförmigen Aktivelementen, insbesondere aus Oxidkeramik, die mit ihren Längsachsen parallel nebeneinander und in zueinander fluchtenden Gruppen angeordnet sind, einem Elektrodenhalter, der eine stromleitende Platte umfaßt, mit deren einen Hauptfläche die Elektrodenelemente mit ihren Stirnflächen kraftschlüssig in Kontakt stehen, und einer Verbindungsanordnung, die die Aktivelemente gruppenweise untereinander verbindet und mit der Platte in Kontakt hält.The invention relates to an inert composite electrode, in particular anode for melt flow electrolysis, for example for the extraction of aluminum, magnesium, sodium, lithium, among other things consisting of an active part in the form of a plurality of rod-shaped active elements, in particular made of oxide ceramics, with their longitudinal axes parallel to each other and are arranged in mutually aligned groups, an electrode holder which comprises a current-conducting plate, with one main surface of which the electrode elements are in frictional contact with their end faces, and a connecting arrangement which connects the active elements in groups to one another and keeps them in contact with the plate.
In der Schmelzflußelektrolyse, z.B. bei der Aluminiumerzeugung, ist eine intensive Entwicklung im Gange, für die Elektrolyse anstelle der sich verzehrenden Anoden aus Kohlenstoff sogenannte inerte Anoden, die insbesondere aus Oxidkeramik bestehen, einzusetzen.In melt flow electrolysis, e.g. In aluminum production, intensive development is underway to use so-called inert anodes, which consist in particular of oxide ceramics, for the electrolysis instead of the consumable carbon anodes.
Für diese Entwicklung bilden eine Reihe von Vorteilen den Anreiz:
- Bei Herstellung und bei Betrieb der inerten Anoden ergibt sich eine erhebliche Energieeinsparung.
- Zugleich wird Rohstoff eingespart. Bei der Herstellung muß nicht auf fossilen Rohstoff Erdöl, aus dem dann Petrol, Koks und Pech gewonnen wird, zurückgegriffen werden. Beim Betrieb der inerten Anoden ergibt sich kein oder nur ein sehr geringer Verbrauch an Anodenmaterial. Damit fallen des weiteren Investitionen und Betriebskosten für die Anodenfabrikation weg.
- Da der sich bei verzehrenden Anoden turnusgemäß notwendige Anodenwechsel entbehrlich wird, können die Zellen geschlossener gefahren werden. Dadurch verbessern sich die Arbeitsbedingungen.
- Die Abluft aus den Zellen enthält weder Schwefeldioxid noch polyaromatische Kohlenwasserstoffe. Aus dem geschlossenen Abluftsystem können die Fluoride leichter zurückgewonnen werden.
- Schließlich können inerte Anoden mit höheren Stromdichten als Kohlenstoffanoden gefahren werden. Dadurch erhöht sich die Produktionskapazität auf weniger Fläche und/oder in weniger Zeit.There are a number of advantages to this development:
- Considerable energy savings result from the manufacture and operation of the inert anodes.
- At the same time, raw material is saved. It is not necessary to make use of fossil fuels such as petroleum, from which petroleum, coke and pitch are extracted. The operation of the inert anodes results in little or no consumption of anode material. This also eliminates investments and operating costs for anode production.
- Since the anode change, which is required as part of the rotation when the anodes are consumed, can be dispensed with, the cells can be driven more closed. This improves working conditions.
- The exhaust air from the cells contains neither sulfur dioxide nor polyaromatic hydrocarbons. The fluorides can be recovered more easily from the closed exhaust system.
- Finally, inert anodes with higher current densities than carbon anodes can be used. This increases the production capacity in less space and / or in less time.
Konstruktiv müssen die inerten Elektroden einerseits den Vorgaben der bereits vorhandenen, noch mit Kohlenstoffanoden ausgerüsteten Zellen Rechnung tragen. Dies gilt insbesondere in bezug auf die Stromzuleitung und die Anordnung und/oder die Dimensionierung der Aktivteile der Anoden. Andererseits müssen aber natürlich auch die Erfordernisse, die aus dem Werkstoff, aus dem die Aktivteile der inerten Anoden bestehen, Berücksichtigung finden. Dies gilt insbesondere in bezug auf die physikalischen Parameter und die Herstellungstechnologie.In terms of construction, the inert electrodes must, on the one hand, take into account the requirements of the existing cells that are still equipped with carbon anodes. This applies in particular with regard to the power supply line and the arrangement and / or the dimensioning of the active parts of the anodes. On the other hand, of course, the requirements made of the material from which the active parts of the inert anodes are made must also be taken into account. This applies in particular with regard to the physical parameters and the manufacturing technology.
Eine inerte Verbundelektrode der eingangs definierten Art ist aus der DE-PS 30 03 922 bekannt. Diese besteht im wesentlichen aus einem Aktivteil, einem Elektrodenhalter und einer Anordnung zum Verbinden der zwei erstgenannten Baugruppen.An inert composite electrode of the type defined in the introduction is known from DE-PS 30 03 922. This essentially consists of an active part, an electrode holder and an arrangement for connecting the two first-mentioned assemblies.
Der Aktivteil ist durch eine Mehrzahl von stabförmigen Aktivelementen gebildet. Diese sind mit ihren Längsachsen parallel nebeneinander und in zueinander fluchtenden Gruppen angeordnet. Der zu den Längsachsen der Aktivelemente senkrechte Gesamtquerschnitt entspricht in etwa dem entsprechenden Querschnitt einer herkömmlichen Kohlenstoffanode für eine Schmelzflußelektrolysezelle. Die einzelnen Aktivelemente bestehen aus einem oxidkeramischen Werkstoff.The active part is formed by a plurality of rod-shaped active elements. These are arranged with their longitudinal axes parallel to one another and in groups aligned with one another. The total cross section perpendicular to the longitudinal axes of the active elements corresponds approximately to the corresponding cross section of a conventional carbon anode for a melt flow electrolysis cell. The individual active elements consist of an oxide ceramic material.
Zur Halterung der Aktivelemente und zur Stromzuführung zu diesen ist ein rohrförmiger Träger vorgesehen. In diesen ist konzentrisch ein weiteres Rohr angeordnet, dessen unteres Ende mit einer Bodenplatte versehen ist. Diese Bodenplatte weist eine zentrische Bohrung auf, durch die ein stabförmiger Stromzuleiter hindurchgeführt ist, dessen unteres, unterhalb der Bodenplatte endendes Ende mit einer stromleitenden Anpreßplatte versehen ist. Mit dieser Anpreßplatte werden die oberen Stirnflächen der Aktivelemente auf kraftschlüssige Weise in mechanischen und elektrischen Kontakt gebracht. Hierzu weisen die gruppenweise untereinander fluchtenden Aktivelemente in ihrem oberen Abschnitt je eine Bohrung auf, die in bezug auf eine Gruppen ebenfalls zueinander fluchten. Durch die zueinander fluchtenden Bohrungen einer Gruppe ist jeweils ein Aufhängestab hindurchgeführt, dessen Enden auf einer Auflageplatte aufliegen. Diese Auflageplatte und die genannte Bodenplatte sind über Schraubbolzen zu verspannen, wodurch die oberen Stirnflächen der Aktivelemente in Kontakt mit der stromführenden Anpreßplatte gebracht werden. Gegebenenfalls kann zwischen den Stirnflächen der Aktivelemente und der Anpreßplatte eine elektrisch gut leitende Zwischenschicht eingebracht sein.A tubular support is provided to hold the active elements and to supply current to them. A further tube is arranged concentrically in the latter, the lower end of which is provided with a base plate. This base plate has a central bore through which a rod-shaped current feeder is passed, the lower end of which, below the base plate, is provided with a current-conducting pressure plate. With this pressure plate, the upper end faces of the active elements are brought into mechanical and electrical contact in a non-positive manner. For this purpose, the active elements aligned in groups with one another each have a bore in their upper section, which are also aligned with one another with respect to a group. A suspension rod, the ends of which rest on a support plate, is passed through the mutually aligned bores of a group. This support plate and the base plate mentioned are to be clamped using screw bolts, as a result of which the upper end faces of the active elements are brought into contact with the current-carrying pressure plate. If appropriate, an electrically highly conductive intermediate layer can be introduced between the end faces of the active elements and the pressure plate.
Diese bekannte Elektrodenkonstruktion weist mehrere gravierende Nachteile auf.This known electrode construction has several serious disadvantages.
Zum einen ist ihr Aufbau insgesamt relativ kompliziert, insbesondere in bezug auf die Aufhängestäbe, die durch die Bohrungen im Kopfabschnitt der Aktivelemente hindurchgeführt sind und entsprechend gelagert und gespannt werden müssen.On the one hand, their overall structure is relatively complicated, in particular with regard to the suspension rods, which are passed through the bores in the head section of the active elements and must be appropriately stored and tensioned.
Des weiteren erfordert die Herstellung der Bohrungen in den Kopfabschnitten der Aktivelemente einen größeren Herstellungsaufwand. Sie sind nur im Grünzustand der oxidkeramischen Aktivelemente zu erzeugen. Des weiteren sind Bohrungen, insbesondere in bezug auf die Fluchtung der in Gruppen angeordneten Aktivelemente, mit größeren Toleranzen behaftet, da derartige Toleranzen schon bei der Herstellung der Aktivelemente im Grünzustand eingehen und des weiteren beim Sintern der Aktivelemente weitere Maßabweichungen unvermeidlich sind. Dies hat zur Folge, daß die Bohrungen einer Gruppe von Aktivelementen nicht genau fluchten, so daß einige der Aktivelemente, die an einem Aufhängestab untereinander gereiht sind, nicht oder nicht genügend mit ihren Stirnflächen in Kontakt mit der stromführenden Platte des Elektrodenhalters gelangen. Dies gilt dann umso mehr im Betrieb, wo sich die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Werkstoff der Aktivelemente einerseits und der stromzuführenden Platte andererseits verstärkt negativ in bezug auf die Kontaktierung zwischen den Stirnflächen der Aktivelemente und der Platte auswirken. Dadurch ergibt sich ein erhöhter Spannungsabfall mit der Folge, daß der elektrische Wirkungsgrad sinkt.Furthermore, the production of the bores in the head sections of the active elements requires a greater production outlay. They can only be generated when the oxide ceramic active elements are green. Furthermore, bores, in particular with regard to the alignment of the active elements arranged in groups, are subject to greater tolerances, since such tolerances already occur in the green state during the production of the active elements and further dimensional deviations are unavoidable when the active elements are sintered. As a result, the bores of a group of active elements are not exactly aligned, so that some of the active elements which are arranged one below the other on a suspension rod do not come into contact with their end faces, or do not come into sufficient contact with the current-carrying plate of the electrode holder. This is all the more true in operation, where the different expansion coefficients of the material of the active elements on the one hand and the current-carrying plate on the other hand have an increasingly negative effect with regard to the contact between the end faces of the active elements and the plate. This results in an increased voltage drop, with the result that the electrical efficiency drops.
Dieser Nachteil wird noch dadurch verschärft, daß die Bohrungen die Querschnittsfläche parallel zur Längsachse der Aktivelemente verkleinern, und zwar gerade im kalten Bereich der Aktivelemente. Dadurch werden gerade dort die Strombahnen eingeschnürt.This disadvantage is exacerbated by the fact that the bores reduce the cross-sectional area parallel to the longitudinal axis of the active elements, specifically in the cold region of the active elements. As a result, the current paths are constricted there.
Die genannte Schwächung des Querschnittes der Aktivelemente der bekannten Anode vermindert auch die mechanische Festigkeit der Aktivelemente, und zwar in einem Bereich, in dem einerseits der jeweilige Aufhängestab aufgrund dessen Vorspannung einer erhöhte Druckspannung auf den Werkstoff der Aktivelemente ausübt und andererseits auch die höchsten Zugspannungen aufgrund des Gewichtes der Aktivelemente auftreten. Aufgrund dessen wirken die größten mechanischen Spannungen gerade im Bereich des geschwächten Querschnitts der Aktivelemente, so daß eine erhöhte Gefahr des Bruches der Elektrodenelemente an der genannten Stelle gegeben ist.The aforementioned weakening of the cross section of the active elements of the known anode also reduces the mechanical strength of the active elements, specifically in an area in which on the one hand the respective suspension rod exerts an increased compressive stress on the material of the active elements due to its prestressing and on the other hand also the highest tensile stresses due to the Weight of the active elements occur. Because of this, the greatest mechanical stresses act precisely in the area of the weakened cross section of the active elements, so that there is an increased risk of the electrode elements breaking at the point mentioned.
Schließlich ist bei der bekannten Anodenkonstruktion kein bzw. wenig Augenmerk gerichtet auf die notwendige Elektrolytbewegung im Bereich der in die Schmelze eintauchenden unteren Abschnitte der Elektrodenelemente sowie auf die Gasabfuhr im Bereich der Elektrodenelemente.Finally, in the known anode construction, little or no attention is paid to the necessary electrolyte movement in the region of the lower sections of the electrode elements immersed in the melt and to the gas removal in the region of the electrode elements.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine inerte Verbundelektrode der vorausgesetzten Art zu schaffen, bei der die oxidkeramischen Aktivelemente unter Berücksichtigung der Werkstoff- und Herstellungstechnologie für Oxidkeramik gestaltet sind, die einen einfachen Aufbau besitzt und leicht montierbar ist sowie einen guten elektrochemischen Wirkungsgrad aufweist.It is an object of the invention to provide an inert composite electrode of the presupposed type in which the oxide ceramic active elements are designed taking into account the material and manufacturing technology for oxide ceramics, which has a simple structure and is easy to assemble and has a good electrochemical efficiency.
Diese Aufgabe wird bei einer inerten Verbundelektrode mit den eingangs genannten Merkmalen dadurch gelöst, daß die Aktivelemente jeweils plattenseitig einen Kopfabschnitt aufweisen, der in seinem senkrecht zur Fluchtlinie einer Gruppe liegenden Querschnitt und in Richtung der plattenseitigen Stirnfläche im wesentlichen keilförmig verbreitert ist, und mit jeder der zwei gegenüberliegenden Keilflächen des Kopfabschnitts des jeweiligen Aktivelements ein Spannelement mit einer Keilfläche in Anlage gebracht ist, deren Keilwinkel dem der jeweiligen Keilfäche des Kopfabschnittes im wesentlichen entspricht, so daß sich eine Schwalbenschwanz-Verbindung ergibt.This object is achieved in the case of an inert composite electrode with the features mentioned at the outset in that the active elements each have a plate side Have head section, which is substantially wedge-shaped in its cross section perpendicular to the line of flight of a group and in the direction of the plate-side end face, and with each of the two opposite wedge faces of the head section of the respective active element, a tensioning element is brought into contact with a wedge face, the wedge angle of which corresponds essentially to the respective wedge surface of the head section, so that there is a dovetail connection.
Der Aktivteil der erfindungsgemäßen Anode ist also aufgelöst in eine Mehrzahl von stabförmigen Aktivelementen, wie dies an sich bekannt ist. Die Aktivelemente sind herstellungstechnologisch günstig gestaltet, weil der keilförmige Kopfabschnitt der Gestaltung in der Keramik-Technologie entgegenkommt, wohingegen die im Kopfabschnitt der Aktivelemente der bekannten Anode vorgesehenen Bohrungen schon herstellungstechnisch eine Reihe von Problemen verursachen, wie oben dargelegt wurde.The active part of the anode according to the invention is thus broken down into a plurality of rod-shaped active elements, as is known per se. The active elements have a favorable design in terms of production technology, because the wedge-shaped head section complies with the design in ceramic technology, whereas the holes provided in the head section of the active elements of the known anode already cause a number of problems in terms of production technology, as has been explained above.
Im montierten Zustand sind die Aktivelemente im Bereich der Keilverspannung ausschließlich auf Druck beansprucht, was durch den oxidkeramischen Werkstoff aufgrund dessen hoher Druckfestigkeit ohne weiteres aufgenommen werden kann, zumal der Querschnitt im druckbeaufschlagten Bereich der Aktivelemente aufgrund der Keilform der Kopfabschnitte vergrößert ist. Als Folge der Querschnittsvergrößerung im Einspannbereich der Aktivelemente können auch die Zugspannungen aufgrund des Gewichtes der Aktivelemente gut aufgenommen werden. Insgesamt ergibt sich also eine mechanisch sehr stabile Anodenkonstruktion.In the assembled state, the active elements in the area of the wedge bracing are only subjected to pressure, which can be easily accommodated by the oxide-ceramic material due to its high compressive strength, especially since the cross section in the pressurized area of the active elements is enlarged due to the wedge shape of the head sections. As a result of the increase in cross section in the clamping area of the active elements, the tensile stresses due to the weight of the active elements can also be absorbed. Overall, this results in a mechanically very stable anode construction.
Die Keil- bzw. Schwalbenschwanzverspannung der Aktivelemente mittels der beschriebenen Spannelemente ergibt zugleich einen selbstjustierenden Effekt mit der Folge, daß sämtliche der Aktivelemente mit ihren Stirnflächen in innigen Kontakt mit der stromführenden Platte gelangen, und zwar unter Überbrückung bzw. aufgrund Ausgleichs eventuell bestehender Fertigungstoleranzen. Aufgrund der selbstjustierenden Keilverspannung zwischen den Aktivelementen einerseits und den Spannelementen bzw. der Platte andererseits werden des weiteren eventuelle Bewegungen der Baugruppen zueinander aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe ausgeglichen, so daß auch im Betrieb der Anode ein inniger Kontakt der Stirnflächen der Aktivelemente mit den Spannelementen und der stromzuführenden Platte erhalten bleibt. Auf diese Weise ist eine dauerhafte und sowohl elektrisch als auch mechanisch optimale Verbindung zwischen der metallischen Stromzuführung und den keramischen Aktivelementen gewährleistet.The wedge or dovetail bracing of the active elements by means of the clamping elements described also results in a self-adjusting effect, with the result that all of the active elements come with their end faces in intimate contact with the current-carrying plate, with bridging or due to compensation for any existing manufacturing tolerances. Due to the self-adjusting wedge tension between the active elements on the one hand and the tensioning elements or the plate on the other hand, any movements of the assemblies towards one another are compensated for due to the different thermal expansion coefficients of the materials, so that the end faces of the active elements also have intimate contact with the tensioning elements during operation of the anode and the current-carrying plate is preserved. In this way, a permanent and both electrically and mechanically optimal connection between the metallic power supply and the ceramic active elements is guaranteed.
Dadurch wird der Spannungsabfall zwischen der stromzuleitenden Platte und den Stirnflächen der Aktivelemente minimiert.This minimizes the voltage drop between the current-carrying plate and the end faces of the active elements.
Darüber hinaus ist bei der erfindungsgemäßen Anode die Stromübertragungsfläche zwischen der stromführenden Platte und den Aktivelementen dadurch vergrößert, daß die Spannelemente ebenfalls in elektrischer Verbindung sowohl zur Platte als auch zu den Keilflächen der Elektrodenelemente stehen, so daß letztere die Gesamt-Kontaktfläche der Aktivelemente in bezug auf das stromzuführende Bauteil entsprechend vergrößern. Aufgrund der vergrößerten Gesamt-Kontaktfläche wird auch dementsprechend der Spannungsabfall verkleinert.In addition, the current transfer area between the current-carrying plate and the active elements is increased in the anode according to the invention in that the tensioning elements are also in electrical connection both to the plate and to the wedge surfaces of the electrode elements, so that the latter Increase the total contact area of the active elements in relation to the component to be energized accordingly. Due to the increased total contact area, the voltage drop is also reduced accordingly.
Aufgrund der schon angesprochenen Querschnittsvergrößerung im Kopfabschnitt der Aktivelemente, d.h. gerade im kalten Bereich derselben, ist die Stromführung an dieser kritischen Stelle entscheidend verbessert. Die Flächennutzung der erfindungsgemäßen Anode ist also sehr gut, da die Stromlinien einen gewissen seitlichen Umgriff haben und die wirksame Anodenfläche in etwa gleich der projizierten Anodenfläche ist.Due to the already mentioned cross-sectional enlargement in the head section of the active elements, i.e. Especially in the cold area, the current flow at this critical point is significantly improved. The area utilization of the anode according to the invention is therefore very good, since the streamlines have a certain lateral wrap and the effective anode area is approximately equal to the projected anode area.
Nachdem die Anodenelemente aus einem Werkstoff mit Heißleiter-Eigenschaften bestehen, sind die im kalten, d.h. nicht gutleitenden Bereich der Anodenelemente getroffenen Maßnahmen zur Erhöhung der Leitfähigkeit, nämlich die Querschnittsvergrößerung im Kopfabschnitt der Anodenelemente, die spezielle Ausbildung des Werkstoffes der Anodenelemente zur Erhöhung der Leitfähigkeit und die vergrößerte Stromübertragungsfläche entscheidend zur Erhöhung des elektrischen Wirkungsgrads. Insgesamt weist also die erfindungsgemäße Anodenanordnung einen sehr guten elektro-chemischen Wirkungsgrad auf.After the anode elements consist of a material with thermistor properties, they are in the cold, i.e. non-conductive area of the anode elements measures taken to increase the conductivity, namely the cross-sectional enlargement in the head section of the anode elements, the special design of the material of the anode elements to increase the conductivity and the enlarged current transmission area crucial for increasing the electrical efficiency. Overall, the anode arrangement according to the invention therefore has a very good electrochemical efficiency.
Zwischen den gruppenweise angeordneten Aktivelementen sind mindestens dort, wo die Spannelemente vorgesehen sind, Kanäle zwischen den Aktivelementen ausgebildet. Einerseits kann im Bereich der in die Schmelze bzw. in den Elektrolyt eintauchenden unteren Abschnitt der Aktivelemente in diesen Kanälen die Schmelze und der Elektrolyt zirkulieren, wodurch einer sonst möglichen Verarmung des Elektrolyts effektiv entgegengewirkt wird. Andererseits stellen diese Kanäle für die Gasabfuhr genug Raum zur Verfügung, so daß das entwickelte Gas schnell abgeführt wird. Beides trägt zu einer Erhöhung des elektrochemischen Wirkungsgrads des mit den erfindungsgemäßen Elektroden durchgeführten Prozesses bei.Channels between the active elements are formed between the active elements arranged in groups, at least where the tensioning elements are provided. On the one hand, in the area of the lower section immersed in the melt or in the electrolyte Active elements circulate the melt and the electrolyte in these channels, which effectively counteracts an otherwise possible depletion of the electrolyte. On the other hand, these channels provide enough space for the gas discharge so that the developed gas is quickly removed. Both contribute to an increase in the electrochemical efficiency of the process carried out with the electrodes according to the invention.
Zweckmäßige Ausbildungen der erfindungsgemäßen Verbundelektrode ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen.Appropriate designs of the composite electrode according to the invention result from the remaining claims.
So können beispielsweise die Aktivelemente einer Gruppe in deren Fluchtlinie untereinander in Anlage stehen. Es sind also nur Kanäle zwischen den Aktivelementen dort gebildet, wo Spannelemente zwischen den Aktivelementen liegen. Dadurch ergibt sich einerseits ein sehr kompakter Aufbau des Aktivteils der erfindungsgemäßen Anode, andererseits ist aber auch ausreichend einer entsprechenden Bewegung der Schmelze und des Elektrolyts sowie der Gasabfuhr Rechnung getragen.For example, the active elements of a group can be in line with each other in their escape line. Thus, only channels are formed between the active elements where there are clamping elements between the active elements. This results on the one hand in a very compact structure of the active part of the anode according to the invention, but on the other hand sufficient consideration is also given to a corresponding movement of the melt and of the electrolyte and of the gas removal.
Zwar ist durch die keilförmige Verbreiterung der Kopfabschnitte der Aktivelemente bereits der Spannungsabfall im kalten Bereich weitgehend reduziert. Trotzdem kann es sich noch empfehlen, die elektrische Leitfähigkeit des Werkstoffes der Aktivelemente im Bereich des Kopfabschnittes höher auszulegen als im übrigen Bereich, nachdem diese Werkstoffe Heißleiter eigenschaften besitzen. Dies ist z.B. dadurch möglich, daß der Werkstoff der Aktivelemente im Bereich des Kopfabschnittes ein Cermet ist, das vorzugsweise Silber enthaltendes Zinnoxid ist. Damit ist die Stromleitfähigkeit im kritischen Kopfabschnitt der Aktivelemente bei der erfindungsgemäßen Elektrode noch weiter verbessert.The wedge-shaped widening of the head sections of the active elements has already largely reduced the voltage drop in the cold region. Nevertheless, it may still be advisable to design the electrical conductivity of the material of the active elements higher in the area of the head section than in the rest of the area after these materials have thermistors possess properties. This is possible, for example, in that the material of the active elements in the area of the head section is a cermet, which is preferably tin oxide containing silver. The current conductivity in the critical head section of the active elements in the electrode according to the invention is thus further improved.
Um den Übergangswiderstand zwischen der stromzuleitenden Platte und den Aktivelementen noch weiter zu verkleinern, kann es von Vorteil sein, daß zwischen der betreffenden Hauptfläche der Platte und den entsprechenden Stirnflächen der Aktivelemente eine Kontaktschicht eingebracht ist. Diese kann durch ein Netz aus gut leitendem Metal, insbesondere Kupfer, gebildet sein.In order to reduce the contact resistance between the current-carrying plate and the active elements even further, it can be advantageous for a contact layer to be introduced between the relevant main surface of the plate and the corresponding end faces of the active elements. This can be formed by a network of highly conductive metal, in particular copper.
Es kann für jede fluchtende Gruppe von Aktivelementen beidseitig je ein durchgehendes Spannelement oder aber separate Spannelemente vorgesehen sein. Es ist aber auch möglich, daß das Spannelement zur Befestigung von zwei gegenüberliegenden Aktivelementen zweier benachbarter Gruppen ausgebildet ist und hierzu zwei gegenüberliegende Keilflächen mit im wesentlichen spiegelbildlicher Anordnung aufweist. Dadurch erniedrigt sich der Aufwand in der Fertigung und in der Montage weiterA continuous clamping element or separate clamping elements can be provided on both sides for each aligned group of active elements. However, it is also possible that the tensioning element is designed for fastening two opposite active elements of two adjacent groups and for this purpose has two opposite wedge surfaces with an essentially mirror-image arrangement. This further reduces the effort in manufacturing and assembly
Das angesprochene Spannelement kann zweckmäßigerweise im Querschnitt senkrecht zur Fluchtlinie der Gruppen der Aktivelemente trapezförmig ausgebildet sein.The mentioned clamping element can expediently be trapezoidal in cross section perpendicular to the line of alignment of the groups of active elements.
Des weiteren sind jedem Aktivelement je zwei separate Spannelemente zugeordnet und die Länge eines Spannelements entspricht im wesentlichen der Länge eines Aktivelements.Furthermore, two separate clamping elements are assigned to each active element and the length of a clamping element essentially corresponds to the length of an active element.
Es ist aber auch möglich, daß für jeweils eine Gruppe von Aktivelementen je zwei durchgehende Spannelemente vorgesehen sind und die Länge eines Spannelementes der Länge einer Gruppe von Aktivelementen im wesentlichen entspricht.However, it is also possible that two continuous tensioning elements are provided for each group of active elements and the length of a tensioning element essentially corresponds to the length of a group of active elements.
Für eine schnelle Montage und Demontage empfiehlt es sich, daß die Spannelemente mittels Schrauben an der Platte befestigt sind.For quick assembly and disassembly, it is recommended that the clamping elements are attached to the plate using screws.
Zur Vermeidung von Korrosion aufgrung der in der Zelle vorhandenen aggressiven Gase und der hohen Temperaturen ist es natürlich zweckmäßig, nicht nur die dem Zelleninneren zugekehrten Bereiche der stromführenden Platte, sondern auch die Spannelemente einschließlich ihrer Befestigungselemente durch Abdeckelemente aus korrosionsbeständigem Werkstoff zu schützen. Es bieten sich Keramik-Grafit-Verbundmaterialien an, z.B. Tongrafit.To avoid corrosion due to the aggressive gases present in the cell and the high temperatures, it is of course expedient not only to protect the areas of the current-carrying plate which face the interior of the cell, but also the clamping elements, including their fastening elements, by means of cover elements made of corrosion-resistant material. Ceramic-graphite composite materials are available, e.g. Tongraphite.
Schließlich ist es von erheblichem Vorteil, die stromzuführende Platte zu kühlen. Dadurch ist es möglich, den Elektrodenhalter so dicht wie möglich an die Schmelze heranzuführen und trotzdem die Kontakttemperatur zwischen Platte und Aktivelemente unter 250°C zu halten. Dies ist insbesondere dann erforderlich, wenn die Anode mit höherer Strombelastung ge fahren wird, da bekanntlich die Temperatur der Elektroden quadratisch mit der Strombelastung steigt. Bevorzugt sollte die Kühlung so ausgelegt sein, daß ca. 30 bis 35 % der Gesamtwärme über die Anodenoberfläche abgeführt werden. Der Vorteil des möglichst nahen Heranführens des Elektrodenhalters ist natürlich darin zu sehen, daß die Aktivelemente dadurch kurz ausgebildet werden können, wodurch einerseits teurer Werkstoff eingespart werden kann und andererseits der Spannungsabfall in den Aktivelementen weiter erniedrigt wird.Finally, it is of considerable advantage to cool the current supply plate. This makes it possible to bring the electrode holder as close as possible to the melt and still keep the contact temperature between the plate and active elements below 250 ° C. This is particularly necessary if the anode has a higher current load will drive, as is known, the temperature of the electrodes increases quadratically with the current load. The cooling should preferably be designed such that approximately 30 to 35% of the total heat is dissipated via the anode surface. The advantage of moving the electrode holder as close as possible is of course to be seen in the fact that the active elements can be made short as a result, which on the one hand saves expensive material and on the other hand further reduces the voltage drop in the active elements.
Zweckmäßigerweise wird die Kühlung der Platte durch eine Wasserkühlung verwirklicht, wofür die Platte als Hohlkörper ausgebildet ist, innerhalb dem Kanäle für das Kühlwasser angeordnet sind. In diesem Fall ist es schließlich zweckmäßig, daß der jeweilige Stromzuleiter zur Platte durch das Innere des Hohlkörpers hindurchgeführt und mit der Innenseite der Hauptfläche, mit der die Aktivelemente in Kontakt stehen, elektrisch verbunden ist.The plate is expediently cooled by water cooling, for which the plate is designed as a hollow body, within which channels for the cooling water are arranged. In this case, it is finally expedient that the respective current feeder to the plate is guided through the interior of the hollow body and is electrically connected to the inside of the main surface with which the active elements are in contact.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der erfindungsgemäßen Verbundelektrode ergeben sich anhand der Beschreibung der Zeichnung und der Erläuterung eines speziellen Ausführungsbeispiels.Further advantages and details of the composite electrode according to the invention result from the description of the drawing and the explanation of a special exemplary embodiment.
In den Zeichnungen zeigt:
- Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Verbundelektrode,
- Fig. 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht der erfindungsgemäßen Verbundelektrode, und
- Fig. 3 die Ansicht A und den Schnitt B-B entsprechend der Fig. 2.
- 1 is a perspective view of an embodiment of the composite electrode according to the invention,
- Fig. 2 is a partially sectioned side view of the composite electrode according to the invention, and
- 3 shows the view A and the section BB corresponding to FIG. 2nd
Die erfindungsgemäße inerte Elektrode, insbesondere Anode für die Schmelzflußelektrolyse, besteht im wesentlichen aus drei Baugruppen, nämlich einem insgesamt mit 10 bezeichneten Aktivteil, einem insgesamt mit 30 bezeichneten Elektrodenhalter und einer insgesamt mit 40 bezeichneten Anordnung zum Verbinden der zwei erstgenannten Baugruppen.The inert electrode according to the invention, in particular anode for the melt flow electrolysis, essentially consists of three assemblies, namely an active part, generally designated 10, an electrode holder, generally designated 30, and an arrangement, generally designated 40, for connecting the two first-mentioned assemblies.
Der Aktivteil besteht aus einer Mehrzahl von stabförmigen Aktivelementen, die allgemein mit 20 bezeichnet sind. Diese sind mit ihren in der Montagestellung in der Zelle vertikal ausgerichteten Längsachsen parallel nebeneinander und in zueinander längs der Fluchtlinie 25 (Fig. 3) fluchtenden Gruppen 11, 12, 13 usw. angeordnet. Sie sind in ihrem zu ihrer Längsachse senkrechten Querschnitt im wesentlichen quadratisch bzw. rechteckförmig. Sie bestehen aus einem noch näher zu bezeichnenden, elektrisch leitenden und elektrochemisch aktiven oxidkeramischen Werkstoff. Die Aktivelemente 20 weisen jeweils einen Kopfabschnitt 21 auf, der in seinem senkrecht zur Fluchtlinie einer Gruppe liegenden Querschnitt und in Richtung der entsprechenden Stirnfläche 22 durch Keilflächen 23 verbreitert ist.The active part consists of a plurality of rod-shaped active elements, which are generally designated 20. These are arranged with their longitudinal axes vertically aligned in the cell in the assembly position parallel to one another and in
Der im wesentlichen plattenförmig ausgebildete Elektrodenhalter 30 besitzt eine - in der Montagestellung in der Elektrolysezelle gesehen - nach unten gerichtete Hauptfläche 31, an der die Aktivelemente 20 mit ihren Stirnflächen 22 mechanisch und elektrisch in Kontakt gehalten sind. Dies erfolgt mit Hilfe von die Verbindungsanordnung 40 darstellenden Spannelementen 41. Diese Spannelemente sind in ihrem parallel zur Längsachse der Aktivelemente 20 und senkrecht zur Fluchtlinie einer Gruppe verlaufenden Querschnitt so trapezförmig ausgebildet, daß die zwei gegenüberliegenden Keilflächen 42 mit den gleichwinklig liegenden Keilflächen 23 zweier in zwei benachbarten Gruppen, z.B. 12, 13, gegenüberliegenden Aktivelementen 20 mit entsprechender Vorspannung in Anlage stehen. Hierzu sind die Spannelemente 41 mittels Schrauben mit dem plattenförmigen Elektrodenhalter 30 verschraubt.The essentially plate-shaped
Durch die Spannelemente 41 sind zwei benachbarte Gruppen 11, 12, 13 usw. von Aktivelementen so beabstandet, daß Kanäle 50 ausgebildet sind, die in beschriebener Weise eine Zirkulation des Elektrolyts bzw. der Schmelze zwischen den unteren, in die Schmelze bzw. in den Elektrolyt eintauchenden Abschnitten 26 der Aktivelemente 20 ermöglicht wird und die andererseits eine rasche Abfuhr des bei dem Elektrolyseprozeß entwickelten Gases zwischen den Gruppen angeordenten Aktivelementen 20 nach oben hin gewährleisten.By the clamping
Der plattenförmige Elektrodenhalter 30 ist als Hohlkörper ausgebildet, bestehend aus einer unteren horizontalen Platte 32, einer oberen, zur ersten parallel angeordneten Platte 33 und dazu senkrechten Seitenwänden 34. Der Hohlraum dient zur Zirkulation von Kühlwasser im Innenraum 35 des Elektrodenhalters 30. Hierzu ist ein Kühlwasser-Zulaufrohr 36 vorgesehen, das randseitig in den Innenraum 35 mündet. Entlang spiralförmig verlaufenden Leitwänden 37 zirkuliert das Kühlwasser durch den Innenraum 35 des plattenförmigen Elektrodenhalters 30 bis zu dessen Zentrumsbereich und von dort wieder in den peripheren Bereich, von wo das entsprechend erwärmte Kühlwasser durch ein Kühlwasserableitrohr 38 abgezogen wird.The plate-shaped
Der plattenförmige Elektrodenhalter 30 ist des weiteren mit mehreren Stromzuführungs-Bolzen 60 ausgerüstet, über die der elektrische Strom dem plattenförmigen Elektrodenhalter 30 zugeleitet und von dort auf die Elektrodenelemente 20 übertragen wird. Zur Verbindung der Stromzuführungsbolzen 60 mit der unteren Platte 33 des Elektrodenhalters 30 sind an der Innenfläche der unteren Platte 33 jeweils Muffen 61 verschweißt, die ein Innengewinde besitzen, mit dem der untere und mit einem Außengewinde versehene Abschnitt des entsprechenden Stromzuführungsbolzens 60 verschraubt ist. Um den Stromzuführungsbolzen 60 im Bereich des Innenraums der Zelle vor Korrosion zu schützen, ist dieser mit Schutzhülsen 62 aus korrosionsbeständigem Material umgeben.The plate-shaped
Um den elektrischen Kontakt zwischen den Stirnflächen 22 der Aktivelemente 20 und der Fläche 31 des plattenförmigen Elektrodenhalters noch weiter zu verbessern, ist zwischen diesen Flächen ein Netz 39, z.B. aus Kupfer, eingebracht.In order to further improve the electrical contact between the end faces 22 of the
Der plattenförmige Elektrodenhalter 30 und die Spannelemente 41 sowie deren Spannschrauben 43 bestehen zweckmäßigerweise aus Stahl. Sie können auch aus Nickel oder aus Stahl- bzw. Nickellegierungen bestehen.
Zum Schutz dieser Bauteile gegen Korrosion sind Abdeckelemente vorgesehen. Die an der Unterseite der Spannelemente angeordneten Abdeckelemente 44 sind z.B. mittels einer Schwalbenschwanzführung an den Spannelementen 41 gesichert. Die seitlichen Abdeckelemente 45 können mit den stirnseitigen Enden der Spannelemente 41 durch Schrauben 46 verschraubt sein.The plate-shaped
Cover elements are provided to protect these components against corrosion. The cover elements 44 arranged on the underside of the tensioning elements are secured to the
Die Aktivelemente 20 bestehen zweckmäßigerweise aus dotierter Oxid-Keramik, z.B. Zinnoxid, Nickelferrit oder Yttriumoxid.The
Beispielsweise kann die Zusammensetzung wie folgt sein:
94,1 Atom-% Zinnoxid
3,8 Atom-% Kupfer
2,1 Atom-% AntimonFor example, the composition can be as follows:
94.1 atomic percent tin oxide
3.8 atomic% copper
2.1 atomic% antimony
Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anode hat sich folgende Dimensionierung der stabförmigen Aktivelemente als zweckentsprechend erwiesen:
Querschnitt der oberen Stirnfläche: 3 x 3 cm
Querschnitt der unteren Stirnfläche: 2 x 2 cm
Länge: 25 cm
Keilwinkel: 20°
Abstand zwischen zwei benachbarten Gruppen von Elektrodenelementen: 1,5 cmIn a special embodiment of the anode according to the invention, the following dimensioning of the rod-shaped active elements has proven to be appropriate:
Cross section of the upper face: 3 x 3 cm
Cross section of the lower face: 2 x 2 cm
Length: 25 cm
Wedge angle: 20 °
Distance between two adjacent groups of electrode elements: 1.5 cm
Die Seitenlänge des oberen Querschnitts kann zweckmä ßigerweise zwischen ca. 2 und 6 cm liegen. Die Länge der Aktivelemente kann zwischen ca. 15 cm und ca. 40 cm liegen. Der erwähnte Abstand zwischen zwei Gruppen von Aktivelementen kann zwischen ca. 1 cm und ca. 2 cm liegen. Der Keilwinkel des Kopfabschnittes der jeweiligen Aktivelemente kann zwischen ca. 5° und ca. 25° betragen.The side length of the upper cross section can expediently be between approximately 2 and 6 cm. The length of the active elements can be between approx. 15 cm and approx. 40 cm. The aforementioned distance between two groups of active elements can be between approximately 1 cm and approximately 2 cm. The wedge angle of the head section of the respective active elements can be between approximately 5 ° and approximately 25 °.
Das beschriebene Ausfühungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anode wurde in einer Elektrolysetestzelle mit folgenden Betriebsdaten betrieben:
Badzusammensetzung: Kryolith 84 Gew.-%
A1F3 5 Gew.-%
A1203 10 Gew.-%
CaF2 1 Gew.-%
Temperatur: 980-1000 C
Klemmspannung: 4-5 Volt
Stromstärke: 30 A
Stromdichte an der Anode: 2 A/cm2
Stromdichte an der Kathode:0,14 A/cm2
Elektrodenabstand: 3 cm
Tauchtiefe der Anoden: 2cmThe described exemplary embodiment of the anode according to the invention was operated in an electrolysis test cell with the following operating data:
Bath composition: cryolite 84% by weight
A1F3 5% by weight
CaF2 1% by weight
Temperature: 980-1000 C.
Clamp voltage: 4-5 volts
Current: 30 A.
Current density at the anode: 2 A / cm2
Current density at the cathode: 0.14 A / cm2
Electrode distance: 3 cm
Immersion depth of the anodes: 2cm
Claims (16)
- einem Elektrodenhalter, der eine stromleitende Platte umfaßt, mit deren einen Hauptfläche die Aktivelemente mit ihren Stirnflächen kraftschlüssig in Kontakt stehen, und
- einer Verbindungsanordnung, die die Aktivelemente gruppenweise untereinander verbindet und mit der Platte in Kontakt hält,
dadurch gekennzeichnet, daß
- die Aktivelemente (20) jeweils plattenseitig einen Kopfabschnitt (21) aufweisen, der in seinem senkrecht zur Fluchtlinie (25) einer Gruppe (z.B. 11, 12 usw. ) liegenden Quer- schnitt und in Richtung der plattenseitigen Stirnfläche (22) im wesentlichen keilförmig (23) verbreitert ist, und
- mit jeder der zwei gegenüberliegenden Keilflächen (23) des Kopfabschnitts (21) des jeweiligen Aktivelements (20) ein Spannelement (41) mit einer Keilfläche (42) in Anlage gebracht ist, deren Keilwinkel dem der jeweiligen Keilfäche des Kopfabschnittes im wesentlichen entspricht.1. Inert composite electrode, in particular anode for melt flow electrolysis, consisting of an active part in the form of a plurality of rod-shaped active elements, in particular made of oxide ceramic, which are arranged with their longitudinal axes parallel to one another and in groups aligned with one another,
- An electrode holder which comprises a current-conducting plate, with one main surface of which the active elements are in frictional contact with their end faces, and
a connection arrangement which connects the active elements to one another in groups and keeps them in contact with the plate,
characterized in that
- The active elements (20) each have a head section (21) on the plate side, which is essentially wedge-shaped in its cross section perpendicular to the line of alignment (25) of a group (eg 11, 12, etc.) and in the direction of the plate-side end face (22) (23) is widened, and
- With each of the two opposite wedge surfaces (23) of the head section (21) of the respective active element (20), a clamping element (41) with a wedge surface (42) is brought into contact, the wedge angle of which corresponds essentially to that of the respective wedge surface of the head section.
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