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Verfahren zur kontinuierlichen Aluminiumherstellung durch Schmelzflusselektrolyse und Ofen zur Durchführung dieses Verfahrens
Die Erfindung bezieht sich auf die Aluminiumherstellung durch Schmelzflusselektrolyse.
Sowohl beim Betrieb als auch beim Bau der Öfen für Schmelzflusselektrolyse mit elektrolytischem
Verbrauch (Abbrennen) der Anoden, sind beträchtliche Vorteile zu erzielen, falls es sich ermöglichen lässt, eine Konstanz aller oder zumindest der meisten Betriebsbedingungen zu erreichen. Solche Betriebsbedingungen sind z. B. die Gesamt- und die Teilspannungen, die Stärke und Verteilung des Stromes, der
Elektrodenabstand, die Tiefe und Zusammensetzung des Bades und der aktiven Elektrodenflächen, sowie die Temperatur in den verschiedenen Regionen des Ofens.
Ein Faktor, den es bisher unmöglich war zu stabilisieren, ist die Höhe des Flüssigkeitsspiegels des geschmolzenen Metalles, das sich am Boden der Zelle ansammelt. Ferner wird der normale Betriebszustand des Ofens jedesmal gestört, wenn das Metall periodisch aus der Zelle abgelassen oder entnommen wird.
In den Zellen, die horizontale Schichten (Elektroden und Bad) aufweisen, steigt die Höhe des Flüssigkeitsspiegels allmählich während der Elektrolyse, und dies ist bei den üblichen Öfen für die Aluminiumherstellung der Fall. Anderseits ruft die Entnahme des erzeugten Metalles ("Abstechen", Abschöpfen, Absaugen) periodisch ein plötzliches Absinken des Flüssigkeitsspiegels um mehrere Zentimeter hervor. Normalerweise beläuft sich das bei jedem "Abstechen" entnommene Metall auf eine solche Menge, dass im wesentlichen die Höhe des Flüssigkeitsspiegels erreicht wird, wie sie gleich nach den vorhergehenden Aluminiumentnahmen vorhanden war.
Bei Mehrzellenöfen der Art, wie sie z. B. Gegenstand der belgischen Patentschriften Nr. 534969 und Nr. 548465 sowie. der belgischen Patentschrift Nr. 563730 bilden, beträgt der Höhengewinn, der in den unteren Kammern sich ansammelnden Aluminiumschichten normalerweise der Grössenordnung nach mehrere Dezimeter ; bei jedem Abstechen sinkt der Flüssigkeitsspiegel ungefähr um denselben Betrag.
Auf die Mehrzellenöfen dieser Bauart wird nachstehend kurz Bezug genommen.
Im Falle der Öfen mit horizontalen Schichten muss die Höhe der elektrolytisch verbrauchbaren (abbrennenden) Anode jedesmal verändert werden, u. zw. mit Hilfe irgendeines ausserhalb des Ofens angeordneten Mechanismus, der besonders zu dem Zwecke vorgesehen ist, den Elektrodenabstand einzustellen bzw. zu regeln. Diese Arbeitsweise bringt verschiedene Nachteile mit sich, wie z. B. die Notwendigkeit der zeitweisen Kontrolle und Regelung der Tendenz, mit übermässigen Elektrodenabständen, zu arbeiten, sowie periodische Temperaturschwankungen und zeitliche Korrosion der Anode.
Im Falle der Mehrzellenöfen haben die Nachteile überwiegend konstruktiven Charakter (beispielsweise grössere Höhe und demzufolge Verteuerung der Einzelzellen), jedoch begegnet man auch gewissen Schwierigkeiten beim Betrieb ; beispielsweise ist es nötig oder wenigstens zweckmässig, das Ablassen des erzeugten Metalles mit der periodischen Ergänzung der Anode zu kombinieren, falls der Ofen nicht mit selbsttätigen Einrichtungen zur Anodenergänzung versehen ist.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Aluminiumherstellung durch Schmelzflusselektrolyse, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Niveau des Aluminiums an der Stelle des Ofens, wo es sich nach seiner Entstehung ansammelt, z. B. über eine Steigleitung, praktisch konstant gehalten wird,
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O,Perlenschnurreihe der Zellen ermöglichen. Über den Blöcken 2 sind ortsfeste Schichten 6 und bewegliche
Schichten 8 aus wärmeisolierendem Material vorgesehen. Feuerfeste Glieder 3 kaminförmiger Ausbildung ruhen auf den Blöcken 2. Diese Glieder 3 erstrecken sich durch die Aussenabdeckung des Ofens und wer- den durch bewegliche Deckel 5 verschlossen, die nebeneinander angeordnet sind.
Vorzugsweise aus Gra- phit bestehende, ortsfeste Zwischenelektroden sind durch eine Flüssigkeitshaut 17 von einer Anoden- schicht 4 der sich selbsttätig ergänzenden Art getrennt, wobei letztere vorzugsweise aus (vorgebrannter oder selbstbackender) Elektrodenkohle besteht. Die Bipolarelektroden ruhen auf Sockeln 18,. 19 und 20 aus feuerfesten Werkstoffen, welche die unteren Kammern, in denen sich das in zwei benachbarten Elek- trolysespalten (beispielsweise 16 und 22) erzeugte Aluminium ansammelt, voneinander trennen. Die untere Kammer 11 ist in ihren Ausmassen so beschränkt wie möglich ; deren Tiefe und Volumen sind nur
Bruchteile der entsprechenden Abmessungen des darüber befindlichen Elektrolysespaltes.
Es besteht kein
Bedürfnis mehr nach einer Aluminiumsammelkammer grossen Fassungsvermögens, weil es erfindungsge- mäss möglich ist, unter solchen Bedingungen zu arbeiten, dass die flüssigen Schichten keine plötzlichen Änderungen der Niveauhöhe mehr erfahren (wie sie z. B. üblicherweise beim periodischen Abstechen bzw.
Entnehmen erzeugten Aluminiums entstehen). Dies ist möglich dank der Konstanz der Zuführung sämtli- cher Ausgangsstoffe (ALCL und Anodenmaterial) und der Konstanz der Abführung sämtlicher Elektrolyse- produkte (Aluminium und des an den Elektroden sich entwickelnden Gases), während die unteren Kammern (sowie das darin befindliche Metall) praktisch gänzlich voneinander elektrisch isoliert sind. Die untere
Kammer jeder Zelle steht über eine Leitung 12 mit einem entsprechenden vertikalen bzw. nahezu verti- kalen Abstichschacht 28 (Fig. 4) in Verbindung, in welchem in geeigneter Höhe ein Austritt 24 vorgese- hen ist.
In jeder Zeile steht das Bad im Elektrodenzwischenraum 16 in Berührung mit den Kathodenseiten der
Zwischenelektroden 1 und mit den selbsttätig sich ergänzenden Anodenaggregaten 4.
Der Elektrodenzwischenraum (Elektrolysespalt) wird seitlich durch Wandungen 23 aus feuerfestem
Werkstoff begrenzt. Die ortsfesten Zwischenelektroden 1 und die sich selbsttätig ergänzenden Anoden 4, die von ersteren durch eine Flüssigkeitshaut getrennt sind, werden abwechselnd durch feuerfeste Wandun- gen 13 abgelöst, die mit Nuten 14 versehen sind, so dass jede Zelle im Endergebnis drei, Anoden und drei
Kathoden aufweist.
In Fig. 4 ist im Unterteil der Zelle eine Badschicht 16 gezeigt, die sich oberhalb der den Boden der unteren Kammer 21 bedeckenden Schicht geschmolzenen Metalles 11 befindet. Am Boden ist ein Aus- tritt 27 vorgesehen, der normalerweise geschlossen ist. Die untere Kammer steht an der dem Austritt ent- gegengesetzten Seite über einem Kanal 12 mit einem aufsteigenden Abstichschacht 28 in Verbindung, der oben durch einen wärmeisolierenden Deckel 25 verschlossen ist. Der Schacht ist mit einem Austritt 24 versehen, der als Überlauf wirkt und zur Verbindung zwischen Schacht 28 und einem Sammelraum 29 innerhalb des Ofens dient, der durch Abdeckungen 26 geschlossen ist.
Am Boden des Sammelraumes 29 ist eine sich im Längssinne erstreckende Trennwand 30 vorgesehen, die den Sammelraum in zwei Abteile unterteilt, in welchen sich das aus den Überläufen der zwei Hälften der nach Art einer zusammengeleg- ten Perlenschnur angeordneten Zellenreihe des Ofens kommende Aluminium sammelt. Die Höhe der Überläufe über dem Boden 21 der unteren Kammer soll so berechnet sein, dass das Gewicht der Flüssig- keitssäule des geschmolzenen Aluminiums je Einheit der Grundfläche des Schachtbodens gleich ist dem
Gegendruck, den die Flüssigkeitssäule je Grundflächeneinheit des Bodens der entsprechenden unteren
Sammelkammer 11 bzw. 16 für Aluminium ausübt.
Letztere Flüssigkeitssäule besteht in ihrem unteren
Teil aus Aluminium und in ihrem oberen Teil aus Badflüssigkeit, wobei die Höhe des Aluminiums und der Badflüssigkeit den betreffenden Flüssigkeitslagen in der unteren Kammer sowie im Elektrodenzwi- schenspalt und in dem von den horizontalen Blöcken aus feuerfestem Material (obere Kopfenden der
Elektroden) gebildeten Raum (Fig. 1) entsprechen. Die Höhe der Flüssigkeitssäule in der Zelle ist stets grösser als-die im Schacht, weil die Dichte des Bades ungefähr 2, 1 beträgt, während die Dichte des ge- schmolzenen Metalles etwa gleich 2, 3 ist.
Der Fluss des elektrolytisch erzeugten Aluminiums nach. dem Zellboden (Fig. 4) strebt danach, den
Flüssigkeitsspiegel 15 der Metallschicht in der unteren Kammer zu erhöhen, derart, dass darin das Ge- wicht der Flüssigkeitssäule je Grundflächeneinheit das entsprechende Gewicht in den betreffenden Ab- stichschächten übertrifft. Es ergibt sich daraus ein virtueller Zuwachs in der Höhe der Flüssigkeit im
Schacht, so dass der Flüssigkeitsspiegel die Ebene des Austrittes 24 überschreitet. Sobald die Menge des durch den besagten Austritt in dem Sammelraum 29 abfliessenden Aluminiums der durch Elektrolyse in der Zelle erzeugten Aluminiummenge gleichkommt, ist der Gleichgewichtszustand zwischen Zelle und
Schacht wieder hergestellt.
Hiedurch wird die konstante Höhe der Flüssigkeitsspiegel in den einzelnen
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Zellen (Bad und Aluminium) selbsttätig gesichert. Dies ist offenbar ein dynamisches Gleichgewicht, denn die Konstanz der Höhen des Flüssigkeitsspiegels des Bades in der Zelle wird praktisch durch das regelmä- ssige Fliessen des Bades durch sämtliche in geschlossenem Kreislauf verbundene Zellen gewährleistet, während die Konstanz der Höhe des Flüssigkeitsspiegels des Metalles in der Zelle durch die vorgenannten i Austritte sowie durch die Konstanz des Badspiegels gewährleistet ist.
Leitungen 32 und 35 (Fig. 5), welche die zwei parallelen Hälften des perlenschnurartigen Mehrzel- lenofens verbinden, gewährleisten den Umlauf des Bades im geschlossenen Kreislauf mit Hilfe einer Vor- richtung für das Heben der Badflüssigkeit, beispielsweise von der in den eigenen belgischen Patentschriften
Nr. 559165 und Nr. 563528 beschriebenen Art (nicht in der Zeichnung dargestellt). Die Leitungen, welche ) die Schächte mit den betreffenden Zellen und den entsprechenden aufsteigenden Abstichschächten ver- binden, sind durch 12 und 28 dargestellt. Jeder einzelne Schacht ist mit einem Austritt bzw. Überlauf 24 versehen, welcher das Abfliessen des durch die Elektrolyse erzeugten Aluminiums in den Sammelraum 29 gestattet. Das von diesen Austritten abfliessende Aluminium 31 sammelt sich am Boden des einen der zwei oben beschriebenen in Längsrichtung verlaufenden Abteile.
Das in Längsrichtung verlaufende Abteil kann durch eine oder mehrere Querwände 33 derart unterteilt sein, dass, wenn erforderlich oder erwünscht (insofern als Metall verschiedener Reinheitsgrade erhalten werden kann bzw. soll), das Produkt der ein- zelnen Gruppen benachbarter Zellen voneinander getrennt gehalten werden kann. Anderseits versteht es sich, dass weder die Querwände noch die der Länge nach verlaufenden Trennwände unbedingt notwendig bzw. wesentlich sind. Falls anderseits erwünscht ist, zu verhindern, dass das in gewissen Zellen erzeugte
Metall mit dem Gesamtprodukt anderer Zellen des Ofens vermischt wird, so ist es stets möglich, das
Aluminium aus der gewählten Zelle bzw. aus den gewählten Zellen durch an sich bekannte Methoden über die betreffenden Abstichschächte zu entnehmen, nachdem der betreffende obere Deckel 25 heraus- genommen wurde.
In diesem Falle sinkt das Niveau des Metalles im Schacht unter das Niveau des be- treffenden Abzuges und erreicht letzteres erst dann wieder, wenn in der betreffenden Zelle eine der un- mittelbar über dem Schacht entnommenen Menge entsprechende Menge Metall erzeugt worden ist. Der
Behälter 29 wird durch einen oder mehrere Deckel 26 abgeschlossen, die nur dann abgenommen werden, wenn das erzeugte Metall entnommen wird.
Die Erfindung findet auch auf die herkömmlichen Öfen für elektrolytische Aluminiumherstellung mit horizontaler Schichtung Anwendung.
Beispielsweise ist bei der Ausführungsform nach den Fig. 6 und 7 der Ofen mit zwei selbstbackenden
Elektroden 4 versehen, die in eine Lage geschmolzenen Bades 14 tauchen und durch den Elektrodenab- stand 5 von der darunter befindlichen Schichte elektrolytisch erzeugten Aluminiums 6 getrennt sind. Die
Elektroden werden durch bekannte mechanische Vorrichtungen betätigt, die ausserhalb des Ofens ange- ordnet sind (in der Zeichnung nicht dargestellt) und die Elektroden heben und senken (beispielsweise auch, um das fortschreitende elektrolytische Abbrennen der Elektrodenschichte wettzumachen) und so den Elektrodenabstand praktisch konstant zu halten.
Es mag vorgezogen werden, die Bedienung von Hand durch bekannte automatische Einstellvorrichtungen zu ersetzen, deren Wirkungsweise sich auf den Span- nungsabfall zwischen Anode und Kathode gründet. Die Wanne 13 besteht aus Stampfmasse oder aus Blök- ken von Elektrodenkohle.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung besteht aus Wänden von gegen den Angriff durch das Bad wider- standsfähigem Werkstoff, beispielsweise aus feuerfestem Material. Dünne Wände 7 und 9, beispielsweise aus mit Pech undurchlässig gemachtem Magnesiumoxyd, gemäss der belgischen Patentschrift Nr. 563594 oder aus Graphit bilden einen Zwischenraum, der über an der Wandung 7 unten vorgesehene Vorrichtun- gen 8 mit der Schichte 6 aus Kathodenmetall und über Austritte bzw. Überläufe 10 mit einem Sammel- raum oder Behälter 12 in Verbindung steht, der vorzugsweise in der Ofenwanne zwischen zwei selbstbak- kenden Elektroden untergebracht ist. Der durch die Wände 7 und 9 gebildete Zwischenraum wird durch einen Deckel 1 und der Behälter wird durch Deckel 2 verschlossen (Fig. 6).
Die Anordnung ist derart, dass die in den Zwischenraum eindringende Flüssigkeit 3 zur Gänze aus geschmolzenem Aluminium, nicht aber aus Badflüssigkeit besteht. Die Höhe des Austrittes 10 bestimmt - bei konstant gehaltener Niveauhöhe des freien Badspiegels - die Niveauhöhe des Metalles in der Ge- gend unterhalb der Elektroden. Zum Konstanthalten des Spiegels ist es notwendig, dem Bad kontinuier- lich Tonerde zuzuführen und die Höhe der unteren Enden der beiden Elektroden konstant zu halten. Unter diesen Bedingungen führt die Erzeugung von Aluminium durch Elektrolyse zum Abfliessen einer äquivalenten (gleich grossen) Menge von Aluminium über den Zwischenraum in den Behälter 12.
Der Aluminiumvorrat 11 am Boden des Behälters 12 kann zwecks weiterer Behandlung je nach Bedarf entnommen werden, ohne den Elektrolysevorgang bzw. die Höhe des Flüssigkeitsspiegels in der Zelle im geringsten zu stören.
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Das Entfernen des Vorrates erfolgt dadurch, dass der Deckel 2 abgehoben wird und Aluminium in be- kannter Weise abgehebert bzw. abgesaugt wird. Das kontinuierliche Aufgeben von Tonerde nach bekann- ten Methoden erfolgt vorzugsweise in der Gegend 16 zwischen den Stirnwandungen 15 der beiden in der
Zeichnung dargestellten Behälter.
PATENTANSPRÜCHE:
1. Verfahren zur kontinuierlichen Aluminiumherstellung durch Schmelzflusselektrolyse, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Niveau des Aluminiums an der Stelle des Ofens, wo es sich nach seiner Entstehung ansammelt, z. B. über eine Steigleitung, praktisch konstant gehalten wird, indem das während der Elek- trolyse erzeugte Aluminium automatisch und im wesentlichen nur tropfenweise z. B. durch Überlaufmit- tel in einem Sammelraum zum Abfliessen gebracht wird, der von den Überlaufmitteln getrennt und auf niedrigerem Niveau als letztere angeordnet ist.