Mehrzellenöfen mit geneigten bipolaren Elektroden zur Herstellung von Aluminium durch Elektrolyse sind bereits bekannt. Es ist auch bereits bekannt, diese bipolaren Elektroden aus einem Kohlenstoffmaterial herzustellen und sie in ein geschmolzenes Fluoridbad zu hängen (italienisches Patent 659 283). Das geschmolzene Kryolithbad ist in einem Behälter mit einem äusseren Eisenmaterial enthalten, der an seiner inneren Oberfläche mit-einem festen und elektrisch in hohem Mass isolierenden Material ausgekleidet ist, beispielsweise mit Formstücken, die aus mit Siliciumnitrid verbundenem Siliciumcarbid, aus geschmolzenem Aluminiumoxyd oder aus reinem Kryolith u. dgl. hergestellt sind.
Bekanntlich ist es in hohem Mass erwünscht, dass der Boden des Behälters in Richtung auf eine oder zwei Rinnen oder Schächte zum Sammeln des während des elektrolytischen Verfahrens erzeugten geschmolzenen Aluminiums stufenförmig ausgebildet oder in irgendeiner Weise abwärts geneigt ist (schweizerisches Patent 517 182).
Da das spezifische Gewicht vom flüssigen Aluminium (2, 3) nur geringfügig höher ist als das spezifische Gewicht des geschmolzenen Bades (2, 1), neigt das durch die Elektrolyse in den verschiedenen Zellen des Ofens erzeugte Metall dazu, sich im untersten Teil des verkleinerten Behälterbodens, nämlich in den oben erwähnten Schächten, anzusammeln.
Bei diesen Schächten für die Ansammlung von Aluminium besteht jedoch die Neigung, mit verfestigtem Bad zu verkrusten. Dieser Nachteil hängt ab von der Badzusammensetzung und kann auch bei nicht sehr niedrigen Temperaturen beispielsweise im Bereich zwischen 920 und 930"C eintreten.
Auch wenn das geschmolzene Bad in den verschiedenen Zellen, die von dem Elektrolysestrom durchquert werden, beispielsweise bei einer Temperatur von 9600C gehalten wird, bewahren die unteren Schichten des Bades, die oberhalb des Behälterbodens, jedoch unterhalb des Elektrodensystems angeordnet sind, eine etwas niedrigere Temperatur. Diese Temperatur erreicht in den Schichten des Bades einen Minimalwert, die den festen Behälterboden oder das in den Schächten angesammelte flüssige Aluminium berühren. Wenn die Temperatur dieser niedrigeren Schichten aus irgendwelchen Gründen zu niedrig wird, so wird das Bad zuerst dickflüssig und erstarrt dann.
Dieses Eindicken und/oder Erstarren des Bades kann in der Praxis manchmal in fast irreversibler Weise stattfinden.
Wenn der Nachteil des Erstarrens des Bades auftritt, so ist der Abwärtsfluss des durch Elektrolyse in den verschiedenen Zellen des Mehrzellenofens erzeugten Aluminiums gehindert und es kann auch der vorgesehene Behälter (die Schächte) für das Aluminium vollkommen verstopft sein.
Das erzeugte Aluminium breitet sich deshalb über einen grossen Teil der stufenförmigen Bodenfläche des Behälters aus, wodurch eine fast kontinuierliche Aluminiumschicht und darauf sowohl kathodische als auch anodische Zonen gebildet werden. Derartige Zonen werden von Wirbelströmen durchkreuzt, die das darüberhängende Kohleelektrodensystem umgehen. Derartige Blindströme üben einen schädlichen Einfluss auf die Stromausbeute des Mehrzellenofens aus.
Es sind bereits mehrere Methoden bekannt, die Temperatur der unteren Schichten des geschmolzenen Bades zu erhöhen, um den Nachteil des Eindickens oder Verfestigens des Bades über dem Behälterboden und insbesondere dessen Krustenbildungsneigung innerhalb der Schächte zu vermeiden oder zu vermindern. Diese Schächte entsprechen dem Bereich der Behälterbodenoberfläche, der von dem Elektrodensystem und damit von den Wärmezuführungsquellen (Elektrolysezellen) am weitesten entfernt ist. es verhält sich somit hier genau entgegengesetzt wie bei den herkömmlichen horizontalen Einzelzellenöfen.
Im italienischen Patent 852 479 ist bereits vorgeschlagen worden, den Schächten zum Sammeln des geschmolzenen Aluminiums zusätzliche Wärme mit Hilfe von elektrischen Widerständen zuzuführen, die ausserhalb der Rinne angeordnet sind (d.h. mit Widerständen, die Sandwich-artig zwischen aus einem inerten festen Material hergestellten Schichten unmittelbar unter der Rinne angeordnet sind), wobei derartige Widerstände aus faserförmigem Graphit in Form von Geweben bzw. Stoffen, Bändern oder Filzen bestehen.
Diese Erhitzungsvorrichtungen sind jedoch aufgrund ihrer Sprödigkeit nachteilig. Ausserdem werden sie nicht nur von geschmolzenem Bad, sondern manchmal auch von geschmolzenem Metall erreicht und durchströmt. Wenn sie von geschmolzenem Metall durchströmt werden, so werden diese Widerstände dadurch unbrauchbar, da sie auf diese Weise mit ihrer Quelle für elektrische Energie kurzgeschlossen werden.
Es sind bereits verschiedene Einrichtungen bekannt, die geeignet sind, diese äusseren Widerstände zu schützen. Diese Einrichtungen können jedoch nicht leicht hergestellt werden und sind kompliziert und teuer.
Die vorstehenden Nachteile werden durch die vorliegende Erfindung beseitigt. Der Mehrzellenofen zur Herstellung von Aluminium durch Elektrolyse von in geschmolzenen Fluoridbädern gelöstem Aluminiumoxyd besteht aus einem ein Bad enthaltenden Behälter, der an seiner inneren Oberfläche mit einem festen und elektrisch isolierenden Material ausgekleidet ist, und mehreren innen positionierten bipolaren Elektroden, die geneigt in dem Bad hängen, und abschliessenden monopolaren Elektroden, wobei die Elektroden aus Kohlenstoffmaterial hergestellt sind, und wobei der Boden des Behälters in Richtung auf einen Schacht zum Sammeln des durch Elektrolyse erzeugten Aluminiums abwärts geneigt ist, welcher unterhalb einer endständigen Kathode angeordnet ist. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass sich die endständige Kathode in den Schacht erstreckt.
Dadurch wird ein guter und dauernder Kontakt des Kohlenstoffmaterials der endständigen Kathode und des in dem Schacht gesammelten geschmolzenen Aluminiums erzielt, um während des Betriebs des Ofens eine geeignete Wärmeübertragung von der Kohlenstoffkathode zu dem geschmolzenen Aluminium und zu den benachbarten Zonen des Bades und des Behälterbodens zu erreichen.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert.
Die einzige Figur zeigt schematisch einen Längsschnitt eines Mehrzellenofens mit einem abgestuften Boden.
In der Zeichnung ist ein Mehrzellenofen vom symmetrischen Typ veranschaulicht, der acht mit Abstand voneinander aufgehängte und geneigte bipolare Elektroden 5, zwei endständige Anoden 8 und die endständige oder letzte Kathode 3 aufweist. Bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, d.h. bei Mehrzellenöfen vom symmetrischen Typ, ist die letzte Kathode 3 bezüglich der anderen Elektroden in zentraler Stellung angeordnet. Es wird darauf hingewiesen, dass darin kein Widerspruch liegt, dass die letzte Kathode 3 in einer zentralen Stellung angeordnet ist.
Mit dem Ausdruck letzte oder endständige)) Elektroden ist lediglich gemeint, dass derartige Elektroden entweder nur kathodisch oder nur anodisch aktive Oberflächen besitzen, während bipolare Elektroden bekanntlich sowohl anodisch als auch kathodisch aktive Oberflächen aufweisen. Die bipolaren Elektroden 5, die endständigen Anoden 8 und die endständige Kathode 3 begrenzen zehn (fünf und funf) Zellen 7, worin die elektrolytische Zersetzung von Aluminiumoxyd stattfindet.
Von den Enden des Ofens gehen Stufen 1 in Richtung auf die zentrale Zone des Ofens nach unten, wo ein einziger Sammelschacht 2 zum Sammeln und zur Entnahme des in den einzelnen Zellen 7 erzeugten geschmolzenen Aluminiums angeordnet ist. Die Kathode 3 ist axial durchlöchert, so dass die Einführung einer geeigneten (in der Zeichnung nicht gezeig ten) Entnahmevorrichtung durch das Loch 13 in den Sammelschacht 2 möglich ist. Zur Vermeidung der Gefahr, dass das Elektrolytbad 6 sich verfestigt und den Sammelschacht 2 verstopft, erstreckt sich die letzte Kathode 3 erfindungsgemäss nach unten in den Sammelschacht 2.
Jeder Verfahrensingenieur ist aufgrund seines Fachwissens in der Lage, die Dimensionen des Schachtes und den Abstand zwischen dem Bodenende 4 der Kathode 3 und dem Schachtboden 9 derart auszuwählen, dass auch unmittelbar nach einem Entnahmevorgang das zurückbleibende Aluminium ausreicht, um einen ausgedehnten und andauernden Kontakt zwischen dem in dem Schacht 2 belassenen Aluminium und dem Bodenende 4 der Kathode 3 sicherzustellen.
Ein derartiger Ofen wird mit einer Stromstärke von
10 000 + 10 000 = 20 000 Ampere und mit einer Spannung von 16 Volt betrieben. Der übliche kathodische Spannungsabfall kann beispielsweise zwischen 0,3 und 0,5 Volt gehalten werden.
Unter derartigen Bedingungen entwickelt während eines gewöhnlichen Arbeitsganges des Mehrzellenofens die letzte Kathode allein eine Ohm'sche Erwärmungskraft von 6 bis 10 Kilowatt. Eine derartige Erwärmungskraft kann jedoch sehr leicht während der vergleichsweise kurzen Zeitspanne beträchtlich erhöht werden, in der es erforderlich ist, dem Aluminiumsammelschacht eine zusätzliche Wärmemenge zuzuführen.
Dazu ist es lediglich erforderlich, einen oder mehrere der kathodischen Stromzuführungsverbindungsstäbe 10 mit Hilfe von Schaltern 11 während des gewünschten Zeitintervalles abzuschalten. Wenn der gleiche Vorgang auf eine Hälfte der tatsächlichen kathodischen Anschlüsse angewendet wird, so beträgt die entsprechende Zunahme der der letzten Kathode zugeführten Ohm'schen Kalorien ungefähr weitere 6 bis 10 Kilowatt.
Auf diese Weise wird die in der letzten Kathode angeordnete Wärmequelle fast verdoppelt. Die Erzeugung dieser zusätzlichen Kalorien erweist sich als vorteilhaft in erster Linie für die letzte Kohlenstoffkathode und in zweiter Hinsicht für den darunterliegenden Schacht zum Sammeln von Aluminium, wobei das Aluminium in direktem und dauerndem Kontakt mit der kathodischen Kohlenstoffelektrode steht, die ihrerseits teilweise in das Aluminium eintaucht.
Zu den herausragenden auf die beschriebene Weise erzielbaren Vorteilen gehört die Tatsache, dass es nicht mehr notwendig ist, eine ganze Serie von Mehrzellenöfen mit einer stark erhöhten Stromstärke zu haben (wenn auch für beschränkte Zeitspannen und unter ddr Voraussetzung, dass die installierten Gleichrichter die Kapazität haben, eine derartige sehr starke Erhöhung des AmpQewertes zu liefern), wenn es erwüncht ist, Verkrustungen am Boden des Mehrzellenofens aufzulösen oder zu verhindern.
Eine derartige scharfe (wenngleich kurze) Erhöhung der Stromstärke führt zu einer schädlichen Zunahme der Elektrodenstromdichte, zu Verschlechterung und kürzerer Lebensdauer von Elektrolytbädem und Elektroden und schliesslich zu einer Verminderung der Stromausbeute.
Ausserdem wird auf diese Weise oftmals das gewünschte Ergebnis nicht erreicht, da diese grössere Menge an Ohm'scher Wärme, die mittels der Erhöhung der Stromstärke erzeugt wird, die unteren Badschichten und den inneren Teil des Alu miniumsammelschachtes nicht oder nur teilweise und unzureichend erreicht und deshalb dort keine ausreichende Erwärmungswirkung entwickeln kann, um die Verkrustungen durch Auflösung des in dem Schacht selbst verfestigten Bades zu beseitigen.
Im beschriebenen Ofen wird der Schacht zum Sammeln des Aluminiums in einer sehr einfachen und billigen Weise mindestens bei einer Temperatur gehalten, die etwas oberhalb der kritischen Temperatur des Bades liegt. Auf diese Weise wird die Verkrustung des Schachtbodens oder auch die Verstopfung des ganzen Schachtes durch Eindicken oder Erstarren des Bades vermieden.
Während des Betriebes des Mehrzellenofens kann das Kryolithbad z.B. Temperaturen im Bereich zwischen 930 und 980"C aufweisen. Es ist bekannt, dass das Bad Wärme sehr schlecht von oben zum Boden überführt.
In dieser Hinsicht unterscheidet sich das Verhalten des Bades nicht wesentlich von dem Verhalten von Wasser bei Temperaturen im Bereich zwischen 0 und 100"C. Es ist bekanntlich eine Tatsache, dass in einem mit Wasser und Eis gefüllten Reagenzglas, das nur oben mit einem Bunsenbrenner erhitzt wird, die Wärmeübertragung so gering ist, dass zumindest für eine gewisse Zeit einige Eisteilchen am Boden vorliegen können, während oben eine Schicht des Wassers schon kocht.
Wenn der Mehrzellenofen sich in regelmässigem Betrieb befindet, so werden die Kalorien, die den Ofen bei seiner Betriebstemperatur halten, fast ausschliesslich in den Zwischenelektrodenräumen der verschiedenen Zellen als eine Folge des Ohm'schen Widerstandes erzeugt, den das Bad dem Fliessen des Elektrolysestromes entgegensetzt.
Die Kohleelektroden haben eine Wärmeleitfähigkeit, die viel höher ist als die des Bades, weshalb sich Wärme in derartigen Elektroden leicht in jeder Richtung und auch in Richtung auf den Elektrodenboden ausbreitet. Es ist bekannt, dass in Mehrzellenöfen mit hängenden Elektroden, die in ein Kryolithbad eintauchen, und mit einem Behälterboden, der in Richtung auf den Aluminiumschacht abwärts geneigt ist, derartige Elektroden absichtlich nicht bis zu dem stufenförmigen abwärts geneigten Behälterboden reichen, um nicht den Mehrzellenofen kurzzuschliessen oder um zumindest nicht die Ableitung des elektrischen Blindstromes ausserhalb der Einzelzellen beträchtlich zu erhöhen.
Im beschriebenen Ofen kann unter Überwindung eines technischen Vorurteils das untere Ende der letzten Kathode, oder der letzten Kathoden, (und von keiner anderen Kathode) konstant und andauernd in das geschmolzene Aluminium eingetaucht gehalten werden, das in dem darunterliegenden Schacht zum Sammeln von Aluminium enthalten ist. Auf diese Weise wird eine gute Wärmeübertragung von der letzten Kathode zu dem in dem Schacht gesammelten Metall sichergestellt, wobei dieses Metall seinerseits ein ausgezeichneter Wärmeleiter und Wärme-Übertrager in Richtung auf die benachbarten Zonen des Bades und des Behälterbodens ist, wodurch die Bildung und das Schwimmen von gefährlichen Aluminiumschichten unter den hängenden Kohlenstoffelektroden des Mehrzellenofens vermieden oder verhindert wird.
Der Ofen mit dem stufenförmigen Behälterboden kann so ausgelegt werden, dass diese ausgedehnte andauernde Berührung zwischen der letiten Kathode u. dem in dem Schacht gesammelten Aluminium auch nach periodischer Entnahme des Aluminiums aufrechterhalten wird. Oft gehört gerade diese für den Entnahmevorgang erforderliche Zeitspanne zu den kritischen Perioden, bei denen der Schacht und seine Umge bung leichter zur Verkrustung neigen.
Manchmal ist es erforderlich, der letzten Kathode eine zusätzliche Menge an Kalorien zuzuführen. Dies ist jedesmal de Fall, wenn die durch den Elektrolysestrom erzeugten Kalorien, die aus den verschiedenen Zellen den (zwischen den Kohlenstoffelektroden und dem Behälterboden angeordneten) unteren Badschichten zugeführt werden, unzureichend sind, beispielsweise als Folge einer vorübergehenden Abkühlung des Bades aufgrund der Elektrodenerneuerung, des Be triebsbeginns des Ofens, einer Gesamtstromunterbrechung u. dgl., um die unteren Schichten oberhalb der kritischen Temperatur zu halten.
Zu diesem Zweck sind die Stromzuführungs-Verbindungsstäbe oder- Anschlussstücke (Metalleiter, durch die der elektrische Strom den Ofen verlässt), die von oben in die letzte kathodische Kohlenstoffelektrode eindringen, in hohem Mass geeignet.
Es ist bekannt, dass die Berührungsfläche zwischen metallischen Kontaktstiften und Elektroden-Kohlenstoff einen merklichen Ohm'schen Widerstand für den Durchgang des elektrischen Stromes zeigt. Ein derartiger elektrischer Widerstand erzeugt natürlich eine bestimmte Menge an Kalorien.
Wenn die Gesamtmenge des elektrischen Stromes (der Ampèrewert), der durch den Ofen fliesst, konstant gehalten wird und einer oder mehrere der kathodischen Stromzuführungsverbindungsstäbe oder -ansätze von der Stromzuführungsschiene, die den elektrischen Gesamtstrom aus dem Ofen befördert, getrennt werden, so wird die gesamte aktive Berührungsoberfläche zwischen Eisen u. kathodischem Kohlenstoff vermindert. Dies hat zur Folge, dass der Gesamtspannungsabfall aufgrund der Berührung zwischen Eisen und Kohlenstoff(von den Stromzuführungsverbindungsstäben, die noch in den elektrischen Kreis eingeschaltet sind) ebenso zunimmt wie die im inneren Teil der letzten Kathode entwickelten Kalorien.
Da die Kohlenstoffkathode ein guter Wärmeleiter ist, fliesst eine grosse Menge dieser Kalorien abwärts, vorausgesetzt, dass das in dem Schacht gesammelte Aluminium sich bei einer niedrigeren Temperatur als der Temperatur der nicht aufgeheizten letzten Kathode und auch als der Temperatur des Elektrolytbades in den Zellen befindet.
Sobald der übliche thermische Zustand zwischen der Rinne und dem Bad in den Zellen wiederhergestellt ist, werden die abgeschalteten kathodischen Stromzuführungsverbin- dungsstäbe in einfacher und bekannter Weise wieder mit der Stromzuführungsschiene verbunden.
PATENTANSPRUCH I
Mehrzellenofen zur Herstellung von Aluminium durch Elektrolyse von in geschmolzenen Fluoridbädern gelöstem Aluminiumoxyd, bestehend aus einem ein Bad enthaltenden Behälter, der an seiner inneren Oberfläche mit einem festen und elektrisch isolierenden Material ausgekleidet ist, und mehreren innen positionierten bipolaren Elektroden, die geneigt in dem Bad hängen, und abschliessenden monopolaren Elektroden, wobei die Elektroden aus Kohlenstoffmaterial hergestellt sind, und wobei der Boden des Behälters in Richtung auf einen Schacht zum Sammeln des durch Elektrolyse erzeugten Aluminiums abwärts geneigt ist, welcher unterhalb einer endständigen Kathode angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die endständige Kathode (3) in den Schacht (2) erstreckt.