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.
Multi-cell furnaces with inclined bipolar electrodes for the production of aluminum by electrolysis are already known. It is also already known to make these bipolar electrodes from a carbon material and to hang them in a molten fluoride bath (Italian patent 659 283). The molten cryolite bath is contained in a container with an outer iron material which is lined on its inner surface with a solid and electrically insulating material to a high degree, for example with shaped pieces made of silicon carbide bonded with silicon nitride, of molten aluminum oxide or of pure cryolite u. Like. Are made.
As is known, it is highly desirable that the bottom of the container be stepped or inclined in some way down towards one or two troughs or shafts for collecting the molten aluminum produced during the electrolytic process (Swiss patent 517 182).
Since the specific gravity of the liquid aluminum (2, 3) is only slightly higher than the specific gravity of the molten bath (2, 1), the metal produced by the electrolysis in the various cells of the furnace tends to settle in the lowest part of the Container bottom, namely in the above-mentioned shafts to collect.
In these wells for the accumulation of aluminum, however, there is a tendency to encrust with solidified bath. This disadvantage depends on the composition of the bath and can also occur at temperatures that are not very low, for example in the range between 920 and 930 ° C.
Even if the molten bath in the various cells through which the electrolysis current is kept, for example at a temperature of 9600C, the lower layers of the bath, which are arranged above the container bottom but below the electrode system, maintain a somewhat lower temperature. This temperature reaches a minimum value in the layers of the bath that touch the solid bottom of the tank or the liquid aluminum that has accumulated in the shafts. If, for whatever reason, the temperature of these lower layers becomes too low, the bath will first become thick and then solidify.
This thickening and / or solidification of the bath can sometimes take place in an almost irreversible manner in practice.
If the disadvantage of solidification of the bath occurs, the downward flow of the aluminum produced by electrolysis in the various cells of the multi-cell furnace is prevented and the intended container (s) for the aluminum can also be completely clogged.
The aluminum produced therefore spreads over a large part of the step-shaped bottom surface of the container, whereby an almost continuous aluminum layer and on it both cathodic and anodic zones are formed. Such zones are crossed by eddy currents that bypass the carbon electrode system hanging above. Such reactive currents have a detrimental effect on the current yield of the multi-cell furnace.
Several methods are already known for increasing the temperature of the lower layers of the molten bath in order to avoid or reduce the disadvantage of thickening or solidifying of the bath above the container bottom and in particular its tendency to crust within the shafts. These shafts correspond to the area of the container bottom surface that is furthest away from the electrode system and thus from the heat supply sources (electrolysis cells). it behaves in exactly the opposite way to the conventional horizontal single cell ovens.
In Italian patent 852 479 it has already been proposed to add additional heat to the shafts for collecting the molten aluminum with the help of electrical resistors arranged outside the channel (i.e. with resistors that are sandwiched between layers made of an inert solid material directly are arranged under the channel), such resistors consist of fibrous graphite in the form of fabrics or fabrics, tapes or felts.
However, these heating devices are disadvantageous because of their brittleness. In addition, they are not only reached and flowed through by a molten bath, but sometimes also by molten metal. If molten metal flows through them, these resistors become unusable as they are short-circuited in this way with their source of electrical energy.
Various devices are already known which are suitable for protecting these external resistances. However, these devices cannot be easily manufactured and are complex and expensive.
The above disadvantages are eliminated by the present invention. The multi-cell furnace for the production of aluminum by electrolysis of aluminum oxide dissolved in molten fluoride baths consists of a container containing a bath, which is lined on its inner surface with a solid and electrically insulating material, and several internally positioned bipolar electrodes that are inclined in the bath , and terminal monopolar electrodes, the electrodes being made of carbon material, and wherein the bottom of the container is inclined downwards towards a well for collecting the aluminum produced by electrolysis which is arranged below a terminal cathode. It is characterized in that the terminal cathode extends into the shaft.
Thereby a good and permanent contact of the carbon material of the terminal cathode and the molten aluminum collected in the shaft is achieved in order to achieve a suitable heat transfer from the carbon cathode to the molten aluminum and to the adjacent zones of the bath and the container bottom during the operation of the furnace .
The invention is explained, for example, with reference to the drawing.
The single figure shows schematically a longitudinal section of a multi-cell oven with a stepped floor.
In the drawing, a multi-cell furnace of the symmetrical type is illustrated, which has eight bipolar electrodes 5 suspended and inclined at a distance from one another, two terminal anodes 8 and the terminal or last cathode 3. In this embodiment of the present invention, i. in multi-cell furnaces of the symmetrical type, the last cathode 3 is arranged in a central position with respect to the other electrodes. It should be noted that there is no contradiction in the fact that the last cathode 3 is arranged in a central position.
The expression last or terminal)) electrodes only means that such electrodes have either only cathodically or only anodically active surfaces, while bipolar electrodes are known to have both anodically and cathodically active surfaces. The bipolar electrodes 5, the terminal anodes 8 and the terminal cathode 3 define ten (five and five) cells 7 in which the electrolytic decomposition of aluminum oxide takes place.
From the ends of the furnace, steps 1 go down towards the central zone of the furnace, where a single collecting shaft 2 for collecting and removing the molten aluminum produced in the individual cells 7 is arranged. The cathode 3 is perforated axially so that it is possible to introduce a suitable extraction device (not shown in the drawing) through the hole 13 into the collecting shaft 2. To avoid the risk of the electrolyte bath 6 solidifying and clogging the collecting duct 2, the last cathode 3 extends downward into the collecting duct 2 according to the invention.
Every process engineer is able to select the dimensions of the shaft and the distance between the bottom end 4 of the cathode 3 and the shaft bottom 9 in such a way that even immediately after a removal process, the remaining aluminum is sufficient for an extended and lasting contact between the shaft to ensure aluminum left in the shaft 2 and the bottom end 4 of the cathode 3.
Such a furnace is with an amperage of
10,000 + 10,000 = 20,000 amperes and operated with a voltage of 16 volts. The usual cathodic voltage drop can be kept between 0.3 and 0.5 volts, for example.
Under such conditions, the last cathode alone develops an ohmic heating force of 6 to 10 kilowatts during a normal operation of the multi-cell furnace. However, such a heating force can very easily be increased considerably during the comparatively short period of time in which it is necessary to supply an additional amount of heat to the aluminum collecting duct.
For this purpose, it is only necessary to switch off one or more of the cathodic power supply connection rods 10 with the aid of switches 11 during the desired time interval. If the same process is applied to one-half of the actual cathodic terminals, the corresponding increase in ohmic calories delivered to the last cathode is approximately another 6-10 kilowatts.
In this way, the heat source located in the last cathode is almost doubled. The generation of these additional calories proves to be advantageous primarily for the last carbon cathode and, secondly, for the shaft below for collecting aluminum, the aluminum being in direct and permanent contact with the cathodic carbon electrode, which in turn is partially immersed in the aluminum .
One of the outstanding advantages that can be achieved in the manner described is the fact that it is no longer necessary to have a whole series of multi-cell ovens with a greatly increased amperage (albeit for limited periods of time and under the condition that the installed rectifiers have the capacity to provide such a very strong increase in the AmpQ value) if it is desired to dissolve or prevent incrustations on the floor of the multi-cell oven.
Such a sharp (albeit brief) increase in the current strength leads to a harmful increase in the electrode current density, to deterioration and shorter service life of electrolyte baths and electrodes, and finally to a reduction in the current yield.
In addition, the desired result is often not achieved in this way, since this larger amount of ohmic heat, which is generated by increasing the current intensity, does not reach the lower bath layers and the inner part of the aluminum collecting shaft or only partially and inadequately and therefore there cannot develop a sufficient heating effect to remove the incrustations by dissolving the bath which has solidified in the shaft itself.
In the furnace described, the shaft for collecting the aluminum is kept in a very simple and inexpensive way at least at a temperature which is slightly above the critical temperature of the bath. In this way, the encrustation of the shaft bottom or the blockage of the entire shaft due to thickening or solidification of the bath is avoided.
During the operation of the multi-cell furnace, the cryolite bath can e.g. Have temperatures in the range between 930 and 980 "C. It is known that the bath transfers heat very poorly from above to the bottom.
In this regard, the behavior of the bath does not differ significantly from the behavior of water at temperatures in the range between 0 and 100 "C. It is known that in a test tube filled with water and ice, the top is only heated with a Bunsen burner the heat transfer is so low that at least for a certain time some ice particles can be on the bottom while a layer of water is already boiling on top.
When the multi-cell oven is in regular operation, the calories that keep the oven at its operating temperature are almost exclusively generated in the interelectrode spaces of the different cells as a result of the ohmic resistance that the bath opposes to the flow of the electrolysis current.
The carbon electrodes have a thermal conductivity that is much higher than that of the bath, which is why heat in such electrodes spreads easily in every direction and also in the direction of the electrode bottom. It is known that in multi-cell ovens with hanging electrodes which are immersed in a cryolite bath and with a container bottom which is inclined downwards in the direction of the aluminum shaft, such electrodes deliberately do not extend to the step-shaped, downwardly inclined container floor in order not to short-circuit the multi-cell oven or at least so as not to considerably increase the discharge of the reactive electrical current outside the individual cells.
In the furnace described, overcoming a technical prejudice, the lower end of the last cathode, or the last cathode, (and no other cathode) can be kept constantly and continuously immersed in the molten aluminum contained in the aluminum collecting shaft below . In this way, a good heat transfer from the last cathode to the metal collected in the well is ensured, this metal in turn being an excellent heat conductor and heat exchanger in the direction of the adjacent zones of the bath and the bottom of the tank, thereby creating and floating of dangerous aluminum layers under the hanging carbon electrodes of the multi-cell furnace is avoided or prevented.
The furnace with the stepped container bottom can be designed so that this extended continuous contact between the letiten cathode u. the aluminum collected in the well is maintained even after the aluminum is periodically removed. This period of time required for the removal process is often one of the critical periods during which the shaft and its surroundings tend to become more encrusted.
Sometimes it is necessary to add an extra amount of calories to the final cathode. This is always the case when the calories generated by the electrolysis current and fed from the various cells to the lower bath layers (arranged between the carbon electrodes and the container bottom) are insufficient, for example as a result of a temporary cooling of the bath due to the electrode renewal Be operational start of the furnace, a total power interruption u. Like. To keep the lower layers above the critical temperature.
The power supply connecting rods or connection pieces (metal conductors through which the electric current leaves the furnace), which penetrate the last cathodic carbon electrode from above, are highly suitable for this purpose.
It is known that the contact surface between metallic contact pins and electrode carbon exhibits a noticeable ohmic resistance for the passage of electrical current. Such electrical resistance naturally generates a certain amount of calories.
If the total amount of electrical current (the ampere value) flowing through the furnace is kept constant and one or more of the cathodic power supply connection rods or lugs are disconnected from the power supply rail, which carries the total electrical current out of the furnace, the entire active contact surface between iron u. cathodic carbon decreased. As a result, the total voltage drop due to the contact between iron and carbon (from the power connection rods still connected to the electrical circuit) increases, as does the calories developed in the inner part of the last cathode.
Since the carbon cathode is a good conductor of heat, a large amount of these calories will flow down, provided that the aluminum collected in the well is at a lower temperature than the temperature of the unheated last cathode and also the temperature of the electrolyte bath in the cells.
As soon as the usual thermal state between the channel and the bath is restored in the cells, the disconnected cathodic power supply connecting rods are reconnected to the power supply rail in a simple and known manner.
PATENT CLAIM I
Multi-cell furnace for the production of aluminum by electrolysis of aluminum oxide dissolved in molten fluoride baths, consisting of a container containing a bath, which is lined on its inner surface with a solid and electrically insulating material, and several internally positioned bipolar electrodes which are inclined in the bath , and terminal monopolar electrodes, the electrodes being made of carbon material, and wherein the bottom of the container is inclined downwards towards a well for collecting the aluminum produced by electrolysis, which is arranged below a terminal cathode, characterized in that the terminal cathode (3) extends into the shaft (2).