CH635132A5 - Kathode fuer einen schmelzflusselektrolyseofen. - Google Patents

Kathode fuer einen schmelzflusselektrolyseofen. Download PDF

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CH635132A5
CH635132A5 CH725878A CH725878A CH635132A5 CH 635132 A5 CH635132 A5 CH 635132A5 CH 725878 A CH725878 A CH 725878A CH 725878 A CH725878 A CH 725878A CH 635132 A5 CH635132 A5 CH 635132A5
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aluminum
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Tibor Kugler
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    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/08—Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine benetzbare Kathode für einen Schmelzflusselektrolyseofen, insbesondere zur Herstellung von Aluminium.
Es ist bekannt, bei der Schmelzflusselektrolyse zur Herstellung von Metallen benetzbare Kathoden einzusetzen. Bei der Abscheidung von Aluminium werden in zum Stand der Technik gehörenden Elektrolysezellen Kathoden aus Titandiborid, Titankarbid, pyrolytischem Graphit, Borkarbid und weiteren Substanzen vorgeschlagen, wobei auch Gemische dieser Substanzen, die zusammengesintert sein können, eingesetzt werden.
Gegenüber konventionellen Elektrolyseöfen mit einer Interpolardistanz von ca. 6-6,5 cm bieten mit Aluminium benetzbare und in Aluminium nicht oder nur wenig lösliche Kathoden entscheidende Vorteile. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium fliesst schon bei Ausbildung einer sehr dünnen Schicht auf der der Anodenfläche zugewandten Kathodenoberfläche. Es ist deshalb möglich, das abgeschiedene flüssige Aluminium aus dem Spalt zwischen Anode und Kathode abzuleiten und einem ausserhalb des Spaltes angeordneten Sumpf zuzuführen.
Dank der dünnen Aluminiumschicht der Kathodenoberfläche bilden sich die aus der konventionellen Elektrolyse sattsam bekannten Ungleichmässigkeiten in bezug auf die Dicke der Aluminiumschicht - unter dem Einfluss elektromagnetischer und konvektioneller Kräfte - nicht. Deshalb kann die Interpolardistanz ohne Einbusse an Stromausbeute reduziert werden, d.h. es wird ein wesentlich kleinerer Energieverbrauch pro Einheit reduziertes Metall erreicht.
In der US-PS 3 400061 wird eine Elektrolysezelle vorgeschlagen, bei welcher benetzbare Kathoden am Zellenboden aus Kohlenstoff befestigt sind. Die Kathodenplatten sind in bezug auf die Horizontale, gegen die Zellenmitte leicht geneigt. Die lichte Weite des Spaltes zwischen Anode und Kathode, d.h. die Interpolardistanz, ist wesentlich kleiner als bei konventionellen Zellen mit Kohleboden. Dadurch wird die Zirkulation des Elektrolyten zwischen Anode und Kathode erschwert. Bei der Abscheidung von Aluminium verarmt die Kryolithschmelze stark an Tonerde, wodurch die Zelle anfällig für Anodeneffekte wird. Für das Sammeln des flüssigen Metalls steht nur ein kleiner Teil der gesamten Bodenfläche der Zelle zur Verfügung. Um die Schöpfintervalle nicht unwirtschaftlich klein werden zu lassen, muss deshalb der Sumpf tief ausgebildet sein, was wiederum eine verstärkte Isolation des Zellenbodens bedingt.
Ausserdem ist zu beachten, dass die Verbindung zwischen dem Kohlenstoffboden und den benetzbaren Kathodenplatten schwer erreichbare Forderungen an die Verbindungsmasse stellt und den elektrischen Widerstand des Zellenbodens vergrössert. Wie bei üblichen Elektrolysezellen besteht der Zellenboden aus elektrisch leitendem, also schwach wärmeisolierendem Kohlematerial.
Auch nach dem Verfahren der DE-OS 2656579 werden benetzbare Kathoden eingesetzt. In dieser Vorveröffentlichung wird die Zirkulation der Kryolithschmelze dadurch verbessert, dass die Kathodenelemente im elektrisch leitenden Zellenboden verankert sind und im Bereich unterhalb der Anode aus dem auf der gesamten übrigbleibenden Zellen-bodenfläche gesammelten flüssigen Aluminium herausragen. Die Kathodenelemente bestehen im vorliegenden Fall aus unten geschlossenen Rohren aus mit Aluminium benetzbarem Material, wobei die Rohre vollständig mit Aluminium gefüllt sind. Oberhalb des flüssigen Aluminiums erleichtern Spalten zwischen den Kathodenelementen die Zirkulation des Elektrolyten. Die Höhe dieser Spalten wird so gewählt, dass es zu keinem bedeutenden Stromübergang zwischen der Anode und dem flüssigen Aluminium kommt. Die in den Beispielen der DE-OS dargestellten Stromzuführungen zu den Kathodenelementen sind alle mit den Nachteilen der Stromzuführung durch den Kohleboden behaftet. Die Strömung des Elektrolyten ist eine Wirbelströmung um das Kathodenelement und erfolgt ohne bevorzugte Richtung, dadurch ist die Verteilung der Tonerdekonzentration nicht optimal.
Ein Nachteil der bekannten, in Versuchsserien realisierten Ausführungen mit benetzbarer Kathode besteht darin, dass diese im Kohleboden der Zelle verankert ist. Aus wirtschaftlichen Gründen muss deshalb für die benetzbare Kathodenplatte ein Material gewählt werden, dessen Lebensdauer mindestens gleich gross oder besser grösser ist als die Betriebsdauer der Ofenausmauerung. Das Einsetzen eines billigeren Materials mit kürzerer Betriebsdauer oder einfacherer Herstellungstechnologie hätte zur Folge, dass bei einem Ausfall nur eines kleinen Teiles der Kathodenelemente, beispielsweise durch Bedienungs- oder Herstellungsfehler, den Ausfall des ganzen Elektrolyseofens zur Folge hätte. Der Kohleboden mit den eingegossenen Kathodenbarren ist an sich s
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ausserordentlich empfindlich gegen Herstellungsfehler.
Der Erfinder hat sich die Aufgabe gestellt, eine benetzbare Kathode für einen Schmelzflusselektrolyseofen, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, zu schaffen, welche eine wesentliche Erniedrigung der Interpolardistanz erlaubt, ohne die Zirkulation des Elektrolyten und das Sammeln des abgeschiedenen Metalls nachteilig zu beeinflussen, und welche mit einer einfachen Technologie aus preisgünstigen Materialien hergestellt werden kann, ohne die Lebensdauer des Ofens herabzusetzen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Kathode aus einzeln auswechselbaren Elementen mit je mindestens einer Stromzuführung besteht.
Die Kathodenelemente entsprechen in ihren horizontalen geometrischen Abmessungen vorzugsweise den entsprechenden Abmessungen der Anoden. Beim Einsetzen oder Auswechseln eines Kathodenelementes kann die darüberlie-gende Anode kurzfristig entfernt werden. Dies ist aus folgenden Gründen ein entscheidender Vorteil:
- Aus den für benetzbare Kathoden bekannten Materialien können die preisgünstigsten ausgewählt werden. Wenn deren Lebensdauer vor derjenigen der Ofenauskleidung zu Ende ist, kann problemlos ein neues Element eingesetzt werden. Als besonders günstig haben sich Titankarbid, Titandiborid oder pyrolytischer Graphit erwiesen.
- Die Herstellungstechnologie kann einfach sein, defekte Kathodenelemente können ohne Betriebsunterbruch ersetzt werden.
- Bei in bezug auf Ofengang oder Wirkungsgrad unbefriedigenden Elektrolysezellen können anders gestaltete Kathodenelemente eingesetzt werden.
Die in konventionellen Elektrolyseverfahren zur Herstellung von Aluminium eingesetzten Kohleanoden brennen pro Tag ca. 1,5-2 cm ab. Bei der Verwendung von benetzbaren Kathoden, von welchen das abgeschiedene Metall ständig in Form eines Filmes abfliesst, muss deshalb der Anodentisch kontinuierlich oder in kurzen Zeitabständen gesenkt werden. Beim Einsatz von Kathodenelementen kann der Anodentisch
- auch wenn Kohleanoden eingesetzt werden - fest positioniert belassen und zur Regelung der Interpolardistanz die Kathodenelemente, einzeln oder bevorzugt gesamthaft, gehoben werden.
Obwohl die Kathodenelemente bevorzugt vollständig aus vom abgeschiedenen Metall benetzbarem Material ausgebildet sind, kann auch nur eine die Oberfläche der Kathode vollständig bedeckende Schicht aus diesem benetzbaren Material bestehen.
Durch die direkte Stromzufuhr zu den Kathodenelementen werden die Probleme in bezug auf den Stromübergang vom Kohleboden zu den benetzbaren Kathodenplatten beseitigt.
Es ist auch, im Gegensatz zu der im Stand der Technik vertretenen Ansicht, gefunden worden, dass die Art der Stromzuführung von der Stromquelle zur Kathodenoberfläche von ausschlaggebender Bedeutung für den Ofengang ist. Die Kathodenelemente und auch die Stromzuführungen zu den Kathodenelementen sind deshalb erfindungsgemäss derart geführt, dass in einer Elektrolysezelle der zwischen Anode und Kathodenelement befindliche Elektrolyt unter dem Ein-fluss des Elektrolysestromes und des Magnetfeldes einer magnethydrodynamischen Pumpwirkung ausgesetzt ist. Dadurch wird der Elektrolyt durch die in den Kathodenelementen vorgesehenen Kanäle in Richtung des Bedienungsspaltes geleitet. Gleichzeitig wird aus dem Bedienungsspalt der mit der Metallverbindung, beispielsweise Tonerde, angereicherte Elektrolyt in den Interpolarspalt gesaugt.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen schematisch:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung von zwei über die Stromleiter miteinander verbundenen, aus Unterelementen zusammengesetzten Kathodenelementen
Fig. 2 + 3 einen Vertikalschnitt durch Unterelemente Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines aus Unterelementen zusammengesetzten Kathodenelementes
Fig. 5 einen horizontalen Teilschnitt durch eine Elektrolysezelle auf der Höhe der Anoden
Fig. 6 einen vertikalen Teilschnitt in Längsrichtung durch eine Elektrolysezelle
Fig. 7 eine Draufsicht auf zwei aufeinanderfolgende quergestellte Elektrolysezellen auf der Höhe der Anoden, mit Stromzuführung
Fig. 8 eine aufgeschnittene Seitenansicht einer mittelbedienten Elektrolysezelle, mit Kathodenstäben in Zellenlängsrichtung
Fig. 9 einen vertikalen Querschnitt durch eine mittelbediente Elektrolysezelle, mit parallel zur Stirnseite angeordneten Kathodenelementen
Fig. 10 einen teilweisen vertikalen Längsschnitt durch die Elektrolysezelle von Fig. 9
Fig. 11,12,13 perspektivische Darstellungen von Kathodenelementen für die in den Fig. 9 und 10 dargestellte Elektrolysezelle.
In Fig. 1 werden zwei Kathodenelemente 10, deren Stromzuführungen 12 aneinandergelehnt sind, dargestellt. Diese Stromzuführungen können lösbar miteinander verbunden sein, beispielsweise mittels Schrauben oder einer Klemmschiene. Jedes Kathodenelement 10, ist aus mehreren Unterelementen 14, die vorzugsweise in Richtung der längeren Achse der Anode nebeneinander angeordnet sind, zusammengestellt. Die Unterelemente 14 bestehen aus vertikalen Stromzuführungen 12, Horizontalstegen mit Aktivflächen 22 und Stütz- und Spannungsführungsplatten 16. Auf einer Seite des Horizontalsteges, zwischen der Stromzuführung 12 und der Stützplatte 16, ist ein Einschnitt 18 vorgesehen. Dadurch entsteht beim Zusammenfügen der Unterelemente zum Kathodenelement ein Spalt zwischen den Unterelementen, welcher die gleiche Länge wie der Einschnitt aufweist.
Das aus Unterelementen 14 zusammengesetzte Kathodenelement 10 kann mit einer sich mindestens über einen Teil von deren Länge erstreckenden Abgrenzungsplatte 20 versehen sein.
Der Aufbau der Kathodenelemente aus Unterelementen wird aus herstellungstechnischen Gründen bevorzugt, die Kathodenelemente können jedoch auch einstückig ausgebildet sein.
Die Kathodenelemente 10 sind in der Wanne eines Elektrolyseofens derart angeordnet, dass die Stützplatten 16 auf dem Boden stehen, oder wenigstens die Oberfläche des Metallbades berühren. Damit ist die negative Polarisierung des Metallbades gewährleistet. Gegebenenfalls können die Stützplatten 16 in entsprechend geformte Nuten des Kohlebodens gestellt werden.
Die Kathodenelemente sind so in die Elektrolysezelle gestellt, dass sich deren Arbeitsflächen 22 direkt unter den nachher eingesetzten Anoden befinden. Die Interpolardistanz, d.h. der Abstand zwischen den Arbeitsflächen von Anode und Kathode, ist wesentlich kleiner als bei klassischen Elektrolyseöfen, sie beträgt nicht mehr als 2 cm, bevorzugt 1 bis 2 cm. Für die Wahl der Interpolardistanz sind die Zusammensetzung des schmelzflüssigen Elektrolyten, die Stromausbeute und der Wärmehaushalt des Ofens, in Abhängigkeit von der Ofengrösse und der Wärmeisolation, massgebend. Der Abstand der Kathodenplatten mit der Arbeitsfläche 22
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vom Spiegel des abgeschiedenen, geschmolzenen Metalls (44) beträgt mindestens 4 cm, vorzugsweise 6-12 cm.
Der vertikal ausgebildete Stromzuführungsteil 12 der Kathodenelemente 10 ist in einem solchen Abstand von der nächstliegenden Anodenseitenfläche angeordnet, dass der Stromdurchgang an dieser Stelle wesentlich kleiner ist als derjenige zwischen der Anodensohle und der Arbeitsfläche 22 der Kathodenelemente. Der Abstand zwischen einem Stromzuführungsteil und der nächstliegenden Anodenseitenfläche beträgt im allgemeinen 6 bis 10 cm.
In Fig. 2 und 3 werden Unterelemente 14 von Kathodenelementen dargestellt, welche als im Querschnitt quadratische Stäbe, mit einer Seitenlänge von ca. 1 cm, ausgebildet sind. Die Unterelemente 14 weisen eine Stromzuführung 12, einen vertikalen - 16 - oder horizontalen - 24 - Stützstab und eine Arbeitsfläche 22 auf. Mit Aluminium benetzbare Unterelemente mit kleinem Querschnitt werden zur Herstellung von Kathodenelementen eingesetzt, wenn dies gegenüber flachen Unterelementen fabrikationstechnische Vorteile bietet.
Fig. 4 zeigt ein aus den stabförmigen Unterelementen 16 von Fig. 2 und 3 zusammengesetztes Kathodenelement 10. Die Reihenfolge der ca. 1 cm breiten Unterelemente kann beliebig variiert werden. Wenn zwischen Unterelementen von Fig. 2 ein Unterelement von Fig. 3 angeordnet wird, entsteht ein entsprechender Schlitz, der dem Einschnitt 18 von Fig. 1 entspricht.
In der Elektrolysezelle nach Fig. 5 sind Kathodenelemente nach Fig. 1 eingesetzt, welche bei den vertikalen Stromzuführungen 12 vollflächig miteinander verbunden sind. Die Arbeitsflächen der mit Einschnitten 18 versehenen Unterelemente liegen grösstenteils unter den Anoden 28. Diese Anoden haben Arbeitsflächen von 1500 x 500 mm. Mit 29 wird das Bord des mittelbedienten Ofens, der bei 30 mit dem Bedienungsspalt versehen ist, bezeichnet. Mit den Pfeilen wird die wichtigste horizontale Strömungsrichtung des Elektrolyten im Bereich eines Kathodenelementes angedeutet.
Fig. 6 zeigt eine Elektrolysezelle, bei der Doppelanoden 26 aus Kohle, die verschiedene Abbrandstufen aufweisen, eingesetzt sind. Die ungefähren Abmessungen der Arbeitsfläche der Anoden entsprechen den Kathodenelementen 10, diese stützen sich mit den Stromzuführungen 12 gegenseitig ab. Die Stromzuführungen sind im oberen Teil mit einer nicht dargestellten, gemeinsamen Stromführung mit einer Kathodenschiene verbunden. Die Stromzuführungen 12 sind im Bereich des Übergangs vom Elektrolyten 32 zur unter der erstarrten Elektrolytkruste 34 liegenden Atmosphäre 36 mit einer auswechselbaren Schutzhülse 38, versehen, die aus im Kryolythen schwerlöslichem oxidationsbeständigem Material, wie mit Tonerde übersättigtem, festem Kryolith oder hochgebranntem Korund, besteht.
Die Kathodenelemente 40 bestehen aus einem elektrisch gut leitenden Material, beispielsweise Stahl oder Titan, das mit einem von Aluminium gut benetzbaren und gegen geschmolzenes Aluminium widerstandsfähigen Material, beispielsweise Titankarbid, Titandiborid oder pyrolytischem Graphit, vollständig beschichtet ist. Die Beschichtung kann durch ein beliebiges bekanntes Beschichtungsverfahren oder durch Befestigung von entsprechend geformten Platten erfolgen. Das benetzbare Material muss elektrisch leitend sein und den Trägerkörper vor dem korrodierenden Einfluss des Elektrolyten schützen. Auch die Kathodenelemente 40 haben vertikale Stromzuführungen 12, die sich gegenseitig -vollständig miteinander verbunden - abstützen.
Die Kathodenelemente 10 und 40 stehen auf dem Kohleboden 42 und tauchen in das abgeschiedene flüssige Aluminium 44 ein. Dadurch wird das flüssige Aluminium auf das negative Potential der Kathodenelemente polarisiert.
Zwischen den Enden zweier benachbarter Kathodenelemente liegt ein horizontal verlaufender Spalt 46, der mindestens 1 cm breit ist. Durch die Anordnung von Fig. 6 ist das Badvolumen unter jeder Anode in drei horizontale, parallel zur Anodenlängsachse verlaufende Kanäle geteilt. Der erste Kanal ist der Interpolarspalt 48 und stellt den eigentlichen Arbeitsraum dar, wo die Elektrolyse stattfindet, und wo durch den Strom die Joule'sche Wärme im Elektrolyten erzeugt wird. Darunter befinden sich, durch die Stützplatten 16 getrennt die Kanäle 50 und 52, welche mittels Einschnitten 18 hydraulisch leitend mit dem Interpolarspalt 48 verbunden sind. Pro Kathodenelement entstehen also drei Kanäle,
wobei einer oberhalb und zwei halbe unterhalb der Arbeitsfläche dieses Kathodenelementes angeordnet sind.
Beim Stromdurchfluss durch die Zelle entsteht im Spalt zwischen Anode und Kathode, horizontal in Längsrichtung der Zelle, ein elektromagnetischer Effekt. Unter Einwirkung der magnetohydrodynamischen Kräfte entsteht eine geordnete Strömung des Elektrolyten und des auf der Kathode abgeschiedenen dünnen Aluminiumfilms, welche durch die Pfeile angedeutet ist und oberhalb der Kathodenelemente von der Stromzuführung 12 in Richtung des Spaltes 46 zwischen den Kathodenelementen verläuft. Im Kanal 52 unter diesem Spalt 46 strömt die Schmelze in Richtung des Bedienungsspaltes, d.h. senkrecht zur Zeichnungsebene. Das abgeschiedene flüssige Aluminium 44 sammelt sich auf dem Boden 42 der Ofenwanne, wobei es durch die eingetauchten Stützplatten 16 ständig negativ zu den Anoden polarisiert ist. Das flüssige Aluminium ist deshalb nur von kleinen Strömen durchsetzt, welche eine Folge von geringfügigen Potentialdifferenzen zwischen den einzelnen Kathodenelementen sind. Die Einwirkung von Magnetfeldern auf das geschmolzene Aluminium ist minimal. Während des Elektrolysevorgangs verarmt der Schmelzfluss im Interpolarspalt 48 an Tonerde und wird durch die beim Stromdurchgang erzeugte Joule'sche Wärme auf eine höhere Temperatur gebracht. Der verbrauchte und erwärmte Schmelzfluss strömt durch den Kanal 52 unter dem Spalt 46 zum nichtgezeichneten Bedienungsspalt des mittelbedienten Ofens, löst bei gleichzeitigem Temperaturverlust Tonerde auf und strömt durch den Kanal 50, welcher unterhalb der Einschnitte 18 verläuft, in den Bereich der Arbeitsflächen der Kathodenelemente zurück. Durch die Saugwirkung der Strömung zwischen Anode und Kathode steigt der mit frisch gelöster Tonerde versehene Elektrolyt in den Interpolarspalt 48 auf.
Durch die Verminderung der Interpolardistanz auf weniger als 2 cm wird beim Stromdurchgang durch den Elektrolyten weniger Wärme erzeugt. Eine vorzügliche Isolation der Ofenwanne ist deshalb von grösster Wichtigkeit. Der direkte Kontakt der Seitenborde mit dem strömenden Elektrolyten kann durch die Anordnung von Abgrenzungsplatten, welche in Fig. 1 mit 20 bezeichnet, in Fig. 6 jedoch nicht eingezeichnet sind, teilweise oder vollständig verhindert werden.
Aus Fig. 6 gehen zwei wesentliche Vorteile der erfindungs-gemässen Kathodenelemente, welche mit dem Ofenboden in Berührung stehen können, aber nicht fest mit ihm verbunden sind, klar hervor:
- Gegebenenfalls auftretende Formveränderungen des Ofenbodens, die im Betrieb durch verschiedene Einwirkungen entstehen können, wirken sich, im Vergleich zu einer festen Verbindung der gut benetzbaren Kathoden mit dem Ofenboden, weniger nachteilig aus.
- Die Kathodenelemente können ohne Neuausmauerung der Ofenwanne ausgewechselt werden, wenn sie die Lebensdauer der Wanne nicht erreichen. Es ist im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit und gegebenenfalls auf die Herstellungstechnologie von Vorteil, wenn man nicht fordert, dass die Kathodens
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Fig. 7 zeigt zwei in einer Ofenhalle aufeinanderfolgende, quergestellte Elektrolyseöfen 54 und 56. Die Anoden 26 sind an den Anodenträgern 58 angeschraubt, während die nicht dargestellten Kathodenelemente elektrisch leitend mit den Kathodenschienen 60 verbunden sind. Diese einfache und vorteilhafte Stromführung wird durch die erfindungsge-mässen Kathodenelemente ermöglicht.
Der in Fig. 8 gezeigte, mittelbediente Schmelzflussofen zeigt die am Anodenträger 58 aufgehängten Anoden 26 und die in Längsrichtung der Zelle verlaufenden, stabförmig ausgebildeten Unterelemente 14 der Kathodenelemente 10, welche mit den Kathodenschienen 60 elektrisch leitend verbunden sind. Mit 62 wird der Tonerdesilo mit dem am unteren Ende angeordneten Krustenbrecher 64 bezeichnet. Die mittelbediente Elektrolysezelle ist mit einer Ofenabdek-kung 66 versehen, welche ein Entweichen der Gase in die Elektrolysehalle verhindert und ausserdem den Wärmehaushalt der Zelle verbessert.
Im in den Fig. 9 und 10 dargestellten, mittelbedienten Elektrolyseofen sind die Kathodenelemente im Vergleich zu den vorhergehenden Figuren um 90° gedreht, d.h. die vertikale Stromzuführung 12 befindet sich bei den Borden 28 der Ofenlängsseite. Damit verlaufen die Unterelemente parallel zu den Stirnseiten des Ofens, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist. Die Fig. 11, 12 und 13 zeigen verschiedene Varianten von Kathodenelementen 10, die in durch Fig. 9 und 10 dargestellte Elektrolyseöfen eingesetzt werden können.
Nach dieser Ausführungsform strömt der Elektrolyt 32 im Interpolarspalt 48 von der vertikalen Stromzuführung 12 in Richtung des Bedienungsspalts 30. Im Bereich unterhalb des Bedienungsspalts 30 löst sich neue, im Bedienungsspalt zugegebene Tonerde im verarmten Elektrolyten. Der Elektrolyt fliesst unter der Arbeitsfläche der Kathodenelemente in umgekehrter Richtung zurück. Die Stützplatten 16 müssen deshalb Öffnungen für die Rückströmung des Elektrolyten haben. Die Stützelemente sind entweder am Ende der Kathodenelemente oder nach innen versetzt angeordnet. Durch die Einschnitte 18 kann der Elektrolyt mit frisch gelöster Tonerde in den Interpolarspalt 48 aufsteigen.
Die in Fig. 9 und 10 gezeigte Anordnung weist gegenüber den vorherigen Ausführungsformen gewisse strömungstechnische Vorteile auf, weil der Querschnitt des Rückstromkanals für den Elektrolyten grösser ist. Dies wird aber durch den Nachteil erkauft, dass der Strömungsweg des abgeschiedenen Metallfilms und auch die Weglänge des elektrischen Stromes im Kathodenelement 10 vergrössert wird. Um zu grosse Spannungsverluste zu vermeiden, sind die Kathodenelemente mit grösserem Querschnitt ausgebildet worden.
Dies bedeutet jedoch ein Mehrgewicht in bezug auf eingesetztes Kathodenmaterial. Deshalb werden bei der Anordnung nach Fig. 9 und 10 vorzugsweise mit gut benetzbarem Material beschichtete Kathodenelemente eingesetzt.
Es ist offensichtlich, dass in ein und demselben Elektrolyseofen, je nach den gewünschten Strömungsformen, längs-20 oder quergestellte Kathodenelemente eingesetzt werden können.
Bei allen Ausführungsformen muss der Abstand zwischen der Arbeitsfläche der Kathodenelemente und dem Spiegel des auf dem Ofenboden liegenden flüssigen Aluminiums 25 mindestens gleich gross sein wie die Interpolardistanz bei klassischen Hall-Héroult-Elektrolyseôfen mit tiefem Metallbad. Wäre dies nicht der Fall, so würde die genügende Versorgung des Interpolarspaltes 48 mit dem tonerdehaltigen Elektrolyten 32 nicht gewährleistet. Mit dieser Massnahme 30 wird auch erreicht, dass nur ein verschwindend kleiner Teil des Elektrolysestromes durch einen Nebenschluss zwischen den Anoden und dem Metallbad verlorengeht, wodurch die Badewegung und Aufwölbung des Schmelzflusses durch elektromagnetische Kräfte klein gehalten wird. Das Fliessen 35 eines elektrischen Stromes zwischen Kathoden und flüssigem Metall wird verhindert, indem die Stützplatten 16, wie oben bereits erwähnt, in das flüssige Metall getaucht werden, wodurch die Kathodenelemente und das abgeschiedene flüssige Metall das gleiche Potential haben. Dadurch wird die 40 Stromausbeute verbessert, weil kein flüssiges Aluminium von neuem aufgelöst wird.
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4 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

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1. Benetzbare Kathode für einen Schmelzflusselektrolyseofen, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einzeln auswechselbaren Elementen (10,40) mit je mindestens einer Stromzuführung ( 12) besteht.
2. Benetzbare Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die auswechselbaren Elemente (10,40) aus Unterelementen (14) aufgebaut sind.
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PATENTANSPRÜCHE
3. Benetzbare Kathode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterelemente (14) stabförmig, vorzugsweise mit quadratischem Querschnitt, ausgebildet sind.
4. Benetzbare Kathode nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (10,40) mindestens einen Einschnitt ( 18) bzw. mindestens eine Öffnung haben, durch welche der Elektrolyt fliessen kann.
5. Benetzbare Kathode nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromzuführung (12) vertikal ausgebildet ist.
6. Benetzbare Kathode nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (10,40) vollständig aus gut benetzbarem Material, vorzugsweise aus Titankarbid, Titandiborid, oder pyrolytischem Graphit, bestehen.
7. Benetzbare Kathode nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (10,40) aus einem elektrisch gut leitenden Material, vorzugsweise Stahl oder Titan, bestehen und mit einem gut benetzbaren Material, vorzugsweise Titankarbid, Titandiborid, oder pyrolytischem Graphit, vollständig beschichtet sind.
8. Schmelzflusselektrolyseofen, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, mit einzeln auswechselbaren Kathodenelementen nach den Ansprüchen 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (10,40) mittels eines Stützelementes (16) elektrisch leitend mit dem abgeschiedenen, geschmolzenen Metall (44) verbunden sind.
9. Schmelzflusselektrolyseofen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Interpolardistanz zwischen den Arbeitsflächen von Anoden- und Kathodenelementen höchstens 2 cm, vorzugsweise 1-2 cm, und der Abstand der Kathodenplatten vom Spiegel des abgeschiedenen, geschmolzenen Metalls (44) mindestens 4 cm, vorzugsweise 6-12 cm, beträgt.
10. Schmelzflusselektrolyseofen nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (10,40) in vertikaler Richtung, vorzugsweise gleichzeitig, verschiebbar sind.
CH725878A 1978-04-07 1978-07-04 Kathode fuer einen schmelzflusselektrolyseofen. CH635132A5 (de)

Priority Applications (19)

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