DE1000156B - Zelle zur Herstellung von Aluminium hoher Reinheit - Google Patents
Zelle zur Herstellung von Aluminium hoher ReinheitInfo
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- C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
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Description
DEUTSCHES
Die technische Erzeugung von Aluminium erfolgt durch die Schmelzflußelektrolyse, bei welcher eine
etwa iooo0 C heiße Schmelze von Tonerde in Kryolith durch elektrischen Gleichstrom zerlegt wird. An
der Kathode, die durch das mit Kohlenstoff ausgekleidete wannenförmige Ofenbecken gebildet wird,
scheidet sich Aluminium in flüssiger Form ab und bildet eine Schicht auf dem Boden des Beckens unter
der im Becken befindlichen Schmelze. Das erzeugte Metall wird in Abständen von 24 bis 48 Stunden aus
dem Ofen entfernt; eine gleichbleibende Metallmenge läßt man jedoch aus verschiedenen Gründen im Ofen.
Die Anode besteht aus Kohlenstoffblöcken, die von oben in die Schmelze eintauchen. Sie ist einem dauernden
Verbrauch unterworfen und muß entsprechend ergänzt werden, weil an ihr Sauerstoff abgeschieden
wird, der mit dem Kohlenstoff der Anode reagiert. Die Reaktionsprodukte, Kohlendioxyd und Kohlenmonoxyd,
entweichen aus dem Elektrolyseofen. Die in der Schmelze enthaltene Tonerde muß ebenfalls von
Zeit zu Zeit ergänzt werden, da auch sie bei dem Elektrolyseprozeß verbraucht wird. Bezogen auf ein
Gewichtsteil erzeugtes Aluminium werden bei der Elektrolyse theoretisch mindestens 1,89 Gewichtsteile
Tonerde und 0,33 Gewichtsteile Anodenkohlenstoff verbraucht. In der Praxis sind diese Verbrauchszahlen
größer infolge von Verlusten durch Verstaubung, Verflüchtigung, Stromausbeute, Nebenreaktionen usw. Bei
den Anoden kann der Verbrauch in der Praxis z. B. zwischen 0,37 und 0,57 Gewichtsteilen Anodenkohlenstoff
schwanken. Es entstehen auch geringere Verluste an Kryolith, etwa 0,05 Gewichtsteile. Bei der Elektrolyse
gelangen praktisch alle Verunreinigungen der verbrauchten Stoffe in das erzeugte Aluminium. Die
Aluminiumelektrolyse erfordert daher hohe Reinheit der Einsatzstoffe. Zur Erhöhung der Reinheit des erzeugten
Aluminiums werden z. B. bereits die Vorstoffe zur Herstellung der Tonerde und der Anoden durch
Anwendung von chemischen und physikalischen Verfahren gereinigt, um hochreine Einsatzstoffe für die
Elektrolyse zu erhalten. Bei der notwendigen Bearbei tung der Schmelze in den Elektrolyseöfen werden
eiserne Werkzeuge, wie Stangen und Haken, benutzt, die an ihrem mit der Schmelze oder dem Metall in
Berührung kommenden Ende besonders dick sind, damit sie während der absichtlich kurz gehaltenen Anwendungszeit
keine hohen Temperaturen annehmen, sondern unter dem Schmelzpunkt der Schmelze bleiben
und somit einen Schutzüberzug von erstarrter Schmelze behalten. Diese und andere Maßnahmen
führen bei Benutzung 'der bekannten reinsten Vorstoffe zu einem Metall von der Reinheit 99,7%· Aluminium.
Die Verunreinigungen bestellen aus Eisen, Silizium und einer Reihe von Metallen in kleinen Mengen.
Zelle zur Herstellung von Aluminium
hoher Reinheit
hoher Reinheit
Anmelder: Vereinigte Aluminium-Werke Aktiengesellschaft, Bonn, Am Nordbahnhof
Dipl.-Ing. Werner Helling, Grevenbroich (Ndrh.)
ist als Erfinder genannt worden
ist als Erfinder genannt worden
Eine weitere Steigerung der Reinheit des Aluminiums erfordert die Anwendung besonderer technischer
Prozesse, z. B. der elektrolytischen Raffination. Dieses Verfahren führt zwar zu hohen Reinheiten,
z.B. 99,99%, erhöht aber die Erzeugungskosten sehr stark. Andererseits hat das höchstreine Aluminium
trotz hohen Preises wegen seiner besonderen technologischen Eigenschaften neue Anwendungsgebiete erschlossen,
die dem zur Zeit reinsten durch einfache Elektrolyse gewonnenen Aluminium verschlossen
bleiben. Eine Steigerung der Reinheit dieses Metalls ohne Anwendung der besonderen Raffinationsverfahren
auch nur um 0,1 bis 0,2% wäre ein technischer Fortschritt, weil auch dann dem Metall schon wichtige,
umfangreiche Anwendungsgebiete erschlossen werden könnten.
Diese erwünschte höhere Reinheit des durch Elektrolyse gewonnenen Aluminiums könnte z. B. durch
weitere Verbesserung der Reinheit der Einsatzetoffe, Tonerde, Anoden und Kryolith, erreicht werden.
Jedoch ist dieser Weg nicht gangbar, weil eine weitere Erhöhung der Reinheit dieser Stoffe nur durch
Anwendung kostspieliger Methoden und Apparaturen durchführbar wäre, die den Prozeß unwirtschaftlich
machen würden.
Die vorliegende Erfindung erreicht die Erhöhung der Reinheit des erzeugten Aluminiums auf folgende
Weise:
Die an der Anode entstehenden und aus der Elektrolysezelle
entweichenden Gase Kohlendioxyd und Kohlenmonoxyd enthalten geringe, wechselnde Mengen
von Eisen und Silizium, aber auch in Spuren Titan, Chrom, Vanadium und andere Metalle bzw.
deren Verbindungen in gasförmigem oder festem Zustand (Rauch). Von diesen Stoffen verbleibt der größte
Teil durch Zerfall oder Ablagerung im Elektrolyseofen.
Erfindungsgemäß wird die Entstehung und der Transport der genannten Gase bzw. Rauche begünstigt
und ihre Entfernung sowie die ftirer ZeriaWsprodukte.
aus dem Bereich des Ofens durchgeführt, indem die Strömungsgeschwindigkeit der Ofengase im Ofen bis
zum Entweichen aus dem Ofen möglichst hoch gehalten, ihr Weg im Ofen verkürzt und die Gase bis
zum Entweichen aus dem Ofen unter Überdruck gehalten werden. Diese Bedingungen werden durch besondere
bauliche Maßnahmen bei der Konstruktion des Ofens erfüllt, indem die einzelnen Anoden, aus
denen die Gesamtanode besteht, im Ofen mit geringem Abstand voneinander angeordnet sind und eine geringe
Breite von 200 bis maximal 700 mm haben. Ihre Länge soll dabei größer als 1400 mm sein. Die Strombelastung
dieser Einzelanoden soll 10 000 Amp. nicht überschreiben, sondern etwa 5000 bis 8000 Amp. betragen.
In den Zwischenräumen, die zu diesem Zweck nicht größer als etwa 150 mm, vorzugsweise etwa 50
bis 40 mm, breit gehalten werden, entstehen Kanäle geringen Querschnitts, da sich etwa 30 mm über dem
Niveau der Schmelze eine Erstarrungskruste bildet, die den Kanal nach oben abschließt. Diese Kanäle
sind gasdicht. An den Kopfseiten der Anoden werden diese Kanäle durch Durchstoßen der Schmelzkruste
mittels Brechstangen od. dgl. beständig offengehalten, um den Gasen den Austritt in die Atmosphäre zu gestatten.
Mit diesen Maßnahmen werden die an der Unterseite der Anode entstehenden Reaktionsgase
einschließlich der darin enthaltenen oben beschriebenen Stoffe auf verhältnismäßig sehr kurzen Wegen,
die maximal der halben Breite der Anode entsprechen, im Mittel aber wesentlich kürzer sind, in die zwischen
den Anoden gebildeten Kanäle geleitet. In diesen Kanälen strömen die Gase mit hoher Geschwindigkeit
und unter Druck zu den an den Kopfseiten der Anoden angeordneten Gasaustrittsstellen, die in der die gesamte
Schmelzoberfläche bedeckenden Erstarrungskruste offen gehalten werden. Die in den Reaktionsgasen enthaltenen Stoffe werden durch diese Anordnung
vor Zerfall und Ablagerung innerhalb des Ofens bewahrt, insbesondere auch dadurch, daß die Gase
stets unter Überdruck stehen und nicht abgesaugt werden, wodurch eine Vermischung mit der atmosphärischen
Luft vermieden wird.
Diese Kanäle, die sich zwischen den Anoden befinden, die ihre Seitenwandung bilden und deren. Bodenfläche
durch die Oberfläche der flüssigen Schmelze gebildet wird, erhalten ihren oberen Abschluß beständig
aufrecht, auch bei der langsamen, ihrem Verbrauch entsprechenden Bewegung der Anoden nach unten, da
sie sich ohne Zutun mit einer nach oben abschließenden, erstarrten Schicht von Schmelze bedecken, die
durch den Gasstrom beständig nach oben' getrieben wird. Dkse. abschließende Schicht bleibt auch trotz
der Bewegung der Anode erhalten, da sie sich ständig selbsttätig erneuert.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung der Anoden mit einem verhältnismäßig kleinen Abstand voneinander
besteht die Gefahr, daß die Oberfläche der Anoden oberhalb der Badkruste in den Zwischenräumen
zwischen den Anoden durch den Luftabbrand sehr stark angegriffen und tiefgreifend zerstört werden,
weil dort hohe Temperaturen auftreten, die durch den Abbrand noch gesteigert werden und oft helle
Rotglut erreichen. Es ist daher zweckmäßig, den Luftabbrand an diesen Stellen zu verhindern. Als sehr
wirksam haben sich zur Verhinderung des Luftabbrandes bei Elektrolyseöfen bereits vorgeschlagene
Packungen bewährt, die durch Einstampfen pulverförmiger Stoffe in die Zwischenräume zwischen den
Anoden hergestellt werden. Man wählt solche Stoffe aus, die für den Elektrolyt unschädlich sind und haltbare
Packungen ergeben.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung diene die Abbildung, die eine Elektrolysenzelle beispielsweise
und schematisch wiedergibt. Die Abbildung zeigt schematisch die Ofenbauweise. Hierin bedeutet
ι Kathode, 2 abgeschiedenes Aluminium, 3 die Schmelze, 4 die schmalen Einzelanoden mit kleinen
Zwischenräumen, 5 die Kruste aus erstarrter Schmelze, 6 die Packung zwischen den Anoden, 7 die sich bildenden
Kanäle, in denen die sich an der Unterseite der Anoden durch den elektrolytischen Prozeß entstehenden
Gase sammeln und nach außen geleitet werden; Pfeil 8 deutet den kurzen Weg der Gase zu den
Kanälen an.
In der Zeichnung sind die für die Erfindung unwesentlichen Teile des Elektrolyseofens weggelassen
worden, wie die Stromzuführungen, die Aufhängung der Anoden usw. Die Abbildung ist auch in
der Hinsicht als Schema zu verstehen, als die Zahl von Anodenstreifen je nach Ofengröße in Wirklichkeit
größer als dargestellt ist.
Claims (1)
- PATENTANSPRUCH:Zelle zur Herstellung von Aluminium hoher Reinheit durch Schmelzflußelektrolyse, gekennzeichnet durch Verwendung nebeneinander angeordneter vorgebrannter kontinuierlicher Anoden, wobei die einzelnen Anoden eine Breite von etwa 200 bis maximal 700 mm, eine Länge von über etwa 1400 mm, einen gegenseitigen Abstand unter etwa 150 mm, vorzugsweise 40 bis 50 mm, und eine Strombelastung von weniger als 10 000 Amp., vorzugsweise 5000 bis 8000 Amp., haben.Hierzu 1 Blatt Zeichnungen^© 609 739 12.56
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