DE10003447A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Verringerung des spezifischen Anodenverbrauches und zur Verbesserung der Zellenleistung, bei der schmelzflusselektrolytischen Gewinnung von Aluminium - Google Patents

Abstract

Vorgebrannte Anoden sind bei der schmelzflußelektrolytischen Gewinnung von Aluminium der Pluspol und werden aus kohlenstoffhaltigen Materialien hergestellt. Diese Anoden verbrennen innerhalb von 3-4 Wochen bis zu einem Rest von 25%, der international als butt bezeichnet wird. Neuerdings werden Schlitze in die Anodenunterseite geformt, um die Ofenleistungen zu verbessern. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen diese Anoden nicht wie bisher quaderförmig auszubilden, sondern bereits alle Ecken und Kanten so zu runden, oder abzuschrägen wie sie der butt-Form entsprechen: Dazu werden verschiedene Rundungen und Abschrägungen vorgeschlagen, mit starren oder teil beweglichen Materialanhäufungen auf der Bodenplatte, bestehend aus den erfindungsgemäßen Leisten und den Stegen für die Ausbildung der Schlitze. DOLLAR A Als eine weitere Variante zur Herstellung besonders tiefer Schlitze wird ein kompletter Grundrahmen vorgeschlagen, mit allen Leisten und Stegen, der entweder wiederverwendbar aus einem geeigneten Metall besteht, oder aus einem formstabilen, kohlenstoffhaltigen Material geformt, das aus Abfällen der Holz-Kunststoff- oder Papierindustrie, durch Mischen mit geeigneten Bindemitteln, durch Abformen auf einem Guß-Spritz- oder Preßautomaten hergestellt wird.

Description

Die Gewinnung von Aluminium aus dem Rohstoff Aluminiumoxid, erfolgt heute weltweit bevorzugt in Elektrolysezellen mit vorgebrannten Anoden. Dabei wird an der Unterseite dieser Anoden der Sauerstoff aus der elektrolytischen Reduktion von Aluminiumoxid abgeschieden und setzt sich dort sofort mit dem Kohlenstoff der Anoden zu Kohlen­ oxiden um. An der Kathode scheidet sich metallisches Aluminium ab und wird in regelmäßigen Zeitabständen von dort abgesaugt. Beschrieben wird diese Prozeßtechnik z. B. in "Description of existing Techniques and Best Available Techniques in the Aluminium Electrolysis Industry." Herausgegeben von der Oslo und Paris Commission. ISBN O 94695562.

Seit den Arbeiten von Barry Welch et al., beschäftigen sich viele Forscher mit den Vorgängen im Anodenraum und achten nun auch verstärkt auf alle möglichen Wirkungen, insbesondere auf die hydro- bzw. fluiddynamischen Effekte der dort entstehenden sog. Anodengase zusammen mit dem Elektrolyten. (bubbles). Eine rasche Ableitung dieser Gasblasen ist empfehlenswert, damit diese Gase nicht zur erneuten Oxydation von Aluminium mit dem CO₂ beitragen und auch nicht den Zellenwiderstand und damit die Spannung erhöhen. Siehe hierzu z. B. "Current efficiency in modern point feeding industrial potlines" von B. Langon und JM Peyneau, Aluminium Pechiney, Vortrag auf der TMS 1990. Das Bild 1, das die Anodengase (bubbles) an der Anode zeigt, ist diesem Vortrag entnommen.

Mit den ständig erhöhten Stromstärken der modernen Zellen, wachsen auch die geometrischen Abmessungen der Anoden und bei den neuesten Hochstromöfen mit 350 kA, werden bereits Anoden mit fast 1,5 m² Grundfläche verwendet. Dadurch wird die Verweilzeit der Anodengase auf dem Weg zum Anodenrand immer größer und damit verstärken sich die daraus resultierenden negativen Effekte.

Derartige Anoden werden aus kohlenstoffhaltigen Materialien, wie z. B. Petrolkoks und Bindemitteln, z. B. Steinkohlenteerpech hergestellt durch:

• - Intensives Mischen der Rohstoffe bei erhöhter Temperatur zu einer Paste,
• - Abformung dieser Paste in geeigneten Formen und
• - anschließendes Brennen der Formkörper bei 1200°C.

Das Abformen der leicht konischen Anoden geschieht durch Pressen oder Rütteln, mit oder ohne Anwendung von Vakuum, auf automatischen Dreh- oder Schubtischen mit planen Bodenplatten.

Während der ca. 22-30-tägigen Anodenreise, (solange bleibt eine Einzelanode, je nach Höhe im Bad, bevor sie wieder entfernt werden muß) verbrennt die Anode bis zu 75% unter Bildung eines Anodenrestes, der international als "butt" bezeichnet wird.

Nach dem Entfernen aus dem Bad wird dieser Anodenrest mechanisch aufbereitet und wieder als Rohstoff für die Anodenherstellung verwendet.

Diese butts zeigen meist eine fast einheitliche Form mit den typischen gerundeten allseitigen Begrenzungen. Sie Unterscheiden sich wie in Bild 2 dargestellt, nur durch die Ausprägung des Rundungsradius. Diese Form entsteht bereits in den ersten beiden Tagen nach dem Einsetzen der quaderförmigen neuen Anode. (Bild 8, linke Reihe). Der Anodenabbrand in dieser Zeit, bis zur Ausbildung der idealen Rundungen, wird von mehreren Einzeleffekten bestimmt. Die wichtigsten Effekte sind dabei die Gasblasen selbst, die im wesentlichen aus CO₂ und CO bestehen und sich wie bereits angedeutet, den kürzesten Weg aus dem System suchen müssen. Durch den raschen Auftrieb entstehen Wirbel und Turbulenzen im Elektrolyten, die ihrerseits den Abbrand und die Abrasion verstärken. Bei den Temperaturen im Elektrolyten von 945-965°C, ist die Reaktivität von CO₂ so groß, daß auch ein sogenannter CO₂-Abbrand der Anodenkohle stattfindet. Wie bei allen chemischen Umsetzungen, ist auch diese Umsetzung abhängig von Temperatur und der Zeitdauer der Einwirkung. Die genannten Effekte werden durch die Wirkung des elektrischen Gleichstromflußes noch verstärkt und deshalb entsteht in wenigen Tagen die nahezu ideale und fast gleichmäßige Form der Anoden, mit den typischen Rundungen, wie sie für die Anoden bis hin zu den butts, in aller Welt charakteristisch sind.

Diese fast ideale Form kann man als fluidmechanisch optimiert bezeichnen, weil sich die Anodengase immer den kürzesten Weg suchen und störende Umwege durch Beseitigung der Hindernisse verkürzt werden. Dabei stellt sich immer und sehr schnell, diese gerundete Form ein und bleibt dann erhalten bis zur Entnahme aus der Zelle. Diese Gesamtform und auch die Rundungsradien, können sich je nach der Ofen­ geometrie und den sonstigen Randbedingungen etwas unterschiedlich ausbilden, sind dann aber typisch für die jeweiligen Zellen. Im weiteren Verlauf der Ofenreise verändert sich dann nur noch die Höhe der Anode, weil sie durch den produktionstypischen Anodenverzehr stetig verkürzt wird, entsprechend der Reduktion von Al₂O₃ zu Al und der Umsetzung des abgespaltenen Sauerstoffs mit der Anodenkohle. Am Ende der Anodenreise ist dann bei minimal zulässiger Endhöhe der butt entstanden, der aus der Zelle entfernt wird und durch eine neue quaderförmige Anode ersetzt wird. (Bild 3)

Die frisch eingesetzte, kalte Anode nimmt zuerst weniger Strom auf und verbrennt deshalb etwas langsamer als die übrigen, voll im Elektrolyse-Prozeß und Strom befindlichen Anoden. Außerdem wird die neue Anode meist nicht so tief in den Elektrolyten eingetaucht, wie die aktiven übrigen Anoden. Innerhalb von 1 bis zwei Tagen hat sich die neue Anode auf die Betriebstemperatur erwärmt und übernimmt dann auch den vollen Strom wie die Nachbaranoden und dadurch gleicht sich diese Anode stetig an den üblichen Anoden-Kathodenabstand an. Oftmals wird die Anode auch entweder in Stufen oder in einem einzigen zweiten Schritt auf den richtigen Abstand gebracht.

Geschlitzte Anoden

Neuerdings werden weltweit verbesserte Ergebnisse erzielt, wenn in die Unterseite der Anoden Schlitze eingeformt werden, mit einer Breite von 20-35 mm. Die wirksame Anodenfläche wird dadurch zwar 5-8% kleiner, aber die innere Oberfläche der Schlitze ist in der Größenordnung der Anodengrundfläche. Eine der Aufgaben dieser Schlitze ist die gezielte und möglichst rasche Fortleitung der Anodengase aus dem Anodenraum, (Elektrolytraum in der Nähe der Anode, zwischen Anode und Kathode) um die genannten Nachteile zu vermeiden, oder zu vermindern. (Bild 1)

Möglicherweise sind noch andere Effekte wirksam, die aber noch genauer erforscht werden müssen. Die Höhe der Schlitze ist wichtig für die Dauer der Nutzung dieser Effekte, weil durch den Abbrand der Anode diese Schlitze entsprechend der Höhe verbrennen. (Bild 9) Tiefe Schlitze sind deshalb wünschenswert, aber sie sind verfahrenstechnisch schwerer zu realisieren, weil die formgebenden Stege dann sehr hoch werden und die Haftung mit der Anode das Ausschieben erschwert. Außerdem ist die Formstabilität durch die Schlitze, bis zum Erkalten der Anode nicht gesichert und auch während des Brennens besteht eine doppelte Gefahr im Brennofen: 1. Durch Verformung während des Aufheizens und 2. durch Abbrand danach, weil die Schlitze nicht optimal mit Füllmasse gefüllt und geschützt werden können.

Aufgabe der Erfindung

Wesentliche Verbesserung der Einsatz- und Betriebsbedingungen durch eine geänderte Anodenform, sowie Kosteneinsparungen bei der Herstellung dieser verbesserten und mit möglichst hohen Schlitzen versehenen Anoden.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen die neuen Anoden nicht wie bisher, als rechteckige Quader auszubilden, sondern

• - sofort in der idealen Form, mit allen abgerundeten Kanten und Ecken so abzuformen, daß die Unterseite der Anode der Form der idealen abgebrannten butts entspricht. (Bild 4 links und Bild 5)
• - Oder durch ein gleichseitiges Abschrägen aller Kanten in der Länge der butts-Höhe, die größten Einspareffekte, die kleinste Grundfläche, aber nicht sofort die ideale butt-Form abzuformen. Da die Anoden nach dem Einsetzen ohnedies ein bis zwei Tage benötigen, bis sie den vollen Strom aufnehmen, kann sich in dieser Zeit die ideal gerundete Form alleine ausbilden, (Bild 9) Derartig abgeschrägte Anoden entsprechen im Aussehen einem schief­ winkeligen Quader wobei die Grundfläche der Unterseite kleiner ist, als die obere Fläche, die das Originalmaß der Anode hat. (Bild 4 rechts und Bild 6)
• - Oder durch ein ungleichseitiges Abschrägen aller Kanten in größerer Länge als es der butt-Höhe entspricht, dafür aber nicht so steil einschneidend, damit eine etwas größere Grundfläche verbleibt, die eher der elektrolytisch wirksamen Grundfläche der butts entspricht. (Bild 7) Diese Anodenform erlaubt einen mittleren Einspareffekt und wird sich ebenfalls in den ersten Tagen an die ideale butt-Form anpassen, ähnlich wie in Bild 9 dargestellt.

Bild 8 zeigt schematisch, wie sich die bereits ideal gerundete Anode in den ersten Tagen nach dem Einsetzen verändert und wie sich das Aussehen der konventionellen Anode spätestens nach 100 Stunden durch Abbrand völlig angleicht. Bild 9 zeigt schematisch, die Entwicklung der Anodenform, wenn es sich um eine gleichseitig abgeschrägte Anode handelt. In diesem Fall sind auch beispielhaft die Schlitze dargestellt, die mit zunehmendem Einsatz immer kürzer werden, um dann je nach Länge vollständig durch Abbrand zu verschwinden. Auch eine Anode mit ungleichseitig abgeschrägten Kanten und Ecken wird sich ähnlich verhalten und nach spätestens 100 Stunden sehen alle Anoden nahezu identisch aus und zwar völlig unabhängig von der Ursprungsform.

Zur technischen Herstellung dieser geänderten Formkörper werden zwei unterschiedliche Verfahrensänderungen vorgeschlagen:

1. Änderungen der Bodenplatte

Die Bodenplatten erhalten dauerhaft geeignet geformte Zusatzleisten, mit den erfindungsgemäß geformten Materialanhäufungen aus Aluminium, Stahl oder Gußstahl, die den Formkörper der Anode in der erfindungsgemäßen Weise verändern und dadurch Anodenmaterial eingespart wird, das exakt dem Volumen der zusätzlichen Metallanhäufung entspricht und auch die gewünschten Schlitze mittels entsprechender Stege einformt. Je nach der verfahrenstechnisch üblichen Abformmethode der Anoden und deren Bewegung von der Bodenplatte auf die Transportstrecke, können sich zusätzliche Änderungen bei dieser Anodenabformung ergeben, weil das normale horizontale Abschieben der Anode von der Bodenplatte nun durch die vorderste erfindungsgemäße Verdickung der Bodenplatte, nicht mehr möglich ist.

Ohne Vakuum: Die vorderste Formplatte ist in Ausstoßrichtung so in der Form integriert, und so beweglich, daß diese Sparleiste nach dem Abformen automatisch von der Anode weg bewegt und dann so hochgeklappt oder geschoben wird, daß das Ausschieben der Anode wie bisher erfolgen kann. (Bild 11, 1)

Bei Anwendung von Vakuum muß diese vordere Sparleiste, als einzelnes bewegliches Formteil so präzise eingelegt werden, daß es zuerst seine Formaufgabe erfüllt und danach zusammen mit der Anode herausgeschoben wird und wie ein Keil an der Anode haftet. Wenn diese Sparleiste aus Metall gefertigt ist, dann kann man diese mittels einfacher Robotertechnik abnehmen und wieder präzise auf der dann gereinigten Grundplatte so positionieren, daß wieder der geschlossene Sparrahmen entsteht. (Bild 11, 2) ist diese Leiste jedoch erfindungsgemäß aus einem billigen Einwegmaterial wie Holz, Preßspanholz oder temperaturbeständigem Abfallkunststoff gefertigt, dann kann diese Leiste auch als Kantenschutz an der Anode verbleiben und verschwelt erst bei den hohen Brenntemperaturen im Brennofen. (Bild 11, 3)

Im ungünstigsten Fall, wenn diese vorgeschlagenen technischen Änderungen an der Anlage zu groß oder unerwünscht sein sollten, dann braucht die erfindungsmäße Änderung nicht an allen Seiten der Bodenplatte genutzt werden und die Ausstoßseite bleibt weiterhin offen, wie bisher.

In beiden Fällen ist die Reinigung der Bodenplatte etwas erschwert und läßt sich nicht mehr mit einem einfachen Besen bewerkstelligen, sondern muß in einem Zwischenschritt vor der Einfüllposition durch rotierende Bürsten und/oder Vakuum­ sauger so gereinigt werden, daß kein Anodenmaterial an diesen Sparleisten haftet.

2. Verwendung eines kompletten Grundrahmens

Besonders im Fall der Abformung unter Rütteln und Vakuum, wird die Ausbildung eines kompletten neuen Grundrahmens als Form vorgeschlagen, der entweder nach dem Erkalten von der Anode durch Abheben getrennt wird und immer wieder verwendet wird, oder als verlorene Form die Anode bis in den Brennofen stabilisiert und dauerhaft schützt und erst dort entsprechend den gewählten Materialeigenschaften bei den Brenntemperaturen fast rückstandslos verschwelt.

Insbesondere wenn sich zeigt, daß die frischgeformten, heißen Anoden, wegen der Rezeptur, der hohen Massetemperatur, der neuen verminderten Standfläche, oder wegen der fangen Schlitze, während des Kühlvorganges ihre Form wegen fehlender Formstabilität ändern, dann wird der erfindungsgemäß vorgeschlagene komplette Rahmen aus billigem, verschwelbarem Material, als verlorene Form anzuwenden sein, der dann natürlich auch die entsprechenden Stege für das Einformen der gewünschten Schlitze aufweist.

Geeignete Materialien für diese verlorene Form sind alle preiswerten, kohlenstoffhaltigen Materialien,

• - die sich aus billigen Rohstoffen, am besten aus Produktionsresten, oder Abfällen der Holz- Papier oder Kunststoffindustrie durch einfaches Mischen mit Bindemitteln durch Formgießen oder Pressen, so herstellen lassen, daß sie formstabil bei den betriebsbedingten Temperaturen und Drücken ihre Aufgabe als Form für die gewünschten Formänderungen erfüllen können. Geeignet sind z. B. Preßspanholz, Sekundärkunststoffe oder Ähnliches.
• - Der daraus hergestellte Rahmen muß ausreichende Elastizität und Dichtheit haben, damit sich dieser Rahmen allseitig so an die Bodenplatte und die Form anpaßt, daß eine wesentlich bessere Dichtheit erreicht wird und auch kein Material zwischen Rahmen und Form gelangen kann. (Bild 10)
• - Der Rahmen schützt die Anode während des Kühlvorganges und während der Erwärmung im Brennofen als mechanische Stütze und erlaubt so eine wesentlich höherer Ausbildung der Schlitze und wird
• - Bei der Brenntemperatur wird er vollständig verschwelt und hinterläßt keine Rückstände, bis auf etwas Asche.

Ermittlung der idealen Formen

Die für jeden Ofentyp und Anwendungsfall günstigste Form, wird ermittelt durch die Erfassung von möglichst vielen unterschiedlichen butts. Das gelingt im einfachsten Fall durch Vermessen und Verwegen, kann aber durch Anwendung von bildtechnischen Auswertemethoden (Bildverarbeitung) verfeinert werden. Durch eine Unterscheidung von butts aus optimal arbeitenden Öfen, mit solchen aus gestörten Öfen, kann man zusätzliche Informationen über die vorteilhafteste Formausprägungen gewinnen. Die so ermittelte Form wird dann zur Standardform, die der Bodenplatte, bzw. dem Rahmen die für den verwendeten Elektrolyseofen, ideale Form gibt.

Die verschiedenen Möglichkeiten zwischen der idealen Rundung und der gleichseitig abgeschrägten Form bis zur ungleichseitig abgeschrägten neuen Form ist zweidimensional in Bild 5 bis Bild 7 dargestellt. Kombiniert werden diese Formen mit den als ideal erkannten Schlitzen in Ausrichtung, Schlitzbreite und Schlitzhöhe.

Sollten sich bei der wissenschaftlichen Auswertung der butts, mittels Bildverarbeitung, neue Erkenntnisse z. B. über ein ofentypisches asymmetrisches Abbrandverhalten der Anoden, bzw. butts ergeben, dann kann man entweder diese Erkenntnisse für die Gestaltung der idealen Bodenplatten verwenden, oder die Ursache dafür in der Zelle suchen und eliminieren. Ist z. B. die Anode zum Rand oder zur Mittelgasse hin weniger oder stärker abgebrannt, dann kann auch diese Erkenntnis genutzt werden zur Herstellung von asymmetrischen Anoden, denn offensichtlich findet diese asymmetrische Ausprägung selbsttätig statt. Dies gilt natürlich, sowohl für die ideal gerundete, als auch für die abgeschrägten Anoden aller Art. Beispielhaft ist dies in der Draufsicht in Bild 7 dargestellt. Das Ziel muß immer sein, die neuen Anoden bereits mit der größtmöglichen Ähnlichkeit mit der, der idealen Form der butts entsprechenden Geometrie zu fertigen.

Die aus der Auswertung der butts gewonnenen Erkenntnisse werden auch auf die Gestaltung der übrigen Form angewendet, da es wenig Sinn macht die scharfen Kanten des Quaders bis zur Oberseite auszubilden, wenn bereits die Unterseite ideal gerundet ist.

Diese Abrundung oder Abschrägung aller Kanten, erlaubt nicht nur eine weitere Materialeinsparung, sondern auch ein leichteres Ablösen der etwas konischen Form von der Anode nach dem Rüttelvorgang.

Sofern bisher schon sog. Sparköpfe abgeformt werden, d. h. bereits die Abschrägungen der Anodenoberseite angewendet werden, dann ist das auch weiterhin anzuwenden, denn auch hier eine Materialersparnis möglich.

Vorteile

In allen beschriebenen Fällen erhält man Anoden, die folgende Vorteile aufweisen:

• - Das nicht mehr für die Ausfüllung der Ecken und Kanten verwendete Anoden­ material wird direkt eingespart und braucht auch nicht gebrannt zu werden.
• - Anoden, die auf diese Weise hergestellt sind und eine optimierte Form aufweisen, erlauben beim Einsatz in der Elektrolysezelle, den an der Unterseite entstehenden Anodengasen sofort die günstigste Ableitung auf dem idealen und kürzesten Weg, bei minimaler Verweilzeit aus dem Anodenraum und entsprechend der Schlitzhöhe auch noch lange Zeit danach.
• - Der nicht mehr vorhandene, bisher schon überflüssige Materialanteil,
• - muß nicht mehr zusätzlich verbrennen,
• - kann auch nicht mehr wie bisher die Gasableitung behindern und
• - kann auch nicht den Prozeß durch verstärkt absandendes, grobkörniges Anodenmaterial stören.
• - Die spezifische CO₂ Emission in die Umwelt wird dadurch ebenfalls verringert, weil mit jeder ersparten Tonne Anodenkohle, etwa 3,6 Tonnen CO₂ eingespart werden.
• - Die Vorteile der Schlitze können sehr lange genutzt werden, weil bei der Verwendung der verlorenen Form, extrem tiefe Schlitze eingeformt werden können.
• - Je nach der Materialwahl, liefert der abschwelende Rahmen noch einen Energiebeitrag, für das Brennen.

Die mit der erfindungsgemäßen Formgebung der Anoden erzielbaren Vorteile lassen sich in drei Gruppen zusammenfassen:

1. Bei der Anodenherstellung

Die optimal gerundeten, oder durch Abschrägen veränderten und geschlitzten Anoden, benötigen weniger Material für die Herstellung und weniger Energie beim Brennen, entsprechend dem durch die Rundung, bzw. Abschrägung entfallenen Materialanteils. Das ersparte Material kann je nach Anodengröße und der Dichte der Anoden zwischen 30 und 100 kg pro Anode ausmachen, das sind bis zu 60 kg/t erzeugtem Aluminium. Damit vermindern sich gleichzeitig die Herstellkosten und die Herstellkapazität für Anoden erhöht sich. Bei der Anwendung der verlorenen Form aus verschwelbarem Material, wird die Anode vom Ausformen bis zum Brennen dauerhaft geschützt und dadurch weniger Ausschuß erzeugt.

2. Beim Einsetzen der Anoden in den Ofen

Die optimal gerundeten, oder abgeschrägten Anoden lassen sich bei den meist sehr engen Platzverhältnissen in der Elektrolysezelle wesentlich leichter in das Bad einsetzen, als die rechteckigen Quader mit der größeren Grundfläche und den spitzen Ecken. Außerdem können, eventuell vorhandene Elektrolyt brocken leichter unter der frisch gesetzten Anode heraus schwimmen und entfernt werden ohne Störungen zu verursachen.

3. Während des Betriebes in der Elektrolysezelle

Die erfindungsgemäß geformte leichtere Anode benötigt nicht soviel Energie zum Aufheizen und wird darum die Betriebstemperatur schon allein, wegen des verminderten Gewichtes rascher erreichen. Die ideal gerundete oder abgeschrägte und geschlitzte Anode erlaubt den Gasblasen sofort das raschere Verlassen der Anodenoberfläche und die Zeit für mögliche Reaktionen ist verkürzt und das Angebot an überschüssigem Anodenmaterial minimiert. Die bisher üblichen Störungen durch den Abbrand des überschüssigen Anodenmaterials bis zur Idealform, entfallen und das erleichtert natürlich den ungestörten Dauerbetrieb. Diese bislang im Überschuß vorgehaltenen Materialien verbrennen nämlich viel rascher, als sie dem reinen Reduktionsvorgang entsprechen, häufig genug sogar unter Bildung von groben Brocken und abgesandetem Kohlenstaub, der seinerseits gefährliche Spitzen bilden kann, mit den bekannten Nachteilen.

Die gerundete oder abgeschrägte und geschlitzte Anode weist außerdem eine um bis zu 50% kleinere Grundfläche aus, als die quaderförmige, konventionelle Anode, dadurch ist die anodische Stromdichte nach dem Einsetzen entsprechend höher und durch die höhere "Ohmsche Wärme", verkürzt sich die Zeit bis zum Erreichen des idealen und dauerhaften Anoden/Kathodenabstandes noch weiter. Dieser Umstand muß auch günstige Auswirkungen auf die Stromausbeute haben, weil sich der normale Anpassungsvorgang, vom Einsetzen der kalten Kohle bis zur Betriebstemperatur bei dem richtigen Abstand, durch die erfindungsgemäße Form signifikant verkürzen läßt.

Alle Effekte zusammen ergeben sehr schnell einen deutlich meßbaren Gesamtnutzen, der sich aus den fünf Einzelbeiträgen zusammensetzt und nur im Fall der verlorenen Formen, durch deren Herstellaufwand gemindert wird:

1. Erspartes Material

Rund 2-14% bezogen auf das Anodengewicht, je nach

• - Ausprägung der Rundung, bzw. der Abschrägung, sowie
• - Der Schlitzhöhe und Breite. (Wobei speziell diese Einsparungen durch eine größere Zahl von Anoden kompensiert werden muß).
• - Weniger Ausschußanoden durch unkontrollierte Verformung.
• - Der spezifische Anodenverbrauch pro Tonne Aluminium wird sich um mindestens 15 kg senken lassen, aber auch größere Verbesserungen sind möglich, je nach der gewählten Abschrägung, weil die echten erzielbaren Verbesserungen abhängen von
• - den Zellenbedingungen, von dem
• - als ideal ermittelten Krümmungsradius der Rundungen, bzw. von
• - den, der idealen Rundung, ähnlichsten Abschrägungen.
  Grundsätzlich gilt: Je größer der ideale Krümmungsradius oder die entsprechende ideale Abschrägung, um so größer sind die ersparten Materialanteile und damit der betriebswirtschaftliche Vorteil!
• - Weitere prozeßtechnische Vorteile werden sich positiv auf den gesamten Anodenverband auswirken, weil durch das Glätten der Betriebsbedingungen und die Vergleichmäßigung des Betriebsablaufes weniger Störungen auftreten, bei denen sonst zusätzlicher unnötiger Anodenabbrand stattfindet.

Anodenkohle muß nur in dem Umfang und in der Form im Elektrolyseprozeß angeboten werden, wie sie für die Reduktion von Tonerde zu Aluminium und Sauerstoff praktisch benötigt wird. Jeder Überschuß ist schädlich!

2. Ersparte Energie

Sie liegt in der Größenordnung, des

• - nicht erzeugten Materialanteiles beim Herstellen der Anoden, also bei < 2%.
• - Dazu kommen noch die Vorteile bei der Anwendung in der Zelle, wegen der verminderten, bzw. vermiedenen Störungen,
• - Der rascheren Ableitung, der elektrisch schlechter leitfähigen Gasblasen,
• - Dem früheren Erreichen der Betriebstemperatur, wegen der höheren elek­ trischen Leitfähigkeit, bedingt durch die Temperaturanomalie des Kohlenstoffs.

3. Einfacheres Einsetzen

Selbst wenn sich pro Anode nur 20 Sekunden sparen lassen, weil die Unterseite kleiner und leichter einsetzbar ist, und die störenden Elektrolytbrocken leichter entfernt werden können, dann summiert sich das bei den vielen Anoden, die täglich gewechselt werden müssen - zu mehreren Stunden.

4. Höhere Stromausbeute

Die üblichen Betriebsstörungen beim Einsetzen einer neuen Anode dauern je nach den Randbedingungen und der Stromstärke bis zu 48 Stunden. In dieser Zeit erwärmt sich die Anode langsam auf die Betriebstemperatur und der normale Anoden-Kathoden-Abstand von rund 45 mm wird durch Abbrand und/oder stufenweises Nachsetzen erreicht. Die ideal gerundete, oder abgeschrägte und geschlitzte Anode, hat sofort eine etwas höhere anodische Stromdichte (wegen der kleineren wirksamen Fläche) und wird deshalb rascher auf Temperatur und rascher auf die Arbeitsdistanz gebracht. Schon beim Einsetzen ist die wirksame Anodenfläche bis zu 60% kleiner, als die bisherige Anode, je nach dem Krümmungsradius oder der Abschrägung, sowie der Schlitzbreite. Damit wird sich diese normale Störung nach dem Einsetzen der kalten Anode wesentlich rascher abbauen lassen. Das heißt, der Zeitgewinn liegt im Bereich von Stunden und darum muß auch die gesamte Stromausbeute besser werden und der Spannungsverlust etwas sinken, weil die Gasblasen mit der relativ schlechten Leitfähigkeit viel rascher die Anode verlassen und nicht so lange den Spannungsabfall erhöhen können.

5. Ersparte CO₂-Emission

Der geringere Anodenverbrauch reduziert auch die Emission von CO₂, dem für die Klimaveränderung verantwortlichem Treibhausgas. Das ist derzeit "nur" eine Verbesserung für die Umwelt, aber sobald es die Zertifikate für CO₂, als Erlaubnis für das Emittieren von CO₂ gibt, wird entweder dieser Anteil bei anderen Prozessen berücksichtigt, oder er kann direkt zum Tagespreis verkauft werden.

Zusammenfassung der Vorteile

Selbst bei sehr konservativer Betrachtungsweise, kann man aus diesen fünf Vorteilen einen Deckungsbeitrag errechnen, mit dem sich die relativ geringen Investitionen für die Änderungen an der Bodenplatten sehr rasch amortisieren und ein sehr attraktiver Nutzen verbleibt. Je nach dem gewähltem geeigneten Material und den Herstellkosten für die verschwelbaren, verlorenen Grundrahmen, sind das zwar relevante Zusatzkosten, aber sie erhöhen auch den Gesamtnutzen aller erfindungsgemäßen Maßnahmen noch weiter.

Erste Versuche mit schräg geschnittenen Anoden, können sehr rasch und bereits ohne Änderung der Grundformen, einige der genannten Erfolge bestätigen. Dabei ist der Aufwand zwar etwas größer aber der nutzbare Erfolg am schnellsten meßbar.

Beispiel

Die weltweit verwendeten vorgebrannten Anoden unterscheiden sich in Abhängigkeit von der Stromstärke sehr deutlich in den Abmessungen, und damit auch in der Masse. Eine zusätzliche Veränderliche ist die gebrannte Dichte, weil je nach der Abformtechnik und der Rezeptur Dichten zwischen 1,5 und 1,65 kg/dm³ üblich sind.

Eine beispielhafte, oftmals verwendete Anode, hat die folgenden Abmessungen und Daten: Länge: 1,4 m, Breite: 0,79 m, Höhe: 0,67 m. Gewicht: ca. 1150 kg. Mit den vorgeschlagenen idealen Rundungen lassen sich etwa 30 kg Material einsparen, wenn die butt-Höhe nur 140 mm beträgt.

Mit einer gleichseitigen Abschrägung in der Länge der butt-Höhe, beträgt die Materialeinsparung bereits 63 kg.

Wird die ungleichseitige Abschrägung angewendet, dann beträgt die Materialeinsparung ca. 50 kg.

Die weitere Materialeinsparung durch die Schlitze beträgt bei einer Höhe von 300 mm und einer Breite von 30 mm ebenfalls 40 kg. Aber dieses Material muß durch eine höhere Anodenzahl ausgeglichen werden, weil es sich hierbei nicht um direkte Einsparungen handelt, die sich im vollen Umfang auf den spezifischen Verbrauch auswirken, sondern nur im Rahmen der verbesserten Stromausbeute meßbar sind.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung von Anoden für die schmelzflußelektrolytische Gewinnung von Aluminium, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden nicht wie bisher als rechteckige Quader abgeformt werden, sondern entweder so abgeformt werden, daß sie bereits die idealen Rundungen aufweisen, wie sie dem Anodenrest (butt) entsprechen, bzw. wie sie sich bereits nach zwei Tagen durch Abbrand und Erosion einstellen, oder durch ein allseitiges Abschrägen der Kanten, wodurch im unteren Teil, ein schiefwinkeliger Quader entsteht, dessen kleinere Fläche die Grund- und Standfläche der Anode darstellt, sowie die anderen Kanten und Ecken der Anode durch Veränderung der Form ebenfalls alle gerundet oder abgeschrägt werden bis hin zur Oberseite der Anode, wobei diese Formänderung der Form und insbesondere der Bodenplatte erreicht werden, mittels eines kompletten Rahmens, bestehend aus den geeigneten Sparleisten und den Stegen für die Ausbildung der Schlitze, entweder aus Metall, oder aus einem geeigneten verschwelbaren Material, wobei diese verlorene Form die Anode formt und solange mechanisch schützt, bis das Formmaterial im Brennofen vollständig verschwelt ist.

2. Verfahren zur Herstellung von Anoden für die schmelzflußelektrolytische Gewinnung von Aluminium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die für den jeweiligen Ofen typische und häufigste butt-Form ermittelt wird, und zwar durch die exakte Erfassung und Auswertung der Anodenreste aus den optimal arbeitenden Zellen, mittels Vermessung, Wägung und bildtechnischer Aufnahme, (Bildverarbeitung) zur Ermittlung der für den jeweiligen Ofentyp idealen Form, aber auch zum Sammeln von weiteren Erkenntnissen, wie z. B. ob symmetrischer, oder eventuell asymmetrischer Abbrand der Anoden vorliegt, mit dem Ziel diese gesammelten Erkenntnisse zusammen mit den bekannten Vorteilen der eingeformten Schlitze, anzuwenden auf die Herstellung von Anoden, mit den für den jeweiligen Ofentyp günstigsten Formen, um die daraus resultierenden günstigsten Betriebsergebnisse zu nutzen.

3. Vorrichtung zur Herstellung von Anoden für die schmelzflußelektrolytische Gewinnung von Aluminium, nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß durch den Aufbau von Sparleisten und Stegen auf der Bodenplatte, entsprechend den ermittelten idealen Rundungen, eine Anode hergestellt wird, die bereits die ideale butt-Form aufweist und auch die Schlitze enthält, aber auch asymmetrisch ausgebildet sein kann, sofern dies die ideale Form sein sollte, damit sich alle Vorteile dieser idealen und sehr betriebsnahen Form im vollen Umfang nutzen lassen.

4. Vorrichtung zur Herstellung von Anoden für die schmelzflußelektrolytische Gewinnung von Aluminium, nach dem Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Aufbau von Sparleisten und Stegen auf der Bodenplatte eine Anode mit allseitig gleichseitig abgeschrägtem Anodenunterteil und Schlitzen entsteht, wobei die abgeschrägte Höhe gleich der butt-Höhe ist, und die Abschrägungen bei der Lang- und Breitseite der Anode genauso lang sind, wie die ideale butt-Höhe und damit der rein geometrischen Grundfläche der ideal gerundeten Anode entspricht, wobei diese Geometrie die höchste Materialersparnis erlaubt, und zwar auch dann, wenn sie asymmetrisch gestaltet ist, sofern sich solche Anoden als günstig erweisen sollten.

5. Vorrichtung zur Herstellung von Anoden für die schmelzflußelektrolytische Gewinnung von Aluminium, nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Aufbau von Sparleisten auf der Bodenplatte ein ungleichseitig abgeschrägtes Anodenunterteil entsteht, wobei die abgeschrägte Höhe etwas größer ist als die ideale butt-Höhe, dafür aber die Abschrägung der Lang- und Breitseite der Anode nur so lang sind wie bei der ideal gerundeten Anode und damit die Grundfläche ähnlich groß wird, wie bei der ideal gerundeten Anode, bzw. butt, wenn nur die für den Stromfluß wirksame Grundfläche berücksichtigt wird, und zwar auch dann, wenn sie asymmetrisch ist und Schlitze aufweist.

6. Vorrichtung zur Herstellung von Anoden für die schmelzflußelektrolytische Gewinnung von Aluminium nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sparleisten und die Form selbst, so ausgebildet sind, daß alle Ecken und Kanten der Anode durch die geänderte Form so gerundet, oder abgeschrägt werden, daß damit das Abformen und auch das Ablösen aus der Form erleichtert wird und dadurch ein weiterer zusätzlicher Materialeinspareffekt eintritt.

7. Verfahren zur Herstellung von Anoden für die schmelzflußelektrolytische Gewinnung von Aluminium nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abformprozeß für die Anoden so geändert wird, daß sich die Anoden trotz der erfindungsgemäßen Sparleiste noch von der Grundform trennen lassen, wobei die vordere den Ausschub behindernde Sparleiste nur präzise eingepaßt und soweit beweglich ist, daß sie beim Herausschieben der Anode zusammen mit dieser ausgeschoben und wiederverwendet wird, sofern es sich um Stahl handelt oder als Einwegleiste, z. B. aus Holz oder ähnlichen Materialien, mit der Anode in den Brenn­ ofen wandert und dort verschwelt wird, sofern dies aber nicht erwünscht ist, kann die Sparleiste an der Ausstoßseite entfallen und der Ausstoß wie bisher erfolgen.

8. Verfahren zur Herstellung von Anoden für die schmelzflußelektrolytische Gewinnung von Aluminium nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abformprozeß für die Anoden, insbesondere bei der Anwendung von Vakuum beim Rütteln, so geändert wird, daß ein Rahmen verwendet wird der alle für die Formänderungen, inklusive der Stege für die Schlitze notwendigen Material­ anhäufungen aufweist und aus formstabilem Metall, wie z. B. Aluminium, Stahl oder Stahlguß besteht, das bei den Druck- und Temperaturbedingungen beim Rütteln formstabil die Anoden in der geänderten Weise abformt, während des Kühlens die Anode noch mechanisch schützt und erst nach dem Erkalten die Anode abgehoben wird, danach der Grundrahmen gereinigt und wieder verwendet wird.

9. Verfahren zur Herstellung von Anoden für die schmelzflußelektrolytische Gewinnung von Aluminium nach Anspruch 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß das Material für den Grundrahmen als verlorene Form aus einem billigen, kohlenstoffhaltigen Material, insbesondere aus Produktionsrückständen der Kunststoff- Holz- und Papierindustrie besteht, aus denen die gewünschten Rahmen unter Zugabe geeigneter Bindemittel, so formstabil mit einem Automaten gepreßt, gegossen oder gespritzt werden, daß sie bei den Druck- und Temperatur­ bedingungen beim Rütteln formstabil ist und die Anode beim Kühlen, beim Transport in den Brennofen und auch während des Aufheizens dauerhaft schützt und erst bei der Brenntemperatur fast rückstandslos verschwelt.