DE1136121B - Aluminiumelektrolyseofen und Verfahren zu dessen Betrieb - Google Patents

Description

In dem Bestreben, die Wirtschaftlichkeit der Erzeugung von Hüttenaluminium durch Schmelzflußelektrolyse weiter zu verbessern, hat man die Aluminiumöfen in den letzten Jahrzehnten für immer höhere Stromstärken gebaut und die für den Betrieb der Öfen erforderlichen Arbeitsvorgänge mehr und mehr mechanisiert.

So hat man z. B. bei den Öfen mit selbstbackenden Söderberganoden den Transport der frischen Kohlemasse und ihr Aufbringen auf die Anode weitgehend mechanisiert und dazu verschiedene Chargierungsmethoden sowie die entsprechenden Einrichtungen und Hilfsmittel entwickelt.

Ebenso hat man bei Aluminiumelektrolyseöfen, die mit vorgebrannten Anoden betrieben werden, insbesondere den Transport der neu in den Ofen einzusetzenden Anoden und der aus dem Ofen zu entfernenden Anodenreste mit der Zeit mehr und mehr mechanisiert.

Auch hat man verschiedene Vorrichtungen für das Ziehen und das Setzen der seitlichen oder vertikalen Stromzuführungsbolzen der selbstbackenden Anoden entwickelt.

Besonders aber ist die Arbeit des Einstoßens der Kruste auf dem Schmelzfluß im Aluminiumelektrolyseofen sowie das Auftragen der Tonerde nach erfolgtem Einstoßen und Wiedererhärten der Oberfläche des Ofenflusses weitgehend mechanisiert worden.

Bekanntlich wird die Kruste der Öfen, auf die jeweils die Tonerde aufgetragen wird, eingeschlagen, wenn der Ofen den Anodeneffekt zeigt, d. h., wenn der Ofenfluß so weit an Tonerde verarmt ist, daß eine Passivierung der Anode eintritt, wodurch sich die Spannung des Ofens um ein Mehrfaches der normalen erhöht. Man spricht auch von einem »Zünder« oder einem »Zünden«. Durch das Einschlagen der Kruste wird die Konzentration des Ofenflusses an Tonerde erhöht und der Anodeneffekt beseitigt. Auch zwischen zwei aufeinanderfolgenden Anodeneffekten wird die Kruste des Aluminiumelektrolyseofens im allgemeinen noch ein oder mehrere Male eingestoßen, damit die Anzahl der Anodeneffekte verringert und ein möglichst kalter Ofengang erzielt wird.

Diese Arbeit wurde früher von Hand mittels Stoßstangen ausgeführt. Seit einigen Jahrzehnten werden hierfür meist mit Preßluft angetriebene Krusteneinschlagmaschinen benutzt, die fahrbar sind, mit Menschenkraft bedient werden und mit denen die Öfen (d. h. deren Krusten) der Reihe nach eingeschlagen werden.

Aluminiumelektrolyseofen
und Verfahren zu dessen Betrieb

Anmelder:

Aluminium-Industrie-Aktien-Gesellschaft,
Chippis (Schweiz)

Vertreter: Dr. K. Schwarzhans

und Dipl.-Chem. Dr. phil. E. Jung, Patentanwälte,

München 19, Romanplatz 9

Beanspruchte Priorität:
Schweiz vom 29. Dezember 1959 (Nr. 82 386)

Dipl.-Ing. Johannes Schmitt, Rheinfelden (Bad.),

und Dr. Paul Müller, Küsnacht, Zürich (Schweiz),

sind als Erfinder genannt worden

Nach dem Einstoßen der Kruste wird, sobald die Oberfläche des Ofenflusses wieder erstarrt ist, Tonerde aufgetragen. Auch das Auftragen der Tonerde wurde früher von Hand unter Verwendung von tragbaren Kübeln, in welche Tonerde aus größeren Behältern eingefüllt wurde, vorgenommen. Heute wird die Tonerde durch mechanische Transportmittel,

z. B. in über den Öfen angebrachte Vorratsbehälter, befördert, von wo sie auf die Ofenkruste gelangt.

Trotz der Anwendung dieser mechanischen Hilfsmittel für das Einstoßen der Ofenkruste und das Auftragen der Tonerde ist der Arbeitsaufwand für letztere Operationen auch heute im allgemeinen immer noch verhältnismäßig hoch im Vergleich zum Arbeitsaufwand für das Chargieren der Söderberganoden, das Auswechseln der Blockanoden und das Ziehen und Stecken der Stromzuführungsbolzen. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Krusten der Öfen verhältnismäßig häufig (etwa jede 2. bis 4. Stunde) eingeschlagen und entsprechend oft mit Tonerde chargiert werden müssen, und daß heute noch sowohl für die Steuerung der Krusteneinschlagmaschinen als auch für das Füllen und Entleeren der Tonerdebehälter menschliche Arbeitskraft angewandt wird.

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Bei den Öfen mit vorgebrannten Kohleelektroden wird die Kruste am Rande des schmelzflüssigen Bades eingeschlagen, aber auch zwischen den einzelnen Elektroden, so daß der Ofenfluß gut durchgerührt wird. Bei Aluminiumöfen mit Söderbergelektrode deckt die Elektrode den ganzen Mittelteil des Bades, so daß die Elektrolytschicht weniger zugänglich ist und nur am Umfang der Elektrode gearbeitet werden kann, wo die Kruste immer sehr dick und

Bodenbelag bilden. Hierdurch wird der aus den Anoden in den Ofenfluß fließende Strom nach den äußeren Längsseiten des Ofens abgedrängt, der Ofen fängt an »hohlzugehen«, d. h., der auf den Wannenwänden erstarrte Elektrolytbelag und schließlich auch der Kohlerand werden in ihrem unteren Teil ausgehöhlt, wodurch die Stromausbeute erfahrungsgemäß mit der Zeit erheblich absinkt; man erhält Werte für die Stromausbeute, die höchstens 87%

der Söderbergelektrode vorzusehen oder diese aus zwei im Querschnitt halbrunden Teilen zusammenzusetzen, die voneinander durch einen Zwischenraum getrennt sind.

Es sind auch Öfen bekannt, die mit zwei Reihen eng aneinandergerückter vorgebrannter Anodenblöcke ausgerüstet sind, welche so angeordnet sind, daß in der Längsachse des Ofens ein Zwischenraum

fest ist. Es wurde daher in der deutschen Patent- io betragen.

schrift 638 470 vorgeschlagen, Arbeitsöffnungen in Zur Beseitigung der genannten Nachteile werden

diese Öfen bekanntlich mit besonders schmalen Kohlerändern ausgeführt und der Abstand zwischen den Anoden vom Kohlerand so gering wie möglich 15 gehalten. Auf diese Weise erfolgt eine erhebliche Abkühlung des Bades an den Längsseiten, die Kohleränder bedecken sich innen mit einer dünnen erstarrten Flußkruste, die elektrisch gut isoliert und die bewirkt, daß der Strom aus den Anoden zunächst vorzwischen den Anodenreihen verbleibt, über dem Ton- 20 wiegend in senkrechter Richtung austritt. Mit der erdebehälter angeordnet sind, aus denen durch Bildung des vorerwähnten Bodensatzes in der Mitte Handbetätigung eines Griffes Tonerde portionsweise des Ofens wird jedoch die seitliche Stromstreuung an auf die Ofenkruste in dem genannten Zwischenraum den äußeren Anodenecken mit der Zeit immer gröabgelassen werden kann. In der Mitte sind auf den ßer, so daß die Kohleränder der Öfen dennoch verbeiden Stirnseiten der Kathodenwanne Rollen ange- 25 hältnismäßig schnell ausgehöhlt werden. Auf diese bracht, auf denen von beiden Stirnseiten her lange Erscheinung ist es zurückzuführen, daß die Katho-Stangen bis zur Ofenmitte hin und her bewegt wer- denwannen dieser Öfen häufig, und zwar mindestens den können, die an den nach dem Ofeninnern wei- alle IV2 Jahre, ausgewechselt oder erneuert werden senden Enden abgekröpft und außen mit einem müssen, wenn Wert darauf gelegt wird, daß die Öfen Handgriff versehen sind; mittels dieser Stangen wird 30 weiter mit günstigen Betriebsergebnissen arbeiten, die Ofenkruste in dem Zwischenraum zwischen den Vergleichsweise sei erwähnt, daß das Lebensalter der

Anodenreihen von Hand eingestoßen und auf diese Weise die auf der Kruste aufliegende Tonerde in den Ofenfluß eingebracht. Nach dem Einstoßvorgang wird eine neue Portion Tonerde aus den Tonerdebehältern auf die neu gebildete Kruste in dem erwähnten Zwischenraum abgelassen.

Bei den obengenannten bekannten Ofentypen erfolgt also das Einschlagen der Krusten von Hand,

Kathodenwannen von Öfen, die normalerweise an den Außenseiten bedient werden, etwa 3 bis 4 Jahre beträgt.

Es wurde auch bereits vorgeschlagen, das Einbrechen der Kruste zu automatisieren. So wird in der deutschen Patentschrift 895 379 vorgeschlagen, in der Mitte des Ofens eine rotierende Walze mit Arbeitszähnen aus warmfestem Material, wie Quarz,

ebenso werden die Tonerdebehälter über den Öfen 40 keramischer Spezialmasse od. dgl. anzuordnen. Bei von Hand bedient. jedem Anodeneffekt soll die Spannungserhöhung eine

Diese Ofentypen weisen, obwohl damit verhältnis- gleiehstromvormagnetisierte Regeldrossel derart bemäßig günstige Betriebsergebnisse erzielt werden, er- einflussen, daß der über diese Drossel gespeiste Anhebliche Nachteile auf. Der Arbeitsaufwand für das
Einstoßen der Kruste ist besonders hoch. Den Zwischenraum zwischen den Anodenreihen muß man

verhältnismäßig eng halten, um nicht Gefahr zu laufen, daß sich im Ofen zwei voneinander unabhängige Metallsümpfe bilden. Infolgedessen muß auch die

triebsmotor die Rührvorrichtung in Gang setzt. Diese Vorrichtung weist aber den Nachteil auf, daß sie in der Mitte des Ofens sehr viel Platz beansprucht. Außerdem bleibt mindestens ein Zahn während der Arbeitspausen immer in der Elektrolytschmelze eingetaucht, so daß diese Walze aus einem Material be

Menge an Tonerde, die jeweils beim Einstoßvorgang 5° stehen muß, das dem bei der Arbeitstemperatur von

in den Ofenfluß gelangt, relativ gering gehalten werden.

Obwohl der von Hand ausgeführte Einstoßvorgang bei den bekannten Ofentypen mit vorgebrannten Anodenblöcken zuweilen verhältnismäßig oft, sogar alle 2 Stunden und außerdem noch beim Anodeneffekt erfolgt, ist es nicht zu vermeiden, daß häufig eine stark ungleichmäßige Verteilung der in den Ofenfluß gelangenden Tonerde über die gesamte

Länge des Raumes zwischen den beiden Anoden- 60 mit ihnen günstigere Betriebsergebnisse erzielt werreihen erfolgt. So kommt es oft vor, daß mit Tonerde den können. Sie können auch in bezug auf das Einzu stark angehäufte Krustenstüeke in den Ofenfluß schlagen der Kruste und die Chargierung der Tongelangen. Bekanntlich ist die Dichte des Ofenflusses erde vollautomatisch betrieben werden, so daß also mit hohem Tonerdegehalt größer als die des flüssigen ein großer Teil an Arbeitskraft, der zur Zeit noch für Metalls. Die Krustenstüeke mit hohem Tonerdegehalt 65 den Betrieb der Aluminiumelektrolyseöfen aufgesinken daher auf den Boden in den Zwischenräumen wendet wird, praktisch völlig entfällt. Die sonstigen zwischen den beiden Anodenreihen, wo sie mit der bei Söderbergöfen erforderlichen Arbeitsprozesse, Zeit einen äußerst festen, elektrisch isolierenden z. B. das Auftragen der Söderbergmasse auf die

ungefähr 900° C sehr stark angreifenden Huoridelektrolyten widersteht. Solche Materialien sind nicht nur sehr teuer, sondern auch zerbrechlich, was einen weiteren Nachteil dieser Konstruktion darstellt.

Die vorgenannten Nachteile der bisherigen Öfen werden bei der Ofenkonstruktion gemäß Erfindung vermieden. Außerdem arbeiten die erfindüngsgemäßen Öfen mit günstigerer Spannung und höherer Stromausbeute als die bekannten Ofentypen, so daß

stoßvorgang fällt die auf der Kruste lagernde Tonerde in den Ofenfiuß, wodurch die Konzentration des Flusses an Tonerde erhöht wird. Über den Einstoßhebeln in dem Raum zwischen den Anodenhälften 5 ist ein Tonerdebehälter angeordnet, der in seinem Boden Auslauföffnungen enthält. Das Austragen der Tonerde geschieht zweckmäßigerweise nach folgendem Verfahren: Die Tonerde ruht im Vorratsbehälter auf einem porösen Boden und kann mittels Luft,

Anoden, das Ziehen und Setzen der Bolzen, werden auch bei den Öfen gemäß Erfindung in bekannter Weise unter weitgehender Verwendung maschineller Hilfsmittel durchgeführt.

Die Erfindung bezieht sich nun auf einen Ofen für
die Herstellung von Aluminium durch Schmelzflußelektrolyse, dessen Anodenbereich in Hälften geteilt
ist, zwischen denen ein schmaler Zwischenraum verbleibt. In diesem Zwischenraum ist eine maschinenangetriebene, im wesentlichen in vertikaler Richtung io die durch die Platten gedruckt wird, aufgelockert wirkende und über die ganze Länge des Anoden- werden, so daß ihr Fließvermögen erhöht wird und bereiches reichende Krusteneinschlagvorrichtung an- sie aus den Öffnungen des Behälters in gleichmäßigem geordnet. Als Anodenbereich wird dabei die Hori- Fluß ausläuft. Das Auslaufen der Tonerde kann auch zontalfläche verstanden, über die sich die Anode im in anderer Weise bewirkt werden, z. B. durch Betäti-Falle von Öfen mit einer selbstbackenden Anode er- 15 gung von Schleusenverschlüssen, streckt oder die von den Anoden und deren Zwi- Nach erfolgtem Einschlagvorgang wird ein genau schenräumen im Falle von mehr als zwei selbst- dosierter Teil der Tonerde aus dem Vorratsbehälter, backenden oder vorgebrannten Anoden überdeckt vorzugsweise durch automatische Betätigung der wird. Ausläufe, auf die sich inzwischen wieder gebildete

Die Öfen gemäß Erfindung können also sowohl als 20 Kruste abgelassen.

Öfen mit üblichen Söderberganoden wie auch als Eine weitere Ausführungsmöglichkeit der Krusten-Öfen mit selbstbackenden kontinuierlichen Block- einschlagvorrichtung besteht darin, daß diese durch anöden (Anoden aus gepreßten, nicht gebrannten mindestens einen durchgehenden, mit nach unten ge-Anodenblöcken, die kontinuierlich aufgesetzt wer- richteten Brechwerkzeugen, z. B. Meißeln, verseheden), oder auch als Öfen mit vorgebrannten Anoden 25 nen Balken gebildet wird, der an beiden Enden angeausgeführt werden. Die erfindungsgemäße Ofenkon- trieben und auf seiner ganzen Länge auf- und/oder struktion ist für Öfen mit im wesentlichen länglichem, z. B. rechteckigem oder ovalem Grundriß besonders geeignet.

Die im Zwischenraum angeordnete Krustenein- 30 schlagvorrichtung besteht aus mindestens einem durchgehenden Balken, der mit nach unten gerichteten Brechwerkzeugen, z. B. Brechmeißeln, versehen ist.

Diese Balken können als Hebelarme ausgebildet 35 so daß zwischen den Anoden und dem kathodischen sein, die in der Verlängerung des Zwischenraumes Wannenboden ein solcher Abstand besteht, daß sich auf der einen Seite des Ofens gelagert sind und auf zwischen den Elektroden die für den betreffenden der anderen Seite mechanisch auf- und abwärts be- Ofen günstigste Spannung ergibt, wegt werden. Als Antriebsmittel kommen z. B. pneu- Zu diesem Zweck wird nach jeder automatischen matische oder hydraulische Druckzylinder in Frage, 40 Bedienung des Ofens (Krusteneinbrechen und Tonoder auch Kniegelenke oder Exzenter, die durch erdechargierung) die effektive Ofenspannung selbst-Elektromotoren betätigt werden, welche durch tätig für eine kurze Regulierzeit auf den Regler ge-Druckknopfbetätigung oder automatische Schaltvor- schaltet; es braucht daher nur ein Spannungsregler richtung gesteuert werden. für eine Mehrzahl von Öfen vorhanden zu sein, wenn

Sowohl die Lagerung des Hebelarmes als auch die 45 die durch diesen Regler gesteuerten Öfen mit der

Antriebsmittel sind auf den Seiten des Ofens außer- gleichen »Sollspannung« arbeiten oder wenn der

halb des Anodenbereiches angebracht. Damit werden Regler auf die verschiedenen Sollspannungen der ein-

sie einerseits vor den Ofenabgasen und der Hitze zelnen gesteuerten Öfen automatisch eingestellt wer-

geschützt und anderseits bleibt der Zwischenraum den kann. Auf diese Weise wird der Rundgang des

oberhalb der Balken frei für das Einbauen von Ab- 50 Meisters durch die Ofenhalle zum Regulieren der

gasauffangvomchtungen. Durch eine Haube oder Spannung der Öfen nachgeahmt. Selbstverständlich

durch seitliche Verschlußbleche kann nämlich der ist es auch möglich, an jedem Ofen einen besonderen

Raum zwischen beiden Anodenbereichen zugedeckt Spannungsregler anzubringen.

werden; die in diesen Raum hineintretenden Abgase Nach einer besonders vorteilhaften Ausführung können mit der darin enthaltenen Luft in bekannter 55 der Erfindung werden folgende Vorgänge durch eine Weise abgesaugt und den bekannten Absorptionsan- Programmsteuerung automatisch betätigt: Das Einlagen zugeführt werden. und Ausschalten der Einstoßwerkzeuge, die Zufüh-

Zweckmäßigerweise werden zwei derartige Hebel- rung der Tonerde und die Regulierung der Ofenarme, einer an der einen und einer an der gegenüber- spannung, insbesondere das Wiedereinstellen der liegenden Seite des Ofens, symmetrisch zueinander 60 Sollspannung nach dem Einschlagen der Kruste, angeordnet, damit eine breite Einstoßfläche erzielt Näheres über den erfindungsgemäßen Elektrolysewird. Man erreicht durch Anordnung zweier Hebel- ofen mit maschineller Krusteneinschlagvorrichtung arme und dadurch, daß man die Brechwerkzeuge an wird an Hand der Zeichnungen erläutert, die verder dem Drehpunkt abgewandten Hälfte des Hebel- schiedene Ausführungsbeispiele des Erfindungsarmes anordnet, eine genügend große Einstoßtiefe, so 65 gegenstandes darstellen.

daß nicht nur die Krustenoberfläche gebrochen wird, Die Fig. 1 bis 3 zeigen im Querschnitt und zum

sondern auch die entstehenden Krustenbruchstücke Teil in Seitenansicht rechteckige Elektrolyseöfen mit

in das flüssige Bad eingestoßen werden. Beim Ein- in der Vertikalebene und in der Längsachse des

abwärts bewegt wird. Auch in diesem Fall befinden sich die Antriebsmittel außerhalb des Anodenbereiches.

Bei den erfindungsgemäßen Elektrolyseöfen läßt sich auch die an sich bekannte Regulierung der effektiven Spannung auf die »Sollspannung« mittels eines automatischen Reglers durchführen. Dies geschieht durch Einstellen der Anoden auf die richtige Höhe,

gehalten, damit die Spitzen der Brechmeißel nicht dauernd in der stark angreifenden Elektrolytschmelze eingetaucht bleiben. Selbstverständlich wäre es auch möglich, die beiden Balken 24 und 25 gleichzeitig 5 abzusenken und darauf gleichzeitig zu heben.

In dem mittleren Zwischenraum 23 ist auch ein Tonerdevorratsbehälter 27 angeordnet, der an seinem unteren Teil steuerbare Auslaßöffnungen 28 aufweist. Die Öfen nach Fig. 2 und 3 sind je mit zwei in

Ofens eingebauten Krusteneinschlagvorrichtungen und Tonerdezuführungsvorrichtungen, und zwar bei

Fig. 1 im Falle eines Elektrolyseofens mit vorgebrannten Kohlenanoden,

Fig. 2 im Falle eines Elektrolyseofens mit Söderberganoden mit seitlichen Stromzuführungsbolzen und

Fig. 3 im Falle eines Elektrolyseofens mit Söderberganoden mit vertikalen Stromzuführungsbolzen.

An Hand eines Vertikalschnittes in der Mittel- io Längsrichtung des Ofens verlaufenden selbstbacken-

ebene eines Elektrolyseofens nach Fig. 2 oder 3 zeigt den Anoden 19 ausgerüstet, so daß der Anoden-

in Ansicht bereich hier wieder in durch einen in der Längsachse

Fig. 4 eine erste Variante der Krusteneinschlag- des Ofens verlaufenden Zwischenraum 23 vonein-

vorrichtung, ander getrennte Hälften geteilt ist. Die beiden Anoden

Fig. 5 eine zweite Variante der Krusteneinschlag- 15 sind jede von einem zum Teil doppelwandigen Man-

vorrichtung. tel29 eingefaßt, der durch die Stangen 30 am Ge-

Die in den verschiedenen Figuren dargestellten rüst 8 aufgehängt ist und außerdem rings um den Elektrolyseöfen besitzen eine Wanne 1, die mit feuer- Anodenbereich eine Gassammeihaube 31 bildet. Im festen Steinen 2 und Kohlemasse 3 ausgekleidet ist. Ofen nach Fig. 2 wird der elektrische Strom durch In der Kohlenauskleidung 3 sind Stromschienen 4 für 20 mit den anodischen Stromschienen 16 über Stangen die kathodische Stromzuleitung eingebettet. In der 17 verbundene seitliche Stromzuführungsbolzen 21 Wanne befindet sich die Schicht aus geschmolzenem zu den beiden Anoden geführt. Für diese seitlichen abgeschiedenem Aluminium 5 und das aus geschmol- Bolzen 21 wird die Möglichkeit gegeben, mit der zenen Fluoriden bestehende Elektrolytbad 6, dessen Anode herunterzuwandern, indem sie in Vertikal-Oberfläche zu einer Kruste 7 erstarrt ist. Zum Auf- 25 schlitzen im Anodenmantel angeordnet sind. Mit hängen des anodischen Teiles des Ofens dient das Ausnahme seines oberen Teiles, welcher den durch-Traggerüst 8, auf dessen oberen Querbalken sich gehenden Gassammelkanal bildet, ist also der Hubwerke 9 befinden, die durch einen Motor 10 über Anodenmantel nicht kontinuierlich, sondern besteht Verteilergetriebe 11 und Quer- und Längswellen 12 aus einzelnen, in den oberen Sammelkanal einmün- bzw. 13 angetrieben werden. Diese Hubwerke 9 30 denden kastenförmigen Vertikalsäulen, in welchen wirken auf Hebe- und Senkspindel 14, welche das die Abgase hochströmen und zwischen welchen die Anodengerüst 15 und die dazugehörenden anodischen seitlichen Strombolzen angeordnet sind. In der Fig. 2 Stromleiter 16 tragen. Am Anodengerüst 15 sind die ist hinter den Bolzen 21 je eine Seitenwand einer sol-Kontakt- oder Anodenstangen 17 befestigt, welche chen Vertikalsäule des Mantels in Ansicht dargeeinerseits mit dem anodischen Stromleiter 16, ander- 35 stellt. Im Ofen nach Fig. 3 übernehmen vertikale seits mit in der Anode oder den Anoden 18, 19 ein- Bolzen 22 die Stromzuführung von den Anodengesteckten Stromzuführungsbolzen 20, 21, 22 ver- schienen 16 zu den Anoden 19. bunden sind und damit die Anode oder die Anoden Zwischen den beiden Anoden 19 ist bei diesen tragen und mit elektrischem Strom versorgen. Durch Öfen ein 20 bis 70 cm breiter Zwischenraum 23 vor-Betätigen des Hubsystems mit dem Motor 10 läßt 40 handen, in welchem die Krusteneinschlagvorrichsich das Anodengerüst 15 und damit die ganze tung, genau wie bei dem in Fig. 1 abgebildeten Ofen, Anodengruppe in der Höhe verstellen. Auf diese und der Tonerdevorratsbehälter 27 angeordnet sind. Weise ist es möglich, die Anodengruppe auf eine Vom Behälter 27 fließt die Tonerde durch die auf solche Höhe einzustellen, daß zwischen den Anoden den Seiten des Zwischenraumes vorhandenen Ka- und dem kathodischen Wannenboden die gewünschte ₄₅ näle 36. Dieser Behälter weist einen Doppelboden Spannung herrscht. auf, dessen obere Lage aus porösen Platten 32 be-

Der in Fig. 1 abgebildete Ofen ist mit vorgebrann- steht. Wird in den Bodenzwischenraum Druckluft ten Anodenblöcken 18 ausgerüstet, die in zwei in durch die Leitungen 33 und Düsen 34 geschickt, so Längsrichtung des Ofens verlaufenden Reihen ange- dringt sie durch die porösen Platten 32 durch und ordnet sind, und zwar derart, daß zwischen den bei- 50 lockert die im Behälter vorhandene Tonerde auf, die den Reihen ein in der Längsachse des Ofens verlau- durch die gelochten Wände 35 wie eine Flüssigkeit fender Zwischenraum 23 gebildet wird, dessen Breite herunterfließt und durch die Kanäle 36 ausströmt, vorzugsweise 20 bis 70 cm beträgt. Der Anoden- Im Rahmen der Erfindung läßt sich die in der bereich ist also in durch einen in der Ofenlängsachse mittleren Längsebene des Ofens eingebaute Krustenverlaufenden Zwischenraum voneinander getrennte 55 einschlagvorrichtung auf verschiedene Arten ausfüh-Hälften geteilt. In diesem Zwischenraum 23 ist, eben- ren. Zwei mögliche Bauarten sind in den Fig. 4 und 5 falls in Längsrichtung des Ofens, die im wesentlichen gezeigt, welche Vertikalschnitte durch die Längsin vertikaler Richtung wirkende Krusteneinschlag- achse von rechteckigen Elektrolyseöfen darstellen, vorrichtung angeordnet. Diese Vorrichtung besteht Nach der in Fig. 4 dargestellten Bauweise besteht aus zwei Balken 24, 25, die mit nach unten gerichte- 60 die Krusteneinschlagvorrichtung aus zwei über den ten Brechmeißeln 26 versehen sind. Die Balken der ganzen Anodenbereich durchgehenden und auf den Krusteneinschlagvorrichtung sind in vertikaler Rieh- beiden Stirnseiten des Anodenbereiches vorspringentung beweglich; in der Zeichnung sind sie in Arbeits- den, hebelartigen Balken 24 und 25, wobei nur der stellung dargestellt; in einem bestimmten Augenblick auf der einen Seite der Ofenmittelebene befindliche liegt der eine Balken in seiner höchsten Stellung, der 65 Balken 25 gezeichnet ist und der zweite, auf der anandere in seiner tiefsten Stellung; etwas später ist die deren Seite der Ofenmittelebene befindliche Balken Lage umgekehrt, wie gestrichelt dargestellt. In der 24, der seitenverkehrt angeordnet, aber sonst gleich Ruhestellung sind die beiden Balken in der Hochlage wie der Balken 25 gestaltet ist, nicht dargestellt ist.

Der Balken 25 ist auf der einen Stirnseite des Ofens auf einer mit dem Ofengerüst verbundenen Achse 37 gelagert und wird an seinem anderen Ende durch den hydraulischen oder pneumatischen Druckzylinder 38, der sich über dem Flansch 39 am Ofengerüst abstützt, bewegt. Der Balken 25 ist mit nach unten gerichteten Brechmeißeln 26 versehen, aber nur auf der vom Drehpunkt entfernteren Hälfte des Balkens, da dieser auf seiner anderen Hälfte, in der Nähe seines Drehpunktes, nur einen relativ kleinen Hub hat. Damit in der Tieflage die mit Meißeln versehene Balkenhälfte horizontal liegt und die Kruste bis zu einer regelmäßigen Tiefe ins Bad einstößt, ist der Balken in seiner Mitte leicht gebogen. Ein Anschlag 40 ve'rmeidet, daß die Meißel zu tief in das Bad eindringen. Der Balken 25 ist gestrichelt in seiner Hochlage gezeigt, die mit der Ruhestellung zusammenfällt. Es ist noch möglich, eine Arretierung 41 für den Balken in Ruhestellung vorzusehen.

Zum Auffangen der zwischen den beiden Anoden entweichenden Abgase ist der Zwischenraum an seinen beiden Enden mit einer Blechhaube 42 geschlossen. Die Abgase werden im Kamin 43 unter Frischluftzufuhr verbrannt und dann zur Reinigungsanlage geführt. In diesen Kamin 43 münden auch die Ableitungen der Gassammeihauben 31 der beiden kontinuierlichen Anoden. Es wäre aber auch möglich, auf der dem Zwischenraum 23 zugekehrten Seite der Anoden 19 einen Sammelkanal, entsprechend dem Sammelkanal 31, anzubringen und dann den Zwischenraum 23 an beiden Enden offenzulassen, wodurch, wenn nötig, eine bessere Abkühlung der Anodeninnenwände erreicht werden kann.

Nach der in Fig. 5 dargestellten Bauweise besitzt die Krusteneinschlagvorrichtung mindestens einen über die ganze Länge des Anodenbereiches durchgehenden und auf beiden Stirnseiten des Anodenbereiches vorspringenden geraden Balken 25, .der an seinen beiden Enden durch Druckzylinder 38 angetrieben wird. Dieser Balken 25 kann daher auf seiner ganzen Länge im gleichen Maß auf- und abwärts bewegt werden und aus diesem Grunde auf seiner ganzen nützlichen Länge mit Meißeln 26 versehen sein. In der Fig. 5 ist der anodische Teil des Elektrolyseofens nur angedeutet.

Die in den Fig. 4 und 5 dargestellten Krusteneinschlagvorrichtungen lassen sich bei den Ofentypen nach Fig. 1, 2 oder 3 anwenden.

Durch die in den Fig. 4 und 5 dargestellten Antriebsmittel werden die Balken 24, 25 in praktisch rein vertikaler Richtung angetrieben. Es ist aber auch noch möglich, durch geeignete Antriebsmittel die Balken quer zu ihrer Längsrichtung oder auch in ihrer Längsrichtung zu bewegen, um damit neben dem Einstoßen der Kruste noch ein besseres Durchrühren des Bades zu erzielen. Es lassen sich zu diesem Zweck als Antriebsmittel z. B. Exzenter verwenden, die auch mit dem bereits beschriebenen Druckzylinder zur Erzielung von dreidimensionalen Bewegungen der Brechwerkzeuge kombiniert werden können.

Die zur beschriebenen Krusteneinschlagvorrichtung gehörenden Antriebsmittel samt Motoren können durch Druckknopfbetätigung zur gegebenen Zeit angelassen und gestoppt werden. In einer vorteilhaften Ausführung wird der Einstoßvorgang sowie das Beschicken des Ofens mit Tonerde und die Regulierung der Spannung durch einen Programmregler bewirkt, der bezüglich der beiden erstgenannten Vorgänge z. B. elektropneumatisch arbeitet, während der Spannungsregler z. B. über Magnetverstärker auf kontaktelektrischem Wege funktioniert und den Motor 10 zum Heben oder Senken der Anode steuert.

Durch diesen Programmregler können beispielsweise sowohl die Zeitabstände zwischen den einzelnen Einstoßvorgängen, die Dauer des Einstoßvorganges, z. B. V2 bis 3 Minuten, das Zeitintervall zwischen dem Ende des Einstößvorganges und dem Beginn der Tonerdezugabe (z. B. V2 bis 5 Minuten), die Dauer des Ausfließens von Tonerde aus dem Vorratsbehälter sowie auch die Ofenspannung geregelt werden.

Die automatische Bedienung wird in jedem Fall durch den Anodeneffekt, d. h. durch die dabei auftretende plötzliche Spannungserhöhung über den Spannungsregler ausgelöst. Man hat es außerdem in der Hand, die Programmsteuerung so einzustellen, daß der Ofen zwischen zwei Anodeneffekten weiterhin noch einmal oder mehrere Male automatisch eingestoßen und automatisch mit Tonerde chargiert wird. Nach dem Einstoß- und Chargiervorgang stellt der Spannungsregler den Ofen wieder auf Sollspannung ein.

Erfolgt in einer vorgegebenen Zeit kein Anodeneffekt, so kann z. B. die Steuerung selbsttätig die Tonerdezugabe nach jedem Einstoßvorgang vermindern oder ganz abstellen, bis der Anodeneffekt wieder eingetreten ist. Zweckmäßigerweise wird der Takt der Chargierungen überhaupt etwa einmal je Tag unterbrochen, um wenigstens täglich einmal den Anodeneffekt herbeizuführen.

Vorzugsweise wird in Zeitabständen von z. B. V2, 1, IV2 oder 2 Stunden die Krusteneinschlagvorrichtung automatisch in Gang gesetzt, welche die Tonerde in das Schmelzbad bei gleichzeitigem Einbrechen der Kruste einstößt. Unmittelbar oder kurz darauf wird automatisch die neue Tonerdemenge aus dem Vorratsbehälter ausgelassen und fällt auf die sich in der Zwischenzeit wieder gebildete Kruste. Diese Tonerde schützt die Badoberfläche vor Erkalten und wird gleichzeitig für das nächste Einstoßen vorgewärmt. Durch die Zeitdauer der Betätigung der Auslaufvorrichtung wird die Tonerdemenge so genau wie möglich reguliert, um eine bestimmte Konzentration der Tonerde im Ofenfluß nicht zu überschreiten. Die nicht vermeidbaren Genauigkeitstoleranzen bei der Dosierung der Tonerde werden dadurch berücksichtigt, daß — wie oben erwähnt — bei ausbleibendem Zünder automatisch weniger Tonerde aufgegeben wird, so lange, bis wieder ein neuer Anodeneffekt auftritt. Die Programmsteuerung kann weiterhin so eingerichtet werden, daß automatisch mehr Tonerde eingetragen wird, wenn der Ofen zu häufig zündet.

Es kann aber auch vorkommen, daß einmal aus irgendeinem Grund die notwendige Tonerdemenge nicht eingestoßen wird oder sich zumindest nicht im Elektrolyten auflöst. In einem solchen Fall wird vor Ablauf der normalen Periode und also vor einem automatischen Anlassen der Krusteneinschlagvorrichtung und der Tonerdezugabevorrichtung ein Anodeneffekt auftreten. Die Programmsteuerung der erfindungsgemäßen Elektrolyseöfen ist wie gesagt so geregelt, daß sie ebenfalls auf solche Zwischenfälle reagiert und die notwendigen Vorgänge in Gang setzt. Durch die Anordnung der automatischen Einstoßvorrichtung zwischen den beiden Anoden mittels mindestens zweier Brechwerkzeuge, vorzugsweise

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einer größeren Anzahl davon, wird erreicht, daß das Einstoßen der Tonerde in den Fluß über den ganzen Zwischenraum zwischen den Anoden gleichmäßig erfolgt und keine Krustenteile mit allzu hoher Tonerdekonzentration lokal zu Boden sinken, da die Kruste im Innern des Ofens zwischen den beiden relativ heißen Anodenhälften weich ist und sich leicht einstoßen läßt.

Bei den bekannten Öfen sind die Krusten an den Außenseiten des Ofens verhältnismäßig kompakt, da sie an den kühleren Rändern des Ofens in zusammenhängenden Stücken erstarren, die dann beim Einstoßvorgang in den Fluß gelangen. Dieser Vorgang ist bei den Öfen, die von den Außenseiten her bedient werden, geradezu erwünscht. Mit den zusammenhängenden Stücken erstarrten Flusses gelangen gleichzeitig Anhäufungen von Tonerde in den Fluß, sinken auf den Boden ab und bilden hier Verkrustungen der Seitenwände der Ofenwanne. Durch diese Verkrustungen der Seitenwände, die am Wannenboden bis etwa zum äußeren Rand der Anode reichen, wird der Kohlerand geschützt und das Fluß- und Metallbad des Ofens eng gehalten. Dadurch wird wiederum der Strom auf die Kathode konzentriert, und der Spiegel des an der Kathode abgeschiedenen Metalls steigt schnell an. Durch beide Vorgänge wird erfahrungsgemäß die Stromausbeute günstig beeinflußt.

Dagegen ist bei den erfindungsgemäßen Öfen, die in der Mitte in dem Zwischenraum zwischen den beiden Anoden bzw. zwischen den beiden Reihen von Anodenblöcken bedient werden (d. h. bei denen die Kruste zwischen den beiden Anoden bzw. zwischen den beiden Reihen von Anodenblöcken gebrochen wird), der Vorgang der Bildung von Bodensatz beim Einstoßvorgang unerwünscht. Wie erwähnt, bewirkt dieser Bodensatz beim Einstoßvorgang in der Mitte eine Abdrängung des Stromes nach den Außenseiten der Kathodenwanne, ein »Hohlgehen« des Ofens und damit eine Verschlechterung insbesondere der Stromausbeute. Dieser Nachteil wird jedoch bei der Ofenkonstruktion gemäß Erfindung mit maschineller Einschlagvorrichtung in der Mitte vermieden.

Bei Verwendung einer selbsttätigen Einstoßvorrichtung und Tonerdeaufgabe mit elektropneumatischer Schaltapparatur besteht die Möglichkeit, die automatische Bedienung des Ofens oft erfolgen zu lassen. Die Schalteinrichtung wird so eingestellt, daß die Kruste häufig eingeschlagen wird. Das Einschlagen der Kruste und die Tonerdezugabe können mittels automatischer Einrichtung ununterbrochen erfolgen. Um die Einrichtung zu schonen, wird man jedoch die maschinelle Vorrichtung praktisch nicht kontinuierlich, sondern ein oder mehrmals in der Stunde, jedoch mindestens einmal alle 2 Stunden in Gang setzen lassen. Hierbei können die Zündvorgänge zwischen den Takten der maschinellen Bedienung auftreten oder jeweils als Nullpunkte für die weitere Taktgebung ausgenutzt werden.

Durch dieses nahezu kontinuierliche Einstoßen der Kruste und die nahezu kontinuierliche Tonerdeaufgabe wird eine Konstanz der Flußtemperatur und der Tonerdekonzentration im Fluß erreicht, die bisher noch nie erzielt worden ist. Man kann den Ofen gemäß Erfindung mit einer Tonerdekonzentration und einer Flußtemperatur ^arbeiten lassen, bei denen sich die höchsterreichbaren Werte für die Stromausbeute ergeben. Durch systematische Versuche im industriellen Maßstab ist festgestellt worden, daß man bei gleichbleibender Tonerdekonzentration von mindestens 3, vorzugsweise 3,5% Stromausbeutewerte von 90 bis 96% erhält. Die praktisch erreichbare Höchstgrenze der gesamten Tonerdekonzentration im Fluß liegt bei etwa 8 bis 10%. Im normalen Betrieb wird man vorteilhafterweise im Bereich von 3,5 bis 5% arbeiten. Der Ofen gemäß Erfindung bietet infolge der praktisch kontinuierlichen Beschickung mit Tonerde die Möglichkeit, derart hohe und bisher nie erzielte Werte der Stromausbeute zu erreichen.

Bei der Wahl der Tonerdekonzentration kann man gleichzeitig auf die Leitfähigkeit des Flusses bei gegebener Temperatur Rücksicht nehmen und die^ Leitfähigkeit und Temperatur so einstellen, daß Öfenspannung und Stromausbeute ein Optimum ergeben.

Die Spannungsregulierung bietet außerdem die Möglichkeit, den Ofen bei einer Spannungskurve zu fahren, bei der in jedem Augenblick optimale Werte für Stromausbeute und spezifischen Energieverbrauch erreicht werden. Der einfachste Fall ist der, bei dem der Spannungsregler die Ofenspannung auf einen konstanten Sollspannungswert reguliert, wobei kurze Zeit vor dem Zünder der Regler die Spannung freigibt, damit der Zünder sich voll auswirken kann. Die Verwendung eines Spannungsreglers schließt nicht aus, daß die Ofenspannung auch durch motorisches Auffahren und Abfahren der Anode durch Druckknopfbetätigung geregelt werden kann. Eine derartige Regelung wird immer in Störungsfällen angewandt werden müssen.

Bei Öfen gemäß Erfindung werden daher Werte für den spezifischen Energieverbrauch erreicht, die um 0,5 bis 1 kWh/kg Al niedriger liegen als bei den bisher verwendeten Ofentypen. Die gleichmäßige niedrige Flußtemperatur der Öfen gemäß unserem Vorschlag wirkt sich ebenfalls günstig auf den Anodenverbrauch und den Flußmittelverbrauch aus.

Außerdem wird bei Öfen gemäß Erfindung infolge der weitgehenden Mechanisierung der Arbeitsaufwand für sämtliche Bedienungsvorgänge am Ofen um etwa 25 bis 50% je nach Ofentype und Bedienungsverhältnissen, eventuell auch mehr, herabgesetzt.

Claims (18)

Patentansprüche:

1. Elektrolyseofen für die Herstellung von Aluminium durch Schmelzflußelektrolyse, wobei der Anodenbereich in durch einen Zwischenraum voneinander getrennte Hälften geteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß in diesem Zwischenraum eine maschinenangetriebene, im wesentlichen in vertikaler Richtung wirkende und über die ganze Länge des Anodenbereiches reichende Krusteneinschlagvorrichtung angeordnet ist.

2. Elektrolyseofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Krusteneinschlagvorrichtung aus mindestens einem durchgehenden, mit nach unten gerichteten Brechwerkzeugen versehenen Balken besteht.

3. Elektrolyseofen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Balken der Krusteneinschlagvorrichtung hebelartig eingebaut und an einem Ende gelagert und am anderen Ende angetrieben sind.

4. Elektrolyseofen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einen Balken der Krusteneinschlagvorrichtung auf der einen und die anderen auf der anderen Stirnseite des Ofens

gelagert und entsprechend an ihrem anderen Ende angetrieben sind.

5. Elektrolyseofen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Balken der Krusteneinschlagvorrichtung beidseitig angetrieben sind.

6. Elektrolyseofen nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerungen, Führungen und Antriebsmittel der Balken der Krusteneinschlagvorrichtung außerhalb des Anodenbereiches angeordnet sind.

7. Elektrolyseofen nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Balken der Krusteneinschlagvorrichtung pneumatisch oder hydraulisch angetrieben sind.

8. Elektrolyseofen nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Balken der Krusteneinschlagvorrichtung mit Hilfe von Exzentern angetrieben sind.

9. Elektrolyseofen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Krusteneinschlagvorrichtung außer in vertikaler Richtung vor allem in ihrer niedrigsten Stellung auch in Queroder Längsrichtung beweglich ist.

10. Elektrolyseofen nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Zwischenraum die Vorrichtungen für die Tonerdezuführung angeordnet sind.

11. Elektrolyseofen nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmittel der Krusteneinschlagvorrichtung mit einem Apparat zur automatischen Steuerung gekuppelt sind.

12. Elektrolyseofen nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum mit der Krusteneinschlagvorrichtung in der Längsachse des Ofens verläuft.

13. Verfahren zum Betrieb eines Elektrolyseofens nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Krusteneinschlagvorrichtung automatisch nach Programmsteuerung betätigt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorgänge zum Krusteneinschlagen und zur Tonerdezugabe nach Programmsteuerung in bestimmten Zeitabständen und bei auftretendem Anodeneffekt ausgelöst werden.

15. Verfahren nach Anspruch 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß durch die automatische Programmsteuerung für die Krusteneinschlagvorrichtung auch die Vorrichtungen für die Tonerdezufuhr betätigt werden.

16. Verfahren nach Anspruch 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß nach einer vorbestimmten Anzahl von Vorgängen die Tonerdezugabe automatisch unterbrochen wird, bis ein Anodeneffekt die Serie von nach Programm periodisch ausgeführten Vorgängen wieder löst.

17. Verfahren nach Anspruch 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Krusteneinschlag- und Tonerdezugabevorgänge so gesteuert werden, daß zwischen den nach einer vorbestimmten Anzahl von Vorgängen absichtlich hervorgerufenen Anodeneffekten die Tonerdekonzentration im Bad einen gleichbleibenden Wert von mindestens 3%, vorzugsweise mindestens 3,5 % aufweist.

18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Programmsteuerung auch die Verbindung mit dem automatischen Regler zum Einstellen der Anode auf die der Sollspannung entsprechende Höhe automatisch hergestellt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

© 209 639/338 8.