DE2107675C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Regulieren der Al tief 2 0 tief 3 -Konzentration im Fluoridelektrolyten bei der Aluminiumelektrolyse - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Regulieren der Al tief 2 0 tief 3 -Konzentration im Fluoridelektrolyten bei der AluminiumelektrolyseInfo
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Description
30
35
Für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid (AI.,O1, Tonerde) wird
dieses in einer Fluoridschmeize gelost. Das kathodisch
abgeschiedene Aluminium sammelt sich unter der Fluoridschn.elze auf dem Boden der Zelle, die
mit Kohlenstoff ausgekleidet ist. Die Kohlcnstoffauskleidung selbst befindet sich in einer Wanne aus
Stahl; zwischen Kohlensloffauskleidung und Stahl ist eine Isolationsschicht aus hitzebeständigem Material
angeordnet. In die Schmelze tauchen von oben Anoden aus amorphem Kohlenstoff ein. Im Boden (in
der Kohlenstoffauskleidung der Zelle) sind eiserne Stromleiter (Kathodenbarren) eingelegt. An den
Anoden entsteht durch die elektrolytische Zersetzung des Aluminiumoxids Sauerstoff, der sich mit dem
Kohlenstoff der Anoden zu CO und CO., verbindet.
Die Fluoridschmeize selbst ist durch eine Kruste, die sich durch Erstarren von Elektrolyten bildet, und
darüberliegendcs Aluminiumoxid bedeckt. Dieses wird durch periodisches Einschlagen der Kruste in
die Schmelze eingeführt. Sinkt die Aluminiumoxid-Konzentration, die normalerweise zwischen 2 und
10% (vorzugsweise zwischen 5 und 7",») liegt, unter den Wert von etwa 2"Ό, kommt es zu dem Anodeneffekt.
Die Zellcnspannung (normal 3,7 bis 4,5 Volt) steigt plötzlich auf Worte zwischen 20 und 50
Volt. Spätestens in diesem Augenblick ist es notwendig, die Elektrolytkrustc einzuschlagen und dem Fluß
neues ΑΙ.,Ο., zuzuführen.
Der Anodeneffekt zeigt den Betriebsleuten an, daß die ΑΙ.,Ο,,-Konzentration auf einen unteren, ungefähr
definierten Wert zwischen 1 und 2 "0 gesunken ist.
Pie Al,,CL-Konzentration im Elektrolyten läßt sich
nicht unmittelbar messen. Man kann Flußpruben entnehmen und diese in einem Laboratorium analysieren
lassen; doch ist die Zeit, die dazu notwendig ist, zu lang, um für die Ofenführung noch rechtzeitig
Rückschlüsse zu erlauben,
Bei der Tonerdezugabe bemuht man sich, ungefähr
diejenige Menge AI3O3 dem Fluß zuzuführen,
die notwendig ist, um den Zeitraum bis zum nächsten Einschlagen der Kruste zu überbrücken und in dieser
Periode die AUXfKonzentration bei etwa 5«/,. oder
darüber zu halten. Die Menge Tonerde, die dem Fluß bei der Bedienung der Zelle zugeführt wird,
kann aber nicht genau erfaßt werden; sie hängt von den Zufälligkeiten beim Einschlagen der Elektrolyt-
ktuste ab. . .
So ist es möglich, daß zu wenig Tonerde in den Fluß kommt; die Folge davon ist, daß der Anodeneffekt
zu häufig auftritt und der Elektrolyt dadurch zu stark erwärmt wird. Der dadurch bedingte Temperaturanstieg
bewirkt eine Verringerung der Siromau-,-beute.
Unter Stromausbeute versteht man das Verhältnis der tatsächlich produzierten Metallmenge /u
derjenigen, die nach Faraday theoretisch abgeschieden wird. Die Differenz der beiden Metallmengen
wird im wesentlichen auf die Reoxydation des im Fluß gelösten Aluminiums durch die Anodcnuase zurückgeführt.
Führt man der Zelle zuviel Aluminiumoxid zu. kann die Lösungsgrenze des Flusses für Tonerde lokal
überschritten werden. Die Tonerde sinkt /um Teil durch die Elektrolytschicht hindurch, ohne in
Lösung zu gehen, dann in das Metall, das auf dem Boden der Zelle liegt, und gelangt durch dieses hindurch
auf den Boden der Zelle. Es tritt eine Verschlammung des Ofenbodens ein, die im Laufe der
Zeit zu dessen Verkrustung führen kann. Diese Verkrustung ihrerseits bewirkt eine Erhöhung des elektrischen
Widerstandes des Ofenbodens und damit eine Erhöhung des spezJfischer. Verbrauches an elektrischer
Energie (kWh/kg Al). AuLkrdem sind infolge
einer ungleichmäßigen Stromverteilung im Boden Störungen durch Mctallbcwegungen und Metallaulwölbungen
möglich, die ihrerseits wiederum die Stromausbeute verschlechtern.
Da die Auswirkungen der Bodenverschlammuni; und -verkrustung schädlicher sind als diejenigen zu
häufiger Anoderieffektc. sind die Bettiebsleule oft
geneigt, der Zelle etwas weniger Tonerde als nötig zuzuführen und dafür lieber mehr Anodeneffekte in
Kauf zu nehmen. Die geschilderte Ofcnführung hat zur Folge, daß die Stromausbeutc nicht so hoch und
der spezifische Verbrauch an elektrischer Energie nicht so niedrig sein können, wie es das Verfahren an
sich zulassen würde, wenn mit konstanter hoher ΑΙ.,Ο.,-Konzentration im Fluß gearbeitet werden
könnte. Die Stromausbeutc sinkt nämlich auch, wenn die ΑΙ.,Ο.,-Konzentration im Elektrolyten abnimmt.
Es ist versucht worden, dadurch zu dieser konstanten und hohen Al2O3-Konzcntration zu kommen, daß
man die Tonerde mit Hilfe von Förderschnecken und anderen Apparaten kontinuierlich in das Bad einleitet.
Die technischen Schwierigkeiten, die damit verbunden sind (der Kryolith ist außerordentlich aggressiv),
sowie das Fehlen einer Möglichkeit, die ΛΙ-.,Ο.,-Konzcntration
kontinuierlich zu überprüfen, führen jedoch immer zu Störungen des Ofenganges, so
daß diese Verfahren wieder aufgegeben werden muß-
ten. In der Praxis bleibt daher heute ein wechselnder Auf dem Boden isl ein Trog 21 ausgebildet, dessen
Tonwrdegehalt zwischen etwa 2 und H)"« mit der Rand 22 so hoch ist (Rand aus Kohlenstoff, wie der
Gefahr der gelegentlichen Übersättigung des Bades Boden selbst), daß das elektrolytisch abgeschiedene
sowie der Bildung von Bodenschlamm und der Bo- Aluminium 14 in den Trog 21 nicht eindringen kann,
denverkrusiung einerseits oder einer zu großen Hau- 5 Der Trog 21 ist nur von geschmolzenem Elektrolyt
figkeit von Anodeneffekien anderseits bestehen. 23 und ungelöstem Aluminiumoxid 24 ausgefüllt. Im
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Über- Betrieb wird die Tonerde von oben in solcher Weise
windung der geschilderten Schwierigkeiten. Sie be- zugegeben, daß sie zum Teil in Lösung geht und zum
zieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung Teil auf den Boden des Troges 21 sinkt. Wie ersicht-
zum Regulieren der Aluminiumoxid-Konzentration to lieh, bildet das auf dem Boden der Zelle abgeschie-
des Fluoridelektrolyten. Diese wird auf einem günsti- dene Aluminium ein einziges Bad. Das heißt, es wird
gen Wert gehalten, z. B, auf 5" n und darüber. durch den Trog 21 nicht in zwei voneinander abge-
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der sonderte Abteilungen getrennt; infolgedessen liegt
Schmelzflußelektrolyt während des Betriebes in un- der Spiegel des flüssigen Aluminiums 14 überall auf
mittelbarer Berührung mit einer Schmelze gehalten, 15 gleicher Höhe.
die aus dem an Aluminiumoxid gesättigten Schmelz- Erfindungsgemäß findet im Betrieb ein Austausch
flußelektrolyten besteht und vom flüssigen, katho- von Elektrolyt 15 und an Al2O., gesättigter Fluorid-
disch abgeschiedenen Aluminium getrennt ist. Vor- schmelze 23 an der Grenzfläche 25 statt. Infolge
lugsweise weist die gesättigte Schmelze einen Bilden- der Strömungen in der Flektrolytschicht 15 w;rd
satz von ungelöstem A1..O., auf. Sie kann A!.,()., bis 20 im ranzen Bad. das der Ekkirolyse unterworfen
zur Lösungsgrenze enthalten. Dank der unmiUrlha- i>i. ein luni-tiger Gehalt an ücKh em ALO., aufrecht-
fen Berührung der beiden Schmelzflüsse unl der Be- erhalten.
ivegung des Schmelzflußelektrolyten in der /eile Iin- Ls ist natürlich unmöglich, bei der /ellenkon-
ilet ein dauernder Auslausch von an ΑΙ.,Ο., gesätiig- smiktion nach diesem Beispiel vollständig zu verhin-
lem Fluß mit ElektroKien statt, der durch die Lick- 25 dem. daß ein kleiner Teil des Stromes von den An-
trolyse an ALO., verarmt ist. öden in da>
Innere des 1 rogc- 21 gelangt und dort
In einer konventionellen Aluminiumclckirolv se- eine kleine Menge Aluminium erzeugt, das gelegent-
iclle entsteht normalerweise durch thermische Wir- lieh gesuiöpft werden muß. Selbstverständlich kann
lain» und infolge des Einweichens der Anodengase diese Ei^heinunü z.B. durch Auskleidung des Tro-
genügcnd Bewegung im Fluß, um den genannten 3° ge·, mit einem elektrisch nicht leitenden Werkstoff
Austausch zu bewirken. unterbunden werden.
Diese Bewegung des Schmelzflusses liißt sich nöti- Das Beispiel zeiut eine Elektrolysezelle, auf deren
gcnfalls durch besondere Maßnahmen unterstützen. Boden sich nur ein Trog befindet. Große /eilen las-
Die erfindungsgemäße vorteilhafte Vorrichtung sen sich ohne weiteres mit zwei oder mehr Trögen
zur Durchführung des vorstehend beschriebenen 35 ausrüsten. Auch die Gestalt des Troges kann cmc anVerfahrens
zeichnet sich dadurch aus. daß auf dem de rc sein als im Beispiel.
Boden der Elektrolysezelle ein Trog angeordnet ist. Der in den Fig. 1 bis 3 gezeigte Trig 21 bildet mit
der im Betrieb bis in die ElektroKtsclncht hinein- dem Boden der /eile eine Einheit. Lr kam. auch gereicht,
nicht aber bis zu deren Obeilläche ragt, und trennt hergesielll. gegebenenfalls aus einem anderen
ilessen Innenraum vom flüssigen, kathodisch abge- 40 Niateiial al-. Kohlcn-i.iti. und in den Hoden der /eile
schicdcncn Aluminium uetrennt und mit an Al,(X1 ciiiüesetzi werden.
gesättigtem Elektrolyten gefüllt ist. Der Trog holcnt Die Anwendung des erfindungsgemäßen Ve;fah-
uus einem Wcrksloff, der gegen das llüssige Alumi- rens ist mehl auf AluminiumelektroKsezellcn kon-
nium und gegen den ElektroKien widerstandslähig vcntioneller Bauart beschränkt, sondern erstreckt
ist. 45 sah auf sämtliche Aluminiumelektrolysczcllen. in de-
Einc zweckmäßige Ausführung ist in der /eich- neu en schmeizlulliger 1 luondelekirolyt mit gelöster
nutig veranschaulicht. Tonerde elektiolvsjcrt wird.
F i g. 1 zeigt schematise!) eine im wesentlichen Das erln.dunüsgcmäße Verfahren verhindert cn
konventionelle Aluminiumelektrolysezeile im Lanes- .Absinken der Λ1.Ο -Konzentiation zu Weiten,
schnitt; 5" welche den Anodeneffekt auslösen. Das biciet zii-
F i g. 2 im Querschnitt längs der Linie .l-.i in nächsi den Vorteil, daß die durch den Anodeneffekt
F i g. 1 unter Weglassimg des Balkens, an dem die heiv o. ge>
"ui'ciie nachieiliüe Erwärmung der I iuond-
Anoden hängen und schmelze unier'ileib;: gleichzeitig w;ul eine zeitlich
F i g. 3 in Draufsicht unter Wcüiassimu der ,Nn- höhere durchschnittliche Ai ,O.j-Konz'.'ntraiion Iu-
odcnaiifhängimg des (Querbalkens und des Badinhal- 55 wiikt. Beide Li-v heiininuen erhöhen die Stromau1-
tes samt Elektrolytkruste und Toiierdedeckschichi. heule um ' bis 5" n i:ciienul r demjenigen bei /eilen
Die Stahlwanne 10 ist in bekannter Weise mit iilciclici Ki>n ,:i ul.ti<
>n. aber ohne \ oirichlung füi ilie
einer thermischen Isolationsschicht 11 und einer Amuiülurii: Ue^ crlindtinusgtniiiLien Verfahrens, So
Kohlenstoffauskleidung 12 versehen. In diese sind läßt sich die Stromausbeute beispielsweise von K9 " t,
mehrere eiserne Kalhodenbarrcn 13 eingelassen. Ims 6d auf Werte über l,'2 " „ steinern: dabei erniedrigt sich
elektrolytisch abgeschiedene Metall 14 lie»t auf dem de: spezifische elektrische Energieverbrauch um 0..^
Boden der Zelle. Darüber befindet sich tier ge- kW h kg \l und nehr.
schmolz.ene Fluoridelektrolyt 15,der das Aluminium- Bei der Alum'.'iiumelcktrolyse wird Wert darauf
oxid in Lösung cnthüL. Der Fluß ist mit einer Kni- gelegt, daß der Anodeneffekt wenigstens in längeren
sie 16 und einer darüber befindlichen Toucrdescliicht 65 Zeiträumen, von z.B. 24 Stunden, ein Mal auftritt.
17 bedeckt. In die Schmelze tauchen von oben An- Dei Anodeneffekt gibt einerseits Aufschluß über den
odcn 18cin, die mittels fangen I9an dem als Balken deha't ;:n gelöstem Aluminiumo\id, anderseil«· bc-
ausi>cbildeten Stromleiter 20 häniicn. wirkt er die Auflösung von etwaigem B Ί n-
elilamm. der zum großen 'IeM aus ungelöstem AIuniniumoxid
besieht, und verhindert dadurch eine /crkrustung des Zellcnbodcns. Bei Anwendung des
irfinclungsgemäßcn Verfahrens ergibt sich daher FoI-iendes:
Einerseits sinkt der ΛΙ.,Ο,-Ciehalt des I Ick-
troKten nicht auf einen so niedrigen Wert, daß der
Anodeneffekt entstellen kann, und andererseits kann der außerhalb des Troges befindliche Elektrolyt niemals
an AI2O., übersättigt werden und sich daher
auch kein Bodenschlamm bilden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Verfahren zum Regulieren der ALO,-Konzentration
im Fluoridelektrolyten bei de'r Aluminiumelektrolyse,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schmelzflußelektrolyt in unmittelbarer Berührung mit einer Schmelze gehalten
wird, die aus dem an Aluminiumoxid gesättigten Schmelzflußelektrolyten besteht und vom flüssigen,
kathodisch abgeschiedenen Aluminium getrennt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gesättigte Schmelze einen
Bodensatz (24) von ungelöstem AUO3 aufweist.
3. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß auf dem Boden der Elektrolysezelle ein zur Aufnahme von an AI,OS gesättigter Schmelze
(23) bestimmter Trog (21) angeordnet ist, der im Betrieb bis in die Elektrolytschicht (15) hineinreicht,
nicht aber bis zu deren Oberfläche ragt, und (Jessen Innenraum vom flüssigen, kathodisch
abgeschiedenen Aluminium (14) getrennt ist.
4. Vorrichtung nach Ai: pruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß statt nur eines mehrere Tröge (21) angeordnet sind.
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