DE2318599C3 - Aluminum electrolysis furnace with a cathodic current distribution adapted to the special requirements of the electrolysis process - Google Patents

Description

Die Kathode des herkömmlichen großtechnischen Elektrolyse-Ofens besteht bekanntlich aus Kohlenstoffblöcken von gleicher elektrischer Leitfähigkeit in die Stahlbarren zur Ableitung des elektrischen Stromes eingegossen sind. Der von der Anode kommende Elektrolysestrom geht vertikal durch den Elektrolyten und wird bei Eintritt in die die Kohlenstoffkathodenblöcke bedeckende schmelzflüssige Aluminiumschicht, die im Vergleich zu den Kohlenstoffblöcken eine 2300mal bessere elektrische Leitfähigkeit hat, zu den Seitenwandungen der Elektrolysezelle, d. h. zum Austritt der Stahlkathodenbarren aus den Kathodenblöcken hin abgeleitet. Die Folge davon ist daß der Elektrolyse-Ofenboden unter den Anoden im Bereich der Ofenmittellängsachse elektrisch und thermisch unterbelastet, hingegen im Bereich der Ofenlängsseiten elektrisch und thermisch überbelastet istAs is known, the cathode of the conventional large-scale electrolysis furnace consists of carbon blocks of the same electrical conductivity in the steel bars to conduct the electrical current are poured. The electrolysis current coming from the anode goes vertically through the electrolyte and when it enters the molten aluminum layer covering the carbon cathode blocks, which has a 2300 times better electrical conductivity compared to the carbon blocks, to the Side walls of the electrolytic cell, d. H. for the exit of the steel cathode bars from the cathode blocks derived. The result is that the electrolysis furnace floor under the anodes in the area of the furnace center longitudinal axis electrically and thermally underloaded, on the other hand, it is electrically and thermally overloaded in the area of the longitudinal sides of the furnace

Es ist weiterhin bekannt daß das Einbringen des Aluminiumoxids in den Elektrolyseofen sowohl entlang der Ofenlängsseiten als auch im Bereich der Ofenmittellängsachse erfolgen kann. Bei einem Elektrolyseofen mit Längsseitenbedienung wird die thermische Öberbelastung im Bereich der Ofenlängsseiten durch den Verbrauch an Aluminiumoxid-Lösungswärme kompensiert, so daß ein Temperaturgefälle von der Ofenmitte zu den Ofenlängsseiten resultiert. An den Ofenlängsseiten bildet sich dadurch eine Kruste aus erstarrtem Elektrolyt aus, die die Kohlenstoffseitenwandung des Ofens vor dem korrosiven Schmelzflußelektrolyten schöbt. Die Krustendicke hingt hierbei von verschiedenen Parametern ab, % B, der zugegebenen Aluminium-Qxidmenge/Zeiteinheit Ohne die eben erwähnten Schutzschicht ist ein Elektrolyse^Betrieb auf Dauer nicht möglich.It is also known that the introduction of the alumina in the electrolytic furnace both along the longitudinal sides of the furnace as well as in the area of the furnace central longitudinal axis. In an electrolytic furnace with long side operation, the thermal overload in the area of the long sides of the furnace is reduced by the Consumption of aluminum oxide solution heat is compensated, so that a temperature gradient from the middle of the furnace to the long sides of the furnace. As a result, a crust of solidified material forms on the longitudinal sides of the furnace Electrolyte from which the carbon sidewall of the furnace in front of the corrosive fused-melt electrolyte pushes. The thickness of the crust depends on various factors Parameters from,% B, the amount of aluminum oxide added / time unit Without the protective layer just mentioned, electrolysis operation is permanent not possible.

Bei Elektrolyse-Öfen mit Aluminiumoxid-Chargierung in der Ofenmittellängsachse wirkt sich die Erhöhung der kathodischen Stromdichte entlang der Ofenlängsseitenthermisch voll aus; im Gegensatz zuIn electrolysis furnaces with aluminum oxide charging in the furnace center longitudinal axis, the Increase in the cathodic current density along the longitudinal side of the furnace thermally fully; in contrast to

to der vorerwähnten Aluminiumoxid-Längsseitenchargierung hat man hier ein TemperaturgefäJIe von den Ofenlängsseiten zur Ofenmittelachse hin. Dies bedeutet daß ein Ofen mit AIuminiumoxid-Mittelchargierang infolge des fehlenden Verbrauchs an Aluminiumoxid-Lösungswärme im Bereich der Ofenlängsseiten eine höhere Temperatur als im Bereich der Ofenmittelachse hai. Auf den Kohlenstofflängsseiten des Elektrolyse-Ofens kann sich somit eine schützende Schicht aus erstarrtem Elektrolyt nicht oder nur schwerlich ausbilden.to the aforementioned aluminum oxide long side charging one has a temperature vessel here from the Long sides of the furnace towards the furnace center axis. this means that a furnace with aluminum oxide center loading was carried out due to the lack of consumption of heat of alumina solution in the area of the longitudinal sides of the furnace higher temperature than in the area of the furnace center axis shark. A protective layer can thus be formed on the long carbon sides of the electrolysis furnace solidified electrolyte not or only with difficulty.

Es stellt sich daher die Aufgabe, Mittel und Wege zu finden, mit deren Hilfe die kathodische Stromverteilung in Alurainhim-Elektrolyse-Öfen so beeinflußt werden kann, daß die geschilderten Schwierigkeiten behoben und die als Erosionsschutz benötigte Ausbildung der Elektrolytkruste in der gewünschten Form erfolgtThe task is therefore to find ways and means with whose help the cathodic current distribution can be influenced in this way in Alurainhim electrolysis ovens can that the difficulties outlined remedied and the training required as erosion protection Electrolyte crust takes place in the desired form

Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht darin, daß die dem Anodentisch zugewandte Oberfläche der Kathode teilweise mit einer Schicht aus einem elektrisch nichtleitenden Material bedeckt wird. Das elektrisch nichtleitende Material muß gegenüber dem schmelzflüssigen Aluminium beständig und der Dilatation der kathodischen Kohlenstoffblöcke angepaßt sein. Als geeignet erwiesen haben sich beispielsweise keramische Steine oder Stampfmassen aus Siliciumcarbid, Magnesit, Korund oder Siliciumcarbid und Siliciumnitrid, die in hierfür vorgesehene Vertiefungen der Kathodenoberfläche eingelegt oder eingestampft werden.
Anhand der F i g. 1 und 2, die beide einen Querschnitt durch einen Elektrolyseofen darstellen, soll nun derThe solution to the problem is that the surface of the cathode facing the anode table is partially covered with a layer of an electrically non-conductive material. The electrically non-conductive material must be resistant to the molten aluminum and adapted to the dilatation of the cathodic carbon blocks. Ceramic stones or ramming masses made of silicon carbide, magnesite, corundum or silicon carbide and silicon nitride, for example, have proven to be suitable, which are inserted or tamped into depressions provided for this purpose on the cathode surface.
Based on the F i g. 1 and 2, both of which represent a cross section through an electrolytic furnace, is now intended to be the

Gegenstand der Erfindung noch näher-srläutert werden.The subject of the invention will be explained in more detail. Bei der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform derIn the case of the in FIG. 1 shown embodiment of Erfindung erfolgt die Aluminiumoxid-Chargierung überInvention, aluminum oxide charging takes place via

das Zugaberohr 7 entlang der Ofenlängsseite. Unterhalb der abdeckenden und kontinuierlich oder chargenweise eingebrachten Aluminiumoxidschichte befindet sich der geschmolzene Elektrolyt 3 und darunter die schmelzflüssige Aluminiumschicht 4. Die Anode ist in der schematischen Zeichnung mit der Bezugsziffer 1, diethe feed pipe 7 along the longitudinal side of the furnace. Below the covering and continuous or batch introduced aluminum oxide layer is the molten electrolyte 3 and beneath it the molten aluminum layer 4. The anode is in the schematic drawing with the reference number 1, the

so Kathode mit 2 und die Stahlbarren, die auf dem Ofenboden 11 aufliegen, mit 10 bezeichnet. Die elektrisch nichtleitende und erfirtdungsgemäß die Kathode 2 bedeckende Schicht 9 bewirkt, daß der gesrmte Elektrolysestrom entsprechend den Pfeilen 5so the cathode with 2 and the steel bars, which rest on the furnace floor 11, with 10. the electrically non-conductive and according to the invention the cathode 2 covering layer 9 causes the Total electrolysis current according to the arrows 5

seitlich abgelenkt wird und die dabei freigesetzte Wärme für die Auflösung und Reduktion des eingebrachten Aluminiumoxids so weit aufgebraucht wird, daß sich die gewünschte Seitenbordschutzschicht 8 aus erstarrtem Elektrolyt ausbilden kann, und zwar in einer dem thermischen Gleichgewicht des Elektrolyseofens angepaßten Dicke.is deflected laterally and the heat released in the process for the dissolution and reduction of the introduced Aluminum oxide is used up so far that the desired side board protective layer 8 is from solidified electrolyte can form, namely in the thermal equilibrium of the electrolytic furnace adjusted thickness.

In F i g. 2 wird der Querschnitt eines Elektrolyseofens mit Aluminiumoxid-Chargierung im Bereich der Ofenmittellängsachse gezeigt Bei einer derartigen Beschik-In Fig. 2 is the cross section of an electrolytic furnace shown with aluminum oxide charging in the area of the furnace center longitudinal axis.

M kung müssen die Ofenlängsseiten elektrisch und somit thermisch zugunsten der unterhalb der Anode befindlichen Kathodenfläche entlastet werden. Zwischen den Anoden 12 ist mit der Bezugsziffer 20 ein Aluminium- M kung, the long sides of the furnace must be relieved electrically and thus thermally in favor of the cathode surface located below the anode. Between the anodes 12 with the reference number 20 is an aluminum

oxidsilo angedeutet, aus dem das Aluminiumoxid in den Elektrolyseofen kontinuierlich oder chargenweise eingetragen wird und die Abdeckschicht 22 bildet. Per Elektrolyt ist durch die Bezugsiiffer 15, das geschmolzene Aluminium durch 16, die Kathode durch 13 und die Stahlbarren durch 14 gekennzeichnet. Mit 13 ist der Ofenboden bezeichnet 21 stellt einen Chargiermeißel zum Aufbrechen der Elektrolytkruste dar. Mit 18 ist die erfindungsgemäße^ Kathodenisolierung Nz. dehnet, die den Elektrolysestrom zwingt, senkrecht durch die kathodischen Kohlenstoffblöcke zu gehen. Dadurch wird erreicht, daß sich im Elektrolyseofen ein für den Elektrolyseprozeß günstiges Temperaturgefälle, das von der Ofenmitte zu den Längsseiten hin abfällt.oxide silo indicated, from which the aluminum oxide is introduced into the electrolysis furnace continuously or in batches and forms the cover layer 22 . Per electrolyte is indicated by the reference number 15, the molten aluminum by 16, the cathode by 13 and the steel bars by 14. The furnace bottom is denoted by 13. 21 represents a charging chisel for breaking up the electrolyte crust. stretches, which forces the electrolytic current to go vertically through the cathodic carbon blocks. This ensures that there is a temperature gradient in the electrolysis furnace which is favorable for the electrolysis process and which drops from the middle of the furnace to the longitudinal sides.

einstellt. Die durch den Stromdurchgang nur unter dem Anodentisch gebildete Wärme wird laufend in Form von Zersetzungs- und Lösungswärme vom Aluminiumoxid verbraucht, und an den Ofenlängsseiten stellt, sich eine so niedrige Temperatur ein, daß sich hierauf eine Schutzschicht 19 aus erstarrtem Elektrolyt, deren Dicke durch das thermische Gleichgewicht des Elektrolyseofens bestimmt wird, ausbildet.adjusts. The through the passage of electricity only under the The heat generated at the anode table is continuously in the form of heat of decomposition and dissolution of the aluminum oxide consumed, and on the long sides of the oven, a temperature so low that it creates a Protective layer 19 made of solidified electrolyte, the thickness of which is determined by the thermal equilibrium of the electrolytic furnace is determined, trains.

Daß durch den Verbund von elektrisch leitenden Kohlenstoffbiöcken und elektrisch nichtleitender Keramik der Elektrolysebetrieb bei der Aluminium-Elektrolyse verbessert und betriebssicherer gemacht werden kann, muß als überraschend bezeichnet werden und stellt einen erheblichen technischen Fortschritt dar.That through the combination of electrically conductive Carbon blocks and electrically non-conductive ceramics of the electrolysis operation in aluminum electrolysis can be improved and made more reliable, must be described as surprising and represents a significant technical advance.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims (5)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Alummtom-Elektrolyse-Ofen mit Anoden und einer Kathode aus Kohlenstoffblöejcen gleicher elektrischer Leitfähigkeit, dadurch gekennzeichne t, daß die der Anode (1, t?) zugewandte Oberfläche der Kathode (2,13) teilweise mit einer Schicht C?f 18) aus einem elektrisch nichtleitenden Material bedeckt ist1. Alummtom electrolysis furnace with anodes and like a cathode made of carbon blocks electrical conductivity, thereby marked t that the anode (1, t?) facing Surface of the cathode (2.13) partially with a Layer C? F 18) made of an electrically non-conductive Material is covered 2. Elektrolyse-Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Ofen mit Aluminiumoxid-Chargierung entlang der Ofenlängsseiten die Kathode (2) in dem Bereich, der den Anoden (1) gegenübersteht, mit einer Schicht (9) aus einem elektrisch nichtleitenden Material bedeckt ist2. Electrolysis furnace according to claim 1, characterized in that in a furnace with alumina charging along the long sides of the furnace, the cathode (2) in the area that the anodes (1) opposite, is covered with a layer (9) made of an electrically non-conductive material 3. Elektrolyse-Ofen nach Anspracht, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Ofen mit Aluminiumoxid-Chargierang in der Ofenmittellängsachse die Kathode (13) in dem Bereich, der von den Außenkanten der Anoden (12) und den Kanten der Kathodenblöcfce (13) begrenzt wird, mit einer Schicht (18) aus einem elektrisch nichtleitenden Material bedeckt ist3. Electrolysis furnace according to addressed, thereby characterized in that in a furnace with alumina charging range in the furnace center longitudinal axis, the cathode (13) in the area that of the outer edges of the anodes (12) and the edges of the Kathodenblöcfce (13) is limited, with a Layer (18) is covered from an electrically non-conductive material 4. Elektrolyse-Ofen nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß die Schicht (9,18) aus einer keramischen Steinlage besteht deren thermischer Ausdehnungskoeffizient dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Kalthodenmaterials entspricht4. Electrolysis furnace according to Claims 1 to 3, characterized in that the layer (9, 18) consists of of a ceramic stone layer, the coefficient of thermal expansion consists of the thermal one Corresponds to the expansion coefficient of the cold testicle material 5. Elektrolyse-Ofen nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß die Schicht (9,18) aus einer Stampfmasse, beispielsweise' Siliciumcarbid, Magnesit oder Korund, besteht, feren thermischer Ausdehnungskoeffizient dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Kathcdennvjisse entspricht5. Electrolysis furnace according to Claims 1 to 3, characterized in that the layer (9, 18) consists of a ramming mass, for example silicon carbide, magnesite or corundum, is more thermal Expansion coefficient corresponds to the thermal expansion coefficient of the Kathcdennvjisse