DE2633055C2 - Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium - Google Patents
Elektrolysezelle zur Herstellung von AluminiumInfo
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Description
Für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid (AI2O3) wird dieses in einer
Fluoridschmelze gelöst, die zum größten Teil aus Kryolith (Na3AIFe) besteht. Das kathodisch abgeschiedene
Aluminium sammelt sich unter der Fluoridschmelze auf dem Kohleboden der Zelle, wobei die Oberfläche
des flüssigen Aluminiums die Kathode bildet In die Schmelze tauchen von oben Anoden ein, die bei
konventionellen Verfahren aus amorphem Kohlenstoff bestehen. An den Kohlenanoden entsteht durch die
elektrolytische Zersetzung des Aluminiumoxids Sauerstoff, der sich mit dem Kohlenstoff der Anoden zu CO
und CCh verbindet Die Elektrolyse findet in einem Temperaturbereich von etwa 940 bis 975" C sta>t
Das bekannte Prinzip einer konventionellen Aluminium-Elektrolysezelle mit vorgebrannten Kohleanoden geht aus der F i g. 1 hervor, die einen Vertikalschnitt in Längsrichtung durch einen Teil einer Elektrolysezelle zeigt Die Stahlwanne 12, die mit einer thermischen is Isolation 13 aus hitzebeständigem, wärmedämmendem Material und mit Kohlenstoff 11 ausgekleidet ist enthält die Fluoridschmelze 10, den Elektrolyten. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium 14 liegt auf dem Kohleboden 15 der Zelle. Die Oberfläche 16 des flüssigen Aluminiums stellt die Kathode dar. In die Kohlenstoffauskleidung 11 sind quer zur Längsrichtung der Zelle eiserne Kathodenbarren 17 eingelassen, die den elektrischen Gleichstrom aus der Kohlenstoffauskleidung 11 der Zelle seitlich nach außen führen. In die Fluoridschmelze 10 tauchen von oben Anoden 18 aus amorphem Kohlenstoff ein, die dem Elektrolyten einen Gleichstrom zuführen. Die Anoden si:id über Stromleiterstangen 19 und durch Schlösser 20 mit dem Anodenbalken 21 fest verbunden. Der Strom fließt von den Kathodenbarren 17 der einen Zelle über nicht gezeichnete Stromschienen zum Anodenbalken 21 der folgenden Zelle. Vom Anodenbalken 21 fließt er über die Stromleiterstangen 19, die Anoden 18, den Elektrolyten 10, das flüssige Aluminium 14 und die Kohlenstoffauskleidung 11 zu den Kathodenbarren 17. Der Elektrolyt 10 ist mit einer Kruste 22 aus erstarrter Schmelze und einer darüber befindlichen Aluminiumoxidschicht 23 bedeckt Zwischen dem Elektrolyten 10 und der erstarrten Kruste 22 entstehen im Betrieb Hohlräume 25. Am den Seitenwand^ der Kohlenstoffauskleidung 11 bildet sich ebenfalls eine Kruste aus erstarrtem Elektrolyt nämlich das Bord 24. Das Bord 24 ist mitbestimmend für die horizontale Ausdehnung des Bades aus deim flüssigen Aluminium 14 und dem
Das bekannte Prinzip einer konventionellen Aluminium-Elektrolysezelle mit vorgebrannten Kohleanoden geht aus der F i g. 1 hervor, die einen Vertikalschnitt in Längsrichtung durch einen Teil einer Elektrolysezelle zeigt Die Stahlwanne 12, die mit einer thermischen is Isolation 13 aus hitzebeständigem, wärmedämmendem Material und mit Kohlenstoff 11 ausgekleidet ist enthält die Fluoridschmelze 10, den Elektrolyten. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium 14 liegt auf dem Kohleboden 15 der Zelle. Die Oberfläche 16 des flüssigen Aluminiums stellt die Kathode dar. In die Kohlenstoffauskleidung 11 sind quer zur Längsrichtung der Zelle eiserne Kathodenbarren 17 eingelassen, die den elektrischen Gleichstrom aus der Kohlenstoffauskleidung 11 der Zelle seitlich nach außen führen. In die Fluoridschmelze 10 tauchen von oben Anoden 18 aus amorphem Kohlenstoff ein, die dem Elektrolyten einen Gleichstrom zuführen. Die Anoden si:id über Stromleiterstangen 19 und durch Schlösser 20 mit dem Anodenbalken 21 fest verbunden. Der Strom fließt von den Kathodenbarren 17 der einen Zelle über nicht gezeichnete Stromschienen zum Anodenbalken 21 der folgenden Zelle. Vom Anodenbalken 21 fließt er über die Stromleiterstangen 19, die Anoden 18, den Elektrolyten 10, das flüssige Aluminium 14 und die Kohlenstoffauskleidung 11 zu den Kathodenbarren 17. Der Elektrolyt 10 ist mit einer Kruste 22 aus erstarrter Schmelze und einer darüber befindlichen Aluminiumoxidschicht 23 bedeckt Zwischen dem Elektrolyten 10 und der erstarrten Kruste 22 entstehen im Betrieb Hohlräume 25. Am den Seitenwand^ der Kohlenstoffauskleidung 11 bildet sich ebenfalls eine Kruste aus erstarrtem Elektrolyt nämlich das Bord 24. Das Bord 24 ist mitbestimmend für die horizontale Ausdehnung des Bades aus deim flüssigen Aluminium 14 und dem
Der Abstand d_ der Anodenunterseite 26 zur
Aluminiumoberfläche 16, auch Interpolardistanz genannt, läßt sich durch Heben oder Senken des
Anodenbalkens 21 mit Hilfe der Hubwerke 27 verändern, die auf Säulen 28 montiert sind. Bei der
Betätigung des Hubwerkes 27 werden gleichzeitig sämtliche Anoden angehoben, bzw. gesenkt Die
Anoden können außerdem — jede für sich — in bekannter Weise in ihrer Höhenlage mit Hilfe der an
dem Anodenbalki:n 21 angeordneten Schlösser 20 eingestellt werden.
Infolge des Angriffs durch den bei der Elektrolyse in Freiheit gesetztem Sauerstoff verbrauchen sich die
Anoden an ihrer Unterseite täglich um etwa 1,5 bis 2 cm, je nach Zellemyp. Gleichzeitig steigt auch der
Oberflächenspiegd des in der Zelle befindlichen flüssigen Aluminiums um 1,5 —2 cm pro Tag.
Nach dem Verbrauch einer Anode wird diese gegen eine neue Anode ausgewechselt. In der Praxis wird eine
Zelle derart betrieben, daß sich bei den Anoden bereits nach einigen Tagen unterschiedliche Verbrauchserscheinungen
zeigen, so daß diese über einen Zeitraum von mehreren Wochen getrennt voneinander auszu-
wechseln sind Hieraus ergibt sich, daß in ein- und
derselben ZeDe Anoden verschiedenen Einsatzalters betrieben werden, was auch aus der F ιg, I hervorgeht.
Im Laufe der Elektrolyse verarmt der Elektrolyt an Aluminiumoxid. Bei einer unteren Konzentration von t
bis 2% Aluminiumoxid im Elektrolyten kommt es zum Anodeneffekt, der sich in einer plötzlichen Spannungserhöhung von normal 4 bis 4,5 V auf 30 V und darüber
auswirkt. Spätestens dann muß die Kruste eingeschlagen werden und die AbCh-Konzentration durch Zugabe
von neuem Aluminiumoxid angehoben werden.
Die Zelle wird im normalen Betrieb üblicherweise periodisch bedient, aach wenn kein Anodeneffekt
auftritt Außerdem muß bei jedem Anodeneffekt, wie oben aufgeführt, die Badkruste eingeschlagen werden
und die AbCh-Konzentration durch Zugabe von neuem
AbCh angehoben werden, was einer Zellenbedienung entspricht Der Anodeneffekt ist daher im Betrieb stets
mit einer Zellenbedienung verbunden, die man im
Gegensatz zur normalen Zellenbedienung als »Anodeneffektbedienung«
bezeichnen kann.
Das elektrolytisch erzeugte Aluminium !4, das sich auf dem KohJeboden 15 der Zelle sammex, wird im
allgemeinen einmal täglich durch Entnahmevorrichtungen aus der Zelle herausgenommen. 2s
Die Kohlenstoffauskleidung 11 erfährt im Verlauf der
Zeit eine bedeutsame Volumenzunahme. Dies wird durch das Eindringen von Komponenten in die
Kohlenstoff auskleidung verursacht, die aus dem Elektrolyten
stammen. Unter Komponenten werden entweder Salze verstanden, aus denen die Fluoridschmelze
zusammengesetzt ist oder chemische Verbindungen, die durch nicht näher bekannte Reaktionen aus der
Fluoridschmelze entstanden sind.
Infolge der Volumenvergrößerung der Kohlenstoffauskleidung drückt diese auf die thermische Isolation 13
und auf die Stahlwanne 12. Der Stahlmantel erleidet hierdurch nicht-reversible Verformungen, die ihn bis in
den plastischen Bereich des Stahles beanspruchen und zum Reißen bringen können. Auch die Kohleauskleidung
verfo; 31t sich; meistens wölbt sich der Boden der
Kohleauskleidung nach oben, wodurch in ihm Risse entstehen. Das flüssige Aluminium 14 dringt dann durch
diese Risse und greift die eisernen Kathodenbarren 17 an. Die Zerstörung der Auskleidung der Zelle kann so
weit fortschreiten, daß das flüssige Aluminium aus der
Zelle ausfließt Die Zelle muß dann im allgemeinen außer Betrieb genommen werden; die gesamte Auskleidung
wird ersetzt bevor die Zelle wieder in Betrieb gehen kann. Solche Reparaturen sind normalerweise
alle 2 bis 6 jähre notwendig: sie sind teuer, und außerdem erleidet man durch den Stillstand der Zelle
einen Procuktionsverlust
Es ist versucht worden, durch Versteifung des Stahlmantels der Zelle dessen Verformungen und Risse
zu vermeiden. Diese konnten jedoch nicht verhindert, sondern lediglich vermindert werden. Außerdem stellen
Versteifungen einen wesentlichen wirtschaftlichen Nachteil dar, die Zelle wird verteuert und das
Gesamtgewicht der Zellenwanne erheblich erhöht.
Während des Stillstandes der Zelle müssen oft kostspielige Reparaturen am Stahlmantel vorgenommen
werden, um Verformungen und Risse zu beseitigen.
Viele Anstrengungen hatten das Ziel, die Tränkung der Kohlenstoffauskleidung mit Elektrolytkomponen- n>
ten und die daraus resultierende Volumenvergrößerung zu beseitigen. Es hat sich jedoch gezeigt daß sich diese
Volumenvergrößerung 'licht vermeiden läßt und als unabdingbare Voraussetzung hingenommen werden
muß.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium zu
schaffen, deren Stahlmantel eine Ausdehnung des Kohlebodens so weit erlaubt daß keine bleibenden
Deformationen und/oder Rißbildungen auftreten, ohne daß wesentliche Mehrkosten in Kauf genommen
werden müssen. Außerdem sollen Aufwölbungen des und Rißbildung im Boden der Kohleauskleidung
vermindert werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß der Stahlmantel der Wanne eine Ausbuchtung
aufweist die einen mit einem ersten, leicht verformbaren Material und einem zweiten, erst bei größeren
Kräften verformbaren Material vollständig gefüllten Stauraum zu Aufnahme des sich während des Betriebes
in horizontaler Richtung ausdehnenden Bodens der Kohlenstoffauskleidung bildet wobei das zweite Material
solche mechanischen Eigenschaften aufweist daß die Kräfte ohne dauernde Verformung und/oder
Rißbüdung auf den ausgebuchteten St.°h!mante! übertragen
weiden, und daß die auf den Boden der Kohlenstoffauskleidung wirkenden Gegenkräfte dessen
Auswölbung und Durchsetzung mit Rissen vermindern.
Bevorzugt ist die den Stauraum bildende Ausbuchtung des Stahlmantels rund um die Elektrolysezelle
ausgebildet und vom nichtausgebuchteten Stahlmantel lösbar.
Zur Befestigung der lösbaren Auswölbung werden übliche Befestigungsmittel verwendet wie z. B. Schrauben
oder Nieten.
Der vom ausgebuchteten Stahlmantel gebildete Stauraum, der zur Aufnahme des sich ausdehnenden
Kohlebodens bestimmt ist darf sich nicht mit Luft füllen, weil dort vorhandener Sauerstoff die Kohlenstoffauskleidung
oxidieren und verbrennen würde. Deshalb muß der Stauraum derart gefüllt werden, daß sich keine Luft
ansammeln kann.
Ein erstes Füllmaterial muß so leicht zusammendrückbar sein, daß es der Volumenausdehnung der
Krhlenstoffauskleidung in horizontaler Richtung nur eine vernachlässigbare kleine Gegenkraft entgegensetzt
Ein zweites, durch die Volumenausdehnung des Bodens der Kohleauskleidung zerstöi bares Material
erzeugt eine Gegenkraft, die unterhalb des Kohlebodens, aber oberhalb der Kernzone des Bodens der
Kohlenstoffauskleidung angreift Unter Kernzone wird nach den bekannten Regeln der Festigkeitslehre
diejenige Zone verstanden, in der der Kraftangriff erfolgen muß, um an keiner Stelle Zugkräfte auftreten
zu lassen. Durch die einwirkende Gegenkraft des zweiten Materials oberhalb der Kernzone wird der
Kohleboden so stark zusammengedrückt, daß sowohl Aufwölbungen wie Rißbildungen verminde-t werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Es ..teilen im einzelnen schematisch dar:
F i g. 2 vertikaler Teilquerschnitt durch eine Elektrolysezelle,
Fig.4-8 spezielle Ausführungen des zweiten Materials.
In F i g. 2 ist iO die Fluoridschmelze, 1J die
Kohlenstoffauskleidung, 12 die Stahlwanne, 14 die thermische Isolation, 14 das flüssige Aluminium. 15 der
Kohleboden, 16 die Oberfläche des flüssigen Aluminiums,
17 ein eiserner Kathodenbarren, 18 eine Anode, 19 eine Stromleiterstange. 22 die Kruste aus erstarrter
Schmelze, 23 die Aluminiumoxidschicht, 24 das Bord und 25 die Hohlräume über dem Schmelzfluß.
Der Stahlmantei 12 weist in seinem unteren Teil eine
Ausbuchtung auf, die den Stauraum 29 darstellt, der jedoch nicht, wie dargestellt, mit dem Wannenboden
bündig sein muß. Aus fertigungstechnischen Gründen wird jedoch die dargestellte Art bevorzugt
Der Stauraum 29, der mindestens so hoch sein muß. daß er über den Kohleboden IS hinausreicht, ist gefüllt
mit einem leicht zusammendrückbaren Material 30. z. B.
mit Steinwolle, und einem zweiten Material 31, das erst bei größeren Kräften zerstört wird. Die dabei erzeugte
Gegenkraft, die auf den Teil der Kohleauskleidung 11
wirkt, der sich unterhalb des Kohlebodens IS befindet,
darf nicht so groß sein, daß der den Stauraum 29 umschließende Teil des Stahlmantels 12 bleibend
vciiOi iili wird. Die Gegenkraft bei der Zerstörung u€5
Materials 31 muß gerade so groß sein, daß sie die Ausdehnung der Kohlenstoffauskleidung in horizontaler
Richtung gestattet, ohne daß sich der Kohleboden 15 wie bisher nach oben aufwölbt oder Risse bekommt.
Die in F i g. 3 gezeigte Ausführung hat den großen Vorteil, daß Reparaturen im Stauraum 29 sehr leicht
ausgeführt werden können. Die Verbindung des abnehmbaren Teils 32 mit dem restlichen Stahlmantel
12 wird beispielsweise durch Schraub- oder Nietverbindungen 33 vorgenommen.
Eine besondere Ausführung des Materials 31. das die Gegenkraft bewirken soll, zeigt Fig. 4. Diese Vorrichtung
besteht aus zwei parallelen Platten 34 und 35. Zwischen diesen befinden sich Stahlstangen 36. Die
Platte 35 wird gegen den Stahlmantel 32 des Stauraumes, die Platte 34 gegen die Kohlenstoffauskleidung
11 gelegt. Die Stahlstangen 36 sind so dimensioniert,
daß sie bei einer bestimmten Kraft in Richtung 39 ausknicken. Die Bedingungen für diese Kraft sind im
übrigen die gleichen, wie bei F i g. 2 beschrieben.
Die Fig. 5 zeigt eine weitere Möglichkeit zur
Anordnung des Materials 31. Dieses wird aufgebaut aus keramischen Steinen 37, welche von Kanälen 38 quer
zur Kraftrichtung 39 durchzogen sind. Die Kanalquerschnitte nehmen, in Kraftrichtung 39 gerechnet gegen
die Mitte der keramischen Steine 37 zu. Damit werden die Steine 37 in der Mitte am meisten geschwächt und
werden als erste zerdrückt Die im Querschnitt rechteckig gezeichneten Kanäle 38 können in jeder
beliebigen Form ausgebildet sein, müssen jedoch so dimensioniert werden, daß die Steine 37 bei, bzw. nach
to ihrer Zertrümmerung gerade diejenige Gegenkraft erzeugen, wie sie bei F i g. 2 beschrieben ist Die Steine
37 haben vorzugsweise afle gleiches äußeres Format.
In Fig.6 ist das Material 3t aus unterschiedlich
großen Steinen 40, 41 und 42 zusammengesetzt, von
i' denen jeder mit Kanälen 43 durchzogen ist Hierdurch
wird bei der Zertrümmerung eine kleinere Gegenkraft und eine weichere Kraft-Weg-Kennlinie erreicht.
Zuerst wird der Stein mit den kleinsten Dimensionen zertrümmert Steigt die Kraft durch die sich ausdehnen-
*" *j£ rwOtttCnStCiläüäkrCfUÜtig w'CitCr, w'ird de" MaChstgrGute
Stein zertrümmert, usw.
In F i g. 7 ist als weitere Variante des Materials 31 ein keramischer Formstein mit veränderlichem Querschnitt
ausgebildet Der Querschnitt nimmt von den Enden mit dem größten Querschnitt 44 bis auf den kleinsten
Querschnitt 45 ab. d. h„ es entsteht eine Einschnürung.
Zunächst wird der Teil des Formsteines mit dem kleinsten Querschnitt 45 zertrümmert. Steigt die
einwirken.« Kraft weiter, so schreitet auch die Zertrümmerung in Richtung steigender Querschnitte
fort
Der in F i g. 8 riargestellte Vorschlag für die Anordnung des Materials 31 und dis Kathodenbarrens
17 kann auf alle Beispiele der Fig.4 bis 7 angewendet
werden. Der keramische Formstein (F i g. 7) mit veränderlichem Querschnitt hat eine Aussparung 46, in
die sich der eiserne Kathodenbarren 17 einpaßt. Der Übersicht halber ist die Kohleauskleidung 11 unterhalb
des Kohlebodens 15, in die der eiserne Kathodenbarren 14 eingebettet ist fortgelassen. Diese Ausführung mit
reitendem Formstein hat den Vorteil, daß die Lage des Formsteins festgehalten wird.
Claims (11)
1. Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium, dadurch gekennzeichnet, daß der
Stahlmantel (12) der Wanne eine Ausbuchtung aufweist, die einen mit einem ersten, leicht
verformbaren Material (30) und einem zweiten, erst bei größeren Kräften verformbaren Material (31)
vollständig gerollten Stauraum (29) zur Aufnahme des sich während des Betriebes in horizontaler
Richtung ausdehnenden Bodens (U) der Kohlenstoff auskleidung bildet, wobei das zweite Material
solche mechanischen Eigenschaften aufweist, daß die Kräfte ohne dauernde Verformung und/oder
Rißbildung auf den ausgebuchteten Stahlmantel fibertragen werden, und daß die auf den Boden der
Kohlenstoffauskleidung wirkenden Gegenkräfte dessen Auswölben und durchsetzen mit Rissen
vermindern.
2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbuchtung des Stahlmantels
mit Stauraurn (29) urn die game Wanne läuft
3. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbuchtung (32)
lösbar am Stahlmantel befestigt ist
4. Elektrolysezelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbuchtung (32) an dem
Stahlmantel angeschraubt oder angenietet ist
5. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß das erste
Material (30) aus Steinwolle besteht
6. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite
Material (31) so angeordnet ist daß die von ihm bewirkte Gegenkraft unterhalt? des Kohlebodens
(15), aber oberhalb der Kernzone des Bodens der Kohlenstoffauskleidung (11) angreift
7. Elektrolysezelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Material (31) zwei
parallele Stahlplatten (34, 35) mit dazwischen angeordneten, ausknickbaren Stahlstangen (36)
umfaßt
8. Elektrolysezelle nach Anspruch 6, dadurch, gekennzeichnet, daß das zweite Material (31) von
quer zur angreifenden Kraft (39) verlaufenden Kanälen (38) durchsetzt ist, deren Querschnitt zur
Mitte hin zunimmt
9. Elektrolysezelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Material aus von
Kanälen (43) durchsetzten, keramischen Formsteinen (40,41,42) unterschiedlicher Größe besteht.
10. Elektrolysezelle nach Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das zweite Material von eingeschnürten keramischen Formsteinen (44, 45)
gebildet ist
11. Elektrolysezelle nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenbarren (17) in Aussparungen (46) der keramischen Formsteine
eingesetzt sind.
Applications Claiming Priority (1)
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| DE2633055B1 DE2633055B1 (de) | 1977-12-08 |
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|---|---|---|---|
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