DE2833381A1 - Elektrolysezelle zum gewinnen von aluminium - Google Patents

Elektrolysezelle zum gewinnen von aluminium

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DE2833381A1
DE2833381A1 DE19782833381 DE2833381A DE2833381A1 DE 2833381 A1 DE2833381 A1 DE 2833381A1 DE 19782833381 DE19782833381 DE 19782833381 DE 2833381 A DE2833381 A DE 2833381A DE 2833381 A1 DE2833381 A1 DE 2833381A1
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Sigri Elektrograhit GmbH
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25CPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/08Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes

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Description

  • Elektrolysezelle zum Gewinnen von Aluminium
  • Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle zum Gewinnen von Aluminium mit in eine Schmelze eintauchenden Anoden, diesen in Abstand gegenüberliegenden aus Kohlenstoffblöcken gebildeten Ofenboden, welcher mit einer als Kathode dienenden Schicht aus abgeschiedenem Aluminium bedeckt ist und -anodischen und kathodischen Stromleitern.
  • Die zur Herstellung von Aluminium nach dem Hall-Heroult-Verfahren verwendeten Elektrolysezellen bestehen im allgemeinen aus einer rechteckigen mit einer Isolierschicht und Kohlenstoffblöcken ausgekleideten, eine Schmelze aus im wesentlichen Kryolith und Tonerde enthaltenden Stahlwanne, in welcher in Abstand zum Ofenboden in vertikaler Richtung verschiebbare Anoden aus Kohlenstoff angeordnet sind. Die den Boden der Zelle bildenden Kohlenstoffblöcke sind mit einer als Kathode dienenden Schicht aus geschmolzenem Aluminium bedeckt und im allgemeinen mit Nuten versehen, in welche Stromleiter, z.B. in Form eiserner Kathodenbarren, eingelegt und etwa durch Füllen der verbleibenden Fugen mit Gußeisen oder einer anderen den elektrischen Strom leitenden Masse mit den Kohlenstoffblöcken verbunden sind. Beim Betrieb der Elektrolysezelle durchfließt der Elektrolysestrom ausgehend von den Anoden die Kryolithschmelze praktisch in vertikaler Richtung, tritt dann in die schmelzflüssige, eine wesentlich größere Leitfähigkeit aufweisende Aluminiumschicht ein und wird in dieser bevorzugt in Richtung auf die Ofenseiten abgelenkt. Die horizontale Stromkomponente bewirkt in Verbindung mit der vertikalen Komponente des Magnetfeldes eine Zirkulation der Aluminiumschmelze, wodurch ein größerer, den Wirkungsgrad des Prozesses beeinträchtigender Abstand zwischen Anode und Kathode eingehalten werden muß. Da durch die Auslenkung des Stromflusses die Kohlenstoffblöcke am Zellenrand relativ mehr Strom als in der Zellenmitte aufnehmen, nimmt auch die Bodentemperatur in Richtung Zellenrand zu und insbesondere bei Öfen mit einer Tonerdechargierung in der Ofenmittelachse können sich die Wände der Zelle gegen Korrosion schützende Krusten aus erstarrtem Elektrolyten kaum bilden. Bei fehlenden stabilen Schutzschichten ist die Standzeit der Randauskleidung im allgemeinen nicht befriedigend.
  • Es hat nicht an Versuchen und Vorschlägen gefehlt, nachteilige horizontale Stromkomponenten in der schmelzflüssigen Aluminium-Kathode durch eine gradielle Änderung des Widerstandes der Kohlenstoffblöcke oder des Übergangswiderstandes zwischen Kohlenstoffblöcken und Stromleitern zu vermeiden oder wenigstens zu verkleinern. Durch die DE-PS 20 61 263 ist es bekannt, die Stromdichte des Elektrolysestroms dadurch zu vergleichmäßigen, daß der Widerstand der für die Bodenzustellung verwendeten Kohlenstoffblöcke in Richtung auf den Zellenrand zunimmt. Nach der DE-PS 23 18 599 sind in Weiterbildung dieses Vorschlags die randseitigen Kohlenstoffblöcke des Ofenbodens mit einer Schicht aus einem elektrisch nichtleitenden Material bedeckt.
  • Diese Lösungen sind insoweit nachteilig, als die Verwendung verschiedener sich im spezifischen elektrischen Widerstand unterscheidenden Typen oder Sorten von Kohlenstoffblöcken die Lagerhaltung erschwert und die Verbindung oder Beschichtung von Kohlenstoffkörpern mit einem elektrisch isolierenden keramischen Material aufwendig und nicht in allen Fällen technisch befriedigend zu lösen ist.
  • Nach der DE-OS 26 24 171 wird eine Zunahme des Bodenwiderstands in Richtung auf den Zellenrand schließlich dadurch erreicht, daß die kathodischen Stromleiter nicht über ihre gesamte Länge mit den den Ofenboden bildenden Kohlenstoffsteinen verbunden sind. Die Fugen -zwischen den Kohlenstoffblöcken und den in nutenförmige Ausnehmungen der Blöcke eingelegten kathodischen Leitern sind dabei nur zu einem Teil mit einer den elektrischen Strom leitenden Masse gefüllt, wodurch prinzipiell jede gewünschte Stromdichte'-verteilung über die Bodenfläche eingestellt werden kann.
  • Da derartige Fugenfüllungen jedoch nur bis zu einem bestimmten Grade reproduzierbar hergestellt werden können, weicht der Ist-Widerstand mehr oder weniger beträchtlich von dem Soll-Widerstand ab und eine vorgegebene Verteilung der Stromdichte ist nicht immer mit ausreichender Genauigkeit zu verwirklichen.
  • Die kathodischen Stromleiter bestehen aus stählernen Barren, die in Nuten der Kohlenstoffblöcke eingelegt und mit diesen wie oben beschrieben verbunden sind. Beim Erhitzen der Zelle werden die Kohlenstoffblöcke auf Zug beansprucht, da der thermische Ausdehnungskoeffizient des Barrens etwa dreimal größer ist als der Ausdehnungskoeffizient der Blöcke. Diese Zugspannungen sind eine häufige Ursache für die Bildung von Rissen in den Kohlenstoffblöcken, durch welche die Schmelze den Ofenboden durchdringen kann.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in Aluminium-Elektrolysezellen die horizontale Stromkomponente im flüssigen Aluminium wenigstens zu begrenzen und dabei die Nachteile der beschriebenen Lösungsvorschläge zu vermeiden. Nach einer weiteren Aufgabe soll die mechanische Belastung der den Ofenboden bildenden Kohlenstoffsteine verringert werden.
  • Die Aufgabe wird mit einer Elektrolysezelle der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die unterhalb des Ofenbodens verlaufenden kathodischen Stromleiter in Ausnehmungen der Kohlenstoffblöcke eingreifende Zapfen aufweisen und die auf die Längeneinheit bezogene Anzahl der Zapfen von der Mitte des Ofenbodens in Richtung der seitlichen Ofenbegrenzungen abnimmt.
  • Die kathodischen Stromleiter sind nach der Erfindung nicht in nutenförmige Ausnehmungen der Kohlenstoffblöcke eingeliegt, sie erstrecken sich vielmehr unterhalb des Ofenbodens parallel zu den einzelnen Blockreihen. Die mechanische und elektrische Verbindung dieser Elemente erfolgt durch Zapfen oder Aufsätze, die Teil der kathodischen Stromleiter sind und in entsprechend ausgebildete Ausnehmungen der Kohlenstoffblöcke eingreifen. Zapfen mit einem kreisförmigen Querschnitt sowie kegelstumpfförmig ausgebildete, nichtkreisförmige Zapfen, die besonders einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen, werden bevorzugt. Im allgemeinen wird durch einfache Steckverbindungen eine ausreichende mechanische Verankerung und ein kleiner Spannungsabfall in der Verbindung erreicht. Gegebenenfalls ist in Längsrichtung des zweckmäßig in Barrenform ausgeführten kathode schen Stromleiters ein größeres Spiel zur Aufnahme der thermischen Dehnung vorgesehen, wobei der Spalt mit einer komprimierbaren kohlenstoffhaltigen Masse gefüllt sein kann. Nach einer weiteren, für größere mechanische Beanspruchungen geeigneten Ausführung sind Zapfen und Ausnehmungen mit Gewinden versehen und miteinander verschraubt. Bei dieser Ausführung besteht der Zapfen zweckmäßig aus zwei Teilen, die durch eine Überwurfmutter miteinander verbunden sind und von denen ein Teil mit dem kathodischen Stromleiter etwa durch Schweißen oder Schrauben fest verbunden ist. Der in die Ausnehmungen der Kohlenstoffblöcke eingreifende Teil des Zapfens besteht dabei bevorzugt aus Graphit, der eine hohe elektrische Leitfähigkeit und einen kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Durch die Verwendung eines Graphitteils können insbesondere die beim Erhitzen des Ofens oder durch sonstige örtliche Temperaturdifferenzen bedingten mechanischen Spannungen in dem Verbindungsteil wirksam verringert werden.
  • Erfindungsgemäß werden horizontale nach außen gerichtete Stromkomponenten in einfacher Weise dadurch vermindert, daß im wesentlichen die die Mitte des Ofenbodens bildenden Kohlenstoffblöcke mit dem kathodischen Stromleiter elektrisch leitend verbunden sind und die Zahl der Kontakte je Längeneinheit in Richtung auf den Ofenrand abnimmt. Die Verbindungen lassen sich reproduzierbar herstellen und die für gegebene Betriebsbedingungen günstigste Anzahl von Verbindungen kann rechnerisch im voraus bestimmt werden. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle besteht darin, daß die im Ofenboden während des Ofenbetriebs etwa beim Anfahren der Zelle, bei größeren Lastschwankungen und dergleichen sich bildenden mechanischen Spannungen wesentlich kleiner sind als in den bekannten Zellen und damit die Bildung von Rissen und dadurch bedingte Aufwölbungen des Ofenbodens vermieden oder erheblich eingeschränkt werden.
  • Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen Fig. 1 - einen Längsschnitt durch einen Teil einer Aluminium-Elektrolysezelle nach der Erfindung, Fig. 2 - einen kathodischen Stromleiter mit kegelstumpfförmigen Zapfen In Figur 1 ist 1 eine Stahlwanne mit einer wärmeisolierenden Schicht 2,auf der Kohlenstoffblöcke 3 und ebenfalls aus Kohlenstoff bestehende Randblöcke 4 aufliegen. Das beim Betrieb der Zelle abgeschiedene Aluminium bildet eine die Kathode für den Elektrolysevorgang darstellende Schicht 5, über welcher im Abstand die Kohlenstoffanoden 6 hängen. Der Abstand zwischen der Anodenunterseite und der Oberfläche der Aluminiumschicht läßt sich durch Heben und Senken des Anodenträgers 7 oder einzelner Stromleiterstangen 8 mit Hilfe einer zeichnerisch nicht dargestellten Hubeinrichtung ändern. Die Anoden tauchen in den im wesentlichen aus geschmolzenem Kryolith bestehenden Elektrolyten 9 ein, der an der Oberfläche und am Zellenrand eine Kruste 10 aus erstarrter Schmelze bildet, die mit einer Schicht 11 aus Tonerde bedeckt ist.
  • Über den Anodenträger 7 und die Stromleiterspangen 8 wird den Anoden 6 Gleichstrom zugeführt, der über den Elektrolyten 9, die flüssige Aluminiumkathode 5 und die Kohlenstoffblöcke 3 zu den kathodischen Stromleitern 12 fließt und von dort zu dem Anodenträger einer zeichnerisch nicht dargestellten folgenden Zelle. Die barrenförmigen kathodischen Stromleiter, die sich über die gesamte Breite der Elektrolysezelle erstrecken, sind durch Zapfen 13 mit den Kohlenstoffblöcken 3 verbunden. Die auf die Längeneinheit bezogene Anzahl der Zapfen 13, die beispielsweise auf die Strombarren 12 aufgeschweißt sind,. nimmt in Richtung auf den Zellenrand derart ab (Fig. 2), daß in der flüssigen Aluminium-Kathode horizontale Stromkomponenten praktisch ausgeschlossen werden. Die zur Aufnahme der Zapfen in den Kohlenstoffblöcken 3 vorgesehenen Ausnehmungen weisen in Längsrichtung des barrenförmigen kathodischen Stromleiters zweckmäßig ein Übermaß auf, durch welches die größere Dehnung des stählernen Barrens beim Erhitzen der Zelle kompensiert werden kann und Zugspannungen innerhalb der Kohlenstoffblöcke vermieden werden. Dabei ist zweckmäßig der bei Raumtemperatur offene Spalt zwischen Zapfen und Wandung der Ausnehmung mit einer kompressiblen Masse, beispielsweise aus expandierten Graphitpartikeln, gefüllt.

Claims (8)

  1. Patentansprüche 1. Elektrolysezelle zum Gewinnen von Aluminium mit in eine Schmelze eintauchenden Anoden, diesen in Abstand gegenüberliegenden aus Kohlenstoffblöcken gebildeten Ofenboden, welcher mit einer als Kathode dienenden Schicht aus abgeschiedenem Aluminium bedeckt ist und anodischen und kathodischen Stromleitern, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die, einen oder mehrere zapfenartige Aufsätze aufweisenden kathodischen Stromleiter unterhalb der Kohlenstoffblöcke verlaufen und der oder die zapfenartigen Aufsätze in Ausnehmungen der Kohlenstoffblöcke eingreifen.
  2. 2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die auf die Längeneinheit bezogene Anzahl der Zapfen von der Mitte des Ofenbodens in Richtung der seitlichen Ofenbegrenzung abnimmt.
  3. 3. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 und 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Zapfen kegelstumpfförmig ausgebildet sind.
  4. 4. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 bis 3, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t i daß die Zapfen und die Ausnehmungen mit einem Schraubgewinde versehen sind.
  5. 5. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 bis 4, dadurch g e -k ein n z e i c h n e t , daß die Zapfen aus zwei miteinander verschraubbaren Teilen bestehen.
  6. 6. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 bis 5, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Zapfen aus Graphit bestehen.
  7. 7. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 bis 6, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Zapfen mit einer kompressiblen Masse in die Ausnehmungen der Kohlenstoffblöcke eingestampft sind.
  8. 8. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 bis 6, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Zapfen in die Ausnehmungen der Kohlenstoffblöcke eingegossen sind.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3223222A1 (de) * 1982-06-22 1983-12-22 Sigri Elektrographit Gmbh, 8901 Meitingen Elektrolysezelle zum gewinnen von aluminium
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DE102016226122A1 (de) * 2016-12-22 2018-06-28 Sgl Cfl Ce Gmbh Neuartiger Kathodenblock

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