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Elektrolysezelle zum Gewinnen von Aluminium
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.