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Vorrichtung zum kontinuierlichen Messen von
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Elektrolyttemperaturen
Vorrichtung zum kontinuierlichen
Messen von Elektrolyttemperaturen Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung
zum kontinuierlichen Messen der Temperaturen von Metallsalzschmelzen, insbesondere
von Kryolithschmelzen für die elektrolytische Herstellung von Aluminium, mittels
zweier vom Angriff durch den Elektrolyten geschützter Thermodrähte.
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Für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid
wird dieses in einer Fluoridschmelze gelöst, die zum grössten Teil aus Kryolith
(Na3AlF6) besteht. Bei konventionellen Verfahren tauchen von oben Anoden aus amorphem
Kohlenstoff in die Schmelze ein. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium sammelt
sich unter der Fluoridschmelze auf dem Boden der Zelle. An den Anoden entsteht durch
die elektrolytische Zersetzung des Aluminiumoxids Sauerstoff. Die Elektrolyse findet
in einem Temperaturbereich von etwa 900 bis 10000C statt.
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Das Prinzip einer Aluminium-Elektrolysezelle mit vorgebrannten Kohleanoden
geht aus der Fig. 1 hervor, die einen Vertikalschnitt in Längsrichtung durch einen
Teil einer Elektrolysezelle zeigt. Die Stahlwanne 12, die mit einer thermischen
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.
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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
den Gleichstrom zuführen. Die Anoden sind über Stromleiterstangen 19 und durch Schlösser
20 mit dem
Anodenbalken 21 fest verbunden. Der Strom fliesst vom
Anodenbalken 21 über die Stromleiterstangen 19, die Anoden 18, den Elektrolyten
10, das flüssige Aluminium 14 und die Kohlenstoffauskleidung 11 zu den Kathodenbarren.
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Der Elektrolyt l0-ist mit einer Kruste 22 aus erstarrter Schmelze
und einer darüber befindlichen Aluminiumoxidschicht 23 bedeckt. An den Seitenwänden
der Kohlenstoffauskleidung 11 bildet sich ebenfalls eine Kruste aus erstarrtem Elektrolytmaterial,
nämlich das Bord 24. Zwischen dem Elektrolyten 10 und der erstarrten Kruste 22 entstehen
im Betrieb Hohlräume 25.
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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.
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Für eine automatische Kontrolle und Regelung der Aluminiumelektrolysezellen
werden vorzugsweise Computer eingesetzt, die aus verschiedenen Messgrössen wie Elektrolyttemperatur
(Temperatur der Fluoridschmelze), Badwiderstand, Al 23 -Konzentration, Verhalten
der elektromotorischen Kraft (ErIK) als Funktion der Zeit usw. den Zustand jeder
Zelle analysieren und entsprechende logische Befehle an automatisch arbeitende Maschinen
weitergeben (automatische Krustenbrecher, Anodeneffekt-Löschvorrichtungen, A1203
-Chargiervorrichtungen usw.).
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Für die Analyse des Ofenzustandes sind einige Grössen ausserordentlich
wichtig; ohne ihre kontinuierliche oder quasi-kontinuierliche Messung ist eine vollautomatische
Zellenführung nicht möglich. Diese Grössen sind: Interpolardistanz, Al 203 Konzentration
im Elektrolyten, Elektrolyttemperatur, Spannungsabfall im Zellenboden, Elektrolytzusammensetzung,
Metall-und Elektrolythöhe.
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Für die Erfassung der hier betrachteten Elektrolyttemperatur
sind
Vorrichtungen erforderlich, die mit der gleichstromdurchflossenen Fluoridschmelze
in Berührung kommen. Diejenigen Teile, welche mit der Fluoridschmelze in Berührung
kommen, müssen eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit gegen diese haben, sodass
sie - auch in längerem Kontakt mit ihr - betriebs fähig bleiben. Wenn Teile der
Vorrichtung aus der Oberfläche der Fluoridschmelze herausragen, müssen sie ausserdem
gegen Sauerstoff beständig sein. Solche Werkstoffe sind wohl bekannt, können jedoch
für diesen Zweck nicht wirtschsftlich eingesetzt werden.
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Es gibt Werkstoffe, die elektrisch leitend und gegen flüssiges Aluminium
beständig, aber nicht sauerstoffbeständig sind, z.B.
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Graphit oder Titanborid (TiB2), auch TiB2 im Verbund mit Bornitrid
(BN) und/oder Aluminiumnitrid (A1N). Werden Vorrichtungen aus elektrisch leitendem
sowie gegen die Fluoridschmelze und gegen flüssiges Aluminium beständigem Werkstoff
in die gleichstromdurchflossene Fluoridschmelze eingetaucht, besteht die Gefahr,
dass sie darin als bipolare Elektroden wirken.
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Die Stromeintrittsstelle ist Kathode, an der infolgedessen metallisches
Aluminium abgeschieden wird, während die Stromaustrittsstelle als Anode wirkt, an
der naszierender Sauerstoff entsteht. Der Sauerstoff zerstört den nicht sauerstoffbeständigen
Werkstoff.
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Es folgt aus dem Vorstehendzn, dass Werkstoffe, die gegen flüssiges
Aluminium nicht beständig sind, wie z.B. Platin, zur Herstellung von Geräteteilen,
die mit der gleichstromdurchflossenen Fluoridschmelze in Berührung kommen, nicht
verwendet werden können.
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Die Erfinder haben sich deshalb die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung
zum Messen von Temperaturen von Metallsalzschmelzen mittels zweier vom Angriff durch
den Elektrolyten geschützter Thermodrähte zu schaffen, die bei hoher Lebensdauer
präzis
und zuverlässig eingesetzt werden kann und ausserdem preisgünstig herzustellen ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die miteinander
verschweissten Thermodrähte in einen elektrisch isolierenden Füllstoff eingebettet
sind, welcher in dieser Reihenfolge von einem inneren Metallschutzmantel, einem
Keramikschutzrohr, einem äusseren Metallschutzmantel und einem dickwandigen, in
seinem oberen Bereich von einem Stahlrohr umhüllten Graphittiegel umgeben ist, wobei
auf mindestens einem Teil des Stahlrohres sowie zwischen dessen unterem Ende und
dem Graphittiegel eine Kruste aus erstarrtem Elektrolytmaterial gebildet ist.
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Die Lebensdauer der erfindungsgemässen Vorrichtung liegt zwischen
1 und 2 Monaten, wobei die Präzision der Temperaturmessung mindestens vergleichbar
mit derjenigen von handelsüblichen, kurzlebigen Thermoelementen ist.
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Die Vorrichtung ist dank ihrer Wärmeleitfähigkeit sehr temperaturempfindlich,
so können beispielsweise geringe Temperatur-0 schwankungen von einigen C innerhalb
ca. 1 Minute erfasst werden. Die Empfindlichkeit geht so weit, dass anhand des Steigungsmasses
der Temperaturerhöhung Anodeneffekte vorausgesagt werden können.
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Die Thermodrähte bestehen vorzugsweise aus mit Magnesiumoxid isoliertem
Chromel-Alumel oder Nickelchrom-Nickel.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der Zeichnung
(ohne Fig. 1) näher erläutert. Es zeigen schematisch:
- Fig. 2 einen
teilweisen Längsschnitt durch die Vorrichtung zum kontinuierlichen Messen von Temperaturen.
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- Fig. 3 einen Querschnitt an der Stelle III-III in Fig. 2.
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- Fig. 4 einen das Längen-Durchmesserverhältnis darstellenden Längsschnitt.
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- Fig. 5 einen teilweisen Längsschnitt durch eine Elektrolysezelle
mit eingesetztem Thermoelement.
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Die Vorrichtung 29 zum kontinuierlichen Messen von Temperaturen von
Metallsalzschmelzen umfasst Thermodrähte 30, welche eine punktförmig verschweisste
Verbindungsstelle 33 aufweisen.
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Die Thermodrähte sind in elektrisch isolierendem Material, beispielsweise
Aluminium- oder Magnesiumoxid 31 eingebettet.
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In diesem Fall werden auf mindestens einen Thermodraht 30 Keramikröhrchen
49 geschoben, welche einen direkten Kontakt der Thermodrähte verhindern. Der Füllstoff
ist in einen bei der Schweissverbindung kalottenförmig verschlossenen inneren Schutzmantel
32 aus INCONEL gepackt.
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Der isolierende Füllstoff kann auch aus einem Keramikkörper bestehen,
in welchem zwei Bohrungen für die Thermodrähte ausgespart sind.
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Dieses an sich funktionsfähige Grundelement wird durch einen Graphittiegel
36 von dem korrodierenden Einfluss der Metallsalzschmelze geschützt. Um eine maximale
Lebensdauer zu erhalten, müssen jedoch noch weitere Massnahmen getroffen werden.
Der innere Metallschutzmantel 32 wird in ein einseitig verschlossenes Keramikrohr
34 aus dichtem Aluminiumoxid gestossen, wobei das letztere wiederum von einem äusseren,
ebenfalls einseitig verschlossenem Schutzrohr 35 aus INCONEL umgeben ist. Der äussere
Metallschutzmantel 35 wird in den
Graphittiegel 36 eingeführt,
wobei der äussere Metallschutzmantel, im Zusammenwirken mit dem Aluminiumoxidrohr,
eine Aufkohlung verhindert. Die Bohrung des Graphittiegels ist derart gestaltet,
dass der äussere Metallschutzmantel satt sitzt und die Schweissverbindung 33 der
Thermodrähte möglichst nahe zum Tiegelboden 47 gebracht werden kann.
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Um den Graphittiegel 36 gegen mechanische Einwirkungen zu schützen,
ist dieser mindestens teilweise mit einem Stahlrohr 37 bedeckt. Es ist jedoch zu
beachten, dass der Graphittiegel im unteren Bereich, auf einer Höhe h, frei ist.
Die Höhe h ist vorzugsweise grösser als der Abstand der Schweissverbindung 33 vom
Tiegelboden 47.
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Beim Eintauchen der Vorrichtung 29 in die Metallsalzschmelze begünstigt
der Stahlmantel 37 die Bildung einer aus erstarrtem Elektrolytmaterial bestehenden
Kruste, sowohl auf dem Stahlmantel als auch zwischen dem unteren Ende 48 des Stahlmantels
und dem Graphittiegel. Diese Kruste, welche dank der Wärmeabfuhr durch den Stahlmantel
37 aufrecht erhalten wird, vermindert den Angriff des Graphits durch die bei der
Elektrolyse freigesetzten Gase in wesentlichem Ausmass. In Fig. 2 ist diese Kruste
nicht dargestellt.
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Im Bereich des oberen Randes des Graphittiegels sitzt in einer ringförmigen
Ausnehmung 39 in der äusseren Mantelfläche des Graphittiegels eine umlaufende Bride
38. Eine Muffe 40 ist mit einer Schraubverbindung auf das obere äussere Ende des
Stahlmantels 37 aufgebracht. Diese Muffe 40 ist ihrerseits mit einer Schraubverbindung
42 mit einem Halte- oder Tragrohr 43 verbunden.
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In den Fig. 2 und 3 sind zwischen den Rohren 32 und 34, 34 und 35,
35 und 36 sowie 35 und 43 aus Gründen der Uebersichtlichkeit Zwischenräume eingezeichnet,
obwohl die entsprechenden Teile in Wirklichkeit satt aufeinander sitzen.
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Wenn die Vorrichtung zusammengesetzt ist, muss sie zuerst vorgeheizt
werden, um alle Feuchtigkeit auszutreiben. Damit wird das Risiko beseitigt, dass
die Vorrichtung durch den Wärmeschock beim Einführen in das Bad zerbricht oder explodiert.
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Bei Verwendung der Vorrichtung zum kontinuierlichen Messen von Temperaturen
von Kryolithschmelzen für die elektrolytische Herstellung von Aluminium wird die
Vorrichtung vorgeheizt, indem sie in das Aluminiumoxid, welches den Ofen bedeckt,
gelegt wird.
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Für den in Fig. 5 gezeigten Ausschnitt aus einer Elektrolysezelle
für die Herstellung von Aluminium werden die gleichen Bezugszeichen wie in Fig.
1 verwendet. In die Kruste 22, welche den Schmelzfluss 10 im Elektrolyseofen bedeckt,
wird ein Loch für die Einführung der Temperaturmessvorrichtung 29 gebohrt. Das Tragrohr
43 dieser Vorrichtung 29 wird auf eine Stütze 45 montiert, welche in bezug auf die
Höhe fest ist (also unabhängig von der Traverse 21). Die Befestigung des Tragrohres
43 in der Stütze 45 muss starr sein.