DE60019724T2

DE60019724T2 - Kathodenkollektor mit abstandshalter für verbesserte wärmebilanz

Info

Publication number: DE60019724T2
Application number: DE60019724T
Authority: DE
Inventors: Graham E. Homley; Claude Gauthier; Louise Pearson
Original assignee: Alcoa Inc
Current assignee: Howmet Aerospace Inc
Priority date: 1999-10-13
Filing date: 2000-10-10
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2020-10-11
Also published as: NO20012893D0; NO20012893L; EP1147246B1; ES2238319T3; NZ511179A; CA2347858C; AU766270B2; WO2001027353A1; AU8004900A; RU2239007C2; CA2347858A1; CN1327488A; EP1147246A1; BR0007204A; ATE294264T1; DE60019724D1; CN1213171C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrolytische Zellen. In einem der Aspekte betrifft die Erfindung Kathoden-Kollektorschienen von Zellen zum Schmelzen durch elektrolytische Reduktion, wie sie bei der Erzeugung von Aluminium verwendet werden.
Aluminium wird durch elektrolytische Reduktion von Aluminiumoxid in einem Elektrolyten erzeugt. Das kommerziell mit Hilfe der elektrolytischen Reduktion von Aluminiumoxid erzeugte Aluminium wird als Primär-Aluminium bezeichnet.
Elektrolyse umfasst eine elektrochemische Oxidation/Reduktion in Verbindung mit der Zersetzung einer Verbindung. Ein elektrischer Strom fließt zwischen zwei Elektroden und durch ein schmelzflüssiges Na₃AlF₆-Kryolithbad, das aufgelöstes Aluminiumoxid enthält. Der Kryolithelektrolyt besteht aus einem schmelzflüssigen Na₃AlF₆-Kryolithbad, das Aluminiumoxid und andere Materialien enthält, wie beispielsweise Flussspat, die in dem Elektrolyten aufgelöst sind. Ein metallischer Bestandteil der Verbindung wird in Verbindung mit einer entsprechenden Oxidationsreaktion reduziert.
Der elektrische Strom fließt zwischen den Elektroden von einer Anode zu einer Kathode, um bei einer erforderlichen Elektromotorischen Kraft Elektronen bereitzustellen, um den metallischen Bestandteil zu reduzieren, bei dem es sich normalerweise um das angestrebte elektrolytische Produkt handelt, wie beispielsweise bei der elektrolytischen Schmelze von Aluminium. Die zur Erzeugung der gewünschten Reaktion aufgebrachte elektrische Energie hängt von der Beschaffenheit der Verbindung ab und von der Zusammensetzung des Elektrolyten.
Aluminium-Reduktionszellen nach Hall-Heroult werden bei geringen Spannungen (z.B. 4 bis 5 Volt) und hohen Stromstärken (z.B. 70.000 bis 325.000 A) betrieben. Der hohe elektrische Strom tritt in die Reduktionszelle durch den Anodenaufbau und strömt dann durch das Kryolithbad, durch einen schmelzflüssigen Block aus Aluminiummetall und tritt anschließend in einen Kohlenstoff-Kathodenblock. Der elektrische Strom wird über die Kathoden-Kollektorschienen aus der Zelle herausgeführt.
Wenn der Elektrolyt durch den elektrischen Strom traversiert wird, wird Aluminiumoxid elektrolytisch an der Kathode zu Aluminium reduziert und Kohlenstoff wird überwiegend zu Kohlendioxid an der Anode oxidiert. Das auf diese Weise erzeugte Aluminium sammelt sich an dem schmelzflüssigen Aluminiumblock und wird regelmäßig abgeschlagen. Kommerzielle Zellen zur Reduktion von Aluminium werden unter Aufrechterhaltung einer Mindesttiefe des flüssigen Aluminiums in der Zelle betrieben, dessen Oberfläche als die eigentliche Kathode dient. Die Mindesttiefe des Aluminiums beträgt etwa 5,1 cm (2 inch) und kann 50,8 cm (20 inch) betragen.
Das Aluminiumoxid-Kryolithbad wird über dem Metallblock aus schmelzflüssigem Aluminium mit einer vorgegebenen Tiefe gehalten. Der Strom fließt durch das Kryolithbad mit einem Spannungsabfall, der direkt proportional ist zur Länge des Stromweges, d.h. dem interpolaren Abstand zwischen der Anode und dem schmelzflüssigen Aluminiumblock. Ein typischer Spannungsabfall beträgt etwa 0,4 V/cm (1 V/inch). Eine Erhöhung des Anoden/Kathodenabstandes von 0,4 schränkt den maximalen Wirkungsgrad ein und beschränkt den Wirkungsgrad des Betriebs der Elektrolysezelle.
Der überwiegende Anteil des Spannungsabfalls durch die Elektrolysezelle tritt in dem Elektrolyten auf und ist auf den elektrischen Widerstand des Elektrolyten oder des Elektrolysebads über dem Anoden/Kathodenabstand zurückzuführen. Der elektrische Widerstand des Bads oder der Spannungsabfall in konventionellen Hall-Heroult-Zellen zur elektrolytischen Reduktion von Aluminiumoxid, das in einer Kryolithschmelze aufgelöst ist, schließt ein Zersetzungspotential ein, d.h. die zur Erzeugung von Aluminium verwendete Energie, und eine zusätzliche Spannung, die auf die Wärmeenergie zurückzuführen ist, die in dem Zwischenelektrodenabstand durch den Badwiderstand erzeugt wird. Diese letztere Wärmeenergie macht bis zu 35 bis 45% des Gesamtspannungsabfalls über der Zelle aus und ist vergleichsweise doppelt so hoch wie der Spannungsabfall, der auf das Zersetzungspotential zurückzuführen ist.
Eine nachteilige Folge aus dem Reduzieren des Anoden/Kathodenabstandes ist eine erhebliche Verringerung der Stromausbeute der Zelle, wenn das durch Elektrolyse an der Kathode erzeugte Metall durch Kontakt mit dem Anodenprodukt oxidiert wird. Beispielsweise kann das in der Elektrolyse von Aluminiumoxid, das in dem Kryolith aufgelöst ist, an der Kathode erzeugte Aluminiummetall leicht zurück oxidiert werden zu Aluminiumoxid oder Aluminiumsalz durch unmittelbare Nähe zu dem anodisch erzeugten Kohlenmonoxid. Eine Reduktion des Anoden/Kathodenabstandes gewährt mehr Kontakt zwischen Anodenprodukt und Kathodenprodukt und beschleunigt die Reoxidation oder "Rückreaktion" des reduzierten Metalls wesentlich, wodurch die Stromausbeute verringert wird.
Die hohe Ampereleistung des durch die Elektrolysezelle fließenden elektrischen Stroms erzeugte starke Magnetfelder, die eine Zirkulation in dem schmelzflüssigen Aluminiumblock induzieren und zu Problemen führen, wie beispielsweise verringerte Stromausbeute und "Rückreaktion" des schmelzflüssigen Aluminiums mit dem Elektrolyten.
Die Magnetfelder hängen außerdem von den Tiefen in einem ungleichen Abstand zwischen dem schmelzflüssigen Aluminiumblock und der Anode ab. Die Bewegung des Metallblockes nimmt zu, gelegentlich mit heftigem Rühren des schmelzflüssigen Blockes und unter Erzeugung von Wirbeln, und es werden lokalisierte elektrische Kurzschlüsse hervorgerufen.
Die Schwankungen der Tiefe des Metallblockes schränken die Reduktion des Anoden/Kathodenspalts ein und erzeugen einen Verlust der Stromausbeute. Energie geht an den Elektrolyten verloren, der sich zwischen den Anoden- und Kathodenblöcken befindet. Die Bewegung des schmelzflüssigen Aluminium-Metallblockes trägt außerdem zu einer ungleichmäßigen Abnutzung der Kohlenstoff-Kathodenblöcke bei und kann einen Ausfall der Zelle beschleunigen.
Außerdem erhöht die Turbulenz des Metallblockes die "Rückreaktion" oder Reoxidation kathodischer Produkte, wodurch der Wirkungsgrad der Zelle herabgesetzt wird. Die Turbulenz des Metallblockes beschleunigt eine Verformung und einen Abbau der Auskleidung des Kathodenbodens durch Abrieb und Penetration des Kryoliths.
In der konventionellen Kathode von heute erstreckt sich Stahl-Kathodenkollektoren von den äußeren Sammelschienen durch jede Seite der Elektrolysezelle hindurch in die Kohlenstoff-Kathodenblöcke. Die Kathoden-Kollektorschienen aus Stahl sind an den Kathodenblöcken angebracht mit Gusseisen, kohlenstoffhaltiges Klebmittel oder gestampfter Kohlenstoffpaste, um den elektrischen Kontakt zwischen den Kohlenstoff-Kathodenblöcken und den Kathoden-Kollektorschienen aus Stahl zu erleichtern.
Der Fluss des elektrischen Stroms durch den Aluminiumblock und die Kohlenstoffkathode folgt dem Weg des geringsten Widerstandes. Der elektrische Widerstand in einer konventionellen Kathoden-Kollektorschiene ist proportional der Länge des Stromweges von der Stelle, an der der Strom in die Kathoden-Kollektorschiene eintritt, bis zu der nächsten externen Sammelschiene. Der geringere Widerstand des Stromweges, beginnend an den Stellen auf der Kathoden-Kollektorschiene, die näher an der externen Sammelschiene ist, bewirkt den Stromfluss durch den schmelzflüssigen Aluminiumblock und die Kohlenstoff-Kathodenblöcke, die in dieser Richtung schräg verlaufen. Die Horizontalkomponenten des elektrischen Stromflusses wechselwirken mit der Vertikalkomponente des Magnetfeldes und führen zu einer nachteiligen Beeinflussung eines effizienten Zählbetriebs.
Die bestehende Technologie der Kathoden-Kollektorschiene der HallHeroult-Zelle beschränkt sich auf Profile aus gewalztem oder gegossenem unlegiertem Stahl. Die hohe Temperatur und die aggressive chemische Beschaffenheit des Elektrolyten erzeugen gemeinsam eine schwer belastende Arbeitsumgebung. Der hohe Schmelzpunkt und die geringen Kosten von Stahl kompensieren seine relativ geringe elektrische Leitfähigkeit. Im Vergleich dazu haben potentielle metallische Alternativen, wie beispielsweise Kupfer oder Silber, eine hohe elektrische Leitfähigkeit, jedoch geringe Schmelzpunkte und hohe Kosten. In dem Apparat und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung gelangt Kupfer deshalb zur Anwendung, weil es eine bevorzugte Kombination von elektrischer Leitfähigkeit, Schmelzpunkt und Kosten bietet. Aufgrund ihrer Kombinationen von elektrischer Leitfähigkeit, Schmelzpunkt und Kosten im Verhältnis zum Aluminiumschmelzprozess könnten auch andere Materialien mit hoher Leitfähigkeit verwendet werden.
Die elektrische Leitfähigkeit von Stahl ist im Vergleich zu dem Aluminium-Metallblock so gering, dass das äußere Drittel der Kollektorschiene, die sich der Gefäßseite am nächsten befindet, den überwiegenden Anteil der Last führt, wodurch eine sehr ungleichmäßige Verteilung des Kathodenstroms im Inneren des jeweiligen Kathodenblocks hervorgerufen wird. Aufgrund der chemischen Eigenschaften, physikalischen Eigenschaften und speziell der elektrischen Eigenschaften konventioneller Anthrazit-Kathodenblöcke, hat die geringe elektrische Leitfähigkeit von Stahl bis vor Kurzem keine schwerwiegende Prozesseinschränkung dargestellt.
Konventionelle Kathoden enthielten entweder 100% gasgeglühten Anthrazit (GCA) oder 100% elektrisch geglühten Anthrazit (ECA). Diese Kathodenblöcke hatten eine geringe Temperaturwechselbeständigkeit. Diese Kathodenblöcke waren unter Elektrolysebedingungen stark gequollen, d.h. unter dem Einfluss von Kathodenstrom, reduziertem Natrium und aufgelöstem Aluminium. Diese Kathodenblöcke hatten eine geringe elektrische Leitfähigkeit (im Vergleich zu Graphit). Zu ihren Gunsten hatten diese Kathodenblöcke geringe Erosions- oder Verschleißgeschwindigkeiten (im Vergleich zu Graphit).
Zur Überwindung der Nachteile von Kathoden mit 100% Anthrazit wurde von den Herstellern dem Rohgemisch des Kathodenblocks ein zunehmender Anteil an Graphit zugesetzt. Ein Minimum von 30% Graphit schien ausreichend zu sein, um Rissbildung durch Temperaturwechselbelastung zu vermeiden und in den meisten Fällen angemessene elektrische Eigenschaften und Natrium-Beständigkeit zu vermitteln. Weitere Zugaben von bis zu 100% Graphit-Zuschlag oder 100% Koks-Zuschlag, graphitisiert bei 2.000° bis 3.000°C, gewähren bevorzugte Bedingungen im Bezug auf Betrieb und Produktivität.
Mit den Erhöhungen des Graphitgehalts oder des Grades der Graphitisierung nahm die Geschwindigkeit zu, mit der die Kathodenblöcke erodierten oder abgenutzt wurden.
In der Verfolgung von Sparmaßnahmen wurden die Aluminium-Schmelzbehälter mit Zunahme der Arbeitsstromstärke in ihrer Abmessung größer. In dem Maß wie die Arbeitsstromstärke erhöht worden ist, nahm der Prozentanteil an Graphit in den Kathoden zu, um den Vorteil der verbesserten elektrischen Eigenschaften zu nutzen und die Produktionsgeschwindigkeiten auf ein Maximum zu bringen. In vielen Fällen hat dieses zu einem Übergang zu graphitisierten Kathodenblöcken geführt.
In den meisten typischen Fällen wird der Betrieb des Schmelzbehälters abgebrochen, wenn das Aluminiummetall durch Kontakt mit den Stahl-Kollektorschienen kontaminiert ist. Dieses kann dann passieren, wenn die Stöße von Kathode und Nahtgemisch undicht werden, wenn die Kathodenblöcke reißen oder brechen aufgrund von thermischen oder chemischen Einflüssen oder den kombinierten thermochemischen Einwirkungen oder wenn die Erosion der Oberseite des Blockes die Kollektorschiene freilegt. Bei der Anwendung von Kathodenblöcken mit höherem Graphitanteil und von graphitisierten Kathodenblöcken ist die vorherrschende Fehlerart auf stark lokalisierte Erosion der Kathodenoberfläche unter eventueller Freilegung der Kollektorschiene gegenüber dem Aluminiummetall zurückzuführen.
In einer Reihe von Behälterausführungen sind bei diesen Blöcken mit höherem Graphitgehalt als 30% Graphit/ECA-Blöcke oder 100% ECA-Blöcke höhere Spitzenwerte der Erosionsgeschwindigkeiten beobachtet worden.
Es besteht eine Verbindung zwischen einer hohen Verschleißgeschwindigkeit, der Lage des Bereichs des maximalen Verschleißes und der Ungleichförmigkeit der Kathodenstromverteilung. Die Kathoden mit höherem Graphitgehalt und graphitisierte Kathoden sind elektrisch besser leitfähig und haben als Resultat ein gleichförmigeres Muster der Kathodenstromverteilung und damit eine höhere Verschleißgeschwindigkeit.
Dementsprechend besteht eine Notwendigkeit zur Entwicklung und Bereitstellung einer gleichförmigeren Kathodenstromverteilung, so dass die Kathoden-Verschleißgeschwindigkeit herabgesetzt wird, die Betriebsdauer des Schmelzbehälters erhöht wird und die Arbeitsvorteile der Kathodenblöcke mit höherem Graphitanteil und der graphitisierten Kathodenblöcke realisiert werden können.
Eine damit zusammenhängende Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Apparates mit elektrolytischer Reduktionszelle sowie eines Verfahrens unter Nutzung einer neuartigen Kathoden-Kollektorschiene unter Einbeziehung eines massiven Distanzstückes aus Eisenmetall, um einen kontrollierten Wärmeausgleich in dem Schmelzgefäß aufrecht zu erhalten.
Diese und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung unserer Erfindung offensichtlich.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden ein Apparat sowie ein Verfahren zur Erzeugung von Aluminium gewährt. Der erfindungsgemäße Apparat weist eine elektrolytische Zelle zum Reduzieren von in einem schmelzflüssigen Salzbad aufgelöstem Aluminiumoxid zu Aluminiummetall auf. Zwischen einer Anode und einer Kathode fließt ein elektrischer Strom durch das schmelzflüssige Bad unter Erzeugung von metallischem Aluminium an der Kathode.
Die Elektrolysezelle verfügt über Zellenwandungen, einschließlich einer ersten Zellenwand und einer zweiten Zellenwand und einer Anode, eines Kohlenstoff-Kathodenblockes, der von der Anode getrennt ist, einer zu der ersten Zellenwand externen Sammelschiene und einer die Sammelschiene mit dem Kathodenblock verbindenden Kollektorschiene. Der Kathodenblock begrenzt vorzugsweise einen Schlitz, in welchem die Kollektorschiene sitzt. Die Zellenwände umschließen eine Kammer, die ein schmelzflüssiges Salzbad enthält.
Die Kollektorschiene schließt einen Eisenmetall-Körper und einen Kupfereinsatz ein. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff "Eisenmetall" auf Eisen und Stahl und einschließlich unlegierten Stahl, kohlenstoffarmen Stahl und rostfreien Stahl. Der Begriff "Kupfer" schließt Legierungen von Kupfer mit verschiedenen anderen Metallen und einschließlich Silber ein. Für die Praxis der vorliegenden Erfindung werden von uns relativ reine Formen von Kupfer mit einem Gehalt von mindestens 99 Gew.% Kupfer wegen seiner hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit bevorzugt.
Die Kollektorschiene hat einen Eisenmetall-Körper, der ein festes Eisenmetall-Distanzstück mit einem äußeren Endabschnitt aufweist, der mit der Sammelschiene verbunden ist, und einen inneren Endabschnitt, der von der ersten Zellenwand nach innen beabstandet ist. Das Distanzstück verbessert den Wärmeausgleich in der Zelle, indem eine übermäßige Wärmeübertragung zwischen dem Kupfereinsatz und der Sammelschiene vermieden wird. In den Eisenmetall-Körper ebenfalls einbezogen ist ein Eisenmetall-Mantel, der mit dem Distanzstück einstückig ist und einen Hohlraum einschließt, in welchem der Kupfereinsatz enthalten ist. Der Hohlraum erstreckt sich zwischen einem äußeren Ende an dem inneren Endabschnitt des Distanzstückes und einer inneren Öffnung. Der Hohlraum und der Kupfereinsatz können einen polygonalen oder kreisrunden Querschnitt haben. Wir bevorzugen einen zylindrischen Kupfereinsatz im Inneren eines Hohlraums mit einem kreisrunden Querschnitt.
Der Schlitz in dem Kathodenblock enthält bevorzugt ein Mittel zum Verbinden der Kollektorschiene mit dem Kathodenblock und vorzugsweise ein elektrisch leitfähiges Material. Dieses Material kann Gusseisen sein, kohlenstoffhaltiges Klebmittel und gestampfte Kohlenstoffpaste, wobei Gusseisen bevorzugt ist.
Die Kathodenbaugruppe der vorliegenden Erfindung ist zum Erzeugen von Aluminium mit Hilfe der Elektrolyse verwendbar. Die Kathodenbaugruppe ist nach unten von einer Anode in einer Kammer beabstandet, die ein schmelzflüssiges Salzbad enthält. Ein elektrischer Strom fließt von der Anode zu der Kathodenbaugruppe, reduziert in dem schmelzflüssigen Salzbad aufgelöstes Aluminiumoxid zu Aluminium, das auf einem Block oberhalb des Kathodenblocks abgeschieden wird. Der Kupfereinsatz in der Kollektorschiene verteilt den elektrischen Strom gleichmäßiger als in Zellen bekannter Ausführung, die über Kollektorschienen verfügen, die lediglich Stahl oder anderes Eisenmetall enthalten. Das Distanzstück aus Eisenmetall in dem Kollektorschienen-Körper reduziert Wärmeverluste und ist mit Kollektorschienen zu vergleichen, die über einen Kupfereinsatz verfügen, der direkt mit der Sammelschiene verbunden ist.
1 ist eine schematische Ansicht im Querschnitt einer Elektrolysezelle für die Erzeugung von Aluminium bekannter Ausführung;
2 ist eine schematische Ansicht im Querschnitt einer Elektrolysezelle für die Erzeugung von Aluminium gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine schematische Ansicht einer Kollektorschiene in der Elektrolysezelle von 2;
4 ist eine Querschnittansicht entlang der Linien 4-4 von 3;
5 ist eine schematische Darstellung der Stromwege in einer Elektrolysezelle zur Erzeugung von Aluminium nach bekannter Ausführung;
6 ist eine schematische Darstellung der Stromwege in einer Elektrolysezelle der vorliegenden Erfindung.
Der Apparat und das Verfahren der vorliegenden Erfindung gewähren eine neuartige Kollektorschiene, mit der die horizontalen elektrischen Ströme auf ein Minimum herabgesetzt werden, während gleichzeitig die Wärmeverluste kontrolliert werden. Die neuartige Kollektorschiene unserer Erfindung kann in bestehende Zellen zur Aluminiumerzeugung mit standardgemäßen Kohlenstoff-Kathodenblöcken eingebaut werden.
Bezug nehmend nun auf 1 wird eine Elektrolysezelle 2 zur Erzeugung von Aluminium bekannter Ausführung gezeigt, die über ein Paar konventioneller Kathoden-Kollektorschienen 10 verfügt. Die Kollektorschienen 10 haben einen rechteckigen Querschnitt und sind aus Weichstahl gefertigt. Der elektrische Strom tritt in die Zelle durch Anoden 12, geht durch das Elektrolysebad 14 und einen schmelzflüssigen Metallblock 16 und tritt dann in den Kohlenstoff-Kathodenblock 20 ein. Der Strom wird aus der Zelle über die Kathoden-Kollektorschienen 10 herausgeführt. Wie in 5 gezeigt, sind die Linien 70 des elektrischen Stroms ungleichförmig verteilt und laufen in Richtung auf die Enden der Kollektorschiene, die der externen Sammelschiene (nicht gezeigt) am nächsten ist, zusammen.
Bezug nehmend nun auf 2 wird eine Elektrolysezelle 4 der vorliegenden Erfindung gezeigt. In die Zelle 4 einbezogen sind eine erste Zellenwand 17 und eine zweite Zellenwand 18. Die Zellenwände schließen eine Kammer 19 ein, die auf ihrer Unterseite und an den Seiten mit Feuerfestziegeln 21 ausgekleidet ist und den schmelzflüssigen Elektrolyten 14 enthält. Ein Kathodenblock 10 verfügt über 2 halbbreite Kathoden-Kollektorschienen 30. Jede Kollektorschiene 30 erstreckt sich von einer Sammelschiene 46, 48 außerhalb der Zellenwände 17, 18 nach innen in Richtung auf die Mittellinie 50. Die Kollektorschienen 30 sind durch einen Spalt 58 in der Mitte der Zelle getrennt, der mit brechbarem Material oder einem Stück Kohlenstoff gefüllt ist oder durch ein Nahtgemisch gestampft ist oder durch eine Mischung solcher Materialien. Bevorzugt ist der Spalt 58 mit einer Mischung von Materialien gefüllt.
Der Kathodenblock 20 hat eine obere Seite 22, die den Metallblock 16 hält, und eine untere Seite 23, die einen Schlitz oder eine Rille 24 begrenzt, die sich zwischen den gegenüberliegenden lateralen Enden des Blockes 20 erstreckt. Die Stahl-Kollektorschienen 30 werden in einem Schlitz 24 aufgenommen und dort von einer Lage des elektrisch leitfähigen Materials befestigt, vorzugsweise Gusseisen, welches die Kollektorschienen 30 mit dem Block 20 verbindet.
Bezug nehmend nun auf 2 bis 4 schließt jede der Kollektorschienen 30 einen Eisenmetall-Körper ein, der ein festes Distanzstück 32 aufweist, und einen Mantel 33, der einen Hohlraum 34 umschließt. Jedes Distanzstück 32 hat einen externen Endabschnitt 35, der mit einer Sammelschiene 46 verbunden ist, und einen inneren Endabschnitt 36, der von dem äußeren Endabschnitt 35 nach innen beabstandet ist. Bevorzugt ist der innere Endabschnitt 36 die Innenseite der Zellenwand 17 entsprechend der Darstellung in 2.
Bezug nehmend nun auf 3 und 4 ist in die Innenseite 37 jeder Kollektorschiene 30 ein Hohlraum oder Schlitz 34 gebohrt. Die Hohlräume 34 sind so bearbeitet, dass sie einen Durchmesser von etwa 4,1 cm (1,628 inch) haben, so dass ihre Querschnittfläche etwa 13,42 cm² (2,08 in²) beträgt, und zwar in einer Kollektorschiene mit einem Querschnitt von etwa 154 cm² (24 in²). Die Hohlräume 34 erstrecken sich in Längsrichtung zwischen den Öffnungen in den Innenseiten 37 der Kollektorschiene und den inneren Endabschnitten 36 der Distanzstücke 32. Die Hohlräume 34 sind zentral im Inneren der Kollektorschienen 30 angeordnet, um eine beim Erhitzen und Kühlen auftretende Verformung auf ein Minimum zu halten.
Im Inneren jedes Hohlraums 34 wird ein Kupfereinsatz 40 angeordnet, der einen zylindrischen Stab aufweist. Der Kupfereinsatz hat einen Durchmesser von näherungsweise 4,1 cm (1,625 ± 0,0025 inch), so dass die Querschnittfläche etwa 13,35 cm2 (2,07 in²) beträgt. Für die Praxis unserer Erfindung bevorzugen wir Kupfereinsätze, die aus Kupfer mit hoher Leitfähigkeit und einem Gehalt von etwa 99,95% bis 99,99 Gew.% Kupfer besteht.
In jede Kollektorschiene ist ein Luftauslass 44 zwischen Hohlraum 34 und der Oberseite gebohrt. Der Luftauslass 44 lässt Luft aus dem Hohlraum 34 frei, wenn der Kupfereinsatz 40 im Inneren angeordnet wird. Nachdem der Einsatz 40 an seinem Platz ist, wird der Luftauslass 44 mit feuerfestem Mörtel gefüllt. Wenn sich in dem Hohlraum 34 ein ausreichender Druck entwickelt und den Mörtel ausdrückt, liefert der Luftauslass 44 einen Weg zur Druckentspannung.
In dem Hohlraum 34 ist ein Stahl-Verschlussstück 45 angeordnet, um den Kupfereinsatz 40 zu umschließen. Ein kleiner Abstand 47 zwischen dem Verschlussstück 45 und dem Einsatz 40 macht eine Ausdehnung beim Erhitzen auf Betriebstemperatur möglich. Das Verschlussstück 45 ist an der Innenseite 37 der Kollektorschiene 20 angeschweißt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform gewährt der Abstand 47 eine Dehnungstoleranz von etwa 1,7 cm (0,65 inch), wobei das Stahl-Verschlussstück 45 eine Länge von etwa 2,5 cm (1 inch) hat.
Der Apparat und das Verfahren unserer Erfindung lenken den Strom in einer Hall-Heroult-Zelle um, um Unzulänglichkeiten zu verringern oder zu eliminieren, die auf ungleichförmige elektrische Ströme und horizontale elektrische Ströme zurückzuführen sind.
Der Weg des Kathodenstroms und die Stromverteilung werden durch die Differenz zwischen elektrischer Leitfähigkeit des Metallblocks aus Aluminium und der Kathodenbaugruppe beeinflusst. Bei einer hohen Differenz der elektrischen Leitfähigkeit zugunsten des Aluminiumblocks wird der bevorzugte Stromweg seitwärts durch den Metallblock in Richtung auf die Seitenwand des Behälters gehen und anschließend nach unten durch den Kathodenblock zu der Kollektorschiene.
In 5 ist ein Stromgradient 70 in einem Schmelzbehälter 2 bekannter Ausführung gezeigt, der eine Anode 12 hat, einen schmelzflüssigen Metallblock 16, einen Kathodenblock 20 und eine Kollektorschiene 10. Die höchste Stromdichte wird unmittelbar oberhalb der Stahl-Kollektorschiene 10 in der Nähe an dem äußeren Ende 72 des Kathodenblocks 20 angetroffen. Die geringste Stromverteilung findet sich in der Mitte des Kathodenblocks 20, angrenzend an dem inneren Endabschnitt der Kollektorschiene 10. Lokalisierte Verschleißmuster, die auf dem Kathodenblock 20 beobachtet werden, sind in dem Bereich der höchsten elektrischen Stromdichte am tiefsten.
Wenn die elektrische Leitfähigkeit des Kathodenblocks 20 zunimmt, was eine Änderung zu einem höheren Graphitgehalt oder graphitisierten Kathodenblöcken widerspiegelt, wird die Kathodenstromverteilung 70 an dem äußeren Ende 72 des Blockes dichter. Bei konstanter Stromstärke wird die lokalisierte Verschleißrate in der Nähe des äußeren Endes 72 des Blockes 20 zunehmen, wenn der Graphitgehalt zunimmt, und erreicht ein Maximum bei graphitisierten Kathodenblöcken.
In dem Apparat und Verfahren unserer Erfindung wird der Strom in einer Hall-Heroult-Zelle umgelenkt, um Unzulänglichkeiten zu verringern, die auf ungleichförmige und horizontale elektrische Ströme zurückzuführen sind. Wie in 6 gezeigt wird, schließt unsere Zelle 2 eine Anode 12 ein, einen schmelzflüssigen Metallblock 16, Kathodenblock 20 und eine Kollektorschiene 30 mit einem Kupfereinsatz 40. Der Stromgradient 90 erstreckt sich von der Anode 12 zu dem Metallblock 16 und entlang der gesamten Länge des Kathodenblockes 20. Das Stromverteilungsmuster 90 ist gleichförmiger als das in 5 gezeigte Muster 70. Der Kupfereinsatz 40 erhöht die elektrische Leitfähigkeit der Kollektorschiene 30, indem die Leitfähigkeitsdifferenz zugunsten des Aluminiumblockes 16 verringert wird und dadurch der Strom gleichmäßiger über den Block 20 verteilt wird.
Wir haben festgestellt, dass das Einsetzen eines Kupfereinsatzes in eine Stahl-Kollektorschiene ihre elektrische Gesamtleitfähigkeit deutlich erhöht, was einem geringeren Gesamtwiderstand in der Kollektorschiene entspricht. Das Ergebnis ist eine gleichförmigere Stromverteilung in der Kathode und verringerte lokalisierte Verschleißgeschwindigkeiten.
Der Kathodenspannungsabfall wird ebenfalls um bis zu 50 mV reduziert. Dieser Spannungsabfall kann genutzt werden, um die Stromkosten bei konstanter Herstellungsrate zu verringern oder die Gesamtproduktion des Aluminium, das bei konstanter Energie erzeugt wird, zu erhöhen.
Die Enden der Kollektorschienen verlaufen durch die Seitenwände des Behälters und fungieren als Kühlrippen oder Wärmesenken. Das Hinzufügen von Kupfereinsätzen in die Kollektorschienen erhöht die Wärmeverluste des Schmelzgefäßes. Dementsprechend muss die Länge des Kupfereinsatzes sorgfältig kontrolliert werden, um übermäßige Wärmeverluste und nachteilige Auswirkungen auf die Gebrauchsdauer zu verhüten. Vorzugsweise sollten die Kupfereinsätze nicht die Außenseite der Seitenwände 17, 18 des Schmelzbehälters überragen. Außerdem wird von uns die Kupfereinsatz-Kollektorschiene mit zusätzlichem Isolationsmaterial in dem Schmelzbehälter kombiniert, um die zusätzlichen Wärmeverluste zu kompensieren, die durch den Kupfereinsatz hervorgerufen werden.

Claims

Elektrolytische Reduktionszelle (4) zur Aluminumherstellung, umfassend eine Zellenwand (17, 18), eine Sammelschiene (46, 48) außerhalb der Zellenwand (17, 18), eine Anode (12), einen Kohlenstoff-Kathodenblock (20), der von der Anode (12) getrennt ist, und eine Kollektorschiene (30), welche die Sammelschiene (46, 48) mit dem Kathodenblock (20) verbindet, wobei die Kollektorschiene (30) aufweist: (a) einen Eisenmetallkörper, umfassend: 1) ein festes Eisenmetall-Distanzstück (32) mit einem äußeren Endabschnitt (35), der mit der Sammelschiene (46, 48) verbunden ist, und einen inneren Endabschnitt (36), von dem äußeren Endabschnitt (35) nach innen beabstandet, sowie 2) einen Eisenmetall-Mantel (33), der einen Hohlraum (34) begrenzt, und (b) einen Kupfereinsatz (40) im Inneren des Hohlraums (34), wobei der Kupfereinsatz (40) ein äußeres, an dem Distanzstück (32) angrenzendes Ende hat, wobei das Distanzstück (32) den Wärmeausgleich in der Zelle verbessert, indem die Übertragung übermäßiger Wärme zwischen dem Kupfereinsatz (40) und der Sammelschiene (46, 48) verhindert wird.
Zelle nach Anspruch 1, ferner aufweisend: (c) ein schmelzflüssiges Salzbad (14) zwischen der Anode (12) und dem Kathodenblock (20).
Zelle nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher der Kathodenblock (20) einen Schlitz (24) begrenzt und die Kollektorschiene (30) in diesem Schlitz (24) sitzt.
Zelle nach Anspruch 3, ferner aufweisend: (d) in diesem Schlitz (24) ein Mittel zum Verbinden der Kollektorschiene (30) mit dem Kathodenblock (24).
Zelle nach Anspruch 4, bei welcher das Mittel in dem Schlitz (24) ein elektrisch leitfähiges Material umfasst.
Zelle nach Anspruch 4 oder 5, bei welcher das Mittel in dem Schlitz (24) ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Gusseisen, kohlenstoffhaltigem Klebmittel und gestampfter Kohlenstoffpaste.
Zelle nach jedem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher der Hohlraum (34) einen polygonalen Querschnitt hat und der Kupfereinsatz (40) einen polygonalen Querschnitt hat.
Zelle nach jedem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher der Hohlraum einen allgemeinen kreisförmigen Querschnitt hat und der Kupfereinsatz (40) einen allgemeinen kreisförmigen Querschnitt hat.
Zelle nach jedem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher der Kathodenblock (20) 30% bis 100 Gew.% Graphit aufweist oder ein graphitisierter Kathodenblock ist.
Zelle nach jedem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher der Eisenmetall-Mantel (33) mit dem Distanzstück (32) einstückig ist.
Zelle nach jedem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher der innere Endabschnitt (36) des Distanzstücks (32) nach innen von der Zellenwandung (14) beabstandet ist.
Zelle nach jedem der vorgenannten Ansprüche, ferner aufweisend ein Stahl-Verschlussstück (45), welches den Kupfereinsatz (40) in dem Hohlraum umgibt.
Zelle nach jedem der vorgenannten Ansprüche, ferner aufweisend einen Zwischenraum für den Ausdehnungsausgleich (47) in dem Hohlraum (34) zwischen dem Kupfereinsatz (40) und dem Stahlverschlussstück (45).
Zelle nach jedem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher die Kollektorschiene (30) ferner einen Luftauslass (44) zum Entspannen des Druckes aus dem Hohlraum (34) begrenzt.
Verfahren zum Herstellen von Aluminium in einer Elektrolysezelle mit Zellenwänden, die eine Kammer begrenzen, welche ein schmelzflüssiges Salz bad enthält, eine Anode im Kontakt mit dem Bad und eine Sammelschiene außerhalb der Zellenwände, welches Verfahren umfasst: (a) Bereitstellen einer Kathodengruppe, aufweisend: 1) einen Kohlenstoff-Kathodenblock, der von der Anode getrennt ist, 2) einen Eisenmetall-Körper, der einen festen Eisenmetallmantel mit einem äußeren Endabschnitt hat, der mit der Sammelschiene und einem inneren Endabschnitt verbunden ist, der nach innen von dem äußeren Endabschnitt beabstandet ist, sowie einen Eisenmetall-Mantel, der einen Hohlraum begrenzt, und 3) einen Kupfereinsatz im Inneren des Hohlraums, wobei der Kupfereinsatz ein äußeres, an dem Distanzstück angrenzendes Ende hat, und (b) Durchleiten eines elektrischen Stroms von der Anode zu der Kathodengruppe, wodurch in der Zelle Aluminium erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem der Eisenmetall-Mantel mit dem Distanzstück einstückig ist.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, bei welchem der innere Endabschnitt des Distanzstückes im Inneren der Zellenwände ist.