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Zelle für Schmelzflußelektrolyse Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf die Herstellung des unteren Teiles des Tiegels von Zellen zur schmelzflüssigen
Elektrolyse, z. B. des Bodens des Tiegels, welcher den Kathodenteil der Zelle in
dem Fall der Elektrolyse von in geschmolzenem Kryolith gelösten Aluminiumoxyd zur
Erhaltung von Aluminium bildet, oder des Bodens des Tiegels, der den Anodenteil
der zum Raffinieren des Aluminiums bestimmten Zelle bildet.
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Gegenwärtig werden die Zellen zur schmelzflüssigen Elektrolyse, welche
zur Herstellung oder zum Raffinieren von Aluminium dienen, mit Stromeingangs- oder
-ausgangsschienen gebaut, welche parallel zum Boden des Tiegels, d. h. waagerecht
angeordnet sind.
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Diese Anordnung besitzt eine gewisse Zahl von Nachteilen. Der Querschnitt
der Metallschienen wird nach der Stromdichte am Ausgang der Kohlenstoffblöcke berechnet,
d. h. für die maximale Stromstärke; die Stromdichte ist jedoch unter der Mitte des
Tiegels erheblich kleiner. Da die Schiene auf ihrer ganzen Länge den gleichen Querschnitt
besitzt, so verwendet man eine viel zu große Metallmenge.
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Wenn man bei gleicher Stromstärke den Abstand zwischen den Anoden
und den Seiten vergrößert, wie es gegenwärtig üblich ist, oder wenn die Elektrolysezelle
auf ihren Seitenflächen mit einer Wärmeschutzschicht versehen ist, so muß die Länge
der Stromausgangs- oder -eingangsschienen um diese Stärke vergrößert werden, was
die zu verwendende Metallmenge weiter vergrößert. Schließlich wird für Elektrolysezellen
mit hoher Stromstärke, z. B. too ooo Amp., das Gewicht der Stromausgangs-oder
-eingangsschienen,
welches entsprechend dieser Verbreiterung öder dieser Stärke vergrößert werden muß,
was die zu verwendende Metallmenge noch weiter erhöht, so groß, daß die Herstellung
des Bodens des Tiegels der Elektrolysezelle äußerst schwierig wird.
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Die Erfindung gestattet, dieses Übelstände zu vermeiden. Sie besteht
darin, die Metallschienen für den Stromaustritt oder Stromeintritt nicht mehr parallel
zum Boden des Tiegels der Elektrolysezelle anzuordnen, sondern senkrecht zu diesem
Boden, so daß die Enden dieser Schienen, nachdem sie die den Wärmeschutz bildenden,
unter der Kohlenstoffauskleidung angeordneten Steinschichten und das die Zelle tragende
Gewölbe frei., d. h. ohne darin befestigt zu sein; mit Hilfe einer Dichtungsvorrichtung
durchdrungen haben, in einen unter der Elektrolysezelle angeordneten freien Raum
austreten.
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Die Erfindung betrifft ferner gewisse, besonders günstige Ausführungsformen
des unteren Teiles des Tiegels von Elektrolysezellen zur Herstellung oder zum Raffinieren
von Aluminium mit senkrecht angeordneten Stromableitungen.
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Abb. i stellt den Tiegel einer Elektrolysezelle zur Herstellung oder
zum Raffinieren von Aluminium dar, bei welcher der Boden des Tiegels aus einer Paste
von Kohlenstoff und Hartpech besteht, in welche die I-littelteile der Stromaustritts-
oder Stromeintrittsleiter eingebettet sind, deren Enden senkrecht zum Boden des
Tiegels austreten.
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Abb.-2 stellt den Tiegel einer ähnlichen Zelle dar, bei der jedoch
der Boden mittels vorher gebrannter Kohlenstoffblöcke hergestellt ist, in welchen
die Stromaustritts- . oder Stromeintrittsleiter, welche senkrecht austreten, mittels
eines gegossenen Metalls vergossen sind.
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Abb. 3 und 4 sind im rechten Winkel zueinander geschnittene Teilansichten,
welche die Vergießung einer Metallschiene in einen Block des Bodens des Tiegels
zeigen, wenn es sich um eine Schiene üblichen Querschnitts handelt.
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Abb. 5, 6, 7, 8 und 9 zeigen eine bevorzugte Form des Stromaustritts-
oder Stromeintrittsleiters mit kreuzförmigem Querschnitt; Abb. 5 ist eine schaubiläliche
Ansicht des Leiters; Abb. 6 zeigt im Grundriß die Form des in der Unterseite des
Kohlenstoffblocks anzubringenden Einschnitts, um dort den Leiter zti vergießen;
Abb. 7 und 8 zeigen den vergossenen Leiter; Abb.7 ist ein Schnitt längs der Linie
7-7, und Abb.8 ist ein Schnitt längs der Linie 8-8 der Abb.6; Abb.9 ist die gleiche
Ansicht wie Abb.7, der oberes in dem Bodenblock vergossene Teil des Leiters ist
jedoch leicht umgebogen, um eine bessere 13efestigung zu gewährleisten.
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Abb. io stellt einen Teil des Bodens des Tiegels der Elektrolysezelle
mit ihrer Wärmeschutzauskleidung und einer vorteilhaften Vorrichtung dar, um einen
luftdichten Durchtritt des Stromausgangs-oder Stromeingangsleiters mit kreuzförmigem
Querschnitt durch die Wärmeschutzauskleidung und <las die Elektrolysezelle tragende
Betongewölbe zu erhalten, und es gleichzeitig diesem Leiter zu ermöglichen; der
Auf%i,ärtsbewegung des zusammengebackenen Kohlenstoffblocks, in welchem er vergossen
ist, zu folgen.
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Gemäß.Abb. i der Zeichnungen bezeichnet i i die Auskleidung des Tiegels
aus einer Kohlenstoff- und Hartpechpaste, in welche die Stromaustritts- oder Stromeintrittsleiter
15 eingebettet sind, welche in großer Zahl vorhanden sind und einen geringen Querschnitt
besitzen, so daß die Kontaktfläche zwischen den Schienen und der Kohlenstoffpaste
vergrößert wird. Der Teil, der in einem der den Tiegelboden bildenden Kohlenstoffblöcke
eingelassen ist, kann, wie dargestellt, T-förmigen Querschnitt besitzen, so daß
die Länge der Schienen auf einen Kleinstwert beschränkt wird; sie durchdringen die
den Wärmeschutz bildende Steinschicht 12 sowie das die Elektrolysezelle tragende
Betongewölbe 17 in Hohlräumen 18, welche bei der Herstellung der Wärmeschutzauskleidung
12 und des -Gewölbes 17 vorgesehen werden.
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Gemäß Abb.2 haben die Stromaustritts- oder Stromeintrittsschienen
ein T-förmig geschmiedetes Endes welches mit Hilfe von Kohlenstoffpaste oder gegossenem
Metall in der Unterseite der Kohlenstoffblöcke angebrachten Nuten vergossen wird.
Die Schienen treten senkrecht durch die Hohlräume 18 aus.
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Gemäß Abb. 3 und 4 ist die Schiene 15 in dem Block 14 mit Hilfe von
Kohlenstoffpaste oder von gegossenem Metall 13 vergossen.
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Die kreuzförmige Vergießung der Abb.5 bis 9 gestattet, eine genügend
kräftige Ausbildung mit einem vorteilhaften elektrischen Kontakt zu vereinen.
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Hierfür bringt man in der Unterseite des Kohlenstoffblocks 14 (Abb.
6) zwei kreuzförmige Nuten i9 an, welche in den Diagonalen des Rechtecks der Unterseite
angeordnet sind und nicht nach außen munden. Man gibt ihnen die nötige Länge und
Tiefe, um eine sowohl vom mechanischen wie elektrischen Standpunkt aus gute Vergießung
zu gewährleisten.
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Die kathodische oder anodische Verbindung wird durch zwei Bleche hergestellt,
deren Dicke nach der Stromdichte berechnet ist, welche man an der Berührungsstelle
zwischen dem gegossenen Metall und dem Kohleristoffblock zulassen will.
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Die dieser Verbindungsvorrichtung (Abb. 5) gegebene Form verleiht
diesem eine gute Steifigkeit, was ein zusätzlicher Vorteil sein kann. Man kann diese
Vorrichtung leicht aus zwei Blechen 2o zusammensetzen, welche gebogen und untereinander
an einigen Punkten 21 verschweißt sind, oder auf jede beliebige andere Weise. Wenn
man den Kontakt zwischen den Verbindungsblechen und dem gegossenen Metall zu vergrößern
wünscht, so kann man für den in den Nuten i9 (Abb. 6) gelegenen Teil der Bleche
ein erweitertes Profil in Form eines Elefantenfußes 22 (Abb. 5) anwenden.
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Dieser Einbau besitzt einen bedeutenden Vorteil, nämlich den, daß
der Block nicht durch große, nach außen mündende Nuten geschwächt wird und daß wenig
gegossenes Nietall verwendet wird, so daß
weder ein übermäßiger
thermischer Schock noch eine übertriebene Ausgabe beim Vergießen entsteht.
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Man kann verschiedene Formen von 11Tuten anwenden, von denen zwei
als Beispiel angegeben sind. Die Abb. ; stellt die Vergießung eines Stromeintritts
oder Stromaustritts in Form eines Kreuzes 23 dar, welches nicht die elefantenfußartige
Verbreiterung 22 der Abt>. 5 besitzt; diese Abb. 7 entspricht einem Schnitt längs
der Linie 7-7 der Abb. 6. Abb. 8 ist ein Schnitt längs der Linie 8-8 der Abb. 6.
Auf diesen Abbildungen stellt i.1 den Kohlenstoffblock und 13 das Vergußinetall
dar.
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Abb.9 stellt eine andere Art der Vergießung dar, bei welcher der obere
Teil 25 der Verbindung zum Stromeintritt oder Stromaustritt mit kreuzförmigem Querschnitt
leicht abgebogen ist, d. h. seitlich versetzt ist, um die Vergießung der Stromeintritts-
oder Stromaustrittsschiene in dem erstarrten gegossenen Metall 13 sicherer zu gestalten.
In diesem Fall muß die in dein Kohlenstoffblock 1.4 ausgesparte Nut 26 ebenfalls
leicht schräg sein.
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Bei der Enge der in dein Block ausgesparten Nut ist der finit Vergußnietall
auszufüllende Raum in dein Fall der kreuzförmigen Vergießung viel kleiner als bei
einer normalen Vergießung, wobei dieser Vorteil auch in dem Fall der senkrechten
Vergiel@ung vorhanden ist, wenn auch in geringerem N#l aße.
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Nenn die Stromausgangs- oder Stromeingangsschienen senkrecht zum Boden
des Tiegels der Elektrolysezelle angeordnet werden, ist es unerläßlich, die Zellen
auf einem überhöhten Boden oder über einem Kanal anzuordnen, damit man leichten
Zutritt zii den unteren Enden der Metallschienen hat, an welchen die Leiter befestigt
werden sollen, welche den Stromausgang einer Zelle mit dem Stromeingang der folgenden
Zelle verbinden oder umgekehrt.
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Die lotrechten Stromausgangs- oder Stromeingangsschienen durchdringen
also die ganze unter den Kohlenstoffblöcken 1.4 oder unter dem breiigen Boden des
Tiegels gelegene Wärmeschutzschicht 12 sowie das Gewölbe 17 des die Zelle tragenden
Betoiil>odens, und zwar in einem in dem Mauerwerk bei der Herstellung des Bodens
und der Zelle vorgesehenen Hohlraum 18. Der Zwischenraum zwischen der Metallschiene
und der diesen Hohlraum 18 begrenzenden Wand muß so ausgefüllt werden, da(.') er
praktisch luftdicht abgeschlossen ist. Wenn nämlich die Luft bis zu dem auf goo°
C gebrachten Kohlenstoff vordringen würde, wurde sie ihn verbrennen, und die Lebensdauer
des unteren Teiles des Tiegels würde stark verringert sein. Man hat festgestellt,
daß diese Dichtigkeit einzig und allein mit Hilfe von pulverförmigen Stoffen erreicht
werden kann. 'Fach einer gewissen Betriebsdauer kommt es nämlich vor, daß sich der
Boden des Tiegels hebt. Diese Verschiebung kann io und selbst 15 cm erreichen. Wenn
die Stromeingangs- oder Stromausgangsschiene starr in dem Hohlraum 18 befestigt
wäre, würde die Vergießung 13 aus dem Kohlenstoffblock 14 herausgerissen werden,
und der Strom würde nicht mehr fließen können. Es ist also notwendig, und dies stellt
einen wesentlichen -Punkt der Erfindung dar, daß die Stromausgangs- oder Stromeintrittsschiene
sich frei in dem Hohlraum 18 verstellen kann, den sie durchdringt. Hierfür kann
man mehrere Vorrichtungen anwenden. Eine von diesen ist als Beispiel auf Abb. io
dargestellt. Sie betrifft den Fall einer l#1etallschiene mit kreuzförmigem Querschnitt.
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An dem oberen' Teil dieses Hohlraums 18 ist die Schiene 23 von einem
pulvrigen, feuerfesten Mörtel 27 umgehen. Zwischen der Wärmeschutzauskleidung 12
und dem Gewölbe 17 wird ein Asbestblatt 28 angeordnet. Dieses Blatt wird vorher
kreuzweise geschlitzt, wobei sich jedoch die Schnittränder berühren, so daß die
Verbindungsschiene 23 bei ihrer Einbringung diese Schnittränder zur Seite drückt
und so eine genügend dichte Verbindung herstellt, daß das. mit feinem feuerfestem
Staub gemischte Aluminiumoxyd, welches sich bei 29 über dieser Verbindungsstelle
befindet, nicht entweichen kann. Das Asbestblatt 28 muß eine gewisse Beweglichkeit
haben, damit man es von Hand in die richtige Lage gegenüber der Verbindungsschiene
bringen kann, so daß diese in richtiger Weise die vorher in diesem Blatt angebrachten
Schlitze durchdringt.
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Dieses Asbestblatt 28 ist in einem Falz untergebracht, der in der
Oberseite einer Schicht feuerfesten Mörtels 32, vorgesehen ist, welche zwischen
der Wärmeschutzschicht aus feuerfesten Steinen 12 und dem Gewölbe 17 eingeschaltet
ist.
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In der Dicke des Betons des Gewölbes 17 ist eine Wärmeschutzschicht
3o angeordnet, die durch Schlackenwolle gebildet wird, welche selbst eine zweite
Dichtigkeitszone für die Luft bildet. Dieser Stoff wird durch Bleche 31 an Ort und
Stelle gehalten, welche durch einige Punkte 33 mit der Verbindungsschiene 23 verschweißt
sind.
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Bei der Aufwärtsbewegung des Bodens des Tiegels, die im allgemeinen
während des Betriebes der Elektrolysezelle erfolgt, drücken diese durch die Metallschiene
mitgenommenen Bleche 31 die Schlackenwolle allmählich zusammen und erhöhen so die
Dichtigkeit der Vorrichtung.
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Die Anordnung der Stromausgangs- oder Stromeintrittsleiter senkrecht
zum Boden des Tiegels gestattet die Vermeidung der oben angeführten Übelstände.
Wenn z. B. der Boden des Tiegels aus Kohlenstoffblöcken mit einem quadratischen
Querschnitt 5oo X 500 mm oder 6oo X 6oo mm besteht, kann man eine
lotrechte Schiene in jedem Bock vergießen, während bei der waagerechten Anordnung
jede Schiene gleichzeitig in mehreren Blöcken vergossen werden mußte. Der Querschnitt
der lotrechten Leiterschiene kann somit genau der Oberfläche angepaßt werden, welche
sie speist. Ihre Länge ist auf einen Kleinstwert beschränkt, ihr Gewicht ist also
viel geringer, als bei der waagerechten Anordnung der Stromaustritts- oder Stromeintrittsschiene,
und es wird dadurch leicht, Elektrolysezellen mit großer Stromstärke herzustellen,
die bis ioo ooo Arnp. gehen kann. Die lotrechte Anordnung der Verbindungsschienen
besitzt jedoch noch andere Vorteile, wie z. B. die Verringerung des Gewichtes
der
benutzten Werkstoffe, einen Gewinn an Spannungsabfall und an Gewicht der Verbindungen
infolge der Verkürzung gewisser Stromkreise.
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Die so hergestellten Zellen werden oberhalb eines Kanals oder auf
einem überhöhten Boden angeordnet, um die Stromeintritts- oder Stromaustrittsstellen
zugänglich zu machen. Es ist somit leichter, die Stromverteilung am Boden des Tiegels
zu kontrollieren, und es ist sogar möglich, eine der lotrechten Schienen, deren
Vergießung etwa fehlerhaft ist und die nur einem geringen Teil der Oberfläche des
Bodens entspricht, zu isolieren. Schließlich ist die Ausführung der Vergießung der
Austritts- oder Eintrittsschienen in den Blöcken, für den Fall, daß der Boden des
Tiegels aus vorher gebrannten Kohlenstoffblöcken besteht, leichter*auszuführen und
verlangt weniger Vorsichtsmaßnahmen, als bei waagerechten Schienen.
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Diese verbesserte Ausführung des unteren Teiles der Tiegel, welches
für Zellen zur schmelzflüssigen Eelektrolyse und insbesondere für Zellen zur Herstellung
von Aluminium beschrieben wurde, kann auch auf elektrometallurgische Ofen angewandt
werden.