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Dokumentenidentifikation DE3721311C2 03.08.1989
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Aluminium-Schmelzflußelektrolyse
Anmelder Schepers, Bernhard, Dr., 6720 Speyer, DE
Erfinder Schepers, Bernhard, Dr., 6720 Speyer, DE;
Niermann, Hermann, Dr., 5042 Erftstadt, DE
DE-Anmeldedatum 27.06.1987
DE-Aktenzeichen 3721311
Offenlegungstag 05.01.1989
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 03.08.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.08.1989
IPC-Hauptklasse C25C 3/06
Zusammenfassung Es wird ein Verfahren zur Herstellung von Aluminium durch Schmelzflußelektrolyse beschrieben, bei dem man die Rohstoffe in feiner Verteilung mischt und sie mit Hilfe eines Gasstroms unter die Anode bläst. Eine Vorrichtung zur Herstellung von Aluminium durch Schmelzflußelektrolyse besteht aus einem gasdichten Bunker für die Rohstoffe, einer Dosiervorrichtung für die Rohstoffe, einer unter- oder oberhalb der Dosiervorrichtung angeschlossenen Gasleitung und einem durch die Anode geführten Rohr, durch das die Rohstoffe unter die Anode geblasen werden. Der Gasdruck wird durch ein Regelventil in der Gasleitung variiert und mit einer regeltechnischen Einrichtung entsprechend dem Gasdruck unter der Anode gesteuert.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Aluminium durch Schmelzflußelektrolyse sowie eine Vorrichtung zu seiner Durchführung.

Seit der ersten technischen Herstellung von Aluminium durch Schmelzfluß-Elektrolyse nach Heroult sind zahlreiche Versuche unternommen worden, das Verfahren zu verbessern. Zu erwähnen sind die Vergrößerung der Zellen, Erhöhung der Stromstärke, Verbesserung der Zuschlagstoffe, Entwicklung von großformatigen Elektroden, von Söderberg- und vorgebrannten Elektroden. Daneben sind in letzter Zeit gedeckte Zellen mit Mechanisierung der Rohstoffzufuhr und automatisiertem "Krustenbrechen" entwickelt worden. Außerdem sind in den letzten Jahren zahlreiche Versuche gemacht worden, andere Anoden zu entwickeln, ohne Abbrand und formstabil.

Trotz der angeführten Fortschritte sind gewisse Probleme geblieben: das aufwendige Brechen der Krusten von erstarrtem Elektrolyt, der schwankende Gehalt an Al&sub2;O&sub3; in der Kryolith-Schmelze, besonders unter den Anoden; dabei führt die Al&sub2;O&sub3;-Verarmung unter den Anoden zum sogenannten "Anodeneffekt" mit starkem Spannungsanstieg. Auch ist trotz erheblicher Reduzierung der Stromdichten (unter 1 Ampère pro cm²) eine erhebliche Polarisationsspannung geblieben, die von der mangelhaften Umsetzungsgeschwindigkeit des Sauerstoffs an der Anode herrühren soll.

Aus der US-PS 43 92 926 ist nun ein Verfahren zur Herstellung von Aluminium in einer Elektrolysezelle bekannt, bei dem der Anodeneffekt durch Zufuhr von Gas, insbesondere von Stickstoff oder Luft unter die Anode ausgeschaltet werden soll. Ferner ist daraus eine Vorrichtung bekannt, bei der die Zufuhr des Gases unter die Anode durch eine oder mehrere Bohrungen in der Anode erfolgt. Bei einsetzendem Anodeneffekt wird eine bestimmte Menge Gas unter die Anode gespült und möglichst zur gleichen Zeit der Schmelze Aluminiumoxid zugeführt. Weiterhin ist aus der US-PS 31 35 672 ein Verfahren zur Zufuhr von Aluminiumoxid zur Elektrolysezelle bekannt, bei dem Aluminiumoxid kontinuierlich neben die Anoden oberhalb der Badoberfläche zusammen mit einem Gasstrom eingeführt wird. Das Nichtverkrusten der Badoberfläche an der Zufuhrstelle des Aluminiumoxids wird entweder durch den Blaseffekt des Gases oder im Falle der Benutzung eines brennbaren Gases durch die bei der örtlichen Verbrennung auf der Badoberfläche erzielte Temperaturerhöhung erreicht.

Der Anmeldung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Aluminium durch Schmelzflußelektrolyse in offenen oder gedeckten Zellen unter Verwendung von Kohleanoden mit mindestens einer vertikalen Bohrung zu verbessern, derart, daß Anodeneffekte weitgehend vermieden werden.

Die gestellte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1. Die Unteransprüche 2 bis 4 betreffen weitere Ausbildungen des Verfahrens nach Anspruch 1.

Im Anspruch 5 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 4 angegeben.

Es handelt sich um ein Verfahren zur Herstellung von Aluminium durch Schmelzflußelektrolyse sowie eine Vorrichtung zu seiner Durchführung, bei dem durch Zugabe von Aluminiumoxid, Zusatzstoffen und reduzierenden Feststoffen in inniger Durchmischung mit Hilfe eines Gases durch die Mitte der Kohleanode unter die Unterseite der Anode die Nachteile bekannter Verfahren vermieden werden.

Die Verarmung des Elektrolyten an Al&sub2;O&sub3; unter der Anode, die bei einem Gehalt unter 2% Al&sub2;O&sub3; zum Anodeneffekt führt, kann nur bei Aufgabe der Roh- und Zusatzstoffe direkt unter die Verbrauchsstelle, d. h. unter die Anode sicher vermieden werden. Es muß bei einer Aufgabe des Materials seitlich neben die Anode immer mit dem Auftreten eines Anodeneffektes gerechnet werden, auch wenn seine Folgen entsprechend US-PS 43 92 926 schneller beseitigt werden können. Auch verbleiben in allen Fällen die Nachteile einer notwendigen und aufwendigen Baddurchmischung, die für den Transport von Al&sub2;O&sub3; unter die Anode notwendig ist, wenn auch nach US-PS 31 35 672 das Krustenbrechen entfällt.

Der Verbrauch an Anodenkohle wird beim erfindungsgemäßen Verfahren durch die Zufuhr von reduzierendem Gas und reduzierendem Feststoff durch das Mittelrohr in der Anode erheblich verringert. Bei den bekannten Verfahren ist sogar mit zusätzlichem Anodenabbrand zu rechnen, wenn beispielsweise nach US-PS 43 92 926 Luft unter die über 1000°C heiße Anode geblasen wird oder nach US-PS 31 35 672 die Anodenseitenflächen durch Verbrennungsgase aufgeheizt werden.

Schließlich kann die Polarisationsspannung unter der Anode weitgehend beseitigt werden. Sie wird durch die behinderte Umsetzung und Abfuhr des unter der Anode entwickelten Sauerstoffs hervorgerufen und kann durch mechanisches Wegblasen unter den kristischen Wert, der den Anodeneffekt hervorbringt, gebracht werden. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird bei Verwendung von Kohlenmonoxid oder Kohlenmonoxid enthaltenden Gasen die Zusammensetzung des Anodengases in Richtung Kohlenmonoxid verschoben und damit die Zersetzungsspannung des Al&sub2;O&sub3; stark verringert.

Neben Kohlenmonoxid kommen auch Gase wie Erdgas, Methan, Äthylen und Acetylen infrage. Inertgas ist ebenfalls geeignet.

Es kann folgendermaßen verfahren werden: Man versieht die Anode (1) mit einem Mittelrohr (2), durch das die Materialzufuhr in das Elektrolysebad (3) erfolgt. Das Mittelrohr (2) ist an eine Dosiervorrichtung (4) angeschlossen, mit der Al&sub2;O&sub3;, Zuschlagstoffe und reduzierende Feststoffe aus einem gasdichten Bunker (5) entnommen werden. Unterhalb der Dosiervorrichtung (4) ist eine Gasversorgungsleitung (6) angeflanscht, aus der Inertgas oder reduzierende Gase dem Elektrolysebad (3) unter schwachem Überdruck zugeführt werden. Der Überdruck wird den jeweiligen Erfordernissen unter der Anode entsprechend mit Hilfe des Ventils (7) eingestellt und durch eine Kontrolleinrichtung (8) konstant gehalten.

Beispiel

In einer Elektrolysezelle (Stromstärke 100 KA) werden ca. 700 kg/Tag Aluminium erzeugt. Die gedeckte Zelle hat 48 Anoden von 500 × 500 mm Grundfläche. Die Materialzufuhr erfolgt durch Seitenbedienung.

Eine Anode wurde separat mit Strom und Material versorgt und überwacht. Bei 4,15 V flossen 2500 A Strom. Aus einem hermetisch abgedichteten Bunker wurden pro Tag durch eine Bohrung in der Anode 30 kg Al&sub2;O&sub3; und 5 kg Petrolkoks mit 5-10 mm WS Überdruck dem Elektroysebad zugeführt. Der Überdruck wurde durch Ventilregulierung in der Inertgasleitung aufrechterhalten.

Es trat kein Anodeneffekt auf. Die Spannung an der Anode (gegen Kathode gemessen) fiel von 4,15 V auf 3,8 V.

Der Elektrodenabbrand reduzierte sich von ca. 500 g/kg Al auf ca. 300 g/kg Al.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Herstellung von Aluminium durch Schmelzflußelektrolyse in offenen oder gedeckten Zellen unter Verwendung selbstbrennender oder vorgebrannter, mit mindestens einer vertikalen Bohrung versehener Kohleanoden, wobei durch die Bohrung Gas einführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Bohrung mindestens einer Kohleanode in Gas suspendiertes, feinverteiltes Aluminiumoxid zusammen mit reduziertem Feststoff in den Zellenbereich unmittelbar unter die mindestens eine Kohleanode eingebracht werden, wobei das Gas unter einem Überdruck von 10 bis 10 000 Pa steht.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Aluminiumoxid und Zuschlagstoffe eingebracht werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als reduzierender Feststoff Petrolkoks eingesetzt wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Gas ein Inertgas, Kohlenmonoxid oder ein Kohlenmonoxid enthaltendes Gas verwendet wird.
  5. 5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, bestehend aus einem Elektrolysetrog, in welchen mindestens eine von einem Mittelrohr durchdrungene Anode hineinragt, wobei das Mittelrohr mit einer ein regelbares Ventil aufweisenden Gasversorgungsleitung strömungsmäßig verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des oberen Endes des Mittelrohres (2) ein gasdichter Bunker (5) angeordnet ist, welcher mit dem Mittelrohr (2) strömungsmäßig verbunden ist, wobei unterhalb des Bunkers (5) eine Dosierungsvorrichtung (4) angeordnet ist, und daß das regelbare Ventil (7) Stellbefehle in Abhängigkeit vom Druck unterhalb der Anode (1) erhält.






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